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    豆粕抗?fàn)I養(yǎng)因子及其生物改性的研究

    2010-06-29 10:26:36內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院高美云
    中國飼料 2010年3期
    關(guān)鍵詞:異黃酮豆粕抗原

    內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院 高美云 張 通

    農(nóng)業(yè)部飼料生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

    中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所基因室 劉 賓 滕 達(dá) 田子罡 王建華*

    與棉籽粕、菜籽粕、花生粕相比,豆粕不僅蛋白質(zhì)含量高(約44%),還具有氨基酸平衡(賴氨酸含量高達(dá)2%以上)、適口性好、消化率高(85%)等特點(diǎn);與魚粉、肉骨粉、血漿蛋白粉等動物源性蛋白質(zhì)相比,豆粕具有供應(yīng)充足、不易被病原菌污染或氧化腐敗,安全系數(shù)高等特點(diǎn)。但是,豆粕中存在許多抗?fàn)I養(yǎng)因子(如胰蛋白酶抑制劑、脲酶、抗原蛋白、皂甙等),這些抗?fàn)I養(yǎng)因子對幼齡動物腸道結(jié)構(gòu)具有較大的破壞作用,會引起腹瀉等疾病。因此,利用物理、化學(xué)、生物學(xué)方法去除豆粕中的抗?fàn)I養(yǎng)因子,有利于提高其營養(yǎng)價值。

    1 豆粕抗?fàn)I養(yǎng)因子

    1.1 抗原蛋白 截至2009年5月19日國際免疫學(xué)聯(lián)合會(IUIS)認(rèn)定的大豆過敏原共34種,其中32種來自栽培大豆,2種來自野生型大豆(http://www.allergenoline.org/)。這些抗原蛋白的分子量范圍為7.0~71 ku。在動物營養(yǎng)研究中,根據(jù)含量和致敏度,認(rèn)為7S球蛋白組分中的Gly m Bd 60K、Gly m Bd 30K、Gly m Bd 28K、11S 球蛋白是豆粕中主要致敏蛋白,這4種蛋白質(zhì)都是大豆種子儲藏蛋白(Ogawa等,2000)。

    1.1.1 抗原蛋白特征 Gly m Bd 60K是β-伴球蛋白(β-conglycinin)的 α-亞基,能被 25%過敏患者血清識別(方旭前等,2006)。β-伴球蛋白占大豆蛋白質(zhì)的30%,是高豐度蛋白質(zhì),也是最重要的豆粕致敏原。β-伴球蛋白的α亞基與α′亞基、α亞基與β亞基、α′亞基與β亞基間不變氨基酸殘基的比例分別為90.4%、76.2%和75.5%,但識別60K的IgE抗體同β-伴球蛋白中的另兩個亞基 α′和 β 并無交叉反應(yīng)(Ogawa等,2000)。

    Gly m Bd 30K蛋白幾乎存在于所有大豆品種,尚未發(fā)現(xiàn)自然缺失該蛋白的品種(Yaklich等,1999)。Gly m Bd 30K在大豆中是一種低含量蛋白質(zhì)組分,其含量小于大豆蛋白質(zhì)總含量的1%(Eliot等,2003),但能引起65%大豆過敏患者發(fā)生過敏反應(yīng)(Helm 等,2000;1998),是大豆中致敏性最強(qiáng)的儲藏蛋白。Gly m Bd 30K與大豆種子34K種子空泡蛋白P34相同,故名P34,其功能尚不清楚,也未見關(guān)于Gly m Bd 30K的酶活性相關(guān)報(bào)道。30K至少有14個抗原表位。

    Gly m Bd 28K是豆粕中存在的另一重要過敏原,含量低于30K蛋白,為低豐度蛋白。通過用大豆致敏患者血清作的免疫檢測發(fā)現(xiàn),Gly m Bd 28K與其C端23KD片段都具免疫原性(Ping等,2004)。Gly m Bd 28K是否被加工成兩條單獨(dú)肽鏈,以及這兩條肽鏈?zhǔn)欠裣翊蠖骨虻鞍滓粯咏?jīng)疏水作用而結(jié)合仍不清楚(Mills等,2002)。根據(jù)都可與IgE抗體結(jié)合的特點(diǎn),推測這兩種肽鏈在體內(nèi)會是結(jié)合的。

    1.1.2 抗原蛋白的作用機(jī)制 幼齡動物腸道發(fā)育不成熟,采食含大豆日糧后,大部分抗原蛋白被降解為肽和氨基酸,小部分抗原蛋白會穿過小腸上皮細(xì)胞間隙或上皮細(xì)胞內(nèi)的空隙完整地進(jìn)入血液和淋巴,刺激腸道免疫組織,產(chǎn)生包括特異性抗原抗體反應(yīng)和T淋巴細(xì)胞介導(dǎo)的遲發(fā)性過敏反應(yīng),前者刺激肥大細(xì)胞釋放組胺,引起上皮細(xì)胞通透性增加和黏膜水腫,后者主要引起腸道形態(tài)變化。過敏反應(yīng)將使幼齡動物血清中大豆抗原特異性抗體滴度升高,小腸絨毛萎縮,隱窩細(xì)胞增生(Li等,1990),同時導(dǎo)致消化吸收障礙、生長受阻以及過敏性腹瀉。

    1.2 胰蛋白酶抑制劑 大豆中胰蛋白酶抑制劑(TI)含量約為2%,是大豆主要抗?fàn)I養(yǎng)因子之一,按其結(jié)構(gòu)可分為2種,即Kunitz胰蛋白酶抑制劑(簡稱KTI)和Bouman-Birk胰蛋白酶抑制劑(簡稱BBI)。KTI含量約1.4%,主要抑制動物體內(nèi)分泌的胰蛋白酶活性;BBI含量約0.6%,可同時抑制胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶活性。當(dāng)動物采食含胰蛋白酶抑制劑的大豆飼料后,腸道中蛋白酶作用被抑制,阻礙動物對飼料蛋白質(zhì)的消化吸收,還造成胰腺本身的補(bǔ)償性反應(yīng),分泌過多胰腺酶,導(dǎo)致必需氨基酸的內(nèi)源性損失;另外,還可引起腸胃中毒、胰腺腫大,消化吸收功能失調(diào),抑制生長,尤其對幼齡動物影響大(Perez-Maldonado,2003)。

    1.3 大豆凝血素 大豆凝血素是一種高親和性的糖蛋白,在大豆中含量約3%,其在動物腸道中不易被蛋白酶水解,它通過與小腸壁上皮細(xì)胞表面特異性受體相結(jié)合,損壞小腸壁刷狀緣黏膜結(jié)構(gòu),干擾消化酶分泌,抑制腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收,降低蛋白質(zhì)利用率,使動物生長受阻甚至停滯(Liener,2000)。 另外,凝血素還對腸壁、腸道細(xì)菌及免疫機(jī)能產(chǎn)生一定影響,引起腸腔糜爛,微絨毛變短萎縮,腸細(xì)胞退化,病變周圍組織水腫和杯狀細(xì)胞肥大增生等。Palacios等(2004)用除去凝集素和胰蛋白酶抑制因子的熟大豆飼喂雛雞和幼豬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩種抗?fàn)I養(yǎng)因子對幼豬的影響大于雛雞,因此大豆凝集素對動物生產(chǎn)性能的影響隨動物年齡、物種等因素而異。

    1.4 低聚糖 大豆中低聚糖含量為5%~6%,主要包括棉籽糖、水蘇糖等,它具有營養(yǎng)和抗?fàn)I養(yǎng)雙重作用,一方面低聚糖又稱為胃腸脹氣因子,由于人或動物缺乏α-半乳糖苷酶不能水解棉籽糖與水蘇糖,攝入的α-半乳糖苷不能被消化吸收,當(dāng)它們進(jìn)入大腸后,經(jīng)細(xì)菌發(fā)酵,會產(chǎn)生CO2、H2及少量CH4,引起消化不良、腹脹、腸鳴、腹瀉等現(xiàn)象,同時也降低了含α-半乳糖苷飼料的消化能值。另一方面它又是益生素,能被雙歧桿菌等有益微生物特異性利用,促進(jìn)有益菌增殖,有益菌的增殖產(chǎn)生代謝產(chǎn)物乳酸和短鏈脂肪酸,降低腸道pH值,從而抑制了病原菌生長,增強(qiáng)了動物的抗病性能(張樹清等,2007;徐超斗等,2005)。

    1.5 植酸 大豆中80%的磷以植酸態(tài)存在。植酸能和飼料中的礦物質(zhì)元素,如鐵、鋅、錳等結(jié)合形成穩(wěn)定的化合物,降低這些成分的消化利用率。植酸能與蛋白質(zhì)結(jié)合,降低其溶解性,影響蛋白質(zhì)的營養(yǎng)功能。植酸還可與淀粉酶、胰酶和胃蛋白酶結(jié)合,抑制其活性并可造成磷污染。Veum等(2002)總結(jié)了用低植酸豆粕和大麥的混合物飼喂豬,結(jié)果表明,磷和鈣的吸收率分別可達(dá)到52.56%和78.59%。

    1.6 其他 由于大豆蛋白酶抑制因子、凝集素、寡糖、植酸和抗原蛋白等對動物生長性能和生理健康影響較大,因此一直以來對上述幾種大豆抗?fàn)I養(yǎng)因子的研究較多。其他一些抗?fàn)I養(yǎng)因子,如脂肪氧化酶、致甲狀腺腫素、皂甙和脲酶等也有報(bào)道,但對其研究的深度還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

    2 消除豆粕中抗?fàn)I養(yǎng)因子的方法

    2.1 微生物發(fā)酵法 微生物發(fā)酵法是利用微生物產(chǎn)生的酶來降解豆粕中的抗?fàn)I養(yǎng)因子,并累積有益的代謝產(chǎn)物。從工藝看,發(fā)酵可以從固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵,單菌種發(fā)酵和混合菌種發(fā)酵,以及一步發(fā)酵和多步發(fā)酵三方面分類。發(fā)酵工藝通常要考慮的因素有接種量、氮源、碳源、料水比、發(fā)酵時間、通氣量等。如果選擇合適的菌株,配合適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵條件,可達(dá)到降解抗?fàn)I養(yǎng)因子和大分子蛋白的目的。表1列出了不同菌株和發(fā)酵工藝對豆粕抗?fàn)I養(yǎng)因子的影響。

    表1 發(fā)酵對豆粕抗?fàn)I養(yǎng)因子的影響

    從營養(yǎng)和安全角度來看,發(fā)酵能夠提高大豆食品的抗氧化功能。Rebeca等(2007)分別采用米曲霉、稻根霉菌和枯草芽孢桿菌發(fā)酵大豆48 h,維生素E的含量分別增加31%、30%和89%;總酚(TPC)含量分別增加19%、15%和31.9%。豆粕中異黃酮主要以異黃酮糖苷形式存在,即葡萄糖通過β-葡萄糖苷鍵與異黃酮苷元結(jié)合形成異黃酮苷,而只有游離的異黃酮苷元才具有生物學(xué)功能。大豆異黃酮苷元還具有弱雌激素活性、抗氧化活性、抗溶血活性等性質(zhì)。發(fā)酵豆粕異黃酮含量和抗菌性增強(qiáng),發(fā)酵豆粕中提取、精制的異黃酮對細(xì)菌最低抑制濃度(MIC)為0.24%,而豆粕中提取精制的異黃酮對細(xì)菌最低抑制濃度為0.48%(楊國峰和周建新,2005)。Kuo等(2006)采用枯草芽孢桿菌發(fā)酵水解大豆異黃酮糖苷12 h,β-葡萄糖苷酶達(dá)到最大值3.3 U/mL,同時大豆苷元從 28.5 μmol/L 上升到 97.4 μmol/L, 染料木苷元從 54.0 μmol/L 上升到 120.3 μmol/L(表 2)。

    混合菌種發(fā)酵處理生豆粕也有報(bào)道,莫重文和黃岡(2007)用米曲霉(A3.042)和啤酒酵母混合菌株固態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)發(fā)酵豆粕,利用霉菌生長時分泌的酶系降解豆粕中的多糖和蛋白質(zhì),使其變成利于消化的低分子糖類、肽類及氨基酸,再通過酵母菌的生長繁殖使這些物質(zhì)變成菌體蛋白,不僅改善適口性,提高消化吸收率,還可提高發(fā)酵豆粕蛋白質(zhì)含量。Lee等(2007)采用乳酸桿菌、枯草芽孢桿菌和米曲霉進(jìn)行分步發(fā)酵54 h,中性蛋白酶活可達(dá)到636 U/g,分別是米曲霉和枯草芽孢桿菌單菌發(fā)酵的1.7倍和2.2倍;氨基酸總含量分別是米曲霉和枯草芽孢桿菌單菌發(fā)酵的3.0倍和18.6倍。

    表2 發(fā)酵對豆粕營養(yǎng)成分的影響

    2.2 酶制劑處理法 酶解法是通過特定的酶來水解抗?fàn)I養(yǎng)因子的一種新方法。Caine等(1998)用0.2 mg蛋白酶處理豆粕16 h即可將胰蛋白酶抑制因子的含量從10 mg/g降為0 mg/g;Mulimani等(1997)在豆粕中添加α-糖苷酶在50℃培育4 h,可使豆粕中的棉籽糖和水蘇糖分別下降90.4%和91.9%。賈振寶(2002)采用Alcalase水解豆粕,當(dāng)水解度達(dá)到25%時,β-伴球蛋白被徹底分解。酶解法具有產(chǎn)品安全性高、生產(chǎn)條件溫和、水解易控制、可定位生產(chǎn)特定的大豆肽等優(yōu)點(diǎn),但其缺點(diǎn)是大豆蛋白質(zhì)利用率不高(Kocher等,2002),僅限于少數(shù)幾種微生物蛋白酶、動物蛋白酶和植物蛋白酶,酶解產(chǎn)肽率較低,且成本高。

    2.3 化學(xué)處理法 化學(xué)鈍化方法是近年來針對胰蛋白酶抑制劑廣泛嘗試的方法,其原理為通過改變TI分子結(jié)構(gòu),破壞二硫鍵,達(dá)到鈍化TI活性的目的。張建云等(1999)用5%尿素+20%水處理生豆餅30 d,使胰蛋白酶抑制因子的失活率達(dá)78.55%。另外,通過化學(xué)處理在抗原蛋白Gly m Bd 30K上共軛一個多糖可以降低抗原免疫原性,共軛了一個多糖后的Gly m Bd 30K對人過敏血清及Gly m Bd 30K單克隆抗體的反應(yīng)性完全消失(Arita等,2001)。該處理最可能的原理就是通過共軛反應(yīng)掩蓋了原有的一些抗原表位,并且共軛多糖后形成的高分子蛋白質(zhì)性物質(zhì)可在一定程度上提高蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性、乳化性和抗菌性。這對于制藥、食品及飼料加工等均有重要的潛在價值?;瘜W(xué)鈍化應(yīng)用的最大阻礙是化學(xué)物質(zhì)殘留,處理費(fèi)用高和大量處理困難 (周春暉和黃惠華,2001)。

    2.4 熱處理法 熱處理法對那些熱不穩(wěn)定抗?fàn)I養(yǎng)因子,如蛋白酶抑制劑、大豆凝血素、致甲狀腺腫素等有較好的抑制效果。Fasina等 (2003)在90~110℃膨化處理大豆20 min,脲酶失活73.9%~99.5%;胰蛋白酶抑制因子含量降為4.86~1.32 mg/g,失活89.6% ~97.2%;凝集素降為0.06~0.00 mg/g,失活95.6% ~100%。但大豆主要抗原蛋白具較高熱穩(wěn)定性,傳統(tǒng)的加熱處理不能使其有效滅活,因而廣泛存在于大豆制品中(Li等,1991)。熱處理過度還會破壞飼料氨基酸和維生素,導(dǎo)致蛋白質(zhì)消化率下降,降低營養(yǎng)價值。另外,熱處理在破壞大豆抗原蛋白天然分子表面抗原表位的同時,也會暴露出新的抗原表位。熱處理法效率高、簡單易行,無殘留問題,成本也較低,但僅適用于對熱不穩(wěn)定的抗?fàn)I養(yǎng)因子,且耗能大,控制不當(dāng)還會破壞豆粕必需營養(yǎng)成分。

    2.5 育種法 通過植物育種途徑可培育低或無抗?fàn)I養(yǎng)因子的植物品種,從根本上去除抗?fàn)I養(yǎng)因子。韓粉霞等(2005)采用雜交技術(shù)和生化分子標(biāo)記法篩選出無脂肪氧化酶和胰蛋白酶抑制劑這兩種抗?fàn)I養(yǎng)因子基因的功能性大豆。但抗?fàn)I養(yǎng)因子多是植物防御類物質(zhì)(Clarke和Wiseman,2000),降低其含量可能對植物抗病等不利,如增產(chǎn)、抗病能力降低,而且育種周期較長、成功率低,成本也高。并且,在不影響大豆種子結(jié)構(gòu)和生理發(fā)育的情況下,完全去除所有抗原是不可能的。該方法是否會帶來一些營養(yǎng)和功能上的負(fù)面影響,或者是否會表達(dá)出新的抗原成分也需進(jìn)一步考證。

    綜上所述,微生物發(fā)酵法可有效分解和破壞豆粕中的抗?fàn)I養(yǎng)因子,提高豆粕的營養(yǎng)價值。與目前普遍采用的物理、化學(xué)脫敏方法相比,微生物發(fā)酵技術(shù)是一種更為有效、經(jīng)濟(jì)的改善豆粕營養(yǎng)價值的手段,更符合健康養(yǎng)殖的要求。

    3 小結(jié)

    植物蛋白質(zhì)原料中普遍存在植物過敏源和抗?fàn)I養(yǎng)因子,使植物蛋白質(zhì)的消化率和生物學(xué)效價遠(yuǎn)不及魚粉等動物源性蛋白質(zhì);同時動物試驗(yàn)已證實(shí)植物過敏物質(zhì)是造成幼齡動物(如斷乳仔豬)腹瀉、生長遲緩等營養(yǎng)性疾病的主要原因。近年來,隨著市場需求增大和相關(guān)資源逐步枯竭,優(yōu)質(zhì)動物源性蛋白質(zhì)不斷漲價,已嚴(yán)重影響我國養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。因此去除植物蛋白質(zhì)中抗?fàn)I養(yǎng)因子,改善植物蛋白質(zhì)品質(zhì),將其用于替代動物源性蛋白具有現(xiàn)實(shí)意義。

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