凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)营养物质丰富、味道鲜美,具有适应性强、生长速度快、养殖成本低等优点,已成为全球养殖最广泛的甲壳类水产品。2023年我国养殖产量达223.8万 t,约占甲壳类水产品养殖量的30.3%[1]。随着对虾产量的逐年增长,因食用对虾而引起的过敏现象也逐渐增多。食物过敏是指过敏患者接触到特定食物后所表现出来的过敏性不良反应,主要症状为鼻炎、荨麻疹、腹泻等,严重时可导致过敏性休克甚至危及生命[2]。研究表明,80%的虾过敏都是由原肌球蛋白(tropomyosin,TM)引起[3],其具有热稳定性,高温处理难以改变其结构,因此水产品在经过常规烹制后仍可能具有很高的致敏性。
超声(ultrasound,US)是一种新型非热加工技术,可通过空化作用产生机械剪切和湍流效应,同时形成局部瞬时高压改变蛋白的空间结构[4],从而降低蛋白致敏性,但对食物风味及营养物质破坏较小[5]。Li Zhenxing等[6]采用30 kHz、800 W US处理虾制品,随着时间的延长虾制品致敏性降低,在处理时间为180 min时,虾致敏性降至(25.3±3.1)%,蛋白含量减少28.3%。Zhong Hangyu等[7]采用US辅助低温等离子体处理对虾TM,US 300 W处理10 min后低温等离子体处理10 min,可使其免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig)E致敏性降低52.4%,其IgG致敏性降低46.51%,改变蛋白结构,小鼠过敏症状发生显著缓解。
高压CO2(high pressure carbon dioxide,HPCD)是指在压强低于50 MPa、温度低于60 ℃的条件下,使CO2达到超临界状态的一种新型食品非热加工方式[8]。在HPCD处理过程中,CO2在高压条件下溶于溶液使体系形成高压酸性环境,在高压、pH值和CO2分子效应共同作用下实现杀菌、钝酶和蛋白质变性等目的,且HPCD处理条件温和(温度较低、隔绝氧气),对食品的风味和质构特性影响较小[9]。Qiu Hui等[10]采用HPCD处理金鲳鱼小清蛋白,15 MPa条件下50 ℃处理30 min其致敏性降低40.6%,胃蛋白酶消化速率提升至86.4%。王新[11]采用HPCD处理TM,30 MPa处理15 min可改变蛋白空间构象,IgG结合能力下降19%,并且提高胰蛋白酶消化率。
单一加工方式降低致敏性效果有限,通过两种或多种加工方式联合可更有效降低过敏原致敏性。因此,联合加工正逐渐引起人们的关注。Zou Sang等[12]采用低温等离子体联合糖基化处理虾TM,IgG和IgE结合活性分别降低50%和40%。Liu Kexin等[13]采用热/压联合处理虾肉,虾肉在100 ℃蒸5 min后在逆压(0.15 MPa、110 ℃)条件下灭菌20 min,IgE和IgG结合活性显著下降,小鼠的血管通透性、过敏反应和组织病理形态均低于单一蒸对虾组,蛋白结构被展开,疏水基团暴露。US和HPCD两种加工方式均可以降低虾致敏性,但是两种加工方式联合处理对虾TM致敏性的影响鲜见研究。因此,本研究以凡纳滨对虾TM为对象,采用不同参数条件的USHPCD处理凡纳滨对虾TM,探究其对TM致敏性和构象的影响,旨在为开发新型低敏食品提供新技术途径。
15%预制胶、5×蛋白上样缓冲液、Bradford蛋白浓度测定试剂盒、聚偏二氟乙烯膜(polyvinylidene fluoride,PVDF) 上海碧云天生物技术有限公司;辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase,HRP)标记的羊抗兔IgG抗体 美国Pierce公司;HPR标记的羊抗人IgE抗体 美国Abcam公司;对虾过敏患者血清美国Plasma Lab公司;蛋白预染Marker 美国SMOBIO公司;其他试剂均为国产分析纯。
XOCL-100N超声波-超临界CO2聚合反应系统 南京先欧仪器制造有限公司;3-30 KS型高速冷冻离心机德国Sigma Laborzentrifugen公司;5417 R小型高速离心机德国Eppendorf公司;DYCZ-24DN迷你双垂直电泳槽北京市六一仪器厂;800TS多功能酶标仪 美国伯腾仪器有限公司;SCl-O180-S数显圆周摇床、MX-S旋涡混匀仪美国Scliogex公司;Chirascan V100型圆二色光谱仪英国Applied Photophysics公司;UV-2550紫外分光光度计、RF-5301PC荧光光谱仪 日本岛津公司;Gel Doc XR凝胶成像仪 美国伯乐公司。
1.3.1 US-HPCD处理TM工艺条件优化
参考王新等[14]的方法,提取凡纳滨对虾TM。将TM样品用20 mmol/L Tris-HCl稀释至1 mg/mL,参考Zhang Ziye等[15]的方法对TM进行US(800 W、15 min)处理,参考王新[11]的方法对TM进行HPCD(30 MPa、15 min)处理,采用US和HPCD联合对TM进行加工。以未经处理的TM作为对照组。
US-HPCD条件优化:TM先采用不同US功率(0、500、1 000、1 500、2 000 W)处理15 min,再采用HPCD(30 MPa、15 min)处理;TM采用US功率1 500 W处理不同时间(0、5、15、30、60 min),再采用HPCD(30 MPa、15 min)处理。加工后的样品于—20 ℃冰箱保存。
1.3.2 十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDSPAGE)
TM样品用20 mmol/L Tris-HCl稀释至0.2 mg/mL,将样品与蛋白上样缓冲液(5×)混合,沸水浴6 min。Marker上样7 μL,蛋白样品上样10 μL。电泳结束后染色2 h,脱色液脱色至条带清晰后进行凝胶成像。
1.3.3 蛋白免疫印迹测定
参考Liu Meng等[16]的方法,按照1.3.2节的步骤完成电泳后,采用湿转法将蛋白转移至提前活化好的PVDF膜,室温条件下使用5%脱脂奶粉封闭液将膜封闭2 h,磷酸盐缓冲生理盐水加Tween-20的混合溶液清洗膜5 次,5 min/次。一抗采用稀释2 000 倍的兔抗虾多克隆抗体在4 ℃冰箱中摇晃孵育过夜,二抗采用稀释10 000 倍的HPR标记羊抗兔IgG抗体室温摇晃孵育2 h。最后,加入ECL显色液,采用5200型化学发光仪扫描成像。
1.3.4 间接酶联免疫吸附试验(indirect enzyme-linked immunosorbent assay,iELISA)
参考Qiu Hui等[10]的方法并略作修改。采用iELISA测定加工前后TM IgG和IgE结合能力的变化情况,免疫结合能力与吸光度呈正比。IgG的检测以兔抗虾多克隆抗体(稀释1∶20 000 倍)作为一抗,以HPR标记羊抗兔IgG抗体作为二抗进行孵育。IgE的检测以虾过敏患者血清(稀释1∶50 倍)作为一抗,以HPR标记羊抗人IgE抗体作为二抗进行孵育。最后用酶标仪读取450 nm波长处的吸光度。
1.3.5 圆二色光谱测定
参考Chen Guanyi等[17]的方法,将TM用20 mmol/L Tris-HCl稀释至0.2 mg/mL进行圆二色光谱扫描。圆二色光谱仪设置参数如下:扫描波长范围190~260 nm、扫描速率50 nm/min、带宽1 nm、样品池光程5 mm。在室温条件下重复扫描3 次,取平均值。通过CDNN软件分析TM二级结构的含量。
1.3.6 内源性荧光光谱扫描
参考Huang Yutong等[18]的方法,将TM用20 mmol/L Tris-HCl稀释至0.1 mg/mL,采用RF-5301PC荧光光谱仪测定TM的内源荧光值。参数如下:最大激发波长280 nm、发射波长范围290~450 nm、狭缝宽度5 nm、扫描速率240 nm/min。
1.3.7 紫外光谱测定
参考Jiang Songsong等[19]的方法,将TM样品稀释为0.5 mg/mL,使用UV-2550紫外分光光度计进行紫外吸收光谱测定,扫描波长为190~400 nm。
1.3.8 游离氨基含量测定
参考Zhang Ziye等[20]的方法,取200 μL质量浓度为0.5 mg/mL的TM溶液与新配制的(将80 mg邻苯二甲醛和2 mL无水乙醇避光溶解,加入0.1 g SDS、1.906 8 g四硼酸钠、0.2 mL β-巯基乙醇,定容至100 mL)邻苯二甲醛溶液混合均匀,避光反应5 min,在340 nm波长处测定吸光度。以L-亮氨酸为标准品绘制游离氨基的标准曲线,计算样品游离氨基含量,将未加工组的游离氨基相对含量定为100%,加工组游离氨基含量以未加工组的百分比记。
1.3.9 总巯基含量测定
参考Zhang Xinxin等[21]的方法,将100 μL TM溶液与900 μL 0.2 mol/L Tris-HCl缓冲液(pH 7.5,含8 mol/L尿素、质量分数2% SDS和10 mmol/L乙二胺四乙酸溶液)混合,将混合物与100 μL 10 mmol/L 5,5’-二硫代双-2-硝基苯甲酸混合,对照组将TM溶液换成20 mmol/L Tris-HCl溶液,混合均匀后避光40 ℃孵育30 min,于412 nm波长处测定吸光度。
实验重复3 次,结果以
表示。采用SPSS Statistics 20软件对数据进行显著性分析,P<0.05表示差异显著,采用Origin 2024软件绘制图像,采用ImageJ软件进行灰度分析。
2.1.1 iELISA结果
采用US、HPCD、US-HPCD 3 种加工方式处理TM,iELISA结果如图1所示。与对照组相比,3 种加工方式均能显著降低TM IgG/IgE免疫结合活性(P<0.05),其中US-HPCD消减致敏性效果最佳,显著优于单独US和HPCD处理(P<0.05)。
图1 加工方式对TM IgE(A)和IgG(B)结合能力的影响
Fig. 1 Effects of processing methods on the binding ability of IgE (A) and IgG (B) of TM protein
采用不同US功率(0~2 000 W)处理TM 15 min,再采用HPCD处理,结果如图2所示。功率为0 W即HPCD单独处理,此时IgE和IgG的OD450 nm分别为0.84、1.19,与未处理组相比其IgE和IgG免疫结合活性分别降低8.9%、17.9%。这可能是因为在HPCD处理下,TM暴露在表面的致敏表位被破坏,导致致敏性下降。但是当US功率为500 W时,包埋在TM内部的致敏表位被暴露出来,此时TM致敏性反而增强;继续增加US功率至1 500 W,与对照组相比,IgG和IgE的免疫结合活性分别降低28.7%、20.8%,可能是在US-HPCD的作用下部分致敏表位被掩埋;US功率增加到2 000 W时,TM IgE结合能力显著升高,IgG结合能力无明显变化,说明TM结构重新达到一种稳定状态。结果表明,联合处理过程中US功率的改变对TM致敏性有显著影响,其中功率为500 W时,TM致敏性最强,1 500 W时致敏性最弱。
图2 US-HPCD处理对TM IgE(A)和IgG(B)结合能力的影响
Fig. 2 Effect of US-HPCD on the binding ability of TM to IgE (A) and IgG (B)
采用1 500 W功率US处理TM 0、5、15、30、60 min,再采用HPCD处理,结果如图2所示。随着US时间的延长,IgE和IgG免疫结合活性都呈现先升高再降低的趋势。US处理30 min,再进行HPCD处理后,与对照组相比,IgE和IgG的免疫结合活性分别消减了48.7%、55.3%;在US处理时间为60 min时,与对照组相比,TM IgE和IgG的免疫结合活性分别消减了48.6%、58.8%,与US处理30 min组相比,IgE结合能力无显著变化,IgG结合能力降低。联合处理过程中US时间延长降低了TM致敏性,综合考虑时间因素,选用US处理30 min。综上,US-HPCD联合加工最佳工艺条件确定为US 1 500 W处理30 min,继续HPCD 30 MPa处理15 min。
Zhang Ziye等[15]采用US处理TM,发现有蛋白降解,从而降低了TM致敏性。Pang Lidong等[22]采用US处理乳清蛋白,发现其空间结构的改变可能是造成致敏性降低的主要原因。Qiu Hui等[10]采用HPCD处理小清蛋白,可降低致敏性39%~41%。Zhong Hangyu等[7]研究发现US辅助低温等离子处理对虾TM会使蛋白结构发生剧烈变化,从而导致IgE和IgG结合能力分别下降52.4%和46.5%。
2.1.2 TM免疫印迹结果
采用兔抗虾TM多克隆抗体分析US-HPCD不同条件处理后TM的IgG结合能力,免疫印迹结果如图3所示。采用不同US功率(0~2 000 W)处理TM 15 min,再采用HPCD处理,与对照组相比,处理后的TM条带灰度明显减少。US功率1 500 W时,TM出现降解(图3A)。采用1 500 W功率US处理TM 0、5、15、30、60 min,再采用HPCD处理,US处理时间5 min时,TM主条带降解产生了小片段;US处理30 min时,TM的IgG免疫结合活性明显减弱(图3B),这与iELISA测定结果相印证。
图3 US-HPCD处理对TM免疫印迹的影响
Fig. 3 Effect of US-HPCD treatment on the Western blot pattern of TM
2.2.1 SDS-PAGE分析
SDS-PAGE是评估蛋白质分子质量分布的常用手段,TM经US-HPCD不同条件处理后,采用SDS-PAGE分析TM分子质量的变化情况。如图4所示,随着US功率的增加和时间的延长,约在12、14、17 kDa处出现极浅的降解条带。US功率1 500 W处理30 min时,主条带宽度最窄,说明在加工的过程中蛋白发生聚沉形成难溶沉淀,降解条带灰度随之加深,说明US-HPCD可使TM发生降解。王新[11]研究发现单独使用HPCD处理TM会使条带灰度变浅,但不会产生新条带。Han Tinglu等[23]发现随着US时间的延长,TM条带强度明显减弱。US-HPCD会改变TM分子质量,这可能是因为US的机械振动和空化效应以及HPCD所产生的CO2分子效应使TM的肽链断裂或重组,从而使蛋白分子质量发生变化。因此,进一步对US-HPCD处理后TM的二、三级结构进行测定分析,探究US-HPCD对TM结构的影响。
图4 US-HPCD处理对TM SDS-PAGE的影响
Fig. 4 Effect of US-HPCD treatment on the SDS-PAGE pattern of TM
2.2.2 圆二色光谱分析
利用圆二色光谱对TM的二级结构进行检测,由图5A1可知,未处理的TM在190 nm波长左右出现正峰,在222 nm和209 nm波长处出现双负峰,说明TM为典型的α-螺旋结构[24]。经过不同条件US-HPCD处理后,TM的圆二色光谱发生改变,使用CDNN软件对数据进行分析,发现处理后TM的二级结构含量发生显著变化(P<0.05)(图5A2)。
图5 US-HPCD对TM二级结构的影响
Fig. 5 Effect of US-HPCD treatment on the secondary structure of TM
如图5A2所示,随着功率的增加,TM的α-螺旋含量先降低后升高,β-折叠、β-转角和无规卷曲含量先增高后降低。当US功率为1 500 W时,α-螺旋相对含量最低,由83.3%降低至56.8%,β-折叠相对含量由1.9%增高至10.0%,β-转角相对含量由9.2%增高至17.6%,无规卷曲相对含量由5.7%增高至15.7%。经US功率1 500 W处理0~60 min,再采用HPCD处理,随着US处理时间的延长,TM的α-螺旋含量降低,β-折叠和β-转角含量升高,无规卷曲含量先升高后降低;当US处理时间为30 min时,α-螺旋相对含量为42.7%,β-折叠、β-转角和无规卷曲相对含量分别为14.9%、18.1%和24.3%,与US处理60 min组相比无明显变化,但与未处理组相比存在显著差异(图5B2)。结果表明,在US-HPCD处理过程中,US功率和时间都能改变TM的二级结构,导致α-螺旋含量降低,无规卷曲、β-折叠和β-转角含量呈现不同程度的增加,使TM由有序状态向无序状态转化,分子内部疏水基团暴露,TM变得松散。US-HPCD处理使TM二级结构发生变化可能是由US的空化作用和HPCD的CO2效应共同作用所致[10,25]。
戴泽川等[25]探究高强度超声对凡纳滨对虾蛋白结构的影响,发现无规卷曲和α-螺旋向β-折叠和β-转角转变,与本研究结果不同,原因是其研究对象是虾全蛋白,虾TM的优势构象是α-螺旋,而虾全蛋白的优势构象是β-折叠,因此二级结构变化趋势不同。Zhang Ziye等[15]发现US处理可以使TM α-螺旋含量显著降低,无规卷曲、β-折叠和β-转角含量显著增加。Qiu Hui等[10]发现HPCD处理会使α-螺旋含量降低,无规卷曲、β-折叠和β-转角含量呈现不同程度的增加,且致敏性有所下降。Cheng Junhu等[26]发现随着等离子体处理时间延长,α-螺旋含量下降,而β-折叠和无规卷曲的含量分别上升,致敏性下降。以上研究与本研究所得结论一致,α-螺旋结构与TM致敏性相关,随着α-螺旋含量的下降,TM致敏性也下降。
2.2.3 内源性荧光光谱分析
内源性荧光(天然荧光)是指蛋白质中的芳香族氨基酸如色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸受到280 nm或295 nm波长的激发光会产生荧光,此荧光特性对微环境的改变很敏感,当微环境发生变化时,荧光强度会随之改变,从而反映出蛋白质的构象和三级结构变化[27]。如图6A所示,未处理组TM在332 nm波长处有最大吸收峰,在USHPCD处理过程中,随着US功率的增加,荧光强度均呈现下降趋势,说明在高强度的US处理过程中,TM的结构逐渐展开。US功率为1 500 W时,荧光强度最小,与未处理组相比下降了49.8%,且最大吸收波长发生蓝移。US功率1 500 W处理0~60 min,再采用HPCD处理,随着US处理时间的延长,荧光强度呈现先下降后升高的趋势,表明TM结构经历了由折叠到伸展,再由伸展到折叠的动态变化。在US时间为30 min时(图6B),与未处理组相比下降了51.4%,且最大吸收波长发生蓝移(332 nm到310 nm)。综上,说明US-HPCD处理改变了TM的三级结构。
图6 US-HPCD对TM荧光光谱的影响
Fig. 6 Effect of US-HPCD treatment on the fluorescence spectrum of TM
Yang Wenhua等[28]采用US预处理β-乳清蛋白,继续进行糖基化反应,降低了其荧光强度,说明US产生的物理化学作用会促进蛋白的三级结构发生变化。郭明慧等[29]发现高密度CO2可以诱导凡纳滨对虾肌球蛋白疏水基团暴露,使蛋白三级结构松散。Ekezie等[30]发现随着冷氩等离子体处理时间的延长,埋藏在蛋白内部的疏水基团部分暴露,导致疏水性增强。Wang Fengqi等[31]发现低温等离子体协同糖基化处理虾TM使荧光强度进一步降低,说明协同处理使TM三级结构破坏更彻底。
2.2.4 紫外光谱分析
紫外光谱可表征小分子和蛋白质之间的相互作用,可用于研究溶液状态下蛋白质的空间构象。紫外吸收光谱主要由侧链上的色氨酸、酪氨酸,以及组氨酸、苯丙氨酸和半胱氨酸侧链基团决定,蛋白暴露的芳香族氨基酸越多,紫外吸收强度越强[31]。如图7所示,未处理组TM在265 nm波长左右有紫外特征吸收峰,说明它主要由其肽链上酪氨酸残基的芳杂环π→π*跃迁引起[32]。在US-HPCD处理过程中(图7A),随着US功率的增加,紫外吸收峰强度逐渐增强,在US功率为1 500 W时紫外吸收峰强度最大。经US功率1 500 W处理0~60 min,再采用HPCD处理,随着US处理时间的延长,紫外吸收峰强度也呈现增强的趋势,紫外吸收峰出现轻微的红移(261 nm到264 nm)(图7B)。特征吸收峰轻微红移表明US-HPCD加工方法改变了TM所处的微环境,而紫外吸收峰强度增大可能是TM空间结构展开或重聚,掩藏在蛋白内部的芳香族氨基酸暴露所导致。
图7 US-HPCD对TM紫外光谱的影响
Fig. 7 Effect of US-HPCD treatment on the UV spectrum of TM
刘爱成等[33]发现,经过US处理,乳清蛋白紫外吸收光谱未发生偏移,紫外吸收峰强度增强。Qiu Hui等[10]发现随着HPCD处理条件的改变,紫外特征吸收峰未出现,紫外吸收峰强度增加。以上研究表明单独使用US或者HPCD对蛋白进行加工可能不会改变蛋白所处的微环境,但US-HPCD联合对蛋白进行加工,在US的剪切和空化作用及HPCD的CO2效应和pH值共同作用下,TM的微环境可能发生极性变化,同时肽键可能也受到破坏,与SDSPAGE结果相印证。
2.2.5 游离氨基含量分析
邻苯二甲醛可以与游离氨基反应生成黄色络合物,在340 nm波长处有特征吸收峰,可用以表征蛋白结构的展开程度[34]。如图8A所示,在US-HPCD处理过程中,随着US功率的增加,游离氨基含量整体呈现减少的趋势。在US功率为1 500 W时,与对照组相比游离氨基含量降低了12.08%;经US功率1 500 W处理0~60 min,再采用HPCD处理,随着US处理时间的延长,游离氨基含量呈现先减少后趋于平缓的趋势(图8B),在30 min时,与对照组相比游离氨基含量降低了21.82%,继续延长时间游离氨基含量并无显著变化(P<0.05)。综上,USHPCD处理可使TM空间构象发生改变,当处理条件为US在1 500 W处理30 min联合HPCD 30 MPa处理15 min时,蛋白结构展开程度最大,致敏性降低最多,与上述iELISA、蛋白印迹结果及二、三级结构变化规律相印证。
图8 US-HPCD对TM游离氨基含量的影响
Fig. 8 Effect of HPCD-DPCD treatment on the free amino group content of TM
2.2.6 总巯基含量分析
总巯基包括暴露在蛋白质表面的游离巯基和掩藏在蛋白质内部的巯基[35]。在功能基团中,巯基尤为活跃,能够反映蛋白聚集和展开过程中的交联状态,在结构组成中占据重要位置。如图9所示,与未处理组相比,US-HPCD不同处理条件下均可以使总巯基含量显著下降(P<0.05)。随着US功率的增加,TM总巯基含量呈现先下降后上升的趋势,当US功率为1 500 W时,总巯基含量最低。经US功率1 500 W处理0~60 min,再采用HPCD处理,随着US处理时间的延长,TM总巯基含量呈现下降趋势,在处理时间为30 min后,继续延长时间对总巯基含量无显著影响(P<0.05)。在US-HPCD处理TM过程中,US处理会使水分子形成瞬态自由基,随后交叉反应生成过氧化氢,暴露的游离巯基会被过氧化氢不可逆地氧化为磺酸或亚磺酸,使总巯基含量下降[36]。HPCD处理TM过程中,TM受到压力和CO2共同作用,空间结构进一步展开,埋藏在蛋白质内部的巯基暴露,暴露的巯基被氧化形成二硫键[21],导致巯基含量减少。综上,USHPCD处理可使TM的总巯基含量减少,当1 500 W US处理30 min联合HPCD处理时,巯基含量减少最显著,继续延长时间巯基含量无显著变化,致敏性降低最多,这与前期二级结构变化规律结果相印证。
图9 US-HPCD对TM总巯基含量的影响
Fig. 9 Effect of US-HPCD treatment on the total sulfhydryl group content of TM
本研究探究不同参数条件下US-HPCD对凡纳滨对虾TM致敏性和空间构象的影响。结果表明,US-HPCD(US 1 500 W,30 min;HPCD 30 MPa,15 min)可使TM IgG和IgE的免疫结合活性分别降低55.3%、48.7%。在此联合处理下,TM二级结构由有序变为无序,α-螺旋相对含量降低至42.7%,β-折叠、β-转角和无规卷曲含量显著增高;荧光光谱发生蓝移,荧光强度减弱,紫外吸收峰发生红移,紫外吸收强度增强;游离氨基和总巯基含量均降低。US-HPCD作为非热加工方法之一,能有效降低TM致敏性,为开发低致敏性水产品提供了新途径。
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