徐仰麗,葉 劍,余 海,蘇來(lái)金,*
(1.溫州科技職業(yè)學(xué)院,溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,浙江溫州 325006; 2.蒼南縣漁業(yè)技術(shù)推廣站,浙江溫州 325802)
刺參(Apostichopusjaponicus),又稱刺參、灰刺等,隸屬于棘皮動(dòng)物門(Echinodermata)、海參綱(Holothuroidea)、楯手目(Aspidochirotida)、刺參科(Stichopodidae)、刺參屬(Apostichopus),在北方沿海地區(qū)廣為分布[1],隨著刺參人工育苗、養(yǎng)殖技術(shù)日趨成熟,刺參養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)在全國(guó)快速發(fā)展,成為我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中產(chǎn)值、利潤(rùn)最高的產(chǎn)業(yè)之一,并帶動(dòng)形成了育苗、養(yǎng)殖、加工產(chǎn)業(yè)鏈的完善[2]。自2006年刺參南移成功以來(lái),南方刺參養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)也逐漸趨于穩(wěn)定,2017年南方刺參產(chǎn)量2.65萬(wàn)噸,占全國(guó)的12.97%[3],鹽漬刺參、淡干刺參、即食刺參等產(chǎn)品加工技術(shù)也在不斷進(jìn)步[4],但是刺參加工產(chǎn)業(yè)配套技術(shù)尚未成熟,刺參精深加工仍處在起步階段[5]。
刺參性腺是刺參卵和刺參精的統(tǒng)稱,研究表明,刺參性腺具有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分,還含有多糖、皂苷等活性成分[6-11],在北方刺參加工中,加工者已經(jīng)開始收集海參性腺進(jìn)行銷售或者再加工,但在南方刺參粗加工中,刺參性腺作為廢棄物直接丟棄,既造成資源浪費(fèi),也造成了環(huán)境的污染。研究表明,刺參通過(guò)酶解制成的刺參肽具有較好的活性[12-15],刺參性腺蛋白含量高,含有諸多活性成分[16],但有關(guān)刺參性腺的綜合利用研究不多,南方刺參性腺的研究尚未見報(bào)道,其中的差異未知,因此開展南方刺參性腺酶解的綜合利用,有助于減少污染,提升副產(chǎn)物附加值,促進(jìn)養(yǎng)殖增收增效。
本研究以南移養(yǎng)殖刺參的性腺為原料,以多肽得率為評(píng)價(jià)指標(biāo),優(yōu)化了內(nèi)切性Protamex復(fù)合蛋白酶催化酶解刺參性腺的最佳的工藝,并利用該工藝對(duì)南、北方養(yǎng)殖刺參性腺進(jìn)行酶解,分析了多肽液的抗氧化活性,為南方刺參性腺資源高效利用提供了方法依據(jù)。
鮮刺參性腺 北方養(yǎng)殖刺參性腺由許鑫海參加工廠提供,養(yǎng)殖位置為青島市即墨區(qū)田橫鎮(zhèn)馬龍島,2016年9月采收,-20 ℃冷凍后運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室;南方養(yǎng)殖刺參性腺 溫州蒼南水產(chǎn)技術(shù)推廣站提供,養(yǎng)殖地點(diǎn)為蒼南縣馬站鎮(zhèn)霞關(guān)海域,2017年2月采收分離,-20 ℃冷凍運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室;Protomax復(fù)合蛋白酶(測(cè)定酶活5.23 mKat) 諾維信(中國(guó))生物技術(shù)有限公司;超氧陰離子自由基檢測(cè)試劑盒(磺胺比色法) 北京雷根生物技術(shù)有限公司;羥自由基清除能力測(cè)定試劑盒 北京索萊寶科技有限公司;CuSO4·5H2O、NaOH、三氯乙酸 維生素C等 分析純,國(guó)藥集團(tuán)。
DF-2集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 常州華奧儀器制造有限公司;FE20K pH計(jì) 梅特勒-托利多;ALPHA 1-2LD PLUS真空冷凍干燥機(jī) 德國(guó)CHRIST;SP-754紫外可見分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司。
1.2.1 刺參性腺酶解工藝 新鮮南方養(yǎng)殖刺參性腺?gòu)酿B(yǎng)殖基地運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室后,冷凍干燥(條件:-30 ℃預(yù)凍,主干燥-25 ℃,10 Pa,16 h;水分5%以下),超微粉碎機(jī)粉碎500目后待用。稱取一定量的凍干粉,按照一定比例加入水和蛋白酶,在一定溫度下酶解,結(jié)束后滅酶,8000×g離心30 min后,取上清液待測(cè)。
1.2.2 酶活力測(cè)定 酶活測(cè)定按照文獻(xiàn)[17],以酪蛋白溶液為底物,在40 ℃、pH7.2的條件下,每分鐘催化水解酪蛋白產(chǎn)生1 μg酪氨酸所需的酶量定義為一個(gè)酶活力單位(U),為了方便計(jì)算,酶活力單位換算成mKat表示,公式為1 mKat=6×104U。
1.2.3 酶解液中多肽含量的測(cè)定 酶解液中多肽含量的測(cè)定參照文獻(xiàn)[18]進(jìn)行,將Gly-Gly-Tyr-Arg標(biāo)準(zhǔn)品配制成0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6和1.8 mg/mL標(biāo)準(zhǔn)溶液,分別取標(biāo)準(zhǔn)溶液6 mL放入10 mL離心管中,加入雙縮脲試劑A 2.4 mL和雙縮脲試劑B 1.6 mL,混勻。靜置10 min,在2000 r/min離心10 min,離心后取上清液在540 nm的分光光度計(jì)下測(cè)定OD值,以肽濃度為橫坐標(biāo),以O(shè)D值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,樣品中多肽含量通過(guò)回歸方程計(jì)算求得。
1.2.4 酶解液中多肽得率 分別應(yīng)用上述方法,檢測(cè)酶解液酶解前后的多肽含量,計(jì)算多肽的得率[19]:
多肽得率(%)=(酶解后測(cè)得多肽含量-酶解前多肽含量)/總蛋白含量×100
1.2.5 酶解參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.2.5.1 單因素實(shí)驗(yàn) 酶解溫度對(duì)多肽得率的影響:酶添加量為0.5 mKat/g,底物濃度為6%,pH6.0,酶解時(shí)間3 h,考察不同酶解溫度(40、45、50、55、60、65 ℃)對(duì)多肽得率的影響;不同底物濃度對(duì)多肽得率的影響:酶添加量為0.5 mKat/g,pH6.0,酶解溫度50 ℃,酶解時(shí)間3 h,考察不同底物濃度(4%、6%、8%、10%、12%)對(duì)多肽得率的影響;不同pH對(duì)多肽得率的影響:酶添加量為0.5 mKat/g,酶解溫度50 ℃,酶解時(shí)間3 h,底物濃度6%,考察不同pH(5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0)對(duì)多肽得率的影響;不同酶解時(shí)間對(duì)多肽得率的影響:酶添加量為0.5 mKat/g,酶解溫度50 ℃,pH6.0,底物濃度6%,考察不同酶解時(shí)間(1、2、3、4、5、6、7 h)對(duì)多肽得率的影響;不同酶添加量對(duì)多肽得率的影響:pH6.0,酶解溫度50 ℃,酶解時(shí)間3 h,底物濃度6%,考察不同酶添加量(0.00、0.25、0.50、0.75、1.00 mKat/g)對(duì)多肽得率的影響。
1.2.5.2 響應(yīng)面試驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,酶作為催化劑,添加量應(yīng)遵循節(jié)約、有效的原則,因此,多因素優(yōu)化時(shí),固定復(fù)合酶的添加量為0.5 mKat/g,響應(yīng)面因素優(yōu)化選擇酶解溫度(A)、底物濃度(B)、pH(C)、酶解時(shí)間(D)為影響因素,以刺參性腺多肽得率(Y)為響應(yīng)值,根據(jù)Box-Behnken的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,采用4因素3水平的響應(yīng)面分析法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),因素和編碼水平見表1。
表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表Table 1 Factors and levelsTable of response surface design
1.2.6 抗氧化性實(shí)驗(yàn) 按照響應(yīng)面優(yōu)化的最佳條件,對(duì)南、北方養(yǎng)殖刺參性腺酶解得到的多肽溶液(濃度分別為10、20、40、60、80、100 mg/mL)分別進(jìn)行體外抗氧化性試驗(yàn)。
1.2.6.1 超氧陰離子自由基清除率測(cè)定 使用清除超氧陰離子自由基測(cè)試盒(磺胺比色法),按照試劑盒說(shuō)明書,試劑充分混勻,加入樣品或者對(duì)照(陰性對(duì)照使用純凈水、陽(yáng)性對(duì)照使用0.1 mg/mL維生素C溶液),37 ℃顯色20 min,在530 nm處測(cè)定對(duì)照管和測(cè)定管的吸光值,分別記為A對(duì)照管和B測(cè)定管,多肽溶液清除超氧陰離子自由基能力計(jì)算公式:
超氧陰離子清除率(%)=(A對(duì)照管-B測(cè)定管)/A對(duì)照管×100
1.2.6.2 羥自由基清除能力測(cè)定 使用羥自由基測(cè)定試劑盒,根據(jù)試劑盒說(shuō)明書,加入樣品或者對(duì)照(陰性對(duì)照使用純凈水、陽(yáng)性對(duì)照使用0.1 mg/mL維生素C溶液),加入試劑3,混勻,37 ℃反應(yīng)1 min(準(zhǔn)確以秒表計(jì)時(shí)),立即加入顯色劑終止反應(yīng),混勻,室溫放置20 min,在波長(zhǎng)550 nm,測(cè)定各管吸光度值。多肽溶液清除羥自由基能力計(jì)算公式:
羥自由基清除率(%)=(OD標(biāo)準(zhǔn)-OD測(cè)定)/(OD標(biāo)準(zhǔn)-OD對(duì)照)×100
1.2.6.3 鐵離子還原力測(cè)定 按照文獻(xiàn)[20]進(jìn)行,在反應(yīng)管中加入0.1 mL樣品溶液,再加入2.4 mL FRAP工作液,37 ℃水浴10 min,于593 nm處測(cè)定吸光度;配置0、100、200、400、800、1600 μmol/L的FeSO4的標(biāo)準(zhǔn)液替代樣品,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,陽(yáng)性對(duì)照使用0.1 mg/mL維生素C溶液,樣品抗氧化能力以FRAP值表示,通過(guò)方程求得相當(dāng)于FeSO4濃度。
根據(jù)不同濃度Gly-Gly-Tyr-Arg在540 nm下測(cè)定的吸光值繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果見圖1。
圖1 Gly-Gly-Tyr-Arg標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curves of Gly-Gly-Tyr-Arg
由圖1可知,Gly-Gly-Tyr-Arg標(biāo)準(zhǔn)樣品的回歸方程為y=1.5466x+0.1064(R2=0.9992),在肽濃度0~1.8 mg/mL之間,線性關(guān)系良好,可用于溶液中多肽的檢測(cè)。
2.2.1 酶解溫度對(duì)多肽得率的影響 不同酶解溫度對(duì)刺參酶解提取多肽得率的影響結(jié)果見圖2。從圖2中看出,隨著溫度的升高,多肽得率先逐漸升高,這可能是由于溫度升高提升了酶的活力,同時(shí)也增加了酶解體系的擴(kuò)散程度;當(dāng)溫度為55 ℃時(shí),多肽得率達(dá)到最高值為61.51%±0.99%,繼續(xù)升高溫度,多肽得率開始降低,這說(shuō)明該酶的最適溫度在55 ℃左右,因此,選擇最佳的溫度為55 ℃。
圖2 酶解溫度對(duì)多肽得率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on the polypetide yield
2.2.2 底物濃度對(duì)多肽得率的影響 不同底物濃度對(duì)刺參性腺酶解提取多肽得率的影響如圖3所示,當(dāng)?shù)孜餄舛葟?%升至12%時(shí),提取率先增加后降低,在底物濃度10%時(shí)達(dá)到最高,提取率為66.41%±0.76%,這可能是由于底物濃度低時(shí),酶與底物接觸概率小,降低了酶解速率,而在底物濃度較高時(shí),酶解體系粘稠,流動(dòng)性減弱,也降低了酶解速率[21],因此選擇底物濃度為10%。
圖3 底物濃度對(duì)多肽得率的影響Fig.3 Effect of substrate concentration on the polypeptide yield
2.2.3 pH對(duì)多肽得率的影響 不同pH對(duì)刺參性腺酶解提取多肽得率的影響見圖4,酸性環(huán)境下,隨著pH的升高,多肽得率逐漸上升,中性環(huán)境多肽得率較高,堿性條件有所下降,當(dāng)pH為7.0時(shí),多肽得率達(dá)到最高值為64.20%±0.12%,這可能是因?yàn)槊附怏w系如果偏離了酶的最適pH,會(huì)導(dǎo)致酶活力減弱,使得酶解效率、多肽得率降低。因此,選擇最佳的pH為7.0。
圖4 pH對(duì)多肽得率的影響Fig.4 Effect of pH on the polypeptide yield
2.2.4 酶解時(shí)間多肽得率的影響 不同酶解時(shí)間對(duì)刺參性腺酶解提取多肽得率的影響見圖5。從圖5中可以看出,隨時(shí)間的延長(zhǎng),刺參性腺多肽的得率逐漸增加,在4~6 h,多肽得率為62.68%~64.15%之間,趨于平穩(wěn),超過(guò)6 h后,多肽得率開始迅速下降,這可能是酶解時(shí)間過(guò)長(zhǎng),海參性腺被降解成更短的肽或者游離的氨基酸造成的[22]。考慮到節(jié)約時(shí)間,提升酶解效率,選擇4 h為最優(yōu)酶解時(shí)間。
圖5 酶解時(shí)間對(duì)多肽得率的影響Fig.5 Effect of extraction time on the polypeptide yield
2.2.5 酶添加量對(duì)多肽得率的影響 復(fù)合酶的酶添加量對(duì)刺參性腺多肽酶解提取多肽得率的影響見圖6。從圖6中可以看出,隨著酶添加量的增多,多肽得率逐漸增加,;當(dāng)酶添加量為0.5 mKat/g和1.0 mKat/g時(shí),多肽得率分別為61.78%±1.54%和62.73%±2.01%,差異不顯著(p>0.05),這種結(jié)果是由于在酶解體系中,底物濃度充足時(shí),反應(yīng)速率與酶濃度成正比;當(dāng)?shù)孜锊蛔?、酶過(guò)量時(shí),過(guò)量的酶不會(huì)加快反應(yīng)速率,即酶的過(guò)量,并沒有影響到多肽得率。考慮到節(jié)約用酶和可溶性蛋白的量,確定酶用量為0.5 mKat/g。
圖6 酶添加量對(duì)多肽得率的影響Fig.6 Effect of enzyme addition on the polypeptide yield
2.3.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)Design-Expert軟件設(shè)計(jì),試驗(yàn)方案和結(jié)果見表2,從表2中可以看出,復(fù)合酶酶解刺參性腺多肽得率在32.07%~66.29%之間。
表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Results of response surface analysis
2.3.2 回歸方程與分析 利用Design Expert軟件,對(duì)表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得到多肽得率的二次多項(xiàng)回歸方程:
Y(多肽得率)=66.78+1.88A+2.60B+4.89C+3.26D-0.15AB-0.68AC-0.07AD-1.04BC+1.00BD-0.89CD-2.78A2-3.39B2-8.65C2-4.30D2。
利用軟件開展模型可信度分析見表3,擬合度R2=0.9892,說(shuō)明98.92%的變化是由所選變量引起的,說(shuō)明該模型擬合程度良好;變異系數(shù)(C.V.)小于5%,表明可靠性高;信噪比為33.0494,遠(yuǎn)大于4。綜上所述,本實(shí)驗(yàn)?zāi)P洼^為理想,可以用于刺參性腺多肽最佳制備工藝的模擬估算。
表3 模型的可信度分析Table 3 The credibility analysis of the model
按照回歸模型方差分析(ANOVA)進(jìn)行分析,分析結(jié)果見表4,從表中可以看出,模型F值為91.7,模型極顯著(p<0.01);一次項(xiàng)A、B、C、D和二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2的對(duì)多肽得率影響極顯著(p<0.01),交互作用BC和BD對(duì)多肽得率影響顯著(p<0.05),其他交互項(xiàng)對(duì)多肽得率影響不顯著(p>0.05)。
表4 回歸方程系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)Table 4 Regression equation coefficient and significance examine
2.3.3 因素間交互作用 根據(jù)Design Expert軟件得出的回歸模型各因素之間的交互作用,從圖7中可以看出,酶解溫度和酶解時(shí)間一定時(shí),隨著底物濃度升高,多肽得率先升高后降低,
隨著pH升高,多肽得率先升高后降低,從等高線圖可以看出,底物濃度與pH的交互作用對(duì)多肽得率影響顯著(p<0.05)。從圖8中看出,酶解溫度和pH一定時(shí),隨著底物濃度升高,多肽得率先升高后降低,隨著提取時(shí)間延長(zhǎng),多肽得率先升高后降低,從等高線圖可以看出,底物濃度與酶解時(shí)間的交互作用對(duì)多肽得率影響顯著(p<0.05)。
圖8 底物濃度與酶解時(shí)間交互作用Fig.8 The interaction of substrate concentration and time
以多肽得率最大值為評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)合響應(yīng)面曲面圖和等高線圖,應(yīng)用上述方程,預(yù)測(cè)出最佳工藝條件為:酶解溫度55.89 ℃,底物濃度11.51%,pH7.11,酶解時(shí)間4.41 h,預(yù)測(cè)的多肽得率可達(dá)到68.23%。
考慮到實(shí)際應(yīng)用,修正工藝條件56 ℃,底物濃度11.5%,pH7.1,酶解時(shí)間4.5 h,在此條件下試驗(yàn)3次,實(shí)際測(cè)的多肽得率68.90%、68.03%和66.98%,平均值為67.97%,與理論值相差0.26%,可見該模型優(yōu)化的最佳工藝條件具有可靠性。
2.5.1 超氧陰離子自由基清除能力 利用最優(yōu)工藝對(duì)南、北方養(yǎng)殖刺參性腺酶解得到的多肽溶液進(jìn)行體外抗氧化性試驗(yàn),超氧自由基的清除能力見圖9。
圖9 南北方養(yǎng)殖刺參性腺多肽 對(duì)超氧自由基的清除能力測(cè)定Fig.9 Superoxide radical clearance rate of Apostichopus japonicas Gonad polypeptide from South and North China
從圖9中可以看出,隨著多肽濃度的升高,超氧陰離子自由基的清除率均不斷上升,當(dāng)肽濃度為40 mg/kg時(shí)南、北方養(yǎng)殖刺參性腺多肽溶液超氧陰離子自由基抑制率分別為65.19%±2.83%、70.67%±2.29%,高于0.1 mg/mL的維生素C的抑制率61.25%±0.13%,表明刺參性腺多肽對(duì)超氧陰離子自由基有較強(qiáng)的抑制能力,隨著多肽濃度繼續(xù)增大,超氧陰離子自由基抑制率上升逐漸趨于穩(wěn)定。
2.5.2 羥自由基清除能力 利用最優(yōu)工藝對(duì)南、北方養(yǎng)殖刺參性腺酶解得到的多肽溶液進(jìn)行體外抗氧化性試驗(yàn),羥自由基清除能力見圖10。
圖10 南北方養(yǎng)殖刺參性腺多肽 對(duì)羥自由基的清除能力測(cè)定Fig.10 Hydroxyl radical clearance rate of Apostichopus japonicas Gonad polypeptide from South and North China
從圖10中可以看出,隨著多肽濃度的升高,清除率均不斷上升,當(dāng)多肽濃度為40 mg/kg時(shí),南、北方養(yǎng)殖刺參性腺多肽溶液羥自由基抑制率為68.21%±2.68%、72.55%±3.09%,高于0.1 mg/mL的維生素C的抑制率64.54%±2.8 7%,表明刺參性腺多肽對(duì)羥自由基抑制能力較強(qiáng),隨著濃度繼續(xù)增大,羥自由基抑制率上升逐漸趨于穩(wěn)定。
2.5.3 鐵離子還原能力 利用最優(yōu)工藝對(duì)南、北方養(yǎng)殖刺參性腺酶解得到的多肽溶液進(jìn)行體外抗氧化性試驗(yàn),鐵離子還原能力(FRAP值)見圖11。
圖11 南北方養(yǎng)殖刺參性腺多肽的鐵離子還原能力Fig.11 Ferric ion reducing antioxidant power of Apostichopus japonicas Gonad polypeptide from South and North China
從圖11中看出,FRAP隨多肽濃度升高而增加,當(dāng)肽濃度為60 mg/kg時(shí),南、北方養(yǎng)殖殖刺參性腺多肽溶液的FRAP值分別達(dá)到613.49±25.59 μmol/L和 627.47±33.54 μmol/L,此時(shí),大于0.1 mg/mL維生素C溶液的FRAP值,說(shuō)明刺參性腺多肽具有良好的抗氧化性,隨著多肽濃度繼續(xù)增大,FRAP值的上升逐漸趨于穩(wěn)定。
綜上所述,南、北方養(yǎng)殖刺參性腺多肽抗氧化性總體趨勢(shì)相同,但相同濃度條件下,北方養(yǎng)殖刺參性腺多肽的自由基清除率、FRAP值比南方養(yǎng)殖刺參的高,南、北方養(yǎng)殖刺參性腺多肽濃度為20、40、60、80、100 mg/mL時(shí),對(duì)抗氧化能力超氧自由基、羥自由基清除率、FRAP值的縱向比較,經(jīng)過(guò)比較均值獨(dú)立樣本T檢驗(yàn),無(wú)顯著性差異(p>0.05)。當(dāng)多肽濃度為10 mg/mL時(shí),南北刺參多肽超氧自由基清除率、羥自由基清除率差異顯著(p=0.026和p=0.039),這可能是由于南北刺參養(yǎng)殖生長(zhǎng)環(huán)境影響不同,導(dǎo)致南北刺參體內(nèi)含有的多糖或皂苷等活性成分差異[4],進(jìn)而導(dǎo)致在低肽濃度下,肽的抗氧化性未起到主要作用。
利用復(fù)合蛋白酶對(duì)南方養(yǎng)殖刺參性腺進(jìn)行了酶解,以多肽得率為評(píng)價(jià)指標(biāo),經(jīng)過(guò)單因素和響應(yīng)面分析建立了酶解工藝模型,根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證,確定了最佳酶解溫度為56 ℃,底物濃度11.5%,酶添加量0.5 mKat/g,pH7.1,酶解時(shí)間4.5 h,此時(shí)刺參性腺多肽得率可達(dá)到67.97%±0.96%,結(jié)果可信。利用本方法對(duì)南、北方養(yǎng)殖刺參性腺酶解并進(jìn)行抗氧化能力測(cè)定,發(fā)現(xiàn)刺參性腺多肽具有良好的抗氧化活性,南、北方養(yǎng)殖刺參性腺多肽抗氧化能力無(wú)顯著差異。