甘薯生物活性肽研究進展及展望

劉 慧, 張 苗, 孫紅男, 木泰華

(中國農業科學院 農產品加工研究所/農業農村部 農產品加工綜合性重點實驗室,北京 100193)

0 引言

肽通常由幾個至幾十個氨基酸組成,其分子量介于氨基酸與蛋白質之間[1]．生物活性肽,也稱活性肽,是由氨基酸以不同組成和排列方式構成的從二肽到復雜的線形、環形結構的具有一定生理調節功能的肽類總稱[2]．生物活性肽按照來源可分為天然與人工合成兩類[3],而天然生物活性肽又可分為內源性生物活性肽和外源性生物活性肽,內源性生物活性肽是指人體自身的組織器官產生的對人體具有生理調節作用的肽類;外源性生物活性肽并非人體自身產生,通常由蛋白質在蛋白酶酶解、微生物發酵等過程中產生,可通過口服等方式攝入，從而發揮生理功能[4]．生物活性肽具有抗氧化、降血壓、抗癌等多種生物活性[5-6]．生物活性肽具有某些共同的結構特性,如相對較短的肽鏈長度和具有疏水性氨基酸殘基等[7-10]．與高分子量肽相比,由2～9個氨基酸殘基組成的低分子量肽具有更強的生物活性[7,11-12]．與小分子藥物和大分子生物制劑相比,生物活性肽具有更簡單的設計、更低的免疫原性和較強的組織滲透能力等多種優勢[13]．

甘薯在我國已有約430年的種植歷史[14]．甘薯作為世界上最重要的糧食作物和工業原料之一,是淀粉的優質來源[15]．甘薯塊根除含有大量的淀粉外,還含有2.24%～12.21%(以干物質計)的甘薯蛋白[16]．其中,甘薯蛋白中約80%為貯藏蛋白,分子量約為25 kDa[17]．甘薯蛋白具有良好的營養價值,可作為生物活性肽的潛在來源[18],如甘薯抗氧化肽、降血壓肽及抗癌肽等[19-21]．

本文對甘薯肽的生物活性、制備方法進行了歸納總結,并對甘薯肽未來的研究趨勢進行展望,旨在為甘薯生物活性肽的進一步研究和利用提供參考．

1 甘薯肽的生物活性

甘薯肽具有多種生物活性,主要包括抗氧化活性、抗腫瘤活性和降血壓作用等．

1.1 抗氧化活性

肽的抗氧化活性主要取決于氨基酸種類及排列順序．據報道,一些氨基酸，如半胱氨酸、蛋氨酸、賴氨酸、組氨酸、酪氨酸和色氨酸等具有抗氧化活性[22]．另外,肽的抗氧化活性還會受到蛋白來源、蛋白酶種類以及酶解條件的影響[11,23-25]．

竇剛[23]采用木瓜蛋白酶與堿性蛋白酶酶解來源于SL-19和豫-13品種的甘薯蛋白,比較其酶解產物的DPPH自由基、羥基自由基和超氧陰離子自由基清除活性，發現2種品種來源的甘薯肽對不同的自由基具有明顯不同的清除效果,SL-19的甘薯肽清除DPPH自由基效果優于甘薯豫-13，但是對于羥基自由基,豫-13甘薯肽的清除效果更好．Eric[24]發現,經過堿性蛋白酶和風味蛋白酶酶解的甘薯淀粉渣和新鮮甘薯提取的甘薯濃縮蛋白的酶解產物均顯示出較好的抗氧化活性．石雨等[25]以來源于豫-13品種的甘薯蛋白為原料,采用木瓜蛋白酶單酶、堿性蛋白酶單酶、木瓜蛋白酶與堿性蛋白酶雙酶以及堿性蛋白酶與木瓜蛋白酶雙酶4種方式酶解制備豫-13甘薯肽,研究酶解時間以及不同種類蛋白酶對所得酶解產物DPPH自由基的清除能力，發現采用木瓜蛋白酶單酶酶解3 h時,所得酶解產物具有最高的DPPH自由基清除率．張苗[11]選用Alcalase、Proleather FG-F、AS1.398、Neutrase、Papain和Pepsin 6種蛋白酶酶解甘薯蛋白,研究甘薯蛋白酶解產物的抗氧化活性，結果表明,這6種蛋白酶酶解所得的產物均顯示出一定的抗氧化活性,且Alcalase酶解產物表現出最高的羥基自由基清除活性和Fe2+螯合力．

肽側鏈殘基的親疏水性質也在一定程度上影響其抗氧化活性,其中疏水殘基,如酪氨酸、色氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸,都顯示出不同的抗氧化活性[26]．張苗[11]采用反相高效液相色譜分離甘薯生物活性肽,得到了不同疏水性大小的9個峰．其中,占主導地位的峰組分具有適中的疏水性和最高的羥基自由基清除活性,而具有最高的疏水性組分有較高的羥基自由基清除活性．

1.2 抗癌活性

癌癥是世界范圍內最致命的疾病之一．作為一種新興的具有抗癌作用的生物活性物質,小分子生物活性肽在癌癥治療中的應用獲得了廣泛關注[27]．具有抗癌能力的活性肽通常具有簡單的蛋白質結構和低抗原性,且很容易被吸收,并適用于各種給藥途徑[28-30]．

張苗等[31]研究了不同分子量甘薯蛋白酶解產物對結腸癌細胞HT-29的增殖抑制作用,發現6種蛋白酶(Alcalase、Proleather FG、AS1.398、Neutrase、Pepsin和Papain)制備的甘薯蛋白酶產物均對HT-29細胞有一定的抑制作用．與其他5種蛋白酶相比,堿性蛋白酶酶解制備的產物抑制HT-29細胞增殖作用最強;進一步研究了分子量>10 kDa、5～10 kDa、3～5 kDa和<3 kDa組分對HT-29細胞的增殖抑制作用,發現分子量<3 kDa組分抗HT-29細胞增殖作用最強,并指出其可引起HT-29細胞G2/M期(細胞有絲分裂的準備期/有絲分裂期)阻滯,上調p21基因(細胞周期蛋白依靠性激酶抑制劑)表達,并通過下調Bcl-2表達、上調Bax表達(其中Bcl-2和Bax是目前已知的在凋亡調控過程中功能相互對立的一對最重要的調控基因)和誘導caspase-3(凋亡過程中最關鍵的凋亡執行蛋白酶)活化而誘導細胞凋亡．

另外,除了酶解甘薯塊根蛋白得到的生物活性肽以外,甘薯莖葉來源的肽也具有很好的抗癌作用．據報道,從甘薯葉中分離出的具有16個氨基酸的IbACP肽能夠劑量依賴性地抑制胰腺癌細胞Panc-1增殖;Caspase-3和聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(PARP)可以被IbACP激活,進而引起一系列復雜的生化反應,并最終導致Panc-1細胞凋亡[32]．

雖然甘薯生物活性肽已經顯示出了一定的抗癌能力,然而目前的研究多集中于體外試驗,體內試驗及臨床試驗還比較缺乏．因此,需要進一步的研究來評估其在體內試驗及臨床試驗中的效果．

1.3 降血壓作用

高血壓是危害人體健康的一種常見疾病,在全球范圍內廣泛存在,且會增加心肌梗死、心力衰竭、中風、慢性腎病和過早死亡等的發生風險[33]．血管緊張素轉換酶(ACE)能同時作用于血管緊張素1和舒緩激肽,使血管收縮血壓升高,對人體血壓的調節起著重要作用[16]．已有研究表明,貝那普利、卡托普利、依那普利和賴諾普利等合成ACE抑制劑會對人類健康造成嚴重的副作用或不良影響,如頭痛、頭暈、疲勞、惡心、高鉀血癥等[34]．植物和動物來源的ACE抑制肽因具有無毒副作用、安全性高等優點而受到越來越多的關注[35]．

Nazir等[36]以木瓜蛋白酶、胃蛋白酶和堿性蛋白酶為水解酶,在100～300 MPa高靜壓下酶解制備了具有ACE抑制活性的甘薯蛋白酶解產物,發現在100 MPa下使用堿性蛋白酶酶解得到的甘薯蛋白酶解產物中分子量<3 kDa肽組分具有最高的ACE抑制活性;并從中鑒定得到54個分子量為501.28～1 958.88 Da、含有5～18個氨基酸的肽段，其中,富含纈氨酸、色氨酸、苯丙氨酸和精氨酸殘基的VSAIW、AIWGA、FVIKP、VVMPSTF和FHDPMLR片段表現出良好的ACE抑制活性．該研究不僅證明了甘薯生物活性肽的降血壓作用,還表明高靜壓技術能夠促進甘薯生物活性肽的生成．

Ishiguro等[37]報道自發性高血壓大鼠在口服甘薯生物活性肽后,收縮壓呈劑量依賴性降低;進一步從中分離純化得到具有良好ACE抑制活性的4個肽段ITP、IIP、GQY和STYQT,其中活性最好的為ITP．Huang等[5]從甘薯蛋白酶解產物得到GFR、FK、IMVAEAR、GPCSR、CFCTKPC和MCESASK 6種ACE抑制肽,其中CFCTKPC肽段的ACE抑制活性最好．

2 甘薯生物活性肽的制備方法

2.1 酶解

生物活性肽可通過酸、堿、發酵或酶解從整個蛋白質分子中釋放出來．其中,酶解因綠色高效、易于被工業化等優點,通常用于制備蛋白酶解產物．同時,預熱處理、高靜壓下酶解、超聲波和微波輔助酶解等有助于促進酶解進程及生物活性肽的生成．

預熱處理，即在酶解之前,對蛋白進行短時間加熱[22,31]．預熱處理可以引起蛋白的輕微變性和構象變化,從而促進酶解[38]．

高靜壓是一種非熱技術,已應用于食品行業[39]．高靜壓處理會破壞蛋白質分子中氫鍵、疏水鍵和離子鍵等相對較弱的化學鍵,調節蛋白質和溶劑之間的相互作用[40]．高靜壓已被用于提高蛋白質的酶解效率,促進新的生物活性肽的釋放[36,41-43]．高靜壓能誘導甘薯蛋白質去折疊化,提高水解效率和速度,從而提高甘薯酶解產物的低分子量組分含量和生物活性[44],Nazir等[36]在100～300 MPa高靜壓下酶解制備的甘薯蛋白酶解產物具有更高的ACE抑制活性．Zhang等[44]在高靜壓下，利用堿性蛋白酶酶解制備的甘薯蛋白酶解物具有更高的水解度、抗氧化活性和分子量<3 kDa組分的含量．

超聲波是高于16 kHz頻率上產生的聲波,超出人類聽覺的極限[45]．微波是頻率從300 MHz到300 GHz的電磁波[46],頻率越低,穿透性越好[47]．超聲波-微波聯合處理可以有效促進酶解制備甘薯抗氧化肽的進程[48],其主要原因是超聲波可以加熱溶液以引發化學反應[49],微波電磁能加速超聲處理后蛋白質分子的結構變化,從而提高蛋白質對酶的敏感性[50]．Habinshuti等[48]研究發現,超聲波-微波輔助酶解制備的甘薯蛋白酶解產物中分子量<3 kDa組分表現出更高的Fe2+螯合力、羥基自由基清除活性和氧自由基吸收能力,并含有多種具有潛在抗氧化活性的肽段．

由此可見,高靜壓、超聲波、微波等物理場可以不同程度地提高甘薯蛋白酶解肽的生物活性．

2.2 發酵

王勇等[16]以甘薯蛋白為原料,采用枯草芽孢桿菌和黑曲霉復合菌共生發酵法制備甘薯抗氧化肽．通過葡聚糖凝膠色譜柱分離甘薯蛋白發酵液,發現分子量相對較低的組分具有最強的DPPH自由基清除能力;進一步采用高效液相色譜法分析發現,該組分的分子量為10～1 000 Da．上述研究表明，甘薯蛋白在復合菌發酵作用下可被酶解為活性較高的小分子肽,且高活性肽主要集中于分子量相對較小的短肽、二肽以及氨基酸等小分子物質中．

3 結語與展望

甘薯肽具有一定的抗氧化、降血壓和抗腫瘤等生物活性,其活性大小與其一級序列與氨基酸組成有關．與此同時,預熱處理、高靜壓下酶解、超聲波和微波輔助酶解等有助于促進甘薯生物活性肽的生成．然而,目前國內外對甘薯生物活性肽的研究還處于初級階段．一方面,甘薯生物活性肽的制備主要停留在實驗室水平;另一方面,甘薯生物活性肽在體內代謝過程中活性及結構等的變化研究急需加強．隨著科技的進步,以及生物活性肽領域研究的深入,將有助于實現甘薯生物活性肽的創新設計,有利于甘薯生物活性肽更好地應用于功能性食品中,以充分發揮其潛在的經濟價值．