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. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南 長沙 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，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[1]，中國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40.9%[2]。聯(lián)合國糧農(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對不同過敏原產(chǎn)生相反的影響，同時熱處理所使用的極端溫度會對正常蛋白質(zhì)產(chǎn)生損傷或引起非酶褐變，導(dǎo)致食品營養(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。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、作用時間短而反應(yīng)劇烈，且個體差異性大，具體的過敏反應(yīng)過程及作用機制如圖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)對食物過敏原的影響

2.1 低溫等離子體技術(shù)對食物中過敏原的影響

等離子體被認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-螺旋等二級結(jié)構(gòu)[12]，過敏原表位會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的處理會使小麥的免疫反應(yīng)性降低37%，其機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等離子體的敏感性存在差異性，需要更多的研究進行深入探討。

近年，相關(guān)學(xué)者使用直接和遠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，推測其機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，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 電壓下對干燥的脫脂花生粉和全花生進行了持續(xù)時間分別為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)時間的增加致敏蛋白的強度逐漸降低，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)用最為廣泛的一項技術(shù)(圖3)，其最突出的特點是能夠完好地保留食品原有風(fēng)味和營養(yǎng)物質(zhì)，因此，它在殺菌、提高食品安全性和延長其保質(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，在一定時間內(nèi)(20～40 min)對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，主要機理為二級結(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、四級結(jié)構(gòu)遭到破壞，整個蛋白質(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增加卵類黏蛋白的免疫反應(yīng)性。對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。此外，動態(tài)高壓微射流(Dynamic high pressure microfluidization，DHPM)是一種作用更為劇烈的動態(tài)高壓處理技術(shù)，在較短時間內(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 超聲波處理對食物中過敏原的影響

超聲波是一種頻率高(20～100 kHz)、波長短、具有良好方向性且穿透力較強的一種特殊聲波(圖4)，不同功率的超聲波會與介質(zhì)發(fā)生相互作用并引起一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，同時伴隨著空化效應(yīng)、機械效應(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，鑒于其對蛋白質(zhì)的作用效果顯著且無毒無害的特點，許多學(xué)者逐漸把目光放在超聲波對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、二級結(jié)構(gòu)被改變，且隨超聲強度的增加部分蛋白質(zhì)會聚集最終降低致敏性[29]。對于復(fù)雜乳體系中的各種致敏原，有報道[30]稱0～500 W的超聲波處理會增加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，隨著處理時間的增加，其抗原表位首先會被隱藏，暴露后被破壞，然后暴露更多的位點，致敏性上下波動，另有研究[32]發(fā)現(xiàn)150～650 W的超聲處理同樣會通過相似的機理改變疏水性、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，還需要進一步的模擬血清檢驗來探討超聲波能否改變其致敏性；在對大豆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，而在許多國家，食品輻照已被認為是一項頗具前景、能提高食物可用性的技術(shù)[35]。

據(jù)報道[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，但輻照對過敏原具體的作用機理及影響因素尚未被剖析清楚。近年有報道[37]稱對溶解后的牛奶和雞蛋過敏原進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，促使氫和共價鍵的分解以及自由基的產(chǎn)生導(dǎo)致蛋白質(zhì)的二級和三級結(jié)構(gòu)改變，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)處于干燥狀態(tài)時，這些效果通常不太明顯并且對致敏性無顯著影響，這或許能引發(fā)人們對于其作用過程的思考，并引導(dǎo)學(xué)者向此方向進一步探究。

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)對食物中過敏原的影響

單純的物理加工方法對過敏原的破壞雖然簡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)能夠促進相互間對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)處理對南美白對蝦過敏原的消減效果[41]，在與超高壓聯(lián)合處理時對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、非共價鍵的變化使更多的抗原表位暴露，促進蛋白酶對其的水解；蛋白酶能破壞某些蛋白表面的疏水基團，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，但可能會使豆乳粉產(chǎn)生微苦味，需要進一步的調(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)合的兩個技術(shù)在先后處理同一對象時會產(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，不能簡單地結(jié)合兩種高效技術(shù)，而要尋找更多的可能性，進行更多樣的研究并及時檢驗結(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)對食物過敏原影響機制的差異性及優(yōu)缺點。

表1 非熱加工技術(shù)對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。不同物理場的技術(shù)對過敏原造成的影響各異，作用的對象及機理不盡相同。目前關(guān)于非熱加工技術(shù)對過敏原結(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尚未清楚。