谷物源抗氧化肽：制備、構(gòu)效及應(yīng)用

孫躍如，林桐，趙吉春，雷小娟，明建,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(西南大學(xué), 食品貯藏與物流研究中心，重慶，400715)

全球范圍內(nèi)，谷物作為人類主食及牲畜飼料，約占人類能源需求的一半以上。谷物原料產(chǎn)量高，氨基酸含量豐富，且谷物蛋白價(jià)格低廉、安全性高，可作為抗氧化活性肽的主要來源。如米糠蛋白中的酸性氨基酸、堿性氨基酸及疏水性氨基酸，玉米蛋白中的疏水性氨基酸(亮氨酸、丙氨酸、纈氨酸)，均是抗氧化肽的良好來源[5]。因此，低價(jià)、安全的谷物源抗氧化肽的開發(fā)已成為研究熱點(diǎn)。

本文綜述了谷物源抗氧化肽的制備方法、構(gòu)效關(guān)系及其在食品、日化等領(lǐng)域的應(yīng)用，以期為開發(fā)谷物源抗氧化功能產(chǎn)品提供參考。

1 谷物源抗氧化肽的來源與制備

1.1 谷物源抗氧化肽的來源

根據(jù)原料來源不同，谷物源抗氧化肽可以分為大米抗氧化肽、玉米抗氧化肽、大豆抗氧化肽、燕麥抗氧化肽、黑豆抗氧化肽等。豆類中含有相對(duì)較高的蛋白質(zhì)，因此，從豆類中鑒定出的抗氧化肽比從其他谷物中鑒定出的抗氧化肽更多；玉米蛋白中含有豐富的亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸和丙氨酸等疏水性氨基酸以及脯氨酸和谷氨酸，被認(rèn)為是抗氧化肽的良好蛋白來源；大米米糠蛋白含有豐富的賴氨酸、丙氨酸、谷氨酸和絲氨酸，也常用于抗氧化肽制備；小麥麥胚蛋白中含有豐富的具有抗氧化活性的氨基酸序列。由谷物蛋白獲得的抗氧化活性肽被認(rèn)為是安全抗氧化劑的天然來源，相對(duì)其他蛋白來源(如畜禽、海洋生物)，谷物蛋白具有來源廣泛、成本低的特點(diǎn)。

1.2 谷物源抗氧化肽的制備

生物活性肽的制備有兩種方式(圖1)，一種是通過傳統(tǒng)的方法(包括酶解法、微生物發(fā)酵法)將原料蛋白中的生物活性肽釋放出來，然后通過分離純化獲得具有某種特定活性的肽段；另一種是通過計(jì)算機(jī)輔助模擬水解，借助生物信息學(xué)工具(數(shù)據(jù)庫)篩選合適蛋白酶類型，通過合成驗(yàn)證活性獲得生物活性肽。目前涉及到抗氧化肽的數(shù)據(jù)庫僅有BIOPEP，且僅有少數(shù)序列，因而采用計(jì)算機(jī)輔助模擬水解制備抗氧化肽的方法受到限制[6]。

圖1 傳統(tǒng)抗氧化肽制備技術(shù)路線與計(jì)算機(jī)模擬制備 抗氧化肽技術(shù)路線的比較[7]Fig.1 Comparison of traditional antioxidant peptides preparation technology route and computer simulation of enzymatic hydrolysis to prepare antioxidant peptides[7]

1.2.1 酶水解法

抗氧化肽在母體蛋白結(jié)構(gòu)中以無活性肽段存在，需要通過酶解才能釋放其活性。酶水解法是制備抗氧化肽最常用的方法，該方法具有以下特點(diǎn)：(1)條件溫和，易控制；(2)蛋白酶水解具有選擇性，產(chǎn)生副產(chǎn)物少；(3)安全性高，無有毒化學(xué)物質(zhì)殘留。

制備抗氧化肽的蛋白酶至關(guān)重要，不同的蛋白酶可以釋放出不同分子質(zhì)量及氨基酸序列的肽。蛋白酶主要有胃腸道消化酶、植物蛋白酶、微生物蛋白酶等。微生物蛋白酶因具有較高酶活性和較低價(jià)格，被認(rèn)為是較理想的工業(yè)用酶源。根據(jù)水解環(huán)境不同，蛋白酶還可分為酸性、中性和堿性蛋白酶。堿性蛋白酶對(duì)疏水性氨基酸有較強(qiáng)的專一性，因此常采用堿性蛋白酶制備抗氧化肽(表1)。研究發(fā)現(xiàn)玉米蛋白粉的堿性蛋白酶水解產(chǎn)物具有體外清除自由基的活性及Caco-2細(xì)胞的活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)清除活性[8]。高粱蛋白水解可以產(chǎn)生具有高抗氧化活性的活性肽段，這主要是因?yàn)閴A性蛋白酶能夠水解Glu、Met、Leu、Tyr、Lys及Gln的羧基端，使其釋放出更多具有抗氧化活性的產(chǎn)物[9]。中性蛋白酶則在大米及米糠蛋白水解中應(yīng)用較多。反應(yīng)溫度、pH、底物濃度、酶濃度及水解條件等都會(huì)影響酶解效率，進(jìn)而影響水解產(chǎn)物的抗氧化活性。由于酶具有專一性且酶切位點(diǎn)有限，通常需要選擇適當(dāng)?shù)膹?fù)合酶進(jìn)行酶解。利用堿性蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶共同水解玉米蛋白，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種蛋白酶共同酶解的效果比單一蛋白酶好，表現(xiàn)出更高的抗氧化活性[10]。

目前，酶水解法為制備抗氧化肽的最常用方法，但該方法仍存在收率低，工業(yè)化生產(chǎn)成本較高的問題。因此，近年來研究者們開始將一些新興加工技術(shù)例如微波、高壓、脈沖電場(chǎng)等與酶水解方法結(jié)合，以克服傳統(tǒng)方法的局限性。研究發(fā)現(xiàn)，微波加熱可以促進(jìn)酶水解，減少水解時(shí)間，提高水解產(chǎn)物品質(zhì)[11]。高壓聯(lián)合酶水解處理可以影響花生蛋白的酶水解和部分蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特性，提高花生蛋白水解物的抗氧化活性[12]。脈沖電場(chǎng)輔助酶水解可以提高谷物源抗氧化肽的抗氧化活性，LIN等[13]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在電場(chǎng)強(qiáng)度為5 kV/cm、脈沖頻率為2 400 Hz、保留時(shí)間為2 h的條件下，大豆源肽段Ser-His-Cys-Met-Asn的DPPH自由基抑制率達(dá)到(94.35±0.03)%。有研究證實(shí)，通過超聲波輔助酶解制備玉米抗氧化劑水解物，在最佳超聲預(yù)處理下，DPPH自由基和·OH清除能力顯著提高[14]。

表1 谷物源抗氧化肽的來源及氨基酸序列Table 1 Origin and amino acid sequence of antioxidant peptides from cereals

1.2.2 微生物發(fā)酵法

微生物發(fā)酵法具有以下優(yōu)點(diǎn)：利用微生物發(fā)酵法所生產(chǎn)的抗氧化肽能夠直接進(jìn)入消化系統(tǒng)，易被人體吸收利用，安全性高；微生物具有來源廣泛、價(jià)格低廉的特點(diǎn)；相比蛋白酶水解法，微生物發(fā)酵代謝過程中產(chǎn)生的肽酶可以減少苦味物質(zhì)。目前存在的問題：微生物發(fā)酵法生產(chǎn)技術(shù)不完善；可用于抗氧化肽的無毒無害產(chǎn)酶菌種受限；發(fā)酵法產(chǎn)生復(fù)合酶體系的作用機(jī)理尚未闡明等。

1.2.3 其他方法

除上述兩種方法外，用于制備抗氧化肽的方法還有化學(xué)水解法、化學(xué)合成法、分離提取法、基因工程法及物理提取法等。化學(xué)水解法是指加入化學(xué)試劑使蛋白質(zhì)水解得到水解產(chǎn)物的方法，包括酸水解和堿水解，這種方法具有成本低、操作簡(jiǎn)單和應(yīng)用方便等特點(diǎn)，但缺乏靈敏度和特異性，且易造成肽失活、殘留有害物質(zhì)和污染環(huán)境。例如傳統(tǒng)的酸水解通常是基于高溫條件下在過酸溶液中處理樣品，處理過程中易破壞一些必需氨基酸，如色氨酸、蛋氨酸、胱氨酸和半胱氨酸[27]?；瘜W(xué)合成法是按照已知的氨基酸序列定向形成目標(biāo)肽鍵，具有操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)率高、可定向合成目的多肽等特點(diǎn)，但由于其合成過程中使用的部分溶劑如N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide，DMF)、二氯甲烷(dichloromethane，DCM)等具有較大的毒性，殘留物可能對(duì)人體產(chǎn)生有害影響，在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制。分離提取法指直接從動(dòng)植物體內(nèi)分離純化抗氧化肽，具有成本高、操作難度大、產(chǎn)量低等缺點(diǎn)，更適用于特定藥物的生產(chǎn)和開發(fā)?；蚬こ谭ㄊ抢肈NA重組技術(shù)，通過合適的DNA模板來控制抗氧化肽的序列合成，具有安全性高、成本低、原料來源廣等特點(diǎn)，但由于表達(dá)效率低、產(chǎn)品提取及回收難度大，導(dǎo)致其在短鏈肽合成方面存在較大弊端[28]。物理提取法是通過超高壓連續(xù)流細(xì)胞破碎儀來制備多肽，可以破壞動(dòng)植物組織的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜，最大程度的保護(hù)多肽的生物活性。該方法是近幾年提出的新概念，技術(shù)不夠成熟，對(duì)儀器要求高、得率低。

2 谷物源抗氧化肽構(gòu)效關(guān)系

2.1 影響抗氧化肽構(gòu)效關(guān)系的主要因素

抗氧化肽的活性除受蛋白來源、蛋白酶、水解度、水解條件等影響外，還與氨基酸組成、氨基酸序列、肽段分子質(zhì)量大小、肽構(gòu)象等因素有關(guān)。其中，多肽序列中的氨基酸殘基被認(rèn)為是影響多肽抗氧化活性的最重要因素。深入研究抗氧化肽的構(gòu)效關(guān)系，可以在生產(chǎn)中通過控制底物的水解度來調(diào)節(jié)抗氧化肽的產(chǎn)率和活性，從而提高生產(chǎn)效率和降低成本。

2.1.1 氨基酸組成

有了好心情，自然會(huì)多喝一些酒。那天也不知道是怎么了，不知不覺，兩瓶白酒、四箱啤酒都被我們消滅掉，我居然依舊頭腦清晰，毫無醉意。包東坡甚至要張羅著換個(gè)場(chǎng)子，到歌廳再喝。

氨基酸組成是影響抗氧化肽活性的重要因素。一些活性較高的抗氧化肽中His、Cys、Pro、Trp、Arg含量較高，且肽的N端氨基酸多為疏水性氨基酸。疏水氨基酸殘基有利于肽和脂質(zhì)中自由基的相互作用，從而有助于清除脂相產(chǎn)生的自由基[29]。研究證實(shí)，細(xì)胞抗氧化活性與肽的N端或C端存在Tyr、Trp殘基有關(guān)，Tyr的酚羥基、Trp的吲哚基、Cys的巰基及His的咪唑基等可以作為氫的電子供體捕獲自由基，達(dá)到清除自由基的作用[30]。疏水性氨基酸如Leu、Val、Ala、Phe及Pro等可以用作芳香殘基側(cè)鏈上自由基過氧化的供氫體，提高肽的抗氧化性[31]。此外，含硫氨基酸中Met上的S原子及Cys的巰基使其具有清除自由基的能力，可以減少亞油酸氫過氧化物的生成[32]。

有研究表明，含有His的肽具有較高抗氧化活性，這可能與位于His側(cè)鏈上的咪唑基團(tuán)具有猝滅自由基、螯合金屬離子及抑制脂質(zhì)過氧化作用有關(guān)[33]。大米肽FRDEHKK和DHHQ主要是通過螯合作用抑制亞油酸的過氧化作用，這兩種肽中均含有His和Asp，說明這兩種氨基酸有助于其抗氧化活性提升[34]。研究發(fā)現(xiàn)，Val可能有助于多肽與膜脂雙層的相互作用，促進(jìn)其進(jìn)入細(xì)胞，從而起到提高抗氧化活性的作用；也可能是通過促進(jìn)抗氧化肽與脂溶性自由基的相互作用，減弱脂質(zhì)過氧化，進(jìn)而提高抗氧化活性[35]。許多學(xué)者還發(fā)現(xiàn)，在一些蛋白水解產(chǎn)物中分離鑒定的抗氧化肽含有豐富的Gly和Pro，這兩個(gè)氨基酸對(duì)于抑制亞油酸過氧化有一定的貢獻(xiàn)，且具有一定的自由基清除能力[36]。

2.1.2 氨基酸序列

研究發(fā)現(xiàn)，抗氧化肽中相同的氨基酸殘基處于肽段不同位置時(shí)會(huì)影響其抗氧化活性。NAOHIKO等[37]研究了不同二肽對(duì)亞油酸抗氧化活性的影響，結(jié)果表明Ala、Tyr和Trp位于N端時(shí)二肽的抗氧化能力更強(qiáng)。含有His殘基N端的肽比含有His殘基C端的肽具有更高的螯合能力和自由基清除能力,若將Pro-His-His中C端的His殘基替換成其他氨基酸殘基，活性沒有顯著性變化；但若將中間的His殘基替換成Trp，活性大大下降，這說明肽段Pro-His-His中間的His殘基對(duì)其抗氧化活性非常重要，而C端的His殘基則沒有那么重要[38]。Leu殘基位于玉米抗氧化肽N端時(shí)，可以增強(qiáng)抗氧化肽與脂肪酸的相互作用，提高其對(duì)脂質(zhì)自由基的捕捉能力，從而提高抗氧化活性[39]。氨基酸殘基之間存在協(xié)同和拮抗作用，并非簡(jiǎn)單將抗氧化活性高的氨基酸殘基組合就可得到抗氧化活性高的肽段，因此對(duì)于氨基酸序列與抗氧化作用之間的關(guān)系值得持續(xù)關(guān)注。

2.1.3 肽段分子質(zhì)量

研究證實(shí)，肽段分子質(zhì)量大小會(huì)影響其抗氧化活性，低分子質(zhì)量肽段具有更高的抗氧化活性，2～10個(gè)氨基酸殘基的短肽要比10～50個(gè)氨基酸殘基的多肽抗氧化活性高。相比分子質(zhì)量大的肽段，分子質(zhì)量小的肽段更能有效地通過生物膜，靶向清除脂質(zhì)自由基，表現(xiàn)出較好的抗氧化能力。HERNNDEZ-LEDESMA等[7]利用抗氧化肽WYSLAMAASDI設(shè)計(jì)合成了WY、WYS、WYSL、WYSLA、WYSLAM及WYSLAMA這6條肽段，通過抗氧化活性測(cè)定發(fā)現(xiàn)WY的氧化自由基吸收能力(oxygen radical absorbance capacity，ORAC)活性最強(qiáng)，推測(cè)可能與肽段分子質(zhì)量大小有關(guān)。SHEN等[40]研究發(fā)現(xiàn)肽段LGFEY和LGFYY的抗氧化活性是由于Phe及Tyr的存在，在C端添加一個(gè)Tyr殘基，ORAC活性有所下降，說明分子質(zhì)量大小會(huì)影響肽段的抗氧化活性。

2.1.4 肽的構(gòu)象

2.2 定量構(gòu)效關(guān)系

定量構(gòu)效關(guān)系(quantitative structure-activity relationship，QSAR)模型是一種通過建模研究結(jié)構(gòu)與活性之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)方法。QSAR研究最早出現(xiàn)在藥物、農(nóng)學(xué)、有機(jī)化學(xué)等領(lǐng)域，現(xiàn)已成功用于抗菌劑、ACE抑制劑和苦味肽的研究中。近年來，QSAR模型在研究肽的生物活性和構(gòu)效關(guān)系方面取得了很大的進(jìn)步。LI等[43]使用QSAR模型，通過完全交叉驗(yàn)證和外部驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，氨基酸C末端和N末端的理化性質(zhì)與抗氧化活性之間存在一定的關(guān)系；在預(yù)測(cè)抗氧化活性時(shí)，C末端氨基酸的性質(zhì)比N末端氨基酸更重要。

抗氧化肽的QSAR研究關(guān)鍵步驟為：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)分析和模型驗(yàn)證(圖2)。其中結(jié)構(gòu)定量表征是QSAR研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括物理化學(xué)、分子拓?fù)浜屠碚撚?jì)算等參數(shù)。由于多肽結(jié)構(gòu)具有多樣性、構(gòu)效關(guān)系復(fù)雜性，需要借助一些分析方法使得數(shù)據(jù)更為可靠，其中偏最小二乘(partial least-square method，PLS)和支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)分別是用于建立線性和非線性模型最常用的回歸方法，多元線性回歸法可以為抗氧化活性與結(jié)構(gòu)之間的機(jī)理闡述提供方便[44]。

圖2 多肽的QSAR模型研究過程Fig.2 Study on the process of polypeptides in QSAR model

通過建立QSAR模型，可以評(píng)估谷物蛋白作為抗氧化肽的潛在前體，預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)在不同蛋白酶的水解下可能釋放的抗氧化活性肽，還可以定向合成高抗氧化活性的肽類。QSAR模型可以從理論上推測(cè)抗氧化肽的活性位點(diǎn)，進(jìn)一步明確肽的構(gòu)效關(guān)系，深入了解其抗氧化作用機(jī)制。

3 谷物源抗氧化肽的應(yīng)用

3.1 在食品工業(yè)中的應(yīng)用

脂質(zhì)氧化會(huì)導(dǎo)致食品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值損失、色澤破壞，還會(huì)產(chǎn)生異味和有害物質(zhì)。因此，為防止或延緩食品在生產(chǎn)及貯運(yùn)過程中的氧化作用，通常會(huì)在食品中添加化學(xué)合成抗氧化劑，這可能會(huì)危害消費(fèi)者健康。相比化學(xué)合成抗氧化劑而言，天然食源性抗氧化肽安全性更高，且不會(huì)對(duì)食品風(fēng)味和色澤產(chǎn)生影響，成為食品添加劑行業(yè)的研究熱點(diǎn)。研究表明，谷物源抗氧化肽具有較好的抗氧化活性，可以替代化學(xué)合成抗氧化劑加入到食品中發(fā)揮作用。如在肉制品中加入谷物源抗氧化肽可以有效延長(zhǎng)其貨架壽命[45]；在散裝油及乳狀液中摻入米糠蛋白水解產(chǎn)物可以改善其氧化穩(wěn)定性[46]。

雖有研究證明了蛋白活性肽的抗氧化潛力，但迄今為止投入應(yīng)用的抗氧化肽仍較少，主要是存在產(chǎn)品風(fēng)味差(如具有苦味)、食品加工過程中活性易喪失等問題，因此，對(duì)于谷物源抗氧化肽在食品中應(yīng)用的研究仍是具有挑戰(zhàn)性工作。

3.2 在日化工業(yè)中的應(yīng)用

經(jīng)紫外線輻射產(chǎn)生的ROS會(huì)引起皮膚膠原蛋白及皮膚細(xì)胞的氧化，通過促進(jìn)角質(zhì)細(xì)胞和纖維細(xì)胞中的基質(zhì)金屬蛋白酶-1(matrix metalloproteinase，MMP-1)活性而引起皮膚光老化，造成皮膚干燥、粗糙和皮膚松弛等問題[47]。具有抗氧化活性的物質(zhì)(如抗氧化肽)可有效防止ROS引起的皮膚氧化應(yīng)激損傷。因此，在化妝品中加入抗氧化肽不僅可以增加化妝品穩(wěn)定性，還能賦予其抗皮膚氧化功效。

消費(fèi)者對(duì)于天然的具有保護(hù)皮膚功能作用產(chǎn)品的需求，使得具有生物活性的新型化妝品發(fā)展迅速。研究表明，谷物蛋白(如米糠蛋白、玉米蛋白)水解產(chǎn)物中含有的氨基酸(如脯氨酸、組氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等)生物活性肽起著重要的抗氧化作用[48]，谷物源抗氧化肽具有較強(qiáng)的DPPH自由基清除能力、·OH清除能力，能有效修復(fù)皮膚的氧化應(yīng)激損傷。

3.3 其他方面的應(yīng)用

抗氧化肽不僅具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，還具有多種生理功能。ROS引起氧化應(yīng)激會(huì)誘發(fā)多種代謝性疾病，因此需要維持體內(nèi)氧化平衡。目前，谷物源抗氧化肽已應(yīng)用于藥物開發(fā)[49]。此外，抗氧化肽還可以像蛋白、氨基酸一樣添加到飼料中。谷物源抗氧化肽已被證實(shí)可作為飼料添加劑，如在鵝飼料中添加玉米抗氧化肽，可以提高鵝的抗氧化能力，減少氧化損傷[50]。通過酵母菌發(fā)酵玉米蛋白，得到的抗氧化肽可用于乳仔豬飼料中以緩解氧化應(yīng)激反應(yīng)[51]。

4 結(jié)語

谷物蛋白作為抗氧化肽的底物蛋白，具有來源廣泛、安全性高、成本低的特點(diǎn)，在功能食品、日化產(chǎn)品、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域中的市場(chǎng)價(jià)值非常巨大。隨著科技的發(fā)展，各種新技術(shù)帶來的谷物源抗氧化肽的功能活性的研究更加深入，部分谷物源抗氧化肽的生物學(xué)效應(yīng)已經(jīng)確定，谷物源抗氧化肽的開發(fā)和利用表現(xiàn)出更開闊的應(yīng)用前景。谷物源抗氧化肽的制備方法對(duì)其生物利用度的影響，以及抗氧化肽的生物有效性、安全性和致敏性仍需要進(jìn)一步深入開展研究。

但目前對(duì)谷物源抗氧化活性肽的研究依然不足，阻礙了其開發(fā)利用及發(fā)展。首先，用于制備谷物源抗氧化肽的方法以酶水解法為主，這種方法存在操作復(fù)雜、效率低、產(chǎn)生苦味等缺點(diǎn)，利用酶水解法水解谷物蛋白得到的活性肽存在氨基酸組成相似，但活性相差較大的問題，為后續(xù)的分離純化增加了難度；其次，對(duì)谷物源抗氧化肽的研究多處于試驗(yàn)階段，并未投入實(shí)際生產(chǎn)；最后，對(duì)谷物源抗氧化肽的構(gòu)效關(guān)系研究仍存在難點(diǎn)，包括抗氧化肽可能的活性位點(diǎn)預(yù)測(cè)、肽中氨基酸組成、排列順序、分子質(zhì)量大小與抗氧化活性的影響機(jī)制等仍有待于探索。