高 寬,何述棟
(合肥工業大學食品與生物工程學院,農產品生物化工教育部工程研究中心,農產品精深加工安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230601)
蕓豆,學名菜豆(Phaseolus vulgarisL.),是世界各地廣泛種植和消費的古老經濟豆類之一[1]。蕓豆生長期短、對溫度和土壤要求不嚴格且栽培過程簡單,因此,蕓豆在我國種植區域廣泛[2],對農村經濟發展有顯著促進作用。目前,我國是世界重要的蕓豆生產、出口大國,種植面積位列前三,年產量超過82萬 t[3]。近年來,我國蕓豆出口量保持在30萬 t以上,與大宗糧食相比,價格更具優勢,經濟價值顯著[4]。蕓豆中蛋白質量分數高(20%~25%),碳水化合物(50%~60%,質量分數)、維生素、膳食纖維和礦物質含量豐富[5],是葉酸的良好來源[6],因此,蕓豆也是許多溫帶、亞熱帶和熱帶國家飲食中的重要原料[7]。然而,在日常生活中,使用未加工及加工不當的蕓豆食品極易引發食物中毒。Xie Lei等[8]對我國1994—2010年的食物中毒報告進行調查發現,因食用蕓豆產生的食物安全事件排名第一,占總事件的34.6%,影響人數達到1 066 人;且僅在2021年內,蕓豆引起的食物中毒報道人數達到2 047 人,為植物性食物安全事件第一位,占比53.46%[9]。可見,隨著社會經濟的發展,蕓豆在現代飲食和食品加工中的利用程度越來越高,所引發的食物安全事件頻率也在不斷的增加,亟需相關科研工作者關注其飲食安全性。
Sun Yufeng等[10]在對蕓豆蛋白的相關危險分析中發現,蕓豆中的凝集素蛋白可能是誘發其造成食物毒理學安全事件的主要原因。對凝集素蛋白的傳統認知為非免疫來源的碳水化合物結合糖蛋白,能夠特異性識別和可逆地結合碳水化合物,但不會改變其結構[11]。據報道,蕓豆種子中總蛋白的質量分數在17%~23%之間,其中2.4%~5.0%是蕓豆凝集素蛋白[12]。有研究表明,豆科凝集素蛋白可以產生抗營養作用,是一種典型的“抗營養因子”[13]。純化的蕓豆凝集素蛋白在較高劑量(50 mg/kgmb)時會誘導Sprague-Dawley大鼠腸道增生、改變絨毛結構、降低二糖酶活性、增加腸道通透性和激活免疫系統等,破壞腸道黏膜的完整性[14-15],導致整個動物體出現厭食癥狀,營養(蛋白質、脂質和VB12)吸收受影響,生長緩慢[16-17],嚴重時出現胸腺和脾臟萎縮,胰島素分泌減少,腹脹時四肢萎縮、負氮平衡甚至是死亡[18]。同時,有研究表明,由凝集素蛋白誘導腸道損傷引起的腸道生態失調,易導致消化水解凝集素蛋白的菌群或者酶功能降低,這可能是凝集素蛋白誘發毒理學作用的另一個重要機制[16,19]。在使用煮熟蕓豆進行的臨床試驗中,未發現與使用分離凝集素蛋白和生豆粉相同的機體反應癥狀,這可能由于蕓豆凝集素蛋白熱變性,易被胃腸道所消化,不會以完整蛋白結構造成毒理學作用或者透過腸道被抗原遞呈細胞(腸道一般為樹突狀細胞(dendritic cell,DC))所攝取[20]。而保持蛋白完整形式可能正是凝集素蛋白引起致敏反應的前提條件,即存在潛在的致敏性,在對攝入凝集素蛋白的BALB/c小鼠研究中,小鼠腸道受損的同時出現了明顯的過敏癥狀[21]。
近年來,在印度、巴基斯坦、加拿大、澳大利亞和英國等國家,有關蕓豆引起的過敏反應事件時有發生[22-24]。英國報告了25 起由生的或未煮熟的紅蕓豆引起的食物過敏反應事件,總計患者約100 人[25]。在2003—2014年間,我國報告了124 起與蕓豆相關的致敏事件,患者達到7 526 人[10]。在摩洛哥的114 名過敏患者(76 名兒童和38 名成年人)中,51%的兒童和39%的成年人血清中含有對白蕓豆蛋白有特定反應的免疫球蛋白E(immunoglobulin E,IgE),表明摩洛哥人口對蕓豆蛋白過敏原非常敏感[26]。Kasera等[27]發現蕓豆中有4 種潛在的蛋白致敏原,分別是凝集素、菜豆素、α-淀粉酶抑制劑前體和第3組晚期胚胎發育豐富蛋白,通過液相色譜-串聯質譜分析和酶聯免疫吸附試驗,確定凝集素為蕓豆中主要的過敏原蛋白。Bender等[28]研究發現,蕓豆凝集素蛋白誘發的致敏通常出現在食用未處理完全的蕓豆2 h后,表現為惡心、嘔吐、腹瀉和腹痛等癥狀。
目前,已有較多研究表明蕓豆飲食不當導致的過敏反應均與凝集素蛋白未失活有高度的相關性[29-30],但在我國還未引起足夠的重視。因此,為明晰蕓豆凝集素蛋白的相關作用機制,本文總結了近期關于蕓豆凝集素蛋白的毒理學和致敏性研究報道,以期為蕓豆安全食品研發和利用提供一定的理論基礎。
凝集素存在于許多可食用的植物中,特別是在豆科植物中[31]。作為儲藏蛋白,不同豆類凝集素蛋白的含量差異也很大。蕓豆籽粒中總蛋白的質量分數在17%~23%之間,其中2.4%~5.0%是凝集素;大豆含有34%的蛋白質,其中0.8%是凝集素;利馬豆凝集素約占總蛋白質量的0.8%,而豌豆凝集素約為總蛋白質量的0.6%[32-34]。目前,已有超過70 種不同類型的凝集素實現從豆科植物中分離和純化[35]。如圖1所示,蕓豆凝集素蛋白含有紅細胞凝集素和白細胞凝集素的兩種單體,特異性識別N-乙酰乳糖胺型的復雜聚糖[36],一般為典型的同源四聚體構型β-三明治結構[37]。
早期研究一直關注于蕓豆凝集素蛋白的抗營養性質及毒性,近年來,越來越多的研究發現蕓豆凝集素蛋白具有一定的致敏性。圖2匯總了蕓豆凝集素致敏性的研究認知過程。1992年,意大利一名患有胃腸道念珠菌病8 個月的年輕女士(26 歲)在注射蕓豆凝集素蛋白后5 min,注射區域表現出明顯的過敏反應,眼瞼水腫,經免疫和過敏測試發現,凝集素蛋白在體外淋巴細胞轉化實驗中呈陽性,表明凝集素蛋白可能會引起I型免疫反應[38]。2011年,據Allergy期刊報道,一名來自法國的沒有特應性病史的23 歲女性食用煮熟的蕓豆后,引發全身反應,且30 min后出現過敏性休克,皮膚點刺實驗(skin prick test,SPT)結果表明蕓豆凝集素蛋白呈現出強烈的IgE結合能力,因此,蕓豆凝集素蛋白被認為是一種潛在的食物過敏原[39]。2013年,印度學者首次報道對蕓豆蛋白過敏原進行純化研究,確定其主要為分子質量31 kDa的凝集素蛋白,對25 名易過敏志愿者中的14 人進行皮膚測試,11 人(78%)的SPT為蕓豆凝集素的蛋白陽性,并且在蕓豆凝集素蛋白陽性患者樣本(n=15)中發現組胺水平顯著提高[40]。以上研究表明蕓豆凝集素蛋白是一種食物過敏原,在醫療診斷中具有臨床相關性。

圖2 蕓豆凝集素蛋白致敏性的研究過程[38-40]Fig. 2 Flow chart of research on the allergenicity of kidney bean lectins[38-40]
凝集素呈現致敏性的根本原因在于其表面或者內部的抗原表位。抗原表位又稱抗原決定簇,是指免疫應答中,能與T細胞或B細胞表位受體或抗體發生特異結合的蛋白特定結構和氨基酸序列[41]。目前普遍認為,在機體的免疫反應過程中,免疫細胞表面受體難以識別整個過敏原蛋白質分子,所以只能針對抗原表位,即特異性地識別抗原上的一段氨基酸序列,而不是針對完整的抗原分子[42]。過敏原蛋白的免疫原性,主要由其抗原表位決定,即由抗體識別的蛋白質部分,按與抗原受體結合細胞的不同,分為B細胞抗原表位和T細胞抗原表位[43]。
近年來,許多豆科凝集素蛋白過敏原的蛋白三維結構和抗原表位已經通過先進的生物信息學方法被分析和討論。大量研究發現具有低空間位阻(表面暴露)、高柔韌性及表面可及性的多肽片段更有可能參與特異性抗體的結合,β-轉角和無規卷曲結構多出現在蛋白質表面,與抗體結合的幾率較大,具有高抗原表位的可能性[44-45]。凝集素蛋白如果空間結構保持穩定,那么可能難以在胃腸道中被消化,從而完整地透過腸道,誘導免疫產生。有研究分析了已知3D結構(實驗或建模結構)過敏原中連續IgE表位的氨基酸分布情況,發現蛋白質界面的疏水殘基,如苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和甲硫氨酸,出現在表位界面中的概率較低,而丙氨酸、絲氨酸、天冬酰胺、甘氨酸和賴氨酸更有可能出現在表位中,尤以賴氨酸最為突出[45]。
He Shudong等[44]在對黑龜豆凝集素蛋白B細胞表位的研究中發現,氨基酸組成占比較高的是組氨酸、酪氨酸、脯氨酸、天冬酰胺和賴氨酸殘基。前人研究表明,酪氨酸和組氨酸殘基的存在將促進蛋白質界面中心的形成,具有高IgE結合能力[46]。同時,過敏原蛋白外部帶正電荷的氨基酸,如丙氨酸和亮氨酸,可提高其表面可及性,顯著增加其抗原表位肽的IgE結合能力[47]。而高疏水性氨基酸更易出現在T細胞抗原表位肽中,且抗原表位肽區域內的多個位置都表現出高的抗原性[44]。所以,高疏水性帶正電荷的氨基酸殘基可能在黑龜豆凝集素蛋白抗原表位構成中發揮重要作用。趙金龍[48]利用同源建模研究黑龜豆凝集素蛋白的結構,并對B及T細胞抗原表位進行分析預測,通過酶聯免疫吸附、促淋巴細胞增殖和細胞因子釋放實驗,成功鑒定出了黑蕓豆凝集素蛋白的4 個B細胞抗原表位(B1、B2、B3和B4)和2 個T細胞抗原表位(T1和T2)(圖3),所有抗原表位表現出較強的疏水性和電正性,且B1、B2、B3、B4和T1細胞抗原表位分布在蛋白表面,具備較強的表面可及性。

圖3 黑龜豆凝集素蛋白潛在的抗原表位分布[49]Fig. 3 Localization of the sequential epitopes identified at the molecular surface of the black turtle bean erythroagglutinating homotetramer[49]
Kumar等[50]采用柱色譜、IgE免疫印跡和反相高效液相色譜(reversed phase-high performance liquid chromatographic,RP-HPLC)技術對紅蕓豆致敏蛋白進行研究,發現凝集素蛋白具有較強的熱穩定性和抵抗蛋白水解酶的能力,通過BALB/c小鼠構建致敏模型,發現分子質量為29.5 kDa的PHA-L能促進更高水平的總IgE、特異性IgE和組胺表達,表明PHA-L具有過敏原的特征。Kumar等[51]使用蕓豆凝集素蛋白對BALB/c小鼠進行腹腔注射致敏,發現小鼠體內IgE和免疫球蛋白G(immunoglobulin G,IgG)水平顯著性升高,與對照組相比,在PHA處理的小鼠中觀察到血漿組胺、胸腺基質淋巴細胞生成素(thymic stromal lymphopoietin,TSLP)和肥大細胞蛋白酶1(mast cell protease-1,mMCPT-1)水平分別增加2.0、2.5 倍和2.0 倍,而這3 種因子在誘導食物過敏中起到關鍵作用[52-55]。
Rougé等[56]確定蕓豆凝集素蛋白(120 kDa,四聚體形式)是蕓豆中的主要蛋白過敏原,由耐熱變性和消化蛋白水解的低聚蛋白組成,表面具有易與IgE結合的表位,這可能是其致敏的主要原因。Kasera等[40]使用Q-瓊脂糖柱(陰離子交換劑)純化蕓豆過敏原,使用凝膠過濾和RP-HPLC收集高濃度洗脫物,純化出31 kDa的凝集素蛋白分子,經酶聯免疫吸附和免疫印跡分析可知,該蛋白分子可以引起88%的蕓豆陽性患者產生過敏反應。
如圖4所示,目前認為蕓豆凝集素蛋白的過敏反應主要是IgE介導的免疫應答反應,同時也存在非IgE介導的免疫反應,例如IgE和IgG共同介導的過敏反應或免疫復合物介導的免疫反應[57]。

圖4 蕓豆凝集素致敏機制Fig. 4 Mechanism of sensitization to kidney bean lectins
蕓豆凝集素蛋白過敏原初次進入機體后,未被胃腸道消化的凝集素蛋白進入腸道,因腸道細菌和上皮細胞都攜帶凝集素蛋白的糖受體(N-乙酰氨基葡萄糖),這使得凝集素能夠與腸道細菌、腸道上皮細胞或兩者都結合。凝集素與上皮細胞的結合可能導致炎癥、緊密連接的損傷和腸漏,這被認為是凝集素蛋白的毒理學作用,同時也是其進入自身免疫的途徑[58-60]。凝集素蛋白穿過腸道,被抗原遞呈細胞(antigen presenting cells,APCs)所捕獲,通過胞吞作用將凝集素內化,經泛素選擇性地依附在內溶酶體,被降解為小分子肽段,如果其中含有抗原表位肽,那么過敏原信息將會以人類主要組織相容性復合體-抗原肽復合物的形式分布在遞呈細胞表面。然后,抗原表位肽被特異性T細胞受體上的初始CD4+T細胞所識別,導致其增殖并分化成1型/2型輔助性T細胞(helper T cell 1/ helper T cell 2,Th1/Th2)。通過誘導包括細胞因子和來自于樹突細胞的共刺激分子的釋放可促進初始T細胞的活化。
Th1細胞的主要效應功能在于細胞介導免疫和炎癥,包括活化其他免疫細胞如巨噬細胞、B細胞和CD8+細胞毒性T淋巴細胞的細胞溶解和其他效應功能[61]。在Th1細胞分化中起關鍵作用的兩種細胞因子分別是IFN-γ和IL-12。APCs分泌的IL-12能活化信號傳導及轉錄激活蛋白4,從而促進0型輔助性T細胞分化為Th1。而信號傳導及轉錄激活蛋白4能活化轉錄因子信號傳導及轉錄激活蛋白1和T細胞轉錄因子(T-box expressed in T cells,T-bet)促進IFN-γ產生,這是Th1分化的另一個因素。T-bet被認為是Th1分化的主要調節因子,因為它誘導更多的IFN-γ表達,形成增強Th1細胞極化的正反饋環[62-63]。最終,Th1細胞促使B細胞釋放IgG和IgM,形成II、III型超敏反應。在II型超敏反應中,IgG和IgM可高效激活補體和釋放過敏毒素,導致平滑肌收縮,血管通透性增加,肥大細胞隨著組胺和TFN-α的釋放而活化[64]。并可與巨噬細胞和自然殺傷細胞表面的Fc受體結合,產生抗體促進吞噬作用和抗體依賴性的細胞介導的細胞毒性作用等[65]。對于III型超敏反應,抗原和抗體在血管和組織中形成免疫復合物,在體液免疫應答不足的情況下,免疫復合物可以持續存在并聚集在血管壁和組織中并引起炎癥反應,而且反復接觸過敏原會導致過量的IgG抗體,伴有局部超免疫和免疫復合物的形成,免疫復合物通過Fcγ受體與白細胞、中性粒細胞、嗜堿性粒細胞和肥大細胞結合,激活它們并引起炎癥反應[64]。
Th2細胞可產生對機體免疫反應中具有重要作用的細胞因子,如IL-4、IL-5和IL-13等。在Th2細胞的輔助下,可促使抗原特異性B淋巴細胞分化為能產生IgE抗體類別轉換的漿細胞,也稱效應B細胞。分泌的IgE參與血液循環,并與含有特異性IgE受體(FcεRI)的肥大細胞和嗜堿性粒細胞表面結合,導致這些細胞對特定過敏原形成敏感性[57,66]。當機體再次接觸同一過敏原后,過敏原蛋白吸附IgE抗體和FcεRI產生交聯。此結合可激活免疫受體酪氨酸激活基序,最終打開與非受體酪氨酸激酶的對接位點。經過一系列的復雜反應之后,鈣離子從細胞中釋放,并且造成肥大細胞和嗜堿性粒細胞的脫粒。這一脫粒過程可導致組胺、氨基己糖苷酶、白三烯和前列腺素D等致敏中間介質的釋放,這些介質才是Th2途徑過敏癥狀的直接原因,表現為I型超敏反應[57,67]。
Haas等[68]發現凝集素蛋白具有誘導人嗜堿性粒細胞分泌IL-4和IL-13的能力,由于凝集素可以在口服后進入循環,因此它們可能在誘導早期IL-4分泌中發揮作用,以將免疫反應轉換為Th2反應和I型過敏反應。同時,Shibasaki等[69]發現蕓豆凝集素蛋白與IgE有很強的親和能力,誘導組胺釋放。另有研究者利用紅蕓豆凝集素蛋白構建小鼠致敏模型,發現小鼠中TNF-α、IFN-γ、趨化因子配體5、趨化因子配體2、轉錄因子GATA結合蛋白3、IL-2、IL-4、IL-5、IL-6、IL-10、IL-12、IL-13、IL-17和T-bet水平顯著提高,同時增強了特異性IgE、IgG等免疫球蛋白水平,使過敏癥狀更為突出,并利于β-己糖苷酶和其他過敏介質的釋放,表明凝集素蛋白可引起Th1和Th2途徑的同時表達[70];另外,在喂養生蕓豆的小鼠體內發現了IgG水平的顯著增長[71];此外,口服和靜脈注射小鼠蕓豆凝集素蛋白,在小鼠體內均會發現血清特異性IgG和免疫球蛋白A(immunoglobulin A,IgA)抗體[72-73];對小鼠腹腔注射凝集素蛋白,發現還會增強淋巴細胞的有絲分裂能力,強化巨噬細胞的吞噬能力[74]。以上研究表明,蕓豆凝集素蛋白的過敏機制較為復雜,存在多種形式。
加熱可誘發食物蛋白過敏原的結構變化,包括蛋白質展開、二級和三級結構的改變、分子內和分子間共價和非共價相互作用的形成等,可以通過破壞或暴露構象表位來改變致敏性[75]。此外,加熱還可以提高蕓豆凝集素蛋白在胃腸道中的消化敏感性,從而進一步降低其致敏性[76]。先前的研究表明,瞬時高壓處理后扁豆種子的凝集素蛋白IgE結合能力顯著降低[77]。純化的紅蕓豆凝集素蛋白在50 MPa靜水壓處理下結構開始展開,然后逐漸形成熔融球狀;當壓力不低于450 MPa時,蕓豆凝集素蛋白可能發生分子重排和分子聚合,從而喪失致敏性[78-79]。另有研究發現,當被25 kGy的γ射線輻照處理后,蕓豆凝集素蛋白的特異性IgE結合率降低了約34%[80]。在干燥或50%水分質量分數條件下,蕓豆凝集素蛋白經過輻照劑量不高于30 kGy的γ射線輻照處理后,結構仍然保持完整,但在10 kGy劑量的水溶液中觀察到凝集素蛋白的二級和三級結構完全被破壞,表明在輻照處理中水分條件的重要性[81]。
研究表明,使用聚乙二醇-琥珀酰亞胺碳酸酯(polyethylene glycol-succinimidyl carbonate,PEG-SC)、聚乙二醇-琥珀酰亞胺丁二酸酯(polyethylene glycolsuccinimidyl succinate,PEG-SS)和聚乙二醇-琥珀酰亞胺基丙酸酯(polyethylene glycol-succinimidyl propionate,PEG-SPA)偶聯修飾黑蕓豆凝集素蛋白可以提高空間位阻,降低凝血活性和致敏性,并改善蕓豆蛋白粉的凝膠特性[82-83]。也有研究表明,在pH<1.5的酸性環境下孵育蕓豆凝集素,發現蛋白α-螺旋比例顯著降低,伴隨著聚合物的解離,二硫鍵斷裂,疏水性顯著增加;同時,黑蕓豆凝集素蛋白的酶解位點暴露增多,消化率顯著提高[84]。當pH值調節為中性時,酸性條件下展開的凝集素蛋白結構會重新折疊,但在蛋白結構重組時可能會發生錯位,約有15%的構象差異,此時,凝集素蛋白的血凝活性降低了50%,IgE結合能力也降低,表明糖結合位點與致敏性可能有一定的相關性[85-86]。
在萌發處理24 h后,黑龜豆樣品中的凝集素蛋白含量降低了46%,48 h后減少76%[87]。萌發4 d紅蕓豆的凝集素蛋白含量降低了86%[88]。同樣,萌發處理7 d后,白蕓豆凝集素蛋白含量下降了85%[89]。在萌發處理過程中,蛋白水解和碳水化合物官能團的一些修飾可能會顯著降低凝集素的活性[90]。此外,發芽24 h后協同高壓(121 ℃)滅菌30 min可以完全消除蕓豆中凝集素蛋白活性[88]。發酵超過72 d可以破壞扁豆中幾乎所有的凝集素活性[91]。在自然發酵和乳酸發酵過程中均發現了凝集素蛋白含量的降低[92]。在發酵過程中,食物蛋白過敏原的線性表位和構象表位會被水解,酸化誘導蛋白構象改變[93]。酶水解方法主要通過使用蛋白水解酶或細胞酶來破壞線性抗原表位。用堿性蛋白酶和風味酶處理后,蕓豆中可溶性蛋白提取物的IgE結合能力降低了(62.2±7.7)%,嗜堿性粒細胞中組胺的釋放量明顯減少,并且只有10%的患者表現出過敏癥狀[94]。
目前,還有些技術雖然未被用于蕓豆凝集素的研究當中,但是已經在其他豆類過敏原蛋白的研究中進行了驗證。如RNA干擾技術已成功用于抑制花生中過敏蛋白Ara h 2的形成[95]。糖基化修飾有助于降低大豆凝集素過敏原的敏感性[96]。一些分子,如多酚,可以與蛋白質過敏原結合,通過阻礙IgE表位的暴露來抑制IgE識別。例如,藍莓果實中的原花青素C1和綠原酸用于與花生過敏原Ara h 2相互作用,可以改變蛋白質的二級結構,使IgE結合能力分別降低了37%和50%[97]。在超聲波作用下,食物蛋白質結構受到空化現象和傳質增強的影響而發生改變,最終影響其致敏特性[96,98]。已有研究表明,超聲(300 W)處理30 min后大豆凝集素IgE結合能力降低了51.39%[99]。在胰蛋白酶作用下連續超聲處理花生,花生過敏原Ara h 1和Ara h 2的免疫反應性降低50%[100]。還有低溫等離子體處理、脈沖光處理、脈沖電場等技術,也可以使大豆和花生的過敏原蛋白發生構象改變,進而影響致敏性的變化[101-103]。
蕓豆的食用安全意義重大。目前,關于蕓豆蛋白質的研究已經逐漸讓人們意識到,凝集素蛋白不僅具備毒理學特性,更具有致敏免疫特點。雖然凝集素蛋白的致敏性在體內或者體外動物實驗中得以驗證,但凝集素蛋白如何在細胞和分子層面被抗原遞呈及對細胞極化和對細胞因子釋放的細節還不清晰。因此,可在未來研究過程中以致敏細胞模型和動物模型為對象,深入開展相關免疫機制研究。凝集素蛋白的空間構象、抗原表位分析是凝集素免疫調控機制的研究基礎。在現代食品加工過程中,已經運用一定物理、化學、生物等技術手段有效抑制凝集素蛋白的致敏性,但是在這些處理方法中存在一些特殊的增加致敏性的情況發生,這主要是由于蛋白構象的變化與致敏性的關系尚不明確。所以,積極開展凝集素蛋白結構研究,尤其是明確抗原表位的具體位置、協同食品加工技術手段實現凝集素蛋白的靶向修飾或改性,將是未來蕓豆低敏食品開發的重要研究方向。