黑龙江八一农垦大学曹冬梅、张东杰教授等：重金属铅对大麦苗粉蛋白质二级结构及氨基酸的影响

2023-09-20 20:26:52

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大麦苗是大麦经历成苗初期时10～20 cm左右的嫩苗。大麦苗制成麦苗粉后冲服可以起到一系列的保健功效，主要可以治疗肥胖、糖尿病、动脉粥样硬化等慢性疾病，还可以清火解毒、通便秘。大麦苗相比于大麦的其他生长阶段和部位，其中蛋白质的含量更高。

Pb污染是重金属污染中最常见的一种污染，会使大麦苗粉中脂类代谢物、多酚类代谢物的含量下降，部分风味氨基酸发生变化，导致大麦苗粉的营养价值和风味也会随之受到影响。氨基酸的变化可作为研究重金属对大麦苗粉营养价值和风味变化影响的重要依据。

黑龙江八一农垦大学崔航，曹冬梅*和张东杰*等人采应用傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术和液相色谱-质谱（LC-MS）高通量靶向代谢组学技术，探究重金属Pb对大麦苗粉总蛋白质二级结构及25 种氨基酸组成与含量的影响，旨在为大麦主要种植区的Pb污染防治和大麦苗粉相关保健产品的开发提供新思路。

01 重金属Pb对大麦苗粉蛋白质二级结构影响

蛋白质是具有特殊结构的生物大分子，蛋白质二级结构在1 600～1 700 cm^-1之间，与酰胺I带重叠。经过Peak Fit软件去卷积处理拟合后得到酰胺Ⅰ带图谱，通过峰高度和峰面积可以看出受Pb胁迫后大麦苗粉（CMQPb）的蛋白质二级结构较未胁迫大麦苗粉（CMQ）相对含量发生了变化，如图1所示。

02 大麦苗粉酰胺Ⅰ带图谱的高斯拟合定量分析

由表3可知，CMQ中的蛋白质结构以β-折叠和β-转角为主要二级结构，相对含量分别为37.2%和25.5%；蛋白质二级结构中的α-螺旋和β-折叠的相对含量决定肽链上H键的数量，而H键的数量又与稳定性息息相关。与CMQ大麦相比，受Pb胁迫后，CMQPb中α-螺旋、β-转角结构相对含量增加；β-折叠、β-反向平行和无规卷曲结构相对含量均发生了下降变化。与同为有序结构的β-折叠相对含量下降的数值相比，α-螺旋的相对含量增加，推测重金属Pb会导致成苗期大麦蛋白二级结构中的无序结构向有序结构转变。

03 大麦苗粉高通量靶向氨基酸代谢组学分析

1）PCA

由图2可知，拟合后方程

说明此方程拟合后稳定性较好。两组样本点全部处于95%置信区间内，CMQ大麦Pb胁迫前后两组样本点组间无聚集区，可以证明Pb胁迫后对大麦内部氨基酸代谢具有一定影响。同组内样本点稍有重叠，可以说明同一品种大麦内部氨基酸成分差异不大。

2）OPLS-DA

由图3可知，通过OPLS-DA共得到两个PC，

Q2=0.976，模型可靠性较好。两组样本均处于95%置信区间内，且均匀分布两侧。组内样本点稍有部分重叠，组间样本点区分明显，无任何重叠聚集区。

3）OPLS-DA置换检验

由图4可知，Q2=0.976≈1，如果有新样本加入模型，会得到近似的分布情况，可以证明原模型能够很好地解释两组样本之间的差异。通过200 次重复置换性检验（n=200）证明原模型具有良好的稳健性，不存在过拟合现象。

4）氨基酸代谢物含量变化火山图和单变量统计分析

变化火山图如图5所示。

通过LC-MS靶向代谢组学分析，CMQ-CMQPb组大麦苗粉中共精准定性定量25 种氨基酸（表4）。其中游离氨基酸10 种（β-丙氨酸、Ser、Thr、Asp、Lys、Glu、Met、Phe、Tyr、Try）；水解氨基酸12 种（Gly、Ala、Ser、Pro、Val、Thr、Asp、Glu、His、Phe、Arg、Tyr）；人体必需氨基酸6 种（Val、Thr、Lys、Met、Phe、Try）；人体非必需氨基酸8 种（Gly、Ala、Ser、Pro、Glu、His、Arg、Tyr）；药用氨基酸8 种（Gly、Asp、Lys、Glu、Met、Phe、Arg、Tyr）；大麦风味氨基酸6 种（Pro、Val、Asp、Glu、His、Arg）。CMQPb组对比CMQ组，其中含量上升的氨基酸3 个，分别为Hyp、Glu和Arg，其余22 个氨基酸含量均发生下降变化。

5）氨基酸代谢物层次聚类分析

层次聚类热力图结果如图6所示。热力图的颜色代表代谢物的丰值高低，红色为高表达区，蓝色为低表达区。红蓝区分度明显，说明聚类效果显著。图左侧CMQPb组前3 个氨基酸的表达量明显高于CMQ组，3 个氨基酸分别为Hyp、Glu和Arg。Arg表达量上升，是由于Glu和Gln合成了形成Arg的前提物质鸟苷酸，并且植物体中Asp可以部分转化为Arg。Glu可以和血胺合成谷酰胺，有解毒的功效，在药用氨基酸中发挥解毒功效。当大麦受到Pb影响后Glu的表达量上升，可以证明大麦苗体内Glu主要发挥解毒功效为其提供保护机制。

04 结论

大麦苗粉中的蛋白质结构以β-折叠和β-转角为主要二级结构，相对含量分别为37.2%和25.5%；Pb胁迫后，α-螺旋相对含量上升，β-折叠、β-转角和无规卷曲相对含量下降；其中α-螺旋相对含量上升更为显著为4.2%。说明大麦苗可以在一定浓度Pb影响下维持自身的蛋白质二级结构稳定性，作为大麦苗粉保健食品其具备更好的产品功能稳定性和一定的解毒功效。其次，本研究对CMQCMQPb大麦苗粉进行高通量靶向氨基酸代谢组学分析后，通过PCA、OPLS-DA、单变量统计分析和层次聚类对Gly、Ala、β-丙氨酸、4-氨基丁酸、Ser、Pro、Val、Thr、Hyp、Orn、Asn、Asp、Lys、Gln、Glu、Met、His、5-羟基-L-赖氨酸、Phe、3-甲基-L-组氨酸、1-甲基-L-组氨酸、Arg、Cit、Tyr、Try这25 种氨基酸进行精确的定性定量。药用氨基酸主要由Asp发挥解毒作用。风味氨基酸又分为甜味氨基酸：Pro、His；苦味氨基酸：Val、Arg；鲜味氨基酸：Glu、Asp。由此可见，大麦苗粉受到重金属Pb的影响会导致大麦苗粉的甜度降低，苦味增加。同样证明了Pb会对大麦苗粉中营养价值及风味口感造成一定影响。

本文《重金属铅对大麦苗粉蛋白质二级结构及氨基酸的影响》来源于《食品科学》2023年44卷第12期67-73页，作者：崔航, 王冀菲, 杨建,曹冬梅*，张东杰*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220501-003。

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