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        馬鈴薯蛋白ACE抑制肽的Plastein反應(yīng)修飾研究

        2018-05-03 01:51:38高丹丹
        食品與機械 2018年2期

        高丹丹

        馬忠仁

        熱孜萬古力·賽買提

        田曉靜

        李明生

        陳士恩

        (西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730124)

        Plastein反應(yīng)又稱類蛋白反應(yīng)或塑蛋白反應(yīng),是指在一定條件下,蛋白酶催化高濃度的蛋白質(zhì)水解物或低聚肽的混合物,生成沉淀、觸變膠體或具觸變性黏稠的膠狀類蛋白產(chǎn)物的過程[1]。一般認為Plastein反應(yīng)是蛋白酶存在下蛋白質(zhì)水解反應(yīng)的逆反應(yīng),分為水解、濃縮和合成三步[2]。該反應(yīng)的機理較為復(fù)雜,可能涉及水解反應(yīng)、濃縮作用、轉(zhuǎn)肽作用、物理聚集中的一種或幾種[3]。Plastein反應(yīng)能夠產(chǎn)生原料蛋白質(zhì)所沒有的新肽段,其產(chǎn)物具有與原料蛋白質(zhì)不同的氨基酸序列,可以去除蛋白質(zhì)水解物的苦味,改善蛋白質(zhì)的功能性質(zhì),提高蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值,已成為食品工業(yè)研究的熱點[4]。

        目前采用Plastein反應(yīng)修飾生物活性肽的研究較多,諸如:吳丹等[5]曾對酪蛋白進行酶水解及Plastein修飾改善其抗氧化性;楊鋒等[6]曾對醋蛋水解物進行類蛋白修飾,并初步研究了產(chǎn)物的抗氧化活性;張強等[7]研究發(fā)現(xiàn)雙孢蘑菇源抗氧化肽修飾產(chǎn)物的抗氧化活性大概是修飾前的4倍;王晗欣等[8]研究發(fā)現(xiàn)鷹嘴豆蛋白抗氧化肽修飾產(chǎn)物的還原力和羥自由基清除率都有顯著提高;汪敬科等[9]采用Plastein反應(yīng)在堿性蛋白酶存在條件下對酪蛋白水解物進行修飾,制備多個不同修飾程度的Plastein反應(yīng)產(chǎn)物,修飾后其ACE抑制活性逐漸增加(增加至49%~62%)。上述研究表明,Plastein反應(yīng)修飾可以顯著提高某些生物活性肽的功效。但Plastein反應(yīng)用于改善馬鈴薯蛋白源ACE抑制肽活性的研究還未見報道。因此,本研究擬以馬鈴薯蛋白為原料,在前期研究[10-11]的基礎(chǔ)上,采用胰蛋白酶水解馬鈴薯蛋白制備ACE抑制肽,對馬鈴薯蛋白ACE抑制肽進行Plastein反應(yīng)修飾,并對修飾的工藝條件進行研究,以期提高馬鈴薯蛋白ACE抑制肽的活性,為天然高效ACE抑制劑的制備提供一種新途徑,為馬鈴薯蛋白資源的綜合開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        1.1.1 材料與試劑

        馬鈴薯:隴薯10號,購自蘭州市物美大賣場;

        馬鈴薯蛋白ACE抑制肽:ACE抑制率為(61.20±0.15)%,實驗室自制。

        胰蛋白酶:10 000 U/mg,美國Sigma-Aldrich公司;

        ACE:2.0 U/mg,美國Sigma-Aldrich公司;

        馬尿酰-組氨酰-亮氨酸(HHL):分析純,美國Sigma-Aldrich公司;

        十二烷基磺酸鈉:分析純,天津市光復(fù)精細化工研究所;

        鄰苯二甲醛:分析純,北京索萊寶生物試劑;

        甘氨酸、L-纈氨酸、L-組氨酸、L-酪氨酸、L-甲硫氨酸、L-苯丙氨酸、L-賴氨酸、亮氨酸:分析純,上海中秦化學(xué)試劑有限公司。

        1.1.2 主要儀器設(shè)備

        紫外分光光度計:UV-2000型,尤尼柯(上海)儀器有限公司;

        臺式高速冷凍離心機:TGL-16型,湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司;

        恒溫磁力攪拌器:MYP11-2A型,上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司;

        鼓風(fēng)干燥箱: DHG-9030型,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;

        電子天平:FA2004B 型,上海精密科學(xué)儀器有限公司;

        冷凍干燥機:Megafuge 8R型,美國熱電照生有限公司;

        數(shù)顯酸度計:PHS-3C型,杭州雷磁分析儀器廠;

        超低溫冰箱:DW-86L490J型,青島海爾特種電器有限公司。

        1.2 方法

        1.2.1 馬鈴薯蛋白質(zhì)的提取 馬鈴薯洗凈削皮切丁,用一定量的0.09% NaCl溶液和0.12%的亞硫酸鈉混合液在室溫下浸提1 h左右,馬鈴薯與提取液的比值為1∶10 (g/mL),-4 ℃,3 000 r/min離心15 min,取上清液,加入1 mol/L HCl溶液調(diào)pH 4.2左右,于磁力攪拌器上攪拌10 min,靜止1 h,再于-4 ℃,3 000 r/min離心15 min,保留沉淀,置于冷凍干燥機中凍干,得到馬鈴薯蛋白粉[10]。

        1.2.2 馬鈴薯蛋白ACE抑制肽的制備工藝

        馬鈴薯蛋白懸濁液→調(diào)pH→加酶→調(diào)水浴溫度37 ℃→滅酶(90 ℃水浴15 min)→離心(10 000 r/min,20 min)→取上清液→冷凍干燥[11]

        1.2.3 ACE抑制率測定 將ACE底物HHL溶解于0.1 mol/L 硼酸鹽緩沖液(pH值8.3,含0.2 mol/L NaCl)中配制成6 mmol/L的濃度。取100 μL的HHL與100 μL的ACE抑制劑混合,然后加入150 μL 5 U/mL的ACE溶液,37 ℃ 反應(yīng)60 min。加入250 μL的HCl(1 mol/L)終止反應(yīng),再加入1.5 mL乙酸乙酯進行萃取,強烈震蕩1 min,3 000 r/min 離心5 min。取酯層部分0.5 mL,在110 ℃下蒸干。繼續(xù)加入3 mL氯化鈉溶液(1 mol/L)溶解殘渣,以1 mol/L 氯化鈉溶液作參比,在228 nm下測定其吸光值記做S,用蒸餾水代替酶解肽,步驟同上,測定其吸光值記做A,用蒸餾水代替粗酶液和酶解肽液,測定其吸光值記做C[12]。按式(1)計算ACE抑制率:

        (1)

        式中:

        N——ACE抑制率,%;

        A——在反應(yīng)中不加抑制劑的吸光值;

        S——在反應(yīng)中同時加入ACE和ACE抑制劑的吸光值;

        C——ACE與HHL空白反應(yīng)的吸光值。

        1.2.4 單因素試驗 以Plastein反應(yīng)產(chǎn)物ACE抑制率為指標(biāo),分別研究外源氨基酸的種類、酶與底物濃度比([E]/[S])、反應(yīng)溫度、反應(yīng)pH、反應(yīng)時間對ACE抑制率的影響。

        (1) 外源氨基酸的種類:稱取15 g的馬鈴薯蛋白ACE抑制肽于試劑瓶中,加50 mL蒸餾水配制成底物濃度為30%的懸浮液,按0.5 mmol/g·多肽的比例分別加入甘氨酸、亮氨酸、酪氨酸、賴氨酸、組氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸和苯丙氨酸,調(diào)節(jié)pH值為8.0,反應(yīng)溫度37 ℃,反應(yīng)時間2 h,[E]/[S] 3 000 U/g,95 ℃滅酶10 min,10 000 r/min 離心5 min,取上清液,測定Plastein反應(yīng)產(chǎn)物ACE抑制率。

        (2) [E]/[S]:稱取15 g的馬鈴薯蛋白ACE抑制肽于試劑瓶中,加50 mL蒸餾水配制成底物濃度為30%的懸浮液,按0.5 mmol/g·多肽的比例加入甘氨酸,調(diào)節(jié)pH值為8.0,反應(yīng)溫度37 ℃,反應(yīng)時間2 h,分別控制[E]/[S]為 2 500,3 000,3 500,4 000,4 500 U/g,95 ℃滅酶10 min,10 000 r/min離心5 min,取上清液,測定Plastein反應(yīng)產(chǎn)物ACE抑制率。

        (3) 反應(yīng)溫度:稱取15 g的馬鈴薯蛋白ACE抑制肽于試劑瓶中,加50 mL蒸餾水配制成底物濃度為30%的懸浮液,按0.5 mmol/g·多肽的比例加入甘氨酸,調(diào)節(jié)pH值為8.0,分別控制反應(yīng)溫度為32,37,42,47,52 ℃,反應(yīng)時間2 h,[E]/[S] 3 500 U/g,95 ℃滅酶10 min,10 000 r/min離心5 min,取上清液,測定Plastein反應(yīng)產(chǎn)物ACE抑制率。

        (4) 反應(yīng)pH:稱取15 g的馬鈴薯蛋白ACE抑制肽于試劑瓶中,加50 mL蒸餾水配制成底物濃度為30%的懸浮液,按0.5 mmol/g·多肽的比例加入甘氨酸,分別控制pH值為7.0,7.5,8.0,8.5,9.0,反應(yīng)溫度42 ℃,反應(yīng)時間2 h,[E]/[S] 3 500 U/g,95 ℃滅酶10 min,10 000 r/min離心5 min,取上清液,測定Plastein反應(yīng)產(chǎn)物ACE抑制率。

        (5) 反應(yīng)時間:稱取15 g的馬鈴薯蛋白ACE抑制肽于試劑瓶中,加50 mL蒸餾水配制成底物濃度為30%的懸浮液,按0.5 mmol/g·多肽的比例加入甘氨酸,調(diào)節(jié)pH值為8.0,反應(yīng)溫度42 ℃,分別控制反應(yīng)時間為2.0,2.5,3.0,3.5,4.0 h,[E]/[S] 3 500 U/g,95 ℃滅酶10 min,10 000 r/min 離心5 min,取上清液,測定Plastein反應(yīng)產(chǎn)物ACE抑制率。

        1.2.5 響應(yīng)面分析 在單因素的基礎(chǔ)上,根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗設(shè)計原理,以馬鈴薯蛋白ACE抑制肽的抑制率為響應(yīng)值,選擇反應(yīng)溫度、反應(yīng)pH、[E]/[S]進行三因素三水平的響應(yīng)面試驗。通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化Plastein反應(yīng)修飾的工藝條件。

        1.2.6 數(shù)據(jù)分析 采用F檢驗對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析來評價響應(yīng)面回歸模型的統(tǒng)計意義,采用Design-Expert V 8.0.6 軟件對數(shù)據(jù)進行分析。

        2 結(jié)果分析

        2.1 單因素分析

        2.1.1 外源氨基酸種類對馬鈴薯蛋白ACE抑制肽Plastein反應(yīng)的影響 由圖1可知,加入8種外源氨基酸之后,馬鈴薯蛋白ACE抑制肽修飾產(chǎn)物對血管緊張素轉(zhuǎn)化酶均表現(xiàn)出一定的抑制活性。加入甘氨酸后,修飾產(chǎn)物的ACE抑制率最高達到了(75.1±2.12)%,L-苯丙氨酸加入后ACE抑制率最低,為(49.1±0.82)%。添加亮氨酸、L-酪氨酸、L-賴氨酸、L-組氨酸、L-纈氨酸和L-甲硫氨酸后的ACE抑制率依次為(73.70±1.24)%,(71.10±1.43)%,(67.90±0.11)%,(62.20±1.05)%,(59.30±1.04)%,(53.20±0.98)%。表明甘氨酸對馬鈴薯蛋白ACE抑制肽的Plastein反應(yīng)修飾效果最好,故選用甘氨酸為最佳外源氨基酸。

        圖1 外源氨基酸種類對馬鈴薯蛋白ACE抑制肽的Plastein反應(yīng)的影響Figure 1 The effect of extrinsic amino acid on ACE inhibitory activity

        2.1.2 [E]/[S]對馬鈴薯蛋白ACE抑制肽Plastein反應(yīng)的影響 由圖2可知,隨著[E]/[S]的增加,抑制率隨之增大,但增加到3 500 U/g時,ACE抑制率達到最大值[(79.30±0.95)%],繼續(xù)增加加酶量,抑制率減小。隨著[E]/[S]的增大,Plastein反應(yīng)修飾程度達到最大,但此時修飾產(chǎn)物的ACE抑制率降低,可能是[E]/[S]過大,過多的蛋白酶容易催化修飾產(chǎn)物重新發(fā)生水解反應(yīng),促使體系中活性物質(zhì)減少,進而導(dǎo)致其ACE抑制率降低[13]。故選擇3 500 U/g 作為響應(yīng)面試驗的中心點。

        圖2 酶與底物濃度比對ACE抑制率的影響Figure 2 The effect of Enzyme/Substrate ratio on ACE inhibitory activity

        2.1.3 反應(yīng)溫度對馬鈴薯蛋白ACE抑制肽Plastein反應(yīng)的影響 由圖3可知,ACE的抑制率會隨著溫度的增加呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)溫度為42 ℃時,ACE抑制率達到最大值[(78.95±0.42)%]。溫度對ACE抑制肽抑制率的影響主要是通過影響酶的活性實現(xiàn)的。當(dāng)溫度低于42 ℃時,隨著酶解溫度的增大,酶促反應(yīng)速度加快,ACE抑制率也逐步增大,而當(dāng)溫度超過42 ℃時,隨著溫度的升高,酶可能失活而導(dǎo)致抑制率下降[14]。故選擇42 ℃作為響應(yīng)面試驗的中心點。

        圖3 反應(yīng)溫度對ACE抑制率的影響Figure 3 The effect of reaction temperature on ACE inhibitory activity

        2.1.4 反應(yīng)pH值對馬鈴薯蛋白ACE抑制肽Plastein反應(yīng)的影響 由圖4可知,隨著pH值的增大,馬鈴薯蛋白ACE抑制肽修飾產(chǎn)物的ACE抑制率先增大后減小,pH 8.0時,修飾產(chǎn)物的ACE抑制率最高,達到(79.20±0.65)%。低于或高于此pH值,修飾產(chǎn)物的ACE抑制能力均有不同程度的減弱,可能是偏酸性或偏堿性環(huán)境會引起蛋白酶和底物蛋白發(fā)生一定程度的變性,從而使蛋白酶失去部分催化功能,底物蛋白喪失部分生物活性,進而減弱修飾產(chǎn)物的ACE抑制能力[15]。故選擇8.0作為最佳反應(yīng)pH值。

        圖4 反應(yīng)pH值對ACE抑制率的影響Figure 4 The effect of reaction pH on ACE inhibitory activity

        2.1.5 反應(yīng)時間對馬鈴薯蛋白ACE抑制肽Plastein反應(yīng)的影響 由圖5可知,隨著反應(yīng)時間的延長,馬鈴薯蛋白ACE抑制肽修飾產(chǎn)物的ACE抑制率隨之上升,但是當(dāng)時間達到3.0 h時ACE抑制率達到最大值[(79.7±1.22)%],反應(yīng)時間繼續(xù)延長,ACE抑制率下降。這可能是反應(yīng)時間過長,修飾產(chǎn)物在蛋白酶的作用下又發(fā)生了水解反應(yīng),重新生成了分子質(zhì)量相對較小的肽類物質(zhì),修飾程度降低[16]。故選擇3.0 h 作為響應(yīng)面試驗的中心點。

        圖5 反應(yīng)時間對ACE抑制率的影響Figure 5 The effect of reaction time on ACE inhibitory activity

        2.2 馬鈴薯蛋白ACE抑制肽Plastein反應(yīng)修飾響應(yīng)面試驗分析

        2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計 見表1。

        2.2.2 多元二次模型方程的建立與檢驗 通過Design-Expert V8.0.6軟件對表2數(shù)據(jù)進行回歸分析得到多元二次關(guān)系式:

        Y=82.84+0.28A+0.27B+0.21C+0.14AB-0.14AC-0.15BC-0.43A2-1.40B2-0.98C2。

        (2)

        表1 響應(yīng)面試驗設(shè)計Table 1 Designs of Response surface experiment

        表2 Box-Behnken試驗設(shè)計及結(jié)果
        Table 2 The design and experiment results of Box-Behnken Response surface test

        序號ABCACE抑制率/%試驗值預(yù)測值10.00-1.001.0080.89±0.1580.5620.000.000.0083.05±0.0582.843-1.001.000.0081.12±0.0280.8641.00-1.000.0080.63±0.0580.8950.001.001.0080.79±0.2180.7861.001.000.0081.76±0.1681.707-1.00-1.000.0080.55±0.1380.618-1.000.00-1.0080.87±0.0980.8191.000.00-1.0081.93±0.1481.66100.000.000.0082.54±0.0582.8411-1.000.001.0081.24±0.0881.51120.00-1.00-1.0079.83±0.0479.84130.000.000.0082.94±0.0982.84141.000.001.0081.72±0.2381.79150.001.00-1.0080.35±0.3480.68160.000.000.0082.86±0.1582.84170.000.000.0082.83±0.1382.84

        表3 二次多項模型方差分析結(jié)果?Table 3 The variance analysis results of two multinomial models

        2.2.3 響應(yīng)面分析和優(yōu)化 由圖6可知,反應(yīng)溫度與反應(yīng)pH值、反應(yīng)溫度與[E]/[S]以及pH值和[E]/[S]的交互作用對修飾產(chǎn)物的ACE抑制率無顯著影響。當(dāng)[E]/[S]固定在0水平時,隨著反應(yīng)pH值的升高,修飾產(chǎn)物的ACE抑制能力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢;隨著反應(yīng)溫度的升高,修飾產(chǎn)物的ACE抑制能力逐漸增大。當(dāng)pH值固定在0水平時,隨著[E]/[S]的升高,修飾產(chǎn)物的ACE抑制能力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢;隨著反應(yīng)溫度的升高,修飾產(chǎn)物的ACE抑制能力逐漸增大。當(dāng)溫度固定在0水平時,隨著[E]/[S]的升高,修飾產(chǎn)物的ACE抑制能力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,可能是由于過量的蛋白酶會引發(fā)修飾產(chǎn)物發(fā)生二次水解,使體系中抗氧化活性物質(zhì)的數(shù)量有所減少,從而影響修飾產(chǎn)物的ACE抑制能力;隨著反應(yīng)pH值的升高,修飾產(chǎn)物的ACE抑制能力也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

        圖6 交互作用影響抑制率的曲面圖及等高線圖Figure 6 Surface chart and contour map of the interaction affect the ACE inhibitory activity

        2.2.4 模型驗證實驗 根據(jù)Box-Behnken設(shè)計的17組試驗所得的結(jié)果和二次多項回歸方程,利用Design Expert V 8.0.6 軟件獲得了ACE抑制率最高時各個因素的最佳反應(yīng)條件為:溫度43.68 ℃、反應(yīng)pH 8.05、反應(yīng)時間3.0 h,[E]/[S] 3 565.05 U/g,在此反應(yīng)條件下,經(jīng)由Plastein反應(yīng)修飾的馬鈴薯蛋白ACE抑制肽對ACF的理論抑制率為(82.913±0.958)%。

        為了檢驗?zāi)P皖A(yù)測的準確性和精確性,在最適反應(yīng)條件下進行修飾反應(yīng)并測定產(chǎn)物的ACE抑制率,3組平行實驗所得到的實驗結(jié)果分別為82.86%,82.95%,82.85%,平均值為(82.89±0.05)%,由此可見該模型能較好地預(yù)測實際反應(yīng)情況。

        3 結(jié)論

        采用胰蛋白酶水解馬鈴薯蛋白制備ACE抑制肽(ACE抑制率為61.20%±0.15%),以ACE抑制能力為評價指標(biāo),在單因素試驗的基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面法優(yōu)化了馬鈴薯蛋白ACE抑制肽Plastein反應(yīng)修飾工藝,得最佳工藝為:以甘氨酸為處源氨基酸,溫度43.68 ℃、反應(yīng)體系pH 8.05、反應(yīng)時間3.0 h、[E]/[S] 3 565.05 U/g,底物濃度30%、外源氨基酸比例0.5 mmol/g·多肽,在最優(yōu)反應(yīng)條件下,抑制率可以達到(82.89±0.05)%。本研究通過Plastein反應(yīng)修飾的方法有效提高了馬鈴薯蛋白ACE抑制肽的降血壓活性,為其作為天然高效降血壓劑方面的開發(fā)提供依據(jù),并為馬鈴薯資源的綜合利用提供新途徑。

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