蛋白質組學在食品生物技術中的應用

葛麗麗

（吉林工程職業學院，吉林四平 136001）

在食品技術和食品生物技術中蛋白組學主要用于工藝開發和驗證，以及相應的質量控制。近年來，蛋白組學發生了迅速的變化，蛋白組學技術常用的術語包括工業過程蛋白組學和工業蛋白質組學。該技術用于下游加工產品驗證、批次間變異的測定和蛋白質量控制（張素紅等，2016）。可以檢測肉類和奶制品中是否含有合成代謝類固醇（Dumas等，2005）。Lametsch和 Bendixen（2001）利用二維電泳和基質輔助質譜比色法確定了幾種候選的質量標記物，用于檢測肌肉在貯藏期間的品質。不清楚植物物種完整基因組序列是蛋白組學在食品工業中應用的主要困難。但這種情況現在正在迅速改善，水稻的基因組現在已完成測序（Kim和 Nandakumar，2007）。Incamps等（2005）在對紫花苜蓿工業化加工過程中蛋白質形態分析中論證了蛋白組學在工藝開發和質量控制中的應用，而該植物的基因組還沒有測序，只能使用相關基因組的數據。水稻作為最具經濟價值和營養價值的作物，可以作為蛋白組學研究的模式植物。在發酵工業中，蛋白質組學也被應用于生物過程的改進、驗證和質量控制（金昭等，2011）。微生物在食品加工過程中發揮著重要作用，但也會導致一些副作用，如使食品發臭和產生毒素，蛋白組學可以用于食品微生物表征的檢測。一些具有生物膜的微生物能抵抗非常強的衛生環境，在食品加工過程中造成嚴重污染，了解其蛋白質組有助于檢測和防止這些物質對食品的污染。另一方面，在天然生物膜中固定化的微生物細胞可以用于食品和飲料發酵。本文綜述了蛋白組學技術應用于食品工藝驗證、優化、質量控制和減少產品批量變化的策略，討論了食品安全，特別是過敏原污染和微生物污染引起的問題。

1 蛋白質組學是產品和工藝驗證、優化的工具

Incamps等（2005）對紫花苜蓿的濕法分餾過程進行了系統的蛋白組學分析，該過程引起了顯著變化，包括化學修飾、熱休克蛋白反應和蛋白降解。研究還表明，在生物加工過程中（特別是熱處理過程）仍然存在一定程度的細胞調控，如誘導熱休克和氧化還原應激蛋白。肉類結構蛋白的蛋白降解和其他變化開始于動物源性高蛋白食品（如豬肉）的儲存和第一個加工步驟。食品加工工藝的改善可以縮短生產時間，優化產品質量。如在牛奶或肉類加工業中應用計算機控制系統，會使更改加工和生產周期中的參數變得更快、更容易。在生產過程中，蛋白質對許多食品的特性起著重要作用，如黏度、導熱性和蒸氣壓，以及牛奶、肉類和谷類制品的營養和感官性質，后者取決于其蛋白質組成和含量（Mamone等，2009）。小麥面筋蛋白是決定小麥產品最佳特性的主要因素，而在牛奶和奶制品中，主要的蛋白質是酪蛋白。

其他食品如肉類和肉制品、水果和蔬菜的蛋白質組成更為復雜，加工過程中理化性質的變化依賴于一種以上的高度豐富的蛋白質。豬肉和牛肉作為新鮮消費的肉制品，其質地和多汁性是所有感官特征中最重要的，有助于提高其品質。根據蛋白組學研究結果，豬肉和牛肉的嫩度與肌球蛋白、肌動蛋白、肌間蛋白和微管蛋白等結構蛋白有關（Zapata等，2009）。Laville等（2007）通過半定量比較二維電泳中不同蛋白/肽點的強度確定了14種不同蛋白作為熟肉剪切力值的候選生物標志物，進一步研究了肉質和滴水損失。Sayd等（2006）研究表明，豬肌肉肌漿網中的一些蛋白質（尤其是參與氧化代謝的酶）負責顏色的形成，它可能是下一個評判肉質感官特征的指標。肌肉線粒體對蛋白質羰基化也非常敏感，采用復雜的標記策略檢測到200多種羰基化蛋白，而在許多羰基化蛋白中也發現了其他氧化修飾，如亞硝基化和羥基化，這一發現進一步證明肌肉線粒體蛋白對氧化損傷的易感性（Meany等，2007）。加工工藝處理可能影響產品的整體質量，如對牛奶、肉類、谷類食品或果蔬進行不適當的熱處理會對產品質量產生負面影響，因為熱處理引起的主要變化是蛋白質變性和一系列復雜的化學反應，如美拉德反應，它會影響食品顏色、質地、消化率、營養價值等特性（于彭偉，2010）。肉類和肉制品中蛋白質糖基化是影響其質量和營養價值的主要因素，它是美拉德反應的第一步，這種反應可以通過改變食品成分、加工和儲存條件來控制（于彭偉，2010）。此外，氨基酸（主要是天冬酰胺）和還原糖（如果糖、半乳糖、乳糖和葡萄糖）之間的美拉德反應會導致食品在烘烤、油炸過程中形成有害的丙烯酰胺（江城梅等，2008）。

食物蛋白質溶解度的差異很大程度上反映了它們形成分子間或分子內二硫鍵的能力。液相色譜-質譜聯用技術是測定蛋白質混合物加工前后二硫鍵的可靠方法，而蛋白組學與其他分析方法相結合，提供了有關食品質量和安全的重要信息。Monti等（2005）證明了蛋白組學方法的使用，如十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳，然后用液相色譜-質譜聯用技術對蛋白質進行鑒定，并結合毛細管電泳測定野生鱸魚中脂肪酸和金屬離子含量，結果表明，生長條件對食品品質的影響存在顯著生化差異和營養差異。總之，質譜和基于質譜的蛋白質組學極大擴展了對食品成分的認識。這些分析技術能識別食品表征成分，主要是蛋白質、碳水化合物和脂質，以及它們在生產過程和儲存過程中的變化。

2 蛋白質組學和食品安全

2.1 細菌在食品加工和食品安全上的作用 食源性疾病導致許多人生病住院，甚至死亡。近幾年我國每年約有幾十萬人因食物中毒住院，上萬人死亡。對最終產品中微生物污染的監測以及對生產過程和清潔衛生的監測是制造過程中最重要的因素之一（Ochoa等，2005）。食品中細菌和細菌毒素的鑒定和定量是重要的問題，其中引起食物中毒最常見的細菌是金黃色葡萄球菌、空腸彎曲桿菌、沙門氏菌和葡萄球菌、芽孢桿菌和大腸桿菌等（孟憲梅和柳增善，2006）。目前已有成熟和靈敏的檢測細菌及其毒素的方法，主要是基于免疫化學方法，而蛋白質組學和基因組學技術為鑒定食品微生物污染提供了更靈敏和更具體的方法（Ochoa等，2005）。

在食品加工過程中，涉及細菌污染方面的蛋白組學的研究很少。高靜水壓技術是一種新的食品保鮮方法，蛋白質被認為是活生物體中高壓最重要的靶點，高靜水壓技術通過滅活DNA復制和轉錄的關鍵酶，修飾微生物細胞壁和細胞膜來抑制微生物生長。然而，一些細菌如芽孢桿菌可以在高靜水壓技術處理后存活，Martinez-Gomariz等（2009）分析了該模型生物在高靜水壓技術處理過程中蛋白組的變化，發現了數量上的差異，并鑒定出一些表達差異的蛋白質。綜上所述，生物膜的形成是食品加工設備設計和其他表面清洗設計時必須考慮的一個重要問題，一些微生物的生物膜（如細菌、芽胞桿菌、革蘭氏陽性桿菌和一些致病性大腸桿菌）即使在清潔和消毒條件下也可以存活。微生物的摻入是一種自然的固定化方式，高密度的生物膜使它們具有更好的生存能力，但也有很大的生物催化潛力。在臨床試驗中，一些細菌在人類胃腸道中有促進健康的特性，它們作為食品添加劑越來越受歡迎。雙歧桿菌和乳酸菌是食品制劑中的最常見的微生物。雙歧桿菌是一種嚴格的厭氧發酵性菌，其蛋白組圖譜大約在幾年前就有報道（Yuan等，2006）。

2.2 朊病毒 所有朊病毒病或傳染性海綿狀腦病的特征都是在人和動物神經組織細胞中沉積一種異常構象的蛋白質，而不同的蛋白質構象和不同的理化性質有關，這些蛋白質具有較強的可溶性和蛋白酶敏感性，而正常細胞蛋白的異常構象具有較強的不溶性和蛋白酶抗性（Knight，2001）。作為肉類和肉制品安全控制的一部分，一些高風險的動物疾病，如瘋牛病和傳染性變異型克雅氏病的暴發，亟需對朊病毒感染進行嚴格的篩查。朊病毒蛋白的鑒定通常是一個耗時的過程，包括免疫親和技術，結合一、二維電泳和質譜分析。泛素是一種潛在的生物標志物，但由于其蛋白豐富，不能作為一種可靠的生物標志物。Tsiroulnikov等（2004）提出了一種利用細菌蛋白水解酶凈化肉骨粉的方法。枯草芽孢桿菌發酵的納豆激酶也能降解朊病毒蛋白，并有可能預防朊病毒感染（Hsu等，2009）。但如果使用這種受污染的動物食品仍然存在風險，檢測和消除患病動物和受污染的產品是預防這類食源性疾病更安全的方法。

2.3 過敏原和有毒成分 蛋白質會引起許多過敏反應，牛奶和奶制品以及海鮮是引起過敏的動物源食物，但有關動物蛋白參與這些不良反應的研究很少。為實現對食物過敏原更詳細和全面的了解而采用的蛋白組策略稱為“過敏原基因組學”（倪挺等，2000）。檢測過敏反應相關蛋白的常用方法為蛋白提取、電泳分離（SDS-PAGE或2維電泳）、免疫印跡檢測IgE結合蛋白等。如經胰蛋白酶消化后，IgE結合蛋白作為潛在的過敏原可以用質譜法鑒定，這種方法非常有效，但也非常耗時，可以用于蛋白質的高通量分析（Yagami等，2004）。

美國食品和藥物管理局批準轉基因西紅柿和大豆植物用于人類食品，其在評估過程中考慮基因供體和受體的過敏特性，以確定合適的檢測策略。將編碼蛋白的氨基酸序列與所有已知過敏原進行比較，評估該蛋白是否是已知過敏原，并表明過敏交叉反應和新過敏原形成的可能性。食物過敏的風險是蛋白質在酸性環境中促使了胃蛋白酶的穩定性，這種試驗之后進行了人IgE體外和體內的結合試驗，未發現不良反應（Goodman等，2005）。在隨后的蛋白質組學研究中比較了轉基因大豆和非轉基因大豆樣品，并確定了兩種新的潛在過敏原，被測試的個體對轉基因和非轉基因樣品的反應沒有顯著差異，說明長期食用轉基因作物后的過敏風險仍然存在（Goodman等，2005）。

實際生產中，通過在飼料中添加合成類固醇可以增強肉牛肌肉生長，減少脂肪沉積，但所有由類固醇使用引起的生長或機體代謝變化都是傾向于合成代謝，導致作為分解代謝標志物的酪氨酸氨基轉移酶活力較低（Ferrando等，1998）。類固醇的使用可以通過基因組或蛋白組方法檢測，如在牛上的研究發現，經合成代謝化合物處理的小牛肝臟中腺苷激酶的差異表達顯著提高，應用合成代謝類固醇的動物可以在其尿液中檢測到多種生物標志物，如三甲胺-N-氧化物、二甲胺、肌酸等（Gardini等，2006）。代謝組學和蛋白組學技術可用在畜禽藥理學試驗中作為篩選動物產品中藥物殘留的手段（Gardini等，2006）。過去人們在動物飼料中長期添加低劑量抗生素以達到促生長的目的。但抗生素會引起藥殘和細菌耐藥性，很多國家都已禁止使用，因次，在人們非常關注的食品安全問題上，蛋白組學技術在今后的應用中具有非常大的前景。

3 結論

蛋白質組學技術正越來越多地用于評估原料和產品的質量控制、優化食品生物技術和相關加工工藝。然而，大多數蛋白組是利用分析比較二維電泳，其他更快和更有效的方法（如定量同位素標記和定量蛋白組學）應用較少。這些方法與已經得到驗證的生物技術相結合，將能更好地控制食品加工過程的批次變化以及使用蛋白組學來解釋和驗證食品科學中的一些關鍵問題。檢測食品污染物和過敏原可以進一步評估轉基因食品的安全性。在食品生產、加工成最終產品的質量和微生物安全控制中，如何利用蛋白組學技術來表征完整的生產過程仍需要進一步研究。