大豆過敏原在低鹽固態醬油釀造過程中的降解規律

王夢莉,高美須,*,姜小燕,支玉香,魏芳麗

(1.中國農業科學院農產品加工研究所,北京 100193;2.北京市協和醫院,北京 100005)

中國是醬油的主要生產消費國,年產600多萬噸,占世界醬油產量的55%以上[1-2],醬油在其他國家和地區的歡迎程度也在逐漸增長。醬油是以大豆、豆粕等為主要原料,輔以小麥、麩皮等淀粉質的材料,經蒸煮、制曲、發酵、滅菌等過程,經過復雜的生物化學反應形成的具有色香味俱全的液體調味料。醬油的發酵工藝主要有高鹽稀態、低鹽固態和天然曬露法等[3]。低鹽固態醬油采用濃度為12～14 °Bé的鹽水拌曲,發酵溫度在40～50 ℃之間,發酵周期30 d左右[4]。低鹽固態發酵由于發酵周期短、蛋白利用率高、出品率穩定等特點,目前是我國醬油行業主要采用的工藝,其產量約占醬油年產量的60%[1]。

醬油中的主要原料大豆和小麥都在世界衛生組織/糧農組織確定的八大過敏食物之中[5]。目前已經從大豆中發現了43種大豆致敏原,分子量在7.0～71 kDa[6]。大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白是大豆中的主要致敏原,分別占大豆種子蛋白質總量50%和25%左右。根據沉積系數,它們常被稱為11S和7S組分,因品種不同兩者的比值在0.5～1.7之間。β-伴大豆球由α′(71 kDa)、α(67 kDa)和β(50 kDa)亞基組成的。大豆球蛋白分子由5個亞基組成,每一個單聚體亞基都由一個酸性多肽鏈A(35～43 kDa)和一個堿性多肽B(20 kDa)鏈通過二硫鍵連接形成。

發酵可以有效降低豆制品中的致敏性。黃穎[7]研究了包括枯草芽孢桿菌、米曲霉等7種菌對豆粕致敏性的影響,發現米曲霉M1固態發酵豆粕降解大豆致敏原效果較好,大豆總致敏原降解率為 87.39%,β-conglycinin、glycinin的降解率達到97.41%和80.69%。Seo等[8]報道,大豆經過枯草芽孢桿菌發酵后,β-球蛋白亞基、胰蛋白酶抑制劑和Gly m Bd 30 k的含量顯著降低,從而改善了豆粕的營養品質。如Yamanishi等[9]將大豆浸泡過夜高壓蒸煮后,用納豆芽孢桿菌模擬納豆的發酵過程發現,發酵24 h后所有蛋白質均被水解(分子量<10 kDa),并且水解后的肽未顯示免疫反應性。

醬油的生產過程中曲霉、酵母菌、乳酸菌等微生物的發酵作用對醬油等發酵食品中大豆致敏原的降解也有報道。醬油釀造過程中原料中的過敏原也被降解為肽和氨基酸,醬油[10-13]中未檢測到小麥和主要大豆過敏原(Gly m Bd 30 k和Gly m Bd 28 k)。Son等[14]采用乳酸乳球菌亞種、米曲霉和枯草芽孢桿菌對蒸制大豆進行三步發酵制作豆醬,研究發現發酵后的豆醬沒有檢測到IgE結合能力,認為沒有致敏性,可以供大豆過敏患者食用。邵碧英等[15]在大多數烤鰻醬油樣品中沒有檢測到大豆過敏原。但也有研究發現發酵醬油中仍有致敏的大豆蛋白(相當于大豆粉的10%～30%)。醬油中大豆致敏原的消除是一個復雜的過程,與微生物的發酵以及非酶化學反應生成物等均有關系,雖然醬油中大豆致敏原在發酵過程中逐漸被降解,但是降解的規律以及重點影響降解的階段還沒有被系統的研究。本文就我國低鹽固態醬油釀造過程中大豆過敏原降解規律進行了研究,研究醬油釀造過程中工藝關鍵點對過敏原降解變化的影響,旨在為醬油中過敏原消除奠定科研基礎以改善醬油的品質。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試樣品大豆 購買于北京海淀區幸福超市;乙醇、鹽酸、甲醇、冰醋酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、氯化鉀、氯化鈉等 均為分析純,北京瀚城生物有限公司;磷酸鹽緩沖液干粉(phosphate buffered saline,PBS,pH7.2～7.4)2 L裝、Tris-HCl緩沖鹽溶液(Tris-HCl buffered saline,TBS,pH7.2～7.4)、TBST(Tris-HCl buffer saline with 0.05% Tween 20)、蛋白Marker、30%凝膠儲液、辣根過氧化酶(horseradish peroxidase,HRP)標記羊抗兔、HRP標記羊抗人、Bradford蛋白測定試劑盒、二氨基聯苯胺顯色試劑盒(diaminobenzidine,DAB)等 北京索萊寶有限公司;96孔酶標板 美國Corning公司;醬油菌種 由山東巧媳婦食品有限公司贈予;兔抗大豆多克隆抗體 參照黃穎[7]的方法在農業農村部農產品質量安全收貯運管控重點實驗室自制;大豆過敏病人血清 北京協和醫院。

國輝FC系列冷凍干燥機 河北國輝實驗儀器有限公司;TGL-16A高速冷凍離心機 長沙平凡儀器廠;DYCN-24D型垂直電泳槽、DYCZ-40D轉印芯、WD-9405B型水平搖床 北京六一儀器廠;I-mark型酶標儀、1575型洗板機 美國伯樂BIO-RAD公司;電熱鼓風干燥箱 上海-恒科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 低鹽固態醬油的制作 參照《醬油生產實用技術》[16],稱取大豆1200 g,面粉300 g,大豆經過30 ℃浸泡3 h,倒出水后,鍋內燜3 h,121 ℃滅菌8 min,煮熟的大豆自然冷卻至40 ℃。按照0.5%的比重稱曲,將曲種和面粉混合均勻之后與大豆混合,將混合好的大豆盛放在長50 cm寬30 cm的通風塑料筐中,以干凈的濕紗布(121 ℃滅菌)覆蓋表面,在恒溫30 ℃、濕度為90%的恒濕培養箱中培養44 h。以醬培中含水量為50%,鹽水13 °Bé(含鹽量13.5%)計算所需鹽水量,加入鹽水,于43 ℃保溫發酵30 d,三角瓶中保鮮膜密封發酵,成熟醬培加80 ℃水浸泡后4 ℃條件下5000 r/min離心10 min獲得上清,上清即為生醬油,80 ℃滅菌30 min后,獲得熟醬油。在醬油制備的四個階段分別取12個樣品,即蒸煮后、在制曲階段制曲14、27、36和44 h的樣品,在發酵階段發酵5、10、17、24和30 d的樣品,滅菌前的生醬油和滅菌后的熟醬油樣品。所有的制曲和發酵階段的樣品均冷凍干燥后,備用。

1.2.2 蛋白的提取 通過Elvira等[17]描述的方法進行蛋白質提取。1 g凍干粉末加入20 mL提取緩沖液(0.05 mol/L Tris-HCl緩沖液,pH8.2)渦旋混合均勻之后,40 ℃水浴超聲70 min,每10 min混勻一次,8 ℃條件下20000×g離心30 min,提取液直接用于后續分析。對每個樣品進行至少3次獨立的提取。

1.2.3 蛋白質分子質量及主要組分的變化 采用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)分析醬油釀造過程中蛋白提取液中蛋白組分的變化。可溶性蛋白測定采用Bradford蛋白質定量法。按照Laemmli[18]的方法采用不連續垂直凝膠電泳,凝膠厚度1 mm,選用質量分數為5%濃縮膠,12%分離膠,將提取液稀釋至1 mg/mL上樣量為15 μL,Marker上樣量為5 μL。設定電泳條件為恒壓80和120 V,時間為30 min和1 h,待溴酚藍指示劑到分離膠底部1 cm處,結束電泳,進行剝膠、染色、脫色后拍照。

1.2.4 醬油釀造過程中大豆過敏原抗原性變化

1.2.4.1 免疫印跡法-大豆過敏原IgG結合能力測定 蛋白樣品進行SDS-PAGE電泳分離后,夾心法轉膜,恒流96 mA電轉移120 min,轉移完成后取出NC膜。已轉印的NC膜用封閉液(含5%的脫脂奶粉的TBST溶液)于4 ℃冰箱封閉過夜,次日取出后用TBST洗滌5次,加入用封閉液1∶50稀釋的兔抗大豆蛋白多克隆抗體,室溫孵育60 min,用TBST洗滌5次,每次5～10 min。加入1∶1000稀釋的HRP標記羊抗兔室溫孵育1 h后,用TBST洗膜5次,每次5～10 min,后用TBS洗滌兩次,每次5 min。二氨基聯苯胺(DAB)避光顯色1 min,以蒸餾水洗滌3次,每次5 min以終止反應。顯色之后,及時拍照。

1.2.4.2 間接競爭ELISA法測定大豆過敏原抗原性 大豆全蛋白抗原稀釋至為1 μg/mL,每孔100 μL,4 ℃包被過夜,次日取出后自動洗板機用PBST(含0.05% Tween 20的PBS)洗滌5次。每孔加入5%脫脂奶粉200 μL,37 ℃封閉2 h,用自動洗板機用PBST洗滌5次。每孔加入50 μL稀釋80倍后的蛋白提取液和50 μL 1∶10000稀釋的的兔多克隆抗體,無競爭孔不加抗原或樣品,37 ℃孵育1 h。洗滌同前。每孔加入100 μL用洗滌液1∶5000稀釋的HRP標記的羊抗兔,37 ℃孵育1 h,洗滌。每孔加入100 μL新鮮配制的TMB底物顯色液,37 ℃避光孵育15 min,每孔加入2 mol/L H2SO450 μL,終止反應,然后于酶標儀450 nm處測定OD值,繪制曲線。過敏蛋白抑制率的計算公式為:

抑制率(%)=(OD無競爭孔-OD待測樣品)/OD無競爭孔×100

1.2.5 醬油釀造過程中大豆過敏原蛋白過敏原性變化 間接競爭酶聯免疫法測定釀造過程中大豆過敏原蛋白的過敏原性。試驗步驟同上1.2.4.2,其中一抗人血清稀釋倍數為1∶2000,二抗稀釋倍數1∶5000,抑制率的計算公式同上。

1.3 數據處理

每個樣品重復3次,數據分析采用Excel統計分析軟件,結果用平均值±標準偏差的形式表示。

2 結果與分析

2.1 醬油釀造過程中蛋白組分變化規律分析

醬油發酵不同時間的蛋白SDS-PAGE如圖1所示,所用蛋白標準分子質量范圍為14.4～99.4 kDa。由圖1可知,大豆中的主要致敏原蛋白是β-伴大豆球蛋白和大豆球蛋白組分,隨著發酵的進行,兩種主要致敏原逐漸降解。大豆經過蒸煮之后,位于35～43和20 kDa附近的條帶都變深,由分子量大小推測為該條帶是大豆球蛋白的酸性亞基(35～43 kDa)和堿性亞基(20 kDa)。由SDS-PAGE電泳圖(圖1)可知,制曲階段大豆過敏原蛋白條帶消失的最為明顯,其中β-伴大豆球蛋白中的α′亞基(71 kDa)在制曲14 h時消失,α亞基(67 kDa)在制曲27 h時消失,β亞基(50 kDa)在發酵階段逐漸消失。由圖1可以看出,制曲階段對于大豆蛋白致敏原的降解影響最大。大豆球蛋白的酸性亞基(35～43 kDa)在制曲之后也消失,但是堿性亞基(20 kDa)存在于醬油釀造的整個階段,在成品也沒有被去除。隨著制曲時間的延長,位于堿性亞基上方約22 kDa處出現一條蛋白條帶,認為是蛋白降解的緣故而不是新的蛋白形成。在進入發酵階段,已經消失的大豆球蛋白的酸性亞基及β-伴大豆球蛋白都沒有檢測到,20 kDa的蛋白條帶逐步降解。從電泳圖中可以看出,加熱滅菌對于大豆球蛋白堿性亞基的減少沒有較大影響。

圖1 醬油釀造過程中蛋白SDS-PAGE圖

2.2 醬油釀造過程中大豆致敏原的IgG結合能力變化分析

醬油發酵過程中大豆致敏原的IgG結合能力如圖2所示。由圖2可知,在醬油釀造過程中大豆致敏原蛋白的免疫結合能力逐步降低。原料大豆在蒸煮之后,大豆球蛋白的IgG結合能力變化不大,β亞基有增強的趨勢,而β-伴大豆球蛋白的α(67 kDa)和α′亞基(71 kDa)的IgG結合能力減弱。在制曲階段,大豆過敏原蛋白的免疫結合發生較大變化,β-伴大豆球蛋白的α(67 kDa)和α′亞基(71 kDa)亞基在制曲27 h完全失去IgG結合能力,這與電泳結果一致。β亞基(50 kDa)在制曲階段IgG結合能力呈現波動式降低。大豆球蛋白的酸性亞基27 h時失去IgG結合能力,堿性亞基IgG結合能力變化較小。在發酵階段,β-伴大豆球蛋白的β亞基(50 kDa)含量持續降低,在發酵17 d時免疫印跡消失,IgG結合能力最低,β亞基(50 kDa)的消失和圖1相比出現了延遲,說明雖然蛋白條帶在電泳圖中不可見,但該條帶并沒有失去致敏性。另外,在發酵階段,大豆球蛋白的酸性亞基在進入發酵階段的10 d時再次具有IgG結合能力,且有逐漸增強趨勢,直至發酵結束仍然殘留在醬油中。加熱滅菌對于大豆球蛋白的酸性和堿性亞基的IgG結合能力的影響較小。其中原料蒸煮和制曲對大豆致敏原抗原性的降低起到關鍵作用。

圖2 醬油釀造過程大豆過敏原的IgG結合能力的免疫印跡圖

2.3 醬油釀造過程中大豆蛋白的抗原性變化規律分析

Western blot是抗原肽和蛋白質的大小定性分析和表征,并不能定量分析過敏原的含量變化,因此還需要用酶聯免疫試驗進行交叉分析。圖3為利用酶聯免疫試驗檢測醬油釀造過程中大豆致敏原抗原性的抑制率變化。由圖3可知,醬油釀造過程中大豆過敏原的含量呈現逐漸下降趨勢。醬油在蒸煮、制曲、發酵、滅菌等過程過敏原蛋白的致敏性消減了8.13%、39.00%、69.10%和87.06%,滅菌對于大豆致敏原含量的降低也有影響,醬油經過滅菌之后,較未滅菌的樣品下降了26.6%。從圖3可知,醬油釀造過程中,大豆致敏原蛋的抗原性逐漸降低,其中原料蒸煮和制曲對大豆致敏原抗原性的降低起到關鍵作用。

圖3 醬油釀造過程中大豆過敏原抗原性變化

2.4 醬油釀造過程中大豆致敏原過敏原性變化分析

通過抑制酶聯免疫吸附試驗(ELISA)進一步研究了醬油中大豆致敏原是否保留其IgE結合能力。由圖4可知,大豆致敏原的過敏原性在蒸煮之后逐漸降低。大豆致敏原在制曲階段的14～36 h間致敏原性下降的程度最大,之后在發酵階段保持持續降低趨勢,并且在24～30 d出現第二次驟減,由圖1可知大豆主要致敏原α(72 kDa)和α′(76 kDa)亞基與球蛋白的堿性亞基的消失,是IgE結合能力驟減的主要原因。大豆過敏原經過蒸煮、制曲、發酵、滅菌等加工過程,大豆蛋白過敏原的IgE結合能力較生大豆分別下降了8.92%、71.66%、92.26%、98.45%。由此可知,蒸煮、制曲、發酵和滅菌都會使得大豆過敏原一定程度上的降低,其中制曲的作用最大。

圖4 醬油釀造過程中大豆過敏原過敏原性變化

3 討論

原料大豆經過浸泡吸水膨脹,之后經過121 ℃蒸煮8 min,完成前處理過程。由SDS-PAGE圖可知,在醬油釀造的整個過程中,前處理過程(蒸煮)對于大豆過敏原的降解有重要的影響,原料經過蒸煮之后,大豆球蛋白的蛋白條帶較原料大豆顏色深,但大豆過敏原的抗原性和致敏原性下降,IgE和IgG結合能力降低。研究發現,熱處理如蒸煮之后,過敏原蛋白發生適度變性,次級鍵被破壞,蛋白結構變的松散以利于酶解；大豆經過浸泡,吸水膨脹,水分子會進入大豆的二、三、四級結構中,在熱處理過程中水分子會發生激烈的熱運動可以破壞蛋白質的高級結構,構向表位被破壞降低致敏性[19-21]。原料如果潤水不足,蒸料時間或溫度不夠時,會形成未變性的蛋白——N性蛋白,這種蛋白難以被酶水解[22]。蒸煮時間過久就會使蛋白質過度變性,蛋白質的多肽松散紊亂疏水基(烴基)暴露,在疏水作用的驅動下,蛋白質分子相互靠近形成大分子量的聚集體,導致致敏原蛋白的溶解性下降,形成不易被酶解的物質,影響過敏原的降解[23]。可就蒸煮時間和溫度潤水量對蛋白利用率、氨基酸生成率及過敏原降解率的影響開展進一步研究,以提高蛋白的可利用率,降低大豆致敏性。

制曲是醬油發酵中的關鍵環節,在醬油釀造個過程中,曲的好壞直接影響發酵中酶系的含量和豐富度,進而影響原料的分解、蛋白利用率和氨基酸生成率[24]。本實驗中蒸煮及制曲階段對蛋白組分變化的影響最大,是過敏蛋白降解及過敏原移除的重要階段。在制曲階段觀察到的IgE結合能力的降低是由于米曲霉為主的微生物降解大豆中的主要過敏原蛋白β-伴大豆球蛋白和大豆球蛋白所致。SDS-PAGE圖中可知在制曲階段,β-伴大豆球蛋白比大豆球蛋白優先降解,失去過敏原性和抗原性。β-伴大豆球蛋白和大豆球蛋白的結果不同,更容易受外界的影響而發生聚合和解聚,更易被酶解,這可能是大豆球蛋白和伴大豆球蛋白降解速率不同的原因[25]。在制曲階段剩余的免疫原性最強的亞基是大豆球蛋白的堿性亞基和β-伴大豆球蛋白的β-亞基,因此在制曲階段可以添加特異性的酶或是酶組合去進一步降解這兩種亞基,或是利用復合菌株制曲,利用不同微生物產生的不同酶系降解過敏原,以進一步降低大豆過敏原的致敏性,獲得一種低致敏醬油。

醬油后發酵階段主要是利用制曲階段產生的酶(果膠酶、纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶)進一步進行發酵酶解。大豆蛋白經發酵后可降解為小分子肽段,而這些小分子肽段分子量在低于 20 kDa 時幾乎沒有致敏性[26]。本實驗結果可知,大豆經過預處理、制曲和發酵,大豆致敏原的抗原性已經降低了81%,致敏原性降低了92%,致敏性大幅度降低。Yang等[27]利用干酪乳桿菌、酵母菌和枯草芽孢桿菌混合固態發酵豆粕,發現豆粕的潛在致敏性降低。Song等[26]研究表明,利用植物乳桿菌、雙歧桿菌和酵母菌發酵的豆粕可以很大程度上降低大豆蛋白的過敏原性。Hong[28]使用三種微生物乳酸菌、米曲霉和枯草芽孢桿菌的組合來發酵煮沸的大豆,發現發酵產物多是小于10 kDa的氨基酸和多肽,沒有檢測到過敏性和抗原性。這表明,不同的微生物發酵能夠很大程度上降低大豆致敏原的致敏性,但是不同的微生物發酵對于大豆過敏原的降解影響不同。多菌混合制曲對釀造醬油風味成分及感官等影響已經有較多的研究,但對醬油中致敏原降解的影響還未有報道。

除了制曲和發酵過程,滅菌處理和過濾對于致敏原的降低也非常重要。在滅菌之后,抗原性和過敏原性較未滅菌之前均有所降低,這可能是由于可溶性大豆蛋白在滅菌之后變成不溶性的物質被過濾除去所致。Magishi等[29]的研究也發現大豆蛋白在醬醅中并沒有完全降解,仍然殘留在生醬油中,殘留在生醬油中的可溶性大豆蛋白經熱處理后變性為不溶性過敏原,并通過過濾處理之后從6個月的發酵液中完全去除。在本研究中,在醬油的成品中仍然殘留有大豆致敏原。殘留的大豆過敏原具有IgG結合能力,但是監測到IgE的結合能力較IgG結合能力弱,過敏原性大幅度降低[30-31]。綜上,醬油發酵過程使得大豆蛋白過敏原的致敏性大幅度降低。

4 結論

本實驗跟蹤低鹽固態醬油釀造過程,探究了醬油釀造過程中大豆致敏原致敏性的變化。醬油中仍舊殘留大豆球蛋白的致敏原,但是已經失去過敏原性。在實驗室中制備的醬油中大豆致敏原的抗原性和過敏原性分別降低了87.06%和98.45%,致敏性基本被消除,是一種低致敏性的發酵大豆的液體調味品。醬油制備的蒸煮、制曲、發酵和滅菌都會使得大豆過敏原的抗原性和致敏原性降低,其中制曲階段對過敏原蛋白的降解最為明顯,后期可進一步研究在制曲階段外加酶降解大豆致敏原,或是研究復合菌株制曲來降低大豆致敏原,以研發一種低致敏營養的醬油產品。