凡納濱對蝦蛋白酶對醬油渣蛋白質(zhì)的降解作用

肖盼盼，章 騫，翁 凌,，張凌晶,，楊 爽，劉光明,，曹敏杰,,

（1.集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.水產(chǎn)品深加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，福建 廈門 361021）

醬油是我國傳統(tǒng)調(diào)味品之一，因其具有獨特的滋味，受到廣大消費者的喜愛[1]。2017年，我國醬油年產(chǎn)量已超過600萬 t，約占世界總產(chǎn)量的60%[2]。根據(jù)醬油制備過程中發(fā)酵工藝的不同，我國醬油一般可分為高鹽稀態(tài)發(fā)酵醬油（high-salt liquid fermentation soy sauce，HLFSS）和低鹽固態(tài)發(fā)酵醬油（low-salt solid fermentation soy sauce，LSFSS）。據(jù)報道[3]，HLFSS較LSFSS具有更佳的風(fēng)味，近年前者市場份額逐年攀升。HLFSS生產(chǎn)工藝主要包括制備種曲、制備大曲、大豆泡合鹽水制成醬膠后發(fā)酵、擠壓淋油、處理醬油成品等步驟[4]。

盡管我國醬油產(chǎn)量居世界首位，但生產(chǎn)工藝并不先進(jìn)，特別是蛋白轉(zhuǎn)化率偏低。據(jù)報道，日本醬油行業(yè)蛋白質(zhì)利用率高達(dá)92%，而我國約為70%，仍有較多蛋白殘留在剩余的固態(tài)原料殘渣（以下簡稱醬油渣）中[5]。醬油渣的傳統(tǒng)利用方式是被制作成動物飼料[6]，但存在產(chǎn)品NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高等問題。邱宏端等[7]選用紅螺菌科細(xì)菌發(fā)酵醬渣生產(chǎn)醬渣光合細(xì)菌蛋白飼料，邊名鴻等[8]研究了多菌種協(xié)同發(fā)酵醬油渣以生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料，鐘世榮等[9]將菜籽餅粕與醬油渣混合發(fā)酵生產(chǎn)蛋白飼料。實際上，醬油渣中殘留的蛋白質(zhì)，如能進(jìn)一步分解，是制備生物活性肽和氨基酸的良好原料。肖詩英等[10]選用木瓜蛋白酶酶解醬油渣蛋白得到小分子肽；沈晗等[11]通過超聲輔助酶法將醬油渣中的蛋白轉(zhuǎn)化為多肽。隨著對酶法制備方法的不斷優(yōu)化，醬油渣資源的利用率不斷提高[12-13]，但未被利用的醬油渣仍占大多數(shù)。為提高醬油渣中剩余蛋白的利用率，使更多蛋白被有效分解而轉(zhuǎn)化為游離氨基酸或小肽，篩選高鹽條件下具有活性的蛋白酶至關(guān)重要。

我國是蝦類養(yǎng)殖大國，2017年蝦類產(chǎn)量達(dá)351.3萬 t，其中，凡納濱對蝦產(chǎn)量為167.2萬 t，占養(yǎng)殖蝦類年產(chǎn)量的47.6%[14]。在對蝦加工過程中，為保證可食部的鮮度，避免黑變，加工企業(yè)通常將蝦進(jìn)行去頭處理。作為加工副產(chǎn)物的蝦頭約占蝦體質(zhì)量的30%，除少量用于制備飼料、甲殼素外，大部分被作為廢棄物丟棄，不僅造成大量蛋白資源的浪費，而且易造成環(huán)境污染。研究發(fā)現(xiàn)，蝦頭消化腺中含有豐富的蛋白酶[15]。因此，充分利用蝦頭消化腺中的蛋白酶，用于蛋白質(zhì)酶解，將有益于充分利用蛋白資源，減少環(huán)境污染。

本研究從凡納濱對蝦蝦頭消化腺提取蛋白酶，將其應(yīng)用于醬油渣蛋白的降解，以期提高醬油釀造原料蛋白質(zhì)的利用率，降低我國醬油行業(yè)的生產(chǎn)成本，實現(xiàn)加工副產(chǎn)物資源的高效利用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮活凡納濱對蝦購于某農(nóng)貿(mào)市場；發(fā)酵12 個月的大豆殘渣（以下簡稱醬油渣）由某醬油生產(chǎn)企業(yè)提供；血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（angiotensin I-converting enzyme，ACE）酶液由本實驗室從豬肺中純化制備；BCA蛋白濃度測定試劑盒（增強(qiáng)型） 碧云天生物技術(shù)有限公司。

酪氨酸、馬尿酰-組氨酰-亮氨酸（hippuryl-histidylleucine，HHL） 美國Sigma公司；Boc-Phe-Ser-Arg-MCA等各種7-甲氧基香豆素-4-乙酸（7-methoxycoumarin-4-acetic acid，MCA）熒光多肽合成底物 日本Peptide Research Institute公司；Tris堿、硼酸、乙酸乙酯、鹽酸、三氯乙酸、酒石酸鉀鈉等均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

PT-2100組織搗碎機(jī) 瑞士Kinematica公司；Avanti J-26S XP冷凍離心機(jī) 美國Beckman公司；Infinite M200 Pro酶標(biāo)儀 奧地利Tecan公司；FP-8200熒光分光光度計日本Jasco公司；蛋白質(zhì)電泳裝置 美國Bio-Rad公司；AG-223331 Lambda紫外分光光度計 美國Perkin Elmer公司；G:Box凝膠成像儀 英國Synegen公司；1260高效液相色譜儀 美國Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 對蝦粗蛋白酶的制備

參考方忠興[16]的方法并作改進(jìn)。從凡納濱對蝦中分離蝦頭消化腺，其與20 mmol/L Tris-HCl（pH 8.0）緩沖液按1∶10（g/mL）混合，組織均漿后10 000×g、4 ℃離心15 min。離心所得上清液經(jīng)絹布過濾后的產(chǎn)物即為對蝦蛋白酶粗酶液，立即使用或于-20 ℃凍藏保存。

1.3.2 對蝦粗蛋白酶活力測定

參考翁凌等[15]的方法并略作修改。將50 μL粗酶液加入到900 μL 20 mmol/L Tris-HCl緩沖液（pH 8.0），再加入50 μL Boc-Phe-Ser-Arg-MCA熒光底物（10 μmol/L），于37 ℃以應(yīng)30 min后，立即加入1.5 mL終止液（甲醇-水-異丙醇（35∶30∶35，V/V））終止以應(yīng)，以應(yīng)釋放的產(chǎn)物7-氨基-4-甲基香豆素（7-amino-4-methylcoumarin，AMC）用熒光分光光度計在激發(fā)波長380 nm和發(fā)射波長450 nm處進(jìn)行測定。

對蝦組織蛋白酶B和組織蛋白酶L活力測定用20 mmol/L HAc-NaAc緩沖液（pH 5.5）和Z-Arg-Arg-MCA、Z-Phe-Arg-MCA熒光底物；賴氨酸氨肽酶活力測定用20 mmol/L Tris-HCl緩沖液（pH 8.0）和Lys-MCA熒光底物，其余方法同上。

酶活力單位（U）定義為每分鐘分解MCA熒光底物釋放出1 nmol AMC所需酶量。相對酶活力定義為不同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下所測得的酶活力與對照組（不含NaCl）的酶活力（100%）之比。

1.3.3 醬油渣蛋白的提取

參考劉冬等[17]的方法并略加修改。以醬油渣-蒸餾水1∶4（g/mL）的比例混合，組織均漿后調(diào)均漿液pH值至9.5，于37 ℃攪拌60 min后，3 000×g、4 ℃離心20 min，所得上清液即為醬油渣蛋白溶液。上清液用透析袋（截留分子質(zhì)量3 500 Da）透析除鹽后4 ℃貯藏備用。蛋白提取率按式（1）計算：

式中：m1為提取液中蛋白質(zhì)量/g；m0為樣品質(zhì)量/g；c為樣品中蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%。

1.3.4 蛋白含量的測定

利用BCA蛋白濃度測定試劑盒（增強(qiáng)型）測定提取液及酶解液中的蛋白含量。吸取樣品溶液200 μL，加入BCA工作液20 μL，在37 ℃恒溫箱中靜置30 min，于562 nm波長處測定其吸光度。用凱氏定氮法對大豆及醬油渣樣品中蛋白質(zhì)含量進(jìn)行測定。

1.3.5 對蝦粗蛋白酶酶解醬油渣蛋白

在醬油制備過程中，醬醪含鹽量約為15%。將提取的脫鹽醬油渣蛋白于121 ℃加熱30 min，冷卻至室溫后加入NaCl至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%并調(diào)pH值至8.0。以醬油渣蛋白-對蝦粗蛋白酶質(zhì)量比200∶1加入混合，置于37 ℃水浴中酶解72 h，酶解結(jié)束后于95 ℃加熱10 min，用于后續(xù)分析。蛋白降解率按式（2）計算：

式中：m1為提取液中蛋白質(zhì)量/g；m為酶解液中蛋白質(zhì)量/g。

1.3.6 十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）分析

參考Laemmli[18]的方法，選用Tricine-SDS-PAGE對除鹽后的酶解液進(jìn)行分析。

1.3.7 酶解前后多肽含量的變化

參考Pantako等[19]的方法對樣品中的多肽進(jìn)行提取，用Lowry[20]法測定酶解前后三氯乙酸可溶性多肽含量的變化。以L-酪氨酸（0～100 μg/mL）為標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.8 分子質(zhì)量分布的測定

參考謝雪瓊等[21]的方法并略做修改，采用高效凝膠過濾色譜法測定。分子質(zhì)量校正曲線所用標(biāo)準(zhǔn)品如下：魚類小清蛋白II，11 950 Da；50肽，5 617.97 Da；桿菌肽，1 422.69 Da；Gly-Gly-Arg-Tyr，451.48 Da；Tyr，181.19 Da。色譜條件：GF-1260高效液相色譜純化系統(tǒng)，色譜柱為TSK gel G2000 SWXL（300 mm×7.8 mm），流動相為乙腈-水-三氟乙酸（45∶55∶0.1，V/V），檢測波長2 2 0 n m，進(jìn)樣體積1 0 μ L（標(biāo)準(zhǔn)品）、5 0 μ L（待測樣品），流速1 m L/min，柱溫25 ℃。利用GPC Offline軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以確定樣品分子質(zhì)量的分布比例。

1.3.9 氨基酸組成分析

采用高效液相色譜法。用濃度為0、50、125、250、500 μmol/L的氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。色譜條件：GF-1260高效液相色譜純化系統(tǒng)；色譜柱為ADVANCEBIO AAA；流動相A為10 mmol/L Na2HPO4、10 mmol/L Na2B4O7，流動相B為乙腈-甲醇-水（45∶45∶10，V/V）；檢測波長為262 nm（脯氨酸）和338 nm（其余氨基酸）；進(jìn)樣體積1.0 μL；流速1.5 mL/min；柱溫40 ℃。根據(jù)保留時間確定樣品中的氨基酸組成，根據(jù)峰面積計算樣品中每種氨基酸的含量。

1.3.10 ACE抑制活性的測定

參考Cushman等[22]的方法，并略作修改。在Eppendorf管中先后加入20 μL ACE溶液與20 μL待測樣品，充分混勻，37 ℃預(yù)熱5 min后，立即加入50 μL 6.5 mmol/L HHL溶液（溶于0.1 mol/L硼酸鹽緩沖液，pH 8.3，含0.3 mol/L NaCl），于37 ℃加熱60 min。用50 μL 1 mol/L鹽酸終止以應(yīng)后，加入300 μL乙酸乙酯，室溫、1 000×g離心5 min。取上清液200 μL，真空濃縮去除乙酸乙酯，加入600 μL去離子水充分溶解后，2 000×g離心3 min，在波長228 nm測定上清液的吸光度。其中，對照組用超純水代替樣液，空白組先加入鹽酸再加入底物，其余條件不變。IC50代表ACE抑制率為50%時對應(yīng)的樣品質(zhì)量濃度。ACE抑制率按式（3）計算：

式中：A1為對照組吸光度；As為實驗組吸光度；A0為空白組吸光度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。每組設(shè)置3 個平行，以組內(nèi)的平均變異系數(shù)為組內(nèi)誤差進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對蝦粗蛋白酶活力及NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對其影響

圖1 對蝦粗蛋白酶活力Fig. 1 Activities of crude proteases in shrimp heads

圖2 NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對酶活力的影響Fig. 2 Effect of salt concentration on protease activities

對蝦粗蛋白酶中所含的3 種主要酶及其活力如圖1所示。對蝦粗蛋白酶主要由高活力的胰蛋白酶、賴氨酸氨肽酶及組織蛋白酶B+L組成，其活力分別為25.47、5.11 kU/mL和1.70 kU/mL。如圖2所示，胰蛋白酶、組織蛋白酶B+L、組織蛋白酶K、苯丙氨酸氨肽酶及賴氨酸氨肽酶的活力先降低后趨于穩(wěn)定。在高NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，不同蛋白酶均具有一定的酶活力。甲硫氨酸氨肽酶及丙氨酸氨肽酶的相對酶活力隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時其相對酶活力最低，而NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%時，分別達(dá)到191%和131%。檢測不同濃度KCl對丙氨酸氨肽酶及甲硫氨酸氨肽酶的相對酶活力影響，得到了類似結(jié)果。推測當(dāng)一價金屬離子達(dá)到一定濃度時對丙氨酸氨肽酶及甲硫氨酸氨肽酶具有一定的激活作用。Lei Fenfen等[23]研究發(fā)現(xiàn)從海洋Bacillus licheniformisSWJS33中提取的氨肽酶具有很強(qiáng)的耐鹽性，在15%的NaCl溶液中具有150%左右的相對酶活力。Gao Xianli等[24]研究發(fā)現(xiàn)，天冬酰胺氨肽酶具有較高的耐鹽性，在17.5%的NaCl溶液中仍具有90%左右的相對酶活力。由于對蝦粗蛋白酶在高NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下仍具有一定的酶活力，可作為在高鹽條件下酶解蛋白的工具酶。

2.2 醬油渣蛋白的提取及酶解分析

以發(fā)酵12 個月的醬油渣為原料，采用堿溶的方法對醬油渣殘余蛋白進(jìn)行提取，蛋白提取率可達(dá)62.89%。利用Tricine-SDS-PAGE對所提蛋白進(jìn)行分析，結(jié)果顯示經(jīng)過12 個月的發(fā)酵酶解，醬油渣中殘存的主要是分子質(zhì)量小于35 kDa的蛋白（圖3對照組）。

圖3 不同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下對蝦粗蛋白酶酶解醬油渣蛋白的Tricine-SDS-PAGE分析Fig. 3 Tricine-SDS-PAGE analysis of soybean dregs hydrolyzed by crude proteases under different salinities

考慮到醬油在實際釀造過程中含有較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl，本研究設(shè)計對蝦粗蛋白酶在不同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)（15%、17.5%、20%、22.5%、25%）下對醬油渣蛋白進(jìn)行酶解，如圖3所示。在不同的NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，蛋白均可被有效降解，且降解效果沒有顯著性差異，該結(jié)果與NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對酶活力影響一致。由蛋白降解計算可知，在15% NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，對蝦粗蛋白酶對醬油渣蛋白的降解率可達(dá)63.25%。高鹽稀態(tài)醬油在釀造過程中含鹽量較高，醬醪NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)15%左右[25]。一般蛋白酶在該NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下會喪失活性，不適合應(yīng)用于醬油釀造，而對蝦粗蛋白酶在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)25%時依然具有酶解醬油渣蛋白的能力，說明對蝦粗蛋白酶具有應(yīng)用于醬油生產(chǎn)提高蛋白質(zhì)利用率的可能性。

2.3 酶解前后多肽含量的變化

圖4 酶解前后樣品多肽質(zhì)量濃度Fig. 4 Peptide contents before and after enzymatic hydrolysis

用酶解前后樣品多肽含量的變化顯示酶解效果，差異越大則酶解效果越好。酶解前后多肽含量變化如圖4所示，酶解前樣品的多肽質(zhì)量濃度為96.16 μg/mL，酶解后達(dá)到1 049.55 μg/mL，增加了9.91 倍，表明對蝦粗蛋白酶能夠酶解醬油渣蛋白且具有良好的酶解效果。

2.4 分子質(zhì)量分布

酶解前后樣品的分子質(zhì)量分布如圖5所示，樣品分子質(zhì)量的分布如表1所示。比較圖5a與圖5b，加入對蝦粗蛋白酶后醬油渣蛋白得到有效酶解，特別是對分子質(zhì)量大于5 kDa蛋白的酶解作用效果顯著，占比由43.78%降至16.85%；小分子質(zhì)量（小于1 kDa）部分占比明顯增多，由28.50%升至58.96%。酶解后分子質(zhì)量小于500 Da的組分占比接近50%，表明大分子質(zhì)量蛋白被有效降解，且降解產(chǎn)物以小分子肽和氨基酸為主。

圖5 酶解前后樣品的分子質(zhì)量分布色譜圖Fig. 5 Chromatogram for molecular mass distribution of samples before and after hydrolysis

表1 酶解前后樣品的分子質(zhì)量分布比例Table 1 Molecular mass distribution of samples before and after hydrolysis

2.5 氨基酸組成分析

如表2所示，酶解前后對比，酶解后氨基酸的種類及含量均有較大程度的增加。游離氨基酸總量由3.01 mg/100 mL增至97.16 mg/100 mL。酶解前后樣品中的呈鮮味氨基酸總量由0.35 mg/100 mL增至3.33 mg/100 mL，呈甜味、酸味氨基酸總量由0.75 mg/100 mL增至11.50 mg/100 mL，但呈苦味氨基酸總量也由1.91 mg/100 mL增加至60.15 mg/100 mL。推測在對蝦粗蛋白酶酶解醬油渣蛋白的過程中耐鹽的氨肽酶發(fā)揮了重要作用，使小肽被酶解為游離氨基酸，其種類及含量均有較大幅度的提升。而酶解前樣品中游離氨基酸的種類及含量較低是由于透析所導(dǎo)致的。

表2 酶解前后樣品的氨基酸含量變化Table 2 Changes in amino acid composition before and after hydrolysis

2.6 ACE抑制活性分析

圖6 酶解液的ACE抑制活性Fig. 6 ACE inhibitory activity of enzymatic hydrolysate

ACE能水解緩激肽，引起血管收縮，具有使血壓升高的作用。醬油渣蛋白酶解液對ACE具有抑制活性（圖6），隨著質(zhì)量濃度增加其ACE抑制活性逐漸增強(qiáng)，IC50為90.02 μg/mL。ACE抑制肽在預(yù)防和/或治療高血壓中起重要作用。因此，與普通醬油相比，具有ACE抑制活性的醬油將具有更強(qiáng)的競爭力[26]。

3 討 論

醬油渣是醬油釀造過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，醬油渣蛋白在高鹽條件下難以降解是造成醬油釀造過程中蛋白利用率低的主要原因。本研究從凡納濱對蝦加工副產(chǎn)物蝦頭消化腺中提取蛋白酶并對醬油渣蛋白進(jìn)行酶解。對蝦消化腺中含有豐富的蛋白酶，是一種優(yōu)質(zhì)的蛋白酶資源。Cao Wenhong等[27]報道了利用超聲技術(shù)從凡納濱對蝦的頭部回收蛋白質(zhì)的方法。本研究發(fā)現(xiàn)，對蝦粗蛋白酶中主要含有高活力的胰蛋白酶、組織蛋白酶及氨肽酶，Tricine-SDS-PAGE分析結(jié)果顯示在不同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下對蝦粗蛋白酶均能夠有效降解醬油渣蛋白。

對酶解前后結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，酶解后醬油渣蛋白質(zhì)分子質(zhì)量明顯降低，酶解產(chǎn)物中多肽含量顯著升高。據(jù)Zhuang Mingzhu等[28-29]報道，分子質(zhì)量小于500 Da的小肽是醬油風(fēng)味的主要提供者。Lioe等[30]研究表明醬油中咸味和鮮味主要是由分子質(zhì)量小于500 Da組分提供。本研究以醬油渣蛋白為原料，以對蝦粗蛋白酶為酶解工具酶，所得到的酶解液中小于500 Da組分占比較高，預(yù)測在醬油生產(chǎn)工藝中加入對蝦粗蛋白酶會使醬油具有更好的風(fēng)味。

與酶解前相比，酶解后產(chǎn)物中呈味氨基酸及總氨基酸的種類及含量均有較大程度的增加。Goh等[31]指出醬油中的游離氨基酸含量對其感官品質(zhì)的評價至關(guān)重要。醬油中呈味氨基酸含量越高則其風(fēng)味越鮮美，且相比于蛋白，小分子肽及游離氨基酸更易被人體消化吸收，推測在釀造醬油的過程中加入對蝦粗蛋白酶會使醬油具有更好的風(fēng)味、更高的營養(yǎng)價值。

經(jīng)檢測，本研究合作企業(yè)的原料大豆中蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.24%，而醬油渣中仍殘留9.59%的蛋白，蛋白利用率為70.25%。應(yīng)用對蝦粗蛋白酶對醬油渣蛋白進(jìn)行酶解，可再利用3.81%的大豆蛋白，即蛋白利用率提高至82.07%。

對酶解液的生物活性進(jìn)行測定后發(fā)現(xiàn)酶解液具有ACE抑制活性。Peng Mingye等[32]報道醬油含有黃酮、異黃酮、酚等許多生物活性成分。Li Huipin等[33]指出從醬油中純化的具有高抗氧化活性的成分可用作食品工業(yè)中的生物活性成分。Zhu Xiaolin等[34]曾從醬油中鑒定出具有ACE抑制活性的小肽。

4 結(jié) 論

本研究從凡納濱對蝦蝦頭消化腺中提取對蝦粗蛋白酶，并將其應(yīng)用于醬油豆渣蛋白質(zhì)的進(jìn)一步酶解。進(jìn)行Tricine-SDS-PAGE、多肽含量變化、分子質(zhì)量分布、游離氨基酸種類及含量變化測定，對酶解效果進(jìn)行表征，結(jié)果均表明對蝦粗蛋白酶能夠有效酶解含鹽醬油渣蛋白。利用對蝦粗蛋白酶酶解醬油渣蛋白可使大豆蛋白利用率提高11.82%。酶解產(chǎn)物對ACE表現(xiàn)較高的抑制活性，其IC50為90.02 μg/mL。本研究可為蝦頭和醬油豆渣的高值化利用、解決我國醬油行業(yè)蛋白質(zhì)利用率低的問題提供理論參考。