蛋白质组学在食品生物技术中的应用

葛丽丽

（吉林工程职业学院，吉林四平 136001）

在食品技术和食品生物技术中蛋白组学主要用于工艺开发和验证，以及相应的质量控制。近年来，蛋白组学发生了迅速的变化，蛋白组学技术常用的术语包括工业过程蛋白组学和工业蛋白质组学。该技术用于下游加工产品验证、批次间变异的测定和蛋白质量控制（张素红等，2016）。可以检测肉类和奶制品中是否含有合成代谢类固醇（Dumas等，2005）。Lametsch和 Bendixen（2001）利用二维电泳和基质辅助质谱比色法确定了几种候选的质量标记物，用于检测肌肉在贮藏期间的品质。不清楚植物物种完整基因组序列是蛋白组学在食品工业中应用的主要困难。但这种情况现在正在迅速改善，水稻的基因组现在已完成测序（Kim和 Nandakumar，2007）。Incamps等（2005）在对紫花苜蓿工业化加工过程中蛋白质形态分析中论证了蛋白组学在工艺开发和质量控制中的应用，而该植物的基因组还没有测序，只能使用相关基因组的数据。水稻作为最具经济价值和营养价值的作物，可以作为蛋白组学研究的模式植物。在发酵工业中，蛋白质组学也被应用于生物过程的改进、验证和质量控制（金昭等，2011）。微生物在食品加工过程中发挥着重要作用，但也会导致一些副作用，如使食品发臭和产生毒素，蛋白组学可以用于食品微生物表征的检测。一些具有生物膜的微生物能抵抗非常强的卫生环境，在食品加工过程中造成严重污染，了解其蛋白质组有助于检测和防止这些物质对食品的污染。另一方面，在天然生物膜中固定化的微生物细胞可以用于食品和饮料发酵。本文综述了蛋白组学技术应用于食品工艺验证、优化、质量控制和减少产品批量变化的策略，讨论了食品安全，特别是过敏原污染和微生物污染引起的问题。

1 蛋白质组学是产品和工艺验证、优化的工具

Incamps等（2005）对紫花苜蓿的湿法分馏过程进行了系统的蛋白组学分析，该过程引起了显著变化，包括化学修饰、热休克蛋白反应和蛋白降解。研究还表明，在生物加工过程中（特别是热处理过程）仍然存在一定程度的细胞调控，如诱导热休克和氧化还原应激蛋白。肉类结构蛋白的蛋白降解和其他变化开始于动物源性高蛋白食品（如猪肉）的储存和第一个加工步骤。食品加工工艺的改善可以缩短生产时间，优化产品质量。如在牛奶或肉类加工业中应用计算机控制系统，会使更改加工和生产周期中的参数变得更快、更容易。在生产过程中，蛋白质对许多食品的特性起着重要作用，如黏度、导热性和蒸气压，以及牛奶、肉类和谷类制品的营养和感官性质，后者取决于其蛋白质组成和含量（Mamone等，2009）。小麦面筋蛋白是决定小麦产品最佳特性的主要因素，而在牛奶和奶制品中，主要的蛋白质是酪蛋白。

其他食品如肉类和肉制品、水果和蔬菜的蛋白质组成更为复杂，加工过程中理化性质的变化依赖于一种以上的高度丰富的蛋白质。猪肉和牛肉作为新鲜消费的肉制品，其质地和多汁性是所有感官特征中最重要的，有助于提高其品质。根据蛋白组学研究结果，猪肉和牛肉的嫩度与肌球蛋白、肌动蛋白、肌间蛋白和微管蛋白等结构蛋白有关（Zapata等，2009）。Laville等（2007）通过半定量比较二维电泳中不同蛋白/肽点的强度确定了14种不同蛋白作为熟肉剪切力值的候选生物标志物，进一步研究了肉质和滴水损失。Sayd等（2006）研究表明，猪肌肉肌浆网中的一些蛋白质（尤其是参与氧化代谢的酶）负责颜色的形成，它可能是下一个评判肉质感官特征的指标。肌肉线粒体对蛋白质羰基化也非常敏感，采用复杂的标记策略检测到200多种羰基化蛋白，而在许多羰基化蛋白中也发现了其他氧化修饰，如亚硝基化和羟基化，这一发现进一步证明肌肉线粒体蛋白对氧化损伤的易感性（Meany等，2007）。加工工艺处理可能影响产品的整体质量，如对牛奶、肉类、谷类食品或果蔬进行不适当的热处理会对产品质量产生负面影响，因为热处理引起的主要变化是蛋白质变性和一系列复杂的化学反应，如美拉德反应，它会影响食品颜色、质地、消化率、营养价值等特性（于彭伟，2010）。肉类和肉制品中蛋白质糖基化是影响其质量和营养价值的主要因素，它是美拉德反应的第一步，这种反应可以通过改变食品成分、加工和储存条件来控制（于彭伟，2010）。此外，氨基酸（主要是天冬酰胺）和还原糖（如果糖、半乳糖、乳糖和葡萄糖）之间的美拉德反应会导致食品在烘烤、油炸过程中形成有害的丙烯酰胺（江城梅等，2008）。

食物蛋白质溶解度的差异很大程度上反映了它们形成分子间或分子内二硫键的能力。液相色谱-质谱联用技术是测定蛋白质混合物加工前后二硫键的可靠方法，而蛋白组学与其他分析方法相结合，提供了有关食品质量和安全的重要信息。Monti等（2005）证明了蛋白组学方法的使用，如十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳，然后用液相色谱-质谱联用技术对蛋白质进行鉴定，并结合毛细管电泳测定野生鲈鱼中脂肪酸和金属离子含量，结果表明，生长条件对食品品质的影响存在显著生化差异和营养差异。总之，质谱和基于质谱的蛋白质组学极大扩展了对食品成分的认识。这些分析技术能识别食品表征成分，主要是蛋白质、碳水化合物和脂质，以及它们在生产过程和储存过程中的变化。

2 蛋白质组学和食品安全

2.1 细菌在食品加工和食品安全上的作用 食源性疾病导致许多人生病住院，甚至死亡。近几年我国每年约有几十万人因食物中毒住院，上万人死亡。对最终产品中微生物污染的监测以及对生产过程和清洁卫生的监测是制造过程中最重要的因素之一（Ochoa等，2005）。食品中细菌和细菌毒素的鉴定和定量是重要的问题，其中引起食物中毒最常见的细菌是金黄色葡萄球菌、空肠弯曲杆菌、沙门氏菌和葡萄球菌、芽孢杆菌和大肠杆菌等（孟宪梅和柳增善，2006）。目前已有成熟和灵敏的检测细菌及其毒素的方法，主要是基于免疫化学方法，而蛋白质组学和基因组学技术为鉴定食品微生物污染提供了更灵敏和更具体的方法（Ochoa等，2005）。

在食品加工过程中，涉及细菌污染方面的蛋白组学的研究很少。高静水压技术是一种新的食品保鲜方法，蛋白质被认为是活生物体中高压最重要的靶点，高静水压技术通过灭活DNA复制和转录的关键酶，修饰微生物细胞壁和细胞膜来抑制微生物生长。然而，一些细菌如芽孢杆菌可以在高静水压技术处理后存活，Martinez-Gomariz等（2009）分析了该模型生物在高静水压技术处理过程中蛋白组的变化，发现了数量上的差异，并鉴定出一些表达差异的蛋白质。综上所述，生物膜的形成是食品加工设备设计和其他表面清洗设计时必须考虑的一个重要问题，一些微生物的生物膜（如细菌、芽胞杆菌、革兰氏阳性杆菌和一些致病性大肠杆菌）即使在清洁和消毒条件下也可以存活。微生物的掺入是一种自然的固定化方式，高密度的生物膜使它们具有更好的生存能力，但也有很大的生物催化潜力。在临床试验中，一些细菌在人类胃肠道中有促进健康的特性，它们作为食品添加剂越来越受欢迎。双歧杆菌和乳酸菌是食品制剂中的最常见的微生物。双歧杆菌是一种严格的厌氧发酵性菌，其蛋白组图谱大约在几年前就有报道（Yuan等，2006）。

2.2 朊病毒 所有朊病毒病或传染性海绵状脑病的特征都是在人和动物神经组织细胞中沉积一种异常构象的蛋白质，而不同的蛋白质构象和不同的理化性质有关，这些蛋白质具有较强的可溶性和蛋白酶敏感性，而正常细胞蛋白的异常构象具有较强的不溶性和蛋白酶抗性（Knight，2001）。作为肉类和肉制品安全控制的一部分，一些高风险的动物疾病，如疯牛病和传染性变异型克雅氏病的暴发，亟需对朊病毒感染进行严格的筛查。朊病毒蛋白的鉴定通常是一个耗时的过程，包括免疫亲和技术，结合一、二维电泳和质谱分析。泛素是一种潜在的生物标志物，但由于其蛋白丰富，不能作为一种可靠的生物标志物。Tsiroulnikov等（2004）提出了一种利用细菌蛋白水解酶净化肉骨粉的方法。枯草芽孢杆菌发酵的纳豆激酶也能降解朊病毒蛋白，并有可能预防朊病毒感染（Hsu等，2009）。但如果使用这种受污染的动物食品仍然存在风险，检测和消除患病动物和受污染的产品是预防这类食源性疾病更安全的方法。

2.3 过敏原和有毒成分 蛋白质会引起许多过敏反应，牛奶和奶制品以及海鲜是引起过敏的动物源食物，但有关动物蛋白参与这些不良反应的研究很少。为实现对食物过敏原更详细和全面的了解而采用的蛋白组策略称为“过敏原基因组学”（倪挺等，2000）。检测过敏反应相关蛋白的常用方法为蛋白提取、电泳分离（SDS-PAGE或2维电泳）、免疫印迹检测IgE结合蛋白等。如经胰蛋白酶消化后，IgE结合蛋白作为潜在的过敏原可以用质谱法鉴定，这种方法非常有效，但也非常耗时，可以用于蛋白质的高通量分析（Yagami等，2004）。

美国食品和药物管理局批准转基因西红柿和大豆植物用于人类食品，其在评估过程中考虑基因供体和受体的过敏特性，以确定合适的检测策略。将编码蛋白的氨基酸序列与所有已知过敏原进行比较，评估该蛋白是否是已知过敏原，并表明过敏交叉反应和新过敏原形成的可能性。食物过敏的风险是蛋白质在酸性环境中促使了胃蛋白酶的稳定性，这种试验之后进行了人IgE体外和体内的结合试验，未发现不良反应（Goodman等，2005）。在随后的蛋白质组学研究中比较了转基因大豆和非转基因大豆样品，并确定了两种新的潜在过敏原，被测试的个体对转基因和非转基因样品的反应没有显著差异，说明长期食用转基因作物后的过敏风险仍然存在（Goodman等，2005）。

实际生产中，通过在饲料中添加合成类固醇可以增强肉牛肌肉生长，减少脂肪沉积，但所有由类固醇使用引起的生长或机体代谢变化都是倾向于合成代谢，导致作为分解代谢标志物的酪氨酸氨基转移酶活力较低（Ferrando等，1998）。类固醇的使用可以通过基因组或蛋白组方法检测，如在牛上的研究发现，经合成代谢化合物处理的小牛肝脏中腺苷激酶的差异表达显著提高，应用合成代谢类固醇的动物可以在其尿液中检测到多种生物标志物，如三甲胺-N-氧化物、二甲胺、肌酸等（Gardini等，2006）。代谢组学和蛋白组学技术可用在畜禽药理学试验中作为筛选动物产品中药物残留的手段（Gardini等，2006）。过去人们在动物饲料中长期添加低剂量抗生素以达到促生长的目的。但抗生素会引起药残和细菌耐药性，很多国家都已禁止使用，因次，在人们非常关注的食品安全问题上，蛋白组学技术在今后的应用中具有非常大的前景。

3 结论

蛋白质组学技术正越来越多地用于评估原料和产品的质量控制、优化食品生物技术和相关加工工艺。然而，大多数蛋白组是利用分析比较二维电泳，其他更快和更有效的方法（如定量同位素标记和定量蛋白组学）应用较少。这些方法与已经得到验证的生物技术相结合，将能更好地控制食品加工过程的批次变化以及使用蛋白组学来解释和验证食品科学中的一些关键问题。检测食品污染物和过敏原可以进一步评估转基因食品的安全性。在食品生产、加工成最终产品的质量和微生物安全控制中，如何利用蛋白组学技术来表征完整的生产过程仍需要进一步研究。