桃仁多肽螯合亞鐵的結(jié)構(gòu)表征及體外模擬消化

楊玉蓉 李安平* 鐘政昌 李 剛

（1 中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 長沙410004

2 西藏農(nóng)牧學(xué)院食品科學(xué)學(xué)院 西藏林芝860000）

缺鐵性貧血是一種常見的營養(yǎng)缺乏病[1]。目前補(bǔ)鐵主要是補(bǔ)充有機(jī)或無機(jī)亞鐵鹽產(chǎn)品，如硫酸亞鐵、葡萄糖酸亞鐵、富馬酸亞鐵和乳酸亞鐵等[2-3]。這些鐵鹽補(bǔ)鐵劑存在生物利用度低，鐵腥異味重，穩(wěn)定性差，對人體胃腸道有副作用等問題[4]，而多肽與亞鐵鹽形成的多肽螯合亞鐵則具有更好的功能特性。Lucia de la Hoz等[5]研究表明，多肽亞鐵螯合物可直接被腸道細(xì)胞吸收，對腸道沒有副作用。Jaiswal A等[6]指出金屬元素與多肽螯合后能夠有效提高二價(jià)金屬的生物利用度。斯興開等[7]研究表明帶魚多肽螯合亞鐵能夠有效改善缺鐵性貧血大鼠癥狀。廉雯蕾等[8]以米蛋白為原料，制備出的米蛋白肽螯合亞鐵具有良好的穩(wěn)定性。李玉珍等[9]對以花生粕為原料，對亞鐵螯合物的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。各種多肽與亞鐵鹽經(jīng)適當(dāng)方式螯合成的多肽螯合亞鐵，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[7]。

桃仁為薔薇科植物桃或山桃的干燥成熟種子，桃仁脫油后的主要成分為蛋白質(zhì)。本試驗(yàn)以桃仁蛋白質(zhì)為原料，探討經(jīng)酶解和超濾分離制備的不同分子質(zhì)量多肽與亞鐵離子螯合成多肽螯合亞鐵的條件和結(jié)構(gòu)表征，并進(jìn)行體外模擬消化，以期為進(jìn)一步開發(fā)桃仁多肽螯合亞鐵提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

桃仁蛋白粉，實(shí)驗(yàn)室自制；堿性蛋白酶（200 U/mg），上海瑞永生物科技有限公司；大豆肽粉、玉米肽粉、魚膠原蛋白肽粉，河南華悅化工產(chǎn)品有限公司；硫酸亞鐵片，山西力玖藥業(yè)有限公司；乳酸亞鐵片，南京市飛弘藥業(yè)有限公司；胃蛋白酶（3 000U/mg），北京索萊寶科技有限公司；胰蛋白酶（250U/mg），北京索萊寶科技有限公司；氯化亞鐵四水合物，西隴化工股份有限公司；鹽酸羥胺、鄰菲羅啉、乙酸鈉，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-1800紫外-可見分光光度計(jì)，日本島津公司；F-4600熒光分光光度計(jì)，日本日立公司；IRTracer-100傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津公司；S-3400N掃描電子顯微鏡，日本日立公司；MSC300型杯式超濾系統(tǒng)，上海摩速科學(xué)器材有限公司。

1.3 方法

1.3.1 桃仁多肽螯合亞鐵的制備 稱取桃仁蛋白粉，加入堿性蛋白酶酶解，以8 000 r/min離心15 min，取上清多肽液，用超濾裝置超濾分離，獲得3個桃仁多肽組分PKP1（＞10 ku）、PKP2（5～10 k u）、PKP3（＜5 ku）和PKP（未超濾）對照組分，冷凍干燥后于-20℃貯藏備用。

參照林洋[10]的方法，稍作修改。將不同分子質(zhì)量的桃仁多肽組分配成一定質(zhì)量濃度的溶液，調(diào)pH值至6，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的抗壞血酸，然后置于37℃恒溫振蕩水浴鍋中，按多肽與鐵鹽質(zhì)量比3∶1加入FeCl2·4H2O，反應(yīng)40min后，用等體積無水乙醇沉淀螯合物，離心后收集沉淀，干燥后得到多肽螯合亞鐵粉末。

1.3.2 螯合率的測定 采用鄰菲羅啉比色法[11]測定多肽螯合亞鐵的鐵離子質(zhì)量，以不加鐵離子標(biāo)準(zhǔn)液為空白對照，在510 nm處測定吸光值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（y=0.211x-0.0045，R2=0.9991）。計(jì)算多肽螯合亞鐵中亞鐵離子質(zhì)量（M）。螯合率的計(jì)算公式：

式中：M0——反應(yīng)溶液中亞鐵離子質(zhì)量（mg）；M——多肽螯合亞鐵的亞鐵離子質(zhì)量（mg）。

1.3.3 紫外光譜分析 取氯化亞鐵、不同分子質(zhì)量的桃仁多肽及其對應(yīng)的多肽螯合亞鐵粉末，用去離子水將其配制成質(zhì)量濃度為0.5mg/mL的樣液，比較它們在波長190～480 nm范圍的紫外吸收變化情況。

1.3.4 熒光光譜分析 取不同分子質(zhì)量桃仁多肽及其多肽螯合亞鐵粉末，用去離子水配制成質(zhì)量濃度為0.1mg/mL的樣液，然后在激發(fā)波長272 nm，發(fā)射波長290～500 nm范圍測定樣液熒光光譜。激發(fā)光與發(fā)射光的狹縫寬度均為5 nm。

1.3.5 傅里葉變換紅外光譜分析 取1～2mg不同分子質(zhì)量的桃仁多肽及其多肽螯合亞鐵粉末，分別與200mg KBr混合，置于瑪瑙研缽中研磨，研細(xì)后于壓片模具上以150MPa加壓5min。用IRTracer-100傅里葉變換紅外光譜儀掃描樣品，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率2 cm-1。

1.3.6 掃描電子顯微鏡觀察 用棉簽沾取少量桃仁多肽及多肽螯合亞鐵粉末于涂有膠的蓋玻片上，在37℃下干燥6 h以上，真空噴金后置于掃描電鏡觀察室中，加速電壓為15 kV，工作距離4.3～4.6mm，工作溫度25℃，放大10 000倍觀察樣品微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.7 不同鐵補(bǔ)充劑在模擬胃、腸道消化過程中鐵離子釋放率對比 參照Sitthipong Nalinanon[12]的方法并稍加修改。分別取亞鐵離子含量為0.030 g的PKP3-Fe、硫酸亞鐵片和乳酸亞鐵片，然后將其分散在30mL pH 2的0.03mol/L NaCl溶液中，預(yù)熱至37℃，按酶與底物比1∶30的比例加入胃蛋白酶，將溶液置于37℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱中2 h，分別在模擬胃消化15，30，60，90，120min時取1 mL沸水浴滅酶5min，5 000 r/min離心5 min，測定上清液中鐵離子釋放率。

模擬胃部消化結(jié)束后，用0.9mol/L NaHCO3溶液將模擬胃部消化液pH值調(diào)至5.3，再用1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH值至7.4，按酶與底物比為1∶25的比例加入胰蛋白酶，將模擬腸道消化液置37℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱中3 h，然后分別在胃部消化120min的基礎(chǔ)上，繼續(xù)模擬腸道消化30，60，90，120，150，180 min時取1 mL沸水浴滅酶5 min，5 000 r/min離心5min后測定上清液中鐵離子釋放率。鐵離子釋放率按下式計(jì)算：

式中：Nt——消化液中游離鐵離子質(zhì)量（mg）；N——消化液鐵離子質(zhì)量（mg）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)均重復(fù)3次，數(shù)據(jù)結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。利用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行Oneway ANOVA分析，顯著性水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同食物來源多肽與氯化亞鐵的螯合率比較

圖1 不同食物來源的多肽與氯化亞鐵的螯合率Fig.1 Chelating rate of peptide-ferrous complexes from different food sourses

將大豆多肽、玉米多肽、魚膠原蛋白肽和桃仁多肽等4種多肽分別與氯化亞鐵在一定條件下螯合，不同食物來源的多肽對螯合率的影響見圖1?？梢钥闯觯?種食物來源的多肽與氯化亞鐵形成螯合物的比率存在顯著性差異（P＜0.05），其中桃仁多肽的螯合率顯著高于其它3種多肽，達(dá)53.81%，其次是大豆多肽和魚膠原蛋白肽，最低的是玉米多肽，僅46.61%。

2.2 螯合鐵源的選擇

分別將0.5 g硫酸亞鐵和氯化亞鐵加入10 mL不同濃度的乙醇溶液中，兩者的溶解性能見表1。在體積分?jǐn)?shù)大于60%的乙醇中硫酸亞鐵幾乎不溶解，而氯化亞鐵均能完全溶解。鄭炯[13]在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，氯化亞鐵在乙醇中有更好的溶解性能。螯合反應(yīng)結(jié)束后，可利用乙醇溶解未螯合的氯化亞鐵，而多肽螯合亞鐵在乙醇中沉淀析出，從而實(shí)現(xiàn)多肽螯合亞鐵與無機(jī)鐵的分離。乙醇中的溶解性能是篩選亞鐵鹽的一個重要參考因素。

將硫酸亞鐵和氯化亞鐵分別與桃仁多肽螯合，兩者的螯合率如圖2所示。氯化亞鐵與桃仁多肽的螯合率顯著高于硫酸亞鐵（P＜0.01）。最終選擇氯化亞鐵作為螯合鐵源。

2.3 不同分子質(zhì)量桃仁多肽與亞鐵離子的螯合率比較

將超濾分離得到的3個多肽組分PKP1、PKP2、PKP3和桃仁多肽凍干粉PKP分別與氯化亞鐵進(jìn)行螯合，結(jié)果見圖3。不同分子質(zhì)量的桃仁多肽組分與氯化亞鐵的螯合率存在顯著性差異（P＜0.05）。分子質(zhì)量最大的PKP1組分的螯合率最低，僅22.37%，分子質(zhì)量最小的PKP3組分具有最大亞鐵離子螯合率，達(dá)58.34%。分子質(zhì)量越小，螯合率越高。同樣，Arvind Jaiswal等[6]在比較牛乳酪蛋白酶解的不同分子質(zhì)量多肽組分的螯合率時發(fā)現(xiàn)，分子質(zhì)量為3 000 u的多肽組分與亞鐵離子螯合率高于分子質(zhì)量為10 000 u的多肽組分?？赡艿脑蚴欠肿淤|(zhì)量較小的組分，相比于大分子質(zhì)量的組分具有更多的鐵離子結(jié)合位點(diǎn)。

表1 兩種鐵鹽在乙醇中的溶解情況Table1 The solubility of ferrous chloride and ferrous sulfate in ethanol

圖2 硫酸亞鐵和氯化亞鐵與桃仁多肽螯合的螯合率Fig.2 The chelating rate of ferrous sulfate and ferrous chloride chelating peptides

圖3 不同分子質(zhì)量桃仁多肽組分與亞鐵離子的螯合率比較Fig.3 Chelating rate of different molecular weight peptides and peptide-ferrous complexes

2.4 紫外光譜圖分析

分別對相同濃度的氯化亞鐵、桃仁多肽組分及其多肽螯合亞鐵進(jìn)行紫外掃描，驗(yàn)證桃仁多肽與亞鐵離子的螯合情況，結(jié)果見圖4。氯化亞鐵在200 nm處有最大吸收峰，PKP1、PKP2和PKP3則分別在217.90，214.07 nm和215.08 nm處有最大吸收峰，而PKP1-Fe、PKP2-Fe、PKP3-Fe的最大吸收峰藍(lán)移至207.89，205.68，209.16 nm處，多肽螯合亞鐵的特征吸收峰處于氯化亞鐵與相應(yīng)分子質(zhì)量多肽組分間。與多肽最大吸收峰值相比，相應(yīng)多肽螯合亞鐵的吸收峰值均明顯增強(qiáng)。同時，桃仁多肽各組分在波長274 nm附近均有一弱吸收峰，而其多肽螯合亞鐵卻沒有。由此可推斷有新物質(zhì)生成，多肽各組分與亞鐵離子間可能螯合生成了多肽螯合亞鐵。Sun Na等[14]將海參卵子水解肽與鈣離子螯合后，在260 nm處的吸收峰發(fā)生偏移和消失的現(xiàn)象。Wang等[15]將鈣離子與黃瓜籽多肽螯合后也有類似現(xiàn)象，且結(jié)論也類似。

圖4 氯化亞鐵、桃仁多肽各組分及對應(yīng)多肽螯合亞鐵的紫外光譜圖Fig.4 UV spectra of FeCl2，different molecular weight peptides and peptide-ferrous complexes

2.5 熒光發(fā)射光譜圖分析

多肽各組分PKP、PKP1、PKP2、PKP3和多肽螯合亞鐵各組分PKP1-Fe、PKP2-Fe、PKP3-Fe溶液的熒光發(fā)射光譜見圖5。對比桃仁多肽各組分與相應(yīng)的多肽螯合亞鐵各組分在340 nm附近內(nèi)源熒光強(qiáng)度可發(fā)現(xiàn)，多肽螯合亞鐵各組分的熒光強(qiáng)度明顯減弱甚至消失。其中分子質(zhì)量最小的PKP3-Fe的內(nèi)源熒光強(qiáng)度下降幅度最大，分子質(zhì)量最大的PKP1-Fe降幅較小，原因可能是PKP3組分具有最強(qiáng)鐵離子螯合能力，在螯合過程中分子結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化而引起的。Zhao L N等[16]的研究也證實(shí)亞鐵離子與多肽螯合導(dǎo)致螯合物熒光猝滅。Cai等[17]指出熒光強(qiáng)度減弱是多肽結(jié)構(gòu)改變發(fā)生的典型標(biāo)志。熒光發(fā)射光譜圖表明多肽與亞鐵離子螯合反應(yīng)的存在。

2.6 傅里葉紅外光譜分析

圖5 不同分子質(zhì)量桃仁多肽組分及對應(yīng)多肽螯合亞鐵的熒光光譜圖Fig.5 Fluorescence spectra of different molecular weight peptides and peptide-ferrous complexes

多肽各組分PKP1、PKP2、PKP3與對應(yīng)的多肽螯合亞鐵各組分PKP1-Fe、PKP2-Fe、PKP3-Fe的紅外光譜見圖6。在3 700～3 000 cm-1處有一寬峰，為羥基和氨基伸縮振動導(dǎo)致的疊加峰[18]，多肽各組分PKP1、PKP2、PKP3在此處吸收峰分別位于3 296.35，3 367.71 cm-1和3 361.93 cm-1，多肽螯合亞鐵的吸收峰發(fā)生了位移，分別移至3 307.92，3 356.14 cm-1和3 360.96 cm-1處。

PKP1、PKP2和PKP3分別在1126.43，1126.43 cm-1和1 122.57 cm-1處有吸收峰，當(dāng)與亞鐵離子螯合后吸收峰均發(fā)生紅移，分別移至1 122.57，1 114.86 cm-1和1 112.93 cm-1處。此處附近的吸收峰是由C-O伸縮振動引起[19]，說明桃仁多肽與亞鐵離子螯合后可能形成C-O-Fe結(jié)構(gòu)。

1 400 cm-1左右為氨基酸殘基側(cè)鏈基團(tuán)-COO-伸縮振動引起的吸收峰[20]。桃仁多肽各組分與亞鐵螯合后均發(fā)生藍(lán)移，PKP1、PKP2和PKP3的吸收峰分別從1398.39，1 400.32 cm-1和1400.32 cm-1藍(lán)移至1411.89，1417.68cm-1和1417.6 cm-1，表明羧基氧也是鐵離子螯合位點(diǎn)之一。

酰胺I帶（1 700～1 600 cm-1）是由C=O伸縮振動引起的，N-H的彎曲振動和C-N的伸縮振動引起酰胺Ⅱ帶（1 600～1 500 cm-1）[21]。桃仁多肽各組分與亞鐵離子螯合后在酰胺Ⅰ帶吸收峰沒有發(fā)生位移，而在酰胺Ⅱ帶發(fā)生位移，PKP1、PKP2和PKP3螯合后吸收峰位置由1 558.48，1 589.3 cm-1和1 597.06 cm-1分別紅移至1 541.12，1 541.12 cm-1和1 558.48 cm-1，表明鐵離子與多肽酰胺鍵上的N-H和C-N鍵配合，導(dǎo)致桃仁多肽在酰胺Ⅱ帶的吸收峰紅移。

桃仁多肽分子中的-COO-、N-H、C-N、O-H等與亞鐵離子形成配位鍵，說明桃仁多肽中氨基、羧基和酰胺鍵均與鐵離子發(fā)生了螯合反應(yīng)。

圖6 桃仁多肽各組分與對應(yīng)多肽螯合亞鐵的傅里葉紅外光譜圖Fig.6 FT-IR spectra of different molecular weight peptides and peptide-ferrous complexes

2.7 掃描電子顯微鏡觀察

PKP3組分由于具有最大亞鐵離子螯合率，因此對PKP3組分螯合前、后放大10 000倍進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察，結(jié)果見圖7。二者的外觀結(jié)構(gòu)有明顯不同，圖7a顯示PKP3桃仁多肽組分表面光滑，呈現(xiàn)聚集的絮狀結(jié)構(gòu)，而圖7b顯示PKP3組分與亞鐵離子螯合形成的PKP3-Fe表面呈現(xiàn)1 μm左右的光滑球狀顆粒狀結(jié)構(gòu)，表明多肽與Fe2+結(jié)合后結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。汪婧瑜等[22]在研究烏鱧多肽與亞鐵螯合形成的物質(zhì)時，通過SEM也觀察到多肽螯合亞鐵相似的微觀結(jié)構(gòu)。

圖7 桃仁多肽PKP3組分及其多肽螯合亞鐵SEM圖Fig.7 Scanning electron micrograph of PKP3 and PKP3-Fe complex

2.8 不同鐵補(bǔ)充劑在模擬胃、腸道消化過程中亞鐵離子釋放率對比

2.8.1 不同鐵補(bǔ)充劑在模擬胃部消化過程中亞鐵離子釋放率對比 PKP3-Fe與硫酸亞鐵片和乳酸亞鐵片在模擬胃部消化過程中鐵離子釋放率變化如圖8所示。PKP3-Fe、乳酸亞鐵片和硫酸亞鐵片3種補(bǔ)鐵劑在模擬胃部消化過程中鐵離子釋放率之間存在顯著性差異（P＜0.05），其中PKP3-Fe顯著低于乳酸亞鐵片，而乳酸亞鐵片又顯著低于硫酸亞鐵片。隨著消化時間的延長，硫酸亞鐵和乳酸亞鐵一直處于較高的鐵離子釋放率狀態(tài)，而PKP3-Fe的鐵離子釋放率從15min的49.52%顯著增至90min的70.21%（P＜0.05），此后PKP3-Fe的鐵離子釋放率趨于平緩，總體低于硫酸亞鐵片和乳酸亞鐵片的鐵離子釋放率。

在強(qiáng)酸性的胃部環(huán)境中補(bǔ)鐵劑容易游離出鐵離子，以游離態(tài)進(jìn)入呈弱堿性的腸道中，容易與OH-形成Fe（OH）3沉淀而不被人體吸收。補(bǔ)鐵劑在胃部釋放的鐵離子越少，在腸道吸收的鐵就越多。在胃部，鐵離子瞬間濃度過大，對胃部有一定的剌激作用[23]。PKP3-Fe的鐵離子釋放率在胃部增加的原因：一是胃蛋白酶進(jìn)一步酶解多肽，破壞亞鐵離子與多肽形成的配位鍵；二是胃液中H+濃度大，H+與Fe2+具有競爭作用，導(dǎo)致多肽螯合亞鐵的鐵離子釋放率增大。相對而言，桃仁多肽螯合亞鐵的配位鍵相比鐵鹽的離子鍵不易受到胃液的影響，對亞鐵離子有一定的保護(hù)作用，而會受到胃蛋白酶酶解作用的影響。

2.8.2 不同鐵補(bǔ)充劑在模擬腸道消化過程中亞鐵離子釋放率比較 PKP3-Fe與硫酸亞鐵片和乳酸亞鐵片在模擬腸道消化過程中亞鐵釋放率變化如圖9所示。由于硫酸亞鐵片和乳酸亞鐵片在胃部大量釋放，進(jìn)入腸道后迅速形成Fe（OH）3沉淀，因此在腸道中釋放率一直維持在10%以下。PKP3-Fe進(jìn)入腸道后在胰蛋白酶等的作用下多肽進(jìn)一步酶解，多肽螯合亞鐵的配位鍵被破壞，亞鐵離子的釋放率升高，達(dá)30.37%，隨著時間的推移，釋放的亞鐵離子一方面與OH-還會形成Fe（OH）3沉淀，另一方面Fe2+重新與酶解后的小肽形成配位鍵[24]，導(dǎo)致釋放率降低。300min時PKP3-Fe釋放率降到22.94%。

多肽亞鐵螯合物可以通過分子的形式直接被小腸細(xì)胞吸收[23]，也可以游離Fe2+與二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1（DMT-1）結(jié)合被小腸上皮細(xì)胞吸收[25-26]。模擬腸道消化結(jié)果表明，乳酸亞鐵片和硫酸亞鐵片大部分在胃部釋放后進(jìn)入腸道形成Fe（OH）3沉淀，人體對它的吸收利用很少，而桃仁多肽螯合亞鐵則有相當(dāng)一部分以離子態(tài)或與多肽以螯合物的狀態(tài)進(jìn)入腸道中，因此桃仁多肽螯合亞鐵比乳酸亞鐵和硫酸亞鐵能更好地被人體吸收利用。

圖8 不同鐵補(bǔ)充劑在模擬胃部消化過程中亞鐵離子釋放率Fig.8 The ferrous release rate of ferrous sulfate table，ferrous lactate table and PKP3-Fe in simulated gastric digestion

3 結(jié)論

桃仁多肽與亞鐵離子的螯合率顯著高于（P＜0.05）大豆多肽、玉米多肽和魚膠原蛋白肽。在與桃仁多肽的螯合中，氯化亞鐵相比硫酸亞鐵具有更高的螯合率，在乙醇中具有更好的溶解分離性能。通過超濾分離得到的小分子質(zhì)量桃仁多肽組分與氯化亞鐵螯合時具有更高的螯合率。

由紫外光譜和熒光光譜圖可知桃仁多肽與亞鐵離子螯合后紫外吸收峰位置、峰值均發(fā)生變化，內(nèi)源熒光強(qiáng)度明顯減弱，表明有新物質(zhì)形成。傅里葉紅外光譜分析可知，亞鐵離子與桃仁多肽中的-COO-、N-H、C-N、O-H形成配位鍵。PKP3組分及PKP3-Fe的掃描電鏡SEM圖顯示，PKP3-Fe有光滑球狀顆粒生成，桃仁多肽螯合前、后微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變。

圖9 不同鐵補(bǔ)充劑在模擬腸道消化過程中亞鐵離子釋放率Fig.9 The ferrous release rate of ferrous sulfate table，ferrous lactate table and PKP3-Fe in simulated intestinal digestion

在模擬胃部消化過程中，PKP3-Fe鐵離子釋放率顯著低于硫酸亞鐵片和乳酸亞鐵片（P＜0.05），避免了在腸道中大量氫氧化鐵沉淀的生成。進(jìn)入模擬腸液后，硫酸亞鐵和乳酸亞鐵的釋放率顯著低于PKP3-Fe（P＜0.05）。PKP3-Fe有部分成分在腸道中以離子態(tài)或者與多肽螯合物的狀態(tài)存在，能更好地被人體吸收利用。