張強(qiáng),黃鑫,符安衛(wèi),王洪新,3*
1(江南大學(xué) 食品學(xué)院,江蘇 無錫,214122)2(廣西億泰寧生物科技有限公司,廣西 南寧,530029) 3(江南大學(xué),國家功能食品工程技術(shù)研究中心,江蘇 無錫,214122)
膠原蛋白是脊椎動(dòng)物結(jié)締組織的主要結(jié)構(gòu)蛋白,占動(dòng)物總蛋白的約30%左右[1],它具有獨(dú)特的三螺旋結(jié)構(gòu),能夠形成高拉伸強(qiáng)度的不溶性纖維。目前,已經(jīng)鑒定出至少29種膠原蛋白類型,它們的氨基酸序列、結(jié)構(gòu)和功能各不相同[2]。膠原蛋白與組織的形成和成熟、細(xì)胞間的信息傳遞、細(xì)胞的增生和分化運(yùn)動(dòng)、關(guān)節(jié)潤滑及傷口愈合有著密切的關(guān)系[3]。因其具有良好的生物相容性、低過敏性及生物活性,在食品、化妝品和生物醫(yī)藥行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。
中華鱉是一種高水分、高蛋白、低脂肪的水產(chǎn)品,其鱉肉蛋白質(zhì)的氨基酸組成比例相對較平衡,符合FAO/WHO的推薦標(biāo)準(zhǔn),屬于一種優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)來源;且鱉肉含有豐富的不飽和脂肪酸、礦物質(zhì)和微量元素。中華鱉作為一種經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的鱉,營養(yǎng)豐富,味道鮮美,素有“美食五味肉”的美稱[4],具有強(qiáng)身健體,提高免疫的功效。
隨著市場規(guī)模的逐漸擴(kuò)大和養(yǎng)殖技術(shù)的不斷提高,鱉類養(yǎng)殖在中國已形成一股熱潮。然而目前對中華鱉的研究主要集中在全鱉喂養(yǎng)養(yǎng)殖、營養(yǎng)元素分析及膠原蛋白提取工藝的優(yōu)化,對裙邊的豐富蛋白質(zhì)研究較少,且缺乏不同提取方式的膠原蛋白之間的性質(zhì)比較。本研究采用酸溶解和胃蛋白酶輔助溶解2種提取方式,分別從中華鱉裙邊中提取出酸溶性膠原蛋白(acid-soluble collagen,ASC)和胃蛋白酶可溶性膠原蛋白(pepsin-soluble collagen,PSC),利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)、圓二色光譜(circular dichroism spectrum,CD)對膠原蛋白的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,采用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺-凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)、肽指紋質(zhì)譜(matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight,MALDI-TOF)和氨基酸分析儀對ASC和PSC的蛋白質(zhì)和氨基酸進(jìn)行比較分析,利用差示量熱掃描(differential calorimetry scanning,DSC)對膠原蛋白的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析。旨在進(jìn)一步深入研究和開發(fā)中華鱉的裙邊資源,為中華鱉加工行業(yè)研究提供理論依據(jù)。
中華鱉:購于中國江蘇省無錫市蘇南水產(chǎn)市場,選用2~3年生長期的中華鱉,體重為650~700 g;胃蛋白酶(30 000 U/g),購于上海源葉有限公司;乙酸、NaCl、異丙醇均為分析純,購于國藥化學(xué)試劑有限公司.
Agilent 1100氨基酸分析儀,美國安捷倫公司;SU8220冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡,日本日立公司;DYCZ-24D 型電泳槽、DYY-6B 型電泳儀,北京市六一儀器廠;UltrafleXtreme基質(zhì)輔助激光解析電離串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀,美國布魯克·道爾頓公司;Chirascan V100圓二色光譜儀,英國應(yīng)用光物理公司;LGJ-18C冷凍干燥機(jī),北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司;3K3D冷凍離心機(jī),Sigma公司;X-DSC7000差示掃描量熱儀,日本精工電子納米科技有限公司。
1.3.1 裙邊基本營養(yǎng)成分的測定
水分含量:參照GB5009.3—2016直接干燥法,進(jìn)行食品中水分的測定;灰分含量:參照GB5009.4—2016高溫灼燒法,進(jìn)行食品中灰分的測定;脂肪含量:參照GB5009.6—2016索氏抽提法,進(jìn)行食品中脂肪的測定;蛋白質(zhì)含量:參照GB5009.5—2016凱氏定氮法,進(jìn)行食品中蛋白質(zhì)的測定。
1.3.2 裙邊的預(yù)處理
將中華鱉去頭、放血后致死,然后將其裙邊進(jìn)行分割,裝入密封保鮮袋中,均等分割,切成0.5 cm×0.5 cm 的小塊,以1∶30(g∶mL)的比例置于25 g/L的NaCl溶液(下同)中,于4 ℃下連續(xù)磁力攪拌24 h,以去除水溶性和鹽溶性雜蛋白(非膠原蛋白成分),然后用蒸餾水反復(fù)洗滌,充分瀝干后備用。置于與NaCl溶液同量的100 g/L的異丙醇溶液中,于4 ℃下浸泡24 h,以去除脂肪。然后用蒸餾水反復(fù)洗滌,充分瀝干后備用[5]。
1.3.3 膠原蛋白的提取
參考文獻(xiàn)[6]的方法,并在此基礎(chǔ)上加以改動(dòng)。
(1)酸溶性膠原蛋白(acid-soluble collagen,ASC)的提?。核胁僮髟? ℃下進(jìn)行。將預(yù)處理過的裙邊樣品浸泡在0.5 mol/L的乙酸中,樣品與溶液的比例為1∶30(g∶mL),連續(xù)攪拌6 h,然后以5 000 r/min離心20 min。離心結(jié)束后,將上清液合并,緩慢加入NaCl固體至最終濃度為0.9 mol/L,鹽析24 h。鹽析結(jié)束后,以10 000 r/min離心20 min,收集所得白色沉淀物,即粗提酸溶性膠原。隨后再將得到的膠原蛋白溶于0.5 mol / L的乙酸中,重復(fù)鹽析和溶解3次。使用截留分子質(zhì)量為8 000 Da的透析袋將沉淀物透析3 d,然后進(jìn)行冷凍干燥,得到ASC。
(2)胃蛋白酶可溶性膠原蛋白(pepsin-soluble collagen,PSC)的提?。核胁僮髟?℃下進(jìn)行。將預(yù)處理過的裙邊樣品浸泡在0.5 mol/L的乙酸中,樣品與溶液的比例為1∶30(g∶mL),連續(xù)攪拌6 h,然后以5 000 r/min離心20 min,收集沉淀物。向得到的沉淀物中加入其質(zhì)量30倍的0.5 mol/L的乙酸,并按照溶液體積的1%加入胃蛋白酶,持續(xù)攪拌提取6 h。將提取得到的黏性溶液以10 000 r/min離心20 min,收集所得白色沉淀物,即粗提酶溶性膠原。隨后再將得到的膠原蛋白溶于0.5 mol/L的乙酸中,重復(fù)鹽析和溶解3次。使用截留分子質(zhì)量為8 000 Da的透析袋將沉淀物透析3 d,然后進(jìn)行冷凍干燥,得到PSC。
得率的計(jì)算如式(1):
(1)
1.3.4 掃描電子顯微鏡(SEM)
參考文獻(xiàn)[7]的方法,將冷凍干燥后的ASC和PSC固定在載物臺(tái)上,經(jīng)離子濺射噴金處理4 min 后,在加速電壓為5.0 kV 條件下,用掃描電子顯微鏡觀察膠原的微觀結(jié)構(gòu),觀察不同放大倍數(shù)下膠原薄片的截面特征,對比兩者表面微觀結(jié)構(gòu)的異同。
1.3.5 圓二色光譜(CD)
將凍干樣品溶于0.05 mol/L的乙酸中,配制成0.3 mg/mL的膠原蛋白溶液,取少量溶液加入2 mm比色皿中,放入圓二色光譜儀中,于25 ℃,190~250 nm的波長下掃描3次,記錄各光譜曲線[8]。
1.3.6 SDS-PAGE凝膠電泳
參照文獻(xiàn)[9]的方法,對純化的膠原蛋白樣品進(jìn)行SDS-PAGE垂直電泳。將分別含有6 mg/mLASC和PSC的溶液溶解于上樣緩沖液中。煮沸3 min后冷卻,在4 000 r/min下離心10 min。SDS-PAGE凝膠由 6%的分離膠和5%的濃縮膠組成。在80 V下電泳20 min,然后在120 V下電泳90 min。電泳結(jié)束用考馬斯亮藍(lán)R-250溶液對凝膠染色30 min,然后用脫色液脫色。
1.3.7 肽指紋圖譜(MALDI-TOF)
將1.3.6得到的凝膠切除對應(yīng)分子質(zhì)量為α2的亞基帶,切成約1 mm的切片。將30%的乙腈與100 mmol/mL (NH4)2CO3混合得到混合溶液,將切片溶于300 μL的混合溶液中進(jìn)行脫色。除去上清液,加入50 μL乙腈和5 μL濃度為5 ng/ mL的胰蛋白酶,于4 ℃下培養(yǎng)30 min 后除去殘留液體,加入20 μL濃度為25 mmol/L (NH4)2CO3,將樣品置于37 ℃水浴下過夜孵育。將得到的酶解液轉(zhuǎn)移到新的EP管中離心,得到5 μL上清液[8]。使用配備有Mascot序列匹配軟件的UltrafleX-treme MALDI-TOF質(zhì)譜儀(BrukerDaltonics,USA)進(jìn)行兩階段質(zhì)譜分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果用NCBI數(shù)據(jù)庫的Mascot軟件進(jìn)行序列匹配。分?jǐn)?shù)> 61表示同一性或廣泛同源性,結(jié)果可信。
1.3.8 氨基酸分析
根據(jù)HEU等[10]的方法,采用OPAFMOC柱前衍生化法進(jìn)行分析。
(1)樣品前處理:將100 mg凍干樣品溶于8 mL濃度為6 mol /L HCl溶液中,用氮?dú)獬榭栈旌衔?,真空密封,?10 ℃水解22 h。將樣品從試管中轉(zhuǎn)移到25 mL的容量瓶中,加入4.8 mL 10 mol/L NaOH中和酸水解。用少量清水沖洗燒瓶內(nèi)壁,用水稀釋至25 mL。將2片濾紙折疊過濾,取濾液1 mL, 10 000 r/min離心10 min。取400 μL上清液置于氨基酸自動(dòng)分析儀分析水解產(chǎn)物中的氨基酸。
(2)色譜條件:C18柱(4.0 mm×125 mm),設(shè)定柱溫為 40 ℃,控制緩沖液的流速為1.0 mL/min。流動(dòng)相:A:20 mmol/L醋酸鈉;B:20 mmol/L醋酸鈉、乙腈、甲醇混合液(V(醋酸鋼)∶V(乙腈)∶V(甲醇)=1∶2 ∶2)。脯氨酸以262 nm檢測,其他氨基酸在紫外波長338 nm條件下檢測;氨基酸含量以外標(biāo)法定量。
1.3.9 膠原蛋白的熱變性溫度(Td)測定
將凍干后的純化樣品用0.5 mol/L的乙酸溶解,樣品和溶劑的比例1∶40(g∶mL)。采用差示掃描量熱儀測定熱變性溫度,測定時(shí)精確稱量8~10 mg樣品溶液放入鋁坩堝后密封,掃描溫度范圍為20~50 ℃, 升溫速率為5 ℃/min,以一個(gè)空的鋁坩堝作為空白對照。
1.3.10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析
采用SPSS 18和Origin 8.5對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖。每次試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。
由表1可知,中華鱉裙邊中的蛋白質(zhì)含量為28.75%, 根據(jù)文獻(xiàn)[11]中有關(guān)膠原蛋白的計(jì)算方式:
用提取的上清液中羥脯氨酸含量乘以對應(yīng)的膠原蛋白換算系數(shù)得到膠原蛋白的含量。得到本研究中裙邊中膠原蛋白占粗蛋白的72%。其次,由表1可知,中華鱉裙邊中的脂肪含量較低,僅為0.05%。因此,中華鱉裙邊是一種較好的膠原蛋白提取來源。
表1 裙邊中基本成分Table 1 Basic composition in thecalipash
經(jīng)計(jì)算,ASC的得率為26.79%(干重),PSC的得率分別為37.50%(干重),明顯高于ASC。據(jù)報(bào)道,黑骨魚皮,虹色金線魚皮,羅非魚皮膠原蛋白得率分別為2.3%[12],24.9%[13],27.2%[14],這進(jìn)一步表明膠原得率較高的中華鱉裙邊可以作為良好的膠原蛋白來源。
采用SEM對2種膠原蛋白進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的分析,冷凍干燥的條件(溫度、真空、升降溫速率)相同,凍干前的膠原蛋白濃度相同。裙邊膠原蛋白的掃描電鏡圖像如圖1所示,ASC和PSC分別在1 mm,500 μm 和100 μm放大下觀察。由圖1可知,2種提取方式得到的裙邊膠原蛋白均呈現(xiàn)均勻的多層聚集結(jié)構(gòu)。
A1~A3和B1~B3分別為ASC和PSC在1 mm,500 μm,100 μm處的掃描電鏡圖圖1 裙邊酸溶性膠原ASC和酶溶性膠原PSC掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of the ASC and the PSC from the calipash
放大結(jié)果顯示,ASC結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)斷層較多、排列規(guī)則性較小,層與層之間比較緊實(shí)的狀態(tài)(圖1-A1,圖1-A2,圖1-A3);PSC表面和橫截面呈現(xiàn)斷層較少、排列有序,層與層之間比較疏松的狀態(tài)(圖1-B1,圖1-B2, 圖1-B3)。結(jié)果表明,ASC與PSC之間的微觀結(jié)構(gòu)存在差異。
在分子生物學(xué)領(lǐng)域中,蛋白質(zhì)溶液的圓二色譜可以反映蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)信息[15],蛋白質(zhì)是氨基酸以肽鍵聯(lián)接而成的具有特定空間結(jié)構(gòu)的生物大分子,其圓二色性表現(xiàn)為生色基團(tuán)和折疊結(jié)構(gòu)的總和[16]。由圖2可以看出,在25 ℃下ASC和PSC的特征圓二色光譜分別在224 nm和222 nm處出現(xiàn)正峰,其中224 nm和222 nm處出現(xiàn)的正吸收峰是左旋聚脯氨酸構(gòu)型的圓二色譜典型特征[17],無α螺旋雙負(fù)峰吸收,主要表現(xiàn)為β折疊及無規(guī)卷曲的疊加吸收。ASC與PSC分別在199 nm和198 nm處出現(xiàn)負(fù)峰,這些光譜數(shù)據(jù)表明膠原存在三重螺旋結(jié)構(gòu),膠原蛋白結(jié)構(gòu)完整,正吸收峰與負(fù)吸收峰的比值(Rpn)是膠原三螺旋結(jié)構(gòu)特征性的參數(shù),其比值越大,膠原蛋白的三重螺旋結(jié)構(gòu)完整性更好[18]。圖2結(jié)果顯示,PSC的正/負(fù)吸收峰比值較ASC大,則說明PSC比ASC的三重螺旋結(jié)構(gòu)更完整。
圖2 裙邊酸溶性膠原ASC和酶溶性膠原PSC在 25 ℃時(shí)的圓二色光譜Fig.2 CD spectra of ASC and PSC from the calipash at 25 ℃
圖3為裙邊ASC和PSC的SDS-PAGE電泳結(jié)果,從凝膠電泳圖譜上可以清晰的看到有染色較深的3條帶,從上到下依次為β鏈,α1鏈,α2鏈,表明所提取的裙邊膠原蛋白純化度高。
1-酸溶性膠原ASC; 2-酶溶性膠原PSC圖3 裙邊酸溶性膠原ASC和酶溶性膠原PSC的SDS-PAGE電泳圖Fig.3 Protein pattern of ASC and PSC from the calipash
α1和α2的分子質(zhì)量分別為142 kDa和129 kDa,與典型I型膠原結(jié)構(gòu)一致。ASC的α2鏈條帶以下未發(fā)現(xiàn)其他電泳條帶,說明膠原蛋白純度較高,基本結(jié)構(gòu)得到很好的保存,沒有生成多肽及小分子水解膠原蛋白;PSC的α2鏈條帶以下有少許電泳條帶,說明有小分子肽的存在。
通過MALDI-TOF/TOF質(zhì)譜法分析α2條帶,結(jié)果如表2所示,ASC和PSC的α2亞基分?jǐn)?shù)為120和113,ASC評分略高于PSC,但兩者分?jǐn)?shù)均高于61,這與中華鱉膠原I型亞基α2相匹配,進(jìn)一步證明所提取的裙邊膠原為I型膠原蛋白。
表2 裙邊酸溶性膠原ASC和酶溶性膠原PSC肽指紋圖譜Table 2 Peptide mass fingerprint of ASC and PSC from the calipash
注:分?jǐn)?shù)> 61表示同一性或廣泛同源性,結(jié)果可信。
由表3、表4可知中華鱉裙邊膠原蛋白的氨基酸組成。
其中呈味氨基酸含量>亞氨基酸含量>必需氨基酸含量>非必需氨基酸含量,與文獻(xiàn)報(bào)道過的魚皮[12,19-21]膠原蛋白相比,其呈味氨基酸含量偏低,而必需氨基酸含量偏高,說明裙邊膠原蛋白的營養(yǎng)價(jià)值更高;非必需氨基酸含量分析表明,裙邊膠原蛋白中精氨酸含量明顯高于其他魚皮膠原蛋白。裙邊ASC和PSC中,呈味氨基酸和必需氨基酸含量相當(dāng),亞氨基酸和非必需氨基酸含量有略微差異,ASC與PSC亞氨基酸含量分別為20.46%和21.53%,非必需氨基酸含量分別為12.74%和11.62%,說明不同的提取方式對膠原蛋白的氨基酸含量有一定的影響。
表3 裙邊酸溶性膠原ASC和酶溶性膠原PSC氨基酸組成Table 3 ASC and PSC from the calipash amino composition
注:TAA-氨基酸總量,TEAA-必需氨基酸總量,TNEAA-非必需氨基酸總量,TDAA-呈味氨基酸總量,亞氨基酸:脯氨酸+羥脯氨酸。
注:TAA氨基酸總量,TEAA必需氨基酸總量,TNEAA非必需氨基酸總量,TDAA呈味氨基酸總量,亞氨基酸:脯氨酸+羥脯氨酸。
裙邊膠原蛋白的熱穩(wěn)定性利用DSC進(jìn)行測定,通常當(dāng)達(dá)到蛋白質(zhì)熱變性溫度時(shí),在熱分析圖譜上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)吸熱峰,這個(gè)峰值對應(yīng)的溫度即為該樣品的熱變性溫度[22]。由圖4可知,ASC和PSC的熱變性溫度分別為38.39 ℃和38.11 ℃。
圖4 裙邊酸溶性膠原ASC和酶溶性膠原PSC熱變性曲線Fig.4 Thermal denaturation curve of ASC and PSC from calipash
根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,豬皮膠原蛋白的熱變性溫度為37 ℃[23],魚皮膠原蛋白的熱變性溫度為16.1~35.9 ℃[20,24],表明通過2種提取方式獲得的裙邊膠原蛋白的熱穩(wěn)定性均優(yōu)于常見的豬皮膠原蛋白和魚皮膠原蛋白。研究表明,亞氨基酸含量與膠原蛋白熱穩(wěn)定性之間存在密切關(guān)聯(lián),脯氨酸和羥脯氨酸分子中的吡咯環(huán)對膠原三螺旋分子構(gòu)型起結(jié)構(gòu)固定作用,羥脯氨酸中的羥基通過氫鍵鍵合的方式進(jìn)一步強(qiáng)化膠原三螺旋分子的穩(wěn)定性;因此,亞氨基酸含量越高,則膠原分子的熱變性溫度越高[25-26]。裙邊膠原ASC、PSC的亞氨基酸含量分別為20.46%、21.53%,高于文獻(xiàn)中報(bào)道的鱘魚皮、草魚皮和鱈魚皮膠原的亞氨酸含量(表4)。另一方面,通過分析氨基酸組成,如表5所示,裙邊膠原中精氨酸含量明顯高于其他魚皮膠原,在膠原蛋白分子肽鏈間,當(dāng)肽鏈所帶的正負(fù)電荷大致相當(dāng)時(shí),肽鏈間能通過電荷吸引的形式結(jié)合,而當(dāng)正負(fù)電荷總量不等時(shí),肽鏈間則會(huì)出現(xiàn)同種電荷的排斥而導(dǎo)致肽鏈的分離,堿性氨基酸精氨酸可以降低電荷的排斥從而保持膠原蛋白分子三螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,鄧明霞等[20]報(bào)道膠原蛋白熱變性溫度與精氨酸含量呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)(P<0.01),這與本研究結(jié)果一致。
表5 不同膠原的亞氨基酸含量、精氨酸含量與 熱變性溫度的對比圖Table 5 Comparison of the sub-amino acid content, arginine content and heat denaturation temperature of different collagens
注:TAA氨基酸總量。
綜上所述,裙邊膠原蛋白熱穩(wěn)定性較高,維系膠原蛋白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的分子間作用力較大,天然結(jié)構(gòu)保存較為完整,可作為其他膠原的良好替代品。
本文主要采用2種不同的提取方式,從中華鱉裙邊中提取出酸溶性膠原蛋白(ASC)和胃蛋白酶可溶性膠原蛋白(PSC),對兩種膠原蛋白進(jìn)行鑒定和理化性質(zhì)的分析。不同提取方式下,ASC和PSC的得率分別為26.79%和37.50%,說明胃蛋白酶輔助提取可以獲得更高的裙邊膠原蛋白產(chǎn)量。通過掃描電子顯微鏡(SEM)結(jié)果可知,ASC和PSC在微觀結(jié)構(gòu)上存在差異,體現(xiàn)在ASC比PSC具有較多、較分散的斷層,層與層之間結(jié)構(gòu)更加緊密。圓二色光譜(CD)的結(jié)果表明,PSC與ASC相比存在更為完整的三級螺旋結(jié)構(gòu),提取方式會(huì)對裙邊膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響。十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺-凝膠電泳(SDS-PAGE)結(jié)果顯示ASC和PSC具有β鏈,α1鏈,α2鏈3種條帶,提取的膠原蛋白純化程度較高。肽指紋質(zhì)譜(MALDI-TOF)分析顯示裙邊膠原蛋白為I型膠原蛋白。由氨基酸組成分析可知,ASC與PSC相比,具有相似的氨基酸組成,具有較高的亞氨基酸含量和精氨酸含量。在熱穩(wěn)定性方面,通過差示量熱掃描(DSC)測定ASC和PSC的熱穩(wěn)定性溫度分別為38.39和38.11 ℃,高于常見的豬皮膠原蛋白和魚皮膠原蛋白,推測裙邊膠原蛋白熱穩(wěn)定性較高與其亞氨基酸和精氨酸含量成正相關(guān)。
綜上所述,2種提取方式得到的中華鱉裙邊膠原蛋白在微觀結(jié)構(gòu)、氨基酸組成、熱變性溫度等方面略有差異,但所得到的ASC和PSC的純度均比較高,且具有較多的必需氨基酸和較好的熱穩(wěn)定性,因此,可以作為其他膠原蛋白的良好替代品。