唐振冬,邵海艷,張迪,劉書成,2,吉宏武,2*,徐杰,太敏瑞,蘇偉明,梁善昊,何旋
1(廣東海洋大學(xué) 食品科技學(xué)院,廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點實驗室,廣東省海洋生物制品工程實驗室,廣東省海洋食品工程技術(shù)研究中心,水產(chǎn)品深加工廣東普通高等學(xué)校重點實驗室,廣東 湛江,524088) 2(海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心(大連工業(yè)大學(xué)),遼寧 大連,116034)
凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)又稱白對蝦、白腿蝦,營養(yǎng)豐富、滋味鮮美,是我國大宗養(yǎng)殖水產(chǎn)品之一[1]。據(jù)《2020中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》[2],2019年我國對蝦經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值超過5 000億元,對蝦養(yǎng)殖總面積23.74 萬hm2,養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)212.14萬t。凡納濱對蝦加工、貯藏及運輸過程中易出現(xiàn)肌肉軟化、殼肉分離等品質(zhì)劣變。PENG等[3]研究發(fā)現(xiàn)蝦頭肝胰腺中內(nèi)源蛋白酶可以遷移至蝦肌肉組織中降解肌原纖維蛋白,導(dǎo)致蝦肌肉組織軟化。因此,對蝦加工過程中通常將蝦頭去掉,產(chǎn)品主要以凍蝦仁和去頭蝦為主[4-5],但蝦肉仍會發(fā)生自溶現(xiàn)象,質(zhì)地軟化,對水產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。
國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn),肌肉組織中內(nèi)源蛋白酶對肌原纖維的降解有較大影響,抑制蛋白酶的作用有利于產(chǎn)品的貯藏[6-7]。水產(chǎn)品中內(nèi)源性蛋白酶主要包含半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶、絲氨酸蛋白酶和基質(zhì)金屬蛋白酶4種[8],其中內(nèi)源性半胱氨酸蛋白酶主要降解肌原纖維蛋白,內(nèi)源性絲氨酸蛋白酶降解肌原纖維和結(jié)締組織蛋白[9]。組織蛋白酶是一種半胱氨酸蛋白酶,是造成肌肉蛋白降解的關(guān)鍵因素[10]。AHMED等[11]發(fā)現(xiàn)組織蛋白酶除了能水解肌原纖維蛋白和相關(guān)蛋白外,還具有在死后存儲后期分解肌動蛋白和肌球蛋白的能力。水產(chǎn)動物肌肉中組織蛋白酶的種類有很多,主要有組織蛋白酶L、B、H和D[12]。GE等[13]發(fā)現(xiàn)組織蛋白酶L在肌肉細(xì)絲的拆卸中起主要作用,是一種最容易使肌原纖維蛋白降解的蛋白酶。半胱氨酸蛋白酶對降解蛋白表現(xiàn)明顯,因此,為防止水產(chǎn)品肌肉的死后軟化,提高水產(chǎn)品的質(zhì)量,研究組織蛋白酶L的作用機(jī)制,同時尋找其抑制機(jī)制非常有意義[14]。
近年來,有關(guān)凡納濱對蝦內(nèi)源蛋白酶的研究主要是以蝦頭為研究對象,探究內(nèi)源蛋白酶的酶學(xué)特性以及降解肌肉蛋白的機(jī)理,但是對凡納濱對蝦肌肉中內(nèi)源蛋白酶的分離純化及其酶學(xué)特性研究卻鮮見報道。本研究以凡納濱對蝦肌肉為研究對象,進(jìn)行凡納濱對蝦肌肉中組織蛋白酶L提取工藝優(yōu)化,探究其提取工藝的最佳條件,運用生化分離純化技術(shù)獲取高純度的組織蛋白酶L,驗證其對肌原纖維的降解。為進(jìn)一步探究組織蛋白酶L自溶機(jī)制提供高純度肌肉組織蛋白酶L,為尋求降低組織蛋白酶L對蝦肉質(zhì)地劣化提供科學(xué)依據(jù)。
新鮮凡納濱對蝦,平均體長(9.50±0.50) cm,平均體重(7.08±0.30) g,廣東省湛江市霞山水產(chǎn)品批發(fā)市場。
7-氨基-4-甲基香豆素(7-amido-4-methylcoumarin,AMC)、N-芐氧羰基-L-苯丙氨酰-L-精氨酸香豆素(benzyloxycarbonyl-arginylarginine-4-methyl-7-coumarylamide,Z-Phe-Arg-AMC),美國Sigma公司;Sephacaryl S-100、O-sepharose F.F陰離子層析柱,日本GE Healthcare公司;蛋白標(biāo)準(zhǔn)品,上海碧云天生物技術(shù)有限公司;硫酸銨、三羥甲基氨基甲烷[tris(hydroxymethyl)methyl aminomethane,Tris]、苯甲基磺酰氟(phenylmethylsulfonyl fluoride, PMSF)、二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide, DMSO)、EDTA,上海源葉生物科技有限公司;其他試劑均為國產(chǎn)試劑純。
Varioskan Flas全自動酶標(biāo)儀、Thermo Lynx6000高速落地離心機(jī),美國賽默飛世爾科技公司;BSA224S-CW萬分之一天平,德國賽多利斯集團(tuán);BSZ-100液晶版自動部分收集器,上海青浦滬西儀器廠;GelDoc EZ G凝膠成像儀,美國伯樂公司。
1.3.1 凡納濱對蝦肌肉組織蛋白酶L粗酶液的提取
參考田元勇等[15]的方法并進(jìn)行改進(jìn)。在冰浴條件下,將去頭尾、蝦殼和腸線的蝦肉用絞肉機(jī)絞碎。取5.0 g的蝦肉糜,加入一定體積比的緩沖液[包含一定濃度Tris-HCl緩沖液,半胱氨酸(L-cysteine,L-Cys)溶液和PMSF溶液,pH=7.0],在冰浴條件下高速均質(zhì)(12 000 r/min,1 min),調(diào)節(jié)pH后在4 ℃條件下冷凍離心(8 500 r/min,20 min),得到的上清液為組織蛋白酶L粗酶液。
1.3.2 單因素試驗
分別以pH值、提取料液比、浸提時間、L-Cys濃度、PMSF濃度、緩沖液種類及緩沖液濃度為影響因素,以組織蛋白酶L酶活力為指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗[16]。
1.3.3 Plackett-Burman試驗
通過對單因素試驗進(jìn)行分析,選擇各影響因子的高(+1)、低(-1)2個水平,并以組織蛋白酶L活力為考察指標(biāo),采用Plackett-Burman試驗篩選出顯著影響組織蛋白酶L活力的因子。
1.3.4 雙因素等重復(fù)試驗
根據(jù)單因素試驗和Plackett-Burman試驗結(jié)果,采用雙因素等重復(fù)試驗,分析2個因素的交互作用。
1.3.5 AMC標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作
用蒸餾水稀釋AMC儲備液得到一系列濃度的AMC溶液,使用全自動酶標(biāo)儀在激發(fā)波長344 nm、發(fā)射波長436 nm下,以AMC濃度為橫坐標(biāo),436 nm下熒光強度值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
1.3.6 凡納濱對蝦肌肉組織蛋白酶L活力測定方法
參考祝倩倩[17]的方法,進(jìn)行適當(dāng)修改。取100 μL粗酶液,依次加入250 μL 50 mmol/L乙酸鈉-乙酸緩沖液(pH 4.0),50 μL 10 μmol/L的底物Z-Phe-Arg-AMC,混勻后在60 ℃反應(yīng)20 min,加入400 μL終止液(含0.1 mol/L乙酸鈉、0.1 mol/L乙酸、0.1 mol/L氯乙酸鈉,pH 4.55)終止反應(yīng),利用全自動酶標(biāo)儀測定其熒光強度,所用的激發(fā)波長為344 nm,發(fā)射波長為436 nm??瞻讓φ战M先添加反應(yīng)終止液,使酶失活,再加底物進(jìn)行反應(yīng)[18]。
酶活力單位(U)定義為在最適反應(yīng)溫度(60 ℃)和pH 4.0條件下,1 min內(nèi)水解底物并釋放1 ng AMC產(chǎn)物的酶量(1 ng AMC/min)[19]??偯富盍懊富盍Φ寐视嬎闳绻?1)、公式(2)所示:
(1)
式中:X為總酶活力,U;V1為反應(yīng)體系總體積,mL;V2為粗酶液總體積,mL;V3為反應(yīng)體系粗酶液加入量,mL;T為反應(yīng)時間,min。
(2)
式中:X為總酶活力,U;M為蝦肉質(zhì)量,g。
1.3.7 組織蛋白酶L的分離純化
粗酶液分別進(jìn)行飽和度為40%、50%、60%、70%、80%、90%硫酸銨溶液的分級沉淀[20],充分透析后上樣于Q-Sepharose F.F陰離子交換層析,經(jīng)20 mmol/L pH 7.0的Tris-HCl緩沖液平衡后,用0.1~0.5 mol/L 5個梯度的NaCl緩沖液(pH 7.0)線性洗脫2個柱體積,每管收集4 mL,在紫外波長280 nm下檢測收集溶液的吸收波長,作出蛋白峰值曲線。收集可檢測到酶活力的蛋白溶液,經(jīng)分子質(zhì)量10 kDa的超濾離心管濃縮,濃縮酶液經(jīng)Sephadacryl S-100凝膠過濾層析,用20 mmol/L pH 7.0的Tris-HCl緩沖液洗脫,收集可檢測到酶活力的蛋白峰尖和峰腰溶液,每管收集1.5 mL,做蛋白峰值與酶活曲線。利用SDS-PAGE技術(shù)對工藝優(yōu)化提取前后,層析前后的組織蛋白酶L進(jìn)行鑒定[21]。
1.3.8 組織蛋白酶L對肌原纖維蛋白的降解分析
高校學(xué)生幸福感影響因素研究——基于Pearson相關(guān)性分析和累積Logistic回歸模型 孫小軍 介科偉 (5) (14)
1.3.8.1 肌原纖維蛋白的提取
取5.0 g蝦糜加入45.0 mL預(yù)冷的0.02 mol/L Tris-HCl緩沖液(pH 7.0),在冰浴條件下均質(zhì)1 min后,進(jìn)行4 ℃,12 000 r/min離心10 min,棄上清液,重復(fù)操作1次后,往沉淀中加入0.02 mol/L 磷酸緩沖液(0.5 mol/L NaCl,pH 7.5),冰浴條件下均質(zhì)1 min后,在4 ℃,12 000 r/min離心15 min,取上清液即為蝦肉肌原纖維,立即分裝冷藏備用[22]。
1.3.8.2 組織蛋白酶L對肌原纖維蛋白的降解作用
在提取的肌原纖維蛋白中加入純化后組織蛋白酶L,與50 mmol/L乙酸鈉-乙酸緩沖液(pH 4.0)充分混合,在50 ℃條件下分別反應(yīng)0、30、60、120 min后[19],用SDS-PAGE進(jìn)行分析,觀察肌原纖蛋白的降解情況[3]。
以AMC濃度為橫坐標(biāo),436 nm下熒光強度值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到AMC標(biāo)準(zhǔn)曲線y=129.51x+0.060 2 (R2=0.999 8)。
單因素試驗結(jié)果見圖1。在pH 3.0~8.0提取的組織蛋白酶L均有活性,在pH 7.0時出現(xiàn)最大值,在pH 4.0條件下出現(xiàn)了最小值。用Tris-HCl緩沖液的提取結(jié)果均優(yōu)于NaH2PO4-Na2HPO4緩沖液,在濃度達(dá)到40 mmol/L時達(dá)到最大值,隨著緩沖液濃度繼續(xù)上升,活性開始下降。Tris不易與鈣、鎂等離子和重金屬離子發(fā)生沉淀,可減少對提取過程的干擾,有利于酶的提取[23]。隨著料液比的增大,酶活性有所升高,在料液比1∶8后總酶活力變化不大。隨著浸提時間延長,酶活力稍有下降,且呈現(xiàn)下降的程度保持不變,可能是4 ℃條件下浸提時有部分酶失活。隨著L-Cys濃度增加,酶活力逐漸上升;當(dāng)濃度達(dá)到6 mmol/L時出現(xiàn)最大值,當(dāng)濃度繼續(xù)增大時,酶活力略有下降,但與不添加L-Cys相比依然表現(xiàn)出激活作用。組織蛋白酶L是巰基蛋白酶,酶的活性中心含有巰基基團(tuán)[24]。L-Cys是一種巰基保護(hù)劑,能保護(hù)活性中心的巰基從而提高組織蛋白酶L的活力。PMSF是一種絲氨酸蛋白酶抑制劑,適當(dāng)濃度的PMSF能夠激活半胱氨酸蛋白酶[25],在提取緩沖液中加入PMSF可以排除絲氨酸蛋白酶和其他蛋白酶的干擾,避免酶在提取過程中被其他蛋白酶作用而失活。隨著PMSF濃度的增大,酶活力逐漸提升,在濃度達(dá)到0.4 mmol/L時出現(xiàn)最大值,濃度繼續(xù)增大時,活性呈現(xiàn)下降趨勢,但與不添加PMSF相比依然表現(xiàn)促進(jìn)作用。
a-提取pH;b-緩沖液種類及緩沖液濃度;c-提取料液比;d-浸提時間;e-L-Cys濃度;f-PMSF濃度圖1 不同提取pH、緩沖液種類及緩沖液濃度、提取料液比、浸提時間、L-Cys濃度、PMSF濃度對組織蛋白酶L活性的影響Fig.1 Effects of different extraction pH, buffer type and buffer concentration, solid-liquid ratio, extraction time, L-Cys concentration, and PMSF concentration on the activity of cathepsin L
利用Design-Expert 11.0軟件來設(shè)計Plackett-Burman試驗,選擇試驗次數(shù)N為12。探究提取料液比、提取pH值、Tris-HCl緩沖液濃度、L-Cys濃度、PMSF濃度等5個因素對組織蛋白酶L活性的影響,如表1、表2所示。因浸提時間在0 h時的總酶活力最高,且總酶活力隨著時間延長逐漸下降,考慮到提取效率,此因素不參與該試驗[26]。實驗數(shù)據(jù)用Design-Expert 11.0軟件處理,其中提取pH與提取料液比為顯著性因素(表3)。
表1 Plackett-Burman設(shè)計的因素和水平Table 1 Plackett-Burman test design factors and levels
表2 Plackett-Burman試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Plackett-Burman test design and results
表3 各因素效應(yīng)值及其顯著性分析Table 3 Effect size and significance analysis of each factor
為研究提取pH與提取料液比的交互作用對組織蛋白酶L總酶活力的影響,進(jìn)行雙因素等重復(fù)試驗,用SPSS 22.0軟件對結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表4、表5所示。提取pH、提取料液比、提取pH與提取料液比交互作用的P值均為0.00,驗證了Plackett-Burman試驗中提取pH與提取料液比對組織蛋白酶L總酶活力有顯著性影響的結(jié)論,且反映了兩者存在顯著的交互作用。
表4 雙因素等重復(fù)試驗試驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 4 Two factors repeated equally test design scheme and results
表5 提取pH及提取料液比對組織蛋白酶L總酶活力作用的雙因素方差分析Table 5 Two-factor analysis of variance of total enzyme activity of cathepsin L by the extraction pH value and the material/liquid radio
粗酶液經(jīng)Q-Sepharose F.F陰離子柱交換層析,結(jié)果見圖2,總共洗脫出5個主要的蛋白吸收峰,其中峰1為穿透峰,穿透峰峰值最高但未測出酶活力,表明緩沖液能夠較好地洗脫出雜蛋白;組織蛋白酶L從峰2開始被洗脫出來,其中組織蛋白酶L主要在峰3時被洗脫出來,峰4、峰5基本上不含有組織蛋白酶L,其中峰3對應(yīng)的鹽濃度為0.2 mol/L,可知0.2 mol/L NaCl為最佳洗脫濃度,所以主要收集0.2 mol/L NaCl緩沖液洗脫出來的溶液進(jìn)行下一步的濃縮和純化。顏龍杰等[19]采用SP-Sepharose陽離子層析柱線性洗脫組織蛋白酶L,崔昱清等[22]采用DEAE Sephacel 陰離子交換層析柱梯度洗脫組織蛋白酶L。本實驗采用Q-Sepharose F.F陰離子交換層析柱運用NaCl梯度洗脫取得較好的分離效果,純化倍數(shù)達(dá)到13.09,同時操作過程簡單,上樣量大。
圖2 Q-Sepharose F.F 陰離子交換柱層析純化組織蛋白酶LFig.2 Purification of cathepsin L by Q-Sepharose F.F anion exchange column chromatography
將經(jīng)過陰離子交換層析柱0.2 mol/L鹽濃度緩沖液洗脫得到的樣品進(jìn)行Sephacryl S-100凝膠層析后結(jié)果如圖3所示,經(jīng)過Sephacryl S-100凝膠層析柱,組織蛋白酶L能夠很好地與雜質(zhì)蛋白分離開,圖中出現(xiàn)2個主要的蛋白吸收峰,其中絕大部分蛋白質(zhì)集中在第1個蛋白峰但對應(yīng)的組織蛋白酶L活性不明顯;而第2個蛋白峰剛好相反,蛋白含量極低但對應(yīng)組織蛋白酶L活性極高。沈建東[27]采用Sephacryl S-200 HR凝膠層析柱從皺紋盤鮑組織中分離組織蛋白酶L。本實驗運用Sephacryl S-100凝膠層析柱分離后組織蛋白酶L純化倍數(shù)為298.28,過程操作簡單,分離效果好。組織蛋白酶L在分離純化過程中受到溫度、離子濃度、鹽濃度、酶相互作用等的影響逐漸失去活性,因此在獲得較高純度組織蛋白酶L時,組織蛋白酶L部分損失導(dǎo)致得率降低[28]。其中組織蛋白酶L純化過程中的比活力、得率、純化度如表6所示,經(jīng)過離子交換層析和凝膠過濾層析后得到的活性成分與粗酶液相比較,比活力從0.34提高到101.15 U/mg,純化倍數(shù)為298.28,產(chǎn)率為16.50%。
圖3 Sephadex S-100 凝膠層析柱純化組織蛋白酶LFig.3 Purification of cathepsin L by Sephadex S-100 gel column
表6 組織蛋白酶L主要提取分離結(jié)果對比Table 6 Comparison of main extraction and separation results of cathepsin L
經(jīng)過各種純化方式收集的蛋白酶進(jìn)行SDS-PAGE,結(jié)果如圖4所示,每個分離純化方法都起到一定的純化效果,其中粗酶液主要含有5條蛋白帶,經(jīng)過離子交換層析除去了大部分雜蛋白,再經(jīng)過凝膠過濾層析得到高純度的蛋白酶液,電泳結(jié)果顯示單條蛋白條帶其分子質(zhì)量大小約為46 kDa,因此本試驗篩選的工藝參數(shù)能夠有效地分離組織蛋白酶L。
M-標(biāo)準(zhǔn)分子質(zhì)量蛋白; L0-工藝優(yōu)化前提取酶液;L1-工藝優(yōu)化后提取酶液;Q-F.F-Q-Sepharose F.F陰離子柱交換層析收集液;S-100-Sephacryl S-100凝膠層析收集液圖4 組織蛋白酶L的SDS-PAGE電泳Fig.4 SDS-PAGE analysis of cathepsin L
本研究從蝦肉中純化出的組織蛋白酶L的分子質(zhì)量與已經(jīng)報道的組織蛋白酶L的分子質(zhì)量(約為31 kDa)差距較大,卜興江等[29]發(fā)現(xiàn)中國明對蝦組織蛋白酶L基因的酶原片段表達(dá)產(chǎn)物分子質(zhì)量在40 kDa左右,顏龍杰等[19]從凡納濱對蝦肝胰腺中純化獲得1種組織蛋白酶L,分子質(zhì)量約為31 kDa,存在的差異可能是提取組織蛋白酶L的部位和原料不同造成的,有待進(jìn)一步深入研究。
A0-0min;A30-30min;A60-60min;A120-120min圖5 組織蛋白酶L對蝦肉肌原纖維蛋白的降解情況Fig.5 Cathepsin L degradation of shrimp myofibrillar protein
蝦在貯藏過程中,易出現(xiàn)蝦體軟化和質(zhì)構(gòu)劣變現(xiàn)象,主要原因是蝦肉中肌原纖維蛋白的裂解。有研究發(fā)現(xiàn)肌肉中內(nèi)源蛋白酶對肌原纖維有明顯降解作用,其中內(nèi)源性半胱氨酸蛋白酶主要降解肌原纖維蛋白[9],其中組織蛋白酶L是一種半胱氨酸蛋白水解酶。XU等[10]研究發(fā)現(xiàn)半胱氨酸蛋白酶對冷凍魚片肌肉降解的軟化作用較為明顯,YANG等[28]發(fā)現(xiàn)組織蛋白酶L對肌原纖維蛋白降解作用比其他蛋白酶強,對肌肉蛋白品質(zhì)和質(zhì)地特性的影響也比其他蛋白酶大。ZHANG等[12]發(fā)現(xiàn)組織蛋白酶L在石斑魚肌原纖維蛋白的降解中起最重要的作用。PENG等[3]發(fā)現(xiàn)凡納濱對蝦肝胰腺中的蛋白酶對肌肉降解有一定作用,并且組織蛋白酶L廣泛存在于凡納濱對蝦肌肉中[30],為進(jìn)一步驗證組織蛋白酶L對凡納濱對蝦中肌原纖維蛋白的降解作用,進(jìn)行了組織蛋白酶水解肌原纖維蛋白的模擬體系,驗證純化后組織蛋白酶L對凡納濱對蝦肌原纖維蛋白的降解作用。在pH 4.0條件下內(nèi)源蛋白酶對肌原纖維的降解作用明顯,50~60 ℃是內(nèi)源蛋白酶的反應(yīng)最適溫度。在50 ℃條件下,在肌原纖維蛋白中加入純化后的組織蛋白酶L,隨著時間的延長,組織蛋白酶L對肌球蛋白重鏈(myosin heavy chain,MHC)和肌動蛋白迅速降解,MHC與肌動蛋白降解越來越明顯,說明純化組織蛋白酶L對肌原纖維蛋白有明顯降解作用(圖5)。本試驗證實了組織蛋白酶L是降解肌原纖維蛋白的主要酶類之一,但具體內(nèi)源蛋白酶的降解作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。
通過單因素試驗、Plackett-Burman試驗和雙因素等重復(fù)試驗,確定對蝦肌肉中組織蛋白酶L最佳提取條件為:緩沖液體系(Tris-HCl緩沖液濃度40 mmol/L,L-Cys濃度6 mmol/L,PMSF濃度0.4 mmol/L),料液比1∶8(g∶mL),pH 6.0,在此條件下提取的組織蛋白酶L酶活力得率達(dá)150.1 U/g。粗酶液進(jìn)一步分離純化得到單條帶的組織蛋白酶L,酶比活力從0.34 提高到了101.15 U/mg,純化倍數(shù)達(dá)到298.28倍,得率為16.50%,分子質(zhì)量為46.4 kDa,提純后的組織蛋白酶L會使肌球蛋白重鏈和肌動蛋白迅速降解,這表明提純后的組織蛋白酶L對肌原纖維蛋白有明顯的降解作用。本研究為蝦類貯藏過程中品質(zhì)控制提供科學(xué)依據(jù),而組織蛋白酶L對肌肉的作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。