六種家畜乳氨基酸特征聚類分析

1、PAGE PAGE - 15 -六種家畜乳氨基酸特征聚類分析我國牛羊乳業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)，馬、駱駝、牦牛和水牛等家畜乳也得到區(qū)域性開發(fā)。特種家畜乳因風(fēng)味獨(dú)特、營養(yǎng)價(jià)值高和產(chǎn)量低等特點(diǎn)，極易被低價(jià)位牛羊乳或其他原料摻假或冒充，破壞乳的完整性、真實(shí)性及功能屬性1。不僅侵害消費(fèi)者健康和尊嚴(yán)，也破壞正常市場競爭秩序，更不利于民族和地區(qū)特種家畜乳業(yè)健康發(fā)展2。乳是人類膳食蛋白質(zhì)及氨基酸(aminoacids，AA)的重要來源，哪種乳蛋白更接近人體，尤其是哪種乳更符合嬰幼兒的必需氨基酸(essentialaminoacid，EAA)模式，成為亟待解決的重要問題。隨著化學(xué)計(jì)量學(xué)及食品組學(xué)大數(shù)據(jù)檢測分析技術(shù)的不

2、斷發(fā)展，各種家畜乳AA特征及營養(yǎng)價(jià)值的微妙差異應(yīng)該重新探討、認(rèn)識和評價(jià)。乳蛋白質(zhì)和肽存在物種特異性，可用于乳的物種來源真實(shí)性判別。吳亞君等3利用毛細(xì)管電泳技術(shù)比較了牛和羊乳蛋白電泳圖譜，發(fā)現(xiàn)牛和羊乳的電泳圖譜存在差異。馬露4報(bào)道了馬、山羊、駝和牦牛4種家畜乳蛋白的反相高效液相色譜圖存在種屬特異性，利用其圖譜可以很好地區(qū)分乳的物種來源。EL-HATMI等5通過聚丙烯酰胺凝膠電泳技術(shù)比較了牛、山羊、驢、駱駝和人乳乳清蛋白的電泳圖譜，發(fā)現(xiàn)可判別乳樣的物種真實(shí)性。但不同動物乳蛋白質(zhì)或肽水解獲得的AA，是否還存在物種或其他分類特異性，這種特異性是否可以實(shí)現(xiàn)特種家畜乳完整性和真實(shí)性判別，有待進(jìn)一步研究。烏

3、恩其6以組織液中的免疫球蛋白G(immunoglobulinG，IgG)為目標(biāo)物種特異蛋白，建立用經(jīng)典免疫學(xué)方法檢驗(yàn)牛、羊和駱駝肉中摻假的馬肉、鴨肉和豬肉等；乳中也含IgG，因此以IgG為目標(biāo)蛋白也可檢測高價(jià)格特種家畜乳中摻假牛乳。近些年有研究開始借助化學(xué)計(jì)量學(xué)研究食品營養(yǎng)素組或營養(yǎng)素指紋，如氨基酸指紋、脂肪酸指紋與物種特異性及其他決定和影響因素的關(guān)系模型。郭軍等2提出了以脂肪酸和氨基酸指紋進(jìn)行原奶和液態(tài)乳真實(shí)性的鑒別方法。呂中旺等7對牛、山羊、水牛和牦牛4種家畜乳AA進(jìn)行主成分分析(principalcomponentanalysis，PCA)，發(fā)現(xiàn)不同家畜乳有分離趨勢，但未進(jìn)行建模驗(yàn)證。郭

4、珍琪8和張鑫等9利用化學(xué)計(jì)量學(xué)研究不同家畜乳的脂肪酸組成，發(fā)現(xiàn)家畜乳的脂肪酸構(gòu)成存在顯著的物種差異，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)脂肪酸構(gòu)成也與飼養(yǎng)模式及加工等分類因素有關(guān)。SMIDDY等10利用牛、水牛、綿羊、山羊、驢、馬和駝乳的甘油三酯做PCA，結(jié)果顯示家畜乳在得分向量圖中明顯分離，且聚類特征符合物種分類學(xué)規(guī)律，劉宇婷等11也印證了同樣的結(jié)果。傳統(tǒng)描述性統(tǒng)計(jì)和差異檢驗(yàn)的基本數(shù)學(xué)原理和構(gòu)架基于單變量和數(shù)據(jù)的線性規(guī)律，無法對多指標(biāo)、向量、矩陣等大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。多變量統(tǒng)計(jì)學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)的發(fā)展為解析和挖掘數(shù)據(jù)串、數(shù)據(jù)矩陣等大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和隱藏的規(guī)律模式、利用食物大數(shù)據(jù)描繪和分類食物提供了無限的可能2。本研究旨在利用現(xiàn)代化

5、學(xué)計(jì)量學(xué)聚類和判別分析手段，探索和比較牛乳和特種家畜乳AA整體特征，同時(shí)相對于人乳必需氨基酸模式，利用新的策略和手段篩選AA更接近人乳的乳種類，以期為乳及乳制品數(shù)據(jù)庫的健全、特種家畜乳的開發(fā)與利用提供理論依據(jù)。1材料與方法1.1實(shí)驗(yàn)材料1.1.1乳樣從內(nèi)蒙古、四川和廣西地區(qū)采集代表性乳樣55份。其中荷斯坦牛(牛)乳15份，采自內(nèi)蒙古巴彥淖爾和呼倫貝爾；蒙古馬乳15份，采自內(nèi)蒙古呼倫貝爾、錫林郭勒和鄂爾多斯；駝乳10份，采自內(nèi)蒙古阿拉善和呼倫貝爾；山羊乳5份，采自內(nèi)蒙古鄂爾多斯；牦牛乳5份，采自四川紅原地區(qū)；水牛乳5份，采自廣西南寧。樣品采集后分裝于離心管，密封并用液氮迅速冷卻，凍藏于-20冰柜

6、備用。樣品置室溫解凍后，均質(zhì)取樣用于AA的測定。每個(gè)乳樣2次平行測定的AA值都用于聚類分析。1.1.2藥品試劑17種AA混合標(biāo)準(zhǔn)品，美國Sigma公司；CDAA-270019-200mgL-色氨酸，上海安譜實(shí)驗(yàn)科技有限責(zé)任公司；濃鹽酸(優(yōu)級純)，國藥化學(xué)試劑有限公司；甲醇(色譜純)、冰乙酸、異丙醇(色譜純)、氫氧化鈉(優(yōu)級純)，麥克林化學(xué)試劑有限公司；茚三酮、鉀鈉緩沖液、BUFFERA-1、BUFFERB-1、再生液，賽卡姆(北京)科學(xué)儀器有限公司。1.1.3儀器設(shè)備S-433D全自動氨基酸分析儀，德國賽卡姆公司；HN200多功能氮吹儀，海能儀器。1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1氨基酸測定參照GB50

7、09.1242022酸水解法測定17種AA(除色氨酸)，參照GB/T154002022堿水解法測定色氨酸。每個(gè)樣品做2個(gè)平行，使用S-433D全自動氨基酸分析儀進(jìn)行測定。色譜條件：使用水解氨基酸分析柱LCAK06/Na(4.6mm150mm)；柱溫5874梯度控溫；反應(yīng)溫度130；流動相流速0.45mL/min；茚三酮流速0.25mL/min；檢測器440nm/570nm雙波長檢測器；進(jìn)樣體積50L。1.2.2統(tǒng)計(jì)分析本研究乳樣2輪測定都直接用于分析，即55份乳樣，進(jìn)行2輪平行AA測定，獲得110組數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和質(zhì)量檢驗(yàn)，剔除了4組界外數(shù)據(jù)，有106組數(shù)據(jù)用于描述性統(tǒng)計(jì)和后續(xù)的聚類分析。

8、平行測定數(shù)據(jù)納入聚類分析，等同于引入和觀察測定變異的影響，可增加模型穩(wěn)健度。以聯(lián)合國糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織(FoodandAgricultureOrganizationoftheUnitedNations/WorldHealthOrganization，F(xiàn)AO/WHO)2022發(fā)布的935號報(bào)告中的混合人乳AA數(shù)據(jù)進(jìn)行參照和比較研究12。EAA模式以色氨酸含量為1分別計(jì)算其他EAA相應(yīng)的比值13。用IBM-SPSS20.0進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和差異檢驗(yàn)，對6種家畜乳18種AA絕對含量、百分含量和EAA模式數(shù)據(jù)的整體差異均進(jìn)行配伍方差分析，每種AA絕對含量和百分含量在物種間的差異做單因素方差分析，結(jié)果

9、用表示。用化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件Pirouette4.5(美國Infometrix公司)對AA百分含量及EAA模式數(shù)據(jù)分別進(jìn)行PCA，觀察乳樣的自然聚類特性，探討以AA建模判別乳的物種真實(shí)性的可行性，以及判斷哪種家畜乳AA或EAA更接近人乳。并利用AA百分含量建立軟獨(dú)立建模分類(softindependentmodelingofclassanalogies，SIMCA)判別模型，對被檢乳樣及人乳數(shù)據(jù)進(jìn)行有監(jiān)督的分類/判別分析。SIMCA模型內(nèi)部驗(yàn)證：用所有55份乳樣2個(gè)AA平行測定值(剔除4個(gè)異常值，即106組數(shù)據(jù))進(jìn)行建模，再對建模乳樣物種進(jìn)行鑒定(軟件可自動完成)；SIMCA模型外部驗(yàn)證：人工隨機(jī)

10、抽出1012組數(shù)據(jù)，用其余9496組數(shù)據(jù)建模，對抽出的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行判別；這種隨機(jī)組合建模驗(yàn)證重復(fù)20次；人乳數(shù)據(jù)不參與建模，僅用于判別。累計(jì)驗(yàn)證樣本221組。2結(jié)果與分析2.1六種家畜乳氨基酸特征6種家畜和人乳AA絕對含量(mg/g)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，AA百分含量AA/總氨基酸(totalaminoacid，TAA),%統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，PCA結(jié)果見圖1。2.1.1氨基酸絕對含量特征6種家畜乳AA配伍方差分析整體差異極顯著(P0.01)，每一種氨基酸在物種間均有差異。TAA(相當(dāng)于總蛋白)含量由高到低依次為：牦牛和水牛乳(差異不顯著)、山羊乳和駝乳(差異不顯著)、牛乳和馬乳。家畜乳TAA含量

11、均高于人乳，其中牦牛乳TAA含量約為人乳的5.4倍；馬乳最稀薄，TAA約為人乳的1.7倍。6種家畜乳EAA/TAA均達(dá)41.75%以上，EAA/NEAA均達(dá)71.86%以上，都符合并高于FAO/WHO理想蛋白相應(yīng)指標(biāo)40%和60%的標(biāo)準(zhǔn)12；計(jì)算FAO/WHO公布混合人乳EAA/TAA為42.96%，EAA/非必需氨基酸(nonessentialaminoacid,NEAA)NEAA為75.32%。6種家畜乳EAA中含量最高的為Leu，其次為Lys和Val；NEAA含量最高的為Glu，其次為Pro和Asp；牦牛乳中Leu、Phe、His、Lys、Gly、Ala和Arg含量顯著或極顯著的高于其他

12、5種家畜乳。水牛乳中Thr、Asp、Glu、Cys和Tyr含量顯著或極顯著高于其他5種家畜乳。山羊乳中Trp含量顯著高于其他5種家畜乳。表1六種家畜乳和人乳AA含量單位：mg/g乳樣Table1Aminoacidinsixanimalsmilkandhumanmilk注：*表示FAO/WHO公布的混合人乳數(shù)據(jù)12(下同)，每一種AA做單因素方差分析，不同小寫字母表示差異顯著或極顯著，6種家畜乳以AA均值做配伍方差分析(下同)，TAA值行標(biāo)注不同大寫字母表示差異極顯著(P0.01)2.1.2氨基酸百分含量特征6種家畜乳和人乳AA%結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。對AA%均值的配伍方差分析，物種間無顯著差異(P=

13、1.000)，而在PCA和SIMCA分析均清晰顯示家畜乳以AA構(gòu)成聚類符合物種分類學(xué)規(guī)律，說明傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)對AA%整體差異不敏感。牛乳中Lys%含量顯著高于其他5種家畜乳；Leu%顯著高于馬、山羊、牦牛和水牛乳，與駝乳無顯著差異。牦牛乳中Pro%顯著高于駝乳、山羊乳、水牛乳、牛乳和馬乳。水牛乳中Glu%顯著高于其他5種家畜乳。山羊乳中Thr%、Val%、Phe%和Trp%顯著高于其他家畜乳，其中Trp%約為其他5種家畜乳的1.21.5倍，牛乳含量最高，駝乳和馬乳次之，牦牛乳最低。駝乳中Met%、IIe%和Leu%含量高于其他家畜乳。馬乳中His%、Asp%、Ala%和Arg%顯著高于其他5種家畜乳

14、，Ser%顯著高于水牛、牛和牦牛乳，與山羊乳無顯著差異。人乳中Trp%、Gly%、Cys%和Tyr%高于6種家畜乳。表2六種家畜和人乳氨基酸百分含量(氨基酸/總氨基酸)單位:%Table2Aminoacidspercentageofsixanimalsandhumanmilk(AA/TAA)注：物種間無顯著差異(P=1.000)家畜乳和人乳AA%的PCA結(jié)果見圖1-a。6種家畜乳樣在三維空間自然聚類的距離遠(yuǎn)近符合物種分類學(xué)規(guī)律。牛、牦牛、水牛和山羊乳4種?？凭垲愅粎^(qū)域(主因子1和主因子2相區(qū))，而馬乳和駝乳分布在另外2個(gè)區(qū)域：同屬偶蹄類的駝乳樣品在主因子1軸下側(cè)與?？苿游飳?yīng)，但距離較遠(yuǎn)；馬

15、乳分布在偶蹄類對面，距離較遠(yuǎn)。人乳空間投射點(diǎn)距家畜乳聚類群較遠(yuǎn)，相對而言人乳與馬乳最接近，說明不同物種乳樣的AA特征存在顯著差異。主因子1集合的AA共性(聚類貢獻(xiàn))僅為44.6%，而主因子2和3分別為16.9%和10.3%，說明動物乳中AA間的相關(guān)性并不大。由圖1-b可知不同乳樣的特征氨基酸，人乳為Trp、Cys、Asp和Arg，馬乳為Ala和His，駝乳為Ile和Leu，山羊乳為Ser和Phe，牛乳為Lys，牦牛乳為Pro，水牛乳為Glu，與AA%的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致。2.2六種家畜乳必需氨基酸模式分析6種家畜乳和人乳EAA模式值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3，所有乳樣EAA模式值的PCA結(jié)果見圖2。6

16、種家畜和FAO/WHO發(fā)布的混合人乳EAA模式值均值配伍方差分析差異極顯著(P0.01)。家畜乳EAA中含硫氨酸(Met+Cys)模式值最接近人乳，其他EAA值均高于人乳。從EAA模式值的總均值來看，山羊(4.57)和馬乳(4.63)最接近人乳(3.14)，其他動物乳EAA模式值均值為人乳的1.82.2倍。a-得分向量圖；b-根向量圖圖1六種家畜和人乳氨基酸PCAFig.1PCAofaminoacidsofdifferentspeciemilkEAA模式值PCA結(jié)果顯示，6種家畜乳相對集中，與人乳距離遠(yuǎn)，說明人乳EAA模式與動物乳差異大。主因子1集合了EAA共性為89.9%，說明EAA相關(guān)性較

17、大，而主因子2僅聚集了7.8%的EAA共性。在主因子1軸上，山羊乳、馬乳與人乳分布距離最接近，其次是牛乳、駝乳、水牛乳和牦牛乳，與EAA模式的配伍方差分析結(jié)果一致，也與EAA模式值的總均值分析結(jié)果一致。顯然PCA結(jié)果更直觀。6種家畜乳和人乳中9種EAA的構(gòu)成比例由高到低依次為Leu、Phe+Tyr、Lys、Val、Ile、Thr、His和含硫氨酸，其中含量較少的EAA有Trp和含硫氨酸，屬于限制性AA。表3六種家畜乳和人乳的氨基酸模式Table3Aminoacidpatternsinsixlivestockmilkandhumanmilk注：對乳樣的EAA模式進(jìn)行配伍方差分析，同行不同小寫字母

18、間差異極顯著(P0.01)圖2六種家畜乳和人乳的氨基酸模式PCAFig.2PCAofaminoacidpatternsinsixlivestockmilkandhumanmilk2.3六種家畜乳SMICA模型的建立及判別家畜乳AA構(gòu)成和EAA模式的PCA均證明家畜乳AA構(gòu)成存在顯著的物種特異性，乳樣的自然聚類符合這些哺乳動物物種分類學(xué)親緣關(guān)系。但PCA實(shí)際上不是分類和判別分析的專用工具，因此本研究進(jìn)一步利用家畜乳AA%數(shù)據(jù)建立了SIMCA判別模型(圖3)，對6種家畜乳進(jìn)行有監(jiān)督的聚類分析，物種判別模型效果見圖3-a。6種家畜乳樣在SIMCA模型圖中的聚類符合物種親緣遠(yuǎn)近。牛、牦牛、水牛和山羊乳

19、4種?？萍倚笕榈脑茍D分布于同一相區(qū)，共同聚類于三維圖右上方；同為偶蹄類的駝乳聚集在PC1軸對面，但與?？苿游锞垲惡苓h(yuǎn)。而馬屬動物的蒙古馬乳聚類云出現(xiàn)在三維圖左側(cè)(PC1軸負(fù)值側(cè))，與偶蹄類對應(yīng)，距離較遠(yuǎn)。總之，SIMCA結(jié)果與PCA一致，但作為有監(jiān)督的聚類和判別分析方法，SIMCA的效果更好。a-牛乳、馬乳、駝乳、山羊乳、牦牛乳、水牛乳；b-人乳圖3不同物種乳樣氨基酸的SIMCA模型Fig.3AminoacidfingerprintSIMCAmodelofmilksamplesofdifferentspeciesSIMCA模型內(nèi)部驗(yàn)證和外部驗(yàn)證的樣本集及驗(yàn)證結(jié)果見表4。用55份乳樣平行測定結(jié)果

20、建立的模型逐一對每個(gè)樣品判別，即內(nèi)部驗(yàn)證，結(jié)果準(zhǔn)確率為100%；多次隨機(jī)抽出一部分樣品數(shù)據(jù)，用剩余的樣品建立模型，再對未建模樣品進(jìn)行判別，即外部驗(yàn)證，累計(jì)進(jìn)行了221個(gè)樣品，共判別正確205個(gè)，判別正確率為92.76%，外部驗(yàn)證錯(cuò)誤出現(xiàn)在?？苿游锶榈呐袆e中，其中牛判別錯(cuò)誤最少(表4)。將人乳樣品放入SIMCA模型進(jìn)行外部驗(yàn)證，人乳判別為“0”，判別圖周圍未出現(xiàn)任何動物乳聚類云(圖3-b)，即未被判別為任何一類動物乳序號(判斷正確)，進(jìn)一步證明其AA構(gòu)成與6種家畜乳都不符合。表4SIMCA驗(yàn)證內(nèi)部和外部模型Table4InternalandexternalverificationonSIMCAm

21、odel注：-表示人乳不參與建模3討論蛋白質(zhì)和肽存在的物種特異性，不僅取決于蛋白質(zhì)的AA排列順序，更取決于蛋白質(zhì)復(fù)雜的四級空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的18種AA，在不考慮其排列順序和基因決定的排列規(guī)律的情況下，也存在顯著的物種特異性。動物和植物蛋白AA構(gòu)成差異很大，因此營養(yǎng)價(jià)值的差異也很大。而親緣非常相近的動物，尤其是不同動物乳蛋白水解產(chǎn)生的AA構(gòu)成也存在很大的物種差異,按目前的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)和營養(yǎng)學(xué)評價(jià)，較難說哪種動物乳蛋白或AA的營養(yǎng)價(jià)值更高。即便是存在差異，也不能被很好地觀測和表達(dá)。不同家畜乳蛋白含量(TAA含量)顯著不同，顯然其AA絕對含量差異很大，但蛋白質(zhì)的主要營養(yǎng)價(jià)值取決于其AA的比例構(gòu)成

22、，決定于EAA模式，實(shí)際取決于其是否已接近人體的需要模式13-14。因此按照人乳的EAA模式進(jìn)行評價(jià)比較貼切。化學(xué)計(jì)量學(xué)理論及軟件分析技術(shù)的發(fā)展使得多指標(biāo)、數(shù)據(jù)組和數(shù)據(jù)矩陣等大數(shù)據(jù)潛藏規(guī)律和模式的直觀分析有了無限可能，也有必要對乳蛋白AA指紋特征展開新一輪的研究和評價(jià)，為乳及乳品，以及其他食物營養(yǎng)價(jià)值評價(jià)，完整性和真實(shí)性判別引入新策略、原理和方法。本研究發(fā)現(xiàn)6種家畜乳AA絕對含量存在極為顯著的物種差異，家畜乳TAA含量為FAO/WHO混合人乳的1.75.4倍；EAA/TAA和EAA/NEAA分別在41.75%、71.86%以上，高于FAO/WHO發(fā)布的理想蛋白標(biāo)準(zhǔn)12，因此按照傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)AA

23、評價(jià)指標(biāo)，各種動物乳蛋白都是優(yōu)質(zhì)蛋白。不同家畜乳AA%整體相近，配伍方差分析無顯著差異，這與高玎玲等15研究結(jié)果一致。PCA可直觀看到不同家畜乳在三維空間自然聚類符合物種分類學(xué)規(guī)律，牛、牦牛、水牛和山羊乳4種?？凭垲愅粎^(qū)域，馬乳和駝乳遠(yuǎn)遠(yuǎn)分布在另外2個(gè)區(qū)域。人乳空間投射點(diǎn)距家畜乳聚類群較遠(yuǎn)，說明人乳和家畜乳AA存在顯著差異，這與ROUCHER等16傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析研究結(jié)果一致，但PCA更加直觀。郭軍等2、高玎玲等15和孫慧陽17研究團(tuán)隊(duì)分別報(bào)道了乳AA的PCA可區(qū)分物種，但并未觀察到以AA聚類可達(dá)到符合物種分類學(xué)規(guī)律的效果。明確了乳AA存在種屬差異，挖掘其AA的具體差異就更加明朗了，傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)不太

24、確定的規(guī)律也可得到PCA的印證。乳中氨基酸組成比例存在種屬特性，PCA和SIMCA分析根向量圖(載荷圖)及分析軟件中的“建模能力”都可直接觀察到每種家畜乳的特征AA：山羊乳為Thr、Val、Trp和Phe，其Trp最接近人乳；馬乳為His、Asp、Ala、Ser和Arg；駝乳為Met、IIe和Leu；牛乳為Lys，且與描述性統(tǒng)計(jì)相互印證。古麗巴哈爾卡吾力等18和李文婓等19檢測馬、駝、牛和山羊乳蛋白AA，并進(jìn)行了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。聚類分析和描述性統(tǒng)計(jì)，各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者雖然直觀，但適合多分類樣本研究，不適合單個(gè)樣品及單因素分析。氨基酸的營養(yǎng)價(jià)值不僅取決于“量”的水平，同時(shí)還受EAA所占比例等“質(zhì)”的影響。家畜乳EAA模式與人乳EAA模式越接近，蛋白質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值相對較高13。PCA發(fā)現(xiàn)山羊和馬乳EAA構(gòu)成最接近人乳，說明其EAA被機(jī)體利用程度高于其他4種家畜乳，這可能是山羊乳乳清蛋白、馬乳酪蛋白與人