基于MALDI-TOF-MS的羊绒羊毛蛋白定量法及其应用

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  摘 要:山羊绒与绵羊毛理化性质相近,外观形态相似,传统的检测方法主要是借助显微镜或者电镜,依据两者的外观形态进行判别,受限于检测人员的经验,结果较为主观。研究从ISO 20418—2提供的MALDI-TOF-MS多肽分析法入手,建立羊绒羊毛定量模型,实现仪器客观检测。使用不同产地、不同品种的羊绒以及一些特殊处理的样品,对该方法的适用性进行验证;使用不同种类的羊绒产品对方法的准确性进行验证。结果表明:该方法对不同产地、不同品种的羊绒有普适性,可用于羊绒制品的定量检测;但经剥色处理的羊绒不适用该定量方法。
  关键词:羊绒;羊毛;蛋白组学分析;MALDI-TOF-MS
  中图分类号:TS137 文献标志码:A
  文章编号:1009-265X(2021)04-0076-05
  Abstract:Cashmere and wool have great similarity in physical and chemical properties, and morphological appearance. Cashmere and wool are mainly identified by microscopic or electron microscope examination according to their morphological appearance. The method is subject to the experience of the examiners, thus leading to subjective test results. In this research, we established a cashmere and wool quantitative model based on MALDI-TOF-MS polypeptide analysis method provided in ISO 20418-2 to achieve objective instrument test. The feasibility of this method was verified by using cashmere from different producing areas and of different varieties as well as some samples with special treatment. The accuracy of this method was verified by using cashmere products of different varieties. Results showed that the method was generally applicable to all types of cashmere from different producing areas and of different varieties. The method could be used for quantitative detection of cashmere products. But this quantitative method was not applicable to the cashmere processed by stripping color.
  Key words:cashmere; wool; proteomic analysis; MALDI-TOF-MS
  山羊絨以其纤细、柔软、保暖的特点,一直以来都是秋冬季节御寒保暖的宠儿。山羊绒产自山羊,是山羊身上隐藏于粗毛根部的底绒。每年春季天气转暖的时候,羊绒会自然脱落,牧民赶在羊绒脱落之前通过抓绒这种传统的方式将羊绒收集起来。一头成年绒山羊平均每年产绒200~300g,山羊绒因其珍贵稀有而被称为纤维界的“软黄金”[1]。
  中国是山羊绒的主要生产国,产量占全球羊绒产业的75%,出口创汇可观。山羊绒和直径相近的绵羊毛,存在着5~10倍的价格差,不良商贩常常利用两者外观形态相似,理化性质相近的特点,以次充好,谋取暴利[2]。这种欺诈的行为,不仅扰乱了市场的正常秩序,坑害了消费者,也有损中国羊绒生产大国的形象。
  传统的山羊绒绵羊毛定量检测方法,无论是ISO标准还是中国的国家标准,均依据两种纤维的外观形态进行判定,检测人员的经验成了准确度的最大决定因素。染色环节更增加了判定的难度,而其他复杂的加工工艺,使鳞片密度厚度等关键指标更加模糊化,进一步增加了检测难度[3-4]。羊绒羊毛的定量检测成了检测行业的难点,市场的焦点,消费者的痛点。
  缺乏客观、统一的标准也给贸易公平公正带来了不利影响,羊绒出口屡屡受阻。国际山羊绒与驼毛制造商协会(CCMI)连续多年在全球市场进行产品质量抽查,多次公开指责中国市场羊绒掺假严重。
  近年来,DNA检测法,包括PCR定性检测方法和基于荧光定量PCR的定量检测方法,提供了相对客观的仪器检测方法[3-5]。众所周知,纤维的主要成分是角蛋白,而蛋白是由DNA翻译而来,DNA的差异最终也能体现在表达的蛋白上。日本和意大利在研发蛋白检测法方面走在了世界前列。ISO20418—2提供了一种蛋白仪器分析法解决特种动物纤维的定性定量检测[6]。MALDI-TOF-MS,基质辅助激光解析电离飞行时间质谱,作为一种新型的软电离生物质谱技术,越来越多的被用于蛋白质、多肽、核酸、寡糖等生物大分子质量测定,高通量的蛋白质表达谱研究等领域,具有灵敏度高,准确度高,易于实现自动化等优点[7]。本研究从MALDI-TOF-MS多肽分析法入手,建立了羊绒羊毛定量检测标准曲线,使用不同产地,不同品种的羊绒进行方法验证,并将该定量方法应用于实际样品的检测中。   1 材料与方法
  1.1 供试材料
  用于制作标准曲线的羊绒购自内蒙古自治区,羊毛购自国际毛纺组织(IWTO)。不同产地、品种以及经特殊处理的羊绒、羊毛样品购自国际山羊绒与驼毛制造商协会(FiberBox,edition I, 2013)。羊绒成品由内蒙古鄂尔多斯集团,江苏阳光集团提供。
  1.2 标准混合样和标准曲线的制备
  使用直径相近的100%的山羊绒、100%的绵羊毛纤维自制标准混合样。分别称取羊绒含量为10%,30%,50%,70%,90%,总质量为0.5g山羊绒、绵羊毛绒混合物,将它们用液氮冷冻研磨仪(spex 6870,美国)粉碎,用以提取蛋白。按步骤1.3提取纯化蛋白,按步骤1.4酶解角蛋白,按步骤1.5进行MALDI-TOF-MS多肽分析。
  对仪器采集到的针对绵羊毛、山羊绒的特征峰2664m/z、2691m/z,求得峰强度比值(2664m/z/(2664m/z+2691m/z))为横坐标,以绵羊毛的含量为纵坐标,进行曲线拟合,建立山羊绒绵羊毛定量标准曲线。
  1.3 蛋白提取和分离纯化
  将样品混匀,用液氮冷冻研磨仪粉碎纤维,无条件的也可以用剪刀将标准样细细剪碎,注意保证样品均一性和稳定性。
  取12.5mg纤维混合物置于1.5mL的离心管中,在离心管中加入0.5mL的提取液(50mM DTT;4%SDS;0.1M磷酸缓冲液pH 7.8),使用旋涡振荡器混均匀;将离心管置入热盖温控装置或者水浴锅于95℃反应30min。取出至室温后,加入碘乙酰胺(IAA)使溶液浓度调整至100mM。室温反应15min后,加入10μL 25mM的DTT溶液终止反应。室温7 500 g离心5min。上清液即为蛋白溶解液,将其转移置另一个离心管待用。
  使用聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)对提取的蛋白进行分离纯化。恒压120 V,约20 min。考马斯亮蓝染色,蛋白条带集中在上部、中部、下部3个区域,切割回收中间约47 KD左右条带。具体过程可参见ISO20418-2:2018。
  1.4 胶条的酶解
  使用50%乙腈/50 mM碳酸氢胺溶液洗涤胶条以除去考马斯亮蓝。将凝胶置于96微孔板,等凝胶干了以后,加入30 μL的胰蛋白酶溶液(含约150 ng胰蛋白酶),在50 ℃水浴孵育1 h。
  1.5 质谱检测分析
  取1 μL溶液点于MALDI-TOF-MS的耙板上。待溶液干后再点上1 μL HCCA基质溶液(25 mg HCCA溶于5 mL的乙腈/0.1%TFA(7∶3))。
  质谱检测。使用MALDI-TOF-MS(Microflex,Bruker,德国)的反射模式分析多肽。设置激光至阈值水平以产生信号,加速电压20 kV。质谱扫描频率至少50次,每个样品在不同的部位重复测3次以保证重复性。动物物种特征峰出现在m/e=2 450~2 750处。其中,山羊绒的特征峰出现在2 691m/z;绵羊毛的特征峰出现在2 664 m/z。根据步骤1.2中描述,确定每个混合含量的横、纵坐标,建立定量标准曲线。对任意未知样品,可利用特征峰的强度,对照标准曲线,最终计算得到混合物的含量[6]。
  2 結果与分析
  2.1 标准曲线
  对标准混合物进行蛋白检测分析,每个混合比例3个独立的样品。根据步骤1.5测定特征峰强度。取特征峰比值的平均值确定每个含量的横坐标,以绵羊含量的百分比为纵坐标,确定混合标样每个点的位置,对5个点进行曲线拟合,得一直线(图1),且R2>0.99。
  对山羊绒绵羊毛混合物的未知样品,对山羊绒,绵羊毛蛋白进行检测,对照标准曲线即可计算出样品中羊毛和羊绒的含量。
  2.2 特征样品的验证
  使用CCMI fiberbox的山羊绒,绵羊毛样品对该定量方法进行验证。样品的混合比例均为50%/50%,1—4号的山羊绒均产自中国,分别为阿拉善山羊绒、阿尔巴斯山羊绒、辽宁山羊绒、中国紫绒。混合配比的绵羊毛为制作标准曲线使用的绵羊毛。每个样品两个独立样品,最终结果取平均值,检测结果如表1。不同品种的山羊绒检测值均可以回溯到山羊绒投入量,可见利用两物种的特征峰强度可以实现混合物的定量。
  为了进一步验证该定量标准曲线是否适用于不同产地的山羊绒,如表2所示,山羊绒分别产自阿富汗、吉尔吉斯斯坦、土耳其、澳大利亚山羊绒,以及蒙古。混合比例仍为50%/50%。
  由结果可知,国外不同产地的山羊绒,均在2 664 m/z、2 691 m/z有特征峰,且可以使用2 664 m/z的峰强度与2 691 m/z的峰强度进行定量检测。检测的结果均可以回溯到山羊绒的初始投入量。
  考虑到市场上有更为复杂的样品,例如拉伸、脱鳞羊毛冒充山羊绒,欺骗消费者,针对这类样品,也进行了一系列实验。混合配比仍为50%/50%,1号羊毛为中国脱鳞羊毛、2号样品为澳洲拉伸羊毛,3号样品为中国剥色羊绒(紫绒剥色为白色),另50%为制作标准曲线的山羊绒或绵羊毛。脱鳞羊毛经脱鳞处理后与常规羊毛相比,鳞片密度降低,拉伸羊毛经拉伸后鳞片密度和厚度均大为降低,更具迷惑性。3种特殊样品的定量检测结果如表3。
  使用脱鳞羊毛、拉伸羊毛制备的特种样品检测结果基本可以回溯到投入值,表明检测结果不受这些处理的影响。检测过程中发现剥色紫绒的羊绒检测数值偏低,又经多次实验,平均值为35.1%,可见该方法不适用剥色绒。
  2.3 方法应用
  从各大羊绒制品企业收集了不同比例、不同风格的羊绒制品,包括了散绒、纱线、针织机织面料,其羊绒含量也尽量覆盖0~100%,使用该方法对各类样品进行定量检测,具体样品的检测的数据如表4。   3 结论和讨论
  本研究采用了蛋白组学分析的方法,借助MALDI-TOF-MS多肽检测,通过构建山羊绒/绵羊毛定量标准曲线,建立了绵羊毛含量及与之相对应的特征峰2 664 m/z,2 691 m/z峰强度之间的对应关系,从而实现了未知羊绒、羊毛的定量检测。
  通过一系列不同品种、不同产地的山羊绒的定量检测结果来看,该方法具有很好的广谱适用性。剥鳞处理,拉伸处理均对其结果无影响,也表明该方法可用于打击以次充好。但使用该方法检测剥色紫绒时发现,山羊绒检测结果偏低,推测剥色的氧化剂对角蛋白有破坏作用。
  对散绒、纱绒、针织和机织面料的检测,表明该方法可用于处于不同阶段的羊绒制品的定量检测。与传统的显微镜法相比,该方法步骤较复杂,但结果可靠准确,不受检测人员经验的影响,且可实现批量操作,大大提高了检测效率。与DNA检测方法相比,同为仪器检测,该方法受染料和色素的影响小,聚丙烯酰胺凝胶电泳可一次实现蛋白的分离和纯化。对于深色染料和含有色素的样品,由于PCR反应受色素和其他杂质的抑制,DNA必须先经过纯化步骤才能进行后续的检测。而样品经多次染色后,DNA完整性遭破坏,也无法进行DNA定量。但值得一提的是,DNA检测的灵敏度要优于蛋白分析法,低至1%的掺比也能检测得到。该方法在本实验室的仪器上,检测灵敏度经多次实验在5%左右,2%羊绒混合物的羊绒特征峰非常微弱,仪器无法给出确定的峰强度。
  该方法作为又一种新的仪器检测法,为特种动物纤维定性定量检测提供了新的思路,对毛纺产品的质量监督检验、保护消费者的合法权益具有重要意义。特种动物纤维,尤以羊毛羊绒为代表在定量检测,还没有一种方法可以一劳永逸,未来人工智能,图像识别技术的发展,或许可以进一步提高图像识别的准确度。目前看来,只有综合运用显微镜法,DNA法,蛋白分析法,才能得到相对准确的结果。
  参考文献:
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