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        巴西堅果過敏原Ber e 1的分離純化及表征鑒定

        2022-10-09 01:57:58徐驥遠羅水忠吳志華
        食品科學 2022年18期

        唐 宇,徐驥遠,張 英,羅水忠,吳志華

        (1.南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室,江西 南昌 330047;2.南昌大學食品學院,江西 南昌 330047;3.合肥工業(yè)大學食品與生物工程學院,安徽 合肥 230009;4.南昌大學中德聯(lián)合研究院,江西 南昌 330047)

        堅果是一類外殼堅硬,內(nèi)部包含可食用果仁的食物,也是8大類過敏食物之一。堅果富含油酸、亞油酸等不飽和脂肪酸、蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)和膳食纖維等多種營養(yǎng)成分,能有效降低患心血管疾病的風險,同時還能提高免疫力、促進生長發(fā)育和延緩衰老等。隨著經(jīng)濟和生活水平的提高,堅果類休閑食品日益受到歡迎,據(jù)統(tǒng)計,中國堅果行業(yè)市場銷售規(guī)模從2014年的556億 元迅速增長到2020年的1 800億 元,進口堅果包括開心果、碧根果和巴西堅果越來越受到消費者青睞。因此,人們接觸到堅果過敏原的機會也變得更多。

        巴西堅果()又名巴西栗,也稱鮑魚果,營養(yǎng)豐富,是玉蕊科巴西栗屬的植物,主要生長在亞馬遜地區(qū)如巴西、秘魯、哥倫比亞和委內(nèi)瑞拉等。巴西堅果過敏的癥狀包括喉嚨瘙癢、唇腫、呼吸困難、黃斑疹等。國際免疫學會聯(lián)合會已經(jīng)確認了其中的2 種過敏原蛋白,Ber e 1和Ber e 2。

        Ber e 1屬于2S白蛋白家族,占巴西堅果總蛋白含量的30%左右,富含甲硫氨酸(占18%)和半胱氨酸(占8%)。含硫氨基酸是人類和動物飲食中必不可少的,具有很高的營養(yǎng)價值。Ber e 1中-螺旋占比30%~47%,合成時分子質(zhì)量為18 kDa,翻譯加工后分子質(zhì)量降為12 kDa,由一個9 kDa的大亞基和3 kDa的小亞基通過二硫鍵連接組成,等電點為6.3,有較強的熱穩(wěn)定性和耐消化性。Pastorello等收集了11 名巴西堅果過敏患者血清,它們均能識別過敏原蛋白Ber e 1。Ber e 2是一種11S球蛋白,分子質(zhì)量為29 kDa。Beyer等收集了27 名巴西堅果過敏患者血清,其中有56%的患者血清能識別該蛋白。

        對Ber e 1的深入研究,首先需要將過敏原蛋白純化出來。有較多研究采用高效液相色譜法或兩步法分離過敏原蛋白Ber e 1。Dearman等先使用尺寸排阻法分離目的蛋白,后通過反相高效液相色譜法進一步純化Ber e 1,該方法得到的蛋白純度較高,但操作步驟繁瑣,對儀器要求也比較高。Moreno等利用凝膠過濾色譜和色譜聚焦梯度串聯(lián)法等純化獲得天然Ber e 1,但該方法操作較為復雜且耗時長。此外,這些方法僅能獲得較少量的目的蛋白。巴西堅果過敏原蛋白純化量少,限制了對巴西堅果過敏的研究。因此,探索建立簡單經(jīng)濟高效的Ber e 1純化方法,有望推動其研究的深入。

        花生過敏原蛋白Ara h 2和Ber e 1同屬于2S白蛋白家族,用陰離子交換層析法能夠分離純化獲得高純度的Ara h 2。陰離子交換層析法需要的設備簡單,操作較為方便,耗時較短,是一種經(jīng)濟高效的分離蛋白純化方法,用該方法分離純化Ber e 1,有望獲得較好的結果。

        本研究將巴西堅果粉碎脫脂提取粗蛋白后,采用陰離子層析法純化巴西堅果過敏原蛋白Ber e 1,通過十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(liquid chromatography-tandem mass spectrometry,LC-MS/MS)聯(lián)用和免疫印跡實驗(Western blot)對其進行鑒定,通過圓二色譜和紫外分光光度計表征其二、三級結構。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        巴西堅果仁 微拉美(寧夏)進出口有限公司;巴西堅果過敏患者血清 重慶曼紐艾克科技有限公司;明膠美國Sigma公司;生物素化羊抗人IgE二抗 美國Bio-Rad公司;HRP酶標親和素 深圳欣博盛生物科技有限公司;實驗用其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

        1.2 儀器與設備

        FDV型超細粉碎機 中國臺灣佑崎有限公司;5804 R高速冷凍離心機 德國Eppendorf公司;PHS-3C pH計 上海儀電科學儀器股份有限公司;蛋白質(zhì)分離純化系統(tǒng)(包括HL-1恒流泵、HD-1核酸蛋白檢測儀、HD-A電腦采集器、TH-500 A梯度混合器、SBS-100數(shù)控計滴自動部分收集器) 上海青浦滬西儀器廠;DEAE-Sepharose Fast Flow陰離子交換層析樹脂 美國通用電氣公司;Power PacBasic電泳儀、EPS 601蛋白轉印儀、GS-800型光密度掃描儀美國Bio-Rad公司;Easy-nLC 1200色譜系統(tǒng)、Q Exacitve HF-X質(zhì)譜儀、Varioskan Flash酶標儀 美國賽默飛世爾科技公司;MOS-450/AF-CD圓二色光譜儀法國Biologic公司;UV WinLab紫外分光光度計 美國Perkin Elmer公司。

        1.3 方法

        1.3.1 研磨脫脂

        用超細粉碎機加液氮磨碎巴西堅果仁,并與石油醚溶液按1∶10(g/mL)混合。磁力攪拌脫脂4 h后,用真空抽濾裝置進行固液分離,棄去液體,沉淀反復脫脂2 次。通風櫥自然風干后得巴西堅果脫脂粉。

        1.3.2 巴西堅果過敏原蛋白浸提

        參考Pastorello等的方法并略加修改。將巴西堅果脫脂粉與0.01 mol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7.4)按1∶10(g/mL)混合,設置3 個平行樣品。4 ℃磁力攪拌4 h后,6 000 r/min、4 ℃離心30 min,收集上清液。重復浸提沉淀2 次,-20 ℃冷藏備用。

        1.3.3 Ber e 1蛋白分離純化

        采用陰離子交換層析樹脂對過敏原蛋白Ber e 1進行分離純化,先使用0.01 mol/L pH 6.8的磷酸鹽緩沖液沖洗柱子至基線平,后加入巴西堅果蛋白,繼續(xù)洗脫出現(xiàn)穿過峰至基線平后,用洗脫液(含0~0.5 mol/L氯化鈉的平衡緩沖液)進行梯度洗脫,流速2 mL/min。使用紫外分光光度計在280 nm波長處檢測蛋白質(zhì),收集各洗脫峰組分。

        1.3.4 SDS-PAGE測定

        1.3.4.1 粗提蛋白純度測定

        采用SDS-PAGE對蛋白進行純度鑒定。將提取的蛋白稀釋至2 mg/mL,與5×非還原上樣緩沖液按體積比4∶1混合,100 ℃加熱5 min。使用4%濃縮膠和12%分離膠,在恒流6 mA、30 min和恒流12 mA、90 min條件下進行濃縮和分離。電泳結束后,經(jīng)考馬斯亮藍染色20 min,脫色12 h,對電泳凝膠進行圖像采集,并利用Quantity one-4.6.2軟件進行灰度掃描分析蛋白純度。

        1.3.4.2 純化蛋白測定將純化的蛋白

        進行SDS-PAGE分析、考馬斯亮藍染色,切下目的蛋白條帶,將膠條脫色后用胰蛋白酶進行膠內(nèi)酶解,收集酶解液后進行LC-MS/MS分析。

        1.3.5 LC-MS/MS鑒定

        色譜條件:EASY-Column毛細管色譜柱(75 μm×150 mm,3 μm);流動相:A為0.1%甲酸水溶液(/),B為0.1%甲酸、80%乙腈、20%水混合溶液(/);色譜柱以100%的A液平衡;梯度洗脫程序:0~2 min,97%~95% A、3%~5% B;2~42 min,95%~75% A、5%~25% B;42~52 min,75%~55% A、25%~45% B;52~55 min,55%~10% A、45%~90% B;55~70 min,10% A、90% B;柱溫50 ℃;進樣量0.5 μg;流速300 nL/min。

        質(zhì)譜條件:電噴霧電離;分析時長70 min;正離子模式;離子源溫度250 ℃;電壓2.1 kV;母離子掃描范圍:/300~1 800;二級質(zhì)譜采集:每次全掃描后觸發(fā)采集20 個最高強度母離子的二級質(zhì)譜圖譜。

        使用質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫檢索軟件MaxQuant 1.6.1.0進行數(shù)據(jù)庫搜索及鑒定。

        1.3.6 血清學鑒定

        采用Western blot,參考閔芳芳和陳鵬等的方法并部分修改。純化的Ber e 1蛋白經(jīng)SDS-PAGE分離后,通過轉膜儀在100 V、400 mA條件下電轉50 min,使其轉移至硝酸纖維素膜上。轉膜結束后用質(zhì)量分數(shù)為3%明膠的TBST室溫封阻1 h;加入1∶50(/)稀釋的巴西堅果過敏患者的血清,4 ℃過夜孵育;TBST洗膜后加入1∶5 000(/)稀釋的生物素化羊抗人二抗,室溫孵育1 h;TBST洗膜后加入1∶60(/)稀釋的HRP酶標親和素,室溫孵育1 h;洗膜后加ECL顯色液顯色成像。所有孵育過程均在滾軸上進行。

        1.3.7 二級結構的表征

        參考Wu Zhihua等的方法,在氮氣吹掃的條件下,用圓二光譜儀檢測純化的蛋白的二級結構。測定條件:掃描波長范圍190~240 nm;平均掃描速率60 nm/min;光譜寬帶1 nm。比色皿光徑1 mm;蛋白樣品質(zhì)量濃度0.1 mg/mL。通過圓二色譜在線分析軟件(http://dichroweb.cryst.bbk.ac.uk/html/process.shtml)對結果進行分析轉換,得到樣品的蛋白二級結構各成分單元的含量。

        1.3.8 三級結構的初步表征

        參照Zhang Ying等的方法,用紫外分光光度計檢測純化蛋白的三級結構。測定條件:掃描波長范圍250~360 nm;比色皿光徑1 cm;設置掃描速率100 nm/min;光譜寬帶2.0 nm;響應時間0.2 s;波長間隔1.0 nm。蛋白樣品質(zhì)量濃度為0.1 mg/mL,體積為1 mL。

        1.3.9 蛋白定量及得率計算

        參照李娟等的方法并進行部分修改,采用考馬斯亮藍法測定蛋白質(zhì)量濃度,以牛血清白蛋白作質(zhì)量濃度工作曲線,通過不同波長光吸收確定蛋白樣品質(zhì)量濃度。Ber e 1得率計算如下:

        式中:純化Ber e 1蛋白質(zhì)量由測得蛋白質(zhì)量濃度及對應體積所得;上樣總蛋白中Ber e 1質(zhì)量以Ber e 1約占其總蛋白含量的30%為依據(jù)計算所得。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        運用SPSS 25.0軟件對二級結構測定結果進行統(tǒng)計分析,采用Duncan法對數(shù)據(jù)進行多重比較,并進行單因素方差分析,使用Origin 2018軟件繪圖。

        2 結果與分析

        2.1 巴西堅果粗提蛋白SDS-PAGE分析

        圖1 巴西堅果粗提蛋白SDS-PAGE圖Fig. 1 SDS-PAGE profile of crude protein extracted from Brazil nuts

        結果表明3 個平行中,第1次提取的粗蛋白質(zhì)量濃度為(43.4±1.7)mg/mL,第2次提取的粗蛋白質(zhì)量濃度為(11.2±1.2)mg/mL,而第3次提取的粗蛋白質(zhì)量濃度僅為(1.9±0.1)mg/mL。說明巴西堅果脫脂粉經(jīng)兩次浸提后,剩余可溶蛋白已經(jīng)很少。由圖1可知,3 個平行間及每個平行的3 次提取間,獲得的蛋白沒有明顯的組分差別;但隨著提取次數(shù)的增多,粗提蛋白質(zhì)量濃度顯著下降,目的蛋白Ber e 1的含量也有所降低。由于第3次提取液中蛋白質(zhì)量濃度不到第1次提取液的5%,所以只取前兩次提取液混合進行Ber e 1的分離純化,灰度掃描顯示,混合液中目的蛋白Ber e 1含量約占總蛋白的30%,與文獻報道的巴西堅果中過敏原蛋白Ber e 1的含量一致。

        2.2 離子交換層析分離純化巴西堅果過敏原Ber e 1分析

        圖2 純化巴西堅果過敏原Ber e 1的陰離子交換層析曲線(a)及SDS-PAGE(b)圖Fig. 2 Anion-exchange chromatographic curve (a) and SDS-PAGE profile (b) of Brazil nut allergen Ber e 1

        如圖2所示,峰1(即穿過峰)中含大量高純度的過敏原蛋白Ber e 1,Ber e 1的等電點為pH 6.3,在所選平衡緩沖液的pH值下帶負電荷,可以被陰離子交換樹脂吸附,但可能由于目的蛋白Ber e 1和陰離子交換樹脂的結合能力較弱,可直接被不含NaCl的磷酸鹽緩沖液洗脫下來,也有部分蛋白結合在柱上,在梯度洗脫過程中被高鹽溶液洗脫下來。峰1處收集到的蛋白經(jīng)SDS-PAGE及灰度掃描,顯示Ber e 1純度大于95%。

        2.3 巴西堅果過敏原Ber e 1的LC-MS/MS鑒定分析

        由表1可知,共檢測到4 條Ber e 1的特征肽段,除信號肽外檢測出的肽段覆蓋率為36.5%,質(zhì)譜結果認定該蛋白為巴西堅果過敏原Ber e 1。

        表1 巴西堅果過敏原Ber e 1檢測肽段Table 1 Identification of peptides in Brazil nut allergen Ber e 1 by LC-MS/MS

        2.4 巴西堅果過敏原Ber e 1的血清識別分析

        圖3 巴西堅果蛋白粗提物及純化過敏原Ber e 1的Western blot分析Fig. 3 Western blot analysis of crude protein extracted from Brazil nuts and purified allergen Ber e 1

        如圖3所示,粗蛋白泳道和純化的目標蛋白泳道均有顯色,且Ber e 1對2 位過敏患者的血清都有較強的反應,進一步說明本實驗分離得到了巴西堅果過敏原,且蛋白Ber e 1免疫活性保持良好。此外,在粗蛋白泳道的29 kDa處(即Ber e 2)和30~100 kDa之間的蛋白條帶也有顯色,其中第1位堅果過敏患者的血清(圖3b)對30~100 kDa之間的多個蛋白條帶識別更強,顯色更深。這說明除已知兩種過敏原蛋白Ber e 1、Ber e 2外,巴西堅果中可能還存在其他種類的未知過敏原蛋白。

        2.5 巴西堅果過敏原Ber e 1二級結構的表征

        圓二色光譜在遠紫外區(qū)具有肽鍵吸收信號,并能反應蛋白質(zhì)特征二級結構的含量。從圖4可以看出,過敏原蛋白Ber e 1在193 nm波長處有最大吸收峰,在208 nm(-螺旋肽鍵的π-π*躍遷)和222 nm(-螺旋肽鍵的n-π*躍遷)波長處有2 個負的特征肩峰譜帶,表明Ber e 1中明顯存在-螺旋結構。通過圓二色譜在線軟件分析,結果顯示巴西堅果過敏原蛋白Ber e 1中-螺旋含量占30.6%,在文獻報道的-螺旋占比范圍內(nèi),-折疊含量占19.0%,-轉角含量占22.9%,無規(guī)卷曲含量占27.6%。

        圖4 巴西堅果過敏原蛋白Ber e 1的圓二色光譜(a)和二級結構單元組分圖(b)Fig. 4 CD spectrum (a) and secondary structure composition of Brazil nut allergen Ber e 1 (b)

        2.6 巴西堅果過敏原Ber e 1三級結構的初步表征

        蛋白質(zhì)在近紫外處的吸收主要與酪氨酸、色氨酸以及苯丙氨酸和二硫鍵有關。由圖5可知,在250~280 nm波長附近有較大吸收。由于芳香氨酸殘基的側鏈的譜峰常因微區(qū)特征的不同而改變,芳香族氨基酸殘基的側鏈之間及其與二硫鍵的譜峰均可能會產(chǎn)生重疊。已有研究表明Ber e 1的兩個亞基是通過4 個二硫鍵連接起來的,這可能對250~280 nm波長之間的吸收峰有影響,所以在275 nm及282 nm波長處沒有明顯的酪氨酸特征吸收峰,這在一定程度上說明了所純化的過敏原蛋白Ber e 1的二硫鍵未被破壞,其高級結構未展開。此外,因Ber e 1的蛋白序列中不含色氨酸,所以在290~310 nm之間沒有色氨酸的特征峰。當前鮮見表征過敏原蛋白Ber e 1三級結構的報道,因此本研究為過敏原蛋白Ber e 1的后續(xù)研究奠定了一定的基礎。

        圖5 巴西堅果過敏原蛋白Ber e 1的紫外光譜圖Fig. 5 UV spectrum of Brazil nut allergen Ber e 1

        2.7 巴西堅果過敏原Ber e 1的得率分析

        如表2所示,在一次典型的純化過程中,上樣體積為6 mL,總蛋白質(zhì)量濃度為26.0 mg/mL,獲得純化的Ber e 1約22.4 mg,計算可知,Ber e 1得率為47.8%,則1 g巴西堅果脫脂粉可以得到約74.6 mg目的蛋白Ber e 1。

        表2 陰離子交換層析法分離得到的巴西堅果過敏原Ber e 1的得率Table 2 Recovery of Ber e 1 during anion-exchange chromatographic purification

        3 結 論

        以巴西堅果仁為原料,通過粉碎、脫脂、浸提獲得粗蛋白,采用陰離子交換層析法分離純化Ber e 1蛋白,通過LC-MS/MS對純化的蛋白進行鑒定。一步分離純化即可得到純度95%以上的巴西堅果過敏原蛋白Ber e 1,純化過程中,蛋白得率為47.8%,一次純化量可超過20 mg。經(jīng)Western blot、圓二光譜儀及紫外分光光度計測定分析表明,純化的蛋白保持自身高級結構,能夠被巴西堅果過敏患者的血清準確識別。當前我國對巴西堅果過敏原的研究較少,本研究純化Ber e 1的技術路線簡單,對設備要求低,耗時短且制備量大,可以為巴西堅果過敏原Ber e 1相關研究和應用奠定一定基礎。

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