林善婷,胡 曉*,李來(lái)好,楊賢慶
(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510300;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)無(wú)錫漁業(yè)學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214081)
鐵離子是構(gòu)成人體組織和維持正常生理功能所必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素。作為血紅素的組成成分,其參與氧氣轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存,鐵離子是過(guò)氧化氫酶、單胺氧化酶、細(xì)胞色素氧化酶等大多數(shù)酶的構(gòu)成成分,它不僅參與機(jī)體細(xì)胞代謝,還可維持正常造血功能以及增強(qiáng)神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的功能,當(dāng)體內(nèi)缺乏鐵離子時(shí)易導(dǎo)致貧血、缺乏食欲、生長(zhǎng)遲緩,對(duì)于鐵離子缺乏的孕婦易導(dǎo)致早產(chǎn),增加母嬰死亡風(fēng)險(xiǎn)等[1]。鐵離子缺乏是世界上最常見(jiàn)且普遍的營(yíng)養(yǎng)缺乏癥。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì),在全球范圍內(nèi),幾乎一半的6~59 個(gè)月的兒童以及1/3的育齡婦女患有缺鐵性貧血(iron deficiency anemia,IDA)癥[2]。鐵離子缺乏癥可能由多種原因引起,如膳食鐵離子攝入不足、鐵離子生物利用度不高、某個(gè)時(shí)期(如女性孕期)對(duì)鐵離子的需求量大等[3]。人體中的鐵離子主要來(lái)源于日常膳食,而膳食中的許多谷物類主食,如玉米、大米和豆類,通常含有植酸、單寧、肌醇磷酸鹽和多酚,易與鐵離子結(jié)合,形成不溶于水的沉淀從而降低鐵離子在體內(nèi)的吸收[4]。此外,金屬離子之間存在相互拮抗作用,能夠降低鐵離子生物利用度[5]。膳食鈣可以以劑量相關(guān)的方式顯著減少鐵離子的吸收,即含有少量鐵離子的高鈣飲食個(gè)體會(huì)出現(xiàn)缺鐵癥[5]。過(guò)量的鋅也會(huì)降低鐵離子的吸收[6]。因此,為了增加鐵離子的吸收量,彌補(bǔ)其在吸收過(guò)程中的損失,降低其缺乏病的發(fā)生率,常使用鐵離子強(qiáng)化劑對(duì)食品進(jìn)行鐵離子強(qiáng)化,但常規(guī)鐵離子強(qiáng)化劑由于性質(zhì)不穩(wěn)定而易導(dǎo)致食品的顏色、口味和品質(zhì)特性發(fā)生不利的變化,造成胃腸道疾病[7]。如硫酸亞鐵在加入嬰兒谷物和可可粉[8]時(shí)會(huì)引起不可接受的顏色變化,在無(wú)麩質(zhì)面包[9]中引起金屬味和黏性變化等。
Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽是指具有結(jié)合鐵離子活性的肽類物質(zhì),其與Fe2+/Fe3+結(jié)合后形成的肽-Fe2+/3+結(jié)合物,可提高鐵離子在腸道中的溶解度,使鐵離子通過(guò)二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體1(divalent metal transporter 1,DMT1)轉(zhuǎn)入細(xì)胞內(nèi),或通過(guò)肽轉(zhuǎn)運(yùn)途徑和胞吞作用將肽-Fe2+/3+結(jié)合物轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi),促進(jìn)腸道對(duì)鐵離子的吸收,進(jìn)而起到補(bǔ)鐵的作用;此外,肽-Fe2+/3+結(jié)合物具有轉(zhuǎn)運(yùn)速率快、穩(wěn)定性高、不易被飽和、可減少金屬間的拮抗作用等優(yōu)點(diǎn)[10]。隨著越來(lái)越多具有促進(jìn)或增強(qiáng)鐵離子生物利用度的Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽及肽-Fe2+/3+結(jié)合物被研究并鑒定,F(xiàn)e2+/Fe3+結(jié)合活性肽及肽-Fe2+/3+結(jié)合物在鐵離子缺乏的調(diào)控中已顯示出潛在的應(yīng)用價(jià)值。Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽及肽-Fe2+/3+結(jié)合物作為鐵離子的膳食補(bǔ)充劑已成為研究的熱點(diǎn)。
目前,根據(jù)現(xiàn)有的研究總結(jié)發(fā)現(xiàn),F(xiàn)e2+/Fe3+結(jié)合活性肽的來(lái)源主要有植物蛋白源、陸生動(dòng)物蛋白源以及水產(chǎn)蛋白源。植物性蛋白是日常膳食中最常見(jiàn)的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)之一。Lü Ying等[11]利用大豆蛋白水解物經(jīng)固定化金屬親和層析色譜(immobilized metal affinity chromatography,IMAC)-Fe3+分離出了富含Glu和Pro的Fe3+結(jié)合活性肽Asp-Glu-Gly-Glu-Gln-Pro-Arg-Pro-Phe-Pro-Phe-Pro-Arg-Pro。Torres-Fuentes等[12]從鷹嘴豆蛋白水解物中分離出了His含量高、可增加Fe2+溶解度和生物利用度的Fe2+結(jié)合活性肽。Lü Ying等[13]利用核桃蛋白水解物,通過(guò)IMAC-Fe3+分離出了核桃Fe3+結(jié)合活性肽Leu-Ala-Gly-Asn-Pro-Asp-Asp-Glu-Phe-Arg-Pro-Gln和Val-Glu-Asp-Glu-Leu-Val-Ala-Val-Val。Budseekoad等[14]從綠豆蛋白水解物分離鑒定出了肽序列為Pro-Ala-Ile-Asp-Leu的Fe2+結(jié)合活性肽。
陸生動(dòng)物蛋白也是制備Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽的良好來(lái)源。Storcksdieck等[15]利用胃蛋白酶和胰蛋白酶模擬體外胃腸道消化,對(duì)煮熟的牛肉、雞肉、鱈魚(yú)、羊肉和豬肉等肌原纖維蛋白進(jìn)行酶解,分離出分子質(zhì)量約為2 kDa且富含Glu和Asp的Fe2+結(jié)合活性肽。Lee等[16]從豬血漿蛋白水解物中分離鑒定出了Fe2+結(jié)合活性肽Asp-Leu-Gly-Glu-Gln-Tyr-Phe-Lys-Gly。Palika等[17]模擬體外胃腸消化,從蛋清蛋白中分離鑒定出了可結(jié)合Fe3+的磷酸肽Asp-Lys-Leu-Pro-Gly-Phe-Gly-Asp-Ser(PO4)-Ile-Glu-Ala-Gln。紀(jì)曉雯等[18]利用酪蛋白酶解產(chǎn)物經(jīng)IMAC及質(zhì)譜(mass spectrometry,MS)法分離鑒定出了Fe2+結(jié)合活性肽His-Ile-Gln-Lys-Glu-Asp-Val-Pro-Ser-Glu-Arg、Ile-Thr-Val-Asp-Asp-Lys-His-Tyr-Gln-Lys和Thr-Arg-Leu-His-Pro-Val-Gln-Glu-Arg。Li Bo等[19]從鴨蛋蛋白的中性蛋白酶酶解產(chǎn)物中分離鑒定出Fe2+結(jié)合活性肽Pro-Val-Glu-Glu和Arg-Ser-Ser。
除了利用陸生動(dòng)植物蛋白制備活性肽外,以低值水產(chǎn)品或水產(chǎn)品加工副產(chǎn)物為原料制備活性肽也是目前研究的熱點(diǎn),可提高低值水產(chǎn)蛋白的利用率。Guo Lidong等[20-21]從阿拉斯加鱈魚(yú)皮膠原蛋白的胰蛋白酶水解產(chǎn)物中分離出了可結(jié)合Fe2+的三肽Ser-Cys-His以及Gly-Pro-Ala-Gly-Pro-His-Gly-Pro-Pro-Gly。相似地,Wu Wenfei等[22]從太平洋鱈魚(yú)皮膠原蛋白的胰蛋白酶水解物中分離鑒定出了Fe2+結(jié)合活性肽Gly-Pro-Ala-Gly-Pro-His-Gly-Pro-Pro-Gly-Lys-Asp-Gly-Arg、Ala-Gly-Pro-His-Gly-Pro-Pro-Gly-Lys-Asp-Gly-Arg和Ala-Gly-Pro-Ala-Gly-Pro-Ala-Gly-Ala-Arg。林慧敏[23]從帶魚(yú)的蛋白水解產(chǎn)物分離出了可結(jié)合Fe2+的三肽His-Tyr-Asp。Wu Haohao等[24]從鳀魚(yú)肌肉蛋白的胰蛋白酶水解物中分離并表征了4 條Fe3+結(jié)合活性肽Glu-Leu-Glu-Gly-Glu-Val-Asp-Ala-Glu-Gln-Lys、Glu-Gln-Asp-Thr-Ser-Ala-His-Leu-Glu-Arg-Met-Lys、Ser-(Gly)7-Leu-Gly-Ser-(Gly)2-Ser-Ile-Arg、Ile-(Glu)2-Leu-(Glu)3-Ile-Glu-Ala-Glu-Arg。Kim等[25]從螺旋藻蛋白水解物中分離鑒定了分子質(zhì)量為802 Da的Fe2+結(jié)合活性肽Thr-Asp-Pro-Ile(Leu)-Ala-Ala-Cys-Ile(Leu)。
對(duì)已分離鑒定出的食物蛋白源Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽的氨基酸序列進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),植物蛋白源Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽的肽鏈中基本上含有一個(gè)或多個(gè)Glu、Pro、Leu、Asp、Val等氨基酸。在陸生動(dòng)物蛋白源Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽的氨基酸序列中,與植物蛋白源Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽相比,相同的是二者基本上含有一個(gè)或多個(gè)Glu、Pro、Leu、Asp,不同的是陸生動(dòng)物蛋白源Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽還富含Lys、His和Ser。水產(chǎn)蛋白源Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽與陸生動(dòng)植物蛋白源Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽相比,其同樣含有Glu、Pro、His,但水產(chǎn)蛋白源Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽還富含Gly,尤其是在鳀魚(yú)Fe3+結(jié)合活性肽[24]中,Glu和Gly含量占肽鏈氨基酸總數(shù)的60%及以上。由此可知,以上這些氨基酸在Fe2+/Fe3+結(jié)合活性中起著重要的作用。
酶解法是目前較為常用且獲得生物活性肽安全有效的方法,酶解反應(yīng)過(guò)程易控、條件溫和、無(wú)有害物質(zhì)產(chǎn)生,能制備特定的易于分離的活性肽[26]。目前常用的食品級(jí)別商業(yè)酶有風(fēng)味酶、中性蛋白酶、Alcalase、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、α/β-胰凝乳蛋白酶、復(fù)合蛋白酶等。Lee等[16]利用風(fēng)味酶酶解豬血漿蛋白,其酶解物的Fe2+結(jié)合能力為質(zhì)量濃度1 000 mg/L的酶解物,可溶性Fe2+質(zhì)量濃度為26.6 mg/L。Guo Lidong等[20]利用胰蛋白酶酶解鱈魚(yú)皮膠原蛋白,酶解物經(jīng)IMAC及反相高效液相色譜(reversed-phase high performance liquid chromatogram,RP-HPLC)純化后得到Fe2+結(jié)合活性肽,其Fe2+結(jié)合率為(27.7±1.9)%。Wu Haohao等[24]以鳀魚(yú)蛋白為原料,以水解度和Fe3+結(jié)合率為指標(biāo),從6 種商業(yè)蛋白酶中篩選出胰蛋白酶為最佳酶,且酶解產(chǎn)物Fe3+結(jié)合率的半抑制濃度(50% inhibiting concentration,IC50)為(0.013±0.001)mg/mL。此外,在雙酶系統(tǒng)中,Palika等[17]模擬體外胃腸消化,先后使用胃蛋白酶和胰蛋白酶酶解蛋清以制備可結(jié)合Fe3+的磷酸肽,經(jīng)過(guò)RP-HPLC純化后的酶解產(chǎn)物,其Fe3+的結(jié)合能力顯著高于原始酶解產(chǎn)物。相似地,Torres-Fuentes等[12]利用胃蛋白酶和胰蛋白酶對(duì)鷹嘴豆蛋白進(jìn)行酶解,并從酶解產(chǎn)物中分離出了His含量高的Fe2+結(jié)合活性肽,其經(jīng)IMAC純化后組分的Fe2+結(jié)合能力是原始酶解產(chǎn)物的4.5 倍。
由上可知,胰蛋白酶是制備Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽最為常用的酶。不同的酶具有不同的酶切位點(diǎn),酶解蛋白后產(chǎn)生的不同肽段表明其活性不同。胰蛋白酶作為肽鏈內(nèi)切酶,主要作用于肽鏈中Arg或Lys殘基的羧基端。因此,根據(jù)不同的原料,選擇其最優(yōu)的酶或酶組合來(lái)制備具有特定活性的目標(biāo)肽。
IMAC-Fe2+/IMAC-Fe3+分離色譜對(duì)Fe2+結(jié)合活性肽和Fe3+結(jié)合活性肽具有高選擇性,在溫和的非變性洗脫條件下使多肽與固定配體之間形成特異性可逆復(fù)合物,從而將目標(biāo)組分與其他組分分開(kāi),是Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽純化的第一階段[27]。已有研究表明核桃蛋白[13]、乳清蛋白[28]、鳀魚(yú)肌肉蛋白[24]、鱈魚(yú)皮膠原蛋白[21]等水解物經(jīng)IMAC-Fe2+/IMAC-Fe3+色譜分離后可獲得Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽。超濾(ultrafiltration,UF)、離子交換色譜(ion-exchange chromatography,IEC)、凝膠色譜(gel filtration chromatography,GFC)等利用不同的分離原理對(duì)多肽進(jìn)行中間階段的分離。RP-HPLC具有分離速率快、純度高的特點(diǎn),能夠用于多肽序列鑒定前的純化。多肽被純化后利用MS法來(lái)鑒定肽鏈的氨基酸序列,為人工合成多肽提供依據(jù)。Lü Ying等[11]利用UF、IMAC-Fe3+、RP-HPLC及基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜(matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight tandem mass spectrometry,MALDI-TOF-MS/MS)從大豆蛋白水解物中分離出Fe3+結(jié)合活性肽。核桃蛋白水解物依次經(jīng)過(guò)IMAC-Fe3+、GFC-HPLC、RP-HPLC和液相色譜電離串聯(lián)質(zhì)譜(liquid chromatography electrospray ionisation tandem mass spectrometry,LC-ESI-MS/MS)等純化與鑒定的步驟后可獲得Fe3+結(jié)合活性肽[13]。Wu Haohao等[24]利用GFC、IMAC-Fe3+、RP-HPLC、MALDI-TOF-MS/MS從鳀魚(yú)蛋白水解物中分離鑒定出了Fe3+結(jié)合活性肽。鱈魚(yú)皮膠原蛋白水解物經(jīng)過(guò)IMAC-Fe2+、凝膠色譜-快速蛋白液相色譜(gel filtration chromatography-fast protein liquid chromatography,GFC-FPLC)、RP-HPLC及LC-ESI-MS/MS的純化鑒定步驟后可獲得Fe2+結(jié)合活性肽[21]。
上述研究表明,F(xiàn)e2+/Fe3+結(jié)合活性肽的分離與結(jié)構(gòu)的鑒定需將以上多個(gè)方法聯(lián)合使用,精確的鑒定出活性肽的氨基酸序列,為后期人工合成活性肽并進(jìn)一步探究合成肽的生物活性,進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)活性肽產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化提供依據(jù)。
不同分子質(zhì)量的Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽,其結(jié)合Fe2+/Fe3+的活性不同。小分子質(zhì)量的鱈魚(yú)皮膠原蛋白水解物(345 Da)[20]和螺旋藻蛋白水解物(802 Da)[25]均顯示出比其大分子質(zhì)量的水解物更高的Fe2+結(jié)合活性。鷹嘴豆蛋白水解產(chǎn)物中小分子質(zhì)量(<500 Da)的組分,其Fe2+結(jié)合活性高于大分子質(zhì)量的組分[12]。從豬血漿蛋白水解物中鑒定出的Fe2+結(jié)合活性肽分子質(zhì)量為1 055 Da[16],從核桃蛋白水解物中分離鑒定的兩條Fe3+結(jié)合活性肽的分子質(zhì)量分別為971.508 0 Da和1 357.648 0 Da[13]。然而,一些大分子質(zhì)量的肽由于含有特殊氨基酸,且齒狀區(qū)域的數(shù)量較多,可能具有更強(qiáng)的Fe2+/Fe3+結(jié)合能力[29]。來(lái)自鳀魚(yú)肌肉蛋白的兩種Fe3+結(jié)合活性肽,其分子質(zhì)量分別為7 594 Da和8 106 Da[24]。Seth等[30]發(fā)現(xiàn)大部分Fe2+與大于10 kDa的雞肌肉蛋白肽結(jié)合,只有10%的Fe2+與小肽或氨基酸結(jié)合。
由此可知,大部分研究表明分子質(zhì)量小于1 500 Da的多肽,F(xiàn)e2+/Fe3+結(jié)合活性較高,但也有一些分子質(zhì)量較大的多肽,其Fe2+/Fe3+結(jié)合活性也較高,因此,多肽分子質(zhì)量的大小與Fe2+/Fe3+結(jié)合活性之間的關(guān)系還需進(jìn)一步探究。
每個(gè)氨基酸都有兩個(gè)有效的供體基團(tuán)(氨基和羧基),它們可結(jié)合金屬離子[31]。根據(jù)路易斯規(guī)則,充當(dāng)路易斯酸的Fe2+/Fe3+可以與富含氧或富含氮的基團(tuán)(路易斯堿)反應(yīng),F(xiàn)e2+會(huì)優(yōu)先與含氮基團(tuán)(如Arg和Asn)結(jié)合,而Fe3+更傾向于與含氧基團(tuán)結(jié)合,如Glu和Asp中的羧基和磷酸基團(tuán)[32]。此外,氨基酸側(cè)鏈上的R基團(tuán)通過(guò)改變氨基和羧基的化學(xué)環(huán)境來(lái)影響鐵離子結(jié)合物的形成,例如組氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巰基參與Fe2+/Fe3+的結(jié)合[20]。肽鏈中的Glu、Asp、His、Ser和Cys被報(bào)道為可與Fe2+/Fe3+結(jié)合的氨基酸,即Ser的磷酸基、Asp和Glu的羧基、His的咪唑基以及肽鏈中的Cys都可與Fe2+/Fe3+結(jié)合[13]。Guo Lidong等[20]從鱈魚(yú)皮膠原蛋白中分離鑒定出只含有His、Ser和Cys的Fe2+結(jié)合活性肽(Ser-Cys-His)。紀(jì)曉雯等[18]分離出的酪蛋白Fe2+結(jié)合活性肽富含Glu、Asp、Gln。鷹嘴豆蛋白水解物中的His含量與Fe2+結(jié)合活性正相關(guān)[12]。甘蔗酵母蛋白水解產(chǎn)物經(jīng)IMAC-Fe3+分離后的組分比原來(lái)的組分顯示出更高的His、Lys和Arg含量[33]。Budseekoad等[14]發(fā)現(xiàn)Pro-Ala-Ile-Asp-Leu與Fe2+結(jié)合的能力可能與肽鏈中的Pro、Asp和Leu中的吡咯烷環(huán)、羧基和烷基的協(xié)同效應(yīng)有關(guān)。
綜上所述,大多研究顯示具有Fe2+/Fe3+結(jié)合活性的肽鏈中基本都含有一個(gè)或幾個(gè)Glu、Asp、His、Ser、Cys和Lys等氨基酸(表1)。
Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽是一種具有結(jié)合Fe2+/Fe3+能力的肽類物質(zhì),其與Fe2+/Fe3+結(jié)合后形成肽-Fe2+/3+結(jié)合物。肽-Fe2+/3+結(jié)合物中鐵離子主要來(lái)源于無(wú)機(jī)鐵離子,如硫酸亞鐵、氯化亞鐵和氯化鐵[10,28,34]。多肽是兩性物質(zhì),其與鐵離子的配位結(jié)合受反應(yīng)時(shí)間、溫度、pH值、底物反應(yīng)比例等因素的影響,且肽鏈具有二級(jí)結(jié)構(gòu)和立體空間結(jié)構(gòu),其發(fā)生配位結(jié)合反應(yīng)后可能對(duì)肽鏈的構(gòu)象產(chǎn)生影響。
肽與Fe2+/Fe3+的結(jié)合率及肽-Fe2+/3+結(jié)合物的穩(wěn)定性受多種因素的影響。肽與Fe2+/Fe3+的結(jié)合反應(yīng)是配位體取代水分子的快速反應(yīng),通常在室溫條件下,40~60 min內(nèi)即可反應(yīng)完全[35-36]。而在一定酸堿性范圍內(nèi),隨著pH值升高,肽與Fe2+/Fe3+結(jié)合率升高,當(dāng)pH>7時(shí)結(jié)合率降低,即結(jié)合反應(yīng)的最佳pH值為5~6[35]。因?yàn)樵谒嵝詶l件下,H+易與Fe2+/Fe3+競(jìng)爭(zhēng)供電子基團(tuán),不利于肽-Fe2+/3+結(jié)合物的生成。而在堿性條件下,羥基易與供電子基團(tuán)爭(zhēng)奪Fe2+/Fe3+而形成氫氧化物沉淀;此外,肽與Fe2+/Fe3+的比例也會(huì)影響肽-Fe2+/3+結(jié)合物的量,當(dāng)溶液中Fe2+/Fe3+的濃度超過(guò)多肽的負(fù)載能力時(shí),未與多肽結(jié)合的Fe2+/Fe3+因水解而導(dǎo)致鐵氫氧化物沉淀的產(chǎn)生,同時(shí)會(huì)吸附一部分肽-Fe2+/3+結(jié)合物并與之共同沉淀[35]。Palika等[17]發(fā)現(xiàn)源自蛋清蛋白的合成肽Asp-Lys-Leu-Pro-Gly-Phe-Gly-Asp-Ser(PO4)-Ile-Glu-Ala-Gln,其Fe3+結(jié)合活性以劑量依賴性增加,并且以1∶1的物質(zhì)的量之比飽和。酪蛋白肽與FeCl2·4H2O的質(zhì)量比例為4∶1時(shí),形成肽-Fe2+結(jié)合物的數(shù)量最多[18]。在花椒籽蛋白肽-Fe2+結(jié)合物[35]和鱈魚(yú)皮膠原蛋白肽-Fe2+結(jié)合物中[36],多肽與FeCl2結(jié)合的最佳質(zhì)量比例分別為2.5∶1和4∶1。段秀等[37]研究發(fā)現(xiàn)在羅非魚(yú)膠原蛋白肽與Fe2+結(jié)合反應(yīng)中,肽與Fe2+的最佳質(zhì)量比例為500∶1。原洪等[35]利用單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)影響花椒籽多肽與Fe2+結(jié)合率的因素從高到低為:pH值>肽與FeCl2質(zhì)量比>溫度>時(shí)間。此外,李玉珍等[38]利用單因素試驗(yàn)及Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),花生粕蛋白多肽與Fe2+的最佳結(jié)合條件為:m多肽∶在此條件下肽與Fe2+的結(jié)合率為(85.68±1.27)%。
表1 Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽的來(lái)源、制備條件及氨基酸序列Table 1 Sources, preparation conditions and amino acid sequences of Fe2+/Fe3+chelating peptides
由上總結(jié)發(fā)現(xiàn),不同的原料制備出不同的Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽,其與Fe2+/Fe3+的最佳結(jié)合條件也會(huì)有差異,尤其是在肽與Fe2+/Fe3+的結(jié)合比例上差異較大。
紫外-可見(jiàn)光譜(ultraviolet-visible spectroscopy,UV-vis)、傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform-infrared spectroscopy,F(xiàn)TIR)、MS以及核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)等技術(shù)常用來(lái)分析肽-Fe2+/3+結(jié)合物的結(jié)合位點(diǎn)以及肽-Fe2+/3+結(jié)合后結(jié)構(gòu)的變化。Huang Guangrong等[39]通過(guò)FTIR發(fā)現(xiàn)蝦加工副產(chǎn)物水解產(chǎn)物的Fe2+結(jié)合的位點(diǎn)主要對(duì)應(yīng)于羧酸酯基團(tuán),在較小程度上對(duì)應(yīng)于肽鍵。Chen Qianru等[40]研究利用MS/MS技術(shù)發(fā)現(xiàn)Gly-Pro-Ala-Gly-Pro-His-Gly-Pro-Pro-Gly中His的咪唑環(huán)可能是潛在的Fe2+結(jié)合位點(diǎn)。Eckert等[34]利用MS/MS分析發(fā)現(xiàn),Ser-Val-Asn-Val-Pro-Leu-Tyr中的Val和Leu參與了Fe2+結(jié)合,Pro殘基沒(méi)有直接參與Fe2+的結(jié)合,而是使肽鏈彎曲形成結(jié)合環(huán),肽鏈中的-Val-Pro-Leu和Tyr殘基可能是Ser-Val-Asn-Val-Pro-Leu-Tyr的Fe2+結(jié)合位點(diǎn)。林慧敏[23]利用NMR及FTIR結(jié)構(gòu)表征顯示,肽鏈His-Tyr-Asp中的—NH—、—NH2以及末端—COOH上的C=O及—OH與Fe2+發(fā)生結(jié)合,形成不穩(wěn)定的結(jié)合物。肽與Fe2+/3+發(fā)生結(jié)合反應(yīng)后,可能會(huì)引起肽鏈結(jié)構(gòu)的變化,Wu Haohao等[41]發(fā)現(xiàn)鳀魚(yú)蛋白鐵離子結(jié)合活性肽myosin1116-1127側(cè)鏈的羧基是Fe3+的結(jié)合位點(diǎn),即肽鏈羧基結(jié)合Fe3+形成COO-Fe,再水解形成COO-Fe(OH)n,最后脫水縮合完成晶體生長(zhǎng),該過(guò)程中肽鏈的氫鍵體系遭到破壞,二級(jí)結(jié)構(gòu)由β-折疊變?yōu)闊o(wú)規(guī)卷曲。段秀等[37]也發(fā)現(xiàn)羅非魚(yú)皮膠原蛋白肽與Fe2+結(jié)合后,熒光強(qiáng)度降低,即肽與Fe2+的結(jié)合過(guò)程中伴隨著肽鏈的折疊,相似的結(jié)果在鳀魚(yú)多肽與Fe3+的結(jié)合過(guò)程中也有發(fā)現(xiàn)[24]。
綜上,F(xiàn)e2+/Fe3+結(jié)合活性肽中Fe2+/Fe3+的結(jié)合位點(diǎn)主要是羧基與羰基等含氧基團(tuán)、氨基等含氮基團(tuán)以及His的咪唑基,肽鏈與Fe2+/Fe3+結(jié)合過(guò)程伴隨肽鏈折疊等結(jié)構(gòu)的變化(表2)。
表2 肽-Fe2+/3+結(jié)合物的結(jié)合條件及結(jié)合位點(diǎn)Table 2 Chelating conditions and sites of peptide-Fe2+/3+complexes
Caco-2細(xì)胞模型常用于評(píng)估Fe2+/Fe3+的體外吸收研究。Garcia-Nebot等[43]研究證明了β-CN(125)4P、αs1-CN(64-74)4P和αs2-CN(1-19)4P肽可增加Caco-2細(xì)胞中鐵蛋白的合成。Chen Qianru等[40]發(fā)現(xiàn)源自鱈魚(yú)皮的Fe2+結(jié)合活性肽Gly-Pro-Ala-Gly-Pro-His-Gly-Pro-Pro-Gly在Caco-2細(xì)胞中可促進(jìn)Fe2+的轉(zhuǎn)運(yùn)。Palika等[17]研究發(fā)現(xiàn)人工合成的蛋清Fe3+結(jié)合活性肽Asp-Lys-Leu-Pro-Gly-Phe-Gly-Asp-Ser(PO4)-Ile-Glu-Ala-Gln增加了Fe3+在Caco-2細(xì)胞中的攝取量并刺激Caco-2細(xì)胞中鐵蛋白的合成。Wu Haohao等[10]研究發(fā)現(xiàn)鳀魚(yú)肌肉蛋白肽-Fe3+結(jié)合物通過(guò)肽轉(zhuǎn)運(yùn)途徑以及DMT1途徑促進(jìn)Caco-2細(xì)胞對(duì)Fe2+/Fe3+的吸收。Caco-2細(xì)胞模型用于研究Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽及肽-Fe2+/3+結(jié)合物的體外促進(jìn)Fe2+/Fe3+吸收效果,而IDA大鼠模型則用于評(píng)估肽-Fe2+/3+結(jié)合物在動(dòng)物體內(nèi)的生物利用度。研究發(fā)現(xiàn)鴨蛋蛋白肽-Fe2+結(jié)合物[19]可使IDA大鼠的體質(zhì)量、器官系數(shù)和血液學(xué)參數(shù)恢復(fù)到正常水平,上調(diào)鐵調(diào)節(jié)蛋白(hepcidin,Hepc)的表達(dá),并通過(guò)下調(diào)細(xì)胞頂膜的Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白DMT1以及細(xì)胞基底膜的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)鐵離子代謝,表明DPs-Fe2+可作為潛在的Fe2+補(bǔ)充劑。此外,F(xiàn)e2+-β酪蛋白磷酸肽也被證實(shí)可提高缺鐵大鼠體內(nèi)Fe2+的凈吸收量[44]。
在比較肽-Fe2+/3+結(jié)合物與其他補(bǔ)鐵產(chǎn)品的促鐵吸收效果中,Eckert等[34]研究發(fā)現(xiàn)大麥蛋白肽-Fe2+結(jié)合物與FeSO4相比,可顯著增加Caco-2細(xì)胞對(duì)Fe2+攝取量,且經(jīng)胃蛋白酶-胰酶消化后的Ser-Val-Asn-Val-Pro-Leu-Tyr-Fe2+結(jié)合物可使Caco-2細(xì)胞對(duì)Fe2+的攝取量提高4 倍。相似地,乳清蛋白經(jīng)體外模擬胃腸道消化后,小分子質(zhì)量的肽與Fe2+形成的結(jié)合物與FeSO4相比,其在Caco-2細(xì)胞中的Fe2+攝取量增加了約70%[28]。同時(shí),Ma Xiaoming等[45]通過(guò)構(gòu)建IDA大鼠評(píng)價(jià)模型發(fā)現(xiàn)鱈魚(yú)骨骼蛋白肽-Fe2+結(jié)合物不僅可使IDA大鼠的體質(zhì)量、身高和血液參數(shù)恢復(fù)到正常水平,且其與FeSO4相比還能更有效地改善IDA大鼠的血紅蛋白、血清鐵離子和轉(zhuǎn)鐵蛋白的水平,恢復(fù)鐵離子與轉(zhuǎn)鐵蛋白的結(jié)合能力。Xiao Chen等[46]研究發(fā)現(xiàn)高劑量的Arg-Glu-Glu-Fe2+與FeSO4、Fe-Gly相比,可顯著提高IDA大鼠的腎系數(shù)、總鐵結(jié)合能力、上調(diào)轉(zhuǎn)鐵蛋白水平以及肝臟中Hepc信使RNA的表達(dá)水平,并且與正常對(duì)照組相比無(wú)顯著性差異。此外,還有研究發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)灌流的大鼠腸環(huán)模型中,源于β-酪蛋白的酪蛋白磷酸肽-鐵結(jié)合物的吸收效果優(yōu)于葡萄糖酸鐵[47]。上述研究結(jié)果表明,肽-Fe2+結(jié)合物是比FeSO4、Fe-Gly和葡萄糖酸鐵更為有效的鐵離子補(bǔ)充劑。
盡管Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽及肽-Fe2+/3+結(jié)合物在Caco-2細(xì)胞實(shí)驗(yàn)及IDA大鼠實(shí)驗(yàn)中均顯示出促進(jìn)Fe2+/Fe3+的吸收,但若要將其制成商品化的膳食Fe2+/Fe3+補(bǔ)充劑,還需研究其在人體中確切的吸收機(jī)制及吸收利用效果。已有研究表明,蛋白質(zhì)、氨基酸[48]以及肉在消化過(guò)程中可生成含Cys的肽,其對(duì)人體Fe2+的吸收有促進(jìn)作用[49]。Martinez-Torres等[50]發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cys與植物性食物攝入時(shí),非血紅素鐵在人體中的吸收有所增強(qiáng)。Layrisse等[48]研究了His、Cys、谷胱甘肽和牛肉對(duì)人體Fe2+吸收的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)還原型谷胱甘肽顯著增加了黑豆和玉米中非血紅素以及血紅蛋白中血紅素Fe2+的吸收;此外,Cys、谷胱甘肽對(duì)玉米中Fe2+的吸收增強(qiáng)作用與牛肉相似。然而,Pizarro等[51]研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)物源蛋白質(zhì)及其消化產(chǎn)物不會(huì)增強(qiáng)人體血紅素Fe2+的吸收。因此,F(xiàn)e2+/Fe3+結(jié)合活性肽及肽-Fe2+/3+結(jié)合物在人體中如何促進(jìn)Fe2+/Fe3+的吸收有待進(jìn)一步深入研究。
Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽及肽-鐵結(jié)合物的主要作用是促進(jìn)鐵離子在人體中的吸收,除此之外,它們還具有抗氧化、抗菌、免疫調(diào)節(jié)等活性。在Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽的活性研究中,趙聰?shù)萚52]研究發(fā)現(xiàn)灰樹(shù)花蛋白Fe2+結(jié)合活性肽具有清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)自由基和羥自由基的能力,隨著活性肽質(zhì)量濃度的增加,其自由基的清除率明顯增加,在活性肽質(zhì)量濃度為4 mg/mL時(shí),其DPPH自由基和羥自由基的清除率分別高達(dá)92%和99.5%,且活性肽對(duì)于DPPH自由基的清除能力高于VC溶液。在肽-鐵結(jié)合物的活性研究中,林慧敏[23]研究發(fā)現(xiàn)帶魚(yú)下腳料水解物的Fe2+結(jié)合物具有抗菌活性,可抑制金黃色葡萄球菌對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的菌體分裂,影響細(xì)菌細(xì)胞膜的滲透性,抑制金黃色葡萄球菌腸毒素A的分泌。Kholnazarov等[53]發(fā)現(xiàn)Ile-Trp-Fe2+結(jié)合物具有免疫調(diào)節(jié)作用。此外,Zhang Bin等[54]研究發(fā)現(xiàn),飼喂了400~1 000 mg/kg帶魚(yú)蛋白水解物-Fe2+結(jié)合物的克氏原螯蝦,其成活率、增質(zhì)量比例、比生長(zhǎng)率、肌肉指數(shù)以及血清和肝胰臟中的超氧化物歧化酶、酚氧化酶、溶菌酶和酸性磷酸酶的活力與對(duì)照組相比均顯著提高,即PH-Fe2+可作為克氏原螯蝦飼料的補(bǔ)充劑,以促進(jìn)生長(zhǎng)和增強(qiáng)免疫力。在活性肽與肽-鐵結(jié)合物的活性比較中,Blat等[55]研究發(fā)現(xiàn)Asn-Ala-Pro-Val-Ser-Ile-Pro-Gln-Fe2+結(jié)合物具有抗氧化活性,可抑制鐵催化的羥自由基的形成和脂質(zhì)過(guò)氧化,其保護(hù)人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞免受過(guò)氧化氫細(xì)胞毒性作用的效果優(yōu)于原多肽。林慧敏等[56]發(fā)現(xiàn)4 種低值魚(yú)蛋白酶解肽沒(méi)有抑菌活性,而經(jīng)與Fe2+結(jié)合后形成的Fe2+結(jié)合物表現(xiàn)出不同程度的抑菌作用。此外,楊玉蓉等[42]研究發(fā)現(xiàn)小分子質(zhì)量(<5 000 Da)的桃仁多肽-Fe2+結(jié)合物抑菌活性高于大分子質(zhì)量的,且桃仁多肽-Fe2+結(jié)合物和小麥多肽-Fe2+結(jié)合物對(duì)大腸桿菌的最小抑菌濃度(minimal inhibitory concentration,MIC)均為5.0 mg/mL,對(duì)金黃色葡萄球菌的MIC分別為2.5 mg/mL和5.0 mg/mL,該研究還發(fā)現(xiàn)桃仁、大豆、玉米和小麥等多肽-Fe2+結(jié)合物的抗菌活性均高于原多肽,據(jù)此推測(cè)桃仁多肽Fe2+結(jié)合物的抑菌活性與Fe2+的抑菌活性有關(guān)。
所有的營(yíng)養(yǎng)素均需要處于溶解的狀態(tài)才會(huì)被細(xì)胞吸收利用。然而,日常膳食中通常含有Fe2+/Fe3+吸收抑制劑,如植酸、單寧、草酸鹽和多酚等,它們可結(jié)合鐵離子形成沉淀而降低Fe2+/Fe3+在腸道中的溶解度[57]。此外,腸腔中的環(huán)境是堿性的,F(xiàn)e2+/Fe3+在pH>3時(shí)會(huì)形成沉淀。多肽可以結(jié)合Fe2+/Fe3+形成可溶性的肽-Fe2+/3+結(jié)合物,使Fe2+/Fe3+在小腸中保持可溶狀態(tài)。Wu Haohao等[41]研究發(fā)現(xiàn),鳀魚(yú)多肽介導(dǎo)的Fe3+納米微粒的形成可提高Fe3+在溶液中的溶解度。Fe2+-CPP結(jié)合物的形成也提高了Fe2+在消化道中的溶解度。先后經(jīng)過(guò)胃蛋白酶和胰蛋白酶酶解后的蛋清蛋白,其酶解產(chǎn)物與Fe2+的結(jié)合產(chǎn)物同樣增加了Fe2+在溶液中的溶解度[17]。蛋白酶解物或肽與Fe2+/Fe3+結(jié)合后使Fe2+/Fe3+以溶解的狀態(tài)進(jìn)入腸道,進(jìn)而被腸細(xì)胞以胞吞形式、肽轉(zhuǎn)運(yùn)途徑或通過(guò)胞膜上的離子通道將Fe2+/Fe3+攝入腸細(xì)胞。
目前,相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)肽-Fe2+/3+結(jié)合物中的Fe2+/Fe3+可能通過(guò)寡肽轉(zhuǎn)運(yùn)體PepT1/PepT2、胞吞和離子通道等途徑進(jìn)入腸細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)用Fe-Gly飼喂的仔豬,其十二指腸和空腸中PepT1的mRNA表達(dá)水平高于飼喂FeSO4的仔豬,從而表明PepT1在Fe-Gly的吸收中起關(guān)鍵作用[58]。CPP-Fe2+結(jié)合物可通過(guò)胞吞作用被吸收[59]。人體內(nèi)的Fe3+需經(jīng)還原性物質(zhì),如十二指腸細(xì)胞色素b(duodenal cytochrome B,Dcytb)以及腸細(xì)胞中其他還原酶將Fe3+還原為Fe2+后才能發(fā)揮其生理活性[60]。Cys和還原型谷胱甘肽增強(qiáng)了Caco-2細(xì)胞中Fe3+的吸收,但對(duì)Fe2+的吸收沒(méi)有影響,這表明它們可能通過(guò)還原Fe3+來(lái)促進(jìn)鐵離子的吸收[61]。同樣地,Wu Haohao等[10]研究發(fā)現(xiàn)Caco-2細(xì)胞通過(guò)非特異性、非吸附性的胞吞作用來(lái)轉(zhuǎn)運(yùn)鳀魚(yú)多肽-Fe3+結(jié)合物,并發(fā)現(xiàn)腸細(xì)胞膜上的Dcytb還原酶可將Fe3+還原為Fe2+,F(xiàn)e2+再通過(guò)腸細(xì)胞膜上的Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白DMT1轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi),進(jìn)而促進(jìn)Fe2+/Fe3+的吸收。
綜上,F(xiàn)e2+/Fe3+結(jié)合活性肽及肽-Fe2+/3+結(jié)合物促進(jìn)Fe2+/Fe3+吸收的機(jī)制為(圖1):Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽結(jié)合Fe2+/Fe3+后可提高并保持Fe2+/Fe3+在腸道中的溶解度,當(dāng)Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽是小分子寡肽時(shí),小分子寡肽結(jié)合Fe2+/Fe3+后可能通過(guò)PepT1/PepT2途徑將肽-Fe2+/3+結(jié)合物轉(zhuǎn)入胞內(nèi);當(dāng)較大分子質(zhì)量的活性肽結(jié)合Fe2+,即形成肽-Fe2+結(jié)合物時(shí),肽-Fe2+結(jié)合物以胞吞的形式或通過(guò)胞膜上的Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白DMT1將Fe2+攝入細(xì)胞內(nèi);當(dāng)結(jié)合的是Fe3+時(shí),肽-Fe3+結(jié)合物以胞吞的形式進(jìn)入腸細(xì)胞后,F(xiàn)e3+可經(jīng)胞內(nèi)的還原性物質(zhì)還原為Fe2+,或者腸細(xì)胞膜上的Dcytb還原酶將肽-Fe3+結(jié)合物中Fe3+的還原為Fe2+后,再通過(guò)Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白DMT1進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),從而促進(jìn)Fe2+的吸收。
圖1 肽-Fe2+/3+結(jié)合物促進(jìn)Fe2+/Fe3+吸收的機(jī)制Fig.1 Mechanism of peptide-Fe2+/3+complexes for promoting iron absorption
目前,對(duì)于Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽的研究主要是酶解制備、序列鑒定以及基礎(chǔ)活性,而研究鮮少關(guān)注于肽與Fe2+/Fe3+反應(yīng)的過(guò)程表征。盡管有許多研究利用UV-vis和FTIR推測(cè)出Glu、Asp、His等在肽鏈與Fe2+/Fe3+結(jié)合過(guò)程中起重要作用,但其確切的結(jié)合位點(diǎn)及結(jié)合后結(jié)構(gòu)的變化尚不清楚,應(yīng)進(jìn)一步利用MS或分子對(duì)接技術(shù)對(duì)肽與Fe2+/Fe3+的結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位,對(duì)其結(jié)合后的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行表征。肽-Fe2+/3+結(jié)合物促進(jìn)Fe2+/Fe3+吸收的機(jī)制大多只研究肽轉(zhuǎn)運(yùn)途徑,鮮有從Fe2+/Fe3+細(xì)胞膜蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)通道等其他途徑進(jìn)行探究,應(yīng)進(jìn)一步明確肽-Fe2+/3+結(jié)合物中Fe2+/Fe3+在腸細(xì)胞上的吸收通路。此外,肽-Fe2+/3+結(jié)合物還面臨著如何維持其自身穩(wěn)定性以及在胃腸道中的穩(wěn)定性等關(guān)鍵性問(wèn)題。Fe2+/Fe3+補(bǔ)充劑在長(zhǎng)期貯存和加工過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生許多未知的變化,如鐵酪蛋白琥珀?;后w口服制劑在長(zhǎng)期貯存后會(huì)產(chǎn)生不可接受的味道[62]。因此,需進(jìn)一步研究肽-Fe2+/3+結(jié)合物與不同食物基質(zhì)的相容性,以及其在胃腸道消化或長(zhǎng)期貯存過(guò)程中的穩(wěn)定性。目前,盡管大多數(shù)Fe2+/Fe3+結(jié)合活性肽或肽-Fe2+/3+結(jié)合物已被證明對(duì)動(dòng)物或細(xì)胞具有促進(jìn)Fe2+/Fe3+吸收作用,但還亟需進(jìn)一步確認(rèn)其在人體中的實(shí)際應(yīng)用效果。
多肽可作為營(yíng)養(yǎng)素,為人體提供所需的氨基酸,其與Fe2+/Fe3+結(jié)合后還可促進(jìn)非血紅素Fe2+/Fe3+的吸收,減少Fe2+/Fe3+缺乏癥的危害。此外,F(xiàn)e2+/Fe3+結(jié)合活性肽及肽-Fe2+/3+結(jié)合物的原料大多是食物蛋白質(zhì),原料來(lái)源安全且資源豐富,既能充分利用蛋白資源還能避免浪費(fèi)和環(huán)境污染。隨著研究的深入,F(xiàn)e2+/Fe3+結(jié)合活性肽及肽-Fe2+/3+結(jié)合物作為促鐵離子吸收劑將具有廣闊的應(yīng)用前景。