酪蛋白膠束(casein micelles)綜述：形成機制、結構、性質、功能特性及其應用

本文探討了酪蛋白膠束的結構、穩定性及其在乳製品加工和食品科學中的重要性。

典型酪蛋白膠束的核衣結構示意圖

Horvath A, Fuxreiter M, Vendruscolo M, Holt C, Carver JA. Are casein micelles extracellular condensates formed by liquid-liquid phase separation? FEBS Lett. 2022 Aug;596(16):2072-2085. doi: 10.1002/1873-3468.14449. Epub 2022 Jul 18. PMID: 35815989.

詞彙表

• 酪蛋白膠束 (Casein Micelles): 牛奶中發現的一種大型膠體結構，由數千個酪蛋白分子、鈣離子和磷酸鹽組成。
• 酪蛋白 (Casein): 牛奶中發現的一組磷蛋白，占牛奶總蛋白質的 80%。
• αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-酪蛋白 (αS1-, αS2-, β-casein): 對鈣離子敏感的酪蛋白類型，構成酪蛋白膠束的核心。
• κ-酪蛋白 (κ-casein): 位於酪蛋白膠束表面的酪蛋白類型，有助於膠束的穩定性和防止聚集。
• 膠束磷酸鈣 (MCP, Micellar Calcium Phosphate): 酪蛋白膠束中的礦物質部分，主要由鈣和磷酸鹽組成。
• 疏水相互作用 (Hydrophobic Interactions): 導致非極性分子在水性環境中聚集的弱相互作用。
• 靜電相互作用 (Electrostatic Interactions): 帶相反電荷的分子之間的吸引力。
• 液-液相分離 (LLPS, Liquid-Liquid Phase Separation): 一種物理過程，其中均質溶液分離成兩個或多個不同的液相。
• 多分散性 (Polydispersity): 指樣品中顆粒大小分佈的範圍。
• 動態光散射 (DLS, Dynamic Light Scattering): 一種用於確定溶液或懸浮液中顆粒大小分佈的技術。

壹、關於酪蛋白膠束的常見問題

1. 什麼是酪蛋白膠束？

酪蛋白膠束是牛奶中發現的穩定奈米顆粒，由酪蛋白蛋白、鈣和磷酸鹽組成。它們充當鈣和磷的載體，確保牛奶保持液態並防止這些礦物質沉澱。

2. 酪蛋白膠束的結構是什麼？

酪蛋白膠束的精確結構仍在爭論中，但普遍接受的觀點是它們具有層次結構。膠束由數千個酪蛋白分子組成，這些酪蛋白分子通過磷酸鈣奈米簇和蛋白質間相互作用結合在一起。κ-酪蛋白，一種特定的酪蛋白類型，富含表面並通過空間和靜電斥力穩定膠束。

3. 影響酪蛋白膠束穩定性的因素有哪些？

幾個因素會影響酪蛋白膠束的穩定性，包括：

• pH值：在酪蛋白的等電點（pH 4.6）附近，膠束穩定性最低，並且容易聚集。
• 溫度：加熱會導致酪蛋白膠束結構變化，影響其穩定性。
• 離子強度：高離子強度會降低酪蛋白膠束的穩定性並促進聚集。

4. 酪蛋白膠束如何與食品中的其他成分相互作用？

酪蛋白膠束可以與食品中的其他成分（如蛋白質、多醣和脂質）相互作用，從而影響產品的質地、穩定性和外觀。這些相互作用可能涉及靜電、疏水和氫鍵。

5. 什麼是酪蛋白膠束的營養意義？

酪蛋白膠束是鈣和磷的良好來源，這兩種礦物質對骨骼健康至關重要。它們還提供必需氨基酸，並且易於消化吸收。

6. 酪蛋白膠束在食品工業中有哪些應用？

酪蛋白膠束由於其獨特的特性，在食品工業中具有多種應用，包括：

• 乳化劑：它們可以穩定油水混合物，例如蛋黃醬和調味品。
• 增稠劑：它們可以增加食品的黏度，例如優格和醬汁。
• 膠凝劑：它們可以用於形成凝膠，例如乳酪和豆腐。
• 包埋劑：它們可以用於包埋和保護敏感的生物活性物質，例如維生素和抗氧化劑。

7. 如何使用酪蛋白膠束作為生物活性化合物的遞送系統？

酪蛋白膠束可以用於包封和保護生物活性化合物，例如維生素、抗氧化劑和益生菌。它們的多孔結構和良好的溶解性使其成為遞送系統的理想選擇。可以使用不同的方法將生物活性物質包封在酪蛋白膠束中，例如酸化、高壓均質化和噴霧乾燥。

8. 酪蛋白膠束研究的未來方向是什麼？

酪蛋白膠束研究的未來方向包括：

• 開發更有效地將生物活性物質包封在酪蛋白膠束中的方法。
• 研究包封在酪蛋白膠束中的生物活性物質的生物利用度。
• 開發具有改進功能特性的新型酪蛋白膠束基食品成分。
• 探索酪蛋白膠束在藥物和化妝品遞送中的應用。

貳、酪蛋白膠束結構與功能綜論

本簡報文件回顧了酪蛋白膠束的結構、功能和應用，並分析了不同酪蛋白模型的優缺點。

一、主要議題：

1.酪蛋白膠束的組成和結構： 酪蛋白膠束主要由αS1-、αS2-、β- 和 κ-酪蛋白，以及膠束磷酸鈣 (MCP) 組成。 κ-酪蛋白分佈於膠束表面，形成親水層，防止膠束聚集，而對鈣敏感的 αS1-、αS2- 和 β- 酪蛋白則主要位於膠束內部，與 MCP 結合。

2.酪蛋白膠束形成的模型： 主要有三大模型：

a.外殼核心模型： 認為 κ-酪蛋白形成外殼，包覆著由其他酪蛋白和 MCP 組成的核心。

b.亞膠束模型： 認為膠束由通過 MCP 連接的亞基或亞膠束組成。

c.內部結構模型： 認為膠束是一個複雜的網絡結構，由酪蛋白和 MCP 相互交聯而成。

3.影響酪蛋白膠束結構和功能的因素：

a.內在因素： 酪蛋白的種類、比例、磷酸化程度和糖基化程度等。

b.外在因素： pH 值、溫度、离子强度、高壓處理、超音波處理等。

4.酪蛋白膠束的應用：作為生物活性物質的載體： 酪蛋白膠束可以包埋和保護生物活性物質，例如維生素、多酚、多肽等。

5.作為功能性食品成分： 酪蛋白膠束可以改善食品的質地、穩定性和營養價值。

二、重要觀點和事實：

• 酪蛋白膠束的結構是動態的，會隨著環境條件的變化而改變。
• κ-酪蛋白的糖基化程度會影響膠束的大小和穩定性。
• 酪蛋白的磷酸化程度會影響其與鈣的結合能力和膠束的形成。
• 不同種類的酪蛋白具有不同的功能特性，例如αS1-酪蛋白具有較高的伴侶活性。
• 非熱加工技術，如高壓處理和超音波處理，可以用於改變酪蛋白膠束的結構和功能。
• 酪蛋白膠束可以作為一種有效的生物活性物質載體，用於功能性食品和營養保健品的開發。

三、結論：

酪蛋白膠束是一種複雜而獨特的生物大分子組裝體，在牛奶的營養和功能特性中發揮著關鍵作用。 儘管對酪蛋白膠束的研究已經取得了很大進展，但其確切的結構和形成機制仍存在爭議。未來的研究需要進一步探索不同酪蛋白模型的適用性，以及如何利用酪蛋白膠束的獨特結構和功能特性來開發新型的功能性食品和生物材料。

叁、描述酪蛋白膠束結構的五種模型

以下將評估和比較五種描述酪蛋白膠束結構的模型：

	一、酪蛋白	膠束結構的五種模型
模型		介紹	優點	缺點
1.外殼核心模型 (Shell-core model)		這個模型由 Waugh 於 1958 年提出，是最早的酪蛋白膠束模型之一 [1]。該模型提出酪蛋白膠束具有由 α 或 β 酪蛋白組成的疏水核心，並被 κ-酪蛋白層包覆，κ-酪蛋白層能穩定膠束並防止其聚集 [2, 3]。	簡單易懂，解釋了 κ-酪蛋白在穩定膠束中的作用。	過於簡化，無法解釋酪蛋白膠束內部結構的複雜性，例如膠體磷酸鈣 (CCP) 的分佈。
2.亞膠束模型 (Sub-micelle model)		這個模型由 Schmidt 在 1982 年提出，並由 Walstra 在 1984 年進一步發展 [1]。該模型表明酪蛋白膠束是由膠體磷酸鈣交聯在一起的較小的亞基（亞膠束）組成的 [1, 4]。亞膠束透過疏水作用和磷酸鈣橋連接在一起 [1]。	比外殼核心模型更詳細，解釋了膠體磷酸鈣在膠束結構中的作用。	對於亞膠束的確切性質和排列方式仍存在爭議。
3.內部結構模型 (Internal structure model)		這些模型試圖更詳細地解釋酪蛋白膠束的內部排列，包括兩種主要模型：
	3a.納米團簇模型 (Nanocluster model)	這個模型提出膠體磷酸鈣以納米團簇的形式存在於酪蛋白膠束中 [4-7]。酪蛋白，特別是 αs1- 和 αs2- 酪蛋白，可以與這些納米團簇交聯形成三維網絡 [5]。	得到了一些實驗證據的支持，例如中子散射研究 [8]。	對於納米團簇的確切大小、形狀和組成仍存在不確定性。
	3b.雙重結合模型 (Dual-binding model)	這個模型由 Horne 在 1998 年提出，是對納米團簇模型的進一步發展 [4, 9, 10]。該模型認為酪蛋白膠束的組裝和生長受兩種途徑支配：疏水作用和靜電作用 [9, 10]。疏水作用導致酪蛋白分子之間的吸引力，而帶電區域的靜電排斥則限制了聚合物的生長 [10]。這種機制允許分支，從而形成一個可以容納足够水分的三維網絡 [10]。	結合了納米團簇模型的元素，並強調了蛋白質-蛋白質相互作用的重要性。	與納米團簇模型一樣，對於鈣磷酸鹽的確切性質仍存在一些不確定性。
4.多價結合模型 (Multivalent-binding model)		這個模型是對酪蛋白膠束結構的最新解釋，並建立在雙重結合模型的基礎上 [11-22]。該模型強調酪蛋白和膠體磷酸鈣之間的多價相互作用，以及短線性序列基序 (SLiMs) 在這些相互作用中的作用 [11, 12, 17, 23, 24]。酪蛋白包含多種 SLiMs，這些 SLiMs 可以與膠體磷酸鈣納米團簇、其他酪蛋白分子和水分子相互作用 [13, 17, 25]。	為酪蛋白膠束的結構、尺寸分佈和組成提供了更詳細和定量的描述 [16, 26]。它與多種實驗結果一致，包括中子散射、X 射線散射和尿素解離研究 [13, 15, 18, 20, 27]。	仍然是一個相對較新的模型，需要進一步的實驗驗證。

二、每個模型對解釋酪蛋白膠束功能特性的影響
模型		對解釋酪蛋白膠束功能特性的影響
1.外殼核心模型 (Shell-core model)		這個模型強調了 κ-酪蛋白在穩定酪蛋白膠束和防止其聚集方面的作用，這對於牛奶的穩定性至關重要。
2.亞膠束模型 (Sub-micelle model)		這個模型解釋了膠體磷酸鈣在酪蛋白膠束結構中的作用，膠體磷酸鈣對於膠束的穩定性和功能特性（例如其作為鈣和磷酸鹽來源的作用）至關重要。
3.內部結構模型 (Internal structure model)		納米團簇模型和雙重結合模型都提供了對酪蛋白膠束內部結構的更詳細的理解，這對於解釋膠束的穩定性、功能特性和對加工條件的反應至關重要。
4.多價結合模型 (Multivalent-binding model)		這個模型強調酪蛋白和膠體磷酸鈣之間的多價相互作用，以及酪蛋白膠束結構的動態和異質性。這對於理解膠束的穩定性、功能特性和對加工條件的反應（例如加熱、酸化和酶促交聯）至關重要。
總之，多價結合模型是對酪蛋白膠束結構最全面和最新的解釋。它解釋了膠束的許多特性，包括其大小分佈、組成和對加工條件的反應。然而，仍然需要進一步的研究來充分闡明酪蛋白膠束的複雜結構和功能。

多價結合模型

Horne, David S.. “Chapter 6 – Casein Micelle Structure and Stability.” (2024).Casein : Structural Properties, Uses, Health Benefits and Nutraceutical Applications. June 2024. Publisher: Elsevier Inc.Editor: Mamdouh El-Bakry, Bhavbhuti M. MehtaISBN: Paperback ISBN: 9780443158360 eBook ISBN: 9780443132148

肆、最能解釋酪蛋白膠束功能特性的模型

1. 根據先前的討論和提供的資料來源，多價結合模型 (Multivalent-binding model) 是最能解釋酪蛋白膠束功能特性的模型。此模型建立在雙重結合模型的基礎上，強調酪蛋白和膠體磷酸鈣 (CCP) 之間的多價相互作用，以及短線性序列基序 (SLiMs) 在這些相互作用中的作用。

• 酪蛋白含有多種 SLiMs，可以與 CCP 奈米團簇、其他酪蛋白分子和水分子相互作用。

• 這些多價相互作用賦予酪蛋白膠束獨特的結構和功能特性，例如其尺寸分佈、組成和對加工條件（如加熱、酸化和酶促交聯）的反應。

2. 其他模型，例如外殼核心模型、亞膠束模型和內部結構模型 (納米團簇模型和雙重結合模型)，都為理解酪蛋白膠束結構提供了有價值的見解，但它們無法像多價結合模型那樣全面地解釋膠束的功能特性。

例如，外殼核心模型強調 κ-酪蛋白在穩定酪蛋白膠束中的作用，而亞膠束模型則突出了 CCP 的重要性，但它們都沒有充分解決酪蛋白膠束結構的動態和異質性。

3. 多價結合模型認識到酪蛋白膠束不是靜態實體，而是不斷地進行組裝和分解的動態結構。CCP 奈米團簇和酪蛋白分子之間的多價相互作用創造了一個複雜且適應性強的系統，可以對環境變化做出反應。這種動態特性對於酪蛋白膠束的許多功能特性至關重要，例如其在牛奶中的穩定性、其作為生物活性化合物的載體的能力，以及其在消化過程中的行為。

4. 重要的是要注意，儘管多價結合模型提供了對酪蛋白膠束結構和功能最全面的理解，但它仍然是一個相對較新的模型，需要進一步的實驗驗證。酪蛋白膠束是一個高度複雜的系統，未來需要進一步研究以充分闡明其所有特性。

伍、酪蛋白膠束透過相分離形成的機制

雖然來源資料中沒有明確說明酪蛋白膠束如何透過相分離機制形成，但[1-3]指出酪蛋白膠束可以被視為一種細胞外凝聚相，由酪蛋白的本質無序蛋白質（IDP）與膠體磷酸鈣 (CCP) 奈米團簇透過多價相互作用形成。這個過程類似於細胞內無膜細胞器的形成，這些細胞器也透過液-液相分離形成。

以下是酪蛋白膠束可能透過相分離形成的機制推測，但這些信息並未包含在來源資料中，需要再進一步查證：

• 酪蛋白的IDP特性： 酪蛋白，尤其是 αs1-、αs2- 和 β-酪蛋白，富含脯氨酸且結構鬆散，表現出 IDP 的特性。這些 IDP 的特點是結構靈活性高，容易發生多價相互作用。
• 多價相互作用驅動相分離： 酪蛋白的 IDP 區域包含多個可以與 CCP 奈米團簇結合的短線性序列基序 (SLiMs)。這些多價相互作用降低了系統的混合熵，驅使酪蛋白和 CCP 發生相分離，形成富含酪蛋白和 CCP 的凝聚相。
• CCP 奈米團簇作為成核位點： CCP 奈米團簇可以作為成核位點，促進酪蛋白分子在其周圍聚集。酪蛋白和 CCP 之間的相互作用以及酪蛋白分子之間的相互作用（例如疏水作用）進一步穩定凝聚相。
• 酪蛋白膠束的動態平衡： 酪蛋白膠束的形成是一個動態過程，凝聚相與周圍溶液保持平衡。環境因素，例如 pH 值、離子強度和溫度，可以影響酪蛋白和 CCP 之間的相互作用，從而改變酪蛋白膠束的大小、形狀和穩定性。

資料來源中支持這些推測的證據：

• [4] 中提到了 FuzDrop 方法可以預測蛋白質發生液-液相分離的傾向，並指出酪蛋白的胺基酸組成介於球狀蛋白質和本質無序蛋白質之間，顯示其具有發生相分離的潛力。
• [2] 指出酪蛋白膠束可以被視為由酪蛋白 IDP 形成的細胞外凝聚相，類似於細胞內透過相分離形成的無膜細胞器。
• [3] 提出了多價結合模型，強調酪蛋白和 CCP 之間的多價相互作用，並指出酪蛋白膠束是一個動態結構，其形成和穩定性受環境因素影響。

需要進一步研究的問題：

• 酪蛋白膠束形成過程中相分離的具體機制和影響因素。
• 不同酪蛋白的 IDP 特性對相分離和膠束形成的影響。
• CCP 奈米團簇在相分離和膠束形成中的確切作用。

總之，儘管資料來源中沒有明確描述酪蛋白膠束如何透過相分離形成，但多個證據表明，酪蛋白的 IDP 特性和其與 CCP 之間的多價相互作用可能驅使相分離，從而形成酪蛋白膠束。未來需要進一步的研究來充分闡明酪蛋白膠束形成的具體機制。

陸、液-液相分離與酪蛋白膠束的形成及多分散性

液-液相分離 (LLPS) 是一種熱動力學過程，其中均勻的溶液（單相）在特定條件下（例如濃度、溫度、pH值）自發分離成兩個或多個不同的液相。這些液相雖然仍然可以混合，但它們在組成和密度上有所不同，導致形成具有不同物理和化學性質的區域。

一、酪蛋白膠束的形成與 LLPS 的關係：

雖然資料來源中沒有明確描述酪蛋白膠束如何透過相分離機制形成，但指出酪蛋白膠束可以被視為一種細胞外凝聚相，由酪蛋白的本質無序蛋白質（IDP）與膠體磷酸鈣 (CCP) 奈米團簇透過多價相互作用形成。這個過程類似於細胞內無膜細胞器的形成，這些細胞器也透過液-液相分離形成。

二、酪蛋白膠束多分散性的解釋：

酪蛋白膠束的多分散性指的是其尺寸分佈範圍廣，並非均一的現象。多價結合模型可以解釋此現象，以下將詳細說明：

• 多價相互作用和動態平衡： 酪蛋白膠束的形成是一個動態過程，由酪蛋白 IDP 和 CCP 奈米團簇之間的多價相互作用驅動。這些相互作用並非固定不變，而是不斷地進行結合和解離，形成一個動態平衡。

• 環境因素的影響： 環境因素，例如 pH 值、離子強度和溫度，可以影響酪蛋白和 CCP 之間的相互作用，進而改變動態平衡，導致形成不同大小的酪蛋白膠束。

• 酪蛋白組成的差異： 牛奶中存在四種主要的酪蛋白（αs1-、αs2-、β- 和 κ-酪蛋白），它們的胺基酸組成、電荷分佈和疏水性有所差異，導致其與 CCP 奈米團簇的結合能力不同，進而影響酪蛋白膠束的大小和結構。

• CCP 奈米團簇的異質性： CCP 奈米團簇本身也並非均一的，它們的大小、形狀和電荷分佈都可能存在差異。 這些差異會影響其與酪蛋白的相互作用，進而導致形成不同大小的酪蛋白膠束。

總之，酪蛋白膠束的多分散性是由於酪蛋白 IDP 和 CCP 奈米團簇之間的多價相互作用、環境因素的影響、酪蛋白組成的差異以及 CCP 奈米團簇的異質性共同作用的結果。

柒、多價結合模型的架構、機制及應用範例

多價結合模型是解釋酪蛋白膠束結構的最新模型，它建立在雙重結合模型的基礎上，並強調了酪蛋白和膠體磷酸鈣 (CCP) 之間的多價相互作用，以及短線性序列基序 (SLiMs) 在這些相互作用中的作用。

一、架構：

多價結合模型認為酪蛋白膠束不是一個具有明確核心-外殼結構的實體，而是一個由酪蛋白 IDP 和 CCP 奈米團簇透過多價相互作用形成的動態且異質的網絡。CCP 奈米團簇分佈在整個膠束中，並作為成核位點，促進酪蛋白分子在其周圍聚集。

二、機制：

1.多價相互作用： 酪蛋白，特別是 αs1-、αs2- 和 β-酪蛋白，是富含脯氨酸的本質無序蛋白質 (IDP)，它們包含多個可以與 CCP 奈米團簇結合的 SLiMs。這些 SLiMs 通常富含磷酸絲氨酸殘基，可以與 CCP 奈米團簇表面的鈣離子形成多個靜電相互作用。

2.動態平衡： 酪蛋白和 CCP 奈米團簇之間的結合並非固定不變，而是一個動態過程，不斷地進行結合和解離，形成一個動態平衡。這種動態平衡決定了酪蛋白膠束的大小、形狀和穩定性。

3.環境因素的影響： 環境因素，例如 pH 值、離子強度和溫度，可以影響酪蛋白和 CCP 奈米團簇之間的相互作用，從而改變動態平衡，導致形成不同大小和穩定性的酪蛋白膠束。1

三、應用範例：

多價結合模型可以用於解釋酪蛋白膠束的許多功能特性，例如：

1.多分散性： 酪蛋白膠束的尺寸分佈範圍廣，這是由於酪蛋白和 CCP 奈米團簇之間的多價相互作用、環境因素的影響、酪蛋白組成的差異以及 CCP 奈米團簇的異質性共同作用的結果。1

2.穩定性： 酪蛋白膠束在牛奶中保持穩定，這歸因於 κ-酪蛋白在其表面的富集。κ-酪蛋白的親水性糖基化尾部產生空間位阻和靜電排斥，防止膠束聚集。多價結合模型解釋了 κ-酪蛋白如何透過與 CCP 奈米團簇和酪蛋白 IDP 相互作用而穩定膠束。

3.對加工條件的反應： 加熱、酸化和酶促交聯等加工條件會影響酪蛋白和 CCP 奈米團簇之間的相互作用，從而改變酪蛋白膠束的結構和功能特性。多價結合模型可以預測這些變化，並有助於設計新的食品加工技術。

四、總結：

• 多價結合模型提供了對酪蛋白膠束結構和功能最全面和最新的解釋。它強調了酪蛋白和 CCP 奈米團簇之間的多價相互作用，以及酪蛋白膠束結構的動態和異質性。這個模型可以解釋酪蛋白膠束的許多特性，包括其尺寸分佈、穩定性和對加工條件的反應。
• 需注意的是，資料來源中沒有明確說明酪蛋白膠束如何透過相分離機制形成。 但是，許多證據表明酪蛋白的 IDP 特性和其與 CCP 之間的多價相互作用可能驅使相分離，從而形成酪蛋白膠束。 未來需要進一步的研究來充分闡明酪蛋白膠束形成的具體機制。

捌、酪蛋白膠束：形成機制、結構、性質、功能特性及其應用

一、酪蛋白膠束的形成機制

酪蛋白膠束的形成是酪蛋白分子與磷酸鈣 (CaP) 奈米簇之間複雜相互作用的結果。這種過程主要受以下因素驅動：

1. 疏水交互作用： 酪蛋白分子，尤其是 αs1、αs2 和 β-酪蛋白，在其結構中具有疏水區域。這些疏水區域傾向於聚集在一起以減少其與周圍水環境的接觸，從而推動膠束的形成 [1-3]。
2. 靜電交互作用： 酪蛋白分子帶負電荷，特別是在牛奶的自然 pH 值下。然而，κ-酪蛋白的存在，由於其獨特的結構和糖基化，在膠束表面形成帶負電荷的親水層，透過靜電斥力防止膠束之間的聚集 [1, 2, 4]。
3. 鈣橋接： 鈣離子 (Ca2+) 在酪蛋白膠束的形成和穩定性中起著至關重要的作用。鈣離子可以與酪蛋白分子上的磷酸絲氨酸殘基結合，形成橋接，將酪蛋白分子和 CaP 奈米簇結合在一起 [2, 5, 6]。
4. 磷酸鈣奈米簇： CaP 奈米簇是酪蛋白膠束形成的核心。這些奈米簇由磷酸鈣組成，磷酸鈣具有很低的溶解度，並且在酪蛋白分子存在下趨於沉澱。酪蛋白分子，尤其是帶有磷酸絲氨酸殘基的那些，可以穩定這些奈米簇，防止它們形成較大的不溶性沉澱物 [2, 3, 7]。

二、酪蛋白膠束的内部結構

酪蛋白膠束的內部結構相當複雜，並且已經提出了幾種模型來解釋它，沒有一個單一模型能夠完全解釋其複雜性。一些最突出的模型包括：

1. 外殼-核心模型： 該模型表明酪蛋白膠束具有核心-外殼結構，其中疏水性、對鈣敏感的 αs1、αs2 和 β-酪蛋白主要位於核心，而親水性 κ-酪蛋白形成穩定膠束的外殼 [3, 8]。
2. 亞膠束模型： 該模型提出酪蛋白膠束由透過 CaP 連接的較小的亞基或亞膠束組成。這些亞膠束被認為包含所有類型的酪蛋白，以及 CaP 奈米簇 [3, 8]。
3. 內部結構模型： 這些模型提供了更細緻的酪蛋白膠束內部排列的觀點。例如，“雙重結合模型”表明酪蛋白透過其疏水區域和親水區域（包含磷酸絲氨酸）與 CaP 相互作用 [3]。“納米團簇模型”該模型提出膠體磷酸鈣以納米團簇的形式存在於酪蛋白膠束中。酪蛋白，特別是 αs1- 和 αs2- 酪蛋白，可以與這些納米團簇交聯形成三維網絡。
4. 混合河道模型： 該模型考慮到水腔的存在，這些水腔分佈在整個膠束中，為生物活性化合物創造了潛在的結合位點 [4]。
5. 多價結合模型：該模型是解釋酪蛋白膠束結構的最新模型，強調了酪蛋白和膠體磷酸鈣 (CCP) 之間的多價相互作用，以及短線性序列基序 (SLiMs) 在這些相互作用中的作用。

三、酪蛋白膠束的理化性質

酪蛋白膠束表現出一系列影響其功能和應用的獨特的理化性質：

1. 尺寸和形狀： 酪蛋白膠束是球形奈米顆粒，尺寸範圍為 50 至 500 奈米，平均直徑約為 150 奈米 [1, 9]。它們的尺寸和形狀會受到牛奶預處理、溫度、pH 值和離子強度等因素的影響 [9-11]。
2. 電荷： 酪蛋白膠束由於其表面存在 κ-酪蛋白而帶負電荷。這種負電荷有助於透過靜電斥力穩定膠束，防止它們聚集 [2, 4, 12]。
3. 水合作用： 酪蛋白膠束具有高度水合性，這意味著它們可以結合和保留大量的水。這種特性有助於牛奶的穩定性和流動性 [1, 9]。
4. 熱穩定性： 酪蛋白膠束相對耐熱，這意味著它們可以在一定溫度範圍內保持其結構和功能特性。然而，長時間暴露在高溫下會導致酪蛋白變性，從而導致膠束聚集和沉澱 [2, 10]。
5. pH 穩定性： 酪蛋白膠束在牛奶的自然 pH 值（約 6.7）下是穩定的。然而，在酸性 pH 值下，膠束會發生聚集，因為膠束表面的電荷會減少，並且 CaP 的溶解度會增加 [11, 13]。

四、酪蛋白膠束的功能特性及其應用

酪蛋白膠束的獨特理化性質使其成為食品和營養保健品產業中各種應用的寶貴成分：

1. 乳化性： 酪蛋白膠束是有效的乳化劑，這意味著它們可以幫助在牛奶等食品中分散和穩定脂肪球。酪蛋白的兩親性（具有親水性和疏水性區域）使其能夠吸附在水和油的界面，形成穩定乳液的保護層 [14, 15]。
2. 膠凝性： 在某些條件下，例如酸化或添加凝乳酶，酪蛋白膠束會形成凝膠。此特性用於生產優格、乳酪和其他乳製品 [2, 6, 16]。
3. 水結合能力： 酪蛋白膠束的高水結合能力有助於食品的質地和穩定性，防止脫水收縮並改善口感 [2, 6]。
4. 生物活性化合物遞送： 酪蛋白膠束可用於封裝和遞送生物活性化合物，例如維生素、礦物質、抗氧化劑和益生菌。膠束的結構為這些化合物提供了保護性環境，防止其降解並提高其生物利用度 [17-20]。

五、酪蛋白膠束在食品加工技術中的應用

酪蛋白膠束的獨特性質使其成為開發新型食品加工技術和設計功能性食品的極佳候選者：

1. 微膠囊化： 酪蛋白膠束可用於微膠囊化生物活性化合物，保護它們免受降解並實現其受控釋放 [18, 20]。這在開發具有增強營養價值和健康益處的功能性食品方面具有巨大的潛力。
2. 奈米乳液： 由酪蛋白膠束穩定的奈米乳液由於其增強的穩定性、生物利用度和感官特性而越來越受到關注。這些奈米乳液可用於將生物活性化合物（如維生素、抗氧化劑和ω-3 脂肪酸）摻入飲料、醬汁和甜點中 [15, 21]。
3. 水凝膠： 酪蛋白膠束可以與其他聚合物交聯形成水凝膠，水凝膠是具有高吸水性和生物相容性的三維網絡。基於酪蛋白的水凝膠在食品工業中具有廣泛的應用，包括作為增稠劑、穩定劑、質地改良劑和生物活性化合物遞送系統 [22]。

六、結論

酪蛋白膠束是牛奶中發現的獨特且用途廣泛的天然奈米顆粒。它們的形成、結構、理化性質和功能特性使其成為食品和營養保健品產業中寶貴的成分。了解酪蛋白膠束的複雜性為開發創新食品加工技術、設計功能性食品和增進我們對牛奶和乳製品營養價值的理解提供了機會。