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大豆中主要致敏蛋白及其去除方法*

2014-03-22 22:44鄭環(huán)宇董小超白小娟朱秀清韓建春
大豆科技 2014年6期
關(guān)鍵詞:亞基大豆蛋白

倪 艷,鄭環(huán)宇,**,董小超,白小娟,朱秀清,,韓建春,

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)/國家大豆工程技術(shù)研究中心/黑龍江省大豆技術(shù)開發(fā)研究中心,哈爾濱 150028;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,哈爾濱 150030)

大豆作為主要的農(nóng)作物之一,在世界各地都有大面積的種植。大豆含有豐富的人體必需八種氨基酸且其組分平衡,是人和畜禽優(yōu)質(zhì)的植物蛋白源。近年來,隨著大豆蛋白分離技術(shù)的不斷改進,大豆蛋白制品的口感和食品功能性得到完善,被廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域,例如在嬰兒奶粉、腸、休閑食品等各類加工食品中都有大豆分離蛋白的添加。但是隨著大豆蛋白被廣泛應(yīng)用于食品中,大豆蛋白中含有的致敏性蛋白會導(dǎo)致部分成人、嬰兒引發(fā)過敏反應(yīng),使這些人群食用大豆蛋白面臨著危險,因此這就使去除大豆致敏蛋白顯得尤為重要[1]。文中對大豆致敏蛋白的分類、結(jié)構(gòu)特點、目前采用的去除方法、存在問題及今后研究發(fā)展方向等進行了綜述。

1 大豆主要致敏蛋白的分類

大豆致敏蛋白是指大豆及其制品中能引起人或畜禽產(chǎn)生過敏反應(yīng)的一些大分子蛋白質(zhì)或糖蛋白,被稱為八大主要食物過敏源之一。目前的研究表明,大豆主要致敏蛋白按其沉降系數(shù)可分為11S、7S和2S 3種,其中大豆球蛋白屬于11S組分;β-伴大豆球蛋白、Glym Bd 30K和Glym Bd 28K屬于7S組分;胰蛋白酶抑制劑屬于2S組分。

1.1 大豆球蛋白

大豆球蛋白分別占大豆籽實總蛋白的19.5%~23.1%和總球蛋白的40%。大豆球蛋白是由6個亞基組成的,其中每個亞基由一條酸性肽鏈即A鏈(A1、A2、A3、A4、A5、A6)和一條堿性肽鏈即B鏈(B1、B2、B3、B4、B5、B6)構(gòu)成,而這兩條肽鏈又通過二硫鍵連接起來,形成2個比較穩(wěn)定的環(huán)狀六角形結(jié)構(gòu),且酸性肽鏈比堿性肽鏈更容易水解。大豆球蛋白的分子質(zhì)量為300~350 kDa,其中酸性亞基分子質(zhì)量為31~45 kDa,等電點(PI)為4.8~5.5;堿性亞基分子量為18~20 kDa,等電點(PI)為6.5~8.5[2]。研究表明,大豆球蛋白的單體共有5種存在形式,分別是A1aB2(53.6 kDa)、A1bB2(52.2 kDa)、 A2B1a(52.4 kDa)、 A3B4(55.4 kDa)和A5A4B3(61.2 kDa)[3]。

1.2 β-伴大豆球蛋白

β-伴大豆球蛋白占大豆籽實總蛋白的10.0%~12.7%,占總球蛋白的30%,占大豆7S球蛋白的50%以上[4]。β-伴大豆球蛋白是一個三聚體糖蛋白,分子質(zhì)量為150~175 kDa,由α、α′、β3個亞基組成,他們的分子質(zhì)量分別為68 kDa、72 kDa、53 kDa。3個亞基中,天冬氨酸/天門冬酰胺、谷氨酸/谷氨酰胺、亮氨酸和精氨酸的含量較豐富,含硫氨基酸較少,特別是不含半胱氨酸,且熱穩(wěn)定性為β>α′>α[5]。目前已經(jīng)鑒定清楚的β-伴大豆球蛋白有6 種聚合形式,分別為αβ1、αβ2、αα′β、α2β、αα2、α3。β-伴大豆球蛋白的3個亞基都具有潛在的致敏性,而其中的α亞基即Gly m Bd 60K,最重要也是最容易被遺傳過敏性皮炎患者的血清IgE抗體所識別[6]。Glym Bd 60K也是一種糖蛋白,其等電點為4.9。β-伴大豆球蛋白與大豆球蛋白相比,其熱穩(wěn)定性和凝膠能力較差,但乳化能力比大豆球蛋白強[7]。

1.3 Glym Bd 30K

Glym Bd 30K含量低于大豆蛋白總含量的l%[8],分子質(zhì)量為30~34 kDa,等電點為4.5,又被稱為大豆油脂體相關(guān)蛋白P34[9],屬于木瓜蛋白酶超家族,是致敏性最強的致敏蛋白,能被65%的大豆過敏患者血清識別,而2010年Gagnon利用2-D電泳IgE Western-blotting,認(rèn)為大豆蛋白中致敏性最強的是11S球蛋白中的酸性多肽(A3多肽),而不是Glym Bd 30K[10]。

研究表明,Glym Bd 30K(P34)由257個氨基酸殘基組成,是一種單分子、不溶于水的糖蛋白,他的多糖組成為甘露糖、N-乙酰氨基葡萄糖、巖藻糖、木糖,分別以3:2:1:1的比例存在,Glym Bd 30K(P34)的糖基化位點位于成熟蛋白的第170位天冬酰胺處[11]。目前已經(jīng)鑒定出5個抗原表位,分別位于3-12、100-110、229-238、299-308和331-340位的氨基酸殘基上[12]。他含有較多的天冬氨酸、絲氨酸、谷氨酸、甘氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、精氨酸等氨基酸[13]。

1.4 Glym Bd 28K

Glym Bd 28K是由220個氨基酸殘基組成的糖蛋白,其含量低于Glym Bd 30K,分子質(zhì)量為26 kDa,等電點(PI)為6.1,屬于Cupin蛋白家族。他的多糖組成和比例與Glym Bd 30K的多糖相同。聚糖基團以N-連接的方式與位于Glym Bd 28K蛋白的氨基酸序列上的第20位的天冬酰胺連接[13]。他含有較多的天冬氨酸、絲氨酸、谷氨酸、甘氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、精氨酸等氨基酸[14]。通過研究Glym Bd 28K的抗原表位,發(fā)現(xiàn)其主要的線性C-末端與IgE結(jié)合的抗原表位位于S256和A270之間,用丙氨酸掃描技術(shù)研究抗原結(jié)構(gòu)域染色質(zhì)伸展活性,定位了5個與IgE結(jié)合頻率最高的氨基酸殘基為Y260,D261,D262,K264 和D266[15]。Glym Bd 28K的糖基化位點可能是IgE抗體識別的重要表位,去糖基化后的糖蛋白不能與過敏患者血清中IgE抗體特異結(jié)合,推斷N-連接聚糖部分就是一般植物性蛋白的IgE反應(yīng)活性決定域[12],但是,同樣是大豆中的致敏糖蛋白,對β-伴大豆球蛋白水解后的肽段進行免疫印跡實驗,卻發(fā)現(xiàn)與IgE結(jié)合的肽段并非糖肽[6],所以認(rèn)為糖基并不是所有糖蛋白與IgE連接的必要條件。

1.5 大豆胰蛋白酶抑制劑

大豆胰蛋白酶抑制劑分為2類,Browan-Birk(BBI)型抑制劑和Kuniz(KTI)型抑制劑,分別占大豆脫脂粉重的1.4%和0.6%。BBI型抑制劑對熱、酸和胃酶不穩(wěn)定,而KTI型抑制劑不僅穩(wěn)定,而且對胰凝乳蛋白酶的作用能力很強。BBI是由71個氨基酸所組成的單肽鏈,含有7個二硫鍵,分子質(zhì)量為8 kDa。KTI是由181個氨基酸組成的單肽鏈,含有2個二硫鍵,分子質(zhì)量為20.1 kDa,由8個亞基組成,分別為 Tia、Tib、Tibi5、Tic、Tid、Tie、Tif和Ti-null型。

1.6 其他致敏蛋白

除上述主要的大豆致敏原外,還有一些其他致敏原的存在,主要有大豆疏水蛋白Glym 1,存在于種子表面,有2個亞型Glym 1 A和Glym 1 B,其分子量分別為7.5 kDa和7 kDa[16];大豆外殼蛋白Glym 2,存在于豆莢中,分子質(zhì)量為8 kDa,PI為6.0[15];大豆抑制蛋白Glym 3,存在于豆莢中,分子質(zhì)量為14 kDa,PI為4.4[17]。這些致敏蛋白含量較低且熱穩(wěn)定性較差。

2 大豆致敏蛋白的清除處理方法

目前大豆致敏蛋白的清除方法主要有加工處理及育種改良等手段。

2.1 加工處理

2.1.1 熱處理 熱處理在國內(nèi)食品加工和飼料加工中是一種常用的方法,可以使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變性,從而破壞其空間構(gòu)象,進而在一定程度上可降低其致敏性。Lakemond等研究發(fā)現(xiàn)高溫會引起大豆球蛋白空間構(gòu)象及三維結(jié)構(gòu)的變化[18],即加熱到一定程度可以降低其致敏性或去除致敏性。

劉曉毅等將生大豆通過熱處理(60、70、80、90和100℃浸泡3 h)后[19],蛋白質(zhì)電泳分析表明,分子質(zhì)量為68K的致敏蛋白對熱不穩(wěn)定,能有效去除;30K和28K對熱都穩(wěn)定,不能有效去除,因此采用熱處理不能有效去除大豆中30K和28K兩種致敏蛋白。

2.1.2 熱蒸汽處理 孫鵬等將大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白分別從生、熟(120℃,7.5min)大豆中分離純化及電泳分析鑒定[20]。將鑒定后的純化致敏原皮下注射昆明小鼠,利用瓊脂擴散及免疫酶技術(shù)檢測所得抗血清與原有致敏原是否發(fā)生免疫應(yīng)答。結(jié)果表明,蒸汽處理能使大豆球蛋白含量明顯減少,致敏性喪失;而β-伴大豆球蛋白經(jīng)同樣處理后,含量雖有降低,但其致敏性卻仍然存在。

2.1.3 擠壓膨化處理 席鵬彬等研究不同溫度濕法擠壓膨化大豆對斷奶仔豬皮褶厚度及腹瀉的影響時發(fā)現(xiàn)[21],150℃膨化大豆日糧能減輕斷奶仔豬過敏反應(yīng)及下痢程度,因此可知,擠壓膨化技術(shù)在一定程度上能有效滅活生大豆中的大豆致敏蛋白,改善其營養(yǎng)價值。

2.1.4 超高壓處理 超高壓就是利用100 MPa以上的壓力,在常溫或較低溫度下,使食品中的酶、蛋白質(zhì)和淀粉等生物大分子改變活性、變性或糊化,而食品的天然味道、風(fēng)味和營養(yǎng)價值不受或很少受到影響,并可能產(chǎn)生一些新的質(zhì)構(gòu)特點的一種加工方法。

Tang等研究表明[22],在大于或是等于300MPa高壓的條件下,大豆球蛋白不但解離為亞基,而且這些亞基的構(gòu)象也發(fā)生了改變,同時含硫基團、疏水區(qū)域以及紫外吸收能力的氨基酸數(shù)量也增加了很多;經(jīng)400MPa、10min處理,大豆球蛋白會完全變性;經(jīng)500MPa、10min處理,大豆球蛋白的二級結(jié)構(gòu)α-螺旋和β-折疊被完全破壞并轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)則卷曲。而Penas等研究發(fā)現(xiàn)[23],大豆中的7S球蛋白(β-伴大豆球蛋白)在300MPa和400MPa高壓條件下,都會變性失活。此后又進一步研究并發(fā)現(xiàn),在200MPa和300MPa條件下,大豆中的Glym 1的致敏性也大幅度降低[24]。Huijing Li的研究表明在300MPa下高靜壓力處理15min可以使大豆分離蛋白的總致敏性降低48.6%[25]。Elena Penas的研究表明300MPa,15min,40℃超高壓處理可以降低大豆芽的抗原性,但卻使大豆的抗原性增加[26]。

高壓靜電場處理的原理是使離子化的氣體在電場內(nèi)移動,向物質(zhì)的散體微粒傳遞電荷,而蛋白質(zhì)本身就是帶電的電介質(zhì);而且有報道稱酶在電場的作用下生理活性會有所改變。

然而劉曉毅采用高壓靜電場(30 KV負(fù)壓)處理大豆蛋白溶液(2%濃度)[27],研究此種處理方式對致敏性的影響時卻發(fā)現(xiàn),這種方式不會改變蛋白質(zhì)的組成,ELISA測得抗體滴度也表明,蛋白與IgE的結(jié)合能力僅降低了3.2%。

2.1.5 鹽析處理 劉曉毅采用pH值配合鹽析(Na2SO4處理大豆蛋白提取液后調(diào)pH值)處理[27],結(jié)果顯示,當(dāng)pH值調(diào)至6.1時,28K被完全去除,但30K和68K未得到有效去除。而當(dāng)pH4.5時對30K和28K的去除效果較好,因此將鹽析和pH值處理結(jié)合起來可以有效去除大豆致敏蛋白30K和28K,但是不能去除68K。

2.1.6 糖基化處理 Tsuji等通過用多糖修飾致敏位點來降低大豆致敏蛋白的致敏能力[28]。采用方法為將大豆蛋白與半乳甘露聚糖按質(zhì)量比1:5混合,然后經(jīng)冷凍干燥,在相對濕度為79%,溫度60℃條件下誘發(fā)美拉德反應(yīng),結(jié)果表明大豆蛋白的致敏能力得到了有效的降低。而Babiker等通過在Glym Bd 30K上連接了一個半乳甘露聚糖[29],

結(jié)果也發(fā)現(xiàn)此復(fù)合物和過敏患者血清及Glym Bd 30K單克隆抗體不能發(fā)生反應(yīng)。說明糖基化是一種有效的使大豆致敏蛋白脫敏的方法。

2.1.7 化學(xué)試劑處理 Samoto等研究表明[30],去脂豆?jié){在一定條件下(1moL/L Na2SO4,pH4.5)加入還原劑(10 mmoL/L Na2SO3)后離心,Glym Bd 30K約有97%以沉淀形式被除去,而其他主要的大豆蛋白在離心后留在了上清液中。

2.1.8 酶處理 Yamanishi等將大豆在37℃下用蛋白酶處理20 h[31],經(jīng)免疫印跡和ELISA檢測表明,其不能與F5單克隆抗體及患者血清發(fā)生免疫反應(yīng),這說明酶解法能有效的去除過敏蛋白。而劉曉毅研究體內(nèi)蛋白酶的體外消化實驗也發(fā)現(xiàn)[27],胃蛋白酶能水解大豆蛋白的各個亞基,當(dāng)用10%濃度的脫脂大豆粉為底物,酶添加量0.5%(W/W)時,胃蛋白酶水解lh,致敏性下降80%,免疫印跡也表明此時的蛋白水解物不能和患者血清IgE發(fā)生反應(yīng)。王之盛等采用復(fù)合酶制劑(酸性蛋白酶60%、堿性蛋白酶20%、纖維素酶10%、淀粉酶8%、脂肪酶2%)處理豆粕和生大豆[32],結(jié)果表明,復(fù)合酶制劑在不同pH值條件下對致敏蛋白的作用不同,對生大豆的酶解效果比豆粕好;在酸性條件下有利于生大豆中11S致敏蛋白的降解,在堿性條件下有利于豆粕中致敏蛋白的降解,中性條件下有利于7S和2S小分子量致敏蛋白的降解。Penas等采用酶和超高壓結(jié)合對致敏蛋白的作用效果時發(fā)現(xiàn)[23],在100MPa時,3種酶的水解活性相似,而在200MPa和300MPa時,其水解程度明顯增強。其中在所有條件下,經(jīng)過堿性蛋白酶和CorolasePN-L處理后的豆?jié){液都不在呈現(xiàn)出致敏性。而在0.1 MPa、100MPa和200MPa條件下,中性蛋白酶的水解產(chǎn)物中能檢測到70 kDa致敏分子,在300MPa條件下卻沒檢測到致敏分子的存在。因此說明,高壓條件有助于酶解法去除大豆中的致敏蛋白。

2.1.9 微生物發(fā)酵處理 Frias和Young Soo Song等用米曲霉、米根霉和枯草芽孢桿菌對大豆種子進行固態(tài)發(fā)酵[33-34],用胚芽乳桿菌對碾米大豆進行液態(tài)發(fā)酵。結(jié)果顯示,在固體發(fā)酵中,用米曲霉和米根霉進行發(fā)酵的產(chǎn)品其致敏性分別降低了66%和68%,用枯草芽孢桿菌接種的樣品其致敏性分別減少了81%~86%。在液態(tài)發(fā)酵中,胚芽乳桿菌發(fā)酵的豆粕免疫球蛋白IgE的致敏性降低了96%~99%。

2.2 育種改良

2005年,Herman等借助基因槍法用Glym Bd 30K的沉默載體pKS73轉(zhuǎn)化大豆體細(xì)胞[35],成功的抑制了轉(zhuǎn)基因大豆的Glym Bd 30K蛋白合成,得到了缺失致敏蛋白Glym Bd 30K的轉(zhuǎn)基因大豆。劉珊珊等用黑龍江省第二積溫帶主栽中熟高油大豆品種東農(nóng)47為受體材料[36],以致敏蛋白缺失、7S球蛋白亞基組成為[(α′+α)+11S酸性亞基]缺失型日本引進育種材料“日B”為供體親本配制組合,于2008年創(chuàng)制了大豆7S球蛋白α-亞基(Glym Bd 60K致敏蛋白)缺失型新種質(zhì)。

2.3 結(jié)論

綜上所述目前國內(nèi)外所采用的各種去除大豆致敏蛋白的方法都存在一定的優(yōu)缺點。

熱加工雖會破壞蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)從而降低大豆蛋白的致敏性,但是對一些熱穩(wěn)定的致敏蛋白的作用效果不明顯。同時加熱過程中的溫度不好控制,而大豆含蛋白高,淀粉低,且大豆蛋白中較高的賴氨酸在溫度過高時易與一些還原糖發(fā)生美拉德反應(yīng),降低賴氨酸的有效性。同時溫度過高還會導(dǎo)致大豆一些非致敏蛋白變性,從而影響其功能性。

糖基化雖然能有效的去除個別大豆致敏原,但是引入多糖基團會不會導(dǎo)致新的致敏原產(chǎn)生目前仍存在較大爭議。

添加化學(xué)試劑的方法,在很大程度甚至完全除去大豆中致敏蛋白的同時也會造成產(chǎn)品中的化學(xué)物質(zhì)的殘留,這可能會對人體造成傷害,而后期除去化學(xué)物質(zhì)又會增加加工成本。

通過育種的方法雖然能從根本上改良大豆的蛋白品質(zhì),徹底清除致敏蛋白,而且可以減少為清除大豆蛋白的致敏作用所必需的加工工藝,從而大大降低深加工成本,有效保證大豆蛋白及其制品的高效利用,但是在轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的安全性上,至今仍飽受爭議。

酶水解處理是降低大豆蛋白致敏性的安全有效方法,但是其作用程度受酶的種類、水解程度以及水解前處理等諸多因素的影響。因此,想要特異、有效地降低或去除特定的致敏原,還應(yīng)該更加深入地了解該致敏蛋白的結(jié)構(gòu)特點。

然而超高壓技術(shù)在食物過敏方面的應(yīng)用目前還是空白階段,但是超高壓環(huán)境能夠改變大豆球蛋白的原有構(gòu)象,這些構(gòu)象的變化必定會對其過敏原性產(chǎn)生影響。因此,超高壓技術(shù)在大豆蛋白脫敏方面的應(yīng)用將具有潛在的前景。

3 存在問題與未來研究方向

大豆蛋白作為優(yōu)質(zhì)的植物蛋白資源對我國的食品工業(yè)和飼料加工業(yè)等有著十分重要的意義,能否找到一種更加完善的清除大豆致敏蛋白的加工方法關(guān)系到大豆蛋白利用方面的成功與否。目前對于食品工作者在去除大豆致敏原方面存在的困難,首先,大豆致敏患者血清來源較難獲得;其次,大豆致敏蛋白的種類較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜;最后,去除主要大豆致敏蛋白的同時又能保證大豆蛋白的功能特性不受到影響。

當(dāng)今食品安全問題層出不斷,大豆分離蛋白、大豆?jié)饪s蛋白等在各類食品中的廣泛添加,也必將使大豆致敏蛋白的檢測成為食品安全檢測的重要方面。就目前的研究來看,我國在去除大豆致敏源方面的研究相對較少,特別是在食品加工方面,而研究大豆蛋白的脫敏方法主要采用的也是單一的處理方法,這在一定程度上很難將致敏原徹底清除。未來在清除大豆致敏原方面主要應(yīng)從以下幾方面進行研究,第一,各種主要致敏蛋白結(jié)構(gòu)差異和共性及致敏機理的研究;第二,采用多種處理方法聯(lián)合對去除致敏蛋白作用效果的研究。

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