非熱加工技術(shù)消減食物過敏原研究進(jìn)展

郭穎希 - 王滿生 - 成軍虎,3 -,3 韓 忠,3 ,3

(1. 華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640;2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410205；3. 華南理工大學(xué)現(xiàn)代食品工程研究中心，廣東 廣州 510006)

食物過敏是食物誘發(fā)人類機(jī)體產(chǎn)生的一種異常免疫反應(yīng)，也是全球關(guān)注的重大公共衛(wèi)生問題[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)約2%～4%的成年人和5%～8%的兒童曾患食物過敏性疾病，且發(fā)病率一直呈上升趨勢(shì)[1]，中國(guó)2周歲以內(nèi)嬰幼兒曾發(fā)生或正發(fā)生過敏性疾病的比例高達(dá)40.9%[2]。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)公布作為食品工業(yè)中重要原材料的牛乳類、蛋類、谷物、豆類、花生、堅(jiān)果類、貝類和魚類8大類食物能引起約90%的食物過敏病例[3]，可見食物加工過程中的低過敏性處理十分重要。過敏原的致敏性主要取決于抗原表位即抗原決定簇的空間結(jié)構(gòu)[4]，而食品加工技術(shù)可使其發(fā)生一定程度的改變，因此可以在食物加工過程中消減過敏原并生產(chǎn)出低過敏性食品。根據(jù)原理可將常見的食品加工技術(shù)分為物理加工方法、化學(xué)修飾方法和生物處理方法，其中物理加工方法的成本較低且可廣泛應(yīng)用于食品加工行業(yè)，備受學(xué)者關(guān)注，分為熱加工和非熱加工技術(shù)，熱處理對(duì)某些過敏原的消減效果是明顯的，但有研究[5]發(fā)現(xiàn)，相同條件下的熱處理會(huì)對(duì)不同過敏原產(chǎn)生相反的影響，同時(shí)熱處理所使用的極端溫度會(huì)對(duì)正常蛋白質(zhì)產(chǎn)生損傷或引起非酶褐變，導(dǎo)致食品營(yíng)養(yǎng)的流失和風(fēng)味、理化性質(zhì)的改變[6]，隨著非熱加工技術(shù)的迅速發(fā)展，利用非熱技術(shù)消減過敏原成為了新的研究重點(diǎn)。本文綜述了幾種能消減食物過敏原的非熱加工技術(shù)，為低過敏性非熱物理處理技術(shù)的工程化發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 食物過敏原

引起食物過敏反應(yīng)的物質(zhì)被稱為食物過敏原，任何蛋白質(zhì)都可能是潛在的過敏原，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)含有過敏原的食物包括奶及其制品、雞蛋、小麥、大豆、堅(jiān)果、海產(chǎn)品等[4]。作為食物過敏反應(yīng)的主要誘因，食物過敏原大多具有耐受酸堿、熱、蛋白酶的特性[7]，其種類繁多、作用時(shí)間短而反應(yīng)劇烈，且個(gè)體差異性大，具體的過敏反應(yīng)過程及作用機(jī)制如圖1所示。

圖1 食物過敏原作用過程示意圖

2 非熱加工技術(shù)對(duì)食物過敏原的影響

2.1 低溫等離子體技術(shù)對(duì)食物中過敏原的影響

等離子體被認(rèn)為是一種氣體被部分或完全離子化形成的有別于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的第4種不穩(wěn)定狀態(tài)[8]。在超過氣體狀態(tài)一定水平能量的激發(fā)下，氣體分子將發(fā)生離子化從而產(chǎn)生等離子體，總體呈電中性，但其中部分組成成分是失去或獲得了若干個(gè)電子的原子(即離子)，還包括自由電子、自由基和非離子化的中性分子、游離態(tài)原子、激發(fā)態(tài)原子，因此，等離子體在物理上被稱為含有活性物質(zhì)的電離氣體混合物[9]。低溫等離子體技術(shù)(Cold Plasma，CP)是一種新型非熱加工技術(shù)(如圖2所示)，可以改變過敏原的抗原表位從而影響其致敏性。在氦和氧等離子體處理過程中產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)氧原子和一氧化氮能導(dǎo)致蛋白質(zhì)活性喪失[10]，產(chǎn)生的氧自由基能誘導(dǎo)酰胺鍵、蛋白質(zhì)側(cè)鏈的分解、聚集和交聯(lián)[11]，還可能影響β-折疊、β-螺旋等二級(jí)結(jié)構(gòu)[12]，過敏原表位會(huì)有一定程度的展開甚至增加新的羰基[13]。

早期的相關(guān)研究表明低溫等離子體具有降低小麥和蝦過敏原致敏性的潛力。Nooji[14]發(fā)現(xiàn)在30 kV電壓、60 Hz 頻率下DBD等離子體放電5 min的處理會(huì)使小麥的免疫反應(yīng)性降低37%，其機(jī)理在于等離子體中的自由基能夠掩蔽或者破壞構(gòu)象結(jié)合表位；Shriver等[15]使用相同方式處理蝦原肌球蛋白也發(fā)現(xiàn)其致敏性發(fā)生明顯下降，高達(dá)76%。然而，有關(guān)處理牛奶中α-酪蛋白和乳清蛋白等主要過敏原的研究結(jié)果中，致敏蛋白質(zhì)的強(qiáng)度未發(fā)生明顯變化[16]，原因可能在于所使用設(shè)備的功率較低且采用了間接等離子體，也可能是不同過敏原對(duì)等離子體的敏感性存在差異性，需要更多的研究進(jìn)行深入探討。

近年，相關(guān)學(xué)者使用直接和遠(yuǎn)程大氣壓低溫等離子體處理大豆中可溶性過敏原β-伴大豆球蛋白(Gly m5)和大豆球蛋白(Gly m6)，觀察到樣品的免疫反應(yīng)性降低了89%以上，推測(cè)其機(jī)理為低溫等離子體中的活性氧自由基(ROS)、解離氧和羥基自由基以及活性氮(RON)通過氧化敏感氨基酸破壞抗體結(jié)合位點(diǎn)，降低蛋白質(zhì)溶解度并形成不溶性蛋白質(zhì)聚集體[17]。Harshitha等[18]在80 kV 電壓下對(duì)干燥的脫脂花生粉和全花生進(jìn)行了持續(xù)時(shí)間分別為0，15，30，45，60 min的冷等離子體處理并分析其致敏性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著持續(xù)時(shí)間的增加致敏蛋白的強(qiáng)度逐漸降低，60 min的處理甚至能降低脫脂花生粉約57%和全花生約91.7%的致敏性，等離子活性物質(zhì)還能誘導(dǎo)花生過敏原Ara h 1二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，或許正是降低樣品致敏性的關(guān)鍵原因。

1. 電極 2. 等離子體 3. 食物樣品 4. 介電屏障 5. 線電極 6. 氣流 7. 微波發(fā)生器 8. 波導(dǎo) 9. 處理室 10. 絕緣管壁 11. 線圈

圖2 不同低溫等離子體源示意圖

Figure 2 Schematic diagram of different plasma sources

2.2 高壓處理對(duì)食物中過敏原的影響

高壓處理技術(shù)是非熱食品加工技術(shù)發(fā)展以來應(yīng)用最為廣泛的一項(xiàng)技術(shù)(圖3)，其最突出的特點(diǎn)是能夠完好地保留食品原有風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此，它在殺菌、提高食品安全性和延長(zhǎng)其保質(zhì)期方面一直受到關(guān)注[19]。在食品研究領(lǐng)域，通常意義上的高壓處理主要是指超高壓(Ultra high pressure，UHP)，又稱高靜壓(High hydrostatic pressure，HHP)，通常采用水或者油脂作為介質(zhì)，溫度為室溫或接近室溫，在一定時(shí)間內(nèi)(20～40 min)對(duì)密封在一定容積容器中的樣品持續(xù)施加100～1 000 MPa 的壓力[20]。

研究[21-22]表明，高壓處理(300～700 MPa)能顯著降低大豆中主要過敏原的致敏性，且壓力越大處理效果越好，主要機(jī)理為二級(jí)結(jié)構(gòu)中α-螺旋和β-折疊含量的減少和無規(guī)則卷曲含量的增加，三、四級(jí)結(jié)構(gòu)遭到破壞，整個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展開，疏水性氨基酸殘基暴露，蛋白質(zhì)的抗原表位被掩蓋。然而，持續(xù)15 min 的300 MPa超高壓處理雖可降低嬰兒配方食品大豆分離蛋白45.5%的過敏原性，破壞其中7S球蛋白的α和α'亞基以及11S球蛋白的A1和A1a亞基，其他的過敏原仍具有活性[23]，另外，還有學(xué)者[24]報(bào)道雞蛋中兩種主要過敏原卵轉(zhuǎn)鐵蛋白和卵類黏蛋白在超高壓處理(400，500 MPa)下免疫反應(yīng)性并未發(fā)生顯著性變化，600 MPa壓力的作用甚至還會(huì)增加卵類黏蛋白的免疫反應(yīng)性。對(duì)于乳品中的主要過敏原β-乳球蛋白，洪啟通[25]發(fā)現(xiàn)隨著處理壓力(0.1，80.0，160.0 MPa)的增加其過敏性逐漸降低，同樣觀察到α-螺旋含量的增加和β-折疊的減少，且蛋白質(zhì)的聚集結(jié)構(gòu)體積有明顯的減少趨勢(shì)。此外，動(dòng)態(tài)高壓微射流(Dynamic high pressure microfluidization，DHPM)是一種作用更為劇烈的動(dòng)態(tài)高壓處理技術(shù)，在較短時(shí)間內(nèi)使高度緊湊的蛋白質(zhì)變得松散，導(dǎo)致了某些隱藏的IgE結(jié)合表位被暴露出來，最終提高濃縮乳蛋白中過敏原α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、α-酪蛋白和β-酪蛋白的抗原性[26]。

1. 耐壓容器壁 2. 活塞 3. 加熱/冷卻系統(tǒng) 4. 食物樣品5. 增壓器泵 6. 高壓介質(zhì)箱

2.3 超聲波處理對(duì)食物中過敏原的影響

超聲波是一種頻率高(20～100 kHz)、波長(zhǎng)短、具有良好方向性且穿透力較強(qiáng)的一種特殊聲波(圖4)，不同功率的超聲波會(huì)與介質(zhì)發(fā)生相互作用并引起一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)伴隨著空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)等[27]。作為一種綠色可持續(xù)化、可工業(yè)化的加工技術(shù)，近10年報(bào)道了許多關(guān)于超聲波在食品加工上的研究成果，鑒于其對(duì)蛋白質(zhì)的作用效果顯著且無毒無害的特點(diǎn)，許多學(xué)者逐漸把目光放在超聲波對(duì)過敏原影響的研究上。

超聲波處理能掩蓋三文魚過敏原的抗原表位使致敏性微降[28]，而花生蛋白結(jié)構(gòu)經(jīng)超聲波處理后，亞基片段被不同程度地降解、二級(jí)結(jié)構(gòu)被改變，且隨超聲強(qiáng)度的增加部分蛋白質(zhì)會(huì)聚集最終降低致敏性[29]。對(duì)于復(fù)雜乳體系中的各種致敏原，有報(bào)道[30]稱0～500 W的超聲波處理會(huì)增加β-乳球蛋白的致敏性；白雨鑫[31]發(fā)現(xiàn)在40 kHz、300 W的條件下，隨著處理時(shí)間的增加，其抗原表位首先會(huì)被隱藏，暴露后被破壞，然后暴露更多的位點(diǎn)，致敏性上下波動(dòng)，另有研究[32]發(fā)現(xiàn)150～650 W的超聲處理同樣會(huì)通過相似的機(jī)理改變疏水性、無序性從而使牛乳致敏蛋白α-酪蛋白和β-酪蛋白的抗原性增加，但基于酪蛋白結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，還需要進(jìn)一步的模擬血清檢驗(yàn)來探討超聲波能否改變其致敏性；在對(duì)大豆7S蛋白類似的超聲處理[33]中也發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。過敏原普遍對(duì)超聲波較為敏感，若能攻破參數(shù)設(shè)置的難題并加以有效的控制，超聲波有望成為能大規(guī)模應(yīng)用的非熱食品加工技術(shù)。

1. 電引線 2. 絕緣體 3. 壓電 4. 鋼板 5. 集中器 6. 樣品溶液

圖4 超聲波裝置

Figure 4 Ultrasonic device

2.4 輻照技術(shù)處理對(duì)食物中過敏原的影響

輻照技術(shù)是指利用電離或非電離輻照處理食品的技術(shù)(圖5)。電離輻照包括γ-射線、高能電子束和X-射線等；非電離輻射包括紫外線、紅外線等[34]。在食品加工過程中，允許使用的電離輻射源有一定的能量限定，2003年CAC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)正式確立10 kGy以上的輻照為安全劑量，而在許多國(guó)家，食品輻照已被認(rèn)為是一項(xiàng)頗具前景、能提高食物可用性的技術(shù)[35]。

據(jù)報(bào)道[36]輻照處理可以高效地消減多種食物過敏原，UV-C處理或5 min的紅外線處理能不同程度地修飾α-酪蛋白的過敏特征結(jié)構(gòu)域和典型的肽，從而影響IgE構(gòu)象表位，但輻照對(duì)過敏原具體的作用機(jī)理及影響因素尚未被剖析清楚。近年有報(bào)道[37]稱對(duì)溶解后的牛奶和雞蛋過敏原進(jìn)行一定劑量的輻射處理后，其抗原性顯著降低，減少的程度取決于過敏原的類型和樣品照射期間的水分含量。在輻射下，蛋白質(zhì)由于交聯(lián)和分子間聚集溶解度降低，促使氫和共價(jià)鍵的分解以及自由基的產(chǎn)生導(dǎo)致蛋白質(zhì)的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)改變，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)處于干燥狀態(tài)時(shí)，這些效果通常不太明顯并且對(duì)致敏性無顯著影響，這或許能引發(fā)人們對(duì)于其作用過程的思考，并引導(dǎo)學(xué)者向此方向進(jìn)一步探究。

1. 裝樣器 2. 樣品溶液 3. 屏蔽擋圈 4. 屏蔽源罐 5. 樣品裝載傳動(dòng)按鈕 6.γ-射線

圖5γ-射線裝置

Figure 5γ-ray device

2.5 聯(lián)合加工技術(shù)對(duì)食物中過敏原的影響

單純的物理加工方法對(duì)過敏原的破壞雖然簡(jiǎn)便高效但具有偶然性且能耗高，隨著化學(xué)、生物加工方法的發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)美拉德反應(yīng)、生物酶解反應(yīng)與物理技術(shù)能夠促進(jìn)相互間對(duì)致敏蛋白的消減作用。還原糖與過敏原蛋白氨基酸上的伯氨基反應(yīng)可以阻斷表位，從而阻止IgE結(jié)合、交聯(lián)以及隨后的介體釋放[38]。研究表明在消減食物過敏原過程中，美拉德反應(yīng)與物理加工技術(shù)有協(xié)同作用，包括魚類過敏原[39]和乳球蛋白[40]。蛋白酶可以破壞致敏蛋白抗原決定簇的三維結(jié)構(gòu)，甚至使化學(xué)鍵、酰胺鍵斷裂，破壞一、二級(jí)結(jié)構(gòu)，與超聲波的聯(lián)合處理能顯著提升單一技術(shù)處理對(duì)南美白對(duì)蝦過敏原的消減效果[41]，在與超高壓聯(lián)合處理時(shí)對(duì)于大豆致敏蛋白也具有同樣的效果[21]。酶解法與物理技術(shù)的協(xié)同作用可能由于高壓等條件能引起蛋白質(zhì)體積、非共價(jià)鍵的變化使更多的抗原表位暴露，促進(jìn)蛋白酶對(duì)其的水解；蛋白酶能破壞某些蛋白表面的疏水基團(tuán)，使蛋白結(jié)構(gòu)更容易受到物理處理的影響。盡管超高壓限制性酶解法更高效，但可能會(huì)使豆乳粉產(chǎn)生微苦味，需要進(jìn)一步的調(diào)配改善口感[42]。

與單一技術(shù)處理相比，聯(lián)合加工技術(shù)需要控制的參數(shù)更多，而且所聯(lián)合的兩個(gè)技術(shù)在先后處理同一對(duì)象時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的相互影響，可能協(xié)同也可能拮抗，還可能產(chǎn)生未知的問題。因此，不能簡(jiǎn)單地結(jié)合兩種高效技術(shù)，而要尋找更多的可能性，進(jìn)行更多樣的研究并及時(shí)檢驗(yàn)結(jié)果。

2.6 主要非熱加工技術(shù)的比較

表1比較了本文所涉及的非熱加工技術(shù)對(duì)食物過敏原影響機(jī)制的差異性及優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 非熱加工技術(shù)對(duì)過敏原消減作用比較

3 結(jié)論

食物過敏是全球關(guān)注的重大公共衛(wèi)生問題。過敏原的致敏性主要取決于抗原表位的空間結(jié)構(gòu)，通過加工技術(shù)改變過敏原的結(jié)構(gòu)來制備低過敏性食品。不同物理場(chǎng)的技術(shù)對(duì)過敏原造成的影響各異，作用的對(duì)象及機(jī)理不盡相同。目前關(guān)于非熱加工技術(shù)對(duì)過敏原結(jié)構(gòu)與免疫活性影響方面的研究較少，經(jīng)物理加工處理之后，哪些抗原表位遭到破壞，遭到破壞的抗原表位結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵氨基酸組成有何特點(diǎn)尚未清楚。