新型加工技術在抗氧化肽制備中的應用研究

徐晨晨 祝寶華 楊志艷 惠婷婷 李 燕 李曉暉,2,3

(1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2. 上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306； 3. 農業部水產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室，上海 201306)

抗氧化肽是由2～20個氨基酸殘基組成的特殊蛋白片段，這些片段不僅具有營養功能，還具有抗氧化作用，可以改善機體健康。研究[1-2]表明，抗氧化肽能夠通過緩解由脂質過氧化和人體過量自由基引起的氧化應激從而起到抗氧化的作用。因此，抗氧化肽成為了功能食品開發的研究熱點。

酶解法和微生物發酵法是常用于生產抗氧化肽的技術[3]。但是，這兩種方法反應時間長，生產效率低，限制了高活性抗氧化肽的產生。為了促進蛋白質酶解進程及提高酶解產物的抗氧化性能，一些新型加工技術應運而生。文章擬綜述微波、歐姆加熱、亞臨界水、超聲波、高靜壓以及脈沖電場等新型加工技術制備抗氧化肽的作用機理和應用條件，分析輔助改進酶水解效果的作用，并對比討論生產抗氧化肽所采用的各項技術的優勢和挑戰。

1 傳統方法制備抗氧化肽

傳統的抗氧化肽制備方法有酶解法、微生物發酵法和化學合成法。酶解法，即通過特定的蛋白酶對蛋白質進行酶解，再對酶解產物中具有抗氧化活性的組分進行分離純化。齊興宇等[4]用堿性蛋白酶和胰蛋白酶復合酶解卵白蛋白，在最優酶解工藝下得到的卵白蛋白肽具有良好的抗氧化活性，總抗氧化能力值為(9.51±0.03) U/mL。微生物發酵法是通過微生物代謝過程中產生的復合酶系，將底物蛋白酶解進而釋放出具有活性肽類物質的方法[5]。發酵過程中，蛋白質來源、菌種選擇、發酵溫度和時間、pH等條件都會影響酶解程度[6]。宮田嬌等[7]利用青春雙歧桿菌與嗜熱鏈球菌發酵柞蠶蛹蛋白，得到的發酵液具有較高的抗氧化活性，其DPPH自由基清除率高達93.78%。與酶解法相比，微生物發酵法生產生物活性肽所需成本低，但該法生產周期較長、產物復雜，且生成的肽缺乏特異性，不利于高純度抗氧化肽的制備，因而阻礙了抗氧化肽工業化生產[8]?；瘜W合成法指以氨基酸或小肽為原料，用固相液相合成法定向合成多肽[9]。宋雪梅[10]以8條已知序列的玉米源肽為原料通過固相合成為試驗原料，測定DPPH自由基清除力、ABTS自由基清除力、金屬螯合力、氧自由基吸收力，結果表明，8條玉米源肽均有一定的抗氧化活性。化學合成法操作簡單、快速，但合成過程中使用的部分溶劑如N，N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷等具有較大的毒性，此外，在極端溫度、pH和壓力條件下會導致氨基酸損傷。因此，化學合成法不是生產生物活性肽的首選方法?？寡趸牡耐ㄓ弥苽淞鞒倘鐖D1所示。

圖1 抗氧化肽的通用制備流程Figure 1 The general process for preparing antioxidant peptides

2 新型加工技術制備抗氧化肽

酶解法通常是制備抗氧化肽的首選方法，但該法不適于工業化生產。微波、歐姆加熱、亞臨界水和非熱中超聲波、高靜壓、脈沖電場等新型加工技術不僅減少生產時間和成本，還可提高多肽的得率和生物活性。

2.1 熱技術

2.1.1 微波加熱技術 微波通過分子間和分子內摩擦以及帶電離子的運動和碰撞使細胞壁與細胞膜破裂[11]。在微波場影響下蛋白質結構變得松散，蛋白溶解度增加。此外，在微波加熱條件下，底物直接吸收微波能量可能導致參與酶促反應的底物官能團具有更高的反應活性。研究發現微波加熱技術處理可促進蛋白質的水解，從而產生具有較強抗氧化活性的低分子量多肽。Li等[12]發現微波輔助酶解(250 W)膠原蛋白得到的水解產物中分子量≤1 kDa 的膠原肽含量和羥自由基清除率均較非微波輔助處理組的顯著增加。Chen等[13]以牛血清白蛋白和銀杏蛋白為研究對象，建立了連續微波輔助酶解的方法，為生物活性肽的大規模制備提供了可能。Huang等[14]研究表明與水浴酶解相比，連續微波輔助酶解顯著縮短了藍點馬鮫蛋白酶解產物的制備時間，且從所得酶解產物中分離、鑒定得到的8個潛在抗氧化肽序列的分子量為502.32～1 080.55 Da，所含氨基酸殘基數量為4～10個，具有抗氧化肽的典型特征。Ketnawa等[15]研究表明魚骨蛋白經微波90 ℃預處理5 min后進行水浴酶解，所得酶解產物的水解度、ABTS自由基清除率和還原力最高，但是相同條件微波預處理后，再進行55 ℃微波輔助酶解，水解度反而下降，推測可能原因是經過兩次微波處理后蛋白質發生聚集或者重排，導致酶解程度降低。

微波加熱技術能夠增加酶切位點，改善水解物的理化特性，從而產生具有良好生物活性的水解產物。與傳統的酶解方法相比，微波加熱技術能提高酶解效率、縮短酶解時間。同時，該技術因處理過程簡單、操作方便且成本低而成為潛在的工業技術。

2.1.2 歐姆加熱技術 歐姆加熱(Ohmic heating)也稱為電阻加熱或焦耳加熱，是一種將交流電直接應用于半導電介質的熱加工方法。歐姆加熱裝置如圖2所示。其工作原理為將樣品放入樣品槽內，通入220 V電流后電能轉換為熱能，使食物中能量直接耗散，加熱速度快且耗散均勻[16]。在傳統的加熱技術中，原料內部的傳熱取決于溫度梯度，而歐姆加熱無需設置原料的溫度梯度就可以在較短時間內達到設定的處理溫度，從而最大限度地減少異味化合物的產生，避免食品因過度熱損害而失去感官和營養特性[17]。

1. 加熱槽 2. 樣品槽 3. 最大刻度線 4. 電極 5. 測溫器 6. 溫度觀測器 7. 電壓監測器 8. 變頻器

Costa等[18]發現在2 V/cm的低電場強度下，利用歐姆加熱乳清蛋白溶液至72～75 ℃，維持15 s，樣品的DPPH抗氧化能力和ACE抑制活性比相同時間巴氏加熱分別提高3.0%和5.5%，這是由于在歐姆加熱過程中產生了生物活性肽。Jesus等[19]比較了歐姆加熱和常規加熱對提取生物活性化合物中抗氧化活性的影響，結果表明在中電場強度(840.0 V/cm)下歐姆加熱后所得提取物比常規加熱的具有更好的抗氧化活性，可能是由于沖擊波引起的微觀損傷導致提取物的結構變化，促進了空化氣泡對組織的損傷。Coelho等[20]研究了歐姆加熱和常規加熱對體外胃腸消化后的番茄粉中生物活性化合物的生物可及性和抗氧化能力的影響，結果表明經歐姆加熱處理后胃腸消化產物比常規處理后的抗氧化活性更高，主要是由于歐姆加熱的熱過程使樣品中的小分子被分解成更小的分子，這些分子之間發生了化學反應，并產生了新的化合物(如生物活性肽、番茄紅素)。

與傳統加熱方式相比，歐姆加熱更適用于高蛋白食品原料加工、植物中化合物提取以及固液混合食品的高溫瞬時加熱，該法能最大限度地保持食品的鮮度和風味，為食品加工行業提供高質量、高附加值、耐儲存的產品。但目前仍存在亟待解決的問題：一方面，這項技術限制了加工食品的種類，因為它更適用于液體和含固體顆粒的液體，同時，電導率的快速增加會導致溫度升高，這可能會使樣品過熱；另一方面，一個工業規模的歐姆加熱系統的成本非常高，因此，如何克服系統問題及降低設備成本還需深入研究。

2.1.3 亞臨界水技術 亞臨界水(Subcritical water，SCW)技術是指將水加熱至沸點以上，臨界點以下(100～374 ℃)，并控制系統壓力使水保持為液態[21]。常溫常壓下水的極性較強，但在亞臨界條件下，隨著溫度的升高，水中氫鍵斷裂，極性減弱因而對中性或非極性有機物的溶解能力增加[22]。SCW具備萃取劑和催化劑的雙重功能，并且萃取過程無毒高效、環境友好[23]，因此SCW技術已被廣泛應用于抗氧化肽的制備中。表1總結了亞臨界水在抗氧化肽制備中的應用。

表1 亞臨界水在抗氧化肽制備中的應用

SCW水解蛋白不需要酶或其他溶劑，因為在亞臨界條件下，SCW的溶解能力、擴散性和自電離能力均增加，極性、黏度和表面張力均降低，導致蛋白中二硫鍵易斷裂，從而使蛋白質裂解。因此，該技術反應時間短且安全[28]。另外，亞臨界水處理后的蛋白水解物的抗氧化性取決于水解溫度和壓力，在一定溫度和壓力下蛋白質展開并被分解成多肽和游離氨基酸。Ahmed等[24]研究發現在250 ℃、5 MPa的SCW處理條件下金槍魚皮膠原蛋白水解物水解度(DH)最高，280 ℃、8 MPa的SCW處理條件下，水解物的抗氧化性最高。SCW也可用于原料預處理，通過酶催化增強水解物的抗氧化活性。lvarez等[27]使用SCW處理豬血紅蛋白，結果表明當處理時間達360 min時獲得的產物顯示出良好的抗氧化活性，平均分子量在2.1 kDa的肽占比達83%。SCW預處理(200 ℃、37.5 MPa)對胰蛋白酶催化效率遠高于傳統加熱預處理的，因此，SCW處理后的酶催化有潛力成為一種先進的水解技術[29]。然而，該技術需用到高壓設備和大量的能源因而成本非常高，需要精細的工程試驗和設計來優化亞臨界水工藝，進而降低資金和運行成本[30]。

2.2 非熱技術

2.2.1 超聲處理技術 超聲波(Ultrasonic wave)是一種新型的非熱物理技術，頻率介于20 kHz～1 GHz，依賴于機械波在介質中傳播。超聲處理因無污染，操作簡單和易控制等優點被廣泛應用于食品加工中。超聲處理在反應體系中可產生熱、空化及機械效應等，在提高傳質能力的同時促進底物進入酶的催化部位，使底物與酶的接觸機會增加，提高酶解速率，縮短酶解時間，獲得含量豐富的活性多肽[31-32]。

超聲處理技術可水解一些食物蛋白以產生抗氧化肽，例如豬肝蛋白[33]、β-乳球蛋白[34]、刺桐籽蛋白[35]和玉米蛋白[36]等，如表2所示。超聲處理技術主要用于預處理，即通過超聲改變蛋白質結構，使更多酶水解位點暴露，增加原料DH，提高水解物的抗氧化活性。Liang等[36]研究發現優化后的超聲酶解技術可以制備玉米蛋白抗氧化肽，在最佳超聲處理(65 W/L；開/關時間2 s/2 s)條件下，玉米蛋白酶解液羥自由基、DPPH自由基清除率顯著提高，質譜分析發現超聲預處理后含有疏水性氨基酸的肽形成。同樣，Wang等[37]研究表明β-伴大豆球蛋白和大豆球蛋白經超聲波水解后，蛋白水解產物的DH、游離巰基和金屬螯合力顯著提高。這可能是由于超聲處理后兩種蛋白中α-螺旋和β-轉角比例增加，β-折疊和無規則卷曲比例減少。

表2 超聲處理技術在抗氧化肽制備中的應用

超聲具有能量傳遞快，溫度低和加工成本較低的優點。通過超聲處理可以增加產率，使提取過程響應更快[38]。與低壓溶劑萃取方法相比，超聲提取時間預計縮小到原來的1/10。因此，超聲可解決傳統酶解蛋白質轉化率低，水解時間長等問題。

2.2.2 高靜壓技術 高靜壓(High hydrostatic pressure，HHP)技術通常采用100 MPa以上(100～1 000 MPa)的壓力對物料進行處理[39]。研究[40-41]表明，這種技術可以改善食品的貨架期，同時對食品的營養價值和感官品質影響小。與影響共價和非共價鍵的熱處理技術不同的是，HHP技術破壞相對較弱的化學鍵如氫鍵、疏水鍵和離子鍵，而非共價鍵。該技術主要影響蛋白質二級結構，不影響蛋白質的一級結構，HHP對結構改變是否可逆取決于加壓參數和蛋白質的性質[42]。

HHP通過改變食品中蛋白質構象、促進蛋白質分子鏈延伸來增加酶切位點，還可以影響蛋白酶的結構，對酶催化活性產生影響。Franck等[43]通過HHP處理可顯著提高亞麻籽蛋白的DH，小分子肽的生成量隨著壓力和處理時間增大而增加，肽含量增加與抗氧化活性的提高直接相關，另外，該研究也證明了通過同時加壓和酶解提高生物活性肽產量是可行的。Guan等[44]考察了不同HHP水平(80～300 MPa)下酶催化，大豆分離蛋白經200 MPa處理4 h后得到的水解產物具有較高的還原力、ABTS自由基清除率和ACE抑制活性。Dong等[45]研究發現在300 MPa、 60 min和100 MPa、180 min處理條件下，花生蛋白水解產物的DH、還原力和DPPH自由基清除率明顯提高。

與傳統方法相比，HHP技術具有多項優勢，它可以在環境溫度下進行恒定均勻的加壓，減少處理時間。但昂貴的基礎設施成本以及批量操作限制了該技術在食品領域的應用。HHP設備初始投資相關成本為60萬～400萬美元，占總投資的75%～80%，與HHP相關的加工成本為小型設備的0.14歐元/kg到大型設備的0.071歐元/kg不等[46]。

2.2.3 脈沖電場技術 脈沖電場(Pulsed electric field，PEF)具有較高的電場強度(10～50 kV/cm)、較短的脈沖寬度(0～100 μs)和較高的脈沖頻率(0～2 000 Hz)等特點[47-48]。PEF主要通過對蛋白分子的極化和打破分子的內部共價鍵等作用力來影響蛋白質結構。PEF在抗氧化肽的制備中的應用如表3所示。

表3 脈沖電場技術在抗氧化肽制備中的應用

PEF技術具有成本低廉、效率高等特點，并且在生產線中引入脈沖電場處理單元較容易。然而，不同介電性質的食品組分會對不均一的產品性狀產生不同的影響，所以相較于簡單的懸浮體系，脈沖電場應用于復雜的食品體系中具有一定的挑戰[53]。因此，有必要重新設計或改善現有的PEF系統處理室，以適應不同類型的食品加工。大功率電源是PEF設備發展的重點，以保證高強度電場，從而適應大規模工業化生產。此外，對于商業規模的擴大，PEF可與其他處理技術相結合，通過協同作用提高食品功能性，將該技術成功地應用于食品工業。

3 不同技術協同應用

近年來，許多學者對不同技術協同作用進行了應用研究，尤其是結合熱處理和非熱處理在應用中最為廣泛?？涤冷h等[54]在超聲波—微波輔助酶解鮭魚過程中發現，堿性蛋白酶酶解得到的鮭魚肽的超氧陰離子自由基清除率高于僅采用超聲波或微波輔助酶解的，說明一定條件的超聲波與微波輔助酶解在抗氧化肽制備中具有協同效應。Hanbinshuti等[55]采用超聲波—微波輔助酶解制備的甘薯蛋白抗氧化肽中，3 kDa以下組分肽段具有潛在的抗氧化活性，與未處理的樣品相比，超聲波—微波輔助酶解顯著提高了甘薯蛋白水解物的DH。Alizadeh等[56]將乳清濃縮蛋白(WPC)經過歐姆加熱和超聲波以及它們的組合預處理后，發現組合預處理顯著提高了WPC水解產物的DH，且其羥自由基、DPPH自由基清除率和還原力等抗氧化活性均高于單獨歐姆加熱和超聲波的。

熱技術和非熱技術在其他天然抗氧化劑提取中的應用也是目前研究的熱點。如陸海勤等[57]通過優化超聲協同脈沖電場提取黃花菜多糖的工藝，在提取時間30 min，提取溫度59 ℃，超聲功率700 W，電場電壓14 kV下，得到的黃花菜多糖得率為10.03%，同時體外抗氧化活性結果表明，當黃花菜粗多糖質量濃度為1.0 mg/mL時對超氧陰離子自由基、羥自由基以及DPPH自由基的清除率分別可達到66.93%，70.61%，49.28%。

在實際應用過程中，研究機構和學者利用相關的技術對相關設備進行了改進，提高了設備的性能。胡雙飛等[58]對亞臨界水提取設備中的提取釜結構進行改進，增加了原料與亞臨界水的接觸面積，結果發現螺旋藻粗蛋白的ABTS自由基、DPPH自由基、羥自由基清除率在質量濃度0.15～10 mg/mL范圍內均具有較強的抗氧化活性。超聲設備通常采用單頻超聲，Wang[59]發明了雙頻聚能式超聲設備，研究了單頻、雙頻和三頻超聲及其組合對不同食品蛋白結構的影響。張鳴鏑等[51]發明了脈沖電場處理裝置，利用該設備可顯著提高紅松籽抗氧化肽活性。這些設備的改進有助于提高了抗氧化肽的活性制備效率，改善其功能特性。

4 總結與展望

微波、超聲、高靜壓等新型加工技術可改變蛋白質的結構特性，縮短酶解時間，可在一定程度上提高抗氧化肽的功能特性。同時，不同新型加工技術的協同作用在抗氧化肽制備研究中也顯現出巨大的應用潛力，它可在一定程度上改善抗氧化肽的功能特性，為今后的研究提供一種創新設計。

雖然一些方法在實驗室中制備抗氧化肽是可行的，但若要進行工業化應用，還要考慮到生產成本和操作工序。此外，一些加工技術雖然效果比較好，但也存在各種問題，如歐姆加熱和脈沖電場限制了加工食品的種類，高靜壓、亞臨界水技術的可行性和安全性問題。因此，在考慮生產成本、食品種類和安全性問題時，采用微波和超聲是制備抗氧化肽較好的新型加工技術。今后對新型加工技術制備產物的結構和組成應進行更加深入的分析，在加工過程中產物的安全性也是研究的重點。同時借助新型加工技術輔助提高酶解底物濃度，提高制備抗氧化肽的含量，高效精準進行酶解特定產物的工藝條件和分離相關設備等也需進一步研究。