雞血多肽亞鐵螯合物的制備工藝優(yōu)化及結(jié)構(gòu)表征

楊 靜， 石 景， 鄒 燁， 楊 彪， 馬晶晶， 徐為民， 王道營

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇南京210014；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，江蘇南京210095)

中國是世界肉雞養(yǎng)殖和消費大國，隨著居民消費意識的轉(zhuǎn)變，肉雞屠宰量持續(xù)攀升，雞血資源十分豐富。雞血中的蛋白質(zhì)含量與禽肉接近，必需氨基酸含量高，是制備活性肽等深加工產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料。然而目前國內(nèi)的雞血主要用于制備血球蛋白粉和血漿蛋白粉等初加工產(chǎn)品，對雞血蛋白的利用還存在一定局限，造成了雞血中蛋白質(zhì)資源的浪費。因此，開展畜禽血深加工研究、研發(fā)高附加值和高蛋白質(zhì)利用率的產(chǎn)品成為副產(chǎn)物研究領(lǐng)域的熱點。

鐵是一種人體必需的微量金屬元素，長期缺鐵會影響紅細(xì)胞代謝，降低人體免疫力，進(jìn)而引發(fā)貧血等多種缺鐵性疾病，2020年《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況調(diào)查報告》顯示，中國成年人貧血率為8.7%，孕婦貧血率為 13.6%[1]?？诜a(bǔ)鐵劑可有效改善貧血，但硫酸亞鐵、琥珀酸亞鐵等目前常見補(bǔ)鐵劑的生物利用率較低，且長期食用會導(dǎo)致胃腸道不適[2]，因此亟需開發(fā)一種新型鐵補(bǔ)充劑來改善這一問題。研究發(fā)現(xiàn)，肽與亞鐵離子形成的螯合物可以有效防止亞鐵離子在胃腸道中受到植酸等膳食成分的影響，具有生物利用率高、穩(wěn)定性好、毒副作用少等優(yōu)點[3-4]，還具有良好的耐酸堿性、耐鹽性[5]，使其在較低的補(bǔ)給量下即可達(dá)到補(bǔ)充效果。由此可見，利用多肽制備多肽亞鐵螯合物是當(dāng)前制備鐵補(bǔ)充劑的一種重要方法[6]。

雖然中國雞血資源豐富，但是利用率低，而且關(guān)于雞血肽亞鐵的研究較少。因此，本研究以雞血為原料，提取雞血多肽，通過單因素及響應(yīng)面法優(yōu)化雞血多肽亞鐵的制備工藝，并對其螯合前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，以期為新型補(bǔ)鐵劑的開發(fā)和畜禽血的高值化利用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮雞血由江蘇立華牧業(yè)有限公司提供；無水乙醇、FeCl2·4H2O、乙酸鈉、冰乙酸等試劑為分析純，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

熒光分光光度計(FL-4600)，購自日本日立技術(shù)有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet iS50)，購自美國Thermo Fisher Scientific公司；離心機(jī)(Centrifuge|5810R)，購自德國Eppendorf公司；掃描電子顯微鏡(EVO-LS10)，購自德國ZEISS公司；真空冷凍干燥機(jī)，購自德國Christ公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 雞血多肽的提取 將新鮮抗凝雞血除雜后，于1 000g離心15 min，收集沉淀并加入5倍體積的去離子水，勻質(zhì)化處理40 min后，將溶液置于管式離心機(jī)中，于3 000g離心10 min，收集上清。參照Yang等[7]的方法進(jìn)行酶解，酶解反應(yīng)結(jié)束后于3 000g離心10 min，收集上清液，獲得雞血多肽，冷凍干燥后備用。

1.3.2 雞血多肽亞鐵螯合物的制備 工藝路線：將多肽溶液水浴加熱至需要溫度→用0.1 mol/L NaOH、0.1 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)pH值→加入適量FeCl2·4H2O→攪拌加熱→用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀于50～55 ℃濃縮→用9倍體積的無水乙醇處理(為了使多肽亞鐵螯合物在溶液中形成沉淀，便于后續(xù)通過離心使其和多肽、鹽溶液分離)后靜置2 h→離心(10 000g，10 min)→冷凍干燥→雞血多肽鐵螯合物。

研究表明,MCS是暴雨的直接影響系統(tǒng),梅雨鋒對MCS的發(fā)生發(fā)展有組織作用(趙玉春,2011)。衛(wèi)星TBB資料(圖略)分析表明,整個暴雨過程有多個MCS活動,那么此次暴雨過程的MCS的活動和組織方式是怎樣的?下面利用江蘇和安徽地區(qū)13部多普勒雷達(dá)拼圖進(jìn)行分析,這里主要關(guān)注東部降水區(qū)在降水發(fā)展階段MCS的組織特征。

1.3.2.1 單因素試驗 為了考察不同因素的最適條件，以亞鐵螯合率為指標(biāo)，在其他條件相同的情況下，分別研究不同肽鐵質(zhì)量比(2∶1、4∶1、6∶1、8∶1、10∶1)、pH值(3、4、5、6、7)、溫度(20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃)、螯合時間(10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min)對雞血多肽亞鐵螯合率的影響。

1.3.2.2 響應(yīng)曲面法優(yōu)化雞血多肽亞鐵螯合物工藝 用SPSS軟件對單因素試驗結(jié)果進(jìn)行分析，用Design expert 12 Box-Behnken中心組合試驗方法選擇對雞血多肽亞鐵螯合率影響較大的3個因素進(jìn)行試驗，對雞血多肽亞鐵的螯合工藝進(jìn)行優(yōu)化、驗證。

1.3.3 亞鐵螯合率的測定 采用改進(jìn)的乙醇沉淀法測定雞血多肽亞鐵螯合率[8-9]，樣品中總鐵含量的測定采用火焰原子吸收光譜法[5]。雞血多肽亞鐵螯合率計算公式如下：

式中：M1為待測樣品中的總鐵含量；M2為待測樣品上清液中的鐵離子含量。

1.3.4 氨基酸組成分析 取適量凍干樣品，首先用鹽酸真空水解，并在樣品上樣前用0.45 μm濾膜過濾除雜，再用氨基酸自動分析儀進(jìn)行測定。

1.3.5 表征分析

1.3.5.1 雞血多肽和雞血多肽亞鐵螯合物的紫外光譜分析 雞血多肽及其亞鐵螯合物用超純水溶解并進(jìn)行梯度稀釋至50 μg/ml后過0.45 μm水系濾膜，在波長范圍190～400 nm、掃描間隔1 nm的條件下采用紫外分光光度計進(jìn)行掃描。

1.3.5.2 熒光光譜分析 利用熒光分光光度計FL-4600在發(fā)射波長295～500 nm、激發(fā)波長280 nm的條件下，按照掃描速度300 nm/min、步長2 nm、狹縫寬度10 nm測定樣品的熒光性能，獲得熒光光譜。

1.3.5.3 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)掃描 分別將雞血多肽及其亞鐵螯合物樣品放入紅外光譜儀測定臺上進(jìn)行掃描，掃描條件：波數(shù)為4 000～525 cm-1，次數(shù)為32次，分辨率為4 cm-1，獲得樣品的FTIR譜圖。

1.3.5.4 掃描電鏡分析 取適量樣品凍干粉，均勻地涂抹于樣盤雙面膠上，經(jīng)噴金鍍膜處理后，在加速電壓為15 kV的掃描電鏡下觀察樣品放大1 500倍、10 000倍后的微觀結(jié)構(gòu)，獲取樣品表面的掃描圖像。

1.4 統(tǒng)計分析

響應(yīng)面設(shè)計和分析用軟件Design Expert進(jìn)行，其他試驗結(jié)果用軟件SPSS 16進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 雞血多肽亞鐵螯合物制備的單因素試驗結(jié)果

如圖1a所示，當(dāng)溶液pH值為3～7時，隨著反應(yīng)溶液pH值的升高，雞血多肽亞鐵螯合率呈先上升后下降的趨勢，在pH值為5時出現(xiàn)拐點，這是由于當(dāng)溶液的pH值較低時，H+含量高，與Fe2+形成競爭，導(dǎo)致多肽與Fe2+的螯合能力降低[10]。當(dāng)反應(yīng)溶液的pH值高于5時，反應(yīng)體系中的OH-可以與Fe2+結(jié)合形成沉淀[11]，致使溶液中Fe2+濃度降低，不利于螯合反應(yīng)的進(jìn)行，因此選取pH值=5作為響應(yīng)面試驗的中心點。

由圖1b可以看出，在20～60 ℃，雞血多肽亞鐵的螯合率先升高后降低，螯合率最高時的溫度為40 ℃，這可能是由于溫度升高能夠加快Fe2+與多肽分子間的碰撞，使螯合率提高。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，螯合率逐漸下降，溫度為40 ℃時的螯合率與溫度為50 ℃時的螯合率差異不顯著，但與溫度為60 ℃時的螯合率差異顯著。這可能是由于螯合反應(yīng)為放熱反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)溫度超過其適宜溫度時，會在一定程度上阻止放熱反應(yīng)的進(jìn)行，從而使螯合率降低[12]。因此，選擇40 ℃進(jìn)行后續(xù)試驗。

由圖1c可以看出，隨反應(yīng)時間的延長，雞血多肽亞鐵螯合率呈提高的趨勢，當(dāng)螯合時間不超過30 min時，雞血多肽與亞鐵離子的螯合率快速提高；當(dāng)螯合時間超過30 min后，螯合率持續(xù)提高，但差異不顯著。因此，為了提高螯合效率，選擇螯合時間為30 min作為進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面試驗的中心點。

由圖1d可以看出，隨著肽鐵質(zhì)量比的提高，雞血多肽與亞鐵離子的螯合率也隨之升高，當(dāng)肽鐵質(zhì)量比提高至6∶1以上時，螯合率雖繼續(xù)升高但差異不顯著，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是由于當(dāng)肽鐵質(zhì)量比較低時，肽量不足導(dǎo)致Fe2+過剩，因此螯合率隨著肽含量的增加而提高，當(dāng)肽鐵質(zhì)量比過大時多肽易形成聚集，使多肽利用率降低[13]。因此，選擇肽鐵質(zhì)量比6∶1用于后續(xù)工藝優(yōu)化。

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，按照中心組合設(shè)計原理選取肽鐵質(zhì)量比、螯合時間、pH值為自變量進(jìn)行響應(yīng)面分析，試驗設(shè)計及結(jié)果見表1。

根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行多項回歸分析，建立多肽亞鐵螯合率(Y)對肽鐵質(zhì)量比(A)、時間(B)和pH值(C)的二次回歸模擬方程：

Y=72.250 0+4.110 0A+1.770 0B+1.280 0C+1.000 0AB+0.433 8AC+0.219 5BC-6.530 0A2-4.200 0B2-3.670 0C2

由表2可知，模型的一次項均對多肽亞鐵螯合率具有極顯著影響。分析各因子之間的交互作用可知，在試驗設(shè)計的因素范圍內(nèi)，對雞血多肽亞鐵螯合率影響最大的交互作用因素是因素A(肽鐵質(zhì)量比)和因素B(螯合時間)。圖2的響應(yīng)面等高線接近橢圓，表示交互作用顯著，圖2與表2結(jié)果一致。

a：pH值的影響；b：溫度的影響；c：時間的影響；d：肽鐵比的影響。不同處理間標(biāo)有不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖1 單因素對多肽亞鐵螯合率的影響Fig.1 Effects of factors on the chelating rate of iron-peptide

表1 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

表2 二次回歸模型的方差分析結(jié)果

圖2 反應(yīng)時間和肽鐵質(zhì)量比交互作用對雞血多肽亞鐵螯合率的影響Fig.2 Effects of interaction between reaction time and peptide-iron mass ratio on chelating rate

2.2.2 響應(yīng)面試驗優(yōu)化及驗證 根據(jù)預(yù)測模型，對響應(yīng)曲面結(jié)果進(jìn)行最優(yōu)化分析，預(yù)測的最佳螯合工藝條件：肽鐵質(zhì)量比6.34∶1.00，螯合時間32.57 min，pH值5.1，此時雞血多肽亞鐵螯合率的理論值為73.03%。為了便于操作，將螯合條件修正為肽鐵質(zhì)量比6.3∶1.0、螯合時間30 min、pH值5.1進(jìn)行3次驗證試驗，實際多肽亞鐵螯合率為73.27%±2.54%。通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)測值與試驗值之間的差異不顯著，說明本試驗采用的雞血多肽亞鐵制備工藝可靠。

2.3 氨基酸組成分析

表3結(jié)果顯示，雞血多肽、雞血多肽亞鐵螯合物中的必需氨基酸含量分別為37.24%、29.43%，均具有較高的營養(yǎng)價值，但在雞血多肽螯合前后，氨基酸組成有明顯差異，螯合反應(yīng)后的氨基酸總量由螯合前的87.15%降至65.43%，這與Lee等[14-15]的研究結(jié)果相似。雞血多肽和雞血多肽亞鐵螯合物中均富含谷氨酸、賴氨酸和天冬氨酸，其中天冬氨酸、谷氨酸為帶負(fù)電荷的極性氨基酸，雞血多肽亞鐵螯合物中這2種氨基酸的含量接近30%。對比分析雞血多肽和雞血多肽亞鐵螯合物中的氨基酸含量發(fā)現(xiàn)，雞血多肽亞鐵螯合物中谷氨酸、組氨酸及天冬氨酸含量明顯提高，說明這3種氨基酸與Fe2+的螯合能力較強(qiáng)。已有研究發(fā)現(xiàn)，這可能是由于谷氨酸的羧基、組氨酸的咪唑氮、巰基及天冬氨酸的羧基等官能團(tuán)和殘基有助于促進(jìn)肽和Fe2+的螯合[16-18]。此外，螯合物中的半胱氨酸、絲氨酸含量也有所提高，這可能是由于半胱氨酸的硫醇基[19]及絲氨酸中的羥基和巰基殘基也能夠提供與Fe2+結(jié)合的螯合位點[20]。

表3 多肽與螯合物的氨基酸組成

2.4 結(jié)構(gòu)表征

2.4.1 紫外光譜分析 多肽與金屬元素螯合時，多肽中的某些生色基或助色基與金屬離子發(fā)生鍵合，導(dǎo)致出現(xiàn)新的紫外吸收峰，或原有特征峰移動以及消失[21]，因此可以通過對比紫外吸收光譜的出峰位置、強(qiáng)度來判斷雞血多肽和亞鐵之間是否發(fā)生了螯合反應(yīng)。由圖3可以看出，雞血多肽及其亞鐵螯合物的紫外吸收光譜明顯不同，雞血多肽的最大吸收峰在195 nm處，其與亞鐵螯合后的最大吸收峰藍(lán)移至191 nm處，且螯合物的紫外吸收強(qiáng)度顯著低于多肽，表現(xiàn)為減色效應(yīng)，表明多肽中的酰胺鍵參與了螯合反應(yīng)，使多肽中的發(fā)色或助色基團(tuán)發(fā)生了偏振[22]。多肽及其亞鐵螯合物均在260 nm附近出現(xiàn)的1個弱吸收峰是芳香族氨基酸的特征紫外吸收峰；雞血多肽亞鐵螯合物在此處的紫外吸收強(qiáng)度高于多肽，可能是由于多肽和鐵離子結(jié)合造成電子躍遷引起的，因此推測雞血多肽與Fe2+發(fā)生了螯合反應(yīng)。對豬骨膠原肽-鈣[23]和海參卵肽-亞鐵[24]的研究也呈現(xiàn)了相似的紫外光譜。

圖3 雞血多肽及雞血多肽亞鐵螯合物的紫外掃描結(jié)果Fig.3 Ultraviolet absorption spectrum of chicken peptide and peptide-iron chelate

2.4.2 熒光光譜分析 熒光光譜可以反映有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)變化[25]，Cai等[22]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多肽結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，其熒光性能也會隨之發(fā)生改變。如圖4所示，當(dāng)雞血多肽與Fe2+螯合后，吸收峰由358 nm移動至353 nm，熒光強(qiáng)度也顯著下降，出現(xiàn)明顯的熒光淬滅?？赡苡捎诩尤隖e2+后，多肽中的芳香氨基酸與Fe2+發(fā)生螯合反應(yīng)，使多肽的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致暴露的熒光殘基減少，進(jìn)而降低熒光強(qiáng)度。因此從熒光光譜結(jié)果看出，雞血多肽與Fe2+結(jié)合形成了新物質(zhì)。

圖4 雞血多肽及雞血多肽亞鐵螯合物的熒光光譜Fig.4 Fluorescence spectra of chicken peptide and peptide-iron chelate

2.4.3 紅外光譜分析 FTIR特征吸收峰的變化可以反映多肽中某些特征官能團(tuán)的改變[26]，由圖5可以看出，多肽的特征吸收峰位于3 080 cm-1附近，雞血多肽及其亞鐵螯合物分別在2 956.83 cm-1、2 970.56 cm-1處有明顯吸收峰，說明二者均具有一般多肽的特征官能團(tuán)；雞血多肽中的C=O、C-N吸收峰分別位于1 640 cm-1、1 515 cm-1，雞血多肽與亞鐵螯合后，C=O、C-N的吸收峰分別位移到1 646 cm-1、1 541 cm-1。雞血多肽在1 389.68 cm-1處出現(xiàn)-COOH的伸縮振動，從而出現(xiàn)特征吸收峰，與Fe2+螯合后，螯合物的吸收峰發(fā)生明顯位移，藍(lán)移至1 405.21 cm-1，在指紋區(qū)，對比多肽及其亞鐵螯合物可以發(fā)現(xiàn)多個吸收峰發(fā)生了變化，這些變化可能是由C-H、N-H鍵的彎曲振動引起的。通過紅外光譜分析，推測雞血多肽中的-COOH、C=O、C-N參與了螯合反應(yīng)。

圖5 雞血多肽及雞血多肽亞鐵螯合物的紅外光譜結(jié)果Fig.5 Infrared spectral results of chicken peptide and peptide-iron chelate

2.4.4 掃描電鏡分析 圖6顯示，雞血多肽及其亞鐵螯合物在掃描電子顯微鏡下分別放大1 500倍、10 000倍后，二者的表面結(jié)構(gòu)明顯不同，雞血多肽表面為光滑的片狀結(jié)構(gòu)，與Chen等[27]制備的羅非魚肽結(jié)構(gòu)相似，而雞血多肽與Fe2+螯合后，呈現(xiàn)聚集狀態(tài)，表面粗糙并形成了排列緊密的團(tuán)狀顆粒結(jié)構(gòu)。太平洋鱈魚骨多肽與鈣離子螯合后，結(jié)構(gòu)也由片狀變?yōu)榫o密排列的球形顆粒狀[28]。由掃描電鏡結(jié)果的差異看出，螯合反應(yīng)改變了雞血多肽原有的結(jié)構(gòu)，使多肽和Fe2+發(fā)生交聯(lián)聚集，表面形成緊密的顆粒結(jié)構(gòu)。

圖6 雞血多肽及其亞鐵螯合物的掃描電鏡結(jié)果Fig.6 Scanning electron micrograph of chicken peptide and peptide-iron chelate

3 討論

缺鐵性貧血是比較常見的營養(yǎng)性疾病之一，有研究發(fā)現(xiàn)，多肽螯合鐵作為一種新型的食源性補(bǔ)鐵劑能有效增加鐵元素的攝入，具有穩(wěn)定性好、安全性高等優(yōu)點[4-5]。雞血是禽類加工常見的副產(chǎn)物，可以通過水解提取其中的多肽。雞血肽與Fe2+螯合后，不僅提高了雞血的附加值和利用率，還使雞血具有多種生理功能。雞血原料價格低廉且易于獲取，螯合反應(yīng)技術(shù)路線易于實現(xiàn)雞血產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。

本研究通過對雞血多肽及其亞鐵螯合物氨基酸成分進(jìn)行對比分析，推測了氨基酸種類與雞血多肽亞鐵螯合活性間的關(guān)系，但是不能明確，需通過進(jìn)一步試驗加以驗證。通過紫外、熒光、紅外等表征光譜分析，雞血多肽與Fe2+可通過羧基、酰胺基和氨基等多種方式進(jìn)行結(jié)合，掃描電鏡結(jié)果表明，雞血多肽及其亞鐵螯合物的結(jié)構(gòu)不同，但雞血多肽與Fe2+具體結(jié)合模式及雞血多肽亞鐵螯合物在人體內(nèi)的吸收效率需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究通過酶解從雞血中提取多肽，以雞血多肽、FeCl2·4H2O作為原料，將二者結(jié)合得到雞血多肽亞鐵螯合物。通過分析不同因素對雞血多肽亞鐵螯合率的影響，明確影響其螯合率的主要因素，并優(yōu)化了雞血多肽亞鐵螯合物的制備條件，通過單因素和響應(yīng)面試驗確定制備雞血多肽亞鐵螯合物的最佳工藝參數(shù)：螯合時間為30 min，反應(yīng)pH值為5.1，雞血多肽與FeCl2·4H2O的質(zhì)量比為6.3∶1.0，在此條件下的螯合率為73.27%。

進(jìn)一步對螯合前后的氨基酸成分和表征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，雞血多肽中的谷氨酸、組氨酸、天冬氨酸、半胱氨酸和絲氨酸可能有助于促進(jìn)雞血多肽和Fe2+的螯合反應(yīng)。紫外光譜和熒光光譜分析結(jié)果說明，螯合反應(yīng)產(chǎn)生了雞血多肽螯合物；紅外光譜分析結(jié)果表明，雞血多肽中的羧基、酰胺基和氨基可能以配位鍵結(jié)合的形式參與了螯合反應(yīng)，形成新型的雞血多肽亞鐵螯合物。掃描電鏡結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雞血多肽螯合Fe2+后，其結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，雞血多肽為表面光滑的片狀結(jié)構(gòu)，與Fe2+螯合后發(fā)生交聯(lián)聚集，形成表面粗糙且排列緊密的顆粒結(jié)構(gòu)。通過對制備雞血多肽亞鐵螯合物的工藝優(yōu)化和雞血多肽亞鐵螯合物的表征分析，為畜禽血的綜合利用和補(bǔ)鐵原料的開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)，后續(xù)可開展對該螯合物的補(bǔ)鐵功效及安全性評價研究。