木瓜蛋白酶制備山杏源降糖肽工藝優(yōu)化研究

王 晟，崔 潔，顧 欣，張喬會(huì)，王建中

(北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100083)

糖尿病已經(jīng)成為繼腫瘤、心腦血管疾病之后的第三大人類殺手，其中多為Ⅱ型糖尿?。?］，目前口服使用的阿卡波糖等降血糖藥物存在著價(jià)格昂貴和有惡心嘔吐等不良反應(yīng)的缺陷［2］。具有降血糖功效的天然產(chǎn)物很好地彌補(bǔ)了這些缺陷，其中多為多糖類，如苦瓜多糖、桑黃多糖、地參多糖等［3－4］。多肽類降血糖產(chǎn)物也逐漸成為研究熱點(diǎn)，已經(jīng)有苦瓜肽、人參多肽、靈芝肽、鯊魚肝肽等被證明有降血糖活性［5－9］。山杏仁含27%的蛋白質(zhì)，氨基酸種類齊全，平衡合理，是一種優(yōu)良的植物源蛋白質(zhì)［10］，榨油之后的山杏仁粕更是蛋白含量高達(dá)41.60%［11］，而這些山杏仁粕卻常常被直接丟棄，沒能得到充分利用。木瓜蛋白酶具有耐高溫、活性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)［12］，在多肽研究中是一種常用的酶。劉雪峰［13］等的研究表明杏仁肽具有降血糖活性，但原料和所使用的酶都和本研究不一樣。本研究使用木瓜蛋白酶水解脫脂山杏仁粕，探究制備具有降血糖活性的肽的工藝條件，為山杏仁粕的進(jìn)一步開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

脫脂山杏仁粕 河北省平泉縣;木瓜蛋白酶(50萬 U/g)、α－葡萄糖苷酶、4－硝基苯－α－D－吡喃葡萄糖苷(PNPG)Sigma Chem.Co.;其余試劑 均為分析純。

FD－1冷凍干燥機(jī) 北京德天佑科技發(fā)展有限公司;D－37520Osterode型冷凍離心機(jī) Thermo Scientific;Model 680 Microplate reader酶標(biāo)儀 BIORAD;HHS4型恒溫水浴鍋 上海浦東躍新科學(xué)儀器廠;PHS－25型pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;氣引式粉碎機(jī) 日本佑崎有限公司;SHZ－D循環(huán)水式多用真空泵 上海振捷實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 脫脂 將脫脂山杏仁粕粉碎后用石油醚浸泡，每天更換石油醚反復(fù)多次直至脫脂徹底。抽濾除去石油醚后，置于通風(fēng)櫥中靜置晾干，過80目篩，于4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 蛋白質(zhì)的提取 堿提酸沉法提蛋白［14］，具體工藝流程如下:脫脂山杏仁粉→堿提(液料比14∶1，37℃，60min，pH9.0)→離心(4000r/min，20min)→上清液→酸沉(pH4.1)→離心(5000r/min，15min)→沉淀→復(fù)溶(調(diào)pH至中性)→冷凍干燥→山杏仁蛋白粉

1.2.3 酶解條件

1.2.3.1 單因素實(shí)驗(yàn) 在其他條件一定的情況下，分別對 pH(5、6、7、8、9)、酶解時(shí)間(1、2、3、4、5、6、7、8h)、溫度(40、45、50、55、60℃)、加酶量(1%、2%、3%、4%、5%、6%)、料液比(1、3、5、7、9)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，基本條件為pH7.0，時(shí)間6h，溫度50℃，加酶量3%，料液比5%，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.3.2 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，使用Design－Expert 7.1.5軟件，根據(jù)Box－Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理［15］，設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，以對α－葡萄糖苷酶抑制活性為指標(biāo)，對酶解條件進(jìn)行優(yōu)化。因素水平表見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素及水平表Table 1 Analytical factors and levels for Box－Behnken

1.2.4 α－葡萄糖糖苷酶抑制率的測定 采用分光光度法進(jìn)行測定，以PNPG為底物，通過α－葡萄糖苷酶酶解反應(yīng)會(huì)釋放出硝基苯酚，在400nm處有最大吸光度，可以根據(jù)這一特性測定樣品對α－葡萄糖苷酶的抑制活性［16］。

配制25mg/mL的α－葡萄糖苷酶溶液、0.5mol/L的磷酸鹽緩沖液(pH6.7)和0.9133mg/mL的PNPG，在96孔酶標(biāo)板每個(gè)小孔中依次加入緩沖液、樣品溶液、PNPG和酶溶液，混勻后在37℃條件下反應(yīng)1h，然后加入50μL碳酸鈉溶液(0.67mol/L)終止反應(yīng)，在400nm下用酶標(biāo)儀測定吸光度值。測定反應(yīng)體系如表2所示。

抑制率計(jì)算公式為:

其中，A空白、A樣品、A樣品對照分別為空白組、樣品組和樣品對照組對應(yīng)的吸光度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 酶解時(shí)間對產(chǎn)物活性的影響 酶解時(shí)間對產(chǎn)物α－葡萄糖苷酶的抑制率影響如圖1所示。從圖1可以看出，產(chǎn)物對α－葡萄糖苷酶的抑制活性在6h時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，比3～5h的產(chǎn)物抑制率提高了1.5%左右(p＜0.01)。6h后抑制活性呈下滑趨勢。這可能是由于在底物蛋白中包含可溶性蛋白和不溶性蛋白，可溶性蛋白水解時(shí)，最初階段敏感性肽鍵快速斷裂，不敏感肽鍵后來斷裂;在不溶性底物蛋白的酶水解中，酶吸附在不溶性蛋白表面，首先水解稀疏結(jié)合的不溶性蛋白上的聚合肽，然后再慢慢水解中心的肽鍵［17］。6h后活性肽被過度酶解，結(jié)構(gòu)遭到破壞所致。因此，木瓜蛋白酶最佳酶解時(shí)間應(yīng)控制在6h左右。

圖1 時(shí)間對產(chǎn)物活性的影響Fig.1 Effect of time on the inhibition ratio

2.1.2 pH對產(chǎn)物活性的影響 pH對產(chǎn)物α－葡萄糖苷酶的抑制率影響如圖2所示。從圖2可以看出，pH為7時(shí)酶解產(chǎn)物對α－葡萄糖苷酶的抑制活性達(dá)到最高點(diǎn)。pH小于7或大于7時(shí)，酸堿條件會(huì)影響酶的活性和底物的構(gòu)象［18］。因此，木瓜蛋白酶酶解工藝的最佳pH應(yīng)在7左右。

圖2 pH對產(chǎn)物活性的影響Fig.2 Effect of pH on the inhibition ratio

2.1.3 溫度對產(chǎn)物活性的影響 溫度對產(chǎn)物α－葡萄糖苷酶的抑制率影響如圖3所示。由圖3可知，溫度為50℃時(shí)，酶解產(chǎn)物的抑制活性達(dá)到最高，溫度繼續(xù)升高，酶的活性受到抑制，即有活性的酶減少，影響酶解速度。因此，在本實(shí)驗(yàn)條件下，酶解溫度選擇50℃左右。

2.1.4 加酶量對產(chǎn)物活性的影響 加酶量對產(chǎn)物α－葡萄糖苷酶的抑制率影響如圖4所示。由圖4可知，加酶量為2%時(shí)，酶解產(chǎn)物的抑制活性達(dá)到最高點(diǎn)，高于2%時(shí)，酶含量較高，但因?yàn)榈孜锵鄬^少，產(chǎn)物抑制活性不會(huì)再增加。在本實(shí)驗(yàn)條件下，最佳加酶量選擇2%。

2.1.5 料液比對產(chǎn)物活性的影響 料液比對產(chǎn)物α－葡萄糖苷酶的抑制率影響如圖5所示。由圖5可知，料液比在7%時(shí)，產(chǎn)物的抑制活性達(dá)到最高點(diǎn)，大于7%后，抑制率反而呈下降趨勢。這可能是因?yàn)橹参锏鞍字泻兄参锏鞍酌敢种苿?，能與蛋白酶作用與底物共享蛋白酶的結(jié)合基團(tuán)，表現(xiàn)出競爭性抑制作用［18］。因此，最佳料液比選擇7%。

表2 α－葡萄糖苷酶抑制率檢測反應(yīng)體系的組成Table 2 The composition of α－glycosidase enzyme inhibition testing system

圖3 溫度對產(chǎn)物活性的影響Fig.3 Effect of temperature on the inhibition ratio

圖4 加酶量對產(chǎn)物活性的影響Fig.4 Effect of enzyme amount on inhibition ratio

圖5 料液比對產(chǎn)物活性的影響Fig.5 Effect of sample to solution ratio on inhibition ratio

2.2 響應(yīng)面法對酶解工藝的優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面分析結(jié)果 依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3。

采用Design－Expert 7.1.5軟件程序?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，分析結(jié)果得出木瓜蛋白酶酶解山杏蛋白的回歸方程為:

對上述回歸模型進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見表4。結(jié)果表明模型是極顯著的(p＜0.0001)，回歸方程的決定系數(shù)是0.9889，說明該模型能夠解釋98.89%的變化，因此可以用此模型對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和預(yù)測。一次項(xiàng)中，A、B、C 影響極顯著，平方項(xiàng) A2、B2影響極顯著，而交互項(xiàng)的影響相對較小。各因素對酶解所得山杏肽活性影響的大小順序?yàn)?pH＞溫度＞加酶量＞料液比。

表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of Box－Behnken

2.2.2 響應(yīng)面分析 根據(jù)回歸方程，作出響應(yīng)面圖，見圖6～圖11。

圖6 pH與溫度的交互作用影響的響應(yīng)曲面Fig.6 Responsive surfaces of pH and temperature

考察響應(yīng)曲面，可以進(jìn)一步得出結(jié)論，四個(gè)因素中對酶解液降糖活性影響最大的是pH，溫度次之，加酶量和料液比的影響較小，四個(gè)因素之間的交互影響較小。

表4 響應(yīng)面回歸模型方差分析Table 4 ANOVA for response surface quadratic model

圖7 pH與加酶量的交互作用影響的響應(yīng)曲面Fig.7 Responsive surfaces of pH and enzyme amount

圖8 pH與料液比的交互作用影響的響應(yīng)曲面Fig.8 Responsive surfaces of pH and sample to solution ratio

圖9 溫度與加酶量的交互作用影響的響應(yīng)曲面Fig.9 Responsive surfaces of temperature and enzyme amount

圖10 溫度與料液比的交互作用影響的響應(yīng)曲面Fig.10 Responsive surfaces of temperature and sample to solution ratio

2.2.3 最佳酶解工藝條件的確定 為了確定最佳工藝條件，利用軟件對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，得到的山杏肽最佳酶解條件為:pH6.88，溫度49.49℃，加酶量3%，料液比6，在此條件下，產(chǎn)物抑制活性的預(yù)測值為14.15%。為了實(shí)際操作方便，將酶解工藝條件修正為:pH7，溫度50℃，加酶量3%，料液比6。在此條件下進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn)，求平均值得到酶解產(chǎn)物對α－葡萄糖苷酶的抑制活性為14.22%，高于預(yù)測值0.07%。將此條件下得到的酶解液凍干，測定其IC50值，結(jié)果為0.08g/mL。證明響應(yīng)面法對木瓜蛋白酶酶解山杏仁蛋白制備α－葡萄糖苷酶抑制肽條件的優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確可靠，有實(shí)用價(jià)值。

圖11 加酶量與料液比的交互作用影響的響應(yīng)曲面Fig.11 Responsive surfaces of enzyme amount and sample to solution ratio

3 結(jié)論

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法優(yōu)化木瓜蛋白酶酶解山杏仁蛋白制備α－葡萄糖苷酶抑制肽的工藝參數(shù)，獲得的最佳工藝條件為:pH7，溫度50℃，加酶量3%，料液比6，在此條件下產(chǎn)物的抑制率為14.22%。

植物蛋白的天然成分對疾病有著獨(dú)特的功效卻沒有人工合成藥物的副作用［19］，本實(shí)驗(yàn)還可以進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究:對酶解產(chǎn)物進(jìn)行分離純化、結(jié)構(gòu)鑒定，以得到已知結(jié)構(gòu)的純品;還可以對產(chǎn)物進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，如功能性飲料等。

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