草魚魚鱗膠原蛋白肽的制備及分析

鉏曉艷，熊光權，李新，耿勝榮，于巍，江洪有，廖濤

（湖北省農業科技創新中心/湖北省農業科學院農產品加工與核農技術研究所/湖北省農產品輻照工程技術中心，湖北武漢430064）

我國是世界上最大的淡水魚養殖國，隨著淡水魚類加工業的快速發展，加工過程中產生大量的廢棄物，如魚鱗。通常魚鱗加工利用程度很低，絕大部分被直接丟棄，不僅嚴重污染了環境，而且造成了資源的浪費。其實，魚鱗富含膠原蛋白，從中提取膠原蛋白肽不僅能夠充分利用資源，提高魚類加工的附加值，而且可以減少環境污染，對促進魚類加工業的良性發展具有重要意義。

膠原蛋白，是結締組織中極其重要的一種結構蛋白，是動物體內含量最多、分布最廣的蛋白質，約占體內蛋白質總量的25%～30%[1]。膠原蛋白分子量很大需經過生物技術降解至分子量到500 D～2500D 范圍，人體才能有效吸收[2]。目前，國內魚鱗膠原蛋白肽的開發尚處于起步階段，相關研究主要集中在膠原蛋白肽的提取工藝和提取方法等方面。膠原蛋白肽的提取和降解，依據提取介質的不同可以分為3 種：即熱水提取[3-4]、酸法提取[5]、堿法提取[6]等。此外，還有酸、堿結合熱水提取等。上述方法普遍存在提取周期長，提取率不高，以及酸、堿等廢液排放對環境造成影響等問題。因此，本研究旨在利用淡水魚副產品-魚鱗，通過優化酶解提取過程，減少酸堿使用量，制備小分子膠原蛋白肽產品，并獲得其相關性狀指標。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料

草魚魚鱗由武漢市武商量販提供。

1.1.2 試劑

木瓜蛋白酶（sigma 分裝，酶活0.1 kat/g），蛋白質標樣（分子量為10 ku～100 ku）購自德國Thermo Scientific公司，其他試劑為國藥分析純。

1.1.3 主要儀器與設備

微量移液器：德國eppendorf；DYCZ-24DN 型雙垂直電泳槽、DYY-6C 穩壓穩流電源：北京六一；氨基酸自動分析儀：日立L-8800；2695 型凝膠滲透色譜儀：美國waters。

1.2 方法

1.2.1 魚鱗膠原蛋白肽的提取工藝

草魚魚鱗→清洗陰干→脫雜蛋白→脫鈣→酶解→脫腥脫苦→分級納濾→冷凍干燥→膠原蛋白肽干粉

1.2.2 草魚魚鱗的脫鈣與羥脯氨酸溶出率的測定

準確稱取1.0 g 脫雜清洗烘干的魚鱗于250 mL 錐形瓶中，平行3 份，以1 ∶60（g/mL）料液比分別加入0.6 mol/L 醋酸溶液、0.6 mol/L 鹽酸溶液、0.6 mol/L 檸檬酸溶液，放在搖床上25 ℃恒溫脫鈣24 h，搖床轉速150 r/min。脫鈣充分后，參考GB-T 5009.92-2003《食品中鈣的測定》[8]的方法測定溶液中的鈣含量，并按如下公式計算脫鈣率：法進行計算。脫鈣充分后，羥脯氨酸按照GB/T 9695.23-2008《肉與肉制品羥脯氨酸含量測定》[9]中的方法進行測定，得到溶液中溶出的羥脯氨酸含量（μg/mL）。

1.2.3 草魚魚鱗酶解條件的優化

為了獲得酶解最佳條件，我們設計了5 因素4 水平的正交試驗。分別為酶解溫度（℃）50、55、60、65；酶添加量（%，質量分數）2、4、6、8；酶解時間（h）1、2、3、4；pH5、5.5、6、6.5；料液比1 ∶10、1 ∶20、1 ∶30、1 ∶40。取2 g魚鱗，按表1 進行處理。得到的酶解液根據甲醛滴定法[10]進行水解度的測定。

1.2.4 草魚魚鱗膠原蛋白肽的分子量測定

我們采用Tricine-SDS-PAGE 凝膠電泳法[11-12]，對得到的膠原蛋白肽的分子量范圍進行測定。采用垂直板式電泳槽，12%的分離膠與4%濃縮膠，標準蛋白質加樣量為10 μL，待測樣加樣量為20 μL。先在60 mV的電壓下電泳，待樣品進入分離膠后，再將電壓調整至100 mV 左右，當溴酚蘭指示帶接近膠底1 cm 時，停止電泳。小心將凝膠取下，用5%戊二醛固定1 h，置于染色容器中染色5 h～6 h，再用脫色液脫色1 h。

為進一步明確其分子量，我們用凝膠滲透色譜法[13]具體測定了獲得的膠原蛋白肽的分子量。配制1 000 mL的0.1 mol/L 磷酸氫二鈉溶液，其中含8 g 疊氮化鈉，用磷酸二氫鈉調節pH 至8.0，取500 mL 作為儲備液。另取500 mL 儲備液稀釋至2 000 mL 作為淋洗液。進樣量為100 μL，溶劑為水-0.2M 硝酸鈉，淋洗液流速為0.6 mL/min。標樣為聚乙烯乙二醇，柱子溫度40 ℃，檢測器溫度40 ℃。

1.2.5 草魚魚鱗膠原蛋白肽氨基酸測定

根據GB/T 5009.124-2003《食品中氨基酸的測定》[14]方法進行魚鱗膠原蛋白肽的前處理，自動氨基酸分析儀測定其水解氨基酸種類及含量。

2 結果與分析

2.1 不同試劑對魚鱗脫鈣效果及羥脯氨酸溶出率的影響

不同試劑對魚鱗脫鈣效果及羥脯氨酸溶出率的影響見圖1。

圖1 不同試劑處理魚鱗的脫鈣率及羥脯氨酸溶出率Fig.1 Effect of different reagents on decalcification rate and hydroxyproline dissolution rate of fish scales

由圖1 結果可知，3 種酸比較，鹽酸脫鈣效果最好，檸檬酸次之，醋酸再次之。但是此結果與EDTA 二鈉的脫鈣結果相比，沒有優勢。醋酸和檸檬酸的脫鈣效果較差，不適合工業生產。另一方發面，羥脯氨酸是魚鱗膠原蛋白肽中的特征氨基酸，它在上清液中的濃度表征膠原蛋白的溶出及損失。圖1 結果顯示，檸檬酸處理魚鱗后，上清液中羥脯氨酸濃度最高，即膠原蛋白損失最多。醋酸處理的魚鱗雖然溶液中羥脯氨酸濃度較低，膠原蛋白損失較少，但其脫鈣效果差，所以不適用于生產。就實驗結果而言，使用EDTA 二鈉處理魚鱗，不但脫鈣效果最好，且上清液種羥脯氨酸濃度較低，說明處理過程中膠原蛋白損失較少，是較好的脫鈣試劑。

2.2 草魚魚鱗酶解條件的優化（5 因素4 水平正交試驗）

草魚魚鱗酶解條件優化結果見表1。

表1 酶解正交試驗L16（54）及結果Table 1 Orthogonal experiment L16（54）of enzymolysis and results

根據表1 水解度和K 值結果，酶解溫度60 ℃、酶添加量8%、酶解時間2 h、pH 5.0、料液比1 ∶30（g/mL）時，水解度最高。R 值結果顯示，酶解溫度、酶解時間、料液比是影響酶解效果的主要因素，酶添加量和pH為次要因素。此外，對水解度較高的三組數據進行了t-test 成對檢驗，結果表明，實驗15 的處理結果與優于實驗10 的處理結果，差異顯著（p＜0.05）。實驗12 的處理結果雖然平均值較高，但與實驗15 和實驗10 的結果相比，無顯著性差異，可能由于其本身結果偏差較大的緣故。

2.3 草魚魚鱗膠原蛋白肽分子量的測定

膠原蛋白肽分子量結果見圖2～圖3 和表2。

圖2 正交試驗中實驗9-15 所得酶解液的Tricine-SDS-Page電泳結果Fig.2 Tricine-SDS-Page electrophoresis results of enzymatic hydrolyzates of test 9-15 in Orthogonal experiment L16（54）

圖3 凝膠滲透色譜的測定結果Fig.3 Results from Gel permeation chromatography measurement

表2 草魚魚鱗膠原蛋白肽的分子量結果Table 2 Molecular weight of fish scale collagen peptide from Grass carp

我們對正交實驗（表1）中所得到的膠原蛋白肽進行了Tricine-SDS-Page 電泳，其中實驗9-16 的電泳結果見圖2，結果表明，有基團較小的蛋白質條帶出現（圖2 箭頭處），其分子量遠低于10 ku。為了進一步明確這個蛋白質基團的分子量，我們用凝膠滲透色譜進行具了體測定，表2 結果顯示，酶解后粉末中主要是這種小分子蛋白，分散度小、分子量均一，其峰值分子量和數勻分子量均低于500 u。圖3（橫坐標為出峰時間，縱坐標為電信號值表征出峰強度）結果顯示，膠原蛋白肽出峰良好，峰形對稱，無拖尾和鼓包現象，主要分子量集中在454 u。

2.4 草魚魚鱗膠原蛋白肽的氨基酸分析

為了弄清魚鱗膠原蛋白肽的氨基酸組成，我們進行了水解氨基酸分析，結果見表3。

表3 草魚魚鱗及其膠原蛋白肽的氨基酸含量及比例Table 3 Amino acid content and proportion of Grass carp fish scale and its collagen peptide

表3 顯示，魚鱗膠原蛋白肽中甘氨酸、丙氨酸、羥脯氨酸、精氨酸、天冬氨酸的含量較高。除了酪氨酸和胱氨酸的含量較低外，其余16 中氨基酸均超過膠原蛋白肽總重的1%，共占氨基酸含量的99.07%。草魚魚鱗中氨基酸的含量占魚鱗總重的31.19%，其中甘氨酸、羥脯氨酸、脯氨酸、谷氨酸、丙氨酸，精氨酸、天冬氨酸、絲氨酸、亮氨酸的含量較高，均超過魚鱗總重的1 %，占魚鱗氨基酸總含量的83.44%。

3 討論與結論

由于酸堿脫鈣處理會造成環境負擔，因此本研究采用EDTA 二鈉處理魚鱗。EDTA 二鈉是優良的絡合劑（螯合劑），可以有效螯合多種金屬離子（如，鈣、鎂、鐵、鉛、銅、錳等）。本實驗結果表明相對于酸處理來說，EDTA 二鈉不但能高效脫鈣還能減少魚鱗膠原蛋白肽的特征氨基酸-羥脯氨酸的溶出率，是魚鱗脫鈣前處理的較理想試劑。

在酶種類的選擇上，本研究前期結果顯示，胃蛋白酶由于作用pH 較低，導致制備的膠原蛋白肽酸苦味重，后處理困難。因此本研究以木瓜蛋白酶作為實驗用酶，優化酶解條件，將人體難以消化吸收的魚鱗膠原蛋白定向剪切成小分子活性肽。結果表明，最佳酶解條件為：酶解溫度60 ℃、酶添加量8%、酶解時間2 h、pH 5.0、料液比1 ∶30（g/mL）。獲得的膠原蛋白肽分子量均一，分散度小，平均分子量在500 u 左右。魚鱗經木瓜蛋白酶酶解后，氨基酸絕對含量上升，但組成變化不大，其中主要含有甘氨酸、丙氨酸、羥脯氨酸等。

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