胰蛋白酶制備鷹嘴豆抗氧化肽的條件優化

施文衛，王 偉，胡 冰，周 莉，曾曉雄，孫 怡，*

（1.南京農業大學食品科技學院，江蘇 南京 210095；2.新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊 830052）

胰蛋白酶制備鷹嘴豆抗氧化肽的條件優化

施文衛1，王 偉2，胡 冰1，周 莉1，曾曉雄1，孫 怡1，*

（1.南京農業大學食品科技學院，江蘇 南京 210095；2.新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊 830052）

以堿溶酸沉法制備的鷹嘴豆分離蛋白為酶解底物，以超氧陰離子自由基清除率為響應值，采用響應面法優化胰蛋白酶制備鷹嘴豆抗氧化活性肽的條件。結果表明：在整個酶解過程中，所制備的鷹嘴豆抗氧化肽具有顯著的抗氧化活性，胰蛋白酶制備鷹嘴豆抗氧化肽的最佳酶解條件為：底物質量分數2%、加酶量（［E］/［S］）1 800 U/g、溫度32 ℃、pH 7.0、時間35 min。此條件下所制備的鷹嘴豆抗氧化肽的超氧陰離子自由基清除率為67.59%。鷹嘴豆分離蛋白水解液經超濾膜系統純化獲得了截留相對分子質量1 kD以下的水解液，并通過液相色譜-質譜聯用分析，發現了一種相對分子質量為668.40、序列為RQLPR的親水性五肽。

鷹嘴豆分離蛋白；胰蛋白酶；抗氧化；響應面法

施文衛， 王偉， 胡冰， 等. 胰蛋白酶制備鷹嘴豆抗氧化肽的條件優化［J］. 食品科學， 2016， 37（15）: 185-191. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201615031. http://www.spkx.net.cn

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鷹嘴豆（chickpea），豆科鷹嘴豆屬（Cicer arietinum L.），一年生或多年生草本植物，耐干旱、貧瘠［1］，在我國主要種植于新疆、甘肅、青海等雨水量較少的地區［2］。鷹嘴豆外型獨特，形如鷹頭，在種臍附近有喙狀突起而得名，維吾爾族人稱其為奴乎特、諾胡提，別名雞豆、雞豌豆、腦豆子和桃豆等［3-4］。鷹嘴豆的消費量居世界豆類第二，僅次于大豆，產量居世界豆類第三，僅次于大豆和豌豆［5］。

鷹嘴豆因其獨特的生長優勢和高營養價值備受人們喜愛，國外研究較早。我國對于鷹嘴豆的科學研究大約始于20世紀80、90年代，且主要集中于栽培種植方面［6-7］。2005年以后，學者們逐漸把目光轉移到鷹嘴豆的營養成分、功能性質和開發利用等方面［8-11］，有關鷹嘴豆蛋白的報道也逐漸增多。鷹嘴豆種子中蛋白質含量約為20%～25%，氨基酸組成均衡［12］，且蛋白功效比和凈蛋白利用率都高于大豆［13-14］。學者們通過酶解鷹嘴豆蛋白制備了多種生物活性肽［15-16］，其中以具有抗氧化活性的肽的研究報道較多。鷹嘴豆蛋白本身就具有一定的抗氧化活性，是抗氧化肽的潛在來源［17］。與鷹嘴豆蛋白相比，鷹嘴豆抗氧化肽不但具有更佳的清除自由基［18］、金屬螯合［19］、預防細胞氧化損傷［20］等功效，而且更易被人體吸收。可能由于考慮到蛋白的溶解性以及酶的高效水解性等問題，鷹嘴豆蛋白的水解多用堿性蛋白酶，而以促進人體腸道消化和吸收的消化酶水解鷹嘴豆蛋白卻少有報道。因此，本研究擬以超氧陰離子自由基清除率為響應值，采用響應面分析法（response surface methodology，RSM）探尋以胰蛋白酶制備鷹嘴豆抗氧化肽的最佳條件，并對鷹嘴豆抗氧化肽的組成進行分析和探討，為鷹嘴豆蛋白類功能產品的開發與鷹嘴豆精深加工提供一定的參考。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

鷹嘴豆（卡布里型） 新疆農業大學。

胰蛋白酶 索萊寶生物科技有限公司。其他試劑均為分析純。

1.2儀器與設備

AY-120電子精密天平 日本Shimadzu公司；HH-6型數顯恒溫水浴鍋 上海國華電器有限公司；Avanti J-30I高效離心機 貝克曼庫爾特商貿有限公司；KJELTEC 2300型Foss全自動凱氏定氮儀 丹麥Foss公司；DELTA 320 pH計 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；Telstar LYOBETA 3PS中試凍干機 泰事達科技公司；Synergy-2型酶標儀 美國Biotek公司；Mini Pellicon膜過濾系統 密理博（中國）有限公司；LTQ Orbitrap XLTM液相色譜-質譜聯用（liquid chromatographymass spectrometry，LC-MS）儀 美國賽默飛世爾科技公司。

1.3方法

1.3.1常規指標的測定

蛋白質含量的測定方法按照GB 5009.5—2010《食品中蛋白質的測定》；水分的測定方法按照GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》；灰分的測定方法按照GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》；脂肪的測定方法按照GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的測定》；多糖含量的測定參照苯酚-硫酸法［21］。

1.3.2鷹嘴豆分離蛋白（chickpea protein isolates，CPI）的制備

根據Zhang Tao等［10］的方法略作改動：選取籽粒飽滿、無蟲害、無缺失的鷹嘴豆種子，去皮，粉碎機粉碎，100 目尼龍網過篩，石油醚脫脂，得到鷹嘴豆粉。將豆粉與水按照1∶10（m/V）的料液比混合，0.5 mol/L NaOH調pH值至8.5，室溫攪拌1～2 h，離心（3 000×g，20 min），殘渣用上述方法再提一次，合并上清液。0.5 mol/L的HCl調pH值至鷹嘴豆分離蛋白等電點4.6，靜置30 min，離心（800×g，20 min），用pH 4.6的去離子水洗滌沉淀3 次。調沉淀的pH值至7.0，冷凍干燥，4 ℃冰箱保存備用。

1.3.3CPI的酶解

根據Aarsen［22］的方法，略做改動：稱取適量CPI溶于30 mL去離子水中，混勻。將溶液放置入酶解反應器中，80 ℃預熱20 min，然后將混合液迅速調節到蛋白酶的最適溫度和最適pH值范圍內，緩慢攪拌的同時加入適量胰蛋白酶，通過滴加0.5 mol/L的NaOH溶液來維持反應液pH值不變。將制得酶解液放置于沸水中滅酶10 min，再放入冰浴中立即冷卻，離心（10 000×g，10 min），上清液凍干。

1.3.4水解度（degree of hydrolysis，DH）的測定

根據寧正祥［23］的方法測定胰蛋白酶降解鷹嘴豆分離蛋白的DH。

式中：ρi為甲醛滴定法測定的酶解產物中氨基氮含量/（mg/mL）；ρ1為甲醛滴定法測定的酶解前的溶液氨基氮含量/（mg/mL）；ρ0為凱氏定氮法測定的酶解液中蛋白質的總氮含量/（mg/mL）。

1.3.5氨基氮含量的測定

采用甲醛滴定法［23］測定氨基氮含量：取5 mL蒸餾水加入2 mL樣品或蒸餾水（空白），添加中性甲醛溶液5 mL，滴入0.5%酚酞指示劑3～5 滴，用0.1 mol/L的NaOH標準溶液滴定至微紅，記錄每次消耗的標準NaOH溶液的量。平均測定3 次，取平均值。

式中：V樣品為樣品所消耗NaOH標準溶液的體積/mL；V空白為空白實驗中所消耗NaOH標準溶液的體積/mL。

1.3.6超氧陰離子自由基清除能力的測定

根據Wang Zhaojing等［24］的方法略做改動：取2 mg/mL樣品溶液50 ?L，分別加入50 ?L氯化硝基四氮唑藍（nitrotetrazolium blue tetrazolium，NBT）溶液（156 ?mol/L）、50 ?L還原型輔酶Ⅰ（dihydronicotinamide adenine dinucleotide，NADH）溶液（468 ?mol/L）和50 ?L吩嗪硫酸甲酯（phenazine methosulfate，PMS）溶液（60 ?mol/L）。混勻反應體系，25 ℃水浴5 min，用分光光度計于560 nm波長處測吸光度。NBT溶液、NADH溶液和PMS溶液都是用0.1 mol/L pH 7.4的磷酸鹽緩沖液配制。以水代替樣品溶液、0.1 mol/L pH 7.4磷酸鹽緩沖液代替NBT溶液，作空白實驗調零。按照下式計算超氧陰離子自由基（O2-·）清除率。

式中：A0為對照實驗體系（水代替樣品溶液）的吸光度；A1為樣品實驗體系的吸光度；A2為樣品干擾實驗體系（0.1 mol/L pH 7.4 磷酸鹽緩沖液代替NBT溶液）的吸光度。

1.3.7酶解單因素對鷹嘴豆分離蛋白DH的影響

在酶促反應過程中，諸多因素影響著反應的進程，其中以底物質量分數、pH值、溫度、酶解時間和加酶量對反應速率影響較大，因此首先采用單因素試驗確定適當的單因素酶解條件。

1.3.8響應面法優化鷹嘴豆蛋白酶解條件

以X1加酶量（［E］/［S］）、X2酶解溫度和X3酶解時間為自變量，O2-·清除率為響應值，采用Box-Behnken中心組合試驗設計原理，設計了三因素三水平的RSM試驗。試驗以隨機次序進行，重復2 次，獲得O2-·清除率的平均值，采用Design-Expert V8.0.6軟件中的RS（response surface）程序進行分析，應用Model Graph程序作響應曲面圖和等高線圖。RSM試驗因素及水平表見表1。

表1　RSM試驗因素水平Table 1 Independent variables and levels used for RSM

1.3.9鷹嘴豆抗氧化肽的LC-MS分析

大量研究表明［16，25-26］，抗氧化肽的分子質量一般在1 kD以下，因此將CPI的水解液過1 kD的聚砜超濾膜，截留1 kD以下的鷹嘴豆小肽，旋轉蒸發濃縮，上Waters Sep-Pak?Vac 6cc C18固相萃取小柱，用2～3 倍柱體積的超純水洗去鹽分，60%乙腈洗下鷹嘴豆小肽，旋蒸濃縮，凍干，純化后的樣品進行LC-MS分析。檢測波長為280 nm，柱溫為30 ℃，流速為0.2 mL/mi n，進樣量20 ?L。色譜柱：ACQUITYUPLC TM BEH C18色譜柱（2.1 mm×100 mm，1.7 μm）；流動相A：H2O（含0.1%甲酸），流動相B：100%乙腈（含0.1%甲酸）；梯度洗脫程序：0～2 min 5% B，2～18 min 5%～95% B，18～22 min 95% B；陽離子檢測模式電噴霧質譜，噴霧電壓為 4.5 kV，霧化氣為N2，掃描范圍為m/z 300～1 000，通過在線二級串聯質譜鑒定分子序列。

1.4數據處理

響應面試驗數據采用Design-Expert V8.0.6軟件中的RS程序進行分析，應用Model Graph程序作響應曲面圖和等高線圖，對LC-MS分析圖譜采用Peaks Studio 7.5軟件分析鷹嘴豆抗氧化肽的組成及氨基酸序列。

2　結果與分析

2.1鷹嘴豆分離蛋白的化學成分

鷹嘴豆種子中脂肪含量約為4%～6%［13］，一定量的鷹嘴豆經篩選、去皮和磨粉后，需經石油醚反復浸泡脫脂。脫脂豆粉經堿液溶解并離心，去除淀粉等不溶性雜質，再經酸調節pH值至鷹嘴豆蛋白的等電點使蛋白析出，離心棄上清，除去糖類和酚類物質。而此時蛋白沉淀中仍殘留一定的糖類和酚類，需要用pH 4.6的去離子水反復洗滌，同時保持鷹嘴豆蛋白的含量不受影響，最終制備的CPI純度較高，經凱氏定氮法檢測所制備的CPI中蛋白含量為93.29%（表2）。

表2　鷹嘴豆分離蛋白的化學成分組成Table 2 Chemical components of chickpea protein isolate

2.2單因素對胰蛋白酶水解CPI的影響

2.2.1底物質量分數對胰蛋白酶水解CPI的影響

在溫度37 ℃、pH 7.0、加酶量2 000 U/g的條件下，測定不同質量分數底物對CPI水解液DH的影響，由圖1可知，隨著酶解的進行，DH的總趨勢為逐漸增加，但同一酶解時間時，底物質量分數為1%和2%的體系的DH相對高于對其他兩體系。這可能是由于酶被底物飽和后，隨著底物質量分數的增加，水解速率基本保持穩定。當底物質量分數過高時，體系流動性差，不利于酶與底物的接觸，因此其水解速率反而下降［27］。綜合考慮底物利用率和產物得率，選擇底物質量分數為2%。

圖1　底物質量分數對胰蛋白酶水解鷹嘴豆分離蛋白的影響Fig. 1 Effect of substrate concentration on the hydrolysis degree of chickpea protein isolate by trypsin

2.2.2pH值對胰蛋白酶水解CPI的影響

胰蛋白酶的最適pH值范圍為7.0～8.0，選擇pH 6.0～9.0的條件進行試驗，結果如圖2所示。胰蛋白酶在不同pH值條件下水解CPI，隨著時間的延長，DH總趨勢為逐漸增加。CPI酶解液的DH在不同pH值條件下差異較大，其中pH 7.0時效果最佳。pH值低于7時，推測由于pH值向鷹嘴豆蛋白等電點偏移，蛋白溶解度降低，降低了底物質量分數；pH值高于7時，同一水解時間，pH值高的體系DH反而低。因此，選擇pH值為7.0。

圖2　pH值對胰蛋白酶水解鷹嘴豆分離蛋白的影響Fig. 2 Effect of pH on the hydrolysis degree of chickpea protein isolate by trypsin

2.2.3［E］/［S］對胰蛋白酶水解CPI的影響

當［E］＜＜［S］時，可以認為酶反應速率與［E］成正比。因此固定底物質量分數為2.0%，考察不同［E］/［S］對DH的影響。由圖3可知，［E］/［S］越高，酶解越徹底，然而根據前期蛋白酶的篩選結果以及文獻［18］報道，其O2-·清除活性的峰值在1 h以內，而在1 h以內，［E］/［S］為3 000 U/g較2 000 U/g時對DH的提高并不明顯，從節約成本的角度考慮，選擇［E］/［S］為2 000 U/g比較適宜。

圖3　［ 3 E］/［/S］對胰蛋白酶酶解鷹嘴豆分離蛋白的影響Fig. 3 Effect of ［E］/［S］ ratio on the hydrolysis degree of chickpea protein isolate by trypsin

2.2.4酶解溫度對胰蛋白酶酶解CPI的影響

胰蛋白酶對底物的最適作用溫度一般為37 ℃，試驗中選擇30、37、50 ℃ 3 個條件，CPI的酶解曲線見圖4。30 ℃時，胰蛋白酶對CPI的酶解效果最差，可能是由于在低溫條件下胰蛋白酶的活性受到抑制；37 ℃與50 ℃條件下的水解曲線較接近，考慮到長期高溫會影響酶的活性，最終選擇37 ℃為宜。

圖4　酶解溫度對胰蛋白酶酶解鷹嘴豆分離蛋白的影響Fig. 4 Effect of temperature on the hydrolysis degree of chickpea protein isolate by trypsin

綜合以上單因素試驗結果，初步確定胰蛋白酶水解CPI的參數為：底物質量分數為2%、pH 7.0、［E］/［S］ 2 000 U/g、酶解溫度37 ℃，并以此設計響應面進行最適水解條件的優化。

2.3響應面法優化CPI酶解條件

2.3.1響應面試驗設計與結果

為了獲得具有較強抗氧化能力的CPI酶解物，在單因素試驗的基礎上，以O2-·清除率為響應值，采用Box-Behnken設計方法進行最適酶解條件的優化，試驗設計與結果見表3。［E］/［S］、酶解溫度和酶解時間3 個因素分別以X1、X2、X3表示，并以+1、0、-1 分別代表自變量的高、中、低水平，按方程xi=（Xi-X0）/X對自變量進行編碼，其中xi為自變量的編碼值，Xi為自變量的真實值，X0為試驗中心點處自變量的真實值，X為自變量的變化步長。

表3　響應面設計方案與結果Tabl e 3 Experimental design and results of RSM

2.3.2響應面及等高線分析

三維響應面圖可以顯示響應面的變化趨勢和最大值點。在等高線圖中，可以預測到最大值點，它位于最小曲線中。圖5為［E］/［S］和酶解溫度的交互作用對O2-·清除活性的影響，在試驗范圍內，隨著［E］/［S］的增大和酶解溫度的升高，酶解液的清除活性先增加后急劇下降。圖6為酶解時間和［E］/［S］的交互作用對清除活性的影響，在試驗范圍內，隨著［E］/［S］的增大，酶解液的清除活性先增加后降低，趨勢明顯，而隨著酶解時間的延長，清除活性亦先升高后降低，但幅度較小。圖7為酶解時間和溫度的交互作用對清除活性的影響，隨著時間和溫度的上升，酶解液活性先增加后降低，40 ℃以后，溫度越高活性明顯降低。對比圖5～7結果，［E］/［S］和酶解溫度的交互作用對清除活性的影響最顯著。

圖5　［ 5 E］/［/S］和酶解溫度的交互作用對OO2-·清除活性的響應面及等高線Fig. 5 Response surface and contour plots for the effect of ［E］/［S］ ratio and temperature on superoxide radical scavenging activity

圖6　酶解時間和［E］//［S］的交互作用對清除活性的響應面及等高線Fig. 6 Response surface and contour plots for the effect of ［E］//［S］ ratio and hydrolysis time on superoxide radical scavenging activity

圖7　酶解時間和溫度的交互作用對清除活性的響應面及等高線Fig. 7 Response surface and contour plots for the effect of hydrolysis time and temperature on superoxide radical scavenging activity

2.3.3回歸方程的建立與分析

試驗結果釆用Design-Expert V8.0.6軟件中的RS程序進行二次回歸分析，計算回歸方程中各系數，各因素回歸擬合后，選擇對響應值顯著的各項，剔除不顯著因子，得到鷹嘴豆抗氧化肽的清除率Y對自變量（X1、X2、X3）的二次多項回歸方程為Y=65.40-1.82X1-3.15X2-1.13X3-1.39X1X2-0.77X1X3-0.92X2X3--1.37X22。

表4　響應面二次模型方差分析Table 4 Analysis of variance for response surface quadratic model

由表4可知，對回歸方程進行方差分析，發現回歸方程極顯著，失擬檢驗為0.255 2（不顯著），這說明此回歸模型很理想，用方程擬合3 個因素與酶解產物的清除率之間的關系是可行的。試驗誤差小，故可用該回歸模型代替試驗真實點對試驗結果進行預測。一次項X1、X2、X3均對CPI酶解物的清除率有極顯著影響，影響順序為X1＞X2＞X3；二次項、以及交互項中的X1X2項也對清除率有極顯著影響，交互項X1X3和X2X3影響顯著，表明各因素對清除率的影響成二次關系，各因素間交互影響。李瑩等［28］在優化泥鰍蛋白酶法制備血管緊張素轉化酶抑制肽的工藝時，發現pH值、溫度、底物濃度以及酶的添加量等因素與血管緊張素轉化酶抑制率之間不存在線性關系，只有在特定的DH時，其活性最佳，與本試驗結果一致。

2.4最佳酶解條件的驗證

對回歸模型進行優化后，得到最大響應值對應的最佳酶解條件為：底物質量分數2%、［E］/［S］ 1 800 U/g、酶解溫度32 ℃、pH 7.0、酶解時間35 min，代入方程得清除率為67.02%。在該條件下重復3 次實驗，測得清除率為67.59%，與理論預測值的相對誤差在±1%以內，說明建立的模型預測性能好，具有實際指導意義。此條件下所得CPI水解液的DH為4.23%。

2.5鷹嘴豆抗氧化肽的組成及序列

對CPI酶解液進行超濾處理，截留1 kD以下的酶解液，經LC-MS分析，發現其成分較為復雜（圖8），美國國家生物技術信息中心（National Center of Biotechnology Information，NCBI）數據庫中共匹配出175 種肽段，主要來自于鷹嘴豆谷蛋白和球蛋白，而絕大部分親水性短肽在前5 min已出峰。其中，在保留時間為3.77 min處的峰較為純凈，且含量相對較高，是一種親水性五肽。由圖8B、C可知，該肽的氨基酸序列為RQLPR，相對分子質量為668.40，與理論計算結果一致。

堿性氨基酸能夠通過側鏈的氨基螯合金屬離子從而起到抗氧化作用，而本研究所得到的五肽具有兩個堿性氨基酸（精氨酸）。此外，肽鏈中的亮氨酸和脯氨酸都是疏水性氨基酸，為其與疏水性自由基的結合提供了有利條件［29］。由于谷氨酰胺含有兩個氨基，與其形成的酰胺鍵的類型未知，得到的五肽的空間結構還有待進一步確認。

圖8　鷹嘴豆抗氧化肽的LC圖（A）、3.77 min處峰的MS圖（B）和氨基酸序列圖譜（C）CFig. 8 LC spectra of chickpea antioxidant peptides （A）， and mass spectrum of the peak at 3.77 min （B） and amino acid sequence （C）

3　結 論

本實驗以堿溶酸沉法制備了CPI，其蛋白質含量為93.29%；采用響應面法優化了得到了胰蛋白酶解制備鷹嘴豆抗氧化活性的最優酶解條件為：底物質量分數2%、［E］/［S］ 1 800 U/g、酶解溫度32 ℃、pH 7.0、酶解時間35 min。此條件下所制備的CPI水解液的清除率為67.59%，與理論預測值的相對誤 差在±1%以內，說明建立的模型預測性能好，具有實際指導意義。1 kD以下的CPI水解液經LC-MS分析共檢測出175 種肽，主要來自于鷹嘴豆谷蛋白和球蛋白，其中發現一種相對分子質量為668.40、序列為RQLPR的親水性五肽。

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Optimal Preparation of Antioxidant Peptides by Enzymatic Hysrolysis of Chickpea Protein Isolate with Trypsin

SHI Wenwei1， WANG Wei2， HU Bing1， ZHOU Li1， ZENG Xiaoxiong1， SUN Yi1，*
（1. College of Food Science and Technology， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China；2. College of Food Science and Pharmacy， Xinjiang Agricultural University， ?rümqi 830052， China）

Response surface methodology was employed to optimize the preparation conditions of antioxidant peptides by enzymatic hydrolysis of chickpea protein isolate （CPI）， prepared by alkaline extraction and acid precipitation from chickpea seeds， with trypsin. The response variable was the percentage scavenging of superoxide anion radical. The results showed that all samples collected throughout the hydrolysis process had significant antioxidant activity and the optimal conditions were determined as substrate concentration 2%， enzyme/substrate （［E］/［S］） ratio 1 800 U/g， reaction time 35 min， temperature 32 ℃ and pH 7.0. Under these conditions， the percentage scavenging of superoxide anion radical by chickpea antioxidant peptides was 67.59%. Chickpea peptide fractions with molecular weight cut-off of 1 kD from chickpea protein hydrolysates by ultrafiltration were analyzed by liquid chromatography-mass spectroscopy （LC-MS）. A pentapeptide with molecular weight of 668.40 in chickpea peptide fractions was achieved， whose amino acid sequence was determined to be RQLPR.

chickpea protein isolate； trypsin； antioxidant activity； response surface methodology

10.7506/spkx1002-6630-201615031

TS201.2

A

1002-6630（2016）15-0185-07

2015-10-01

江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

施文衛（1990—），男，碩士研究生，研究方向為食品生物技術。E-mail：2013108029@njau.edu.cn

孫怡（1966—），女，高級實驗師，博士，研究方向為食品營養與化學。E-mail：sunyi01@njau.edu.cn

引文格式：