何云,汪有先,趙淑靜,包建強
(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海201306)
鮟鱇魚(Lophius litulon),俗稱結(jié)巴魚、哈蟆魚、海 哈蟆、琵琶魚等,屬冷溫性底層魚類,常棲伏海底,于世界各大海洋均有分布,如大西洋、太平洋和印度洋。頭大、身小,體柔軟,無鱗,內(nèi)臟比重大,出肉率低,在加工過程中會產(chǎn)生60%以上[1]的下腳料,魚骨占了腳料的15%[2]。開展對鮟鱇魚骨的精深加工研究可以使鮟鱇魚骨資源得以合理開發(fā)利用,從而利于提高其加工的綜合效益及經(jīng)濟附加值。市面上的補鈣劑主要有三類,分別是有無機鈣、有機鈣和氨基酸鈣。但是無機鈣生物效價低、有機鈣溶解度大易溶失且價格高、氨基酸螯合鈣會產(chǎn)生顏色反應(yīng)并引發(fā)脂肪氧化[3],且總體利用率不高,逐漸被第四代補鈣產(chǎn)品——膠原多肽螯合鈣[4]代替。膠原多肽螯合鈣作為新型的補鈣劑,可使鈣以離子形式與小肽結(jié)合,并借助小肽的轉(zhuǎn)運、吸收機制,以配合物的形式被小腸吸收,故而顯著促進鈣的利用率,且肽-Ca螯合物吸收速度快且可以減少很多生化過程,節(jié)約機體能量消耗[5]。多肽螯合鈣具有生物效價高、吸收快、營養(yǎng)高等優(yōu)點,具有抗氧化、抗菌、免疫調(diào)節(jié)、降血脂和降血糖等活性,有很高的開發(fā)價值和應(yīng)用前景,日益成為國內(nèi)外研宄的熱點[6-7]。
本研究以鮟鱇魚骨為原料,經(jīng)鹽酸法提取魚骨中鈣源后,胃蛋白酶酶解獲得魚骨多肽,向其加入提取出的鈣源,制備膠原多肽螯合鈣。通過單因素試驗和正交試驗,確定最佳的螯合條件,并對其進行氨基酸分析,旨在為鈣補充劑的研發(fā)提供理論依據(jù)。
鮟鱇魚:舟山興業(yè)有限公司;胃蛋白酶(3 000 U/mg~3 500 U/mg):北京盈信陽光生物科技有限公司;牛血清、HCl、NaOH、無水乙醇、NaCl等:國藥集團化學(xué)試劑有限公司。
原子吸收分光光度計(TAS-990)、T6新世紀型紫外分光光度計:北京普析通用儀器有限責任公司;L-8800型氨基酸分析儀:天美(中國)科學(xué)儀器有限公司;FOSS8400型全自動凱氏定氮儀:上海瑞玢國際貿(mào)易有限公司;Seven2Go型pH計、ME204型分析天平:梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;DK-S28型電熱恒溫水浴鍋:上海精宏實驗設(shè)備有限公司;H1850R型高速冷凍離心機:湘儀離心機儀器有限公司;DHG-9070A型鼓風(fēng)干燥箱:上海鰲珍儀器制造有限公司;LFP-800T型多功能粉碎機:浙江省永康市紅太陽機電有限公司。
1.3.1 鮟鱇魚骨膠原多肽酶解液的制備
新鮮冷凍的鮟鱇魚→預(yù)處理→提取鈣液→離心→酶解→離心→魚骨膠原多肽酶解液
魚骨膠原多肽酶解液的制備:取清洗干凈、脫脂、脫雜蛋白、經(jīng)80℃鼓風(fēng)干燥箱烘干9 h的魚骨,粉碎后過60目篩,用6.0%鹽酸浸泡、攪拌、脫鈣(60 min,40℃,料液比 1∶6(mg/m L),脫鈣率達到 31.21%,得鈣液);胃蛋白酶(3 000 U/mg~3 500 U/mg)酶解[料液比1 ∶15(mg/mL),溫度 40 ℃,時間 4 h,p H 1.0,加酶量6%(質(zhì)量分數(shù))],100℃滅酶 5 min,4 000 r/min離心10 min,取上清液,70℃條件下活性炭吸附(添加量1%(質(zhì)量分數(shù))),采用0.22 μm濾膜過濾(0.1 MPa,常溫),濃縮(45℃,0.1 MPa),制得鮟鱇魚骨膠原多肽酶解液。
1.3.2 鮟鱇魚骨膠原多肽螯合鈣的工藝流程
魚骨膠原多肽酶解液→調(diào)節(jié)螯合條件(溫度、pH、質(zhì)量比、時間)→螯合→3倍無水乙醇沉淀螯合物→離心(8 000 r/min;10 min),收集沉淀→真空冷凍干燥(-108 ℃[16],4.0 Pa,36 h~48 h)。
1.3.3 檢測方法
鈣含量的測定:火焰原子吸收光譜法(GB5009.92-2016《食品安全國家標準食品中鈣的測定》)。
計算公式如下:
1.3.4 螯合反應(yīng)單因素試驗
根據(jù)單一因素對膠原螯合鈣工藝參數(shù)的相關(guān)研究,在水系中合成膠原多肽螯合物時,影響合成反應(yīng)的主要因素有:質(zhì)量比、pH、螯合時間、螯合溫度等。因此,試驗以質(zhì)量比、pH、螯合時間、螯合溫度為考察因素。
1.3.4.1 最佳質(zhì)量比的確定
膠原多肽與鈣離子的結(jié)合有一定的配位比,設(shè)定pH 6.0、時間50 min、溫度50℃條件下,選擇酶解液中膠原多肽與鈣液的質(zhì)量比為 0.5 ∶1、1 ∶1、2 ∶1、3 ∶1、4∶1,以螯合率和螯合物中的鈣含量為指標確定最佳的質(zhì)量比。
1.3.4.2 最佳pH值的確定
設(shè)定質(zhì)量比為1∶1、時間50 min、溫度50℃,選擇pH 為 3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0,以螯合率和螯合物中的鈣含量為指標確定最佳的pH值。
1.3.4.3 最佳螯合時間的確定
設(shè)定質(zhì)量比為1∶1、pH 6.0、溫度50℃,選擇時間為 30、40、50、60、70 min,以螯合率和螯合物中的鈣含量為指標確定最佳的螯合時間。
1.3.4.4 最佳螯合溫度的確定
設(shè)定質(zhì)量比為 1 ∶1、pH 6.0、時間 50 min,選擇溫度為 30、40、50、60、70 ℃,以螯合率和螯合物中的鈣含量為指標確定最佳的螯合溫度。
1.3.5 正交試驗
在單因素試驗的基礎(chǔ)上,以膠原多肽與鈣液質(zhì)量比、pH值、螯合時間、螯合溫度為影響因素,各選取3個水平,采用L9(34)試驗設(shè)計,以螯合率和螯合物中的鈣含量為指標,確定鮟鱇魚骨螯合鈣的最佳工藝條件。試驗因素及水平見表1。
表1 正交試驗設(shè)計表Table 1 Orthogonal experimental design
1.3.6 螯合物中氨基酸組成成分分析
用氨基酸分析儀測定樣品氨基酸組成。取0.500 0 g的鮟鱇魚骨膠原多肽螯合鈣凍干粉樣品,加入10 mL,6 mol/L HCl,加入3~4滴苯酚,水解管放入冷凍劑中3 min~5 min,吹氮氣后封口,在110℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)水解22 h,過濾,再溶解并定容至50 mL容量瓶。吸取1.0 mL作為測定氨基酸組成用的分析樣。
1.3.7 數(shù)據(jù)處理
所有指標均重復(fù)測定3次,采用Origin 8.0和Excel2003進行作圖,用SPASS 19.0進行數(shù)據(jù)處理。
膠原多肽與鈣液質(zhì)量比對螯合反應(yīng)的影響見圖1。
圖1 酶解液中膠原多肽與鈣液的質(zhì)量比對螯合率和螯合物中鈣含量的影響Fig.1 Effect of protein to calcium solution mass ratio on chelating rate and chelated calcium content
由圖1知,酶解液中膠原多肽與鈣液的質(zhì)量比對螯合率和螯合物中鈣含量影響顯著。配位體質(zhì)量過高,肽的利用率下降,配位體過低,螯合物不穩(wěn)定[8]。在質(zhì)量比為0.5∶1時,螯合物中鈣含量比較高,螯合率比較低,原因是很多鈣離子未參與螯合反應(yīng)。隨著質(zhì)量比的不斷增加,膠原蛋白結(jié)合位點的增多,螯合率不斷升高。當質(zhì)量比達到2∶1后,螯合率最高,說明配體質(zhì)量比的增大有利于螯合反應(yīng)的充分進行。當配體的質(zhì)量比大于2∶1后,鰲合率降低,說明有多余的膠原多肽未被螯合,造成膠原多肽浪費。劉永等[9]優(yōu)化羅非魚鱗膠原蛋白肽鈣螯合物的制備工藝時發(fā)現(xiàn),螯合率隨肽與氯化鈣質(zhì)量比的增加而迅速增加,在3∶1時達到最高,繼續(xù)升高二者比例,螯合率降低。
螯合pH值對螯合反應(yīng)的影響見圖2。
圖2 pH值對螯合率和螯合物中鈣含量的影響Fig.2 Effect of pH on chelating rate and chelated calcium content
由圖2可知,pH對于螯合率和螯合物中鈣含量影響顯著,酸性條件和堿性條件下螯合率和螯合物中鈣含量均相對較低。其原因是在低pH條件下,溶液中H+大量存在時,H+會與Ca2+爭奪供電子基團,呈競爭關(guān)系,羧基配位能力較弱,不利于螯合物的形成[10];而在高pH條件下,OH-與供電子基團爭奪鈣離子而形成氫氧化鈣沉淀[11],經(jīng)無水乙醇洗后被除去。在弱酸、弱堿及中性條件下,配體受H+和OH-影響較小,提供了充分的供電子基團,從而有利于鈣通過配位鍵形成螯合物[12],與丁利君等[13]研究結(jié)果相似,在pH值影響下螯合率均呈現(xiàn)先增加后減小趨勢。
螯合溫度對螯合反應(yīng)的影響見圖3。
由圖3可知,隨著溫度的升高,膠原多肽螯合率呈增大趨勢,40℃之后呈降低趨勢,螯合物中鈣含量先緩慢減少,40℃之后緩慢增加。夏光華等[14]研究發(fā)現(xiàn)螯合反應(yīng)屬于放熱反應(yīng),溫度過高不利于螯合反應(yīng)的進行,故而在溫度過高的情況下,螯合率呈下降趨勢。螯合物中鈣含量下降可能是因為溫度超過一定值,使膠原多肽螯合鈣發(fā)生部分分解,多肽螯合鈣是通過多肽的N-端氨基、C-端羧基、氨基酸側(cè)鏈以及肽鏈中的殘基和亞氨基與Ca2+配位形成,此外,多肽對鈣還有吸附作用[15],故而螯合物中鈣含量增加。
圖3 溫度對螯合率和螯合物中鈣含量的影響Fig.3 Effect of chelating temperature on chelating rate and chelated calcium content
螯合時間對螯合反應(yīng)的影響見圖4。
由圖4可知,螯合時間在30 min~50 min時,隨著時間的延長,螯合率和螯合物中鈣含量不斷升高,隨后螯合率和螯合物中鈣含量不斷下降,可能在開始階段,螯合時間短,反應(yīng)不徹底,游離鈣和配體充足;隨著螯合時間延長,已經(jīng)螯合的膠原多肽螯合鈣發(fā)生了解離,螯合率和螯合物中鈣含量不斷下降,可能由于羰基與氨基發(fā)生了羰氨反應(yīng),減少了可以與鈣發(fā)生螯合的羰基和氨基的數(shù)量[16],此結(jié)果與趙妍嫣等研究結(jié)果相符[17]。
圖4 螯合時間對螯合率速率的影響Fig.4 Effect of time on chelating rate and chelated calcium content
單因素試驗最佳工藝參數(shù):膠原多肽與鈣液質(zhì)量比 1 ∶1,2 ∶1,3 ∶1,pH 4~6,螯合時間 30 min~50 min,溫度30℃~50℃。根據(jù)單因素試驗結(jié)果,選定各因素較佳條件進行正交試驗,試驗結(jié)果見表2,方差分析見表3。
表2L9(34)正交試驗Table 2L9(34)orthogonal experiment analysis
表3 方差分析Table 3 Analysis of variance
以鰲合率為指標影響鮟鱇魚骨膠原多肽螯合反應(yīng)的主次順序為:pH(D)>螯合溫度(C)>螯合時間(B)>質(zhì)量比(A),優(yōu)化工藝后最佳工藝組合為A2B3C1D3,即質(zhì)量比2∶1,螯合時間50 min,螯合溫度30℃,pH 6,其主體間效應(yīng)的檢驗顯示A、B、C、D間差異性顯著。以螯合物中鈣含量為指標影響鮟鱇魚骨膠原多肽螯合反應(yīng)的主次順序為:pH(D)>質(zhì)量比(A)>螯合時間(B)>螯合溫度(C),優(yōu)化工藝后最佳工藝組合為A1B3C2D3,即提質(zhì)量比 1∶1,螯合時間 50 min,螯合溫度40℃,pH 6,其主體間效應(yīng)的檢驗顯示 A、B、C、D 間差異性顯著。
表4 驗證試驗結(jié)果Table 4 Experiment results of verification
通過調(diào)整試驗方案,在A2B3C1D3條件下,鰲合率為98%,螯合物中鈣含量為21.29%,在A1B3C2D3條件下進行試驗,鰲合率為97.17%,螯合物中鈣含量為20.98%。由試驗結(jié)果知,A2B3C1D3條件下鰲合率最大為98%,且螯合物中鈣含量最高為21.29%,故其最優(yōu)工藝組合為:A2B3C1D3即膠原多肽與鈣液質(zhì)量比2∶1,螯合時間50 min,螯合溫度30℃,pH 6。此結(jié)果略高于楊燊[18]、陸劍鋒[19]、黃薇等[20]分別對南海低值魚蛋白、斑點叉尾鮰魚骨膠原多肽、鱈魚皮復(fù)合肽與鈣的螯合率,且螯合物中的鈣含量高于彭巧云等[21]的研究結(jié)果。產(chǎn)生這種差異的原因,可能是由于原料種類、膠原多肽的氨基酸組分、膠原多肽分子質(zhì)量等不同,導(dǎo)致最佳螯合條件不同,使其螯合率及螯合物中鈣含量高低不同。
在優(yōu)化條件下制備的膠原多肽螯合鈣經(jīng)酸解后,進行氨基酸組成成分分析,測定結(jié)果如表5所示。
表5 螯合鈣中氨基酸組分Table 5 Amino acid composition of calcium-chelating collagen polypeptide
螯合鈣中的未檢測到色氨酸,酪氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、組氨酸含量較少,谷氨酸、丙氨酸、甘氨酸、脯氨酸、羥脯氨酸、精氨酸、天冬氨酸、絲氨酸含量較多其中脯氨酸與羥脯氨酸含量約占總氨基酸含量的17.37%,符合膠原多肽的氨基酸組成[22]。
本試驗首次選用鮟鱇魚骨制備膠原多肽,并與鈣進行螯合,得到既能夠補充人體膠原多肽,又能補充人體鈣的膠原多肽螯合鈣。通過單因素和四因素三水平正交優(yōu)化試驗,得到膠原多肽液和鈣離子的最佳螯合條件為:溫度30℃、pH6、時間50 min,膠原多肽與鈣的配比為2∶1,此條件下的鈣螯合率為98%,螯合物中鈣含量為21.29%。
對螯合物進行氨基酸分析,具有典型的膠原多肽氨基酸組成特征。紅外光譜分析表明膠原多肽的氨基和羧基都與鈣發(fā)生了配位、離子結(jié)合,膠原多肽與鈣進行了成功的螯合。電鏡掃描分析表明部分鈣離子吸附在膠原多肽上,說明膠原多肽與鈣離子也有一定的吸附作用。
膠原多肽螯合鈣是由魚骨膠原多肽與鈣離子螯合而成,在螯合過程中膠原多肽除了與鈣離子發(fā)生螯合作用外,同時還存在其他一些羰氨反應(yīng)等,若發(fā)生羰氨會減少與鈣離子螯合的膠原多肽基團。膠原多肽螯合鈣的功能性、毒性、溶解性、穩(wěn)定性和不同分子質(zhì)量的吸收性,可能因不同膠原多肽分子量不同而不同,以及膠原多肽螯合該的氨基酸組成序列,均可作為下一步研究的重點。