黃萌，王緯，楊輝，車程川

(1.山東水利職業(yè)學(xué)院，山東 日照 276826;2.曲阜師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 曲阜 273165)

醬油是一種集美味與香氣于一體的特色調(diào)味品，醬油的芳香風(fēng)味物質(zhì)主要來自于小分子量的氨基酸類物質(zhì)。醬油的生產(chǎn)過程是微生物在多種酶的作用下，進行原材料大分子有機物的分解和重組，同時在環(huán)境條件下，發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，形成醬油物質(zhì)[1,2]。在醬油的形成過程中，原材料中的蛋白質(zhì)發(fā)生水解，形成多種氨基酸，并衍生為多種蛋白類物質(zhì)，醬油中的蛋白質(zhì)物質(zhì)以衍生蛋白的形式存在。對醬油的生產(chǎn)過程進行有效控制，需對該類蛋白衍生物結(jié)構(gòu)進行預(yù)測。

所謂三角化模型是指通過識別蛋白質(zhì)衍生物的化學(xué)鏈，折疊形成復(fù)雜蛋白質(zhì)構(gòu)型的過程，不同的化學(xué)鏈長，標識為不同的蛋白質(zhì)衍生物。通過分析不同的蛋白質(zhì)衍生物化學(xué)鏈，確定該類物質(zhì)存在鏈長范圍，形成鏈長閾值區(qū)間，進而進行閾值區(qū)間識別，預(yù)測不同蛋白質(zhì)衍生物的種類及結(jié)構(gòu)[3]。

1 醬油蛋白類物質(zhì)分析

每100 mL醬油中蛋白質(zhì)含量約為10 g，該類蛋白質(zhì)一部分來自于原材料中未發(fā)生水解的蛋白質(zhì)，另一部分來自于蛋白質(zhì)降解以后的蛋白類衍生物。

在整個醬油生產(chǎn)過程中，醬油中的總蛋白含量不斷發(fā)生變化，其中清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白以及谷蛋白為醬油中的4種主要蛋白類物質(zhì)，相互不斷地發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化。在生產(chǎn)初期，清蛋白和球蛋白發(fā)生降解，降解物之間發(fā)生轉(zhuǎn)化，生成難以溶解的谷蛋白。隨著生產(chǎn)過程的不斷進行，谷蛋白發(fā)生降解，在一系列蛋白酶的條件作用下，微生物不斷代謝，谷蛋白生成球蛋白和部分清蛋白，進而沉淀到醬油生產(chǎn)罐底部，形成醬油當(dāng)中的蛋白類物質(zhì)[4,5]。在醬油生產(chǎn)原料中，球蛋白與醇溶蛋白的物質(zhì)含量最低，清蛋白和谷蛋白的降解產(chǎn)物形成醬油中的多種氨基酸。谷蛋白的結(jié)構(gòu)成分復(fù)雜，在生產(chǎn)過程中，谷蛋白不能發(fā)生徹底的降解，未降解的蛋白質(zhì)溶解于醬油中。

2 醬油蛋白質(zhì)三角化模型

2.1 蛋白質(zhì)折疊模型

蛋白質(zhì)折疊模型是根據(jù)蛋白質(zhì)水解以后所得到的簡化鏈狀結(jié)構(gòu)進行分析的氨基酸結(jié)構(gòu)，簡化的鏈狀結(jié)構(gòu)可理解為一系列直徑大小的球狀物質(zhì)。用白色和黑色兩種球體表示蛋白質(zhì)鏈狀結(jié)構(gòu)中的氨基酸小球，小球之間通過化學(xué)鍵連接，形成蛋白質(zhì)物質(zhì)。

蛋白質(zhì)折疊模型是一種簡單的自然構(gòu)型模型，蛋白質(zhì)中的多種氨基酸被簡化為黑、白兩種氨基酸小球，小球之間相互連接，表示蛋白質(zhì)能量[6]。與蛋白質(zhì)實際結(jié)構(gòu)相比，這種簡化的折疊模型求解計算量巨大，隨著蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的不斷增加，氨基酸連接鍵之間的求解指數(shù)不斷增加。醬油蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)模型示意圖見圖1。

圖1 醬油蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of protein folding structure model of soy sauce

折疊模型中，若干個簡化球體或若干個化學(xué)鍵之間可近似形成三角形，該類模型成為蛋白質(zhì)折疊三角化模型。

2.2 蛋白質(zhì)鏈能量模型

蛋白質(zhì)鏈能量模型也稱為AB型模型，是通過利用兩種簡化后的氨基酸球體來描述蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)[7]，其中A表示疏水性氨基酸，B表示親水性氨基酸。AB氨基酸球體之間的距離固定，表示每個氨基酸小球的能量相等，若干個AB型模型連接組成氨基酸能量鏈：

利用能量函數(shù)模型計算得出的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模型與蛋白質(zhì)的折疊模型更接近，與蛋白質(zhì)折疊模型相比，求解計算量相當(dāng)。

3 閾值算法

閾值算法是一種能夠進行最優(yōu)化求解的算法，同時在計算過程中篩選最差的解。閾值算法通過既定的閾值不斷縮小搜索范圍，當(dāng)函數(shù)目標值進入閾值范圍時，即被接收；當(dāng)目標函數(shù)值或變形以后的目標函數(shù)值超過閾值時，計算結(jié)果即被拒絕[8]。

在閾值迭代計算過程中，閾值不斷變化，形成一系列閾值序列，隨著閾值迭代計算的不斷進行，閾值收斂準則越來越嚴。

在進行醬油蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測時，用到的閾值偽代碼為：

● 1.Generate an initial solution S=S0;

● 2.Select the threshold change counter k=0;

● 3.Select a threshold descend schedule tk;

● 4.Select an initial threshold T=T0;

● 5.Select a repetition threshold Mk;

● 6.Repeat;

● 7.Set repe tition counter m=0;

● 8.Repeat;

● 9.Generate a candidate solution St;

● 10.Calculate the difference of cost d=f(St)-f(S);

● 11.If d<=tk;

● 12.then S=St;

● 13.Until m=Mk;

● 14.Until stopping criterion is met.

4 優(yōu)化三角化模型

為降低三角化模型的計算數(shù)據(jù)量，對蛋白質(zhì)三角化模型進行優(yōu)化，同時采用閾值迭代的算法對模型進行求解。

在三角化模型中，對氨基酸序列中的疏水性氨基酸用H表示，親水性氨基酸用P表示，將氨基酸小球放置在三角形網(wǎng)格頂點，則可構(gòu)成蛋白質(zhì)三角化模型。蛋白質(zhì)優(yōu)化后的三角化模型見圖2。

圖2 醬油蛋白質(zhì)三角化優(yōu)化模型Fig.2 Optimization model of soy sauce protein triangulation

從優(yōu)化后的蛋白質(zhì)序列模型可以看出，氨基酸折疊成緊密連接狀態(tài)，兩種不同顏色的小球之間代表固定鍵長的化學(xué)鍵，整個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)序列和能量可直觀顯示出來。

5 試驗對比

利用建立的閾值算法，對優(yōu)化后的蛋白質(zhì)三角化模型進行求解。求解過程中，每種蛋白質(zhì)按照兩種優(yōu)化后的三角化模型進行求解，得出醬油中的4種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)序列。4種蛋白質(zhì)預(yù)測結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 醬油蛋白質(zhì)預(yù)測結(jié)構(gòu)Fig.3 Protein prediction structure of soy sauce

采用Osborne法對醬油中的蛋白質(zhì)進行提取，主要提取對象為清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白以及谷蛋白，提取完成后，采用凱氏定氮法進行蛋白質(zhì)氨基酸序列檢測，在進行氨基酸序列檢測時，每種蛋白質(zhì)物質(zhì)進行3次氨基酸物質(zhì)檢測。醬油中蛋白類物質(zhì)含量見表1。蛋白質(zhì)氨基酸序列檢測結(jié)果見表2。

表1 醬油中主要蛋白類物質(zhì)含量Table 1 Content of main protein substances in soy sauce g/dL

表2 醬油蛋白質(zhì)氨基酸序列檢測結(jié)果Table 2 Detection results of amino acid sequence of soy sauce protein

經(jīng)對比，利用閾值算法和三角化模型結(jié)合所進行的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果，和利用凱氏定氮法檢測所得的蛋白質(zhì)氨基酸序列檢測結(jié)果相符。

6 結(jié)論

利用三角化模型進行蛋白質(zhì)氨基酸序列結(jié)構(gòu)預(yù)測，同時結(jié)合閾值算法進行預(yù)測結(jié)構(gòu)篩選，所得到的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果和實際檢測所得的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相符。因試驗檢測周期較長且資源耗費較大，因此對醬油蛋白質(zhì)物質(zhì)種類篩選及醬油成分預(yù)測時，可采用閾值算法與三角化模型相結(jié)合的方式進行篩選和預(yù)測。