大豆抗原蛋白的結構和功能及其對魚類消化生理功能的影響

殷海成

（河南工業大學生物工程學院，河南鄭州450001）

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綜述

大豆抗原蛋白的結構和功能及其對魚類消化生理功能的影響

殷海成

（河南工業大學生物工程學院，河南鄭州450001）

大豆抗原蛋白既是大豆的主要營養成分，又是大豆中的主要抗營養因子之一，同時也是制約大豆蛋白在食品或飼料工業中利用的關鍵因素。本文綜述了大豆抗原蛋白的結構、功能及其對魚類消化生理功能的影響，旨在為大豆蛋白的合理開發利用奠定基礎。

大豆抗原蛋白；結構；功能；消化生理；魚類

大豆蛋白因營養價值高而被廣泛應用于食品與飼料工業。然而，大豆蛋白中含有多種抗營養因子（ANF），如胰蛋白酶抑制因子、抗原蛋白、凝集素、單寧、皂甙和生物堿等（Tsukada等，1986）。其中大豆抗原蛋白，易引起動物機體的過敏反應（Herian等，1990）。過敏反應能夠干擾動物腸道生理功能，影響腸道的新陳代謝以及對營養物質的消化吸收，進而影響動物特別是幼小動物的生長發育。大豆抗原蛋白按免疫學方法分為：大豆球蛋白、β-伴大豆球蛋白、γ-伴大豆球蛋白和α-伴大豆球蛋白；按沉降系數S分為：2S、7S、11S、15S組分。其中β-伴大豆球蛋白屬于7S組分，分子質量為140～180 ku，是由α、α＇和β三個亞基組合而成的三聚體，并以α和α＇亞基的抗原性最強（Amigo-Benavent等，2011；Krishnan等，2009）。大豆球蛋白為11S組分，由6個酸性（A）亞基和6個堿性（B）亞基組成的分子質量為300～380 ku的六聚體復合物，其中酸性亞基可引起人體和動物的過敏（Adachi等，2003）。通過二級結構研究發現，二級結構對于蛋白質的功能有著至關重要的作用，一旦二級結構發生改變，蛋白質的功能就發生巨大的變化（Badley等，1975）。本文綜述了大豆球蛋白與β-伴大豆球蛋白結構和功能的關系，以及其對魚類消化生理的影響，旨在為魚類充分利用大豆蛋白奠定基礎。

1　大豆球蛋白的基本結構

大豆球蛋白約占大豆籽實體總蛋白的19.5%～23.1%和總球蛋白的40%，是主要的貯藏蛋白和最大的單體組分，屬于11S球蛋白，分子質量為300～380 ku（Hou和Chang，2004；Adachi等，2003）。大豆球蛋白也是含糖蛋白較少的聚合蛋白質（0.8%的糖），是酸性和堿性亞基（每個亞基約60 ku）交互連接而成的穩定結構；酸性亞基包括Ala、A1b、A3、A4、A5、A6，堿性亞基包括B1a、B1b、B3、B4、B5、B6，分別通過二硫鍵（S-S）連接而成，形狀為2個環狀六角形；其單聚體亞基可表示為A-S-S-B，A為酸性多肽鏈，分子量為34～44 ku；B為堿性多肽鏈，分子量為20 ku；SS是二硫鍵（Nielsen等，1989）。目前已知有5種單體形式，分別為：AlaB1b（53.6 ku）、A1bBlb（52.2 ku）、A1bBla（52.4 ku）、A3B4（55.4 ku）和A5A4B3（61.2 ku）（Maruyama等，1998）。11S球蛋白中，蛋氨酸含量較低，賴氨酸含量較高，纈氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸和異亮氨酸占23.5%，賴氨酸、精氨酸、組氨酸、谷氨酸和天冬氨酸占46.7%（周瑞寶和周兵，1998）。在二級結構中α-螺旋約有24%、β-折疊約有30%、β-轉角約有31%以及12%的無規則卷曲（朱翠等，2011）。

2　β-伴大豆球蛋白的基本結構

β-伴大豆球蛋白作為另一種主要貯藏蛋白，約占大豆籽實體總蛋白的10.0%～12.7%和總球蛋白的30%，分子質量為140～180 ku，同時它又是糖基化蛋白質，約含有4%～5%的碳水化合物（氨基葡糖和甘露糖殘基）（Mujoo等，2003）。β-伴大豆球蛋白由α、α＇和β三個亞基組成且具有82%的同源性，分子質量分別為58～77、58～83、42～53 ku（Coates等，1985）。3個亞基在組成上具有多樣性，表示為：αxα＇yβz（x、y、z代表相對應亞基的數量），目前已知的6種聚合方式為ααα、αα α＇、αα＇β、ααβ、αββ、α＇ββ（Mujoo等，2003）。β-伴大豆球蛋白的氨基酸組成顯示都富有谷氨酸/谷氨酰胺、天冬氨酸/天門冬酰胺、亮氨酸和精氨酸（Thanh和Shibasaki，1976）。與大豆球蛋白比較，β-伴大豆球蛋白蛋氨酸殘基存在于α、α＇亞（α亞基2個、α＇亞基3～4個）基以及不含半胱氨酸（Maruyama等，2003）。β-伴大豆球蛋白的α-螺旋、β-折疊和無規則卷曲分別占5%、35%和60%。然而，對于不同大豆品種，β-伴大豆球蛋白的二級結構在α-螺旋、β-折疊、β-轉角、無規則卷曲存在一定差異，如大豆球蛋白的二級結構中酰胺Ⅰ帶α螺旋16%，β-折疊47%，而β-伴大豆球蛋白α螺旋17%，β-折疊47%，α-螺旋含量少，β-折疊含量高（Duke，1934）。

3　大豆抗原蛋白的結構變化與功能關系

蛋白質的功能與結構密切相關，結構改變，功能也發生變化。大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白在結構和組成上的不同決定了其具有不同功能。大豆球蛋白是熱穩定蛋白，這是由其組成亞基中具有最低變性溫度的亞基決定的，但也與肽鏈中酸性和堿性亞基交互對應形成比較穩定的結構以及二硫鍵多（﹥20）有關。差示掃描量熱法研究豆漿中的2種主要大豆抗原蛋白，結果表明，豆漿中7S球蛋白的變性溫度為（70±2）℃，11S球蛋白的變性溫度為（90±2）℃（汪立君等，2001）。熱處理使蛋白質變性，主要是破壞蛋白質的二級結構，使亞基和多肽鏈解聚，蛋白質原有功能丟失。利用熱乙醇處理方法提純的大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白基本不具有抗原活性，也不會引起消化不良反應（Kilshow和Sissons，1979）。李巖濤（2013）對高純度大豆抗原蛋白進行不同溫度加熱處理，并通過紅外光譜等技術對熱處理前后的大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白的二級結構進行分析，結合SDS-PAGE和Naive-PAGE凝膠電泳，探討了溫度變化對大豆抗原蛋白二級結構的影響，結果顯示，熱處理可以改變大豆抗原的免疫活性，究其原因是蛋白質的結構發生變化，蛋白質的有序結構發生解離，形成無規卷曲。隨后的研究又產生了很多熱處理大豆抗原蛋白的其他方法（膨化、高壓和蒸汽等），均獲得了比較理想的效果（段春紅等，2009；Zhang等，2003）。但有些研究結果與其不盡相同，因為還受其他因素的影響。Davis和Williams（1998）認為，熱處理能夠改變蛋白質的結構，但改變取決于溫度和加熱過程。同樣，Lakemond等（2000）也認為pH、離子強度和處理前大豆球蛋白的二、三、四級結構均會在很大程度上影響熱處理后的效果。熱處理后的大豆抗原蛋白的天然分子表面抗原表位被破壞，可新的抗原表位被暴露，又顯著提高了小分子抗原的免疫原性（Herian等，1993）。

對于pH對大豆抗原蛋白結構的影響，魏冬旭等（2015）采用Lowry法、8-苯氨基萘-1-磺酸銨鹽熒光探針法以及圓二色光譜和熒光光譜對不同pH值條件下11S球蛋白二級結構和三級結構進行分析，結果表明，隨著pH值的升高，大豆球蛋白二級結構中發生β折疊和無規則卷曲向α-螺旋轉變，表明蛋白發生了聚集，結果功能也發生改變（Rickert等，2004）。其原因在于外部環境pH的改變能夠引起大豆抗原蛋白可解離基團的電離增加或減少，從而導致蛋白質結構發生改變，進而影響其功能。大豆球蛋白含有堿性肽鏈與酸性肽鏈，理論上易受pH影響，然而肽鏈中酸性和堿性亞基交互對應，相對穩定，不易受pH影響，但pH大于11時，蛋白解離成2S和7S組分亞基，溶解度增加，抗原性降低（Fukushima，1991）。β-伴大豆球蛋白易隨溶液的離子強度變化而發生聚合和解離作用。在0.1離子強度和中性pH值溶液中，7S會聚合成9S和12S，致敏作用顯著降低（Dev等，1988）。β-伴大豆球蛋白是糖基化蛋白，其熱穩定性和凝膠能力較差，但乳化能力比大豆球蛋白強，在低溫條件下能溶解（Koshiyama，1968）。這與大豆球蛋白顯著不同。Utsumi等（1993）通過分析大豆球蛋白改性后的功能變化發現，大豆球蛋白結構不穩定性以及巰基基團的位置和數目直接影響其乳化能力和疏水性。在致敏作用方面，β-伴大豆球蛋白的三個亞基都是潛在的致敏原，尤其α亞基很容易被免疫球蛋白E抗體識別，引起免疫反應，其活性反應決定域就在糖基化的N-連接聚糖部分，這也是β-伴大豆球蛋白致敏作用較強的原因（Hiemori等，2000）。

4　大豆抗原蛋白對魚類消化生理功能的影響

大豆抗原蛋白為致敏蛋白，能導致幼齡動物發生過敏反應。大豆抗原蛋白進入動物體內后，大部分被消化酶分解成小肽和氨基酸而被吸收利用，只有少部分以完整的大分子穿過小腸上皮細胞或上皮細胞間隙進入血液或淋巴，從而引發致敏反應的發生。當水產動物攝入含有較多大豆抗原蛋白的飼料后，可破壞魚的腸細胞形態和結構，具體表現在后腸上皮頂端細胞脫落，吸收小泡大小不一，數量減少，上皮細胞核排列紊亂，局部出現核濃縮，核頂部及腸細胞總面積發生改變（Ostaszewska等，2005；Refstie等，2001）。Rumsey等（1994）對胡子鲇的腸管敏感性研究表明，胡子鲇腸道從前向后對大豆蛋白的敏感程度逐漸降低，腸道皺襞逐漸下降，并隨著大豆抗原蛋白含量的增加腸管皺襞高度下降幅度加大。腸道上皮細胞損傷，必然引起對營養物質的吸收能力下降。對于幼魚，營養物質主要在后腸上皮細胞內消化，營養吸收依賴細胞內吸收小泡，吸收小泡數量的多少直接影響營養物質吸收多少。成魚胃發育成熟，消化不依賴后腸，但營養吸收還依賴后腸的上皮細胞，因此，大豆抗原蛋白對于幼魚的傷害要大于胃發育成熟的成魚。除此之外，腸壁損傷勢必影響腸內消化酶活性。消化酶活力高低影響魚類對營養物質消化與吸收，進而影響魚類生長和發育。吳莉芳等（2009）對鯉魚研究表明，當用去皮豆粕替代45%魚粉蛋白時，其后腸和肝胰臟的蛋白酶活力下降極其顯著。說明大豆蛋白中含有影響消化酶的抗營養因子。孫玲（2008）進一步使用大豆抗原蛋白研究發現，大豆抗原蛋白顯著降低了埃及胡子鲇胃、肝胰臟及前腸，鯉魚前腸，草魚后腸和肝胰臟蛋白酶活力。主要原因在于大豆抗原蛋白損傷了魚類消化道結構，導致消化道內酶的分泌減少、活力降低。Krogdahl和Bakke-Mckellep（2003）對虹鱒研究發現，使用大豆抗原蛋白后，虹鱒中腸和后腸上皮刷狀緣胞外酶：堿性磷酸酶、亮氨酸氨肽酶和雙糖酶（麥芽糖酶、乳糖酶、蔗糖酶等）活性下降，并隨大豆抗原蛋白比例增加酶活性呈指數性下降。大豆抗原蛋白可使大西洋鮭魚后腸上皮刷狀緣的胞內、外酶：5'-核苷酸酶、Mg2+ATP酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、丙氨酸氨肽酶等活性降低；5'-核苷酸酶與單核細胞增多有關，酶的活性降低，表明單核細胞增多；酸性磷酸酶、非特異性脂酶活降低，表明巨噬細胞浸潤；胞內的堿性磷酸酶、酸性磷酸酶等活性的降低引起蛋白質和脂類消化減弱等（Burrells等，1999）。腸道損傷導致其對營養物質的吸收能力下降；消化道酶活性降低可加劇魚類消化性能降低，從而影響魚類的生長及對飼料的利用，最終導致魚類消化性能降低和生長性能下降。

總之，探討大豆抗原蛋白結構與功能以及對魚類消化生理功能影響，對于大豆抗原的致敏性研究和大豆蛋白的營養與功能研究具有現實意義；對于降低或消除大豆抗原蛋白的抗營養特性，保障大豆蛋白在食品或飼料中的安全與高效利用具有指導意義。

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Soybean allergenic proteins，the main nutritional components，are identified as anti-nutritional factors in soybean，which are putting a constraint on the safe and high efficiency utilization of soybean protein source by humans and animals.This review mainly introduced the composition，structure，function of soybean antigenic protein，and its effects on digestive physiology of fishes，to provide a basis for the rational utilization and reasonable exploitation of soybean proteins．

soybean allergenic protein；structure；function；digestive physiology；fish

S963

A

1004-3314（2016）02-0015-04

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20160204

河南省重點科技攻關計劃項目（132102110026）