东北农业大学张英华教授课题组在乳蛋白致敏性研究领域成果

学术   2024-09-07 16:02   上海  
乳清蛋白有着优越的营养价值和丰富的功能特性。α-乳白蛋白和β-乳球蛋白是乳清蛋白的两种最重要的组分,也是乳蛋白中主要的过敏原。随着乳蛋白作为功能性成分在食品中的广泛应用,降低乳清蛋白的致敏性成为食品领域的研究热点。东北农业大学张英华教授团队近年来致力于蛋白质脱敏技术的开发,利用计算机辅助分子模拟技术对蛋白质和抗体的作用模式进行模拟研究,获得关键抗原表位信息,开发多种修饰技术实现对蛋白质致敏性及其功能性质调控。同时目前,已在《Food Chemistry》(中科院一区)、《Food Research International》(中科院一区)、《Food & Function》(中科院一区)等多个期刊发表研究成果。

(一)基于结构分析高静水压力处理的乳清蛋白抗原性和功能特性的研究

文章信息:Study on Potential Antigenicity and Functional Properties of Whey Protein Treated by High Hydrostatic Pressure Based on Structural Analysis
第一作者:于鑫欣
通讯作者:张英华

期刊信息:Food Research International(中科院一区,IF=7)

乳清蛋白由于其优越的营养价值和功能特性,被广泛用作食品中的膳食补充剂。β-乳球蛋白(β-LG)占乳清蛋白的50%,是婴儿配方奶粉中的主要过敏原,大约80-90%对牛奶过敏的人对它敏感。高静水压力(HHP)由于其在保持食品新鲜度方面的卓越能力,在食品加工领域得到了广泛的应用。HHP可以诱导蛋白质的结构修饰,包括非共价相互作用(氢键、离子和疏水相互作用)和二硫键,从而改变蛋白质的功能特性和致敏性,特别是在压力超过400 MPa时。HHP可通过破坏、隐藏和暴露构象表位来改变食物过敏原性和免疫反应性。本研究利用HHP处理乳清分离蛋白,并测定经HHP处理后WPI产物的二级和三级结构变化、抗原性、胃消化后抗原性以及乳化性和抗氧化性的影响。旨在扩大WPI在食品工业中的应用范围,通过选择HHP处理,最大限度地减少β-LG的潜在抗原性,并增强WPI的功能特性。

图1 FTIR光谱测定不同压力下HHP对WPI二级结构的影响

图2 未经处理和HHP处理的WPI样品的本征荧光演变

随着压力的升高,荧光强度明显激增。这表明蛋白质展开增加了色氨酸和酪氨酸基团对溶剂的暴露。因此,HHP对WPI的三级结构产生了实质性影响,该三级结构主要由非共价键维持。

图3 间接竞争ELISA法测定不同压力下HHP对WPI中β-LG抗原性的影响

由于HHP能够影响蛋白质的结构,因此能够导致乳清蛋白功能性质的变化。

图4 未处理(0.1 MPa)和HHP处理(100-600 MPa)WPI样品20分钟的乳化性和抗氧化活性

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.foodres.2023.113218

(二)阿魏酸共价结合对β-乳球蛋白功能性质和抗原性的影响

文章信息:Effect of ferulic acid covalent conjugation on the functional properties and antigenicity of β-lactoglobulin
第一作者:薛雨婷
通讯作者:张英华

期刊信息:Food Chemistry(中科院一区,IF=8.5)

酚酸具有良好的抗氧化性,与蛋白质结合后形成新的抗氧化剂,可以延缓蛋白质和脂质在贮藏期间的氧化反应,减弱蛋白质氧化对食品品质的影响。因此,本研究选用阿魏酸(FA)与 β-LG 进行共价结合,探讨了β-LG与阿魏酸以不同比例共价结合后,结合物的抗原性变化,以及抗氧化性、表面疏水性、乳化特性等功能性质的变化。

β-LG与FA在碱性条件下共价结合结果表明,当β-LG与FA的质量比为10:6时,结合共价结合β-LG上的FA量最大。

图1 不同质量比β-LG-FA结合物的凝胶尺寸排除色谱(a)和SDS-PAGE(b)结果

图2 不同质量比β-LG-FA结合物中游离氨基(a)、SH (b)和β-LG结合FA(c)含量

FA的共价结合导致了蛋白质的结构更加展开。


图3 不同质量比β-LG-FA结合物的紫外可见吸收光谱(a-b)、荧光光谱(c-d)和红外光谱(e-f)

β-LG-FA结合物的表面疏水性明显增加,结合物的抗氧化活性逐渐增强。

图4 不同质量比β-LG-FA结合物的表面疏水性(a)、乳化活性、乳化稳定性(b)和抗氧化活性(c)


FA与β-LG的共价结合有利于降低β-LG的抗原性,当质量比为10:6时,抗原性最低。

图5 不同质量比β-LG-FA结合物的抗原性


原文链接

https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.135095


(三)基于机器学习合体外实验验证建立的食物过敏原表位的定性和定量预测模型

文章信息:Qualitative and quantitative prediction of food allergen epitopes based on machine learning combined with in vitro experimental validation

第一作者:于鑫欣

通讯作者:张英华

期刊信息:Food Chemistry(中科院一区,IF=8.5)


表位是可以特异性地与免疫球蛋白结合的过敏原的一部分,本研究提出了利用量化功效关系(QSAR)模型,预测蛋白质过敏原表位,并评估表位与IgE的结合能力。数据来自以往的文献和已发表的数据库,包含从90多种蛋白质中获得的1000个不同长度的表位信息。将收集到的氨基酸序列根据描述符转换为可计算的数据形式。通过描述符的预处理,采用随机森林(RF)、k-最近邻(kNN)、偏最小二乘(PLS)和主成分(PC)回归建立多元回归模型,用来预测未知表位的IgE结合能力。通过内部验证获得的最佳定量模型用于预测β-乳球蛋白(β-LG)的表位,并评价表位的IgE结合能力。通过分子对接和酶联免疫吸附试验(ELISA)从外部验证了该模型的预测精度。
利用支持向量机(SVM)、k个最近邻(kNN)和和线性判别分析(LDA)建立了能够区分抗原与非抗原的分类模型。根据所分类模型的AUC值选择最优描述子来建立多元回归模型。在选择最优描述子后,采用RF、kNN、PLS和PC回归四种算法建立定量模型。对每个算法进行网格搜索,以确定最优参数。结果表明,采用AA index-SVM方法建立的模型性能最好。

图1.三种机器学习方法和八种描述符建立的模型的ROC曲线。红线:KNN模型的ROC曲线;紫色线:SVM模型的ROC曲线;黑线:LDA模型的ROC曲线


利用该模型预测了β-LG的7个IgE结合表位,定量预测模型评估了表位与IgE的结合能力。

KNNR

RFR

PCR

PLSR

图2、IgE对应的预测OD值与实验OD值的拟合图


采用分子对接和ELISA技术对一个过敏原进行了模型的外部验证。分子对接得分与预测的OD值呈负相关,且R2值较高。这表明通过分子对接获得的抗原和抗体的结合能力与本研究建立的模型预测的IgE的结合能力吻合良好。ELISA的结果表明,56-70、116-130、141-155和6-20这4个表位可以被过敏性患者的牛奶蛋白IgE抗体识别,与表位预测模型一致。对实验累积量与预测OD值的趋势关系进行相关分析,结果显示,两个OD值之间存在显著的正相关关系(P<0.05),Pearson相关系数为0.8956。AA index-SVM预测模型预测了β-LG(110-16)的新表位。

图4、分子对接评分与模型预测OD值的关系图

图5.12例过敏性患者中IgE抗体与预测表位结合的累积OD值图。


该预测模型的显著优势是结合了体外实验验证来评估模型的准确性。定性分类预测模型能够准确地预测食物变应原的表位;定量预测模型可以预测表位与IgE的结合能力,且外部验证的结果表明模型具有较高的准确性和可靠性。本研究通过机器学习的生物信息学方法建立的模型可以有效地预测食物抗原的表位,并区分表位的致敏化强度。

原文链接
https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134796

(四)结合实验技术与分子动力学研究不同酶解作用对降低β-乳球蛋白抗原性的影响

文章信息:Combining experimental techniques with molecular dynamics to investigate the impact of different enzymatic hydrolysis of β-lactoglobulin on the antigenicity reduction

第一作者:于鑫欣

通讯作者:张英华

期刊信息:Food Chemistry(中科院一区,IF=8.5)


本研究通过分子对接和分子动力学模拟分析β-乳球蛋白和免疫球蛋白G的活性位点和相互作用力,并对预测的关键表位和特定的酶裂解位点的比较分析,阐释不同蛋白酶水解乳清蛋白抗原性降低差异的原因。对β-乳球蛋白和免疫球蛋白G的结构相互作用的研究结果,将为未来更有效的改性策略提供基础数据,并促进食品工业中低敏食品成分的发展。
(1)β-乳球蛋白与免疫球蛋白G的相互作用和结合能分析

A: Interaction models of β-LG-IgG complex

B: Part culars interaction models (all)

C: Interaction force of β-LG and IgG

D: Interaction force of β-LG and IgG

E: Interaction force of β-LG and IgG

Figure 1 Interaction models and interaction force between β-LG and IgG 

Figure 2 Decomposition of MMPBSA free energy per residue in β-LG—IgG complex.


采用间接竞争ELISA测定水解产物中β-乳球蛋白抗原性,结合蛋白酶在抗原表位中的切割位点的总能量和,分析不同蛋白酶水解产物中β-乳球蛋白抗原性的降低与活性位点中裂解位点的能量贡献的关系,利用皮尔森系数进行相关性分析。

Figure 3 Energy contribution of specific cleavage sites and antigenicity of enzyme-treated WPI hydrolysate with DH of 6%. Different letters (a–d) above columns indicate that the data were significantly different (P < 0.05).


原文链接

https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129139

(五)酶水解后转谷氨酰胺酶诱导的交联对降低抗原性和保留乳清分离蛋白部分界面特性的影响

文章信息:Impact of enzymatic hydrolysis followed by transglutaminase-induced cross-linking on decreasing antigenicity and reserving partial interfacial properties of whey protein isolate

第一作者:于鑫欣

通讯作者:张英华

期刊信息:Food & Function(中科院一区,IF=5.1)


降低乳清蛋白过敏性已成为研究热点,已有研究表明酶水解对降低乳蛋白抗原性十分有效,过度酶解导致食品感官品质下降,且高度水解使蛋白乳化性显著降低。本研究将乳清分离蛋白(WPI)经碱性蛋白酶和胰蛋白酶水解后,再利用转谷氨酰胺酶(TGase)交联,以探究该处理对产物的表面疏水性、乳化性和起泡性,以及对α-乳白蛋白和β-乳球蛋白的体外抗原性的影响。该研究为降低乳清蛋白致敏性提供了新思路,并促进了乳清蛋白在食品工业的应用。


图1. 用 ANS 方法测量的完整 WPI 和改性产品的表面疏水指数。

图 2 原始分离乳清蛋白、不同 DHs 的水解物和交联水解物的乳化特性

图 3 原始分离乳清蛋白、不同 DHs 的水解物和交联水解物的发泡特性

表 1 间接酶联免疫吸附测定法评估的原乳清蛋白产品和改良乳清蛋白产品的体外抗原性

表2 间接酶联免疫吸附测定法评估胰蛋白酶和 TGase 对原始和改良乳清蛋白产品的体外抗原性

在水解与聚合偶联的改性中,TGase交联比Alcalase或胰蛋白酶水解产物的抗原性进一步降低;随着水解度的增加,样品的疏水性、乳化性和起泡性均下降,但通过TGase对水解产物进行交联可以部分改善表面疏水性指数、乳化和起泡性质;这种酶促水解随后通过TGase诱导的交联反应可能改变构象和线性表位,从而使修饰的蛋白质具有更低的抗体结合能力。同样的策略也可以应用于其他食物蛋白过敏原,这对于开发低过敏性食品具有重要意义。

原文链接

http://156.231.87.16:8024/10.1039/c8fo01880d
(六)以辣根过氧化物酶为基础的两种修饰方法产生了两种具有有序二级结构和更强体外抗原性的乳蛋白产品

文章信息:Two horseradish peroxidase-based modifications result in two milk protein products with ordered secondary structure and enhanced in vitro antigenicity

第一作者:张英华

期刊信息:CyTA - Journal of Food(IF=2.0)


本研究分别采用HRP-葡萄糖氧化酶-葡萄糖和HRP-H2O2两种酶法对两种乳蛋白产品WPI和脱脂奶粉(SKMP)进行改性。对修饰产物的二级结构特征和体外α-乳白蛋白和β-乳球蛋白抗原性进行了评估,以揭示这两种基于HRP的修饰对乳蛋白抗原性的潜在影响。

图 1. 葡萄糖、葡萄糖氧化酶、辣根过氧化物酶添加水平(A-C)和反应时间(D)对分离乳清蛋白(WPI)和脱脂奶粉(SKMP)交联的影响。

图 2. 分离乳清蛋白(WPI)、脱脂奶粉(SKMP)及其改性产品的电泳图谱。(a) 中的 1-3 条泳道分别代表 HRP-葡萄糖氧化酶-葡萄糖修饰的 WPI(MWPI-1)、HRP-H2O2 修饰的 WPI(MWPI-2)和 WPI;(b) 中的 1-3 条泳道分别代表 HRP-葡萄糖氧化酶-葡萄糖修饰的 SKMP(MSKMP-1)、HRP-H2O2 修饰的 SKMP(MSKMP-2)和 SKMP。泳道 M 和 H 分别代表分子量为 14.4-97.4 kDa 的蛋白质标记物和辣根过氧化物酶。

图3. 乳清蛋白分离物(WPI)、脱脂奶粉(SKMP)及其改性产品的CD光谱。MWPI-1和MSKMP-1分别代表HRP-葡萄糖氧化酶-葡萄糖修饰的WPI和SKMP,而MWPI-2和MSKMP-2分别代表HRP-H2 O2修饰的WPI和SKMP。


表1.乳清蛋白分离物(WPI)、脱脂奶粉(SKMP)及其改性产品的体外抗原性


在固定和研究的反应条件下,分别使用HRP-葡萄糖氧化酶-葡萄糖和HRP-H2O2 的两种基于HRP的修饰可以通过形成二酪氨酸诱导WPI和SKMP的交联。这两种修饰使修饰产物的二级结构更加有序,特别是增强了α-乳清蛋白和β-乳球蛋白的抗原性。HRP-葡萄糖氧化酶-葡萄糖系统比HRP-H2O2 系统更能增强WPI和SKMP的体外抗原性。


原文链接
http://dx.doi.org/10.1080/19476337.2016.1179346

(七)葡萄糖胺/寡糖糖化和转谷氨酰胺酶交联对乳清蛋白结构和体外抗原性的影响

文章信息:Impacts of glucosamine/oligochitosan glycation and cross-linking by transglutaminase on the structure and in vitro antigenicity of whey proteins

第一作者:张英华

期刊信息:International Journal of Dairy Technology(中科院二区)


本研究在葡糖胺和低聚壳聚糖存在的情况下,将 TGase 诱导的糖化和交联应用于乳清蛋白浓缩物,生成了两种糖化和交联的乳清蛋白产品,并对经过处理的乳清蛋白产品在体外抗原反应和二级结构方面的变化进行了评估,以确定糖化和交联是否有可能通过改变二级结构来降低乳清蛋白的体外抗原性。

图1 pH(a)、TGase(b)和反应时间(c)对乳清蛋白葡糖胺缀合的影响。柱上方的不同字母表示平均值的单因素方差分析显著不同(P < 0.05)。

图2 蛋白质(a)和碳水化合物(B)组分染色的蛋白质样品的电泳图谱。泳道M,标准蛋白质标记物;泳道1,辣根过氧化物酶;泳道2,乳清蛋白浓缩物(WPC);泳道3,交联WPC;泳道4,葡糖胺糖化和交联乳清蛋白产品;泳道5,低聚壳聚糖糖化和交联乳清蛋白产品。

图3三种交联乳清蛋白产品的圆二色谱图。


表1间接酶联免疫吸附试验(ELISA)评价4种乳清蛋白产品的体外抗原性

图4 四种乳清蛋白产品分别对α-乳白蛋白(a)和β-乳球蛋白(B)的抗原活性进行火箭免疫电泳分析。泳道1,乳清蛋白浓缩物(WPC);泳道2,交联的WPC;泳道3,葡糖胺糖化和交联的乳清蛋白产品;泳道4,低聚壳聚糖糖化和交联的乳清蛋白产品。


在葡糖胺和低聚壳聚糖存在的情况下,商用 WPC 中的乳清蛋白可在 TG 酶的催化下发生糖化和交联。与交联的乳清蛋白相比,两种糖化和交联的产物具有更开放的二级结构,并且根据 α-乳白蛋白和β-乳球蛋白的残留活性判断,体外抗原性有所降低。

原文链接
https://doi.org/10.1111/1471-0307.12246



作者简介

张英华,教授,张英华东北农业大学 食品学院 博士 教授 博士研究生导师;乳品科学教育部重点实验室 副主任;International Dairy Federation (IDF)成员。

一直从事乳成分功能与营养相关的科研工作,在上述领域奠定了扎实的理论基础并进行了深入的研究。具有较强的业务工作能力和良好的团队合作精神,主要研究内容为乳品信息学,乳成份检验与分析,乳蛋白功能性质的调控,乳酸菌功能特性的开发和利用。主持国家级课题5项,发表学术论文60多篇,主编出版著作5部,授权国家发明专利6件。


图片及文章来源:详见原文链接

撰稿:邱颖超

编辑:刘璐

责编:杜鹏 刘璐

来源:东农乳品 乳此科学




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