劉曉美,李圓圓,王升光,馬青琳,姜珊,高鵬
(山東中醫(yī)藥大學(xué),山東 濟南 250355)
蛋白質(zhì)是玉米蛋白粉中含量最高的成分,約占60%~70%,除此之外還含有大量的淀粉和纖維素[1],以及豐富的微量元素。由于玉米蛋白缺少賴氨酸(Lys)、色氨酸(Trp)等人體必需氨基酸[2],有特殊的味道和色澤,水溶性差,目前國內(nèi)主要將其用于動物飼料中或者直接處理排放,極大地浪費了資源[3]。營養(yǎng)學(xué)研究表明,蛋白質(zhì)需要通過酶解轉(zhuǎn)變成分子量更小的肽后才能被吸收。玉米肽含有13.18%的丙氨酸和17.15%亮氨酸,能夠減慢人體吸收乙醇的速度并加快其在體內(nèi)的代謝,從而起到解除乙醇毒性、保護肝臟的作用[4]。硒元素有“護肝衛(wèi)士”之稱,能夠抗氧化、抗自由基。具有生物活性的多肽通過共價化學(xué)鍵與金屬離子發(fā)生螯合,能夠顯著提高金屬元素在機體內(nèi)的吸收利用率[5-7]。王真真等[8]的研究表明,玉米肽螯合硒元素能夠增強醒酒保肝的作用。目前國內(nèi)對于玉米肽-硒的研究,主要側(cè)重于富硒玉米蛋白酶解得到的富硒玉米肽[9]。曾慶瑞等[10]研究表明,功能活性肽螯合微量元素,既可減少微量元素的成本,又能使蛋白質(zhì)和微量元素的生物利用率都得到顯著提高。因此,本實驗主要研究玉米蛋白經(jīng)過酶解成玉米肽后與硒元素的螯合。
本文通過考察玉米肽的酶解工藝,使玉米蛋白充分酶解獲得具有更高活性的玉米肽,并采用玉米肽與硒元素螯合工藝,獲得最優(yōu)工藝參數(shù)。通過四氯化碳肝損傷的小鼠模型,確證其對肝臟的保護作用,為玉米肽的開發(fā)和利用提供理論依據(jù)。
谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)(分析純,南京建成生物工程研究所);天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(AST)(分析純,南京建成生物工程研究所);四氯化碳(CCl4)(分析純,上海國藥集團);水飛薊素(Silymarin)(分析純,德國馬博士大藥廠)。
玉米蛋白(購于陜西森弗天然制品有限公司);胰蛋白酶(酶活≥ 100 000 U/g,上海源葉生物科技有限公司);菠蘿蛋白酶(酶活≥100 000 U/g ,上海源葉生物科技有限公司)。
紫外可見分光光度計(UV1100,上海天美科學(xué)儀器有限公司);酶標(biāo)儀(68SM800,上海永創(chuàng)醫(yī)療器械有限公司);實驗室pH計(FE-20, 梅特勒儀器有限公司);低溫高速離心機( 3K15 ,SIGMA 公司)。
昆明種小鼠(濟南朋悅實驗動物繁育有限公司提供,動物合格證號:SCXK(魯)2017-0011),100只雄性,體重(20±2 ) g,6~7周齡。
本實驗先用蛋白酶水解蛋白原料,使其酶解為片段后再加入胰蛋白酶模擬小腸的水解環(huán)境,最終得到小分子的活性肽。實驗過程見圖1。
圖1 玉米蛋白酶解過程
Fig.1 Corn proteolysis process
2.2.1 玉米蛋白酶解工藝單因素試驗
以蛋白質(zhì)的水解度為考察指標(biāo),底物質(zhì)量分數(shù)為10%時,分別考察加酶的質(zhì)量分數(shù)(1%、2%、3%、4%、5%)、酶解時間(1 h、2 h、3 h、4 h、5 h)、酶解 pH(5、6、7、8、9)以及酶解溫度(40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃)對玉米蛋白水解度的影響,進行單因素試驗。
2.2.2 蛋白質(zhì)水解度的測定
蛋白質(zhì)水解度的測定采用茚三酮法[11]。蛋白質(zhì)水解過程中被裂解的肽鍵數(shù)h(mmoL/g)與蛋白質(zhì)的總肽鍵數(shù)htot(mmoL/g)之比稱為水解度(DH)。
DH=h/htot×100%。
2.2.3 菠蘿蛋白酶、胰蛋白酶酶解的正交試驗設(shè)計
在單因素試驗的基礎(chǔ)上,選取酶解時間(A)、酶解溫度(B)、酶質(zhì)量分數(shù)(C)和酶解pH(D)4個因素,按L9(34)正交設(shè)計[12]優(yōu)選酶解工藝,各因素及水平設(shè)計如表1所示,每組重復(fù)3次。
表1 菠蘿蛋白酶、胰蛋白酶酶解 L9(34)正交試驗因素水平表
2.3.1 玉米螯合硒元素的工藝流程
本實驗通過響應(yīng)面法優(yōu)化玉米肽螯合硒元素的制備工藝,實驗過程見圖2。
圖2 玉米肽螯合工藝流程
Fig.2 Chelating process of corn peptide
2.3.2 玉米肽螯合硒元素螯合率的測定方法
采用 3,3′-二氨基聯(lián)苯胺比色法[13],對螯合物中硒含量進行測定。
螯合率=M1/M0×100%,
其中,M1為螯合物中硒的含量,μg;M0為加入反應(yīng)體系中硒的總量,μg。
2.3.3 玉米肽-硒螯合工藝單因素試驗
2.3.4 螯合工藝響應(yīng)面法優(yōu)化試驗法
2.3.4.1 玉米肽-硒螯合工藝響應(yīng)面優(yōu)化試驗
以玉米肽-硒螯合單因素試驗結(jié)果為基礎(chǔ),選取螯合時間(X1)、螯合溫度(X2)、玉米肽-硒摩爾比(X3)以及螯合pH(X4)4個因素, 根據(jù)Box-Behnken響應(yīng)面試驗設(shè)計原理,對螯合反應(yīng)的硒含量指標(biāo)進行響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計,見表2。
表2 玉米肽-硒螯合工藝響應(yīng)面試驗水平與編碼表
2.4.1 小鼠四氯化碳急性肝損傷模型的建立
小鼠四氯化碳急性肝損傷模型的建立參考文獻[14]。將50只昆明雄性小鼠,按照正常對照組、四氯化碳模型組、玉米肽組、玉米肽螯合硒元素組、陽性對照水飛薊素組隨機分為5組,每組10只。各組小鼠以標(biāo)準(zhǔn)飼料喂養(yǎng),自由飲水,使其在室溫下適應(yīng)一周。一周后,正常對照組和四氯化碳模型組每日按10 mL/kg灌胃生理鹽水1次,玉米肽組和玉米肽-硒敖合物組每日按200 mg/kg劑量灌胃。陽性對照組按每日50 mg/kg劑量定時灌胃水飛薊素1次。連續(xù)灌胃15 d,末次給藥5 h,正常對照組腹腔注射橄欖油10 mL/kg,其余組別腹腔注射體積分數(shù)為0.125%的四氯化碳橄欖油溶液10 mL/kg。禁食不禁水12 h后,眼球取血,處死小鼠,剖腹取出肝臟,生理鹽水洗后,取肝制肝勻漿備用。在整個飼養(yǎng)周期內(nèi),每2 d稱量一次體重,記錄小鼠的體重變化。
2.4.2 檢測指標(biāo)
按試劑盒說明書方法測定血清中 ALT、AST 活力以及肝臟指數(shù)。
肝臟指數(shù)(mg/g)= 肝臟質(zhì)量(mg)/體重(g)。
2.4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析
實驗數(shù)據(jù)用 SPSS19.0 統(tǒng)計軟件包中的單因素方差分析,P<0.05 表示差異顯著,P<0.01 表示差異極顯著。結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。
菠蘿蛋白酶酶解正交試驗結(jié)果見表3,方差分析結(jié)果見表4。
表3 菠蘿蛋白酶酶解玉米蛋白工藝正交試驗極差分析結(jié)果
表4 菠蘿蛋白酶酶解正交試驗方差分析結(jié)果
注:P<0.05 具有統(tǒng)計學(xué)意義
由表3得出酶解影響因素由大到小順序為:酶質(zhì)量分數(shù)、酶解溫度、酶解pH、酶解時間;由均值K得出最佳因素組合為A2B2C2D1,即菠蘿蛋白酶酶解玉米蛋白的最佳的酶解工藝為:在酶解溫度 50 ℃,菠蘿蛋白酶質(zhì)量分數(shù)3.0%,酶解pH 7.0 條件下酶解3 h。由表4得出影響因素與表3結(jié)果一致,且由p值可知,酶質(zhì)量分數(shù)與酶解時間對水解度的影響具有顯著性差異。
胰蛋白酶酶解正交試驗結(jié)果見表5,方差分析結(jié)果見表6。
表5 胰蛋白酶酶解玉米蛋白工藝正交試驗極差分析結(jié)果
表6 胰蛋白酶酶解正交試驗方差分析結(jié)果
注:P<0.05 具有統(tǒng)計學(xué)意義
由表5可以得出酶解影響因素由大到小順序為:酶質(zhì)量分數(shù)、酶解溫度、酶解 pH、酶解時間;由均值K得出最佳因素組合為A3B1C2D2,即胰蛋白酶的最佳酶解工藝為:以胰蛋白酶質(zhì)量分數(shù)為2.0%,酶解溫度為40 ℃、酶解pH 8.0條件下酶解 3 h。
由表6中F值可知,影響因素與表5結(jié)果一致,且由P值可知,酶質(zhì)量分數(shù)與酶解時間對水解度的影響具有顯著性差異。
取玉米蛋白適量,加入純水使底物質(zhì)量分數(shù)為10%,用質(zhì)量分數(shù)為10%的氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為7.0,加入質(zhì)量分數(shù)為3.0%的菠蘿蛋白酶時,在 50 ℃酶解3 h;待完成后用質(zhì)量分數(shù)為10%的氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為8.0,加入質(zhì)量分數(shù)為2%的胰蛋白酶在40 ℃、轉(zhuǎn)速 45~50 r/min 酶解3 h,煮沸,高溫殺酶 15 min,迅速冷卻至室溫。測定玉米肽的水解度為38.15%。
3.4.1 響應(yīng)面優(yōu)化玉米肽-硒螯合工藝結(jié)果
響應(yīng)面優(yōu)化螯合工藝結(jié)果見表7,其中X1為螯合時間,X2為螯合溫度,X3為玉米肽與硒摩爾比,X4為螯合pH。
表7 響應(yīng)面組合設(shè)計試驗及結(jié)果
續(xù)表7
采用Design Expert.V8.0.6 軟件對表中數(shù)據(jù)進行多項式擬合回歸,建立各因素與螯合率之間的多元二次響應(yīng)面回歸模型為:
Y=41.37+0.63X1+9.89X2-1.25X3+1.47X4-0.13X1X2+0.38X1X3+0.020X1X4-0.050X2X3+0.22X2X4
+2.44X3X4-2.54X12-2.34X22-6.22X32-13.50X42
表8 二次回歸模型的方差分析結(jié)果
注:P<0.05,表明差異顯著;P<0.01 表明差異極其顯著
由表8可知,模型擬合程度較好。
3.4.2 響應(yīng)曲面圖分析
響應(yīng)曲面的分析圖形是一個三維空間圖,可以直觀地反映出各自變量對響應(yīng)值的影響。在本試驗考察范圍內(nèi),各因素對玉米肽-硒螯合率影響的二維等高線見圖3。
圖3 兩因素交互作用對玉米肽-硒螯合率的影響Fig. 3 Effect of two-factor interactions on chelation rate of corn peptide-selenium
圖3可以直觀地看出,螯合pH與螯合時間對螯合率的影響以及螯合pH與玉米肽-硒摩爾比這兩組中兩個因素交互作用較強,其余試驗因素之間交互作用均不顯著。試驗因素pH、肽-硒摩爾比是影響螯合率的主要因素。
3.5.1 小鼠體重變化
在整個飼養(yǎng)周期內(nèi),每2 d稱量一次體重,所有小鼠體重均呈增長趨勢,組間未見顯著差異。
3.5.2 玉米肽螯合硒元素對四氯化碳致肝損傷小鼠血清中 ALT、AST活力以及肝臟指數(shù)的影響
表9 玉米肽螯合硒元素對四氯化碳致肝損傷小鼠血清中 ALT、AST 活力以及肝臟指數(shù)的影響(n=10)
注: a 表示與四氯化碳模型組比較差異顯著(P<0.05),b 表示與正常對照組比較差異顯著(P<0.05),同列上標(biāo)的不同小寫字母表示差異極顯著(P<0.01)
由表9可以看出,與四氯化碳模型組相比,玉米肽組、玉米肽螯合硒元素組的血清中 ALT 活性、AST 活性、肝臟指數(shù)均極顯著降低(P<0.05),且玉米肽螯合硒元素組的血清中 ALT 活性、AST 活性、肝臟指數(shù)較玉米肽組明顯降低(P<0.05),與陽性對照水飛薊素保肝效果相當(dāng)。
該實驗優(yōu)化了玉米肽酶解以及玉米肽螯合硒元素的工藝,確定了最佳工藝,并通過給藥四氯化碳肝損傷的小鼠,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過螯合微量元素硒的玉米肽對肝損傷的改善作用增強。該研究證明了玉米蛋白可以具有更高的藥用價值,未來會有更廣闊的發(fā)展空間。