多肽微量元素螯合物的研究進展

曾慶瑞，韓曜平，劉晶晶，施雪燕，張　穎，王夢婭

(1.中國礦業大學，江蘇 徐州 221000；2.常熟理工學院，江蘇 蘇州 215500)

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多肽微量元素螯合物的研究進展

曾慶瑞1，韓曜平2，劉晶晶2，施雪燕2，張穎2，王夢婭2

(1.中國礦業大學，江蘇 徐州 221000；2.常熟理工學院，江蘇 蘇州 215500)

摘要：微量元素對促進機體生長發育、調節身體機能，維持人體新陳代謝都是十分重要的。多肽微量元素螯合物相比無機鹽形式的微量元素更容易被人體吸收，其不僅能高效地提供生命活動必需的多種微量元素，同時還具有抗氧化、抗菌等生物活性，在食品、醫藥、化妝品等領域都具有廣闊的應用前景。對多肽微量元素螯合物的螯合機理與結構、制備工藝、生物活性進行了綜述，指出了多肽微量元素螯合物研究中存在的問題，并對未來的研究方向進行了展望。

關鍵詞：微量元素；多肽；螯合物；吸收；生物活性

微量元素雖然在人體內含量很少，但對人體的生長發育等各項生命活動具有不可替代的作用。例如，人體缺乏鐵元素可能導致貧血；缺乏鋅可能引起細胞免疫功能低下，增加疾病的易感性[1]。研究表明，銅、鐵、鋅等微量元素金屬離子可以在一定條件下與多肽反應生成多肽金屬元素螯合物，這類有機微量元素螯合物可以通過多肽的吸收機制進入生物體內，相比無機鹽形式的微量元素不僅更容易被生物體吸收[2]，而且還可以給生物體提供一些重要的氨基酸，是一種理想的微量元素補充劑。另外，多肽微量元素螯合物還具有抗氧化、抗菌、降血糖等生物活性，具有極大的研究價值和應用前景。作者就多肽微量元素螯合物的螯合機理和結構、制備工藝、生物活性及應用前景進行綜述。

1多肽微量元素螯合物的螯合機理與結構

目前，研究人員利用紫外光譜、紅外光譜以及X-射線衍射分析等技術，已經對多肽與金屬元素的螯合機理進行了初步的研究，這種螯合理論同樣適用于多肽與微量元素的螯合反應。多肽的羧基、氨基以及側鏈中都含有很多具有孤對電子的氮、氧、硫原子，在一定條件下可以與金屬陽離子以配位鍵結合形成絡合物。Jin等[3]對骨膠原多肽和其加鈣反應產物的紫外和紅外光譜進行分析后發現，多肽的氨基和羧基的紫外和紅外特征峰在加入鈣離子后都發生了位移，骨膠原多肽加鈣反應產物的X-射線衍射圖譜出現了強的吸收峰，表明骨膠原多肽與鈣離子發生了配位反應。由于一個多肽分子中有多個配位原子，這些配位原子與微量元素金屬離子之間以多個配位鍵結合，所以它們反應生成的配合物多以環狀的螯合形式存在。盧業玉等[4]認為鋅離子可以與蛋白質中的羧基氧和氨基氮進行配合，形成一個五元環的螯合物。Armas等[5]研究表明，Zn2+與Humanin肽的第八位側鏈氨基酸殘基通過配位鍵形成了八面體的Zn-Humanin螯合物。

對多肽微量元素螯合物的結構研究現在還處于初級階段，然而物質的結構可能會影響其生物活性，所以對多肽微量元素螯合物的結構進行深入研究具有重要意義。目前對于多肽微量元素螯合物結構研究的難點在于，傳統工藝條件下制備的多肽微量元素螯合物都為復雜多樣的混合物，對這些混合物再進行分離純化難度較大，這給物質結構的研究帶來了很大困難。對參與螯合的多肽先進行分離純化再與特定金屬離子螯合制備相對單一的多肽微量元素螯合物，然后對其進行構效等方面的深入研究是未來此領域發展的新方向。

2多肽微量元素螯合物的制備工藝

多肽微量元素螯合物一般是通過天然動植物蛋白的酶解多肽與鋅、銅、鐵等微量元素離子在一定配比、溫度、pH值等條件下發生配位反應制得的。不同工藝條件下制得的多肽微量元素螯合物的螯合率和生物活性等方面差異較大，因此對多肽微量元素螯合物制備工藝的研究具有深遠意義。

蛋白酶解工藝對多肽微量元素螯合物的制備和生物活性都有著重要的影響。用于多肽微量元素螯合物制備的多肽可以利用生物酶解法[6]、合成法[7]、抽提法[8]獲得，其中合成法和抽提法不僅操作成本較高，而且化學殘留大，因而很少被采用，而生物酶解法因具有操作條件要求低、方便快捷、產率高等優點而得到廣泛應用[9]。姜良萍等[10]用胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、風味蛋白酶、堿性蛋白酶4種酶分別對脫脂后的鰱魚肉蛋白進行酶解，酶解產物與Zn2+進行螯合，得到4種多肽鋅螯合產物，其中風味蛋白酶水解多肽與鋅離子螯合得到的多肽鋅螯合物的抗菌活性最強。近年來，有研究人員對傳統的“酶解法”進行了改進和創新。孟昌偉等[11]采用堿性蛋白酶和風味蛋白酶“兩步酶解法”制備出純度和水解度都較高的膠原多肽。汪嬋等[12]對多肽水解度影響多肽與金屬離子螯合的反應進行了更深入的研究，發現在一定水解度范圍內，多肽與金屬離子的螯合率隨著多肽水解度的增大而升高。

微量元素鹽的種類、原料配比、多肽濃度、反應溫度、pH值對多肽與微量元素金屬離子的反應影響極大。高紅梅等[13]對小麥多肽與鋅離子的螯合研究表明，在pH值6、多肽與鋅的質量比2∶1、多肽濃度0.03g·mL-1、反應溫度70 ℃、反應時間50min的條件下可以得到產率和螯合率最高的產品。通過正交實驗發現，對螯合反應影響最大的是pH值，然后依次是原料配比、多肽濃度、反應溫度和鋅鹽的種類。

多肽與微量元素反應后的產物可以通過不同體積分數的乙醇進行分級沉淀，以初步分離多肽微量元素螯合物。另外，還可以通過超濾[14]、親和色譜[2]、反相色譜[15]等方法進行進一步分離純化。通過對多肽與微量元素反應產物的分離，可得到不同種類、不同性質的多肽微量元素螯合物。從中找到一種具有高產率和高生物活性的種類，對以后的深入研究具有重要意義。鄧尚貴等[16]對魚肉酶解蛋白與亞鐵離子螯合的產物進行分離，得到4種多肽亞鐵螯合物，發現它們具有不同的鐵含量，抗氧化和抗菌活性也有顯著差異。

總之，影響多肽微量元素螯合物制備工藝的因素很多，一套完善的制備工藝可以獲得產率高、生物活性強的多肽微量元素螯合物，并可以顯著提高多肽微量元素螯合物的經濟價值和實用價值，為其大規模工業化生產打下堅實的基礎。

3多肽微量元素螯合物的生物活性

3.1　促進微量元素吸收的活性

微量元素是維持人體正常生理功能必不可少的元素，只能通過食物補充。楊杰等[17]對幾組缺鋅大鼠灌輸同等劑量的小肽螯合鋅、葡萄糖酸鋅、硫酸鋅(作為對照)，在補鋅量相同的情況下補充小肽螯合鋅組的小鼠肝臟和血清的含鋅量遠大于對照組。鄭炯等[18]對幾組缺鐵的大鼠灌輸同等劑量的血紅蛋白源多肽螯合鐵、葡萄糖酸亞鐵、氯化亞鐵，發現，當補鐵量相同的情況下，補充血紅蛋白源多肽螯合鐵組的小鼠不僅體重增長最多，并且血液中血紅細胞和鐵含量也是最高的。以上研究表明，相對于無機鹽形式的微量元素，多肽微量元素螯合物形式的微量元素更容易被動物體吸收。

動物體對多肽微量元素螯合物的吸收率遠大于無機鹽形式的微量元素，主要是因為吸收機制不同。Du等[19]研究表明，在生物體內，多肽螯合銅的吸收是通過生物體內多肽的吸收機制，而并非金屬元素的吸收機制，這樣不僅可以避免多肽微量元素螯合物與其它的無機金屬離子在同一通道吸收時互相競爭，而且還使多肽微量元素螯合物具有多肽吸收機制的吸收快、能耗低、效率高、載體不易飽和等優點[20]，提高了微量元素的吸收率。另外，多肽微量元素螯合物整體呈電中性，微量元素被保護在多肽的中心，可以避免微量元素離子與體內的植物酸等結合形成難吸收的物質，從而提高微量元素的吸收效率[21]。大量研究發現，多肽微量元素螯合物相對于無機鹽形式的微量元素生物學利用率高，這使得多肽微量元素螯合物已經成為一種高效補充微量元素的保健品和食品、飼料添加劑。

3.2　抗氧化活性

包怡紅等[22]研究發現，在等量樣品的條件下，大豆多肽和其硒螯合物對非生理自由基(DPPH自由基)的清除率分別為58.96%和75.12%，說明大豆多肽硒螯合物的抗氧化能力強于大豆多肽。林慧敏等[23]對舟山海域4種低值魚酶解蛋白亞鐵螯合物進行抗氧化研究時發現，未螯合前的多肽對DPPH自由基沒有明顯的清除能力，而它們的螯合物對DPPH自由基有較強的清除能力。Megas 等[24]研究發現，向日葵多肽銅螯合物富含組氨酸和精氨酸，具有較強的抗氧化活性，抗氧化活性與β-胡蘿卜素相當。以上研究表明，多肽在螯合一些微量元素后擁有了其不曾有的抗氧化活性，或者增強了自身的抗氧化能力。

關于多肽微量元素螯合物的抗氧化機理尚未有詳細的研究報道，一般認為多肽微量元素螯合物的抗氧化能力與其多肽結構有很大關系。很多研究都表明一些小肽自身就具有抗氧化能力[25]，當微量元素離子與其以配位鍵結合后，能形成一種穩定性適中的螯合物，這種螯合物既能保留多肽的一些性質(如抗氧化性)，又能改變這些性質的強度，但詳細的機理有待進一步研究。

作為一種天然的新型抗氧化物質，多肽微量元素螯合物比化學抗氧化物質的安全系數高，在食品和化妝品領域具有很大的應用潛力和優勢。

3.3　抗菌活性

林慧敏等[23]研究發現，舟山海域的4種低值魚酶解后的多肽沒有抗菌活性，而其與亞鐵離子螯合后的多肽亞鐵螯合物對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌都具有不同程度的抗菌活性。Dashper等[26]將從牛奶中分離提取的抗菌多肽Kappacin與Zn2+螯合得到一種多肽鋅螯合物，發現該多肽鋅螯合物的抗菌活性比抗菌多肽Kappacin有顯著提高。以上研究表明，一些小分子多肽和微量元素離子螯合后生成的多肽微量元素螯合物具有小分子多肽不具備的抗菌活性，或者可以增強小分子多肽的抗菌活性。

目前多肽微量元素螯合物的抗菌機理還有待深入研究。霍健聰等[27]對帶魚多肽亞鐵螯合物的研究表明，帶魚多肽亞鐵螯合物能夠在細菌外膜表面形成一個跨膜的離子通道，通過破壞細菌的膜結構使菌體細胞內容物外泄，最終導致細胞死亡。同時，帶魚多肽亞鐵螯合物還可以與微生物細胞競爭正常生長所需的鐵元素，從而具有抗菌活性。

作為一種天然產物與微量元素離子螯合而成的抗菌物質，多肽微量元素螯合物不僅有廣譜的抗菌作用，還有較高的安全性，在食品和醫藥領域具有很高的應用價值。

3.4　其它生物活性

多肽微量元素螯合物除了有促進微量元素吸收和抗菌、抗氧化活性外，還有很多其它生物活性。王秀麗等[28]、劉安軍等[29]研究發現，豬皮膠原蛋白多肽-鉻(Ⅲ)螯合物可以調節患糖尿病小鼠體內的糖代謝，從而具有明顯降低血糖的功能。另外，豬皮膠原蛋白多肽-鉻(Ⅲ)螯合物還可以通過增加小鼠體內T細胞的數量來增強小鼠T細胞的免疫功能，調節小鼠的免疫系統。Tamamura等[30]研究發現，抗艾滋病多肽T22與Zn2+螯合形成多肽鋅螯合物后的抗艾滋病活性顯著增強。趙海軍等[31]研究表明，大豆多肽鋅可以通過增強小鼠肝臟的抗氧化能力減緩小鼠的衰老。多肽微量元素螯合物的這些生物活性使其在醫藥領域具有巨大的應用潛力。

4展望

目前國內外對多肽微量元素螯合物的大量研究表明，多肽微量元素螯合物相比無機鹽形式的微量元素更容易被吸收，并且在補充微量元素的同時又能給生物體提供一些必需氨基酸，因此其在保健品及食品領域具有明顯的優勢和巨大潛力。另外，多肽微量元素螯合物的抗氧化、抗菌、降血糖、免疫調節、抗衰老等生物活性可應用于食品防腐及新藥開發領域。

由于合成多肽微量元素螯合物的多肽大多以天然蛋白質為原料經酶解法獲得，制備過程化學殘留極少，安全系數高，因此具有很強的優勢和發展前景。但目前對多肽微量元素螯合物的研究存在一些問題，如多肽與微量元素無機鹽螯合后的產物較復雜，使得多肽微量元素螯合物的總體生物活性有所下降。如果對螯合后的產物進行分離純化，由于蛋白酶解生成多肽的復雜性，以及多肽與金屬離子螯合方式的多樣性，造成制備出的螯合物更加復雜，傳統的分離技術很難純化出單一的多肽微量元素螯合物，同時還存在著分離成本高、產品損失等問題。今后可以嘗試先對蛋白酶解后的多肽進行分離純化，然后用相對單一的多肽與金屬元素進行螯合，理論上可以得到較純的多肽微量元素螯合物。另外，通過多肽微量元素螯合物制備分離工藝的優化，以及隨著檢測技術的發展，可以對多肽微量元素螯合物的結構與生物活性的關系進行更深層次的研究。目前，探索出一條成本低、純度高、產量高的多肽微量元素螯合物制備工藝路線是多肽微量元素螯合物的研究重點。總之，多肽微量元素螯合物在食品和醫藥領域具有一定的發展潛力和十分廣闊的應用前景。

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Research Progress on Polypeptide Trace Element Chelates

ZENG Qing-rui1,HAN Yao-ping2,LIU Jing-jing2,SHI Xue-yan2,ZHANG Ying2,WANG Meng-ya2

(1.ChinaUniversityonMining&Technology,Xuzhou221000,China；

2.ChangshuInstituteofTechnology,Suzhou215500,China)

Abstract：Trace elements play an important role in promoting growth and development of body,regulating bodily functions,and maintaining human body′s metabolism.Polypeptide trace element chelates are more easily absorbed in human body compared to inorganic forms of trace elements.Polypeptide trace element chelates not only can efficiently provide the trace elements necessary for body life activities,but also have antioxidant,antibacterial and other biological activities.Peptide trace element chelates show a broad prospect of application in the field of food,medicine and cosmetics.The chelating mechanism and structure,preparation,biological activities of polypeptide trace element chelaes are reviewed.The problems in studing polypeptide trace element chelates are pointed out.The directions for future research are prospected.

Keywords：trace element;polypeptide;chelates;absorb;bioactivity

中圖分類號：O 623.736

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5425(2016)01-0017-04

作者簡介：曾慶瑞(1988-)，男，河南新野人，碩士研究生，研究方向：生物活性蛋白的分離純化，E-mail:tszengqingrui@163.com；通訊作者：韓曜平，教授，E-mail:975683768@qq.com。

基金項目：蘇州市科技計劃項目(SYN201303)

收稿日期：2015-09-29

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.01.004