體外模擬消化芝麻蛋白產生抗氧化肽的分離純化與構效研究

蘆 鑫 賈 聰 高錦鴻 張麗霞 孫 強 宋國輝 黃紀念

(1河南省農業科學院農副產品加工研究中心，河南 鄭州 450002；2河南省農產品生物活性物質工程技術研究中心，河南 鄭州 450002)

芝麻(Sesamum indicumL.)是重要的油料作物之一，2016年全球芝麻產量為611 萬t。我國是芝麻的生產與消費大國，芝麻年產量在60 萬t 左右，年消費量在100 萬t 以上[1]。芝麻蛋白是芝麻的重要組分之一，約占芝麻質量的20%[2]。芝麻蛋白營養價值較高，且有較好的功能特性，具有開發利用的潛在價值[3-4]。

天然抗氧化肽能清除自由基，降低自氧化速率，減弱氧化應激對肌體的損傷，對維護健康具有積極意義[5]，已經成為研究與應用的熱點。目前，國內外研究人員已從不同來源的蛋白質中制備出多種具有抗氧化活性的肽類物質[6]。研究表明，芝麻蛋白經酶解可以產生抗氧化肽[7-9]。然而，采用外源蛋白酶(堿性蛋白酶為主)酶解芝麻蛋白制備的抗氧化肽，與人體內源蛋白酶(胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰糜蛋白酶)在酶解位點上有明顯差別，故形成的多肽有顯著差異。此外，外源蛋白酶酶解形成的抗氧化肽進入人體消化系統后，可能被繼續水解，破壞結構，進而影響其活性。因此，有必要對芝麻蛋白在體內消化過程中產生抗氧化肽的情況進行深入研究。

體外模擬消化具有操作簡單、節省費用、無個體差異等優點，是研究食源蛋白消化形成功能肽的常用方法[5，10-11]。本研究以體外模擬消化芝麻蛋白的水解液為原料，以抗氧化活性為評價指標，采用超濾、制備液相色譜對水解液中抗氧化肽進行分離純化，采用液質聯用儀鑒定結構，合成相應多肽以驗證抗氧化活性，最后對抗氧化活性最高的多肽進行構效分析與安全性預測，以揭示芝麻蛋白在體內消化過程中產生抗氧化肽的規律、抗氧化肽組成與構效關系，深化芝麻抗氧化肽的研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

白芝麻，駐馬店平輿康博匯鑫油脂有限公司。胰蛋白酶(酶活1∶250)、糜蛋白酶(酶活1∶250)、胃蛋白酶(酶活≥250 U·mg-1)，北京索萊寶科技有限公司；考馬斯亮藍G-250、1，1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基[2，2-Di(4-tert-octylphenyl)-1-picrylhydrazyl，DPPH ]、2，2′-聯氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽[2，2′-Azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)diammonium salt，ABTS]、2，4，6-三吡啶基三嗪[2，4，6-Tris(2-pyridyl)-s-triazine，TPTZ]自由基，美國Sigma-Aldrich 公司；平膜RO4、NFM、UE003、UE005、UE008、UE010，中科瑞陽膜技術有限公司；氫氧化鈉、鹽酸等，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

LC-500 型制備液相，杭州旭昱有限公司；Testcell C-70 平膜裝置，日本東電集團；TGL20M-Ⅱ高速冷凍離心機，湖南凱達科學儀器有限公司；Infinite M 酶標儀，瑞士Tecan 集團有限公司；UV-6300 雙光束型紫外可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司；XS205 電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 芝麻蛋白制備 取1 000 g 芝麻，按照固液比1∶6 (w∶v)加入1 mol·L-1NaOH 溶液，劇烈攪拌10 min后，搓芝麻，漂洗去除芝麻皮后，將去皮芝麻于60℃干燥，粉碎，過80 目篩，備用。采用索氏抽提脫脂后，采用袁東振等[12]的方法提取芝麻蛋白，芝麻蛋白濃度為92.26%±0.21%。

1.3.2 模擬體內消化 參照文獻[11，13]，并稍作修改。取芝麻蛋白加入蒸餾水制成8%(w∶v)芝麻蛋白溶液，90℃加熱30 min，隨后降至37.7℃，用3 mol·L-1HCl 調節pH 值至1.5，加入0.32%(w∶v)的胃蛋白酶水解4 h，隨后加入3 mol·L-1NaOH 調節pH 值至8.3，加入0.32%(w∶v)胰糜蛋白酶(胰蛋白酶與糜蛋白酶酶活比為10∶3[14-15])水解6 h。沸水浴10 min 終止反應后，冷卻至室溫，中和至pH 值7.0，4℃條件下8 000 r·min-1離心30 min，取芝麻蛋白水解物上清液(sesame protein supernatant，SPS)備用。

1.3.3 酶解液納濾脫鹽與超濾分離 采用前人條件用配置NFM 納濾膜的Testcell C-70 平膜裝置對SPS進行納濾脫鹽[9]。脫鹽后芝麻蛋白酶解液(sesame protein supernatant by nanofiltration，SPSN)，依次通過UE030(截留分子量30 kDa)、UE020(截留分子量20 kDa)、UE010 (截留分子量10 kDa)、UE005(截留分子量5 kDa)、UE003(截留分子量3 kDa)進行超濾，超濾條件:溫度25℃，壓力3 MPa，轉速400 r·min-1，分成7個組分(＜3 kDa，3～5 kDa，5～10 kDa，10～20 kDa，20～30 kDa ＞30 kDa SPSN)，分別測定各組分DPPH 和ABTS 的半抑制濃度(50% inhibiting concentration，IC50)。

1.3.4 制備液相分離酶解液 將活性最高的超濾組分，首先采用反滲透膜RO4濃縮至5 mg·mL-1，隨后用0.25 μm 針頭過濾器過濾，備用。制備液相條件:色譜柱Ultimate AQ-C18 (250 mm×20 mm，5 μm)，55%(v∶v)甲醇溶液[含0.1% (v∶v) 三氟乙酸]，流速8 mL·min-1，上樣量4 mL，檢測波長220 nm，30 s/管收集流動相，分別測定各色譜峰DPPH 和ABTS 的IC50[8]。

1.3.5 液質聯用分析芝麻抗氧化肽序列 將高活性色譜峰組分采用氮吹儀45℃吹干，送至蘇州普泰公司，通過Nano liquid chromatography-electrospray ionizationtandem mass spectrometry (Nano-LC-ESI-MS/MS)分析多肽組成，色譜系統為安捷倫1100 高效液相系統，ESIMS/MS 為Thermo LTQ 離子阱質譜儀，其中高效液相的流動相A 為2%(v∶v)乙腈水溶液(含0.5%甲酸)，流動相B 為90%(v∶v)乙腈水溶液(含0.5%甲酸)。測定時，流動相B 從初始組成的2%在60 min 內增加至90%，維持40 min。質譜數據采用ProtTech’s ProtQuest(Norristown，PA，USA) 軟件分析[9]。

1.3.6 多肽合成 將下述多肽序列GLQVISPPLQR、AFPAGAAHW、SLPNYHPSPR、PAGAAHW、GHIITVAR、QGDIVAIPSGAAHW、AEEAF、ISGAQPSL、HLFLSGVACFG、FPAGAAHW、IQAEGGVSEF、NKLPILK、VAVSINDVNHL、GTVVIIPAGHPF、QGDIVAIPSGAAH、INTLL、SQTLPIL、GLPADVIANAY、HEEGGIWPF、ASQDEGLEW 進行固態合成(上海吉爾生物公司合成)，純度為95%。分別加入蒸餾水配成溶液，測定DPPH 和ABTS 的IC50。

1.3.7 3 D-QSAR 建模 為揭示HLFLSGVACFG 的活性中心與構效關系，將該多肽分成三個區域:N 端、中段、C 端，分別合成HLFL、SGV、ACFG，比較抗氧化活性，以初步確定活性中心位置。隨后在控制肽鏈長度的前提下，考察N 末端、C 末端氨基酸殘基類型及其他區域的芳香族氨基酸影響，合成ELFLSGVACFA、HLFLSGVACFR、HLFLSGVAMFG、HLYLSGVACGG、HWFLSGVACFG、GLFLSGACFG、HLFLSGVACFE，測定其DPPH 和ABTS 的IC50，計算-lg(DPPH 的IC50)、-lg(ABTS 的IC50)。多肽通過SYBYL-X 構建3DQSAR 模型[16]，多肽的原子電荷采用MMFF94 計算，在MMFF94 力場利用Powell 共軛梯度算法對多肽能量優化(最大計算次數為10 000，能量優化終止標準為0.000 5 kcal·mol-1?)[8，17]。以活性最高的HLFLSGVACFE 為模板，SGV 為骨架，構建CoMFA 模型，分子疊加圖見圖1。采用留一法進行交互驗證，以模型的交叉驗證系數(Q2)和預測誤差標準偏差(R2)作為評價模型成立的指標[17-18]。

1.3.8 多肽的致敏性與毒性預測 多肽HLFLSGVACFG 的致敏性預測采用AlgPred (https:/ /webs.iiitd.edu.in/raghava/algpred/sub-mission.html)，預測方法基于氨基酸組成的SVM 模型；毒性預測采用ToxinPred (https:/ /webs.iiitd.edu.in/raghava/toxinpred/design.php)，預測方法基于Swiss-Prot[19]。

1.3.9 DPPH 自由基清除能力測定 參照Lu 等[8]的方法，測定酶解液或多肽溶液的DPPH 自由基清除率，采用IBM SPSS 25 的probit 回歸計算IC50，即DPPH 清除率達到50%時對應的濃度。

1.3.10 ABTS 自由基清除能力測定 參照Lu 等[8]的方法，測定酶解液或多肽溶液的ABTS 自由基清除率，采用IBM SPSS 25 的probit 回歸計算IC50，即ABTS清除率達到50%時對應的濃度。

1.4 數據處理

采用IBM SPSS 25 進行單因素方差分析(Duncan算法)，顯著水平為0.05，極顯著水平為0.01。

2 結果與分析

2.1 超濾分離芝麻蛋白水解液

由表1可知，芝麻多肽的抗氧化活性隨著分子量減少而增強，SPSN-Ⅰ(分子量＜3 kDa)呈現最強的抗氧化活性。這與前人研究結果基本一致[20-21]，推測是短肽體積小，結構簡單，空間位阻小，活性基團較暴露，有利于與自由基發生反應，從而顯示較強的抗氧化活性[21]。

與蘆鑫等[9]的結果相比，本研究獲得芝麻蛋白水解液呈現的抗氧化性較強，一方面可能是研究采用的蛋白酶種類不同，因此形成的多肽組成有差異，造成活性上也有差別；另一方面，蘆鑫等[9]的水解芝麻蛋白采用的是單酶酶解，即胰蛋白酶水解(水解位點為Arg 和Lys)，而本研究采用胃蛋白酶(水解位點主要在Phe、Tyr、Trp和Leu)、胰蛋白酶、胰糜蛋白酶(可作用于Trp、Tyr、Phe、Leu、Met、His)3 種酶水解芝麻蛋白，且芝麻蛋白在水解前，還進行了熱變性處理，有助于芝麻蛋白分子伸展，酶切位點暴露，更利于酶解。因此，本研究中芝麻蛋白水解更徹底，形成的肽段更短，從而呈現更強的抗氧化性。

2.2 制備液相分離芝麻蛋白水解液

由圖2可知，對高活性的超濾組分SPSN-Ⅰ進行制備液相分離，共發現14 個色譜峰，其中P2 和P6 組分是主要色譜峰，其余色譜峰相對峰面積較小。分析不同色譜峰組分的抗氧化活性發現，色譜峰P6 和P8組分有最高的抗氧化活性(表2)。考慮色譜峰P8 組分所占比例小，開發利用價值不高，故對色譜峰P6 進行后續純化鑒定。

表1 超濾分離體外模擬消化芝麻蛋白水解液的組成與抗氧化性Table 1 Ultrafiltration fractions separated from in vitro digestion hydrolysis of sesame protein and their antioxidant capacity

表2 制備液相分離SPSN-Ⅰ的組成及抗氧化活性Table 2 Fractions separated from SPSN-Ⅰby preparative HPLC and their antioxidant capacity

2.3 液質聯用鑒定芝麻抗氧化肽

采用Nano-LC-ESI-MS/MS 對SPSN-Ⅰ-P6 中的多肽組分進行結構鑒定，其總離子流圖見圖3，色譜主要出峰時間集中在25～55 min，對應的流動相中乙腈濃度為34.26%～66.53%，表明SPSN-Ⅰ-P6 中芝麻多肽呈現非極性，推測多肽中含有一定量疏水性氨基酸。

從m/z 300.26～1 878.62 中，選取峰面積前20 的碎片進行二級質譜分析，共鑒定出20 條多肽(表3)。上述20 條多肽理論分子量范圍為565.2～1 420.7 Da，其中5 肽有2 條，7 肽有3 條，8 肽有3 條，9 肽有3 條，10 肽有2條，11 肽有4 條，12 肽、13 肽、14 肽各1 條。除INTLL 以外，其他多肽均呈現抗氧化活性，其中HLFLSGVACFG具有極強的抗氧化活性(其二級后譜見圖4)。對比蘆鑫等[9]報道的芝麻抗氧化肽，本研究鑒定出的芝麻抗氧化肽分子量更小、活性更高。可能是由于多酶水解芝麻蛋白時，酶切位點更多，導致形成的肽段短，活性基團暴露，有利于活性提升。觀察多肽序列發現，Phe(F)、His(H)、Trp(W)、Cys(C)、Tyr(Y)等疏水氨基酸殘基高頻率出現。有研究指出，疏水性氨基酸[如Met(M)、C、H和芳香族]對多肽的抗氧化活性具有積極貢獻[6，21-22]。

芝麻蛋白主要由2S、7S、11S 球蛋白和少量非貯藏蛋白組成，其中11S 球蛋白是芝麻蛋白的主體，約占70%[23]。觀察芝麻抗氧化肽的來源蛋白發現，15 條抗氧化肽來自芝麻11S 球蛋白族(7 條來自芝麻11S 球蛋白亞型4、6 條來自芝麻11S 球蛋白的貯藏蛋白2、1條來自芝麻11S 球蛋白亞型3、1 條來自芝麻11S 球蛋白)、2 條來自芝麻7S 球蛋白、2 條來自芝麻酶蛋白。芝麻抗氧化肽主要來源于芝麻11S 球蛋白的原因可能是，當蛋白酶消化芝麻蛋白時，源自芝麻11S 球蛋白產生的肽段含量較高，其在液質聯用鑒定過程中，產生的離子峰信號高，故獲得的多肽源自芝麻11S 球蛋白居多[8-9]。此外，由表3可知，低含量的芝麻非貯藏蛋白也產生高活性的抗氧化肽(HLFLSGVACFG)，表明芝麻非貯藏蛋白也是重要的抗氧化肽前體。

表3 從SPSN-I-P6 中鑒定的多肽的序列分子量、歸屬蛋白與抗氧化活性Table 3 Sequence，mass weight，original protein and antioxidant activity of peptide identified from SPSN-I-P6

2.4 抗氧化肽HLFLSGVACFG 構效關系分析

由于HLFLSGVACFG 的抗氧化活性明顯高于其他多肽，故對該肽的構效關系進行研究。分別基于對DPPH 和ABTS 自由基的清除能力，建立CoMFA 模型。

對比HLFL、SGV、ACFG 對DPPH 和ABTS 自由基的清除能力，推測HLFLSGVACFG 的活性中心在ACFG 片段上，HLFL 片段也對其抗氧化活性有影響(表4)。Cys 的巰基、His 的咪唑基可以提供孤對電子給親電試劑(自由基)，從而中和自由基，起到抗氧化作用[24-26]。Phe 中苯環可供氫，減慢或終止自由基鏈式反應，而自身可以通過共振維持穩定，從而顯示抗氧化作用[27]，推測C(Cys)、H(His)、F(Phe)是形成抗氧化活性的關鍵氨基酸殘基。

表4 HLFLSGVACFG 及其衍生肽的DPPH 和ABTS 自由基清除能力Table 4 DPPH and ABTS radical scavenging activities of HLFLSGVACFG and its derived peptides

Q2＞0.5 是CoMFA 模型成立的條件之一[8]。由表5可知，基于DPPH 自由基清除能力的CoMFA 模型不成立，而基于ABTS 自由基清除能力的模型成立，因此，采用基于ABTS 清除能力建立的CoMFA 模型來揭示空間位阻與電荷極性對HLFLSGVACFG 活性的影響。電荷極性對HLFLSGVACFG 抗氧化肽的貢獻要高于空間位阻，這可能是因為該肽是11 肽，分子尺寸較大，改變分子中某個氨基酸殘基對于整個分子體積的影響較小，故空間位阻對于抗氧化活性的影響較弱。

表5 HLFLSGVCFG 的CoMFA 模型特征Table 5 The characters of CoMFA model of HLFLSGVCFG

由圖5-A 可知，圖中粉點表示基于Connolly 算法模擬的分子表面，黃色區域表示小體積取代基有利于增強抗氧化活性，綠色區域表示大體積取代基有利于提升抗氧化活性，即減少Cys9 羧基端基團體積，有利于暴露巰基基團，從而有利于自由基接近巰基發生反應。而增加Leu2 所在區域的體積會導致主鏈彎曲，使His1 和Phe3 相互接近，增加此區域的電子云密度，從而增加與自由基反應的機率。

由圖5-B 可知，藍色區域表示正電荷有利于增強抗氧化活性，紅色區域表示負電荷有利于增強抗氧化活性，即在N 端和Phe10 增加帶正電的取代基，C 端增加帶負電的取代基，在電荷斥力與引力的作用下，帶正電的自由基向Cys9 的巰基靠攏，從而增加反應機率，顯示更強的抗氧化活性。

2.5 抗氧化肽HLFLSGVACFG 的致敏性與毒性預測

自然界中，某些多肽具有毒性，如鵝膏毒肽類、蜂毒肽類、蛇毒肽類、微囊藻毒素等，有些多肽毒性可致死[28]，有些多肽具有致敏性[29]。因此，有必要對芝麻蛋白源的抗氧化肽HLFLSGVACFG 進行安全性評估。由表6可知，基于氨基酸序列預測，HLFLSGVACFG 無致敏性、無毒性，安全性較高，可應用于食品、醫藥等行業。

表6 HLFLSGVACFG 的安全性預測Table 6 Safety prediction of HLFLSGVACFG

3 討論

抗氧化肽既可以用作保健食品中的功能組分，也可以用作食品中的抗氧化劑，用途廣泛，已成為功能性肽的熱門研究領域。研究發現，芝麻蛋白經過體外酶解可以產生抗氧化肽，如 SYPTECRMR、AGEQGFEYVTFR[8-9]。但前人研究采用的蛋白酶多為堿性蛋白酶[7-8]，這與人體內消化酶(胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶)的作用位點有明顯差異，從而造成本研究發現的強抗氧化肽HLFLSGVACFG 與前人報道的芝麻抗氧化肽在結構組成上有差別。

結合前人研究，分析芝麻抗氧化肽的來源蛋白發現，多數芝麻抗氧化肽來源于芝麻貯藏蛋白[8-9]，如芝麻11S 球蛋白，非貯藏蛋白也會生產種類較少的強抗氧化肽，如SYPTECRMR 來源于芝麻2S 蛋白[8]，HLFLSGVACFG 來源于芝麻CP47 反應中心蛋白。因此，芝麻蛋白的貯藏蛋白與非貯藏蛋白均對抗氧化肽的生成做出了貢獻。由于芝麻非貯藏蛋白在芝麻蛋白中所占比例較小，其產生的多肽含量也較低，因此在分離純化過程中，非貯藏蛋白源多肽所產生的信號極可能被貯藏蛋白源多肽的信號所掩蓋或干擾，導致部分多肽發生漏檢。后續研究有必要結合蛋白組學、計算機輔助酶解等技術揭示芝麻非貯藏蛋白源抗氧化肽的組成。

大量研究證明，抗氧化肽的活性由多肽的氨基酸序列、鏈長和構型決定[30]，其中氨基酸序列主要通過氨基酸殘基結構來影響抗氧化肽的活性。研究發現對多肽抗氧化活性的貢獻較突出的氨基酸殘基為Tyr、Trp、Cys 及Met，這是由于其結構中酚羥基、吲哚基、巰基和巰甲基可以作為電子供體清除自由基[6]；同時，氨基酸殘基中氨基與羧基可以螯合金屬離子或作為質子供體[31]；疏水與親水基團使短肽分布在油水界面，保護脂質不受氧化損害。本研究比較HLFL、SGV、ACFG 的DPPH 和ABTS 自由基清除能力發現，ACFG具有較強的抗氧化能力，再次證實了Cys 中巰基對多肽抗氧化活性的重要貢獻。HLFLSGVACFG 抗氧化活性強于ACFG，表明其他氨基酸殘基通過空間位阻或電荷極性等對抗氧化活性也有所貢獻。此外，將Cys9更改成Met9 時，多肽的抗氧化活性明顯減弱，表明巰基清除自由基的能力強于巰甲基，這可能是巰甲基中甲基的空間位阻大于氫原子，從而增加了巰甲基與自由基結合的難度。將Phe3 替換成Tyr3，或將Leu2 替換成Trp2 后，多肽的抗氧化活性都有所增強，也再次證實芳香族氨基酸Tyr、Trp 對多肽抗氧化活性的積極貢獻。采用CoMFA 模型揭示構效關系，發現電荷極性對抗氧化活性的影響大于空間位阻，因此，引入合適的帶電基團可以更有效地增強抗氧化活性。

抗原決定簇是一段氨基酸序列，含有抗原決定簇會導致蛋白或多肽具有致敏性[19，29]。芝麻蛋白具有一定的致敏性，目前，檢測出的芝麻過敏蛋白有7種[28]。因此，以芝麻蛋白為原料制備的多肽具有致敏的可能性，需要做安全性評價。基于氨基酸序列預測，HLFLSGVACFG 無過敏性、無毒性，但仍需要后續相關研究以證實。

4 結論

本研究結果表明，芝麻蛋白經過體外模擬消化可以產生抗氧化肽，推測芝麻蛋白也對芝麻在人體消化過程中的抗氧化作用有所貢獻。芝麻11S 球蛋白、7S球蛋白以及非貯藏蛋白均參與抗氧化肽的形成，雖然芝麻11S 球蛋白是生成抗氧化肽的主體，但非貯藏蛋白是高活性抗氧化肽的前體蛋白。從芝麻蛋白水解液中共鑒定出19 個芝麻抗氧化肽，其中HLFLSGVACFG的抗氧化活性最強，由CoMFA 模型可知，縮小Cys9 羧基端取代基團，增大Leu2 區域的取代基，增強N 端帶正電取代基和C 端帶負電取代基，有利于提高HLFLSGVACFG 的抗氧化活性。此外，經預測，HLFLSGVACFG 無毒、無致敏性。HLFLSGVACFG 抗氧化能力強、安全性高、穩定性高，具有研究與開發利用價值。