邢玉飛,布冠好*,陳復(fù)生,常永鋒,王美月
(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南 鄭州 450001)
大豆中含有豐富的蛋白質(zhì)及多種人體必需氨基酸,是一種重要的植物性蛋白資源,常被加工成各種食品,如醬油、豆豉和豆?jié){等[1]。同時,大豆還可以作為保健品及醫(yī)藥制品的原料[2]。然而,大豆在部分國家是優(yōu)先過敏原[3]。據(jù)統(tǒng)計,大豆過敏影響了大約0.2%~0.4%的人群[4-5],其在兒童中的過敏率高達13%[6]。隨著植物基食品種類及大豆副產(chǎn)品的逐漸增加,大豆過敏的發(fā)病率也在不斷上升[7]。據(jù)相關(guān)報道,引發(fā)大豆過敏反應(yīng)的閾值水平在0.001 3~500 mg[8]?,F(xiàn)階段,食物過敏是第四大公共衛(wèi)生問題[8-9],而大豆過敏是一種重要的食物過敏反應(yīng)。食物過敏大多是由免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig)E介導(dǎo)的速發(fā)型過敏反應(yīng),當過敏性人群二次接觸過敏原時,會刺激人體產(chǎn)生一系列免疫性反應(yīng),其機理為過敏原特異性IgE與肥大細胞表面上的高親和力IgE受體(receptor I for the Fc fragment of IgE,F(xiàn)cεRI)相交聯(lián)[10],使細胞內(nèi)已有的或新合成的白細胞介素(interleukin,IL)-3、IL-5、IL-13等細胞因子釋放,并通過刺激嗜堿性粒細胞等其他炎癥細胞激發(fā)過敏反應(yīng)。由此引發(fā)皮膚、呼吸道及消化道癥狀,如皮疹、蕁麻疹、哮喘、腹瀉、腹痛等[11],嚴重時可導(dǎo)致過敏性休克[12]。
由于食品工業(yè)的高速發(fā)展及食品加工程度的不斷深化,食物中的組分越來越復(fù)雜,其中微量過敏原成分的存在使得食物過敏的發(fā)生率不斷增加。食物過敏主要發(fā)生在工業(yè)化國家[13],多數(shù)工業(yè)化國家均強制性要求商家將大豆、花生、牛奶、雞蛋等主要食品過敏原在食品標簽中有所顯示[14]。目前,除對麩質(zhì)的含量進行規(guī)范外,大多數(shù)過敏原的標識僅存在于定性階段,即標明了“含有”或者“可能含有”[15]。當前,由于缺少對食品過敏的有效治療手段,所以敏感人群要嚴格避免攝入含有一種或多種過敏原的食物。然而,大豆及其副產(chǎn)品廣泛添加于許多素食和肉類食品中,通過飲食避免食物過敏變得較為困難。因此,對于大豆致敏蛋白特性的深入了解及研究快速、精確和標準化的過敏原檢測方法具有重要的實際意義。
根據(jù)超速離心分類法,大豆蛋白可分為4 種主要蛋白質(zhì),分別為2S、7S、11S及15S球蛋白組分[15]。大豆中已有38 種過敏原被識別[16-18],根據(jù)致敏蛋白的組分含量及其致敏能力的差異,β-伴大豆球蛋白、大豆球蛋白、Gly m Bd 30K、Gly m Bd 28K被列為主要致敏成分[19]。
β-伴大豆球蛋白屬于貯藏蛋白,其含量約占大豆總蛋白的30%[20],分子質(zhì)量約為210 ku,屬于7S球蛋白。由α’(~71 ku)、α(~67 ku)和β(~50 ku)3 種亞基通過疏水相互作用及靜電相互作用連接形成三聚體糖蛋白[21]。亞基α和α’由延伸區(qū)和核心區(qū)組成,其延伸區(qū)的氨基酸數(shù)量分別為125及141。而β亞基僅有一個核心區(qū)[15,22],其氨基酸數(shù)量為418。3 種亞基隨機組合形成3 種同三聚體(如α3、α’3、β3)和7 種異三聚體(如αα’2、α2α’、αα’α2、α’2β、α’β2、α2β、αβ2),其中β3的立體圖如圖1所示[23]。研究發(fā)現(xiàn)這3 種亞基都有不同程度的致敏性,其中β-伴大豆球蛋白的α亞基能被23%的患者血清識別,并且這3 種亞基之間具有較高的同源性[24]。其中,對于核心區(qū),α與α’的同源性為90.4%,α與β的同源性為76.2%,α’與β的同源性為75.5%[16-17];而α和α’之間的延伸區(qū)具有57.3%的序列同一性[25]。
圖1 β-伴大豆球蛋白β3的透視圖[23]Fig.1 Ribbon diagrams of β-conglycinin β3[23]
大豆球蛋白也是一種貯藏蛋白,約占大豆總蛋白含量的19.5%~23.1%[18-19],其分子質(zhì)量約為360 ku,屬于11S球蛋白。大豆球蛋白由氫鍵連接的5 個主要亞基對組成,其主要亞基對根據(jù)氨基酸序列可以分為兩組(組1包括A1aB1b、A1bB2、A2B1a;組2包括A3B4、A5A4B3)[26],每個亞基對的分子質(zhì)量約60 ku。目前已知的大豆球蛋白酸性多肽鏈有6 種:A1a、A1b、A2、A3、A4和A5,其分子質(zhì)量為35~40 ku;堿性多肽鏈有5種:B1a、B1b、B2、B3和B4,其分子質(zhì)量均為22 ku。除了A5A4B3以外,其他亞基對均由1 個酸性A肽鏈和1 個堿性B肽鏈通過二硫鍵組成A-S-S-B單體形式[27]。研究表明,酸性多肽鏈與堿性多肽鏈的結(jié)合并不是隨機的,而是形成獨特的酸性-堿性對[28]。Badley等[29]利用電子顯微鏡和X射線散射技術(shù),首次揭示了大豆球蛋白的四級結(jié)構(gòu),闡明大豆球蛋白的物理形狀是一個低扁圓柱體,其尺寸為11.0 nm×11.0 nm×7.5 nm,其中兩個三聚體位于另一個三聚體之上,從而形成大豆球蛋白六聚體。同時兩個三聚體通過靜電作用相互連接,而三聚體中的亞單元則主要通過疏水力結(jié)合。迄今為止,僅有含A3B4亞單位的大豆球蛋白同型六聚體被確定了晶體結(jié)構(gòu),如圖2所示[30]。在不同的離子強度、pH環(huán)境及熱處理條件下,大豆球蛋白可被解離為亞基、成分多肽和半分子形式,但是天然狀態(tài)下大豆球蛋白的分子結(jié)構(gòu)十分緊密,一般難以被酶解和催化[31]。針對致敏性而言,大豆球蛋白的致敏性弱于β-伴大豆球蛋白[24-25],其中大豆球蛋白堿性多肽鏈的致敏性較弱,而酸性多肽鏈的致敏性較強,原因是酸性多肽鏈與IgE、IgM、IgA有較強的結(jié)合活性。
圖2 大豆球蛋白A3B4的透視圖[30]Fig.2 Ribbon diagrams of glycinin A3B4[30]
Gly m Bd 30K,又稱P34,是一種半胱氨酸蛋白酶,廣泛存在于大豆細胞液泡中[32]。Gly m Bd 30K是單體蛋白,其氨基酸數(shù)量為379 個,分子質(zhì)量為34 ku,屬于7S球蛋白,約占大豆總蛋白含量的1%[18],其結(jié)構(gòu)如圖3所示[33]。研究發(fā)現(xiàn),66.5%的大豆過敏患者對Gly m Bd 30K識別并產(chǎn)生過敏反應(yīng),因此認為其屬于大豆中的主要致敏蛋白[19,34]。同時,Gly m Bd 30K是一種糖蛋白,其N端170位氨基酸處是一個多糖鏈結(jié)合位點。研究表明,蛋白質(zhì)的糖基化位置在其致敏性方面發(fā)揮重要作用[35-36],因此Gly m Bd 30K存在一定致敏性。
圖3 Gly m Bd 30K的透視圖[33]Fig.3 Ribbon diagram of Gly m Bd 30K[33]
Gly m Bd 28 K是由473 個氨基酸殘基組成的糖蛋白[27-28],其分子質(zhì)量為26 ku,等電點為6.1,主要存在于7S球蛋白中,約占大豆總蛋白含量的0.5%[37],其蛋白結(jié)構(gòu)如圖4所示[38]。23%的大豆過敏患者可以對Gly m Bd 28K產(chǎn)生過敏反應(yīng)[34],其致敏表位最主要反映在其N端氨基酸序列:FHDDEGGDKKSPKSLFLMSSTR[19,38],其多糖結(jié)合位點位于多肽鏈20位天冬酰胺處,該多糖由甘露糖、N-乙酰氨基葡萄糖、木糖及海藻糖以物質(zhì)的量比3∶2∶1∶1組成[39]。研究表明,去糖基化后Gly m Bd 28K的致敏性完全消失[18]。
圖4 Gly m Bd 28K的透視圖[38]Fig.4 Ribbon diagram of Gly m Bd 28K[38]
根據(jù)識別物質(zhì)的不同,目前食品過敏原的檢測技術(shù)可分為基于蛋白水平和基于核酸水平的檢測技術(shù)?;诘鞍踪|(zhì)水平的檢測技術(shù)包括酶聯(lián)免疫吸附測定(enzymelinked immunosorbent assay,ELISA)、免疫印跡法(Western blotting)、免疫層析法、質(zhì)譜法及生物傳感器法;基于核酸水平的檢測技術(shù)有實時定量聚合酶鏈式反應(yīng)(quantitative real-time polymerase chain reaction,qPCR)、環(huán)介導(dǎo)等溫擴增(loop-mediated isothermal amplification,LAMP)技術(shù)。本文主要介紹當前大豆過敏原檢測方法的基本原理、優(yōu)缺點及實際應(yīng)用,為后續(xù)研究提供依據(jù)。
2.1.1 ELISA
ELISA基于抗原-抗體的特異性結(jié)合對過敏原進行免疫測定,通過間接指標對過敏原含量進行定性或定量檢測,不需要復(fù)雜或昂貴的設(shè)備[40]。ELISA作為常見的免疫學(xué)檢測技術(shù),已廣泛應(yīng)用于大豆中主要抗原蛋白的檢測[41]。ELISA根據(jù)固定抗原方法的不同,可分為直接法和間接法,其中間接法包括夾心法及競爭法,不同ELISA方法的原理示意圖如圖5所示。Xi Jun等[42]建立了一種基于自制的重組蛋白Gly m Bd 28K及單克隆抗體的競爭性ELISA法測定食品樣品中的Gly m Bd 28K,其檢測限為0.235 μg/L,平均回收率為96.73%。Ma Xi等[43]基于自制的單克隆抗體4B2,建立了競爭性ELISA法檢測大豆球蛋白,其檢測限為0.3 ng/mL,定量線性范圍為0.3~11.2 ng/mL。Segura-Gil等[44]開發(fā)出可檢測β-伴大豆球蛋白的兩種檢測方法,結(jié)果顯示間接競爭ELISA法及夾心ELISA法的檢測限分別為30 ng/mL及0.90 ng/mL,定量線性范圍分別為10~3 000 ng/mL及2~15 ng/mL。Smirnova等[45]建立了檢測食品中大豆原料的競爭性ELISA法,以大豆胰蛋白酶抑制劑為識別物質(zhì),該方法的檢測時長為60 min,檢測限為3.5 ng/mL,定量線性范圍為7.7~110 ng/mL,研究結(jié)果證明該方法可用于檢測肉類食品中的大豆過敏成分。夾心ELISA法檢測靈敏度明顯高于競爭性ELISA法,但更適合于未加工大豆蛋白的檢測,而競爭性ELISA法則更適合檢測加工后的大豆制品[46]。基于單克隆抗體所建立的ELISA法檢測精準度高于基于多克隆抗體的ELISA法[47]。
圖5 ELISA的檢測原理Fig.5 Principle of enzyme-linked immunosorbent assay
2.1.2 免疫印跡法
免疫印跡法又稱蛋白質(zhì)印跡法,是基于抗體的特異性來鑒定抗原的有效檢測方法。首先進行十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfatepolyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE),隨后將聚丙烯酰胺凝膠上的蛋白質(zhì)樣品電轉(zhuǎn)移至聚偏二氟乙烯膜(polyvinylidene fluoride,PVDF)上。利用一抗作為“探針”,用標記的二抗進行“顯色”,對樣品進行檢測與分析[48],免疫印跡法的具體步驟及原理如圖6所示。Matsuo等[49]基于免疫印跡法,以IgE結(jié)合能力為指標,對比了轉(zhuǎn)基因大豆及非轉(zhuǎn)基因大豆的過敏原性,結(jié)果顯示這兩種大豆之間并無致敏性差異。免疫印跡法兼具電泳的高分辨力及免疫測定法的高特異性及敏感性等優(yōu)點,可用于抗原的定性和半定量檢測[50]。相比于ELISA,免疫印跡法的靈敏度較低,對檢測樣品中的大豆過敏原僅能進行定性或半定量檢測,但是其可以追蹤不同食物加工階段產(chǎn)物中所有蛋白和肽段圖譜。此外,免疫印跡法可以有效避免由于蛋白抑制劑的存在導(dǎo)致的檢測結(jié)果假陰性現(xiàn)象[50]。
圖6 免疫印跡法的檢測原理Fig.6 Principle of Western blotting
2.1.3 免疫層析法
免疫層析法基于抗原-抗體的特異性結(jié)合,首先將抗體預(yù)包被于硝化纖維素(nitrocellulose,NC)膜上,待測樣品通過毛細作用涌動到預(yù)包被抗體區(qū)域時被捕獲,使用酶標或膠體金作為檢測標志物,從而得到可視化結(jié)果,以纖維素膜上顯色條帶及其顏色的深淺等作為評價指標,從而實現(xiàn)過敏原的定性或定量檢測[48],檢測原理如圖7所示。Wang Yao等[51]建立了膠體金標記的試紙條并應(yīng)用于奶粉中大豆球蛋白的檢測,利用自制的多克隆抗體及膠體金標記的多克隆抗體,成功組裝了可精準檢測大豆球蛋白的試紙條,最低檢測限為46.1 ng/mL,定量線性范圍為50~3 200 ng/mL。Wang Yao等[52]利用膠體金標記的小鼠抗β-伴大豆球蛋白單克隆抗體和兔抗β-伴大豆球蛋白多克隆抗體,建立了基于夾心法的快速側(cè)向流動膠體金免疫分析試紙條,以專門鑒定大豆過敏原β-伴大豆球蛋白,檢測時間為10 min,檢測限為1.66 mg/kg。該檢測方法顯示出對β-伴大豆球蛋白的高特異性,并且與其他食品過敏原沒有交叉反應(yīng)。該檢測試紙條對奶粉樣品中β-伴大豆球蛋白的檢測范圍在80.8%~89.2%之間。相比于ELISA法,免疫層析法雖然檢測時間較短,但是其精準度較低。免疫層析法操作簡單、用時較短,通過增加檢測線(T線)可以進行高通量檢測。為了有效提高免疫層析法的靈敏度,未來可以將單克隆抗體與新型材料標志物如熒光量子點相結(jié)合。
圖7 免疫層析法的檢測原理Fig.7 Principle of immunochromatograpgy
2.1.4 生物傳感器
生物傳感器通過生物識別元件識別并響應(yīng)食物中的過敏原,再由換能器將其轉(zhuǎn)化為定量的光電信號來實現(xiàn)檢測[53],其工作原理如圖8所示。根據(jù)換能器的不同,生物傳感器可以分為光學(xué)生物傳感器、電化學(xué)生物傳感器及壓電傳感器三類。作為一類新的檢測方法,它具有快速、靈敏度高、自動化程度高、實時監(jiān)測等優(yōu)點,近年來已被廣泛應(yīng)用于食物過敏原方面的檢測。Sundhoro等[54]將分子印跡聚合物(molecularly imprinted polymers,MIPs)固定到絲網(wǎng)印刷電極上,并將其與電化學(xué)生物傳感器相結(jié)合,以實現(xiàn)對大豆球蛋白精準、高效的檢測,其檢測限為0.1 mg/L。Wang Wei等[55]開發(fā)出無標記的芯片,用以檢測Gly m Bd 30K在食品基質(zhì)中的含量,其可在15 min內(nèi)檢測出1 mg/mL的Gly m Bd 30K。生物傳感器技術(shù)兼具免疫檢測技術(shù)及光電技術(shù)的優(yōu)點,在大豆過敏原檢測中,選用最佳生物傳感器并擴大檢測范圍是未來的發(fā)展熱點之一。此外,為了更好地檢測大豆過敏原,高靈敏度、集成化、微型化及商業(yè)化的生物傳感器也是未來研究的主要方向之一。
圖8 生物傳感器的檢測原理Fig.8 Principle of biosensor
2.1.5 質(zhì)譜法
液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜(liquid chromatography-tandem mass spectrometry,LC-MS/MS)法檢測的基本原理是樣品通過離子源從而被電離成不同帶電粒子,利用加速電場使帶電粒子進入質(zhì)量分析器,接著在電場及磁場的雙重作用下,將不同質(zhì)荷比(m/z)的離子分離并計算其分子質(zhì)量,最后通過計算機對蛋白質(zhì)或肽段進行鑒定分析[39-40],其工作原理如圖9所示。Chen Shimin等[56]成功建立質(zhì)譜法,篩選出大豆中11 種過敏原的特征標識肽段,為食品中大豆過敏原的檢測提供了技術(shù)支撐。Montowska等[57]基于LC-MS/MS法檢測壽司中的大豆、牛奶及雞蛋清3 種食物中過敏原的含量,結(jié)果顯示大豆及雞蛋清中過敏原的檢測限為0.45%(m/m),牛奶中過敏原的檢測限為0.14%(m/m)。Gu Shuqing等[58]成功建立了LC-MS/MS檢測方法,對巧克力基質(zhì)中含有的8 種過敏原進行多重檢測,對牛奶、大豆、花生、堅果的檢測限分別為0.2~0.4、1.0~4、2.5~4、1~3 μg/g,并且其加標回收率為60.1%~92.4%,表明所建立的檢測方法有效且精準。質(zhì)譜方法雖然克服了免疫學(xué)技術(shù)遇到的問題,即在食品加工處理后導(dǎo)致蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后,無法有效、精準地檢測過敏原,但其需要使用昂貴的設(shè)備,維護成本很高,而且需要由訓(xùn)練有素的人員操作[58]?,F(xiàn)階段,由于質(zhì)譜法具有檢測靈敏度高、檢測時間短、檢測用量少及可進行分離鑒定等特點,已廣泛應(yīng)用于大豆過敏的檢測中。
圖9 LC-MS/MS的檢測原理Fig.9 Principle of liquid chromatography-tandem mass spectrometry
2.2.1 qPCR
PCR技術(shù)是一種在體外將少量初始樣品中的目的基因進行大量擴增的核酸合成技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,qPCR技術(shù)也開始在過敏原檢測中有所應(yīng)用[59-60]。隨著熒光化學(xué)物質(zhì)的發(fā)展,基于其熒光特性實時定量監(jiān)測擴增過程即為qPCR技術(shù),其利用體外大量擴增的核酸產(chǎn)物來進行樣品檢測??稍赑CR體系中加入熒光基團,通過所產(chǎn)生的熒光信號變化來動態(tài)監(jiān)測整個反應(yīng)過程[46]。qPCR是在食品過敏原檢測中應(yīng)用最為廣泛的一項基因水平檢測技術(shù)。qPCR的特異性和靈敏度均優(yōu)于普通PCR,在進行定性分析的同時,實現(xiàn)了在復(fù)雜食品基質(zhì)中對多重過敏原的定量分析。蘭海鷗[61]成功建立了qPCR方法,可精準檢測出大豆、核桃及花生的過敏成分,其最低檢測限均為0.01 ng/μL。張舒亞等[62]以大豆主要過敏蛋白P34為靶標,建立并優(yōu)化了特異性強、靈敏度高的qPCR檢測方法,最低檢測限為10 mg/kg。Ladenburger等[63]成功研發(fā)出兩種可應(yīng)用于定量檢測花生及大豆的競爭性qPCR檢測方法,建立了針對其線粒體DNA序列的PCR引物及探針,其定量檢測范圍是1~100 mg/L,該檢測方法可定量檢測商業(yè)食品中微量的花生和大豆。然而利用PCR檢測大豆過敏原容易出現(xiàn)假陽性或假陰性結(jié)果,因此PCR在大豆過敏原檢測中的應(yīng)用有所局限。
2.2.2 LAMP技術(shù)
LAMP技術(shù)是根據(jù)6~8 種不同的靶基因DNA序列開發(fā)設(shè)計出4~6 種特異性引物,60~65 ℃恒溫下在鏈置換DNA聚合酶作用下進行大量擴增,短時間內(nèi)可實現(xiàn)靶基因的特異性顯著擴增[64]。LAMP的分析檢測結(jié)果通過反應(yīng)體系中樣品顏色等變化進行評估。與傳統(tǒng)的PCR和qPCR檢測方法相比,LAMP具有許多優(yōu)點,如恒溫擴增、反應(yīng)時間短、檢測結(jié)果可通過肉眼判斷等。該方法最主要的難點在于引物的設(shè)計,其直接決定了檢測方法的準確性[49]。張舒亞等[65]成功設(shè)計6 條引物,建立了LAMP檢測方法,可在60 ℃、40 min內(nèi)成功檢出大豆過敏原成分,靈敏度可達0.01%。Allg?wer等[66]利用多拷貝基因ORF160b的循環(huán)介導(dǎo)等溫擴增引物,結(jié)合側(cè)向流動免疫法評估LAMP在復(fù)雜食品基質(zhì)中檢測大豆成分的精準度,并且與基于抗體的側(cè)向流動免疫法的檢測結(jié)果進行比較。結(jié)果顯示,LAMP-側(cè)向流動免疫法可精準、重復(fù)地檢測出3 種代表性基質(zhì)(煮熟的香腸、巧克力、速溶番茄湯)中10 mg/kg的大豆成分,然而兩種商業(yè)側(cè)向流動免疫法陽性檢測線的清晰顯示需大豆成分含量在10~102 mg/kg之間,且可見度可能會受到食品基質(zhì)的影響。因此,基于DNA的LAMP-側(cè)向流動免疫法是一種操作簡單的大豆致敏原檢測方法,其顯示出比商業(yè)側(cè)向流動免疫法更高的靈敏度及特異性。
隨著全球范圍內(nèi)食品多樣性的增加,食品中可能含有的過敏原含量及種類不斷上升,檢測難度不斷升高,總結(jié)和認識現(xiàn)有檢測方法的優(yōu)勢與不足(表1),對于食品中不同過敏原的快速精準檢測具有重要作用。
在全球范圍內(nèi),食物過敏尚無特效療法,但大豆過敏患者人數(shù)逐年升高。由于大豆具有較高的營養(yǎng)價值及良好的功能特性,且其在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛,所以明確大豆中的主要致敏蛋白及其結(jié)構(gòu),建立靈敏、高效的檢測方法對于預(yù)防大豆過敏相當重要。目前應(yīng)用的檢測技術(shù)中,ELISA、質(zhì)譜技術(shù)及qPCR檢測方法應(yīng)用最為廣泛,但是檢測結(jié)果容易受到食品加工技術(shù)及食品基質(zhì)的影響。此外,食品加工過程中過敏原的分子結(jié)構(gòu)變化、樣品前處理中的有機溶劑殘留等因素均會影響抗原-抗體的特異性結(jié)合,導(dǎo)致檢測結(jié)果不準確。由于食品在加工、包裝、運輸過程中可能發(fā)生交叉污染,所以精準檢測復(fù)雜食品基質(zhì)中的隱藏過敏原成分極為重要。隨著食品工業(yè)的快速發(fā)展,研究高通量且可現(xiàn)場檢測的方法十分必要。在現(xiàn)有檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用新型生物傳感器及納米材料開發(fā)出便捷、高效、精準的過敏原檢測技術(shù)極具實際意義。