李玉芬,鄭明星,葉秀云,林 娟
(福州大學,福建省海洋酶工程實驗室,福建福州 350116)
膠原蛋白是細胞外基質(zhì)的結(jié)構蛋白,是結(jié)締組織的主要組成成分,一般為白色纖維,廣泛分布在多細胞動物體內(nèi),膠原蛋白中存在著多種生物活性肽,生物活性肽是一類由氨基酸組成的擁有特殊生理活性的多肽總稱(其氨基酸數(shù)目一般小于50,分子量小于6 ku),根據(jù)其氨基酸種類和排列方式的不同,多肽呈現(xiàn)的生理活性也各不相同,即使相同蛋白來源的多肽也可能擁有不同的功能活性[1]。生物活性肽參與人體多種代謝和生理調(diào)節(jié),易吸收利用,活性高,具有良好的溶解性、黏度性、流動性和熱穩(wěn)定性,有免疫調(diào)節(jié)、抗菌、抗病毒、降血壓、降血脂、降膽固醇、抗疲勞、抗氧化、美白和調(diào)味等作用,食用安全性高,是當前食品科學界最熱門的研究課題,極具發(fā)展前景[2-4]。由于哺乳動物體內(nèi)存在大量的膠原蛋白,長期以來,工業(yè)上膠原蛋白的提取原料大部分都來源于豬皮、牛皮和羊皮等,但是近幾年,由于口蹄疫、禽流感等家畜傳染病的影響,人們對于家畜來源制品安全性的不信任感增強,再者某些地區(qū)的宗教習俗等原因,對家畜制品也會有排斥心理,因此,尋找動物毛皮以外的膠原蛋白來源成為新的課題方向。海洋來源的膠原蛋白擁有其他來源的膠原蛋白所不可比擬的優(yōu)點,備受消費者青睞。目前,工業(yè)上也已開始利用魚鱗、魚皮等資源制備膠原蛋白產(chǎn)品;也有研究工作者探討了海蜇來源膠原蛋白的制備工藝,但由于其技術上的一些問題導致海蜇來源的膠原蛋白制品還不能應用于工業(yè)生產(chǎn)。本文旨在解決海蜇產(chǎn)品在工業(yè)上的應用難題,為推進膠原蛋白的工業(yè)化生產(chǎn)和提高海蜇高值化利用提供理論指導。
本實驗前期進行了海蜇加工下腳料膠原蛋白的提取[5],在此研究的基礎上,進一步通過生物酶解方法制備膠原蛋白肽,并對不同分子量膠原蛋白肽的抗氧化活性、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(ACE)抑制活性和酪氨酸酶雙酚酶抑制活性進行表征,為海蜇的高值化利用提供理論指導。
海蜇加工下腳料 主要是來自福建億達食品有限公司所提供的南蟄海蜇皮,海蜇體呈傘蓋狀,通體呈半透明;福林試劑、谷胱甘肽、胃蛋白酶(1.58 U/mg)、胰蛋白酶(4.40 U/mg)、還原型谷胱甘肽 國藥集團;風味蛋白酶(7.62 U/mg)、木瓜蛋白酶(13.73 U/mg)、中性蛋白酶(9.02 U/mg)、堿性蛋白酶(84.63 U/mg) Solarbio公司;2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)、ACE、馬尿酰-組氨酰-亮氨酸(HHL)、馬尿酸、Tyrosinase Sigma公司;DPPH Aladdin公司。
T6型新世紀紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;HWS24型電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科技有限公司;TP-114型分析天平 DENVER INSTRVMENT;UB-7pH計 DENVER INSTRVMENT;CF16R-XI型高速冷凍離心機 HITACHI;移液槍 Eppendorf;L-2455DAD型高效液相色譜儀 Hitachi;1510型酶標儀 Thermo Fisher Scientific;VFD-2000型真空冷凍干燥機 Labconco;611DI型超純水系統(tǒng) Sartorius stedim;MJ-BL 25H11攪拌機 廣東美的生活電器制造有限公司。
1.2.1 海蜇膠原蛋白肽的提取 將海蜇加工下腳料用清水沖洗,將除鹽的海蜇用攪拌機攪碎20 min,過濾瀝干;添加丙酮溶液沒過海蜇,靜置1 d,蒸餾水清洗至無異味,過濾瀝干;置于0.1 mol/L磷酸氫二鈉溶液中浸泡三次,每3 h更換一次溶液,蒸餾水清洗至中性,過濾瀝干,4 ℃冰箱存放備用。
取一定質(zhì)量的海蜇皮勻漿,加入一定體積相應pH7.39的磷酸鹽緩沖液至0.50 g/mL,添加4.0%風味蛋白酶,置于44.1 ℃的溫度條件下酶解4 h,溫度43.5 ℃、pH8.33的Tris-HCl緩沖液、料液比0.50 g/mL和胰蛋白酶添加量3.0%條件下繼續(xù)反應4 h,待反應結(jié)束后,將酶解液置于沸水浴中加熱10 min使蛋白酶失活,13000×g離心10 min,取上清多肽液放于4 ℃冰箱中備用[5]。
1.2.2 不同分子量膠原蛋白肽的制備 將上述最佳海蜇蛋白肽制備工藝獲得的酶解液,采用截留分子量為10 kDa的中空纖維超濾膜進行處理,將各組分進行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮,于-80 ℃冷凍干燥成粉,并置于常溫干燥器中短期保藏備用。
1.2.3 還原力的測定 參考Liu等[6]的方法,略有修改。在15 mL試管中,依次加入1 mL不同濃度的多肽樣品、2.5 mL 0.2 mol/L的磷酸鹽緩沖液(pH6.6)和2.5 mL 1%的鐵氰化鉀溶液;置于50 ℃水浴反應20 min,加入1 mL 10%的三氯乙酸終止反應;取上述溶液2.5 mL,加入2.5 mL蒸餾水和0.5 mL 0.1%的FeCl3溶液,于700 nm處測定其吸光值。吸光值越大表明樣品的還原力越高。以蒸餾水作為空白對照,同時以谷胱甘肽(GSH)作為陽性對照。其IC50值定義為相對空白組吸光值為0.5時的有效多肽濃度。
1.2.4 羥自由基清除能力 參考Zhou等[7]的方法,略有修改。在15 mL試管中,依次加入不同濃度的樣品、dH2O、3.0 mmol/L的FeSO4、9.0 mmol/L的H2O2和9.0 mmol/L的水楊酸各1.0 mL,搖勻;于37 ℃水浴反應30 min后,流水冷卻至室溫,于波長510 nm下測定其吸光值;以蒸餾水作空白對照,同時以GSH作為陽性對照,所有實驗進行三組平行。按式(1)計算其對羥自由基的清除率:
羥自由基清除率(%)=(A1-A2)/A0×100
式(1)
式中:A1是樣品溶液+雙氧水的吸光度,A2是去離子水+雙氧水的吸光度,A0是空白對照的吸光度。
其半抑制濃度IC50值定義為50%羥自由基清除率時的有效多肽濃度。
1.2.5 1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基清除能力 參考Fan等[8]的方法,略有修改。取溶于0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液(PBS)(pH6.0)的不同濃度樣品1.0 mL,加入2.0 mL 45 mg/L的DPPH乙醇溶液(現(xiàn)用現(xiàn)配)并搖勻,置于暗處反應30 min,于517 nm處測定其吸光值;以0.1 mol/L PBS緩沖液代替樣品作空白對照,同時以GSH作為陽性對照,所有實驗進行三組平行。按以式(2)計算對DPPH自由基的清除率:
DPPH自由基清除率(%)=(A0-A1)/A0×100
式(2)
式中:A0為空白組吸光值;A1為實驗組吸光值。
其半抑制濃度IC50值定義為50%DPPH自由基清除率時的有效多肽濃度。
1.2.6 超氧陰離子自由基清除能力 參考Girgih等[9]的方法,略有修改。在15 mL試管中,依次加入1 mL 0.1 mol/L Tris-HCl緩沖液(pH8.3,含1 mmol/L EDTA)、1 mL上述緩沖液配制的不同濃度的樣品和0.5 mL 1.5 mmol/L連苯三酚(含10 mmol/L HCl),迅速搖勻,立即于420 nm處測定其在4 min內(nèi)的吸光值變化;以蒸餾水作空白對照,同時以GSH作為陽性對照,所有實驗進行三組平行。按下式(3)計算對超氧陰離子自由基的清除率:
式(3)
式中:ΔA0為空白組在4 min內(nèi)吸光值變化;ΔA1為實驗組在4 min內(nèi)吸光值變化。
其半抑制濃度IC50值定義為50%超氧陰離子自由基清除率時的有效多肽濃度。
1.2.7 ABTS+自由基清除能力 參考Liu等[10]的方法,略有修改。配制7 mmol/L的 ABTS母液和2.45 mmol/L的過硫酸鉀,等體積混合,靜置于暗處12~16 h;使用前,將ABTS混合液用蒸餾水稀釋50倍,使其在734 nm處的吸光值為0.900左右。
取不同濃度的的樣品1.0 mL,加入3.0 mL ABTS+溶液并搖勻,置于30 ℃水浴反應6 min,于734 nm處測定其吸光值;以蒸餾水作空白對照,同時以GSH作為陽性對照,所有實驗進行三組平行。按式(4)計算對ABTS+自由基的清除率:
式(4)
式中:A0為空白組吸光值;A1為實驗組吸光值。
其半抑制濃度IC50值定義為50% ABTS+自由基清除率時的有效多肽濃度。
1.2.8 ACE抑制活性評價 參考Liu X等[11]的方法,取不同濃度的的樣品10 μL,依次加入30 μL的 硼酸緩沖液和10 μL 10.0 mmol/L的HHL溶液并于37 ℃孵育10 min;加入10 μL 0.1 U/mL的ACE溶液,置于37 ℃水浴準確反應60 min;添加60 μL 1 mol/L的HCl溶液終止反應,作為待測樣品備用;空白組在加入ACE前預先加入60 μL 1 mol/L的HCl溶液以提前終止反應,其他操作與實驗組相同。根據(jù)上述實驗方法,再由標準曲線測定生成產(chǎn)物馬尿酸的含量,進而按式(5)計算得出ACE抑制率:
式(5)
式中:n0為空白組馬尿酸濃度;n1為實驗組馬尿酸濃度。
其半抑制濃度IC50值定義為ACE抑制率為50%時的有效多肽濃度。
1.2.9 酪氨酸酶雙酚酶抑制活性評價 根據(jù)抑制劑能否引起酶的不可逆性失活,可將酶抑制劑的抑制類型分為不可逆抑制與可逆抑制,本文對具有最高酪氨酸酶抑制活性的多肽組分的抑制類型進行了抑制類型的測定;根據(jù)抑制劑與酶結(jié)合的方式,可將可逆抑制分為競爭性抑制、非競爭性抑制和混合型抑制等。并對最高酪氨酸酶抑制活性的多肽組分的抑制作用機理進行了進一步的研究:固定蘑菇酪氨酸酶濃度,改變3,4-二羥苯丙氨酸-L-丙氨酸(L-DOPA)濃度,考察不同濃度JCP1對酶活力的影響,采用雙倒數(shù)作圖法(Lineweaver-Burk),判斷酪氨酸酶的抑制類型。
1.2.9.1 酪氨酸酶雙酚酶抑制活性 參考靳春平等[12-13]的方法,于96孔板中,添加0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 μL的多肽樣品,用0.05 mol/L的PBS緩沖液(pH6.8)補足至200 μL,再依次加入60 μL 2.5 mmol/L的L-多巴和40 μL 0.06 mg/mL的蘑菇酪氨酸酶溶液,迅速混勻,并于475 nm處檢測30 s內(nèi)吸光值變化;按式(6)計算其酪氨酸酶雙酚酶抑制率:
式(6)
式中:ΔA0為空白組在30 s內(nèi)吸光值變化;ΔA1為實驗組在30 s內(nèi)吸光值變化。
其半抑制濃度IC50值定義為酪氨酸酶雙酚酶抑制率為50%時的有效多肽濃度。
1.2.9.2 海蜇膠原蛋白肽對酪氨酸酶雙酚酶的抑制類型 在上述300 μL反應體系中,保持底物L-多巴終濃度不變,改變酪氨酸酶終濃度(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0和10.0 μg/mL),測定不同酪氨酸酶濃度下不同濃度JCP1(0、6.67、13.33、20.00、26.67、33.33 mg·mL-1)對酪氨酸酶雙酚酶初始反應速率的影響,消光系數(shù)按3700 L/mol/cm計算。
1.2.9.3 海蜇膠原蛋白肽對酪氨酸酶雙酚酶的抑制動力學參數(shù) 參考王慶華等[14]的方法在300 μL反應體系中,保持酪氨酸酶濃度不變,改變底物L-多巴的終濃度(0.100、0.133、0.200、0.333、0.400、0.500、0.667、0.800和1.000 mol/L),測定不同L-多巴濃度下不同濃度JCP1(0、6.67、13.33、20.00、26.67、33.33 mg·mL-1)樣品對酪氨酸酶雙酚酶初始反應速率的影響,采用Lineweaver-Burk作圖法判斷多肽的抑制類型并求出酶反應抑制動力學參數(shù)。
采用截留分子量為10 kDa的中空纖維超濾膜進行處理,得到分子量范圍為分子量>10 kDa(JCP1)和<10 kDa的多肽,繼續(xù)對<10 kDa的多肽組分依次使用截留分子量為3 kDa和1 kDa的超濾離心管進行超濾處理,得到分子量3~10 kDa(JCP2)、分子量1~3 kDa(JCP3)和分子量<1 kDa JCP4三種組分。
2.2.1 還原力的測定 由圖1和圖2可知,GSH的還原力比不同分子量膠原蛋白肽好,GSH的IC50值為0.190 mg/mL(圖1);各組分還原力隨多肽濃度的增大而增大,呈線性關系(圖2)。各組分的IC50值在14.9~29.3 mg/mL之間;其中組分JCP3的IC50值最低,為14.9 mg/mL,表明其具有較其它組分更強的還原力;JCP1的IC50值最高,達29.3 mg/mL。根據(jù)相應的IC50值,各組分還原力由高到低依次為JCP3(14.9 mg/mL)>JCP4(16.9 mg/mL)>JCP2(20.4 mg/mL)>JCP1(29.3 mg/mL)。通過比較可知,各組分的還原力都不及GSH。
圖1 GSH的還原力Fig.1 Reducing power of glutathione
圖2 不同分子量海蜇膠原蛋白肽組分的還原力Fig.2 Reducing power of different fractions of jellyfish collagen peptide注:JCP1:MW>10 kDa;JCP2:MW 3~10 kDa; JCP3:MW 1~3 kDa;JCP4:MW<1 kDa;圖4、圖6、圖8、圖10~圖12同。
2.2.2 羥自由基清除能力的測定 GSH的IC50為1.50 mg/mL(圖3)。不同分子量海蜇膠原蛋白肽的羥自由基清除能力大小如下圖4所示。圖4表明,各組分羥自由基清除能力均隨多肽濃度的增大而增大。圖4表明,各組分的IC50值在2.21~3.51 mg/mL之間;其中組分JCP3的羥自由基清除能力較其他組分高,其IC50值最低,為2.21 mg/mL;JCP1、JCP2和JCP4組分的IC50值相差不大,表明其對羥自由基清除能力比較接近。根據(jù)相應的IC50值,各組分羥自由基清除能力由高到低依次為JCP3(2.21 mg/mL)>JCP2(3.06 mg/mL)>JCP1(3.10 mg/mL)>JCP4(3.51 mg/mL)。通過比較可知,各組分的還原力都不及GSH。
圖3 GSH的羥自由基清除能力Fig.3 Hydroxyl radical scavenging activity of glutathione
圖4 不同分子量海蜇膠原蛋白肽組分的羥自由基清除能力Fig.4 Hydroxyl radical scavenging activity of different fractions of jellyfish collagen peptide
2.2.3 DPPH自由基清除能力的測定 GSH的IC50值為0.267 mg/mL(圖5);由圖6可知,各組分DPPH自由基清除能力隨多肽濃度的增大而增大,均在20 mg/mL之后趨于平緩。各組分的IC50值在28.3~44.0 mg/mL之間;其中組分JCP4的IC50值最低,為28.3 mg/mL;JCP1的IC50值最高,達44.0 mg/mL。根據(jù)相應的IC50值,各組分DPPH自由基清除能力由高到低依次為JCP4(28.3 mg/mL)>JCP2(36.6 mg/mL)>JCP3(37.3 mg/mL)>JCP1(44.0 mg/mL)。結(jié)果表明,分子量較低的多肽可能擁有更好的DPPH自由基清除能力。Onuh等[15]研究發(fā)現(xiàn)雞皮蛋白酶解物中分子量<1 kDa的多肽組分表現(xiàn)出最高的DPPH自由基清除能力,這與我們的結(jié)果相符。也有研究表明[18],分子量較高的多肽其DPPH自由基清除能力明顯高于低分子量多肽組分。通過比較可知,各組分的還原力都不及GSH。
圖5 GSH的DPPH自由基清除能力Fig.5 DPPH radical scavenging activity of glutathione
圖6 不同分子量海蜇膠原蛋白肽組分的DPPH自由基清除能力Fig.6 DPPH radical scavenging activity of different fractions of jellyfish collagen peptide
2.2.4 超氧陰離子自由基清除能力的測定 GSH的0.037 mg/mL(圖7)。圖8表明,各組分超氧陰離子自由基清除能力均隨多肽濃度的增大而增大。各組分的IC50值在22.6~30.6 mg/mL之間;根據(jù)相應的IC50值,各組分超氧陰離子自由基清除能力由高到低依次為JCP1(22.6 mg/mL)>JCP2(23.7 mg/mL)>JCP3(26.3 mg/mL)>JCP4(30.6 mg/mL)。結(jié)果表明,分子量與超氧陰離子自由基清除能力呈正相關。Saidi等[16]發(fā)現(xiàn)金槍魚肌肉蛋白副產(chǎn)物的水解產(chǎn)物中,>1 ku分子量范圍的多肽組分具有更高的超氧陰離子自由基清除能力,這與我們的結(jié)果類似。
圖7 GSH的超氧陰離子自由基清除能力Fig.7 Super oxide anion radical scavenging activity of glutathione
圖8 不同分子量海蜇膠原蛋白肽組分的超氧陰離子自由基清除能力Fig.8 Super oxide anion radical scavenging activity of different fractions of jellyfish collagen peptide
2.2.5 ABTS+自由基清除能力的測定 GSH的IC50值為0.015 mg/mL(圖9)。不同分子量海蜇膠原蛋白肽的ABTS+自由基清除能力大小如下圖10所示。圖10表明,各組分ABTS+自由基清除能力均與多肽濃度呈正相關。JCP3組分的ABTS+自由基清除能力最好,其IC50值為0.61 mg/mL。根據(jù)相應的IC50值,各組分超氧陰離子自由基清除能力由高到低依次為JCP3(0.61 mg/mL)>JCP2(0.70 mg/mL)>JCP4(0.72 mg/mL)>JCP1(0.73 mg/mL)。Alashi等[17]發(fā)現(xiàn)油菜籽酶解物具有強ABTS+自由基清除能力,其中<1 ku多肽組分的活性最好;Ngoh等[18]發(fā)現(xiàn)斑豆酶解物中<3 ku的多肽組分具有最高的ABTS+自由基清除能力,這與我們的結(jié)果類似。
圖9 GSH的ABTS+自由基清除能力Fig.9 ABTS radical scavenging activity of glutathione
圖10 不同分子量海蜇膠原蛋白肽 組分的ABTS自由基清除能力Fig.10 ABTS radical scavenging activity of different fractions of jellyfish collagen peptide
由圖11表明,各組分的ACE抑制率隨多肽濃度變化的趨勢相同,在20 mg/mL之前,ACE抑制率隨多肽濃度的增加迅速增大,之后增長趨于平緩;不同組分在高濃度時表現(xiàn)的ACE抑制率穩(wěn)定值略有差異,JCP3組分最高為80%,JCP1組分最低為55%;在相同濃度下,最低分子量組分JCP4較JCP3組分抑制率低,組分JCP1和JCP2的ACE抑制活性最弱;根據(jù)相應的IC50值,各組分ACE抑制活性由高到低依次為JCP3(15.8 mg/mL)>JCP4(22.4 mg/mL)>JCP2(56.9 mg/mL)>JCP1(61.5 mg/mL)。
圖11 不同分子量海蜇膠原蛋白肽組分ACE抑制活性Fig.11 ACE inhibitor activity of different fractions of jellyfish collagen peptide
不同分子量海蜇膠原蛋白肽組分的酪氨酸酶雙酚酶抑制活性表明,分子量最大的組分JCP1較其他組分具有更高的酪氨酸酶雙酚酶抑制活性,其IC50值為11.96 mg/mL;其他三種組分JCP2、JCP3和JCP4的活性相差不大;根據(jù)相應的IC50值,各組分酪氨酸酶雙酚酶抑制活性由高到低依次為JCP1(11.96 mg/mL)>JCP2(24.68 mg/mL)>JCP4(27.43 mg/mL)>JCP3(29.51 mg/mL)。
從已有的研究中發(fā)現(xiàn),具有酪氨酸酶抑制活性的多肽分子量一般都比較小,均在1 ku以下;Hsiao等[19]從47263種自然化合物中篩選出了兩種具有高酪氨酸酶抑制能力的多肽,分別為RCY和CRY;Oh等[20]從海洋微藻中分離純化出一個對黑色素生成具有抑制作用的多肽,其分子量為526 u;這與本文獲得的大分子量組分具有更高抑制活性的結(jié)果有點差異,分析其原因,可能是因為在海蜇膠原蛋白肽的制備過程中是以還原力而非酪氨酸酶抑制活性為指標的緣故,進一步利用不同蛋白酶酶解優(yōu)化膠原蛋白肽的制備工藝是獲得具更高酪氨酸酶抑制活性多肽的有效辦法。
圖12 不同分子量海蜇膠原蛋白肽組分酪氨酸酶雙酚酶抑制活性Fig.12 Effect of different fractions of jellyfish collagen peptide on the activity of tyrosinase
圖13表明,隨著JCP1濃度的增大,酪氨酸酶雙酚酶活力隨酶濃度變化曲線的直線斜率減小,說明JCP1對酪氨酸酶雙酚酶酶的抑制類型均屬于可逆抑制,增加JCP1濃度導致的酶催化效率降低是由于抑制了酪氨酸酶活力,而不是減少其有效酶量。
圖13 不同JCP1濃度下酶活力和酶量的關系Fig.13 Effect of different concentrations of JCP1 fraction on the activity of tyrosinase
從圖14獲得一組交于第二象限的直線,其橫軸和縱軸截距均隨JCP1濃度的增大而增大,說明米氏常數(shù)Ks隨JCP1濃度的增大而增大,最大反應速度Vm隨JCP1濃度的增大而減小,JCP1的抑制類型為混合型抑制。以斜率(Slope)和縱軸截距(Intercept)對JCP1濃度進行二次作圖,分別求出JCP1對游離酶的抑制常數(shù)KI和對酶-底物絡合物的抑制常數(shù)KIS分別為4.55 g/L和32.04 g/L,JCP1對酶-底物絡合物的抑制強度是游離酶的7倍,其抑制程度隨底物濃度的增加而增大。
圖14 JCP1對酪氨酸酶雙酚酶抑制作用的 Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖Fig.14 Lineweaver-Burk plots for inhibition of JCP1 on the oxidant of L-DOPA by tyrosinase
對海蜇膠原蛋白肽進行超濾分離,得到4個不同分子量的多肽組分JCP1(>10 ku)、JCP2(3~10 ku)、JCP3(1~3 ku)和JCP4(<1 ku),不同分子量海蜇膠原蛋白肽組分表現(xiàn)出不同的生物活性;JCP1具有最強的超氧陰離子自由基清除能力和酪氨酸酶雙酚酶抑制效果,其IC50值分別為為22.6、11.96 mg/mL;JCP3具有最強的還原力、羥自由基清除能力、ABTS+自由基清除能力和ACE抑制活性,其IC50值分別為14.9、2.21、0.61和15.8 mg/mL;JCP4具有最強的DPPH自由基清除能力,其IC50值為28.3 mg/mL。
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