岑劍偉,趙敏,楊賢慶,李來好,黃卉,趙永強(qiáng),魏涯,楊少玲,林織
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(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院,上海,201306) 3(廣東順欣海洋漁業(yè)集團(tuán)有限公司,廣東 陽江,529800)
抗菌肽是在所有生命類別中基本都具備的先天免疫系統(tǒng)的一部分,能夠?qū)辜?xì)菌、真菌、病毒以及腫瘤細(xì)胞等[1],并具有生態(tài)友好性、低殘留、熱穩(wěn)定好、抗菌譜廣以及不易產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)勢(shì),在水產(chǎn)養(yǎng)殖中可以提高魚類的抗病性或保持食品不受微生物污染[2],可作為理想的抗生素替代品,在飼料、食品以及醫(yī)藥等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。
羅非魚(Oreochromisniloticus)由于具有快速生長(zhǎng)、高繁殖率和高適銷性等優(yōu)勢(shì),已成為世界第二大常見養(yǎng)殖淡水魚類[5]。羅非魚加工產(chǎn)生約60%~70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的副產(chǎn)品,包括肌肉殘留物、頭部、內(nèi)臟、皮膚、骨骼和鱗屑[6]。羅非魚副產(chǎn)物具備作為水產(chǎn)飼料原料的可行性,其水解物具有抗菌、抗氧化和抗高血壓等多種生物活性,在水產(chǎn)飼料中引入魚類副產(chǎn)物水解物可改善魚類生長(zhǎng)性能[7]。盡管羅非魚養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,但也面臨由鏈球菌(Streptococcusspp.)、弧菌(Vibriospp.)和嗜水氣單胞菌(Aeromonashydrophila)等引起的細(xì)菌感染挑戰(zhàn)[8]。無乳鏈球菌(Streptococcusagalactiae)是與各種水生動(dòng)物(特別是羅非魚)相關(guān)的重要病原體[9],已成為中國(guó)羅非魚行業(yè)最嚴(yán)重的疾病問題之一,對(duì)羅非魚養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)造成巨大的影響[10]。有報(bào)道稱,羅非魚副產(chǎn)物酶解肽在體外對(duì)金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、遲鈍愛德華氏菌(Edwardsiellatarda)、巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)和魯氏耶爾森氏菌(Yersiniaruckeri)具有抗菌活性[11-12]。但關(guān)于抑制無乳鏈球菌的羅非魚副產(chǎn)物抗菌肽的研究尚未有報(bào)道。
本研究的目的在于通過蛋白酶水解羅非魚副產(chǎn)物制備抗菌肽,通過前期的蛋白酶及抑菌目標(biāo)菌種探索得出,由酸性蛋白酶水解可獲得抑制無乳鏈球菌的抗菌肽,而無乳鏈球菌正是羅非魚養(yǎng)殖中迫切需要應(yīng)對(duì)的一種致病菌,因此選擇無乳鏈球菌進(jìn)行后續(xù)抑菌實(shí)驗(yàn)。由單因素及正交試驗(yàn)確定酸性蛋白酶酶解的最佳條件,抗菌活性依次通過瓊脂孔擴(kuò)散法和微孔板檢測(cè)法在體外進(jìn)行評(píng)估,并對(duì)羅非魚副產(chǎn)物酶解肽的氨基酸組成和分子質(zhì)量分布進(jìn)行測(cè)定,以評(píng)估其營(yíng)養(yǎng)和功能特性。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料
羅非魚,取羅非魚副產(chǎn)物(魚頭、魚骨、魚皮、內(nèi)臟等)絞碎,置于聚乙烯袋內(nèi)于-80 ℃凍藏備用,廣州華潤(rùn)萬家超市;無乳鏈球菌,中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所魚病室;木瓜蛋白酶(3 500 U/mg)、胰蛋白酶(250 U/mg)、酸性蛋白酶(50 U/mg)、胃蛋白酶(10 000 U/mg),合肥博美生物科技有限責(zé)任公司;Protamex (1.5 AU/g)、Alcalase 2.4 L(2.4 AU/g),丹麥諾維信公司;腦心浸萃(brain heart infusion,BHI)瓊脂培養(yǎng)基、MH肉湯(mueller-hinton broth,MHB)培養(yǎng)基,廣州領(lǐng)馭生物科技有限公司。
1.1.2 儀器與設(shè)備
809Titrando自動(dòng)電位滴定儀,瑞士萬通公司;Alpha1-4冷凍干燥機(jī),德國(guó)Christ公司;Sunrise-basic吸光酶標(biāo)儀,瑞士TECAN公司;3K30臺(tái)式高速冷凍離心機(jī),德國(guó)Sigma公司;THZ-82水浴恒溫振蕩器,金壇市精達(dá)儀器制造廠;SQ510C立式壓力蒸汽滅菌器,日本雅馬拓公司;LC-20AD高效液相色譜儀,日本島津公司;SW-CJ-1FD超凈工作臺(tái),蘇州凈化設(shè)備有限公司;WGZ-2XJ細(xì)菌濁度計(jì),上海昕瑞儀器儀表有限公司;835-50型高速氨基酸自動(dòng)分析儀,日本日立公司。
1.2.1 羅非魚副產(chǎn)物抗菌肽粗酶液提取中酶的篩選
取絞碎的羅非魚副產(chǎn)物解凍后以1∶2(g∶mL)加入去離子水均質(zhì)至混合物,調(diào)整不同pH,選用酸性蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、Protamex和Alcalase 2.4 L蛋白酶分別酶解羅非魚副產(chǎn)物,在其最適條件下恒溫水浴振蕩不同時(shí)間,再經(jīng)15 min沸水浴滅酶,冷卻后于4 ℃、10 000 r/min離心20 min,取上清液進(jìn)行抽濾、冷凍干燥后即得羅非魚副產(chǎn)物酶解肽粉末。6種蛋白酶的酶解條件見表1。然后取不同酶解條件的凍干肽粉末配制質(zhì)量濃度為100 μg/μL的肽溶液,分別進(jìn)行下述1.2.5中牛津杯法抑菌實(shí)驗(yàn),以及通過1.2.7中96孔板法測(cè)定各個(gè)酶解條件所得肽的抑菌活性。
表1 各類蛋白酶的酶解條件及添加量Table 1 Hydrolysis conditions and dosages of various proteases
1.2.2 單因素試驗(yàn)
按照1.2.1中方法進(jìn)行酶解,以對(duì)無乳鏈球菌的抑菌活性為指標(biāo),分別考察酸性蛋白酶的酶解時(shí)間(2、3、4、5、6 h)、酶解溫度(30、35、40、45、50 ℃)、酶解pH(1.5、2.0、2.5、3.0、3.5)、料液比(1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5)(g∶mL)以及酶添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%)對(duì)該指標(biāo)的影響。固定條件:酶解時(shí)間5 h、酶解溫度為40 ℃、pH 2.0、酶添加量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、料液比1∶3(g∶mL),每次改變其中1個(gè)因素,其他因素不變進(jìn)行酶解,并對(duì)其進(jìn)行1.2.3中水解度測(cè)定。然后取各酶解條件的凍干肽粉末配制質(zhì)量濃度200 μg/μL的肽溶液進(jìn)行下述1.2.5中抑菌實(shí)驗(yàn)。
1.2.3 水解度測(cè)定
采用電位滴定法[13]測(cè)定氨基態(tài)氮質(zhì)量濃度,凱氏定氮法[14]測(cè)定羅非魚副產(chǎn)物中的總氮質(zhì)量濃度。
(1)
1.2.4 無乳鏈球菌菌懸液配制
取1環(huán)無乳鏈球菌接種至100 mL BHI液體培養(yǎng)基,30 ℃振蕩24 h培養(yǎng)菌液。在比濁管內(nèi)用無菌水稀釋該菌液至其麥?zhǔn)蠞岫戎?McFarland,MCF)約為0.5(0.5 MCF相當(dāng)于108CFU/mL),然后稀釋2個(gè)梯度至106CFU/mL。
1.2.5 抑菌活性測(cè)定
采用牛津杯抑菌圈法[15],在無菌條件下,將牛津杯置于培養(yǎng)皿中央,吸取1 mL 106CFU/mL的菌液于冷卻至50 ℃左右的100 mL滅菌BHI瓊脂培養(yǎng)基中搖勻,傾注平板(約20 mL/平板)后靜置。凝固后將牛津杯用鑷子垂直拔出,吸取配好的肽溶液約200 μL注入孔中。由于酶解過程中用到鹽酸,故于平板孔中注入等pH鹽酸作陰性對(duì)照,并添加質(zhì)量濃度50 μg/mL的氯霉素溶液作陽性對(duì)照,等量無菌水作空白對(duì)照。將培養(yǎng)皿置于30 ℃培養(yǎng)箱中24 h后以游標(biāo)卡尺用十字交叉法測(cè)量抑菌圈直徑,以此評(píng)價(jià)其抑菌活性。重復(fù)3次抑菌實(shí)驗(yàn)取平均值。
1.2.6 正交實(shí)驗(yàn)
在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以抗菌肽抑菌圈直徑為響應(yīng)值,選擇對(duì)其影響較大的酶解時(shí)間、酶解溫度、料液比及酶添加量為4個(gè)因素,采用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行酶解條件的優(yōu)化,因素水平設(shè)計(jì)見表2。
表2 正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)Table 2 Factors and levels for orthogonal array design
1.2.7 羅非魚副產(chǎn)物抗菌肽最小抑菌濃度測(cè)定
參考李朝等[16]方法,采用96孔板二倍稀釋法進(jìn)行抑菌實(shí)驗(yàn),設(shè)實(shí)驗(yàn)組為3個(gè)平行、陽性對(duì)照和陰性對(duì)照。預(yù)先于所有微孔中加入100 μL的MHB培養(yǎng)基,各組操作如下:實(shí)驗(yàn)組為第1列微孔中加入100 μL配好的羅非魚副產(chǎn)物抗菌肽溶液,與預(yù)先添加的MHB培養(yǎng)基充分混合后,吸取100 μL混合液注入第2列,再次充分混合,逐級(jí)稀釋至最后1列時(shí)吸出100 μL棄去,最后于各微孔中添加100 μL菌液;陰性對(duì)照與其類似,第1列加入抗菌肽溶液,逐級(jí)稀釋后,于各微孔中添加100 μL無菌水;陽性對(duì)照為各微孔中注入100 μL菌液。
最后將微孔板于30 ℃下培養(yǎng)24 h后置于酶標(biāo)儀中于600 nm波長(zhǎng)下讀取吸光值,并根據(jù)吸光值確定該抗菌肽溶液對(duì)無乳鏈球菌的最小抑菌濃度(minimum inhibit concentration,MIC)值。
1.2.8 羅非魚副產(chǎn)物抗菌肽分子質(zhì)量測(cè)定
采用高效體積排阻色譜(high-performance size-exclusion chromatography,HPSEC)法[17]測(cè)定羅非魚副產(chǎn)物抗菌肽的分子質(zhì)量(molecular weight,MW)分布,流動(dòng)相V(含1 g/L三氟乙酸的乙腈)∶V(含1 g/L三氟乙酸的超純水)=20∶80,色譜柱為TSK-GEL?G2000SWXL(7.8 mm×300 mm),流速0.5 mL/min,進(jìn)樣體積10 μL,檢測(cè)波長(zhǎng)214 nm,分別用流動(dòng)相配制2 mg/mL的不同相對(duì)分子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)樣品溶液:還原性谷胱甘肽(MW307.3)、L-氧化型谷胱甘肽(MW612.63)、桿菌肽(MW1422.69)、細(xì)胞色素C(MW12 500),按照一定比例混合后,用0.22 μm微孔濾膜過濾后進(jìn)高效液相色譜儀,按照上述色譜條件進(jìn)行分析,以相對(duì)分子質(zhì)量的對(duì)數(shù)(lgMW)對(duì)保留時(shí)間(t)作圖,得到標(biāo)準(zhǔn)品色譜圖及分子質(zhì)量回歸方程:lgMW=-0.180 2t+6.570 7,最后用峰面積歸一法計(jì)算多肽相對(duì)分子質(zhì)量的分布情況。
1.2.9 酶解肽凍干粉氨基酸組成測(cè)定
按GB/T 5009.124—2016《食品中氨基酸的測(cè)定》中的酸水解法測(cè)定16種基本氨基酸[18];按GB/T 18246—2019《飼料中氨基酸的測(cè)定》中的堿水解法測(cè)定色氨酸和氧化酸水解法測(cè)定胱氨酸[19]。
利用Excel 2016和SPSS Statistics 22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行處理、分析和繪圖。
6種蛋白酶不同酶解條件所得肽溶液對(duì)無乳鏈球菌的吸光值測(cè)定結(jié)果如圖1所示。在酶解時(shí)間≥1 h時(shí),酸性蛋白酶實(shí)驗(yàn)組吸光值較低,與陰性對(duì)照基本一致,表明無乳鏈球菌的生長(zhǎng)受到抑制;而胃蛋白酶酶解肽在時(shí)間≥2 h時(shí)的吸光值較低,此時(shí)無乳鏈球菌受到抑制。其他酶解條件實(shí)驗(yàn)組吸光值與陽性對(duì)照一致,表明無乳鏈球菌正常生長(zhǎng)。因此得出酸性蛋白酶和胃蛋白酶解肽對(duì)無乳鏈球菌的抑菌效果顯著優(yōu)于其他蛋白酶。施永清等[ 20]以鯽魚魚鱗為原料通過堿性蛋白酶結(jié)合酸性蛋白酶分步酶解得到具有較強(qiáng)抑菌活性的抗菌肽,對(duì)副溶血性弧菌的抑菌圈直徑為27.72 mm。王焙等[21]以酸性蛋白酶酶解鰹魚暗色肉制備抗菌肽,其對(duì)大腸桿菌具有較好的抑菌效果,酸性蛋白酶的酶切作用范圍廣,主要作用于C端的某些疏水性氨基酸殘基,導(dǎo)致疏水性基團(tuán)暴露,易水解出具有抑菌活性的多肽。再通過對(duì)二者抑菌圈直徑大小的比較(數(shù)據(jù)未顯示),發(fā)現(xiàn)酸性蛋白酶的抑菌效果優(yōu)于胃蛋白酶,因此選取酸性蛋白酶進(jìn)行下一步的單因素酶解實(shí)驗(yàn)。
圖1 各類蛋白酶酶解液對(duì)無乳鏈球菌的抑菌效果Fig.1 Antibacterial effect of various protease hydrolysateson S. agalactiae
如圖2-a所示,隨酶解時(shí)間的延長(zhǎng),抑菌圈直徑和水解度均呈上升趨勢(shì),5 h后無明顯增加,因此酶解5 h較佳。圖2-b表明,隨酶解溫度的升高,抑菌圈直徑和水解度均先升高后下降。溫度過高會(huì)引起酶變性失活,因此最佳溫度為40 ℃,符合酸性蛋白酶的最適溫度范圍。由圖2-c可知,pH 1.5時(shí),抑菌圈直徑最大而水解度最小。通過等pH鹽酸的抑菌對(duì)照發(fā)現(xiàn)在pH值<1.5時(shí)酸性本身具有抑菌效果,因此為了排除其影響選取pH 2.0進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。這與顧晨濤等[22]的試驗(yàn)結(jié)果一致,通過胃蛋白酶酶解鯽魚魚鱗得到pH值為1.5的抗菌肽粗酶液。這可能是由于環(huán)境pH可直接影響酶活力,在特定pH下,酶分子才會(huì)與底物蛋白更好地結(jié)合。這說明該抗菌肽在酸性條件下更易發(fā)揮抗菌效果。如圖2-d所示,抑菌圈直徑隨酶添加量的增加而先增大后減小,這可能是由于酶量的增加抑制了底物擴(kuò)散,反而使反應(yīng)速率降低[23],因此該酶的最佳添加量為0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。圖2-e表明,隨蒸餾水體積的增加,抑菌圈直徑逐漸增大,可能是副產(chǎn)物比例越低,酶解效果越好,得到的抑菌多肽數(shù)量越多,然而隨著水量繼續(xù)增加,與底物結(jié)合的酶添加量一定,酶解程度達(dá)到極限,從而抑菌效果上升不明顯,因此確定最適料液比為1∶4(g∶mL)。
通過單因素試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)4個(gè)因素在一定pH范圍內(nèi)會(huì)對(duì)抑菌活性產(chǎn)生明顯影響,所以設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)時(shí)只考慮酶解時(shí)間、酶解溫度、料液比、酶添加量這4個(gè)因素。以抑菌圈直徑為指標(biāo),正交試驗(yàn)的結(jié)果如表3所示。
a-酶解時(shí)間;b-酶解溫度;c-酶解pH;d-酶添加量;e-料液比圖2 酶解時(shí)間、溫度、pH、酶添加量和料液比對(duì)抑菌效果和水解度的影響Fig.2 Effect of enzymatic hydrolysis time,temperature,pH,enzyme dosage and solid-liquid ratio on antibacterial effectand the degree of hydrolysis
表3 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化結(jié)果Table 3 L9(34) orthogonal experimental design andoptimization results
由極差R可知,各因素對(duì)抑菌圈直徑的影響順序依次為:酶解溫度>料液比>酶解時(shí)間>酶添加量,所選因素中溫度的影響較大。并得出最佳酶解條件為A2B2C3D1,即酶解時(shí)間5 h,酶解溫度40 ℃,料液比1∶5(g∶mL),酶添加量0.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),對(duì)得到的最佳酶解條件進(jìn)行驗(yàn)證,3組平行實(shí)驗(yàn)得到抑菌圈直徑為23.38 mm。根據(jù)抑菌圈直徑≥20 mm為極敏,直徑在15~20 mm為高敏,直徑在10~15 mm為中敏,直徑<10 mm為低敏的標(biāo)準(zhǔn)[24],羅非魚副產(chǎn)物抗菌肽溶液質(zhì)量濃度為200 μg/μL時(shí),抑菌圈直徑為23.38 mm,表明無乳鏈球菌對(duì)該抗菌肽溶液極敏,在此質(zhì)量濃度下具有良好的抑菌活性。
最優(yōu)酶解條件所得多肽溶液對(duì)無乳鏈球菌的MIC實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示,當(dāng)肽溶液質(zhì)量濃度≥12.5 μg/μL時(shí),實(shí)驗(yàn)組與陰性對(duì)照的吸光值基本一致,表明無乳鏈球菌的生長(zhǎng)受到抑制;當(dāng)肽溶液質(zhì)量濃度<12.5 μg/μL時(shí),實(shí)驗(yàn)組與陽性對(duì)照的吸光值基本一致,表明無乳鏈球菌正常生長(zhǎng)。因此,該羅非魚副產(chǎn)物抗菌肽對(duì)無乳鏈球菌的MIC值為12.5 μg/μL。
圖3 羅非魚副產(chǎn)物抗菌肽對(duì)無乳鏈球菌的MIC值Fig.3 Minimum inhibitory concentration of tilapia by-product antibacterial peptides against S. agalactiae
圖4-a為最優(yōu)酶解條件所得羅非魚副產(chǎn)物多肽的HPSEC圖譜,其分子質(zhì)量百分比分布如圖4-b所示。由圖4可知,該多肽組分主要由低分子質(zhì)量級(jí)(<3 kDa)組成,占68.08%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),表明酶解后羅非魚副產(chǎn)物蛋白質(zhì)在很大程度上降解為小肽或游離氨基酸,該抗菌肽極有可能是小分子多肽。通常認(rèn)為分子質(zhì)量是決定肽生物活性的重要因素[25],分子質(zhì)量越小的短肽具有越好的水溶性,易于被人體腸胃吸收利用,尤其是一些寡肽由于氨基酸組成以及排列順序的不同,具有非常重要的生物活性[23],而對(duì)于其中抑菌活性最佳組分分子質(zhì)量的確定還有待進(jìn)一步的分離純化探究。
a-HPSEC圖譜;b-各肽段分子質(zhì)量所占百分比圖4 羅非魚副產(chǎn)物抗菌肽的分子質(zhì)量分布Fig.4 Molecular weight distribution of antibacterial peptidesfrom tilapia by-products
除了多肽的分子質(zhì)量大小,其氨基酸組成對(duì)抗菌活性也很重要。最優(yōu)酶解條件所得凍干粉的氨基酸組成如表4所示,共檢測(cè)到18種氨基酸,含量最多的氨基酸按順序依次為谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)和天冬氨酸(Asp),而Glu占氨基酸總量的14.24%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),必需氨基酸占氨基酸總量的32.32%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。這與ROBERT等[11]的研究結(jié)果一致,通過Protamex酶解羅非魚副產(chǎn)物制備抗菌肽,得到Glu、Gly和Asp含量最高的酶解產(chǎn)物,并發(fā)現(xiàn)其對(duì)魯氏耶爾森氏菌等具有抗菌活性??咕嚯逆溨懈彼?Pro)和Gly的富集對(duì)其生物活性發(fā)揮著重要作用[26]。本實(shí)驗(yàn)測(cè)得羅非魚副產(chǎn)物酶解物中Pro和Gly的總量占氨基酸總量的19.48%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),含量較高,這可能是其具有抑菌活性的原因。并且該酶解物具有均衡的氨基酸組成,所有必需氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于食肉魚虹鱒魚所定義的氨基酸要求[11],證實(shí)了其在水產(chǎn)飼料中的應(yīng)用潛力。
本研究在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用正交實(shí)驗(yàn)得到酸性蛋白酶酶解羅非魚副產(chǎn)物的最佳工藝:酶解時(shí)間5 h,酶解溫度40 ℃,pH 2.0,料液比1∶5(g∶mL),酶添加量0.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。此條件下制備的酶解液對(duì)無乳鏈球菌的抑菌圈直徑為23.38 mm,MIC達(dá)到12.5 μg/μL,分子質(zhì)量有68.08%分布在3 000 Da以下,并具有均衡的氨基酸組成,證明了其營(yíng)養(yǎng)潛力。本研究對(duì)羅非魚副產(chǎn)物酶解肽的抑菌活性進(jìn)行了初步分析,發(fā)現(xiàn)其可能具有治療羅非魚無乳鏈球菌感染的巨大潛力,可被視為有希望的無乳鏈球菌抑制肽來源。為進(jìn)一步提高其抑菌效果和實(shí)用價(jià)值,還需對(duì)其進(jìn)行分離純化、質(zhì)譜鑒定、作用機(jī)理、廣譜抗菌性和生物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)等深入探究,為后續(xù)預(yù)防和治療水產(chǎn)養(yǎng)殖中細(xì)菌感染藥物的開發(fā)、在食品工業(yè)中用作抗菌肽的天然食品成分以及畜牧業(yè)飼料加工中的應(yīng)用提供理論支持。