暗紋東方鲀肌肉組織蛋白酶B提取工藝優化

李 琳，王正全，張晶晶，苗曉丹，馬 壘，王錫昌，劉 源*

（上海海洋大學食品學院，上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306）

暗紋東方鲀肌肉組織蛋白酶B提取工藝優化

李 琳，王正全，張晶晶，苗曉丹，馬 壘，王錫昌，劉 源*

（上海海洋大學食品學院，上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306）

為獲得暗紋東方鲀組織蛋白酶B的最佳提取工藝條件，在單因素試驗的基礎上，通過Plackett-Burman設計對影響組織蛋白酶B活力的因素進行篩選，結果表明：料液比、磷酸鹽緩沖液pH值和硫酸銨飽和度這3 個因素顯著影響酶活力，然后用響應面分析法確定了主要影響因素的最佳提取條件為：料液比1∶2.1、磷酸鹽緩沖液pH 7.0、硫酸銨飽和度99.2%，在此條件下組織蛋白酶B活力的預測值為32.65 U/g，實測值為32.52 U/g，相對誤差為0.39%。說明建立的模型切實可行，為進一步研究組織蛋白酶B的提取工藝提供理論依據。

暗紋東方鲀；組織蛋白酶B；Plackett-Burman設計；響應面分析法

暗紋東方鲀（Takifugu obscurus）隸屬于鲀形目，鲀科，東方鲀屬，俗稱河鲀、河豚，屬江海洄游性魚類，其味道鮮美，肉質細膩，營養豐富[1-2]，為“長江三鮮”之一。暗紋東方鲀經過幾代淡水養殖，毒性逐漸降低，可供安全食用[3]，廣受國內外消費者的歡迎，具有廣闊的市場前景和經濟價值。內源蛋白酶是引起蛋白質水解的重要因素[4]，對食品的風味產生也具有一定貢獻[5]。蛋白質降解主要由組織蛋白酶、鈣激活蛋白酶、氨肽酶等內源蛋白酶引起的[6-8]，其中組織蛋白酶的作用尤為重要，目前已從許多動物肌肉或內臟中分離純化出多種組織蛋白酶[9-11]，在眾多組織蛋白酶中，組織蛋白酶B是活性較強的一種酶[12-13]，研究表明組織蛋白酶B能夠水解肌球蛋白、肌鈣蛋白、原肌球蛋白和肌動蛋白。Hughes等[14]研究發現，組織蛋白酶B對肌動蛋白有較強的水解作用，能從蛋白質的N端和C端水解得到大量的肽類，這可能對肉類食品的風味形成具有重要的作用，并可專一性地水解熒光底物N-芐氧羰基-L-精氨酰-L-精氨酸-7-氨基-4-甲基香豆素（N-Cbz-L-arginine-7-amido-4-methylcoumarin，Z-Arg-Arg-AMC）[15]。目前，已有報道從海參[16]、鰱魚[17]中提取組織蛋白酶B的相關研究，但基本上以單因素試驗直接確定最佳酶活性的提取條件，并沒有進行進一步的優化。

本實驗以暗紋東方鲀為原料，通過單因素試驗、Plackett-Burman試驗和響應面分析試驗，以組織蛋白酶B活力大小為指標，更系統地研究組織蛋白酶B的最佳提取條件，以便建立組織蛋白酶B酶活力與肌肉蛋白質水解及與河豚風味物質形成之間的聯系，并為進一步分離純化組織蛋白酶B奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

暗紋東方鲀（Takifugu obscures） 江蘇中洋集團。

酰胺甲基香豆素（7-amido-4-methylcoumarin，A M C）、Z-A r g-A r g-A M C、苯甲基硫酰氟（phenylmethanesulfonyl fluoride，PMSF）、半胱氨酸（L-cystine，L-Cys）、二硫蘇糖醇（dithiothreitol，DTT）、二甲基亞砜（dimethyl sulphoxide，DMSO）、聚環氧乙烷23月桂醚（polyoxyethylene 23 laurylether，Brij35）、氯乙酸鈉 美國Sigma公司；其他試劑為國產分析純。

1.2 儀器與設備

RF5301-PC熒光分光光度計 日本島津公司；Avanti J-26XP冷凍離心機 丹麥福斯集團；T10 basic高速分散機 德國IKA公司。

1.3 方法

1.3.1 暗紋東方鲀組織蛋白酶B粗酶液提取

將肌肉樣品于4 ℃條件下解凍，去除脂肪、結締組織，用絞肉機絞碎，取（10.00±0.01） g暗紋東方鲀肌肉，加入一定體積比的磷酸鹽緩沖溶液（phosphate buffer solution，PBS），在冰浴的條件下高速勻漿5 次（18 000～22 000 r/min，每次10 s，間隔2 s），然后12 000 r/min，4 ℃條件下冷凍離心30 min，用紗布過濾收集上清液，用等體積一定飽和度的(NH4)2SO4鹽析過夜后離心（10 000 r/min，30 min，4 ℃），所得沉淀用20 mmol/L pH 6.0的PBS溶解，并對沉淀進行充分透析，透析完成后離心（10 000 r/min，30 min，4 ℃）取上清，用濾紙過濾后再用0.45 μm的濾膜過濾，即得到組織蛋白酶B粗酶液。

1.3.2 暗紋東方鲀組織蛋白酶B活力測定

肌肉組織蛋白酶B活力的測定參考Greenbaum[9]、Aranishi[15]、Toldra[18]等的方法，并做了適當修改。反應體系由980 μL 0.1% Brij35，500 μL 50 mmol/L PBS（含5 mmol/L乙二胺四乙酸（ethylenediniteilotetraacctic acid，EDTA）、5 mmol/L L-Cys，pH 6.0），500 μL 20 μmol/L的底物Z-Arg-Arg-AMC和 20 μL酶液組成。在40 ℃條件下水浴2 min，后加入500 μL 20 μmmol/L的底物Z-Arg-Arg-AMC，在40 ℃條件下反應10 min 后，加入2 mL終止液（0.1 mol/L乙酸鈉，含0.1 mol/L氯乙酸鈉，pH 4. 3）終止反應。利用熒光分光光度計測定其熒光強度，所用的激發波長為370 nm，發射波長為460 nm。同時用AMC取代Z-Arg-Arg-AMC測定1 nmol/L AMC的熒光強度。

酶活力單位（U）定義為在最適反應溫度（40 ℃）和pH 6.0條件下，每分鐘內水解底物并釋放1 nmol AMC產物的酶量（1 nmol AMC/min）。

1.3.3 單因素試驗

分別以料液比、緩沖液濃度及pH值、巰基保護劑種類、巰基保護劑的濃度、PMSF濃度、硫酸銨飽和度為影響因素，以組織蛋白酶B酶活力為指標進行單因素試驗。

1.3.4 Plackett-Burman試驗設計

通過對單因素試驗進行分析，選擇各影響因子的高（＋1）、低（－1）兩個水平，并以組織蛋白酶B活力為考察指標，采用Plackett-Burman試驗設計篩選組織蛋白酶B活力的影響因子。

1.3.5 Box-Behnken響應面試驗設計

對組織蛋白酶B活力的影響因素很多，根據單因素試驗和Plackett-Burman試驗，采用Box-Behnken原理設計三因素三水平的響應面分析法，根據回歸分析確定提取過程的影響因子，以組織蛋白酶B活力為響應值，分析最佳酶活力的提取條件。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 料液比對組織蛋白酶B活力的影響

料液比是影響組織蛋白酶B活力的重要因素，以50 mmol/L pH 5.8 PBS為浸提緩沖液，5 mmol/L L-Cys作為巰基保護劑，0.5 mmol/L PMSF作為蛋白酶抑制劑，硫酸銨飽和度為80%，考察河豚魚肉與緩沖液的比例（即料液比（m/V）分別為1∶1、1∶2、1∶4、1∶6、1∶8）對組織蛋白酶B活力的影響，結果見圖1。

圖1 料液比對組織蛋白酶B活力的影響Fig.1 Effect of solid/liquid ratio on the activity of cathepsin B

由圖1可知，組織蛋白酶B活力隨料液比的增大而增大，當料液比達到1∶2時，組織蛋白酶B活力達到最大，隨著料液比繼續增大，組織蛋白酶B活力顯著下降。這是因為隨著浸提液體積的增大，提取液與河豚魚肉的接觸面積變大，從而促進河豚肉中的蛋白質成分溶出，之后隨著水分子的增多，相互作用加大從而使得蛋白酶不易析出[19]，使得組織蛋白酶B活力降低，因此選擇1∶2為浸提液的最佳添加量。

2.1.2 緩沖液種類對組織蛋白酶B活力的影響

緩沖液種類、濃度以及pH值是影響組織蛋白酶B活力的重要因素，以料液比為1∶2、5 mmol/L L-Cys作為巰基保護劑，0.5 mmol/L PMSF作為蛋白酶抑制劑，硫酸銨飽和度為80%，以不同的緩沖溶液（50 mmol/L乙酸鈉緩沖液、pH 5.8，20 mmol/L乙酸鈉緩沖液、pH 5.0，50 mmol/L乙酸鈉緩沖液、pH 5.0，20 mmol/L乙酸鈉緩沖液、pH 5.8，50 mmol/L PBS、pH 5.0，50 mmol/L PBS、pH 5.8）對組織蛋白酶B活力的影響做單因素試驗，結果見圖2。

圖2 不同緩沖浸提液對組織蛋白酶B活力的影響Fig.2 Effect of extraction solutions on the activity of cathepsin B

由圖2可知，緩沖液的種類、濃度及pH值都會影響組織蛋白酶B的活力，且PBS提取效果均優于乙酸鈉緩沖液的提取效果，這與田甲春[20]研究牦牛肌肉組織蛋白酶B最佳緩沖液結果相反，這可能是由于陸生動物與水生動物的棲息環境不同而導致的。比較PBS的提取效果，發現緩沖液6的提取效果最好，即pH 5.8的50 mmol/L PBS提取組織蛋白酶B的酶活力最高。

2.1.3 巰基保護劑對組織蛋白酶B活力的影響

組織蛋白酶B屬于半胱氨酸蛋白酶，是巰基蛋白酶，含有—SH[4]，故需要巰基保護劑對其巰基進行保護以免影響其酶活力。以料液比為1∶2、50 mmol/L pH 5.8的PBS為浸提緩沖溶液，0.5 mmol/L PMSF作為蛋白酶抑制劑；硫酸銨飽和度為80%，以不同巰基保護劑對組織蛋白酶B活力的影響做單因素試驗，以EDTA、乙二醇雙（2-氨基乙基醚）四乙酸（ethylene glycol bis-tetraacetic acid，EGTA）、DTT和L-Cys 4 種常見的巰基保護劑為單因素，選出最佳巰基保護劑后再進一步優化其濃度，結果見圖3、4。

圖3 不同巰基保護劑對組織蛋白酶B活力的影響Fig.3 Effects of different thiolprotectants on the activity of cathepsin B

圖4 L-Cys濃度對組織蛋白酶B活力的影響Fig.4 Effects of different L-Cys concentrations on the activity of cathepsin B

由圖3可知，4 種保護劑對酶活力的影響大小依次為L-Cys＞DTT＞EGTA＞EDTA，即添加巰基保護劑L-Cys提取組織蛋白酶B活力最高。確定L-Cys為最佳巰基保護劑后，進一步優化其最佳濃度，分別取L-Cys濃度為1、3、5、7 mmol/L進行濃度優化單因素試驗；由圖4可知，隨著L-Cys濃度的增加，組織蛋白酶B活力逐漸上升，當L-Cys濃度達到5 mmol/L時，組織蛋白酶B活力達到最大，L-Cys濃度繼續增大，組織蛋白酶B活力明顯下降，這與李樹紅[17]研究L-Cys濃度對鰱魚組織蛋白酶B活力影響的結果一致。最終選擇5 mmol/L L-Cys作為巰基保護劑。

2.1.4 蛋白酶抑制劑PMSF對組織蛋白酶B活力的影響

PMSF是一種絲氨酸蛋白酶抑制劑，其可抑制絲氨酸蛋白酶的活力[21]，加入PMSF可以更為精準地測得組織蛋白酶B的活力。以料液比為1∶2、50 mmol/L pH 5.8 PBS為浸提緩沖溶液，5 mmol/L L-Cys作為巰基保護劑，硫酸銨飽和度為80%，取PMSF濃度為0.1、0.3、0.5、0.7 mmol/L對組織蛋白酶B活力的影響做單因素試驗，結果見圖5。

圖5 不同PMSF濃度對組織蛋白酶B活力的影響Fig.5 Effects of different PMSF concentrations on the activity of cathepsin B

由圖5可知，隨著PMSF濃度的增加，組織蛋白酶B活力逐漸上升，當PMSF濃度達到0.5 mmol/L時，組織蛋白酶B活力達到最大，PMSF濃度繼續增大，組織蛋白酶B活力明顯下降，已有研究證明低濃度的PMSF會抑制絲氨酸蛋白酶活性而輕微激活半胱氨酸蛋白酶[20]，若PMSF濃度過高，其也會抑制半胱氨酸蛋白酶的活性[22]，推測組織蛋白酶B活性中心除含有半胱氨酸殘基外還含有絲氨酸殘基[23]，最后綜合考慮選擇PMSF濃度為0.5 mmol/L。

2.1.5 硫酸銨飽和度對組織蛋白酶B酶活力的影響

在組織蛋白酶B分離純化的過程中，硫酸銨沉淀是非常重要的一歩，其飽和度會影響組織蛋白酶B活力，以料液比為1∶2、50 mmol/L pH 5.8的PBS為浸提緩沖溶液，5 mmol/L L-Cys作為巰基保護劑，0.5 mmol/L PMSF作為蛋白酶抑制劑，以硫酸銨飽和度（20%、40%、60%、80%、90%、100%）對組織蛋白酶B酶活力的影響做單因素試驗，結果見圖6。

圖6 硫酸銨飽和度對組織蛋白酶B酶活力的影響Fig.6 Effects of different ammonium sulfate concentrations on the activity of cathepsin B

由圖6可知，隨著硫酸銨飽和度的增加，組織蛋白酶B酶活力也逐漸增加，硫酸銨飽和度在20%～60%時，由于硫酸銨飽和度低，不能將蛋白沉淀完全，從而導致測得的組織蛋白酶B酶活力很低，當硫酸銨飽和度進一步增大時，組織蛋白酶B酶活力明顯增大，到硫酸銨飽和度達到100%時組織蛋白酶B酶活力達到最大，隨著硫酸銨飽和度的增加蛋白沉淀更完全。所以最終將硫酸銨飽和度為100%作為鹽析的最佳條件。

2.2 Plackett-Burman設計及關鍵影響因素的確定

2.2.1 Plackett-Burman試驗設計處理及響應值

根據在單因素試驗中各影響因子對組織蛋白酶B活力的影響效果，可以確定Plackett-Burman試驗的高（＋）、低（－）水平。采用Plackett-Burman原理設計試驗對組織蛋白酶B活力影響的6 個因素進行研究，試驗設計方案及結果見表1。

表1 Plackett-Burman試驗設計及結果Table1 Plackett-Burman design with experimental results

2.2.2 關鍵因素的確定

采用SPSS 20軟件對表1中的數據進行逐步回歸分析，得到組織蛋白酶活力的最優方程為：Y＝19.890－1.707A＋3.368C＋5.959F（P＝0.001），具有統計學意義。由主效應分析（表2）可以看出，影響組織蛋白酶B活力的主要因素為料液比、PBS pH值和硫酸銨飽和度，故在下一步響應面的分析中，重點考察這3 個因素的最優水平范圍。

表2 Plackett-Burman試驗各因素主效應分析（ =0.05)Table2 Analysis of the major effects of each factor in Plackett-Burman design ( = 0.05)

2.3 響應面試驗設計優化暗紋東方鲀肌肉組織蛋白酶B提取工藝

2.3.1 Box-Behnken試驗設計方案及結果

根據上述試驗結果，選用料液比、PBS pH值和硫酸銨飽和度這3 個因素作為響應變量，以組織蛋白酶B的酶活力為響應值，運用Design Expert 8.0按照Box-Behnken原理進行響應面設計，以1、0、－1分別代表自變量的3 個水平，具體試驗設計方案及結果見表3，方差分析見表4。

表3 Box-Behnken試驗設計及結果Table3 Box-Behnken design with response values

表4 回歸方程方差分析Table4 Analysis of variance of regression equation

經回歸擬合后，得到以組織蛋白酶B酶活力為響應值的回歸方程為：Y＝29.73＋2.02A＋2.93B＋2.60C＋0.66AB－2.52AC＋0.48BC－3.88A2－1.41B2－1.79C2，從表4的方差分析結果看，PBS pH值和硫酸銨飽和度這兩個因素的P值均小于0.05，表明其對組織蛋白酶B活力的影響是顯著的，料液比的P值大于0.05，表明其對組織蛋白酶B活力的影響是不顯著的。整體模型的P值小于0.05，表明該二次方程模型是顯著的；失擬項比的P值大于0.05，表明其對于絕對誤差是不顯著的，而不顯著的失擬項表明方程模擬較好；決定系數為0.907 2，表明其應變量與全體自變量之間的多元回歸關系顯著，即說明該回歸方程對試驗擬合情況較好，試驗誤差小。

2.3.2 響應面分析

為了觀察某兩個因素的交互作用對組織蛋白酶B活力的影響，將其他因素保持不變，利用Design-Expert 8.0獲得兩兩因素交互作用的響應曲面和等高線圖，從而確定因素的最佳水平范圍，等高線的形狀反映交互效應的強弱[24]。響應面圖形是響應值對各因素（A、B、C）所構成的三維空間的曲面圖，從圖7～9可形象地看出各因素交互作用對響應值的影響。比較3 個圖可知，硫酸銨飽和度對組織蛋白酶B活力的影響最為顯著；而PBS pH值和料液比次之，曲線較為平滑。從3 個因素的兩兩交互等高線圖可以看出，料液比和緩沖液交互作用的等高線圖呈圓形，表明其交互作用影響不顯著；料液比和硫酸銨飽和度交互作用的等高線圖呈橢圓，表明其交互作用影響顯著；硫酸銨飽和度和緩沖液pH值交互作用的等高線圖呈橢圓，表明其交互作用影響顯著。

圖7 料液比與浸提緩沖液pH值交互影響的響應面（a）及等高線（b）圖Fig.7 Response surface (a) and contour plots (b) for the effects of solid/ liquid ratio and extraction solution pH on the activity of cathepsin B

圖8 料液比與硫酸銨飽和度交互影響的響應面（a）及等高線（b）圖Fig.8 Response surface (a) and contour plots (b) for the effects of solid/ liquid ratio and ammonium sulfate saturation on the activity of cathepsin B

圖9 浸提緩沖液pH值與硫酸銨飽和度交互影響的響應面（a）及等高線（bb）圖Fig.9 Response surface (a) and contour plots (b) for the effects of extraction buffer pH and ammonium sulfate saturation on the activity of cathepsin B

2.3.3 最佳提取條件的確定

通過Design-Expert 8.0軟件分析，預測出最佳酶活的提取工藝條件為：料液比1∶2.1，PBS的pH值為7.0，硫酸銨飽和度99.2%，在此條件下，組織蛋白酶B理論酶活力為32.65 U/g。

為了對模型進行驗證，在以上最佳條件下，并結合單因素試驗條件：PBS濃度50 mmol/L、L-Cys濃度5 mmol/L、PMSF濃度0.5 mmol/L進行驗證實驗，測得組織蛋白酶B活力平均值為32.52 U/g（n＝3），與理論值相比，相對誤差為0.39%，證明響應面分析法得到的組織蛋白酶B最優提取工藝參數真實可靠。

3 結 論

本研究通過單因素試驗、Plackett-Burman試驗和Box-Behnken響應面試驗系統地優選，得到暗紋東方鲀組織蛋白酶B最佳提取條件。通過Plackett-Burman試驗回歸顯著分析，發現暗紋東方鲀組織蛋白酶B活力影響顯著的因素有料液比、PBS pH值和硫酸銨體積分數；通過Box-Behnken試驗及響應面分析獲得的最佳工藝參數為：料液比1∶2.1，PBS pH值為7.0，硫酸銨飽和度為99.2%，在此條件下組織蛋白酶B活力的預測值為32.65 U/g，實測值為32.52 U/g，相對誤差為0.39%，說明建立的模型切實可行，能很好地預測各因素和組織蛋白酶B活力之間的關系。

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Optimization of Extraction Conditions for Cathepsin B from Takifugu obscures Muscle

LI Lin, WANG Zhengquan, ZHANG Jingjing, MIAO Xiaodan, MA Lei, WANG Xichang, LIU Yuan*
(Shanghai Engineering Research Center of Aquatic-Product Processing and Preservation, College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

In order to obtain optimal conditions for the extraction of cathepsin B from Takifugu obscures, on the basis of results of single-factor experiments, some extraction parameters affecting cathepsin B activity were firstly evaluated by Plackett-Burman design, and then the main variables were optimized by response surface analysis. The results showed that the optimal extraction conditions were as follows: material/liquid ratio 1:2.1, phosphate buffer pH 7.0, and ammonium sulfate saturation 99.2%, and these three factors had significant influence on the enzyme activity. Under these conditions, the predicted value of cathepsin B activity was 32.65 U/g and its experimental value was 32.52 U/g, suggesting that the established model is feasible and can provide a theoretical basis for further studies on the extraction process of cathepsin B.

Takifugu obscures; cathepsin B; Plackett-Burman design; response surface analysis

10.7506/spkx1002-6630-201603018

TS201

A

1002-6630（2016）03-0091-06

李琳, 王正全, 張晶晶, 等. 暗紋東方鲀肌肉組織蛋白酶B提取工藝優化[J]. 食品科學, 2016, 37(3): 91-96. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201603018. http://www.spkx.net.cn

LI Lin, WANG Zhengquan, ZHANG Jingjing, et al. Optimization of extraction conditions for cathepsin B from Takifugu obscures muscle[J]. Food Science, 2016, 37(3): 91-96. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201603018. http://www.spkx.net.cn

2015-03-23

國家自然科學基金面上項目（31371790；31271900）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD28B01）；上海市科委工程中心建設項目（11DZ2280300）；上海市教委重點學科建設項目（J50704）；

李琳（1993—），女，碩士研究生，研究方向為食品營養與品質評價。E-mail：985319795@qq.com

*通信作者：劉源（1979—），男，副教授，博士，研究方向為食品營養與品質評價。E-mail：yliu@shou.edu.cn