酪蛋白胰酶水解物的抗氧化活性及穩(wěn)定性

陳旭峰，王佳麗，樊偉鑫，許女

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)a.實驗教學(xué)中心，b.食品科學(xué)與工程學(xué)院山西太谷030801）

0 引 言

1979年，Brantle等人[1]首先報道發(fā)現(xiàn)了一類短肽，其具有類嗎啡活性，這類短肽源自喂食了牛乳酪蛋白酶解產(chǎn)物的豚鼠小腸。該短肽命名為β-酪啡肽-7(β-casomorphins-7，β-CM-7)，是由 7個氨基酸組成，對應(yīng)于β-酪蛋白第60～66氨基酸殘基片段。此后，人們對于有關(guān)乳源性活性肽的研究進展十分迅速，并且逐步成為乳品界的探索重點。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可能廣泛存在一些功能域于乳蛋白多肽鏈中，許多生物活性肽包含在其中，并且蛋白酶水解作用可以將其釋放，使其在體內(nèi)表現(xiàn)出特定的生理作用。目前人們對于乳源抗氧化活性肽的探究重點為抗高血壓肽[2]、免疫調(diào)節(jié)肽[3-4]、抗血栓肽[5]、促進金屬離子吸收的肽[6-7]、抗菌肽[8-9]、細(xì)胞生長的促進[10]、阿片肽等[11]，而關(guān)于抗氧化活性肽的研究則相對較少。

沈浥[12]通過響應(yīng)面優(yōu)化了胰蛋白酶水解乳清蛋白以制備抗氧化肽工藝，最終獲得的酶解產(chǎn)物在濃度為10 mg/mL時1，1-二苯基-2-苦基肼基自由基(1，1-Diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH)清除率為78.78%，并且大孔純化產(chǎn)物通過凝膠過濾色譜Sephadex G-15和反相高效液相色譜(Reverse phase high-performance liquid chromatography，RP-HPLC)分離，最終獲得兩個肽段A3a和A3b，具有較好的抗氧化活性。劉志東等[13]則比較了4種不同的酶水解酪蛋白產(chǎn)物的抗氧化性，結(jié)果表明木瓜蛋白酶和胃蛋白酶酶解產(chǎn)物清除DPPH、超氧陰離子自由基(O2-·)、羥自由基(·OH)的能力強于胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶酶解產(chǎn)物；而后兩者酶解產(chǎn)物的還原性卻強于前兩者。毛學(xué)英等[14]和紀(jì)銀莉等[15]對牦牛乳酪蛋白酶解過程進行了優(yōu)化及抗氧化活性研究，結(jié)果表明具有DPPH自由基清除能力的酪蛋白酶解產(chǎn)物的制備采用堿性蛋白酶時產(chǎn)量較高，卻具有含量較低的氨基氮，適合作為具有功能性的健康食品基材。

本文主要優(yōu)化了酪蛋白酶解制備抗氧化肽的工藝，系統(tǒng)研究了體外和體內(nèi)抗氧化活性，并進行了耐熱性、耐酸堿性、耐消化性和儲存穩(wěn)定性試驗，為其廣泛的開發(fā)和應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

酪蛋白、胰蛋白酶、胃蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶、DPPH、鄰苯三酚、抗壞血酸(Vitamin C，VC)、丙二醛(Malonaldehyde，MDA)檢測試劑盒、水楊酸、三氯化鐵、過氧化氫、鐵氰化鉀等。

酶生產(chǎn)廠家提供的各種蛋白酶的最適反應(yīng)p H值以及溫度條件如表1所示。

表1 各種蛋白酶的最適反應(yīng)條件

1.2 儀器與設(shè)備

BS2010S電子分析天平、電熱鼓風(fēng)干燥箱、TDL-4低速離心機、HHS-21-4數(shù)顯恒溫水浴鍋、F22E可見分光光度計、R 201D-11旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、真空冷凍干燥機、SM 800臨床專用全自動酶標(biāo)儀。

1.3 試驗方法

1.3.1 酪蛋白酶解物的制備

稱取酪蛋白30 g溶于500 mL蒸餾水中，加入蛋白酶啟動反應(yīng)。水解過程中維持最適酶反應(yīng)溫度，最適pH值，并不斷攪拌，分別在0，30，60，90，120，150，180，210，240 min取樣，調(diào)pH到7.0，煮沸滅酶10 min，冷卻后，在4℃，以4 000 r/min離心20 min，測定部分上清液的蛋白水解度，并將其余上清液凍干以分析抗氧化活性。

1.3.2 酪蛋白水解度及酶解物肽濃度的測定

按照文獻[16]中的方法，采用甘氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定水解蛋白液中-NH2的含量(μmol/mL)，水解度計算公式如下：

式中：htot為每g蛋白質(zhì)的肽鍵毫摩爾數(shù)，查得酪蛋白htot=8.2(mmol/g)；6.25×N為水解底物蛋白質(zhì)含(g/L)，本實驗酪蛋白為11.66。

按照文獻[10]中的方法，采用Folin酚法測定多肽濃度。

1.3.3 體外抗氧化活性測定

按照文獻[17]中的方法，對酪蛋白水解物凍干樣品進行總還原能力、羥自由基(·OH)、超氧陰離子自由基(O2—·)、一氧化氮自由基(NO·)的清除能力和抑制脂質(zhì)過氧化能力進行測定。

1.3.4 體內(nèi)抗氧化活性測定

（1）D-半乳糖致衰老模型 將小鼠按體重隨機分為三組，即：正常對照組(每日灌胃生理鹽水)，模型組(每日灌胃生理鹽水)，CTH組(每日灌胃酪蛋白胰蛋白酶水解物 400 mg/kg.bw)，每組各10只，模型組和CTH組每日頸背部皮下注射用生理鹽水配制的滅菌D-gal(150 mg/kg·d)，正常組補充等量生理鹽水，連續(xù)6周，自由飲食。

（2）抗氧化指標(biāo)檢測及方法 采用試劑盒對小鼠血清、肝、腦組織中SOD活性、GSH-Px活性和MDA含量進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同蛋白酶對酪蛋白酶解物性質(zhì)的影響

肽的氨基酸序列和酶解物的抗氧化活性有著密切聯(lián)系，各種蛋白酶的底物特異性以及作用位點的不同對其起到?jīng)Q定性作用，根據(jù)酶生產(chǎn)廠家提供的酶的最適反應(yīng)p H值以及溫度條件(見表1)，考察不同蛋白酶對酪蛋白酶解物水解度及DPPH清除率的影響，試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 各種蛋白酶對酪蛋白的酶解進程曲線

由圖1可知，酶解酪蛋白后水解度最高的是堿性蛋白酶和胰蛋白酶。在120 min內(nèi)，各種酶水解酪蛋白的水解度都隨水解時間的延長而不斷增大，120 min時水解度達(dá)到最大值(除堿性蛋白酶外)，之后趨于穩(wěn)定，說明此時大多數(shù)的酪蛋白已經(jīng)被酶水解成小肽段和游離氨基酸。對于中性蛋白酶，120 min后水解度呈下降趨勢，水解度的降低是由于一些游離氨基酸與小肽的結(jié)合作用，由此導(dǎo)致了此類現(xiàn)象的出現(xiàn)。此結(jié)果與葉挺等[18]在不同蛋白酶和水解條件對酪蛋白酶解產(chǎn)物性質(zhì)的影響研究中得到的結(jié)論相似，其結(jié)果表明堿性蛋白酶水解酪蛋白的速度最快，酪蛋白的水解程度最大，說明酪蛋白上有較多的堿性蛋白酶酶切位點。

圖2 酪蛋白不同酶解產(chǎn)物的DPPH自由基清除率

圖2 為120 min時酪蛋白經(jīng)各種酶水解產(chǎn)物測得的DPPH清除率。由圖2可知雖然堿性蛋白酶酶解產(chǎn)物的水解度最高，但其產(chǎn)物抗氧化活性卻低于胰蛋白酶酶解產(chǎn)物。因為不同的酶對酪蛋白中所含的各種蛋白的底物特異性以及作用位點有區(qū)別，獲得的酶解產(chǎn)物的肽鏈結(jié)構(gòu)和長度有差異，并導(dǎo)致其活性大小也有可能有差別。通常人們預(yù)期得到的生物活性肽是分子量較小的短肽。沈浥[12]在酶解乳清蛋白制備抗氧化肽的研究中也得到相似結(jié)論，即水解度與抗氧化活性并不總是呈現(xiàn)正比關(guān)系。

毛學(xué)英等[14]和紀(jì)銀莉等[15]以牦牛乳酪蛋白為原料，利用胃蛋白酶、胰蛋白酶、堿性蛋白酶，木瓜蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶制備酪蛋白酶解產(chǎn)物，并分別測定其DPPH自由基清除活性，發(fā)現(xiàn)堿性蛋白酶酶解產(chǎn)物的清除活性顯著高于其他酶解產(chǎn)物(P＜0.05)。劉志東等[13]證明木瓜蛋白酶和胃蛋白酶水解酪蛋白產(chǎn)物比胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶酶解物具有更強的DPPH、超氧陰離子自由基、羥基自由基的清除活性；然而比較其還原能力，則胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶酶解物比木瓜蛋白酶和胃蛋白酶酶解物強。而在本文中胰蛋白酶水解產(chǎn)物具有最強的抗氧化活性。因此，底物蛋白種類不同，即使都是酪蛋白，來源不同(牦牛和奶牛)，其制備抗氧化肽最適的酶不同。

2.2 酶解工藝優(yōu)化

2.2.1 底物濃度對水解度和DPPH自由基清除率的影響

選用胰蛋白酶，當(dāng)條件為pH 8.0，T為50℃，加酶量[E]/[S]為3%時水解120 min，探究底物濃度[S]對酪蛋白水解度以及抗氧化能力的影響，結(jié)果見圖3。由圖可知，在[S]為50 mg/mL以內(nèi)，水解度和抗氧化活性隨底物濃度的升高而不斷增強，當(dāng)[S]為50 mg/mL時，酶已由于底物而達(dá)到飽和，酶分子與底物作用，之間碰撞的可能性很大，產(chǎn)生劇烈反應(yīng)，水解度(Degree of hydrolysis，DH)和DPPH自由基清除率達(dá)到最高，分別為26%和60.2%。隨著增加底物的濃度，體系中水的流動性被高濃度的蛋白所束縛，導(dǎo)致酶分子與底物之間的碰撞機會逐步減少，致使降低酶解的反應(yīng)速率，另外，蛋白濃度太高，會使得蛋白能夠占據(jù)酶分子的部分活性位點，從而使中間產(chǎn)物形成，這些沒有活性的中間產(chǎn)物，抑制了酶解反應(yīng)，逐步降低了水解度[12]。

圖3 底物濃度對酪蛋白水解度和DPPH自由基清除率的影響

2.2.2 加酶量對水解度和DPPH自由基清除率的影響

選用胰蛋白酶，當(dāng)條件為p H 8.0，T為50℃，[S]為50 mg/mL時，水解120 min，探究加酶量[E]/[S]對酪蛋白水解度和抗氧化活性的影響，結(jié)果見圖4。由圖可知，隨著加酶量的增加，水解度和DPPH自由基清除率也顯著提高(P＜0.05)，當(dāng)[E]/[S]為4%時，底物被飽和，水解度和DPPH自由基清除率均不再顯著提高(P＞0.05)。酶的數(shù)量超過一定限度而多余，單位時間內(nèi)一部分酶分子不能與底物相結(jié)合，就會使得水解程度的增加過程變慢。

圖4 加酶量對酪蛋白水解度和DPPH自由基清除率的影響

2.2.3 溫度對水解度和DPPH自由基清除率的影響

選用胰蛋白酶，當(dāng)條件為[E]為50 mg/mL，[E]/[S]為4%，pH 8.0時，水解120 min，研究溫度對水解度和抗氧化能力的影響，結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨著酶解溫度的不斷升高，水解度會逐步增加(P＜0.05)，在溫度為50℃的時候酶解產(chǎn)物的水解度以及DPPH自由基清除率達(dá)到最高，當(dāng)溫度達(dá)到55℃時，水解度和抗氧化活性均呈現(xiàn)出下降趨勢。溫度過高或過低時，都會發(fā)生抑制作用導(dǎo)致酶的活性降低，其中也可看出水解度和DPPH自由基清除率之間呈線性關(guān)系，二者出現(xiàn)了相同變化趨勢，同時溫度過高時會破壞蛋白酶的空間結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其失去活性，使抗氧化活性下降。此研究與侯楚楚[19]研究的酪蛋白水解肽制備條件優(yōu)化的結(jié)果一致，50℃為最佳酶解溫度。

圖5 溫度對酪蛋白水解度和DPPH自由基清除率的影響

2.2.4 pH值對水解度和DPPH自由基清除率的影響

選用胰蛋白酶，當(dāng)條件為[S]為50 mg/mL，[E]/[S]為4%，T為50℃時水解120 min，研究pH值對抗氧化活性以及水解度的影響，結(jié)果見圖6。由圖可知，在pH 7.0～8.5之間，水解度和DPPH清除率均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在pH 7.5的時候達(dá)到峰值。與侯楚楚[19]研究結(jié)果一致，在p H小于7.5時，酶解速率非?？欤舛入Sp H的增大而減??；當(dāng)p H大于7.5時，水解度隨著pH的增大而減小。

圖6 pH對酪蛋白水解度和DPPH自由基清除率的影響

2.2.5 時間對水解度和DPPH自由基清除率的影響

選用胰蛋白酶，當(dāng)條件為[S]為50 mg/mL，[E]/[S]為4%，T為50℃，pH為7.5時，研究水解時間對抗氧化活性及水解度的影響，結(jié)果見圖7。由圖可知，隨著水解時間的不斷延長，水解度會持續(xù)增加，在150 min時趨于穩(wěn)定，水解度達(dá)到34.5%，這是由于隨著時間的延長，反應(yīng)位點不斷被酶分子飽和，導(dǎo)致可以同酶分子作用的肽鍵數(shù)目逐步減少；同時產(chǎn)物濃度不斷增加，形成了較強的競爭性抑制作用。在水解時間為120 min條件下，DPPH自由基清除率達(dá)到最高，為68.1%。侯楚楚[19]也得到相似結(jié)論，研究表明隨著酶解反應(yīng)的進行，酪蛋白分子逐漸水解成多肽和氨基酸的混合物，在0～30 min內(nèi)，酶解速率較快，之后慢慢的趨于平緩狀態(tài)。這是因為隨著酶解反應(yīng)的進行，胰蛋白酶酶切作用位點減少，從而反應(yīng)趨緩。

圖7 水解時間對酪蛋白水解度和DPPH自由基清除率的影響

2.3 酪蛋白胰酶水解物的體外抗氧化活性

由表2可知，酪蛋白胰酶水解物的還原能力隨濃度的增加而增大，說明其具有較強的還原能力，因而具有較高的抗氧化活性，與劉志東[13]的研究結(jié)果一致，但本試驗高于其研究的酪蛋白胰酶水解物的還原能力。此酪蛋白酶解物不僅具有可以很好地清除DPPH自由基的能力，對·OH和NO·自由基的清除也有著很好的作用，并且具有濃度相關(guān)性，當(dāng)多肽濃度為10 mg/mL時，對二者的清除率分別可以達(dá)到45.2%和61.5%，當(dāng)濃度升高到30 mg/mL時，其清除率分別達(dá)到62.4%和79.5%；另外，其對O2-·及Fe2+誘發(fā)的卵黃脂蛋白脂質(zhì)過氧化都具有一定的清除和抑制能力。Pritchard等[20]從商業(yè)切達(dá)干酪中分離純化出一種DPPH清除能力很強的抗氧化活性肽，且肽的濃度越高，清除能力越強。Kong等[21]證明利用堿性蛋白酶水解乳清蛋白5小時后得到的水解物FRAP的清除能力最強，并最終證實分子量為0.1～2.8 ku的低分子量肽最具有抗氧化潛力。這些活性肽的具體抗氧化機制還不清楚，但研究顯示肽的抗氧化活性與其分子組成、結(jié)構(gòu)、疏水性和氨基酸的殘基位點有關(guān)。今后，我們需要對抗氧化活性肽的構(gòu)效關(guān)系作進一步研究。

表2 酪蛋白胰酶水解物體外抗氧化活性

2.4 酪蛋白胰酶水解物的體內(nèi)抗氧化活性

機體受到氧化破壞會導(dǎo)致一些老年疾病和神經(jīng)性器質(zhì)病變，比如糖尿病、動脈粥樣硬化、癌癥、冠心病等，抗氧化肽可以阻止脂質(zhì)過氧化物的產(chǎn)生，降低氧化壓力對機體造成的損傷。食品來源的抗氧化肽具有安全、活性強、易吸收、成本低的特點，并且不會引起機體免疫反應(yīng)風(fēng)險的優(yōu)點。

表3，表4和表5顯示了酪蛋白胰酶水解物對小鼠血清、肝、腦組織MDA含量、SOD和GSH-Px活性的影響。結(jié)果表明對于小鼠血清、肝臟和腦組織中的MDA含量，模型組相比于正常對照組顯著增加(P＜0.05)。而CTH組小鼠血清、肝和腦組織中的MDA含量顯著低于模型組(P＜0.05)，說明酪蛋白胰酶水解物（CTH）對肝、腦組織和血清脂質(zhì)過氧化反應(yīng)有明顯降低的作用，并且，相比于對照組，酪蛋白胰酶水解物（CTH）組的小鼠血清、臟和腦組織中的SOD和GSH-Px活性也顯著升(P＜0.05)。

Martha等[22]發(fā)現(xiàn)酪蛋白中性蛋白酶水解物可以影響人體Jurkat T細(xì)胞中CAT和GSH的活性。齊微微等[23]利用堿性蛋白酶水解制得的乳清蛋白肽對小鼠進行灌胃實驗，灌胃乳清蛋白肽自然衰老小鼠的SOD和GSH-Px活性顯著增加，MDA和蛋白質(zhì)羰基濃度顯著降低，同時乙酰膽堿脂酶的活性也有所降低。包怡紅等[24]觀察了乳清蛋白肽對衰老小鼠體內(nèi)抗氧化能力的影響，發(fā)現(xiàn)衰老小鼠血漿、肝臟、腦組織勻漿中CAT、SOD、GSH-Px含量均顯著降低，MDA含量顯著升高，與正常小鼠比較差異顯著，200、400 mg/(kgbw·d)乳清蛋白肽可以提高衰老小鼠血漿、肝臟、腦組織中CAT、SOD、GSH-Px含量，降低MDA含量，與衰老模型組比較差異有顯著性，乳清蛋白肽能顯著提高亞急性衰老小鼠的抗氧化能力，具有量效關(guān)系。今后，我們需要對抗氧化活性肽的構(gòu)效關(guān)系及體內(nèi)抗氧化機制作進一步研究。

表3 酪蛋白胰酶水解物對小鼠血清、肝、腦組織MDA含量的影響

表4 酪蛋白胰酶水解物對小鼠血清、肝、腦組織SOD活性的影響

表5 酪蛋白胰酶水解物對小鼠血清、肝、腦組織GSH-Px活性的影響

2.5 酪蛋白胰酶水解物的穩(wěn)定性研究

2.5.1 酪蛋白胰酶水解物的耐消化穩(wěn)定性

肽類產(chǎn)品的功能性必須考慮其添加在產(chǎn)品中后經(jīng)消化道后的穩(wěn)定性。本文通過體外模擬胃腸道消化過程，采取消化酶[E]/[S]=2%，37℃消化4 h來測定CTH的耐消化穩(wěn)定性。如圖8所示，CTH在胃蛋白酶作用之后，DPPH自由基清除率降低，其原因為部分蛋白肽段因胃蛋白酶的水解作用而被打斷，致使小幅度降低了抗氧化能力。而胰蛋白酶的作用對活性無顯著影響(P＞0.05)，表明消化道酶對產(chǎn)物進行作用后，仍然可以耐受胃腸道蛋白酶作用，以較高的活性參與體內(nèi)的抗氧化過程。試驗結(jié)果較紀(jì)銀莉[15]的研究結(jié)果相比有所差異，其研究表明水解產(chǎn)物經(jīng)過胃蛋白酶和胰蛋白酶處理后，清除DPPH的能力會下降，胰蛋白酶處理對水解產(chǎn)物的抗氧化活性影響最大。而劉珊珊等[25]則研究表明酪蛋白抗氧化肽經(jīng)胃蛋白酶消化后其抗氧化活性顯著下降，在隨后的模擬腸消化中抗氧化活性逐漸回升，甚至完全恢復(fù)到消化前的水平。

圖8 酪蛋白胰酶水解物耐消化穩(wěn)定性

2.5.2 酪蛋白胰酶水解物的耐熱、耐酸堿穩(wěn)定性

分析CTH對熱、酸、堿等常用加工、生產(chǎn)、儲藏和應(yīng)用處理方式的耐受性，對確保生物活性及保存期限特別重要。采用在不同p H緩沖液中，沸水浴處理不同時間后比較其DPPH自由基清除率(見表6)。在不同的pH緩沖液中，抗氧化肽的離子狀態(tài)會因pH的不同而有所差異，進而對其抗氧化活性造成影響，CTH在p H為5～7時能保持較高的抗氧化活性，在p H為3和pH為9～11時未經(jīng)熱處理時活性明顯降低，這可能是發(fā)生了分解、降解、聚合等反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)物失活。經(jīng)過熱處理后活性顯著降低，這是因為產(chǎn)物在加熱的過程中會經(jīng)歷某種程度上的水解，并且抗氧化肽由于高溫而失活。

表6 酪蛋白胰酶水解物的耐熱、耐酸堿穩(wěn)定（DPPH清除率/%）

2.5.3 酪蛋白胰酶水解物的儲藏穩(wěn)定性

明確酪蛋白胰酶水解物的儲藏穩(wěn)定性，確保其在儲存期內(nèi)的生理功能活性穩(wěn)定性非常重要。由表7可知，伴隨著儲存時間的持續(xù)增加，產(chǎn)物的DPPH自由基清除活性均顯著低于新鮮制備產(chǎn)(P＜0.05)，產(chǎn)物在低溫條件下儲藏相較于常溫具有顯著的穩(wěn)定性(P＜0.05)。儲藏于-18℃下3個月，活性降低約6%，6個月降低約17%。在4℃下儲藏穩(wěn)定性相較于冷凍保藏低，6個月后活性降低21%，貯藏穩(wěn)定性較好。

表7 酪蛋白胰酶水解物的耐儲藏穩(wěn)定性(DPPH清除率/%)

3 結(jié) 論

本文對酪蛋白酶解制備抗氧化肽的工藝進行了優(yōu)化，并研究了酪蛋白胰酶水解物的抗氧化活性及穩(wěn)定性。最優(yōu)酶解條件下，水解度為30.1%，DPPH自由基清除率為68.1%。此酪蛋白胰蛋白酶水解物對羥自由基(·OH)和一氧化氮自由基(NO·)也有著較好的清除效果，并且其對超氧陰離子自由基(O2-·)及亞鐵離子(Fe2+)誘發(fā)的卵黃脂蛋白脂質(zhì)過氧化都具有一定的清除和抑制能力。小鼠實驗表明，酪蛋白胰蛋白酶水解物體現(xiàn)出較好的體內(nèi)抗氧化作用。穩(wěn)定性試驗證明酪蛋白酶解產(chǎn)物具有良好的耐消化、耐熱、耐酸堿和耐儲藏穩(wěn)定性，體現(xiàn)了其作為抗氧化功能原料的良好應(yīng)用潛力。