史文軍,萬夕和,黎慧,沈輝,王李寶,喬毅,孫瑞健
(江蘇省海洋水產研究所,江蘇南通226007)
酶解異育銀鯽制備不同分子量段抗氧化肽的研究
史文軍,萬夕和*,黎慧,沈輝,王李寶,喬毅,孫瑞健
(江蘇省海洋水產研究所,江蘇南通226007)
以異育銀鯽(Carassius auratus gibelio)蛋白為原料,以酶解產物的DPPH自由基清除率為評價指標,從酸性蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶、風味蛋白酶、胃蛋白酶和胰蛋白酶8種蛋白酶中篩選出風味蛋白酶作為最佳酶解用酶,并通過單因素試驗和正交試驗確定風味蛋白酶酶解的最佳工藝條件為:加酶量3 000 U/g、底物濃度7%、酶解pH 7.5、酶解溫度55℃、酶解時間4 h。在該條件下對異育銀鯽的水解度為46.78%,酶解產物的DPPH自由基清除率為90.12%、羥自由基清除率為82.31%、超氧陰離子自由基清除率為79.45%;在此基礎上對酶解液進行硫酸銨鹽析、活性炭脫腥、超濾膜分段、透析脫鹽、濃縮和干燥,得到不同分子量段酶解產物。
異育銀鯽;酶解;自由基;抗氧化肽
異育銀鯽(Carassius auratus gibelio)是中國科學院水生生物研究所的魚類育種專家于二十世紀七八十年代研制成功的一種鯽魚養殖新品種,然而,隨著異育銀鯽養殖業的不斷發展,病害導致異育銀鯽死亡的數量逐漸增加,特別是近些年,由于“鰓出血”病的影響,江蘇沿海,特別是鹽城地區養殖損失慘重。另一方面,由于技術和人為忽視的原因,死亡的異育銀鯽沒有得到很好的利用,這不僅造成資源的浪費,而且造成嚴重的環境污染。在魚體組織中,蛋白質是最主要的有機組分,經測定,異育銀鯽的含肉率在48.18%~54.19%之間,肌肉蛋白質含量在17.58%~18.03%,氨基酸構成中,谷氨酸含量為最高,其次為天冬氨酸、亮氨酸和賴氨酸[1-2]。
人體代謝過程中會不斷產生自由基,當自由基的產生和清除動態平衡失調時,機體內一些正常生理生化反應就會發生紊亂,引起機體的組織和細胞的損傷,進而引發慢性疾病及衰老效應,如癌癥、心血管病和炎癥等[3]。而抗氧化肽可以清除體內多余的自由基,增加機體免疫力,延緩衰老,從而實現機體的自我保護。抗氧化肽是一種以休眠形式存在于母蛋白質序列中的特異性蛋白質片段,當水解釋放后才能表現出強烈的抗氧化活性[4]。與酸法和堿法水解相比,酶法水解蛋白水解效率高,反應條件溫和,產生毒性物質的可能性小,同時隨著酶解反應的進行,蛋白質的相對分子質量變小,轉化為小分子肽或者游離氨基酸,更易于人體消化吸收和利用[5]。不同分子量的酶解產物,其吸收能力和生物活性差異較大,目前多是使用超濾法對酶解產物進行分子量大小分段的[6]。如郝更新[7]等通過超濾工藝從牡蠣貝肉蛋白酶解液中分離富集抗氧化活性肽;林慧敏[8]等采用超濾膜對帶魚蛋白酶解液進行分級分離獲得了高抗菌、抗氧化活性的帶魚蛋白亞鐵螯合肽(Fe-HPH);Mohamed Beva Kelfala Foh[9]等研究了超濾對羅非魚蛋白水解物抗氧化活性的影響。
本文以異育銀鯽蛋白為原料,選擇體外DPPH自由基清除率為評價指標,從8種蛋白酶中篩選出最適制備異育銀鯽抗氧化肽的蛋白水解酶,并通過正交試驗優化酶解工藝,確定合適的加酶量、底物濃度、酶解溫度、酶解pH值和酶解時間,并通過超濾分段的方法將其分成不同分子量段的抗氧化肽,以期為發病異育銀鯽的綜合開發及利用提供一定的理論依據。
異育銀鯽:取自江蘇省鹽城市大豐區養殖塘口,低溫運至江蘇省海洋水產研究所海洋生物技術試驗室,-20℃保存,使用時室溫解凍。
酸性蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶、風味蛋白酶、胃蛋白酶和胰蛋白酶(均為食品級):天津市諾奧科技發展有限公司;試驗所使用的硫酸、鹽酸、氯化鈉等各類試劑均為分析純。所用蛋白酶的各項參數見表1。

表1 8種蛋白酶的特征性參數值Table 1 Feature values of eight enzymes
PHS-2F pH酸度計:上海儀電科學儀器股份有限公司;DL-I-15臺式封閉電爐:江陰市保利科研器械有限公司;UV-2450紫外分光光度計:島津國際貿易(上海)有限公司;DK-S26水浴鍋:海精宏試驗設備有限公司:SHY-2A恒溫水浴振蕩器;常州麥科諾儀器有限公司;AB54-S電子分析天平:梅特勒-托利多常州公司;蠕動泵:上海滬西有限公司;超濾板:美國頗爾公司;旋轉蒸發儀:瑞士步琦有限公司。
將-20℃保存的異育銀鯽,于室溫下放置解凍,去除魚鱗和內臟后,將魚肉分成2 cm~3 cm每段;按1∶5(g/mL)加入無乙醇,脫脂 2 h,期間每 1 h更換一次液體;然后用自來水沖洗干凈,純水浸泡一次;50℃烘干5 h;用組織粉碎機將其粉碎,放置于干燥器里貯藏備用。
參照GB/T5009.5-2010《食品中蛋白質的測定》中的凱氏定氮法。
準確稱取預先于105℃烘箱干燥至恒重的甘氨酸0.100 0 g(準確至0.000 1 g),用蒸餾水定容至100 mL,取2.0 mL用蒸餾水定容至100 mL,即得20 μg/mL標準液;用蒸餾水分別稀釋至 2、4、6、8、10、14、16 μg/mL和20 μg/mL 8個梯度,分別取上述溶液2.0 mL至具塞試管中,并以蒸餾水作為空白組,各加1.00 mL茚三酮顯色劑,混勻后置于沸水浴中加熱15 min,立即冷水中冷卻,加入5.00 mL 40%乙醇溶液,劇烈震蕩數分鐘至棕紅色退去,室溫靜置15 min,用紫外分光光度計測570 nm處吸光值,以吸光值A為縱坐標,甘氨酸濃度C為橫坐標,繪制甘氨酸標準曲線。
茚三酮比色法[10],具體是將蛋白水解上清液稀釋至合適倍數,取2.00 mL稀釋液于試管并加入1.00 mL茚三酮顯色劑混勻后沸水浴加熱15 min。同時作空白試驗,以后操作同標準曲線繪制過程。利用標準曲線計算水解蛋白液中-NH4的含量,水解度計算公式如下:

式中:DH為水解度,%;h為水解后每克蛋白質被裂解的肽鍵數,mmol;htot為每克原料蛋白質的肽鍵毫摩爾數,本試驗取7.4mmol/g;水解液-NH4的含量:由標準曲線求得;N為凱氏定氮測定的氮的濃度,mg/mL。
準確稱取一定量的異育銀鯽干粉,加入適當比例的超純水,用2 mol/L氫氧化鈉或鹽酸調節體系pH值至試驗用酶最適pH值,加入適量的水解用蛋白酶,在給定的反應溫度下進行反應,酶解至設定時間后,將酶解液置于沸水中滅酶活10 min,10 000 r/min離心15 min,將所得酶解產物(上清)置于冰箱4℃短期保存待用。
參照李云濤等[11]的方法,略作改動,取1.5 mL待測液與1.5 mL 0.02 mmol/L的DPPH溶液,混勻,室溫黑暗下放置30 min,以1.5 mL 99.5%乙醇和1.5 mL純水的混合液調零,測定其在517 nm波長下的吸光值,計算公式如下:

式中:Ai為1.5 mL待測液與1.5 mL 0.02 mmol/L的DPPH溶液的吸光值;A1為1.5 mL99.5%乙醇與1.5 mL0.02mmol/L的DPPH溶液的吸光值;A2為1.5mL DPPH溶液與1.5 mL99.5%乙醇的吸光值。
參照文獻中的方法[12],在10 mL具塞比色管依次加入0.8 mL的pH5.0HAc-NaAc緩沖液,1.0 mL1×10-4mol/L的孔雀石綠溶液,2.2 mL2×10-2mol/L的EDTA-Fe2+溶液,1.4 mL0.3%的H2O2溶液,用純水稀釋至10 mL,搖勻,放置45 min后在617 nm波長處測定吸光值A0,同時測定不加H2O2時的吸光值A1,同時測得在加H2O2前加入1 mL所測酶解液,此時的吸光值計作Ai,計算公式如下:

參照張照昱等[13]的方法,取0.05 mol/LpH8.2的Tris-HCl緩沖液2.4 mL,25℃水浴加熱20 min,加入0.3 mL提前預熱過的4 mmol/L的鄰苯三酚溶液和

式中:A0為不加待測酶解液的吸光值;A1為加待測酶解液的吸光值;A2為不加鄰苯三酚時溶液的吸光值。
在加酶量為2 000 U/g,底物濃度為10%,酶解時間為2 h的相同條件下,選擇各酶最適pH值和最適溫度,分別測定酸性蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶、風味蛋白酶、胃蛋白酶和胰蛋白酶水解異育銀鯽的水解度及相對應酶解產物的DPPH自由基清除率,最終篩選出最佳水解蛋白酶[14-16]。
在最適pH值和溫度的條件下,分別以不同加酶量(500、1 000、1 500、2 000、2 500 U/g 和 3 000 U/g),不同底物濃度(4、6、8、10、12 g/100 mL 和 14 g/100 mL),反應時間(1、1.5、2、2.5、3、3.5 h 和 4 h)為單因素,考察各單因素水平對異育銀鯽蛋白水解度及水解產物抗氧化性的影響。
根據單因素試驗結果和風味蛋白酶最適pH值及溫度條件,運用正交試驗設計軟件,研究加酶量、底物濃度、pH值、溫度和反應時間對風味蛋白酶酶解異育銀鯽蛋白制備抗氧化肽的影響,并優化出各因素的最佳組合。
硫酸銨鹽析:在以上所選最佳酶解工藝條件下進行異育銀鯽蛋白質酶解,將滅酶后的酶解上清液,在冰水浴條件下加硫酸銨至一定飽和度,然后4℃過夜鹽析,離心收集沉淀;
生理鹽水復溶:復溶沉淀用10 mmol/L磷酸鹽緩沖液(pH7.0含0.15 mol/L氯化鈉)復溶,然后用活性炭(濃度2%~4%,溫度40℃~50℃)脫腥2 h后,離心收集上清液;
超濾分段:用截留分子量不同的超濾板將其分離為 Mr>10kDa、10kDa>Mr>5kDa、5kDa>Mr>3kDa 及3kDa>Mr 4個分子量段的抗氧化肽;
透析脫鹽:將各段酶解液分別裝于截留分子量3 kDa的透析袋中,于純水中脫鹽24 h,期間每8 h替換一次純水;
濃縮和干燥:將脫鹽后的各段酶解液通過旋轉蒸0.3 mL的待測酶解液,搖勻,25℃反應4 min,加一滴10 mmol/L的HCl以終止反應,325 nm波長處測定吸光值,計算公式如下:發濃縮進行濃縮;然后進行冷凍干燥。
采用Origin和Spass軟件對數據進行分析,所有數據均采用±S表示。
在底物濃度10%,加酶量2 000 U/g,酶解時間2 h的相同條件下,在各蛋白酶自身最適pH值和溫度條件下,分別測得8種蛋白酶酶解異育銀鯽的水解度和相對應酶解產物的DPPH自由基清除率結果見圖1。

圖1 不同蛋白酶酶解液的DPPH自由基清除率Fig.1 DPPH scavenging activity of the enzymatic hydrolysates by different proteinases
由圖1可知,其水解度大小順序為胰蛋白酶>菠蘿蛋白酶>風味蛋白酶>木瓜蛋白酶>堿性蛋白酶>中性蛋白酶>酸性蛋白酶>胃蛋白酶,其中胰蛋白酶水解度最高,可以達到22.94%,而最低的胃蛋白酶,只能達到7.66%;測得各蛋白酶所對應的酶解產物DPPH自由基清除率大小順序為風味蛋白酶>菠蘿蛋白酶>胰蛋白酶>木瓜蛋白酶>堿性蛋白酶>酸性蛋白酶>胃蛋白酶>中性蛋白酶,其中,最高的風味蛋白酶酶解液對DPPH自由基清除率達68.26%,而最低的中性蛋白酶酶解液對DPPH自由基清除率只能達到16.02%。因此,選擇風味蛋白酶作為本試驗制備抗氧化肽的酶解用酶,其水解異育銀鯽的水解度19.03%。
在底物濃度為10%,pH值為6.5,反應溫度為50℃,酶解時間為2 h的相同條件下,研究風味蛋白酶的(500 U/g~3 000 U/g)加酶量對酶解液DPPH自由基清除率和水解度的影響,結果如圖2所示。
由圖2可知,在加酶量達到2 500 U/g前,隨著加酶量的增加,水解度及酶解液DPPH自由基清除率均成呈上升趨勢,但當加酶量達2 500 U/g后,繼續增加蛋白酶加入量,水解度變化不明顯,而酶解液DPPH自由基清除率卻呈現下降趨勢。所以選擇2 500 U/g作為風味蛋白酶的最適加酶量。

圖2 加酶量對酶解液DPPH自由基清除率的影響Fig.2 DPPH scavenging activity of the enzymatic hydrolysates by different proteinas’concentration
在加酶量為2 500 U/g,pH值為6.5,反應溫度為50℃,酶解2 h的相同條件下,研究(4%~14%)底物濃度對酶解液DPPH自由基清除率和水解度的影響,結果如圖3所示。

圖3 底物濃度對酶解液DPPH自由基清除率的影響Fig.3 DPPH scavenging activity of the enzymatic hydrolysates by different substrates’concentration
由圖3可知,在底物濃度達到8%之前,隨著底物濃度的增加,水解率和酶解液DPPH自由基清除率均呈上升趨勢,但當底物濃度達8%后,繼續增加底物濃度,酶解液DPPH自由基清除率趨于平穩,而水解度呈下降趨勢。綜合考慮選擇8%作為風味蛋白酶最適反應底物濃度。
在加酶量為2 500 U/g,pH值為6.5,反應溫度為50℃,底物濃度為10%的相同條件下,研究(1 h~4 h)酶解時間分別對酶解液DPPH自由基清除率和水解度的影響,結果如圖4所示。
由圖4可知,前3 h內,隨酶解時間的延長,水解度和酶解液DPPH自由基清除率均呈上升趨勢;但酶解3 h后,繼續延長酶解時間,水解度上升趨勢不明顯,酶解液DPPH自由基清除率卻有下降趨勢。綜合考慮選擇3 h作為最適酶解時間。

圖4 酶解時間對酶解液DPPH自由基清除率的影響Fig.4 DPPH scavenging activity of the enzymatic hydrolysates by different hydrolysis time
最適加酶量為2 500 U/g,最適底物濃度為8%,最適酶解時間為3 h,結合風味蛋白酶最適pH6.5和最適反應溫度為50℃。在上述最適單因素的基礎得出正交試驗試驗水平因素設計表,見表2。

表2 正交試驗水平因素設計表Table 2 Factors and levels in the orthogonal array design
以異育銀鯽酶解液DPPH自由基清除率評價為指標,采用正交試驗確定風味蛋白酶酶解的最適反應組合條件。正交試驗結果及分析見表3,方差分析表見表4。

表3 風味蛋白酶酶解條件正交試驗方案及結果分析Table 3 The design and results of orthogonal test

續表3 風味蛋白酶酶解條件正交試驗方案及結果分析Continue table 3 The design and results of orthogonal test

表4 方差分析表Table 4 Variance analysis
由表3可知,用風味蛋白酶酶解異育銀鯽制備抗氧化肽時,以DPPH自由基清除率為評價指標,對正交試驗結果進行極差分析,發現各單因素的影響程度依次為加酶量>pH值>反應溫度>酶解時間>底物濃度;最佳試驗組合為A3B1C3D3E3,即加酶量為3 000 U/g,底物濃度為7%,pH值為7.5,反應溫度為55℃,酶解時間為4 h。由表4可以看出加酶量、pH值和溫度水平之間存在顯著差異;而底物濃度和反應時間水平之間沒有顯著性差異。
為了檢驗正交試驗優化出的最佳酶解條件的準確性,在此最優條件(A3B1C3D3E3)下,進行異育銀鯽酶解試驗,此時水解度為46.78%,對應酶解液DPPH自由基清除率為90.12%,結果大于正交13號試驗組,所以此次正交試驗優化出的最佳酶解條件是準確的,可以用于酶解。同時測定此時酶解液羥自由基清除率為82.31%、超氧陰離子自由基清除率為79.45%。
加入硫酸銨至不同的飽和度,其鹽析效果是不同的,如圖5所示。

圖5 不同飽和度硫酸銨鹽析效果Fig.5 The results of ammonium sulfate precipitation
由圖5可知,隨著硫酸銨飽和度的不斷增加,上清液中蛋白質的含量在逐漸降低,即越來越多的蛋白從溶液中析出,當硫酸銨飽和度達到90%時,幾乎所有的蛋白從溶液中析出。
將干燥后的各段抗氧化肽進行稱量,與加入底物的量進行比較,計算出各段的得率,如表5所示,可見分子量大于10 kDa的抗氧化肽產率是最高的,而分子量小于3 kDa的抗氧化肽產率最低。

表5 不同分子量段抗氧化肽的產率Table 5 Pproduction rate of different molecular weight antioxidant peptides
將不同分子量段的抗氧化肽粉充分溶于純水中,濃度均為2.0 mg/mL,然后用0.45 μm的濾膜過濾,檢測各段的體外抗氧化性,結果見圖6。
由圖6可知,相同濃度下,隨著分子量的降低,其抗氧化活性不斷升高。
1)通過對8種酶水解度和酶解產物自由基清除率的分析,綜合考慮各方面因素,篩選出風味蛋白酶作為試驗用最佳蛋白水解酶;

圖6 不同分子量段多肽抗氧化效果Fig.6 The antioxidant effect of different molecular weight
2)通過正交優化試驗可得,風味蛋白酶水解異育銀鯽蛋白的最佳水解條件是:
加酶量3 000 U/g,底物濃度7%,pH7.5、反應溫度為55℃和酶解時間4 h。在此最優條件下,進行異育銀鯽酶解試驗,測得水解度為46.78%,對應酶解液DPPH自由基清除率為90.12%,同時測定此時酶解液羥自由基清除率為82.31%、超氧陰離子自由基清除率為79.45%;
3)通過硫酸銨鹽析、活性炭脫腥和超濾膜分段,將異育銀鯽酶解液按分子量大小分離為Mr>10kDa、10kDa>Mr>5kDa、5kDa>Mr>3kDa及 3kDa>Mr 4個分子量段的抗氧化肽;其中,3kDa>#分子量段的抗氧化肽抗氧化效果最好,2.0 mg/mL時其DPPH自由基清除率為90.82%。
[1]李育培,盛曉灑,權恒.蛋白質和氨基酸營養水平對異育銀鯽的影響研究[J].飼料博覽,2008(1):41-43
[2]嚴安生,熊傳喜,周志軍,等.異育銀鯽的含肉率及營養評價[J].水利漁業,1998,97(3):16-19
[3]陸向英.銀杏葉提取物對老年性疾病的治療作用分析[J].中外醫學研究,2011,9(24):140
[4]SARMADI B H,ISMAIL A.Antioxidative peptides from food proteins:a review[J].Peptides,2010,31(10):1949-1956
[5]ARAI S,YAMASHITA M,KATO H,et al.Applying proteolytic enzymes on soybean[J].Agric Biol Chem,1970,34(5):729-738
[6]任海偉,王常青.超濾法分離黑豆抗氧化活性肽[J].食品科學,2009,30(12):123-126
[7]郝更新,曹文紅,郝記明,等.超濾法濃縮富集牡蠣蛋白抗氧化活性肽[J].食品工業科技,2013,34(11):77-80
[8]林慧敏,鄧尚貴,龐杰.張賓超濾法制備高抗菌抗氧化活性帶魚蛋白亞鐵螯合肽(Fe-HPH)的工藝研究[J].中國食品學報,2012,12(6):16-21
[9]Mohamed Beva Kelfala Foh,J Qixing,I Amadou,et al.Influence of Ultrafiltration on Antioxidant Activity of Tilapia(Oreochromis niloticus)Protein Hydrolysate[J].Advance Journal of Food Science and Technology,2010,2(5):227-235
[10]趙新淮,馮志彪.蛋白質水解物水解度的測定[J].食品科學,1994,15(11):65-67
[11]李云濤,陳博,馬劍茵.蝦蛄肉酶法制備抗氧化肽的工藝優化和活性研究[J].海洋與湖沼,2014,45(2):336-339
[12]張照昱,邢俊德,張朝峰,等.孔雀綠褪色光度法檢測Fenton反應產生的羥自由基[J].太原理工大學學報,2009,40(2):113-116
[13]劉媛,王健,牟建樓,等.扇貝貝肉抗氧化肽制備及體外抗氧化試驗研究[J].食品工業科技,2014,35(8):206-209
[14]王水霞,王珊珊.青蛤堿性蛋白酶水解物的抗氧化活性試驗[J].藥物與人,2014,27(5):42-43
[15]吳林澤,李從發.羅非魚下腳料酶解產物中抗菌肽的初步研究[J].科技信息,2007(17):289
[16]付學軍,金海珠.酶解時間對海參肽抗氧化活性影響的研究[J].食品科技,2013,38(9):193-196
Study on the Preparation of Antioxidant Peptide with Different Molecular Weights from Crucian Carp(Carassius auratus gibelio)Meat Enzymolysis
SHI Wen-jun,WAN Xi-he*,LI Hui,SHEN Hui,WANG Li-bao,QIAO Yi,SUN Rui-jian
(Institute of Oceanology&Marine Fisheries of Jiangsu,Nantong 226007,Jiangsu,China)
Gibel carp (Carassius auratus gibelio)protein was chosed as the raw material.It was independently hydrolyzed by trypsin,pepsin,flavourzyme,neutrase,alcalase,papain,bromelain and acid protease.The antioxidant capability was evaluated by the DPPH free radicals clearance rate.The results showed that the flavourzyme was the best proteolytic enzyme.The single factor and orthogonal experiment showed that the best hydrolysis conditions of the flavourzyme were:enzyme amount 3 000 U/g,substrate concentration 7%,pH=7.5,T=55℃,reaction time 4 h.Under these conditions,the degree of hydrolysis(DH)was 46.78%,the DPPH free radicals clearance rate could achieve to 90.12%,the scavenging rate of hydroxyl radical was 82.31%and the clearance rate of superoxide anion radical was 79.45%.The enzymatic hydrolysates were processed with ammonium sulfate salting-out,active carbon,ultrafiltration,dialysis,concentration and lyophilization,then antioxidant peptide with different molecular weights were got.
Carassius auratus gibelio;enzymatic hydrolysis;free redicals;antioxidant peptide
10.3969/j.issn.1005-6521.2017.23.011
異育銀鯽重大疾病防控技術體系研究與示范(D2015-12)作者簡介:史文軍(1987—),男(漢),工程師,碩士,研究方向:海洋生物技術。
*通信作者:萬夕和(1971—),男(漢),研究員,博士,研究方向:海洋生物。
2017-03-13