核桃粕蛋白抑菌肽的制備工藝及純化

劉東偉,袁瑋瓊,柳 梅,王曉雪,呂兆林

(1.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100083; 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所,北京 100019; 3.北京林業(yè)大學(xué)公共分析測試中心,北京 100083; 4.林業(yè)食品加工與安全北京市重點實驗室,北京 100083)

核桃(JuglansregiaL.)又名胡桃、羌桃,屬胡桃科核桃屬多年生落葉喬木。在亞洲、美洲、歐洲等地區(qū)廣泛種植[1]。目前,我國栽培的核桃品種有60余種,在陜西、河北、云南、新疆等地區(qū)均有分布[2-3]。核桃仁中含有67%的油脂、17%的蛋白質(zhì)[4]以及維生素、黃酮和大量礦物質(zhì)元素[5]。其中蛋白質(zhì)包含18種氨基酸,8種為必需氨基酸,為人體的生長提供了必要的營養(yǎng)成分。核桃粕(Walnut dregs)是核桃榨油后的主要副產(chǎn)物,蛋白質(zhì)含量約為40%[6],常被用于飼料加工[7],對其缺乏深入的研究開發(fā),造成了資源浪費。

生物活性肽(Bioactive Peptides,BAP)是分子量在5 kDa左右,是具有特殊生理活性的肽類化合物的統(tǒng)稱[8]。多肽類化合物經(jīng)過糖基化和?；揎椇笤诖x調(diào)節(jié)上具有重要的生理作用,而水解蛋白質(zhì)可以將多肽的分子片段與活性物質(zhì)釋放出來。生物活性肽包含多個類別,按功能性可分為免疫調(diào)節(jié)肽、抗氧化肽、抑菌肽等[9]。

表1 不同蛋白酶酶解條件Table 1 Optimal protease hydrolysis conditions

抑菌肽是來源于昆蟲、植物等生物體[10]的一類疏水性陽離子多肽,氨基酸數(shù)目在10～100[11]。具有分子量低、抗菌譜廣等獨特的優(yōu)點,可以抵抗細菌的侵襲,刺激巨噬細胞的生長,提高免疫力,對高等動物細胞幾乎無毒害作用[12]。抑菌肽也可用于食品保鮮,有望代替化學(xué)防腐劑成為天然食品防腐劑[13]。近年來,有大量文獻研究了從小麥胚乳[14]、花椒籽蛋白[15]以及牛乳酪蛋白[16]中分離出具有抑菌活性的多肽類物質(zhì)。研究表明核桃粕經(jīng)過酶解后得到的生物活性肽,具有改善高血壓[17]、抗氧化[18]以及緩解疲勞[19]等功效,但對于核桃粕蛋白抑菌肽的研究則鮮有報道,作為一種潛在的、可利用的外源抑菌物質(zhì),核桃蛋白抑菌肽有待進一步的分析研究。

本研究通過對核桃粕蛋白抑菌肽的酶解工藝進行優(yōu)化,進一步分離純化,測試蛋白酶解產(chǎn)物的抑菌活性,以期篩選出一種具有良好抑菌性能的核桃蛋白抑菌肽,為核桃粕資源的充分利用和生產(chǎn)抑菌肽產(chǎn)品提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

核桃粕 河北省綠嶺康維有限公司提供;大腸桿菌(Escherichiacoli,O157∶H7 ATCC 33150)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus,ATCC 25922)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis,ATCC 6633) 均由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動醫(yī)學(xué)院提供;堿性蛋白酶(5.0×104U/g)、中性蛋白酶(5.0×104U/g)、胃蛋白酶(1.0×105U/g)、復(fù)合蛋白酶(120 U/mg)、木瓜蛋白酶(5.0×105U/g) 北京奧博興生物科技有限公司;3、10、30 kDa超濾離心管 美國Millipore公司;乙醇、正己烷、乙醚 均為分析純,北京化工廠。

LGJ-18A BILON真空冷凍干燥機 上海比朗儀器制造有限公司;1-14型小型臺式離心機 德國Sigma公司;Blue Pard隔水式恒溫培養(yǎng)箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;BXM-3-R立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司;KDN-818全自動凱氏定氮儀 上海纖檢儀器有限公司;KQ-500VDE雙頻數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲波儀器有限公司;200型小型粉碎機 永康市鉑歐五金制品有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 核桃粕蛋白質(zhì)的制備 準確稱取一定質(zhì)量核桃粕,利用粉碎機完全粉粹,按料液比1∶20溶于正己烷溶液中,放置于45 ℃超聲數(shù)控儀中30 min用于浸提油脂,于40 ℃烘箱中烘干,過40目篩,得脫脂核桃粕粉。

準確稱取一定質(zhì)量的脫脂核桃粕粉,按照料液比1∶10加入超純水,調(diào)節(jié)pH為11,4000 r/min的條件下離心20 min,將沉淀凍干后得核桃粕粗蛋白[20-22]。

1.2.2 蛋白酶的篩選 利用堿性蛋白酶、中性蛋白酶、胃蛋白酶、復(fù)合蛋白酶、木瓜蛋白酶對核桃粕蛋白質(zhì)進行水解,并測試其蛋白水解產(chǎn)物對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌以及枯草芽孢桿菌的抑制效果,以抑菌圈直徑大小為評價指標,篩選出最優(yōu)蛋白酶,各蛋白酶的酶解條件見表1。

1.2.3 核桃蛋白最優(yōu)酶解條件的確定

1.2.3.1 核桃蛋白酶解反應(yīng)單因素實驗 以水解度為評價指標,考察加酶量、底物濃度、酶解pH、酶解溫度、酶解時間對核桃蛋白酶解的影響,每組實驗重復(fù)3次,結(jié)果取平均值。

加酶量:設(shè)置底物濃度為3%,pH3.0,溫度50 ℃,酶解時間4 h,以水解度為評價指標,考查胃蛋白酶不同加酶量(3000、4000、5000、6000 U/g)對核桃蛋白酶解的影響。

底物濃度:固定pH3.0,溫度50 ℃,酶解時間4 h,酶濃度5000 U/g,以水解度為評價指標,考查不同底物濃度(2%、3%、4%、5%)對核桃蛋白酶解的影響。

酶解pH:選取溫度50 ℃,提取時間4 h,加酶量5000 U/g,底物濃度3%,以水解度為評價指標,考查不同pH(2.0、3.0、4.0、5.0)對核桃蛋白酶解的影響。

酶解溫度:固定酶解時間4 h,pH3.0,加酶量5000 U/g,底物濃度3%,以水解度為評價指標,考查不同溫度(30、40、50、60 ℃)對核桃蛋白酶解的影響。

酶解時間:以溫度為50 ℃,pH3.0,加酶量5000 U/g,底物濃度3%為條件,以水解度為評價指標,考查時間(2、3、4、5 h)對核桃蛋白酶解的影響。

1.2.3.2 核桃蛋白酶解反應(yīng)響應(yīng)面試驗 通過單因素實驗確定影響核桃蛋白酶解的主要因素和最佳水平范圍,以酶解溫度、酶解pH和加酶量三個因素作為自變量,以水解度為響應(yīng)值,用響應(yīng)面法中的Box-Behnken Design法設(shè)計三因素三水平試驗,確定核桃蛋白酶解的最優(yōu)工藝條件。

表2 響應(yīng)面分析因素水平Table 2 Factors and levels of response surface analysis

1.2.4 水解度的測定

1.2.4.1 氨態(tài)氮的測定 氨態(tài)氮(AN)的測定:采用雙指示劑甲醛滴定法測定[26]。測定方法為:準確吸取5.0 mL酶解液于燒杯中,加入25 mL蒸餾水,氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為8.2,加入10.00 mL 37%中性甲醛,再將pH調(diào)至9.2,記錄耗堿量。同時以水做為試劑空白對照。

式(1)

式中:X-樣品中氨基氮的含量(g/100 mL);V1-樣品加入甲醛后消耗氫氧化鈉標準液的體積(mL);V2-試劑空白加入甲醛后消耗氫氧化鈉標準液的體積(mL);V3-樣品稀釋液取用量(mL);C-氫氧化鈉標準液的濃度(mol/L);14-氮的摩爾質(zhì)量(g/mL)。

1.2.4.2 總氮的測定 總氮(TN)的測定:采用凱氏定氮法測定。(GB 5009.5-2016食品中蛋白質(zhì)的測定[27])

1.2.4.3 蛋白質(zhì)水解度的計算

式(2)

1.2.5 核桃抑菌肽分離純化 分別采用3、10和30 kDa的超濾離心管對酶解肽進行分離純化,將酶解產(chǎn)物分為小于3 kDa(H-I)、3～10 kDa(H-II)、10～30 kDa(H-III)、大于30 kDa(H-IV)四個不同分子量范圍,并分別收集不同分子量范圍的酶解肽,冷凍干燥后測試不同分子量酶解肽的抑菌活性,以抑菌圈直徑大小為評價指標,實驗重復(fù)3次取平均值。

1.2.6 抑菌活性檢測 利用打孔器打孔(孔徑6 mm),用棉簽蘸取濃度為105～106cfu/mL的菌懸液在瓊脂上充分涂布,取40 μL樣品加入孔中,然后將培養(yǎng)皿移入37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)16～24 h,觀察是否出現(xiàn)抑菌圈,并分別測量抑菌圈直徑,每株菌重復(fù)3次取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組數(shù)據(jù)重復(fù)三次,數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標準偏差數(shù)據(jù),使用Excel 2007及SPSS v19.0進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蛋白酶種類的選擇

本研究為篩選出最佳的蛋白酶,所以選擇了多種蛋白酶對核桃粕蛋白進行水解,包括堿性蛋白酶、中性蛋白酶、胃蛋白酶、復(fù)合蛋白酶、木瓜蛋白酶,不同蛋白酶水解后的抑菌效果如表3所示。

表3 不同蛋白酶解物的抑菌活性Table 3 Antibacterial activity of different proteolytic agents

由表3可知,胃蛋白酶和復(fù)合蛋白酶的酶解產(chǎn)物對三種細菌均具有抑菌活性,而胃蛋白酶酶解產(chǎn)物對三種細菌抑菌圈直徑都達到了大于7.0 mm,表現(xiàn)出更強的抑菌效果。所以選擇胃蛋白酶為接下來制備核桃粕蛋白抑菌肽的蛋白酶。

2.2 核桃蛋白酶解反應(yīng)單因素實驗

2.2.1 加酶量的影響 由圖1可知,當加酶量在3000～5000 U/g時,水解度隨著酶添加量的增加而提高。當酶添加量超過5000 U/g時,水解度呈現(xiàn)下降的趨勢。主要是由于在反應(yīng)初期底物濃度較大,蛋白酶的結(jié)合位點較多,提高了蛋白質(zhì)的水解度,當增大蛋白酶的濃度,酶解位點減少,蛋白酶酶解程度呈現(xiàn)飽和狀態(tài),水解速度有下降的趨勢[15]。因此,確定加酶量為5000 U/g。

圖1 加酶量對水解度影響Fig.1 Influence on hydrolysis with different enzyme addition注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05);圖2～圖5同。

2.2.2 底物濃度的影響 底物濃度與水解度的變化情況如圖2所示。由圖2可知,當?shù)孜餄舛仍?%～3%時,隨著底物濃度的增大,水解度增大,但整體上升趨勢平穩(wěn),當再增大底物濃度時,水解度開始下降。底物濃度較低時,自由水含量較多,有利于分子在溶液中擴散,酶與底物結(jié)合幾率較大,水解度升高,而高濃度的核桃蛋白會對酶形成抑制作用;并且考慮低碳經(jīng)濟,提高效率;因此,確定核桃蛋白的底物濃度為3%。

圖2 底物濃度對水解度影響Fig.2 Influence on hydrolysis with different substrate concentration

2.2.3 酶解pH的影響 酶解pH與水解度的變化情況如圖3,由圖3可知,隨著酶解pH的增加,水解度呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,當酶解pH為3.0左右時,核桃蛋白的水解度達到最大值。胃蛋白酶是一種最適酶解pH近酸性的蛋白酶,酶解反應(yīng)需在該酶最優(yōu)的酶解pH范圍內(nèi)進行,酶解pH主要是通過影響酶活力來影響酶促反應(yīng)速度,過高的酶解pH會使蛋白酶迅速失活,并且酶解pH也會影響底物和酶分子的解離狀態(tài),影響復(fù)合物的形成,使水解度降低。因此,確定胃蛋白酶水解核桃蛋白最優(yōu)的酶解pH為3.0。

圖3 pH對水解度影響Fig.3 Influence on hydrolysis with different enzymatic hydrolysis pH

2.2.4 酶解溫度的影響 酶解溫度與水解度的變化情況如圖4。由圖4可知,隨著酶解溫度的升高,核桃蛋白的水解度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,當酶解溫度為50 ℃時,水解度有最大值。酶解反應(yīng)應(yīng)在該酶最適的酶解溫度下進行。在酶解反應(yīng)初期,升高酶解溫度有利于加快酶解反應(yīng)速度,隨著水解度的升高,達到最大值;作為生物大分子的蛋白酶,次級鍵構(gòu)成了其特定的空間構(gòu)象,當溫度升高,次級鍵發(fā)生斷裂,蛋白酶的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致酶迅速失活[28]。因此,確定酶解溫度為50 ℃。

圖4 酶解溫度對水解度影響Fig.4 Influence on hydrolysis with different enzymatic hydrolysis temperature

2.2.5 酶解時間的影響 酶解時間與水解度的變化情況如圖5。由圖5可知,水解度隨著酶解時間的增加整體呈現(xiàn)上升趨勢,酶解時間在2～3 h,水解度變化不大;在3～4 h時,水解度上升較快;在4～5 h時,水解度上升較緩。在酶解反應(yīng)的初始階段,由于酶活力較強和底物濃度較大,蛋白酶結(jié)合位點較多,酶反應(yīng)速率較快;隨著反應(yīng)時間的延長,酶解產(chǎn)物濃物增大,對酶解反應(yīng)有抑制作用,酶促反應(yīng)達到動態(tài)平衡;在4 h時,水解反應(yīng)的速率較大,且水解度較高,因此,確定胃蛋白酶水解核桃蛋白最優(yōu)的酶解時間為4 h。

圖5 酶解時間對水解度影響 Fig.5 Influence on hydrolysis with different enzymatic hydrolysis minutes

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化核桃抑菌肽最佳制備工藝

在單因素的基礎(chǔ)上,采用三因素三水平的響應(yīng)面分析法,以溫度(X1)、pH(X2)、加酶量(X3)3個因素為自變量,核桃蛋白質(zhì)水解度(Y)為響應(yīng)值,運用響應(yīng)面Box-Behnken試驗設(shè)計對制備工藝進行優(yōu)化。

2.3.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果 應(yīng)用Design Expert 8.05b軟件對表4中的數(shù)據(jù)進行回歸擬合,獲得響應(yīng)值(Y)與自變量關(guān)系的二次多項式回歸模型為:

Y=13.79+0.15X1+0.34X2+0.38X3+0.072X1X2+0.065X1X3-0.078X2X3-0.26X12-0.36X22-0.39X32

表4 核桃蛋白酶解工藝Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果Table 4 Experimental design and results for response surface analysis

回歸方程中,各因素系數(shù)絕對值反映了對響應(yīng)值的影響程度,各因素系數(shù)的正負性反映的是影響的方向,試驗回歸方程的二次項系數(shù)為負值,表明響應(yīng)值具有極大值點,可進行優(yōu)化分析。對所得回歸方程做顯著性檢驗與方差分析,結(jié)果見表5。

由表5可知,影響核桃蛋白水解度的工藝參數(shù)中,酶解pH和加酶量達到極顯著水平(P<0.01),酶解溫度達到顯著水平(P<0.05),失擬項P=0.1561>0.1,失擬項不顯著,說明模型選擇正確。模型的決定系數(shù)R2=0.9527,能夠真實的反映出水解度與酶解溫度、酶解pH、加酶量之間的關(guān)系;模型調(diào)整確定系數(shù)AdjR2=0.8919,說明該模型與實際試驗擬合較好,自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著[29]。

2.3.2 響應(yīng)面交互作用分析 核桃蛋白酶解工藝中酶解溫度、酶解pH和加酶量3個因素之間交互作用對水解度的影響如圖6所示。如果響應(yīng)曲面圖的坡度平緩,則說明水解度受水解條件的影響小;反之,如果響應(yīng)曲面圖的坡度非常陡峭,則說明水解度對水解條件的改變非常敏感;此外,等高線的形狀為圓形,則說明兩因素間交互作用很弱[30]。從圖6可知,響應(yīng)曲面比較陡峭,說明酶解pH和酶解溫度的交互作用對水解度有顯著性的影響,等高線呈現(xiàn)橢圓形,說明兩個因素之間的交互作用比較強。由圖6a中變化趨勢可知,酶解pH不變時,水解度隨著酶解溫度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,酶解溫度固定不變時,水解度隨著酶解pH的增加先升高后降低,說明實驗范圍內(nèi)存在最佳的酶解溫度和酶解pH的條件,使得水解度達到理想值。同理,圖6b與圖6c說明加酶量、酶解溫度與酶解pH都存在適合蛋白酶水解的最佳值。因此,在實驗所選擇的因素水平范圍中存在最優(yōu)的酶解條件使得胃蛋白酶水解核桃粕蛋白的水解度達到最佳。

2.3.3 最佳工藝條件的確定與驗證 應(yīng)用Design Expert 8.05b軟件對模型進行擬合分析,得到核桃蛋白酶解工藝的最優(yōu)條件為:溫度為54.11 ℃,pH為3.46,加酶量為5475.71 U/g,模型預(yù)測水解度可達13.99%。為了驗證模型的可靠性且考慮到實際可操作性,采用溫度為54 ℃,pH為3.46,加酶量為5475.71 U/g,水解度達到了13.87%,與真實值較為接近,證明采用響應(yīng)面優(yōu)化法得到的工藝參數(shù)較為準確,有較強的可靠性。

2.4 不同分子量范圍酶解產(chǎn)物的抑菌活性

如圖7所示,胃蛋白酶酶解液經(jīng)過超濾后被分成四個不同分子量范圍,其抑菌圈直徑大小也有區(qū)別。在H-I分子量范圍內(nèi),酶解肽沒有抑菌活性;H-II范圍的酶解肽,對三種細菌的抑菌活性顯著高于其他三種分子量范圍(P<0.05),抑菌活性最強;在H-III分子量范圍內(nèi)的酶解肽,有較強的抑菌活性;H-IV范圍內(nèi)的酶解肽,抑菌活性相對較弱。H-II分子量范圍內(nèi)的酶解肽對枯草芽孢桿菌的抑菌圈直徑大小為11 mm,對大腸桿菌的抑菌圈直徑大小為10.5 mm,對金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑大小為13 mm。

圖6 各試驗因素的響應(yīng)曲面圖Fig.6 Response surface graphs of experimental factors

圖7 不同分子量范圍酶解產(chǎn)物的抑菌活性Fig.7 Antibacterial activity of enzymolysis products in different molecular weight ranges注：不同小寫字母表示對于同一菌種， 不同樣品的抑菌活性，P<0.05。

3 結(jié)論

通過對五種蛋白酶的篩選,得出胃蛋白酶水解核桃粕蛋白產(chǎn)生的酶解肽具有較強的抑制細菌的作用,分別對金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和大腸桿菌具有抑菌作用。單因素實驗得到的抑菌肽最佳制備條件為加酶量5000 U/g、底物濃度3%、pH3.0、酶解溫度50 ℃、酶解時間4 h,進一步應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化試驗確定核桃抑菌肽最佳制備條件為:溫度為54 ℃,pH為3.46,加酶量為5475.71 U/g,在此條件下,核桃蛋白水解度的模型預(yù)測值為13.99%,實測值為13.87%,二者接近,說明研究所得到的核桃粕蛋白制備工藝具有較高的可靠性,對實際制備生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。利用超濾技術(shù)對核桃蛋白抑菌肽進一步分離純化,抑菌實驗表明H-II分子量范圍的酶解肽的抑菌活性顯著高于其他幾種分子量范圍的抑菌肽(P<0.05),H-II分子量范圍的酶解肽是一種更具有開發(fā)潛能的抑菌肽。

近年來,對于抗菌肽的研究越發(fā)廣泛,核桃粕作為一種核桃榨油后的主要副產(chǎn)物,是制備核桃粕蛋白抑菌肽的豐富來源。通過對核桃粕蛋白抑菌肽制備工藝的探究及進一步的分離純化研究,對于提升核桃蛋白的利用價值、開發(fā)新型綠色防腐保鮮劑提供一定的理論支撐。但本研究對于核桃粕蛋白抑菌肽的具體氨基酸序列有待進一步的探究,以期實現(xiàn)對其完成全面系統(tǒng)的分析。