響應面法優化酶解單環刺螠內臟多肽的工藝研究

張曉曉，劉峰，劉春娥，紀元，段冬，閆娜

（中國農業大學煙臺研究院，山東煙臺264670）

單環刺螠（Urechis unicinctus），俗稱海腸子，屬于螠蟲動物門、無管螠目、刺螠科。在我國單環刺螠主要分布于山東膠東地區潮間帶下區，在俄羅斯、朝鮮、日本等地也有分布[1]。近年來隨著單環刺螠養殖技術的完善，其消費市場日益增大。單環刺螠的體壁肌是主要的食用部分，而占整體重量68%（濕重比）的內臟往往被丟棄，然而內臟中的蛋白質含量高達18.25%，脂肪含量為0.12%，總糖含量為4.09%，且含有豐富的Ca、Mg、Fe、Zn等元素：同時也含有豐富的二十碳五烯酸（eicosapntemacnioc acid，EPA）、二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA） 和二十二碳五烯酸（docosapentaenoic acid，DPA）[2-3]，其支芳值與人體支芳值相似，能被人體很好的吸收利用。海洋生物處于高壓、高鹽、低溫、寡營養等環境[4]，為了適應這些極端的海洋生境，生物自身的功能分子組成或結構都與陸生生物的功能分子有很大的不同[5-6]。因此，對單環刺螠內臟的開發利用，不僅提高了其附加值，而且極有可能開發出具有一定功能的生物活性物質。

目前，國內外對單環刺螠內臟的研究主要集中在內臟中營養成分測定及多糖的分離純化和結構研究方面[7-10]。對其豐富的蛋白質資源及其可制備活性肽的研究目前尚未見報道。饒勝其等[8]以廣昌白蓮為原料，采用堿性蛋白酶酶解得到多肽。張紅波等[9]以鯉魚魚肉為原料，采用四因素三水平響應面分析法對鯉魚多肽的提取工藝進行優化研究，確定胃蛋白酶提取鯉魚多肽時的最佳工藝參數。不同的蛋白酶作用的氨基酸位點并不相同，因此雙酶復合可以用比單酶試驗中更少的加酶量，更短的酶解時間取得更好的酶解效果[10-11]。方富永等[12]研究木瓜蛋白酶與菠蘿蛋白酶雙酶復合水解酪蛋白，其酶解效果明顯優于單酶酶解。

本文以單環刺螠內臟為原料，選用中性蛋白酶和堿性蛋白酶進行雙酶配比、酶解時間、總加酶量、酶解溫度四因素六水平的雙酶復合單因素試驗，根據Box-Behnken的中心組合試驗設計原理，運用Design Expert8.0.5數據統計分析軟件，采用三因素三水平的響應面分析法，以多肽得率為響應值，研究加酶量、時間、溫度對單環刺螠內臟多肽得率的影響，最終得到單環刺螠內臟多肽的最佳酶解工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

單環刺螠內臟：煙臺萊山區農貿市場；中性蛋白酶（6萬U/g）、胰蛋白酶（25萬U/g）、胃蛋白酶（3500U/mg）、木瓜蛋白酶（80萬 U/g）、堿性蛋白酶（20萬 U/g）：北京索萊寶科技公司；其他試劑均為分析純；TU-1810紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；BHS-6數顯恒溫水浴鍋：龍口市先科技公司。

1.2 方法

1.2.1 單環刺螠內臟勻漿液制備

將單環刺螠內臟用蒸餾水淋洗后進行組織絞碎，紗布過濾，得勻漿液。

1.2.2 單環刺螠內臟酶解工藝

1.2.2.1 雙酶復合單因素試驗

以下試驗均進行3次重復。

1）雙酶配比對水解度的影響

向料液比1∶10（g/mL）的勻漿液中按照 10∶3、2 ∶1、1 ∶1、1 ∶1.5、1 ∶2、1 ∶5（中性蛋白酶 ∶堿性蛋白酶）的質量比，總加酶量為3%，在50℃水浴中酶解2 h（pH 7.5）后取樣，滅酶備用。

2）酶解時間對水解度的影響

將勻漿液按料液比 1∶10（g/mL），雙酶配比 1∶1（質量比），總加酶量3%，混勻調節pH 7.5，于50℃水浴中酶解，在 1、2、3、4、5 h 取樣，滅酶備用。

3）總加酶量對水解度的影響

將勻漿液按料液比 1∶10（g/mL）混勻，雙酶配比 1∶1（質量比），分別按1%、2%、3%、4%、5%的總加酶量混勻，調節pH 7.5，50℃水浴酶解4 h后取樣，滅酶備用。

4）酶解溫度對水解度的影響

將勻漿液按料液比 1∶10（g/mL），總加酶量 3%，雙酶配比 1∶1（質量比）混勻，調節 pH 7.5，分別在 35、40、45、50、55℃水浴中酶解2 h后取樣，滅酶備用。

1.2.2.2 響應面優化試驗

將雙酶復合試驗中的4因素結果用SPSS Statistics 17.0進行回歸線性分析，選取3個影響度較大的因素，用Design-Export.8.05模擬多元響應面回歸模型，其三因素三水平編碼見表1。

表1 響應面優化試驗因素水平編碼表Tabel 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters used in the response surface analysis

1.2.3 水解度的測定

以甘氨酸為標準氨基酸繪制標準曲線，用茚三酮法測定樣品中的氨基酸含量，計算水解度[13]：

式中：m為氨基酸質量，g；m0為樣品質量g。

2 結果與分析

2.1 雙酶復合單因素試驗結果

不同蛋白酶的酶活力、與底物之間的相互作用及作用位點等的不同，導致不同的酶對同一底物的酶解效果產生明顯差異[14-15]。堿性蛋白酶、中性蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶的催化基團分別是絲氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸或色氨酸、精氨酸或賴氨酸、半胱氨酸[16-17]。單環刺螠蛋白質中甘氨酸和絲氨酸的含量較高于其他氨基酸[18]，這解釋了單因素試驗中堿性蛋白酶和中性蛋白酶的酶解效果優于其他酶的原因。且中性蛋白酶和堿性蛋白酶的pH值與效用最適溫度相差不大[19]，這為雙酶復合試驗提供了條件。

雙酶配比對水解度的影響見圖1。

圖1 雙酶配比對水解度的影響Fig.1 Effect of enzyme ration on degree of hydrolysis

由圖1可以看出，雖然總的加酶量相同，但不同的配比對應的水解度也存在一定的差異，當中性蛋白酶：堿性蛋白酶為2∶1時對應的水解度最大（12.48%）。

總加酶量對水解度的影響如圖2所示。

圖2 加酶量對水解度的影響Fig.2 Effect of protease addition on degree of hydrolysis

隨著加酶量的增加，氨基酸含量不斷上升，當加酶量達到3%時，氨基酸含量達到峰值。加酶量低時，底物濃度遠高于加酶量，隨著酶濃度的增加，中性蛋白酶和堿性蛋白酶充分作用于底物，水解度逐漸增大至最大值[18-19]。而當加酶量超過一定限值時，底物濃度小于酶添加量，樣品中的酶相互之間競爭單環刺螠中的蛋白質，并發生自溶，降低了蛋白酶的酶活力，導致氨基酸含量呈現下降趨勢[20-21]。因此理論上水解度的最大值應該出現在加酶量為2%～4%之間，在此范圍內既可以節省酶的消耗，又能達到較好的酶解效果。

酶解時間對水解效果的影響如圖3所示，隨著酶解時間的增加，水解度呈現先增加后趨于平緩的趨勢，在3 h時水解度最高。

圖3 酶解時間對水解度的影響Fig.3 Effect of hydrolysis time on degree of hydrolysis

酶解時間短，原料中的蛋白質分解量較少，而酶解時間過長，酶的活性在水浴溫度下會產生一定的損失[19-21]。有研究表明，在酶解過程中水解度呈現出3個階段：增長階段，穩定階段，輕微下降階段，其中穩定階段多肽含量最高[22]。國內外許多酶法制備海洋生物活性肽的研究已證實這種蛋白酶解曲線的趨勢，與本試驗結果相符。酶解溫度對水解度的影響見圖4。

圖4 酶解溫度對水解度的影響Fig.4 Effect of hydrolysis temperature on degree of hydrolysis

如圖4，隨著酶解溫度的升高，水解度呈現先增加后降低的趨勢，當酶解溫度為45℃時，獲得的水解度最大。這可能是由于在一定范圍內，升高溫度可使酶的溶解度及酶分子的擴散速度增加[23]，但溫度高于酶的最適溫度后會破壞酶的空間結構，使酶產生不可逆性失活[24-25]。因此理論上水解度的最大值應該出現在酶解溫度為40℃～50℃之間，與中性蛋白酶和堿性蛋白酶的最適作用溫度相差較小。

2.2 響應面優化設計試驗結果分析

用SPSS Statistics 17.0對加酶量、溫度、時間、雙酶配比進行線性回歸顯著性分析見表2。

表2 SPSS顯著性分析系數表Tab.2 Table of SPSS significance analysis

由表2得回歸方程Y=2.259X1+0.019X2+1.015X3+0.009X4，各因素的影響大小為：加酶量>酶解時間>酶解溫度>雙酶配比。

選取前3個因素，用Design-Export.8.05模擬多元響應面回歸模型見表3。

表3 響應面設計試驗回歸與方差分析結果Table 3 Experimental design and corresponding results for response surface analysis

經過ANOVA分析得二次響應面回歸方程如下：水解度Y=-136.435 25+7.490 7A+11.903 2B+5.570 20C-0.202 50AB+0.080 000AC-0.076 000BC-1.608 25A2-1.243 25B2-0.063 030C2

由表3得出，模型的P＜0.01，模型達到極顯著。模型失擬項P＞0.05，不顯著，模型的絕對系數R2=0.981 6，說明該模型能解釋98.16%的響應值變化，表明失擬項相對于絕對誤差不顯著，該模型擬合程度較好，表示模型預測值與實際誤差值較小，可以用此模型來預測真實值。自變量與響應值之間線性關系顯著，可以用于該反應的理論推測。各因素的影響大小為總加酶量＞酶解時間＞酶解溫度，與SPSS分析的雙酶復合試驗相符合。馬井喜等[26]的研究中，也發現溫度對水解度的影響最小，與試驗結果相符。為了更加直觀的分析相關變量間的交互作用，根據響應面曲線圖進一步分析。

各因素間的交互效應以及對水解度的影響見圖5。

從圖5a可以看出，酶解時間不變，水解度隨著總加酶量的增加先增加后減小。在底物濃度一定時，加大酶的添加量，蛋白酶對單環刺螠的酶解作用加強，水解度有所提高：當溶液中的蛋白酶濃度大過底物濃度時，蛋白酶自身發生水解，反而使水解度有所下降：當總的加酶量不變時，隨著酶解時間的增加水解度的變化趨勢與加酶量的影響趨勢一致。隨著酶解溫度的升高（如圖5b），溶液的溫度達到蛋白酶的最適溫度，蛋白酶活力增強，水解度增大，隨著溫度的繼續升高超過了最適溫度，酶活力下降從而導致水解度下降。圖5c表示酶解時間和溫度的交互影響，其結果與圖5a、圖5b一致。總體來看，各因素的降維分析均是先增加后減小的趨勢。響應值在中間區域取得最大，水解度最高。其中總加酶量和酶解時間的交互效應最顯著。由以上分析可知，在各因素中心點附近水解度最高，回歸方程具有最優水平。

2.3 最佳提取條件的確定和驗證

由Design-Export 8.0的Numerical分析可得最佳水解條件：加酶量3.22%，酶解時間3.17 h，溫度44.3℃，可得到最高水解度17.984%，實際試驗，重復3次，所得水解度為（17.79±0.62）%。陳秀琴對鮑魚內臟進行酶解，其酶解產物的最佳水解度為10.2%[27]，海參內臟中的蛋白質含量為52.57%，酶解的最佳水解度為33.12%[28]。本試驗中，單環刺螠內臟的蛋白質含量為18.25%[29]，通過響應面法酶解水解度可達17.79%：可見采用此方法可達到較好的水解效果。

3 結論

各因素對水解效果的影響大小為：加酶量＞酶解時間＞酶解溫度＞雙酶配比，在單因素試驗的基礎上選取影響效果較強的3個因素，采用三因素三水平的響應面分析法對單環刺螠內臟酶解工藝進行優化。在試驗所得最佳條件下，水解度可達（17.79±0.62）%，而單環刺螠內臟中的蛋白質含量為18.25%，可見此方案的酶解效果較好，響應面分析探索出了單環刺螠內臟多肽的較佳提取工藝。目前對于單環刺螠內臟蛋白質資源及其可制備活性肽的研究還處在初期研究階段，本文通過響應面法探索出最佳酶解工藝，將廢棄內臟中的大分子蛋白質變為小分子氨基酸及多肽，在科研方面，為探索單環刺螠內臟多肽的提取及其生物活性的研究作基礎，具有一定的借鑒意義；在工業方面的應用，可作為飼料添加劑、植物肥料添加劑、食品添加劑等，也為單環刺螠的深加工、大規模生產及其應用提供新思路。