響應面優化酶法制備芝麻餅粕ACE抑制肽研究

王振斌 劉加友 陳兵兵 馬海樂 姜美花 駱 琳

（江蘇大學食品與生物工程學院，鎮江 212013）

響應面優化酶法制備芝麻餅粕ACE抑制肽研究

王振斌 劉加友 陳兵兵 馬海樂 姜美花 駱 琳

（江蘇大學食品與生物工程學院，鎮江 212013）

以芝麻餅粕為原料酶法制備具有降血壓活性的血管緊張素轉化酶（ACE）抑制肽，在單因素試驗基礎上進行酶解條件的響應面優化，結果顯示芝麻餅粕ACE抑制肽酶法制備的最優條件為pH 8.88，酶解溫度46℃，底物質量濃度85 mg／mL，酶解時間24 min。高效液相色譜測得ACE抑制肽的IC50值3.03 mg／mL，進一步經過膜分離，發現經過堿性蛋白酶酶解后，芝麻多肽從平均相對分子質量8 949.62降低到1 721.90，其中酶解液中相對相對分子質量大于10 000的物質僅占1.65%，小于2 000的物質占73.83%，為進一步研究芝麻餅粕ACE抑制肽的制備提供參考。

響應面 芝麻餅粕 ACE抑制肽 堿性蛋白酶

芝麻（Sesamum indicum）是我國四大食用油料作物，制油后的副產品——芝麻餅粕年產量50萬t以上，資源豐富。由于對其缺乏系統研究，一直被作為家畜的飼料或農田肥料［1］，其深加工和綜合利用的程度不高，鮮見實際生產應用的報道。

楊杰等［2］通過芝麻餅粕蛋白的小鼠急性毒性試驗研究，證明芝麻餅粕蛋白作為一種優質的蛋白來源是安全的。蛋白質在人體內并不是全部以單個氨基酸形式被吸收，而以小肽、寡肽吸收，且吸收性比氨基酸強，并且小肽、寡肽具有生物活性。ACE抑制肽在結構上是一種多肽，具有降血壓［3］、免疫促進、抗凝血和抗腫瘤等功能。因此將芝麻餅粕作為優良的蛋白源制備ACE抑制肽，提高其利用率，延長芝麻產業鏈，提高產業附加值具有重要意義。

研究利用響應面優化酶法制備芝麻餅粕ACE抑制肽的條件，采用高效液相色譜和超濾分別測定最優條件下酶解液中多肽抑制ACE的IC50值和相對分子質量，為進一步研究芝麻餅粕ACE抑制肽的制備提供參考。

1 材料和儀器設備

1.1 材料及試劑

芝麻餅粕：徐州新沂吉順昌油脂科技有限公司；堿性蛋白酶：無錫杰能科生物工程有限公司；豬肺：市售；馬尿酰組氨酰亮氨酸（HHL）：Sigma公司；甲醇、乙腈，色譜純試劑：德國默克MERCK公司；馬尿酸標準品、三氟乙酸、氫氧化鈉：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器

HH－A恒溫水浴攪拌器：江蘇金壇市中大儀器廠；PHS－3C Precision pH／mv Meter：上海理達儀器廠；DL－5C離心機：上海安亭科學儀器廠；TGL－16高速臺式冷凍離心機：長沙湘儀離心機儀器有限公司；LC－20AT高效液相色譜系統：日本島津公司；ZORBAX Eclipse XEB－C18柱（4.6 mm×150 mm，5μm）：Agilent公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 芝麻餅粕主要成分分析

水分測定：直接干燥法，GB 5009.3—2010；灰分測定：高溫灼燒法，GB 5009.4—2010；總蛋白測定：凱氏定氮法，GB 5009.5—2010；粗脂肪測定：索氏抽提法，GB／T 5009.6—2003。

1.3.2 堿溶酸沉法制備芝麻餅粕蛋白質

在提取條件為NaOH濃度0.37 mol／L，提取溫度75.19℃，提取時間4.7 h，液料比25∶19，提取次數1次，經等電點法（pH 4）制備的芝麻餅粕蛋白質產品，芝麻餅粕蛋白質提取率為76.22%，蛋白的質量分數為58.76%。

1.3.3 不同蛋白酶酶解芝麻餅粕試驗

分別選用堿性蛋白酶、復合蛋白酶、胰蛋白酶、中性蛋白酶4種蛋白酶酶解芝麻餅粕蛋白，按照各蛋白酶活性加入相同活力的量，在各自推薦最適條件下進行酶解，測定酶解過程中血管緊張素轉化酶抑制率（ACEI）的變化，以此評價不同蛋白酶酶解效果。

1.3.4 芝麻餅粕ACE抑制肽的酶解工藝流程

稱取粉碎并過80目篩的芝麻餅粕（2、6、10、14、18 g），加入蒸餾水 100 mL，研究酶解溫度（30、40、50、60、70℃），pH值（7、8、9、10、11），堿性蛋白酶加量（1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 U／g），酶解時間（0、3、5、7、10、15、20、30、45、60、75、90、105、120、135、150 min）對酶解產物水解度和ACE抑制活性的影響。整個酶解過程中，用1 mol／L的NaOH溶液不斷調整保持pH的穩定，酶解結束后迅速將酶解液置入90℃水浴鍋中滅酶15 min。然后5 000 r／min離心15 min，取上清液供測定。

1.3.5 芝麻餅粕ACE抑制肽的酶解條件優化

采用Box－Bohnken中心組合試驗設計，根據單因素試驗結果分析確定因素水平，以ACEI為響應值，設計4因素3水平的響應面分析試驗。以隨機次序進行，重復2次，采用Design－Expert軟件進行響應面分析優化酶解條件，見表1。

表1 因素水平表

1.3.6 ACE的制備

參考吳瓊英［4］的研究方法。取100 g新鮮豬肺沖洗后，剔除大血管和脂肪，切碎，加入4℃的0.1 mol／L硼酸鹽緩沖溶液（pH＝8.3）1 000 mL，勻漿，在4℃、轉速為5 500 r／min離心30 min，得上清液800 mL。將上清液在冰浴條件下加入（NH4）2SO4160 g，0℃放置2 h，于4℃、轉速為5 500 r／min離心40 min，得上清液 800 mL，再在冰浴條件下，加（NH4）2SO4180 g，放置過夜。4℃、轉速為5 500 r／min離心 45 min，得到沉淀。用含 NaCl（0.3 mol／L）的0.1 mol／L硼酸鹽緩沖液（pH為8.3）溶解上述沉淀，然后在同樣的緩沖液中4℃下透析72 h，直到用10%BaCl2溶液檢測無白色沉淀為止，再次離心后的上清液在4℃下保存備用。

1.3.7 水解度計算

蛋白質的水解度（Degree of Hydrolysis，DH）采用 pH—stat法［5］。

1.3.8 酶活性的測定

采用Folin酚法，參照SB／T 10317—1999對堿性蛋白酶、復合蛋白酶、胰蛋白酶、中性蛋白酶進行活性測定。

1.3.9 ACE抑制活性與半抑制質量濃度的測定

參考吳瓊英［4］的方法進行測定。準確吸取10 μL樣品于1.5 mL離心管中，加入25μL ACE（1 ug ACE溶于10 mL的pH 8.3、0.1 mol／L的硼酸緩沖液中，該緩沖液含 0.3 mol／L NaCl），37℃保溫 5 min，隨后加入6.5 mmol／L HHL 40μL，在37℃恒溫反應30 min，然后加入1 mol／L HCl 85μL終止反應，所得反應液用于HPLC分析。用10μL pH 8.3硼酸緩沖液作空白對照試驗。HPLC條件：ZORBAX－C18柱（4.6 mm×150 mm，5μm）；檢測波長228 nm；進樣量8μL；柱溫25℃；流動相為超純水 －乙腈（80∶20，各含0.5‰三氟乙酸）；流速1.0 mL／min。計算公式見式（1）。

式中：R為ACEI—ACE抑制率／%；A為空白對照組Hip的峰面積；B為添加ACE抑制肽組Hip的峰面積。

稱取一定質量樣品配成不同質量濃度的溶液，以質量濃度為橫坐標，抑制率為縱坐標繪成圓滑的曲線，從曲線中計算 IC50值［6］。

2 討論與分析

2.1 芝麻餅粕組成

芝麻餅粕中水分、脂肪、總蛋白及灰分質量分數測定結果如表2所示。

表2 芝麻餅粕的營養成分／%

2.2 不同蛋白酶對芝麻餅粕的酶解

不同的蛋白酶具有不同的底物特異性及作用位點，因此不同的蛋白酶只能對蛋白質中的某些肽鍵進行酶解，使得酶解產物的組成、結構及其功能不同。以ACEI為指標比較了4種蛋白酶在最適條件下對芝麻餅粕的酶解效果的結果如圖1所示。

由圖1可看出，4種蛋白酶中，堿性蛋白酶對芝麻餅粕酶解制備ACE抑制肽的效果最佳，在較短時間內表現出較高的ACE抑制活性，酶解0.5 h時其ACEI質量分數為54.33%。其他3種蛋白酶均具有不同程度的酶解專一性，相較于堿性蛋白酶效果較弱一些。但是經過長時間的酶解反應后，其效果好于堿性蛋白酶。綜合考慮，后續試驗中采用堿性蛋白酶對芝麻餅粕進行酶解制備ACE抑制肽。

圖1 不同蛋白酶酶解芝麻餅粕ACEI與時間變化

2.3 單因素對水解度和ACE抑制率的影響

2.3.1 酶解時間對水解度和ACE抑制率的影響

稱取芝麻餅粕10 g，加入蒸餾水100 mL，在pH 8.0、50℃，加酶量為3 000 U／g的條件下，研究酶解時間對DH及ACEI的影響。就酶解時間對芝麻餅粕ACE抑制肽制備過程中水解度變化的影響而言，從圖2可以看出，隨著酶解時間的延長，DH呈逐漸增大的趨勢，其中酶解最初30 min內，DH增大速率較大，30 min時其DH為17.62%，45 min后開始DH變化遲緩，逐漸趨于穩定。分析其原因，是由于在酶解初始階段，蛋白質分子中可斷裂的肽鍵較多，酶解速度快；而隨著酶解時間的繼續延長，可酶解的肽鍵減少的同時，產生的新物質與底物存在競爭性抑制作用導致，酶解速度減緩，DH趨于穩定。

圖2 芝麻餅粕DH及ACEI隨酶解時間的變化

從圖2可看出未酶解（0 min時）的芝麻餅粕也具有較低的活性，其ACEI為3.54%。張婷［7］等在研究厚殼貽貝酶解物的研究時也發現未酶解時含有較低的活性（1.03%）。可能原因是榨油過程易引起芝麻蛋白質的變性，降解生成具有ACE抑制活性的多肽，當底物中加入堿性蛋白酶后，酶解液的ACEI迅速上升，20 min時即達到最大值56.12%，繼續酶解ACEI趨于穩定，再緩慢下降趨勢。可能是在酶解初始階段，作為底物的芝麻餅粕質量濃度高，使得具有活性的小分子ACE抑制肽釋放出來的速度較快，從而表現出ACEI的迅速增大；反應到一定時間時，其活性物質的生成速率與活性物質降解為無活性物質的速率達到平衡，ACEI趨于穩定；隨著反應的進一步進行，底物質量濃度降低，同時產物質量濃度提高，影響酶與底物的有效結合，加之具有活性的ACE抑制肽進一步被酶解成低活性或無活性肽片段，因此ACEI有所下降。

2.3.2 pH對水解度和ACE抑制率的影響

酶活性部位的基團對反應體系的pH變化比較敏感。pH變化導致酶分子的構象及酶分子與底物分子解離狀態的變化，從而影響酶與底物的結合而影響反應。稱取芝麻餅粕10 g，加入蒸餾水100 mL，50℃，加酶量為3 000 U／g，酶解20 min，研究 pH對DH及ACEI的影響，其酶解過程中DH及ACEI的變化趨勢見圖3。

圖3 pH對DH及ACEI的影響

如圖3所示，pH低于10.0時，芝麻餅粕DH呈上升趨勢，但pH高于10.0后，DH隨pH的升高而下降。而對于ACEI的影響，pH呈現最佳效果與DH時有所差異，pH為9.0時最高，達到59.64%，大于9.0后迅速下降。另外，DH和ACEI沒有直接的線性關系。這可能是因為DH與具有ACE抑制活性的肽段序列沒有直接的線性關系，不同DH時產生不同序列、不同大小的ACE抑制肽，導致不同的ACE抑制活性。

2.3.3 酶解溫度對水解度和ACE抑制率的影響

稱取芝麻餅粕10 g，加入蒸餾水100 mL，pH 9.0，加酶量為3 000 U／g，酶解20 min，研究酶解溫度對DH及ACEI的影響，其酶解過程中DH及ACEI的變化趨勢如圖4所示。

圖4 酶解溫度對DH及ACEI的影響

隨著酶解溫度的提高，芝麻餅粕DH呈上升趨勢，在60℃達到最大值20.66%；當溫度繼續上升時，DH迅速下降。雖然ACEI與DH達到最大值時的溫度不一樣，但是變化趨勢相似，在50℃達到最大值，其質量分數為59.23%；當超過此溫度時，ACEI反而下降。這是因為隨著酶解溫度的提高，酶的活力增強，同時物質的擴散速度增加，從而表現出酶解速度加快，DH及ACEI增大；繼續升高溫度，酶的變性幾率增大，活力下降，且很多雜質也會被提出。為獲得高活性的芝麻餅粕ACE抑制肽，選50℃為最適溫度。

2.3.4 底物質量濃度對水解度和ACE抑制率的影響

分別稱取 2、6、10、14、18 g芝麻餅粕，加入蒸餾水 100 mL，50℃，pH 9.0，加酶量為 3 000 U／g，酶解20 min，研究底物質量濃度對DH及ACEI的影響。

圖5 底物質量濃度對DH及ACEI的影響

從圖5可以看出，其他條件相同時，當底物質量質量濃度從20 mg／mL變為60 mg／mL時，DH分別為14.06%和14.33%；當底物質量濃度繼續增大時，DH反而呈下降趨勢；底物質量濃度從20 mg／mL變為60 mg／mL時，ACEI由56.80%上升到59.35%，隨著底物質量濃度繼續增大，其ACEI呈下降趨勢。可能是在相同條件下，底物質量濃度小時，相同劑量的酶能夠充分作用于底物；而底物質量濃度過大，物料傳質受阻或多個底物分子占據酶的部分活性位點，影響酶與底物的有效接觸。考慮到生產成本以及后期分離濃縮的困難，確定85 mg／mL的底物質量濃度進行酶解較適宜。

2.3.5 加酶量對水解度和ACE抑制率的影響

稱取芝麻餅粕10 g，加入蒸餾水100 mL，50℃，pH 9.0，酶解20 min，此時觀察加酶量對DH及ACE抑制率的影響。由圖6可看出，當底物質量濃度一定時，隨著加酶量的增加，其DH逐漸增大。這可能是因為酶能夠與底物充分結合，促進酶解反應。

圖6 加酶量對DH及ACEI的影響

加酶量從1 000 U／g變化到2 000 U／g時，ACEI迅速增大，達到最大值61.77%；而加酶量繼續增大，ACEI反而略有下降。分析其原因可能是加酶量較少時，底物尚未與酶充分結合；而酶用量過大，則出現飽和現象，造成酶浪費的同時也會導致產物過度酶解的現象。此外，實際生產中宜盡量采用較低酶添加量，以降低成本；并且在較低酶添加量條件下，產物的DH易于控制；同時本試驗結果也顯示，較低的酶添加量呈現較高的活性。因此，本試驗適宜加酶量選為2 000 U／g。

2.4 芝麻餅粕ACE抑制肽制備技術的響應面優化

2.4.1 試驗設計及結果

基于單因素試驗結果分析，加酶量定為2 000 U／g，以ACEI為響應值，采用RSM法來尋求酶解最優工藝參數。Box－Behnken試驗設計及結果見表3，并利用Design－Expert對響應面試驗結果進行方差分析（見表4）。

各因素經二次多項回歸擬合后，得到ACEI（Y）與酶解時間、pH、酶解溫度、底物質量濃度4個因素的二次多項回歸方程為：

表3 響應面設計方案和試驗結果

表4 方差分析

從表4的方差分析結果可以看出，模型極顯著，失擬項不顯著，回歸模型可以用來擬合4個因素對酶解物ACEI的影響。證明回歸方程與實際數據之間具有良好的擬合性。從因素X1、X2、X3、X4對 ACEI的影響來看，方程的一次項X1、X2和X4，二次項X12、X22、X32及X42，交互項X1X3和X2X4均顯著，且影響順序依次為：pH＞酶解時間＞底物質量濃度＞酶解溫度。這說明響應值的變化十分復雜，試驗因素對響應值的影響不是簡單的線性關系，而是呈二次關系。根據回歸方程，利用Design－Expert作因子間的響應面分析圖。

通過分析計算得到酶法制備ACE抑制肽的最優條件為：酶解時間為23.85 min，pH為8.88，酶解溫度為45.69℃，底物質量濃度為8.37%，此條件下，得到的ACEI預測值為59.06%。

2.4.2 驗證試驗

為表明響應面模型的合適性和有效性，進行驗證試驗。在pH 8.88，酶解溫度為46℃，底物質量濃度為8.5%，加酶量為2 000 U／g，酶解24 min，重復3次，ACEI實測值為（57.95±0.53）%，接近模型預測值59.06%。

2.4.3 芝麻餅粕ACE抑制肽半抑制質量濃度測定

按照最優條件制備ACE抑制肽，分別稀釋2、4、8、16、32、64倍，測定不同質量濃度酶解液對ACE的抑制作用。

結果表明，芝麻餅粕酶解液對ACE活性具有一定的抑制作用，并且酶解液的質量濃度越高，對ACE的抑制作用越顯著。通過測定不同質量濃度的酶解液對HHL作用生成的馬尿酸質量分數計算出IC50值，經計算得到芝麻餅粕 ACE抑制肽的 IC50值為3.03 mg／mL。

2.4.4 相對分子質量分布分析

對堿提芝麻蛋白和芝麻餅粕酶解液的相對分子質量分布分析，結果如表5所示。

從表5中可看出堿提芝麻蛋白中相對分子質量大于5 000的物質質量分數高達78.74%，其中大于10 000的物質質量分數接近50%，平均相對分子質量為8 949.62；經堿性蛋白酶酶解后得到的酶解液中相對分子質量大于10 000的物質僅占1.65%，小于2 000的物質占73.83%，平均相對分子質量為1 721.90，說明芝麻蛋白大部分已酶解成小分子肽。

表5 堿提芝麻蛋白和芝麻餅粕酶解液的相對分子質量分布／%

3 結論

在堿性蛋白酶水解芝麻餅粕單因素試驗基礎上，采用響應面設計進行試驗優化，確定最優酶解條件為pH 8.88，酶解溫度46℃，底物質量濃度85 mg／mL，加酶量2 000 U／g，酶解 24 min，在此條件下ACEI實測值為（57.95±0.53）%。按照最佳酶解條件制得的芝麻餅粕酶解液對ACE活性具有一定的抑制作用，經計算得出芝麻餅粕ACE抑制肽的IC50值為3.03 mg／mL。堿提芝麻蛋白中相對分子質量大于5 000的物質質量分數高達78.74%，其中大于10 000的物質質量分數接近50%，平均相對分子質量為8 949.62；經堿性蛋白酶酶解后得到的酶解液中相對分子質量大于10 000的物質僅占1.65%，小于2 000的物質占73.83%，平均相對分子質量為1 721.90，說明芝麻蛋白大部分已酶解成小分子肽。為以后進一步研究芝麻餅粕ACE抑制肽的制備提供參考。

［1］王長平，付鈞鈞，薛勇，等.芝麻餅營養特性及其在養雞生產中的應用［J］.中國家禽，2010，13（32）：44－46

［2］楊杰，董英，邵元龍.芝麻餅粕蛋白急性毒性試驗研究［J］.食品科技，2009，8（34）：68－70

［3］皇家音，朱禹潔，沈金玉.降血壓肽研究進展［J］.食品與發酵工業，2006，6（32）：81－86

［4］吳瓊英.降血壓發酵乳的制備及其性能研究［D］.鎮江：江蘇大學，2004

［5］Nissen J A.Enzymatic hydrolysis of food protein［M］.New York：Elsevier Applied Science Publisher，1986

［6］Roy M K，Watanabe Y，Tamai Y.Yeast protease B－digestd skim milk inhibits angiotensin－I－enzyme activity［J］.Biotechnol Appl Biochem，2000，31：95－100

［7］張婷.厚殼貽貝酶解物的制備及其降血壓肽的分離純化［D］.杭州：浙江工商大學，2009.

The Response Surface Optimizate Preparation of Sesame Dregs’Ace Inhibitory Peptides with Enzyme

Wang Zhenbin Liu Jiayou Chen Bingbing Ma Haile Jiang Meihua Luo Lin

（School of Food and Biological Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013）

The angiotensin－I－converting enzyme（ACE）inhibitory peptides have been prepared from sesame dregs by enzyme hydrolysis.The conditions of enzyme hydrolysis were optimized by Response Surface Method based on single factor design.The optimal conditions of sesame dregs ACE inhibitory peptides preparation were as follows：pH 8.88，enzymolysis temperature at 46℃，substrate concentration of 85 mg／mL and time of 24 min.The IC50of ACE inhibitory peptides was identified by high performance liquid chromatography（HPLC）to be 3.03 mg／mL.After being processed by membrane separation analysis，the peptide average molecular weight decreased from 8 949.62 to 1 721.90，and the peptide molecular less than 2 000 had the weigh of 73.83%.These conclusions could provide a basis theoretical for further study of sesame dregs ACE inhibitory peptides preparation.

response surface，sesame meal，ACE inhibitory peptides，alkaline protease

TS229

A

1003－0174（2015）09－0088－06

蘇北科技發展計劃（BC2012421），江蘇高校優勢學科建設工程資助（蘇政辦發［2014］37號），江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃（201310299019Z），江蘇大學大學生科研立項資助（12A018）

2014－02－10

王振斌，男，1975年出生，教授，天然產物分離及應用

馬海樂，男，1963年出生，教授，天然產物分離及應用