木瓜蛋白酶酶解海蜇腦蛋白工藝的優化

程水明，趙俊仁（等）

摘要：為探討木瓜蛋白酶酶解海蜇（Rhopilema esculentum）腦蛋白質的最佳工藝，考察了酶解溫度、酶用量、固液比、酶解時間、pH對海蜇腦蛋白酶解的影響，通過單因素試驗、正交試驗優化了工藝參數。結果表明，以酶用量3 000 U/g、pH 5、酶解溫度45 ℃、固液比1∶4、酶解2 h為最優酶解參數組合，驗證試驗得到蛋白質平均水解度為50.11%，表明該優化工藝可行。

關鍵詞：海蜇（Rhopilema esculentum）；蛋白質酶解；木瓜蛋白酶；正交試驗

中圖分類號：TS254.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）07-1649-05

Optimizing Enzymolysis Process of Protein from Jellyfish Brain via Papain Protease

CHENG Shui-ming，ZHAO Jun-ren，WANG Chun，LIANG Jian-tao，ZHANG Qing

（College of Chemistry and Life Science， Guangdong University of Petrochemical Technology， Maoming 525000， Guangdong， China）

Abstract： The optimal technology for enzymolysis of jellyfish（Rhopilema esculentum） brain protein by papain protease was investigated. Effects of enzymolysis temperature， the amount of added enzyme， solid/liquid ratio， enzymolysis time and pH on the enzymolysis of total protein were studied through single factor experiments. Technical parameters were optimized by orthogonal experiments. The results showed that the amount of added enzyme of 3 000 U/g， pH 5， enzymolysis temperature of 45 ℃， solid/liquid ratio of 1∶4 and the amount of added enzyme time for 2 h were the optimal combination of parameters for the enzymolysis. The average degree of hydrolysis obtained from the verification tests was 50.11%， indicating that the optimized results of the orthogonal experiment were workable.

Key words： jellyfish （Rhopilema esculentum）； protein enzymolysis； papain protease； orthogonal experiment

海蜇（Rhopilema esculentum）俗稱鲊魚、海蛇，屬于根口水母科（Rhizootomatidae）、海蜇屬（Rhopilema）的無緣膜動物，廣泛分布在我國南海、東海、黃海和渤海，具有較高的營養價值和藥用價值，營養豐富，脂肪含量低，蛋白質和無機鹽類等的含量豐富[1-4]，含有不飽和脂肪酸AA、EPA和DHA等[5]。可治療高血壓、支氣管炎、淋巴結核等病癥。海蜇中所含的活性物質，如功能蛋白、多糖等有很好的保健作用，具有改善皮膚彈性、清除自由基、促進新陳代謝等功效[6-9]。

我國海蜇年產量達70萬t[10]，主要作為涼拌食品，加工食用海蜇主要利用其傘部，非食用部分占總體的28%，被用于生產魚粉供水產和陸地畜禽養殖，但由于加工技術落后，不但產品得率和附加值低，而且嚴重污染近海水域[11]。非食用部分直接丟棄而未被利用，會造成更為嚴重的資源浪費和環境污染。海蜇廢棄物（腦）蛋白質含量很高（約為腦干重的60%），且生長在特殊環境（高鹽、高壓、低氧和低光照），其蛋白質氨基酸組成或序列都與陸地生物蛋白質有很大不同。所含生物活性物質可能具有潛在的抗癌、抗病毒和抗衰老等作用，可作為人類治療疾病藥物的理想候選材料[12，13]。如采用生物工程手段對這些廢棄物進行酶控水解、膜分級、分離提取、純化等，精制成肽類產品及魚用蛋白質，用作食品添加劑、蛋白強化劑或用作研制藥物和功能食品的原料，既可解決資源浪費和環境污染問題，又可開發利用海蜇生物蛋白質資源。

本研究主要通過酶解條件控制，探討木瓜蛋白酶酶解海蜇腦的主要工藝參數，為后續開發和利用海蜇資源，作為藥用或功能性食品提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

海蜇腦采自廣東省茂名市電白縣博賀港，將新鮮海蜇腦洗凈，用組織勻漿機勻漿處理，置于-4 ℃冰箱中保存備用；木瓜蛋白酶（500 000 U/g）購自廣西省龐博生物工程有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 酶解試驗流程 海蜇腦漿→鼓風干燥→海蜇腦粉→混漿→分離純化蛋白質（超聲波輔助提取）→鼓風干燥→測定總蛋白質含量→木瓜蛋白酶酶解→考馬斯亮藍法測定蛋白質含量→計算水解度。

1.2.2 蛋白質超聲波輔助提取總蛋白質 在料液比1∶1（質量比），功率200 W，超聲處理時間10 s，其間靜置15 s，超聲次數為100次，分4組，每組間隔5 min，該過程均在冰浴中進行。料液在12 000 r/min下離心10 min，取上清液置于70 ℃下滅活1 min，移入錐形瓶中，按1∶4（體積比）加去離子水，攪拌均勻，調pH為9，放入4 ℃冰箱中堿液（用NaOH調節反應液pH為6.5）提取12 h。取上清液3 000 r/min離心10 min，將離心后上清液轉入干凈錐形瓶，調pH為6.5，加飽和硫酸銨（74.5%），攪拌均勻后靜置10 min，4 000 r/min離心15 min，得到沉淀物，干燥，稱重，采用考馬斯亮藍法測定總蛋白質含量[14，15]。

1.2.3 酶解終點判斷 采用雙縮脲法進行酶解終點的確定[4]。酶解后取樣進行雙縮脲反應，根據溶液顏色變化確定海蜇腦蛋白酶解終點。具體操作：在錐形瓶內加入2 mL 0.1 mol/L NaOH溶液，振蕩后加入3～4滴CuSO4溶液，振蕩、觀察；水解液為紫色表明海蜇腦蛋白水解不完全；水解液顏色無變化，則海蜇腦蛋白水解完全，可判斷此為水解終點。

1.2.4 水解率計算 利用分光光度法（波長595 nm）測定并繪制牛血清蛋白溶液標準曲線，求出回歸方程。根據回歸方程計算酶解清液中蛋白質含量，按照下列公式求出水解率[16]。

水解率Q=■×100%

式中， X2為蛋白質總重量（g），X3為酶解后蛋白質重量（g）。

1.3 影響蛋白質酶解的單因素試驗

1.3.1 酶用量 取5 g蛋白質粉置于錐形瓶中，按 1∶4（m∶V，下同）加入去離子水，pH為7，酶解溫度60 ℃，加入木瓜蛋白酶。酶用量分別為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 U/g，酶解時間4 h。

1.3.2 酶解溫度 取5 g蛋白質粉置于錐形瓶中，按1∶4加入去離子水，在pH為7，酶解溫度為45、50、55、60、65 ℃，酶用量為4 000 U/g的條件下酶解4 h。

1.3.3 pH 取5 g蛋白質粉置于錐形瓶中，按1∶4加入去離子水， 調節pH為5、6、7、8、9， 酶解溫度60 ℃ ，酶解時間4 h，酶用量4 000 U/g的條件下酶解。

1.3.4 酶解時間 取5 g蛋白質粉置于錐形瓶中，按照1∶4加入去離子水，pH為7，酶解溫度60 ℃，酶用量4 000 U/g，酶解時間為2、3、4、5、6 h的條件下酶解。

1.3.5 固液比 在pH為7，酶解溫度60 ℃，酶解時間4 h，酶用量4 000 U/g， 固液比分別為1∶3、 1∶4、1∶5、 1∶6、 1∶7的條件下進行酶解。

以上各單因素試驗酶解結束后用70 ℃熱水1 min滅活酶，冷卻至室溫，取樣測定蛋白質含量并計算水解率。

1.4 正交試驗

在單因素試驗的基礎上，選取影響酶解的4個因素，加酶用量、pH、酶解溫度和酶解時間。以每因素4個水平，采用L16（44）正交試驗設計對海蜇腦蛋白進行酶解試驗。正交試驗因素和水平見表1。

試驗結果采用SPSS軟件進行處理，選出最佳的酶解條件。對最佳的酶解條件進行5次驗證試驗，計算水解率，取平均值。

2 結果與分析

2.1 酶用量對海蜇腦蛋白質水解率的影響

圖1結果表明，隨著木瓜蛋白酶用量的增加，海蜇腦蛋白質水解率從31.6%上升到48.5%，在木瓜蛋白酶酶用量在2 000～3 000 U/g時，海蜇腦蛋白質水解率上升幅度較大；當酶用量大于3 000 U/g后，水解率變化幅度較小。當酶用量較小時，主要為酶控反應；當酶用量過高時，由于酶本身的相互水解作用加強，會阻礙酶對底物的水解。因此，雖然酶用量為5 000 U/g時，海蜇腦蛋白質水解率達到最大值，但從成本考慮，以添加酶用量3 000 U/g為宜。

2.2 pH對海蜇腦蛋白質水解率的影響

從圖2可以看出，當pH從5增加到6時，海蜇腦蛋白質水解率從 28.0%上升到37.8%，在pH為6時達到最大值；當pH繼續增加，水解率則有所下降。這可能是由于酶的催化活性部分與海蜇腦蛋白質本身可解離基團充分解離，使酶的活性中心與蛋白質底物充分結合，將底物最大程度地轉化為水解產物，使水解率達到最大。

2.3 酶解溫度對海蜇腦蛋白質水解率的影響

由圖3可知，隨著酶解溫度從45 ℃增加到50 ℃，海蜇腦蛋白質水解率從21.4%上升到30.1%，在酶解溫度為50 ℃時，水解率達最大值；隨著溫度的繼續增加，海蜇腦蛋白質水解率則不斷下降，說明超過50 ℃后，由于溫度過高，引起木瓜蛋白酶受熱變性，使其活性開始減弱，水解率下降。因此，酶解溫度選擇50 ℃為宜。

2.4 酶解時間對海蜇腦蛋白質水解率的影響

圖4結果表明，隨著酶解時間的增加，木瓜蛋白酶對海蜇腦蛋白質水解率逐漸升高，水解率在3～4 h時增幅較大； 4 h后， 水解率增加幅度較小， 可能是隨時間延長， 酶活力逐漸下降；在酶解時間為6 h時， 水解率達到最大值，但從成本及產業化考慮， 選擇酶解時間4 h為宜。

2.5 固液比對海蜇腦蛋白質水解率的影響

由圖5可知，當固液比從1∶3轉變為1∶4時，海蜇腦蛋白質水解率增加，在固液比為1∶4時達到最大值，之后呈下降趨勢。這可能是因為隨著固液比的降低，反應體系的水分逐漸增加，從而降低了反應產物的濃度，減少了產物對酶促反應的抑制作用。但由于水解率升降范圍較小，表明固液比對水解率的影響不大。

2.6 正交試驗結果

為確定木瓜蛋白酶酶解海蜇腦蛋白質的最佳工藝條件，在單因素試驗基礎上，以蛋白質水解率為考察指標進行正交試驗。正交試驗結果見表2。

從極差R可知，酶用量對海蜇腦蛋白質水解率的影響最大，其次是酶解pH、酶解溫度、酶解時間，通過比較得出酶解海蜇腦蛋白質的最優組合為A3B1C2D1，即酶用量為3 000 U/g、pH為5、酶解溫度50 ℃、酶解時間2 h。在此工藝條件下，酶解海蜇腦蛋白質水解率為53.76%。

采用SPSS軟件對正交試驗結果進行方差分析，結果見表3。從表3可以看出，在本試驗中，酶用量和pH對海蜇腦蛋白質水解率影響均達到顯著水平，而酶解溫度和酶解時間在本試驗條件下對水解率的影響均不顯著。根據F值的大小，4個因素對水解率影響的主次順序為：酶用量>pH>酶解溫度>酶解時間，這與極差分析的結果一致。本試驗的最佳工藝組合為A3B1C2D1，在該試驗條件下，水解率為53.76%。但考慮到酶解溫度和酶解時間對水解率的影響均不顯著，故從節省時間、能源及操作方便性等角度出發，可選擇A3B1C1D1為水解條件，在此條件下對海蜇腦蛋白質進行酶解，水解率為50.11%。

2.7 驗證試驗結果

為了驗證正交試驗結果的準確性，對正交試驗分析得出的最優工藝進行了5次平行驗證試驗，水解率分別為51.76%、56.17%、53.23%、49.58%、53.76%，平均值為52.90%，均大于正交試驗中得到的水解率。說明該最佳工藝條件是合理的、可靠的。

3 結論與討論

通過單因素試驗和正交設計試驗，確定木瓜蛋白酶酶解海蜇腦蛋白質的最佳條件為酶用量3 000 U/g、pH為5、酶解溫度為45 ℃、酶解時間2 h，固液比為1∶4，在此條件下水解海蜇腦蛋白質，水解率可達50.11%。

本研究在蛋白質提取過程中使用了超聲波輔助提取法，可有效提高海蜇腦蛋白質提取效率，縮短提取時間，節約成本。超聲波能將蛋白質粉碎、液化，減少蛋白質的變性沉淀，得到優質的蛋白質[17]，安全可靠，對營養價值影響較小[18]，但在提取過程中產生的高溫會使小部分蛋白質變性[19]，因此在使用超聲提取法過程中應注意超聲處理的時間與次數。

水解率可間接反映肽得率大小。本試驗結果表明，采用木瓜蛋白酶酶解海蜇腦蛋白質可以得到較高的水解率，即海蜇腦蛋白質所得到的肽率相對較高。若要實現工業化生產，就必須考慮海蜇腦蛋白質和木瓜蛋白酶的高效利用問題，如海蜇腦蛋白質的循環利用，如何進一步利用未被酶解的海蜇腦蛋白質；應用酶的固定化技術，保持酶的催化活性，提高分子結構的穩定性，延長酶的使用期和保管期，能與反應物和產物分開，有效地控制生產過程，并能在生產中反復連續使用。

參考文獻：

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2.7 驗證試驗結果

為了驗證正交試驗結果的準確性，對正交試驗分析得出的最優工藝進行了5次平行驗證試驗，水解率分別為51.76%、56.17%、53.23%、49.58%、53.76%，平均值為52.90%，均大于正交試驗中得到的水解率。說明該最佳工藝條件是合理的、可靠的。

3 結論與討論

通過單因素試驗和正交設計試驗，確定木瓜蛋白酶酶解海蜇腦蛋白質的最佳條件為酶用量3 000 U/g、pH為5、酶解溫度為45 ℃、酶解時間2 h，固液比為1∶4，在此條件下水解海蜇腦蛋白質，水解率可達50.11%。

本研究在蛋白質提取過程中使用了超聲波輔助提取法，可有效提高海蜇腦蛋白質提取效率，縮短提取時間，節約成本。超聲波能將蛋白質粉碎、液化，減少蛋白質的變性沉淀，得到優質的蛋白質[17]，安全可靠，對營養價值影響較小[18]，但在提取過程中產生的高溫會使小部分蛋白質變性[19]，因此在使用超聲提取法過程中應注意超聲處理的時間與次數。

水解率可間接反映肽得率大小。本試驗結果表明，采用木瓜蛋白酶酶解海蜇腦蛋白質可以得到較高的水解率，即海蜇腦蛋白質所得到的肽率相對較高。若要實現工業化生產，就必須考慮海蜇腦蛋白質和木瓜蛋白酶的高效利用問題，如海蜇腦蛋白質的循環利用，如何進一步利用未被酶解的海蜇腦蛋白質；應用酶的固定化技術，保持酶的催化活性，提高分子結構的穩定性，延長酶的使用期和保管期，能與反應物和產物分開，有效地控制生產過程，并能在生產中反復連續使用。

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2.7 驗證試驗結果

為了驗證正交試驗結果的準確性，對正交試驗分析得出的最優工藝進行了5次平行驗證試驗，水解率分別為51.76%、56.17%、53.23%、49.58%、53.76%，平均值為52.90%，均大于正交試驗中得到的水解率。說明該最佳工藝條件是合理的、可靠的。

3 結論與討論

通過單因素試驗和正交設計試驗，確定木瓜蛋白酶酶解海蜇腦蛋白質的最佳條件為酶用量3 000 U/g、pH為5、酶解溫度為45 ℃、酶解時間2 h，固液比為1∶4，在此條件下水解海蜇腦蛋白質，水解率可達50.11%。

本研究在蛋白質提取過程中使用了超聲波輔助提取法，可有效提高海蜇腦蛋白質提取效率，縮短提取時間，節約成本。超聲波能將蛋白質粉碎、液化，減少蛋白質的變性沉淀，得到優質的蛋白質[17]，安全可靠，對營養價值影響較小[18]，但在提取過程中產生的高溫會使小部分蛋白質變性[19]，因此在使用超聲提取法過程中應注意超聲處理的時間與次數。

水解率可間接反映肽得率大小。本試驗結果表明，采用木瓜蛋白酶酶解海蜇腦蛋白質可以得到較高的水解率，即海蜇腦蛋白質所得到的肽率相對較高。若要實現工業化生產，就必須考慮海蜇腦蛋白質和木瓜蛋白酶的高效利用問題，如海蜇腦蛋白質的循環利用，如何進一步利用未被酶解的海蜇腦蛋白質；應用酶的固定化技術，保持酶的催化活性，提高分子結構的穩定性，延長酶的使用期和保管期，能與反應物和產物分開，有效地控制生產過程，并能在生產中反復連續使用。

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