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發(fā)酵大豆豆粕水提物分離純化ACE抑制活性小肽

2018-07-02 12:07崔云云王正全沈菊泉陳建康汪立平
食品工業(yè)科技 2018年11期
關(guān)鍵詞:豆粕水解組分

崔云云,王正全,2,*,沈菊泉,陳建康,王 芳,楊 晗,劉 源,汪立平,*,謝 晶,4

(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306; 2.農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(上海),上海 201306; 3.上海市食品研究所,上海 200237; 4.上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心,上海 201306)

大豆原產(chǎn)中國(guó),古稱(chēng)菽,是全球特別是亞洲各國(guó)的主要糧食作物,因其富含植物蛋白和脂肪而被用于榨油和制作各種豆類(lèi)制品,屬于廉價(jià)易獲得的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)來(lái)源。其風(fēng)味發(fā)酵制品豆豉源于漢朝,口味獨(dú)特,近年更發(fā)現(xiàn)其含有諸多生物活性降解蛋白和肽,具有降低血壓活性如ACE抑制[1-4]。另外,大豆蛋白主要包含大豆球蛋白glycinin和大豆伴球蛋白β-conglycinin,經(jīng)水解、酶解、發(fā)酵后過(guò)濾、分離的小肽物質(zhì)同樣具有一定的血管活性或其他生物活性,如結(jié)合鈣離子、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)、腦功能、神經(jīng)系統(tǒng)、平衡營(yíng)養(yǎng),甚至可以阻止肝、肺癌細(xì)胞克隆[5-7]。因此,大豆除食用外還用于調(diào)節(jié)人體內(nèi)分泌和動(dòng)物消化系統(tǒng),甚至應(yīng)用于兒童配方奶粉中[5-7]。其作用機(jī)理可能是鈣離子聚集、心血管平滑肌胞內(nèi)鈣離子流出抑制、營(yíng)養(yǎng)平衡、通過(guò)激活細(xì)胞通路來(lái)調(diào)節(jié)膽固醇代謝等[8-10]。

工業(yè)化生產(chǎn)大豆壓榨油產(chǎn)生大量的廢渣副產(chǎn)品豆粕,通常用作動(dòng)物飼料,存在加工不完全、利用不徹底等浪費(fèi)的問(wèn)題。大豆粕本身就可以通過(guò)發(fā)酵和提取的方式直接再次利用其蛋白質(zhì),相關(guān)的分離提取ACE抑制活性小肽研究最多[11-13]?,F(xiàn)在已知大豆粉和大豆豆粕發(fā)酵或水解產(chǎn)物中含有的降壓活性小肽物質(zhì)如LVNGS、HGK、VLIVP、EVG、MLP、IAVPGEVA、IAVPTGVA、LPYP、LVQGS、VLIVP、RPSYT等[2,7-9,14-15]。其制備多使用各種商業(yè)消化蛋白酶、枯草芽孢桿菌、豆豉曲等水解[1-3,9,11,12,16-20],而分離提取則常采用沉淀、過(guò)濾、超濾、納濾、凝膠色譜、HPLC、大孔樹(shù)脂吸附、脫鹽等方式[16-18,21-23],尚有很多未知的活性物質(zhì)未被發(fā)現(xiàn)。

因此,本研究在1965年Ferreira[24]和1971年Cushman[25]成功建立第一套ACE體外抑制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合Hyun[26]優(yōu)化的HPLC檢測(cè)改良方法,從大豆發(fā)酵水解超濾分離獲得的組分開(kāi)始逐步篩選ACE抑制活性最強(qiáng)的組分,并從該組分中逐步通過(guò)GFC初步分離,HPLC兩輪分離純化收集。利用PPSQ-21和MALDI-TOF-TOF/MS雙重定性驗(yàn)證肽序列,再經(jīng)多肽固相合成法(solid phase peptide synthesis,SPPS)合成足量小肽,分別驗(yàn)證其ACE抑制活性并比較。最后,篩選出的小肽的心血管體外實(shí)驗(yàn)活性也被測(cè)定。本研究尋找新的血管活性大豆小肽,并嘗試闡釋其可能的作用機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

二浸豆粕(粗蛋白質(zhì)含量43%) 中糧集團(tuán);分析純硼酸、硼砂、乙腈 上海安普科技公司;馬尿酰組胺酰亮氨酸(HHL)、血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(ACE) Sigma公司;三氟乙酸(TFA) Merck公司;馬尿酸、非極性DA201-C大孔樹(shù)脂 江陰有機(jī)化工廠;NaCl和弗羅里硅土(60~100目) 國(guó)藥集團(tuán)提供;色譜純甲醇、乙腈 Thermo-fisher公司;400目濾布、10000、1000、500Da濾膜 上海摩速科學(xué)器材有限公司;實(shí)驗(yàn)用水 Milli-Q提供;雄性8~11周齡的Sprague-Dawley(SD)大鼠 上海杰思捷實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司;乙酰膽堿(acetylcholine,ACh)和苯腎上腺素鹽酸(Phenylephrine,PE) 百靈威科技有限公司;本研究中使用的菌種 為實(shí)驗(yàn)室篩選于民間豆豉的枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)。

HPLC(LC-20AT,搭載FRC-10A自動(dòng)餾分收集系統(tǒng))和蛋白測(cè)序儀PPSQ-21 日本Shimadzu公司;5800 MALDI-TOF-TOF/MS配有TOF/TOF Explorer和Data Explorer數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 美國(guó)AB SCIEX公司;實(shí)驗(yàn)用膜分離超濾納濾反滲透裝置(RE-2540型) 上海摩速科學(xué)器材有限公司;LDZX-50KBS立式壓力蒸汽滅菌器 上海申安醫(yī)療器械廠;KQ-250E超聲波清洗器、電熱恒溫水浴鍋HHS型、SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵 上海圣科有限公司;分析天平 Sartorius公司;ALC-M system Tissue-Organ bath體外組織浴系統(tǒng) 上海奧爾科特生物科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原料處理 稱(chēng)取二浸豆粕4 kg于30 L的發(fā)酵罐中,加蒸餾水浸濕并攪拌均勻,高壓蒸汽滅菌(121 ℃,30 min);接種10%菌懸液(取枯草芽孢桿菌管,在無(wú)菌操作條件下,用接種環(huán)挑取接種到適量的營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基中,30 ℃下振蕩培養(yǎng)12 h),30 ℃,發(fā)酵72 h。發(fā)酵結(jié)束后振蕩水浸提取1 h,后靜止沉降,紗布過(guò)濾2遍除渣,得到發(fā)酵豆粕原液。

1.2.2 發(fā)酵豆粕原液ACE抑制肽的分離純化

1.2.2.1 發(fā)酵液的超濾 發(fā)酵液依次加入活性炭、DA201-C大孔樹(shù)脂吸附油脂、雜質(zhì)顆粒并脫鹽,后用400目濾袋過(guò)濾除去吸附劑,再加入弗羅里硅土結(jié)合板式過(guò)濾機(jī)過(guò)濾除掉活性炭和多余油脂,得到更澄清的發(fā)酵液。用截留分子量為10000、1000、500 Da 的超濾膜分級(jí)過(guò)濾發(fā)酵液,得到3個(gè)不同分子量的多肽混合液組分F1(1000~10000 Da)、F2(500~1000 Da)、F3(<500 Da),濃縮后在-20 ℃,高真空10 Pa下冷凍干燥48 h,干燥物用以驗(yàn)證各組分ACE抑制活性。

1.2.2.2 凝膠滲透色譜(GFC)法分離 將F3組分用Milli-Q水溶解制成濃溶液,用GFC進(jìn)行分離并收集各洗脫峰組分。色譜條件:TSK-GEL G2000SWXL(φ7.8 mm×300 mm);流動(dòng)相A,Milli-Q純水(0.1%TFA);流動(dòng)相B,乙腈(0.1% TFA)。梯度洗脫條件:0~10 min 5% B,10~15 min 5% B,15~20 min 10% B;流速,1 mL/min;柱溫,30 ℃;波長(zhǎng),220 nm。

1.2.2.3 一次HPLC法分離 將經(jīng)凝膠過(guò)濾色譜分離的組分用HPLC進(jìn)行分離純化,分別收集各洗脫峰組分,進(jìn)行冷凍干燥備用。色譜條件:Cosmosil 5 C18-AR-Ⅱ(φ4.6 mm×250 mm,100A);梯度洗脫條件,0~5 min 2.5% B,5~18 min 80% B;流動(dòng)相A、流動(dòng)相B、流速、柱溫、波長(zhǎng)同1.2.2.2。

1.2.2.4 二次HPLC法再分離純化 更換色譜柱為Cosmosil 5C18-MS-Ⅱ(φ4.6 mm×250 mm,100A),色譜條件和梯度洗脫條件同1.2.2.3。

1.2.2.5 大豆小肽的分子量測(cè)定及氨基酸序列分析 分別取2 μL的1000 mg/L最終分離純品,直接采用MALDI-TOF-TOF/MS進(jìn)行質(zhì)譜分析。激光源為335 nm波長(zhǎng)的Nd:YAG激光器,加速電壓為20 kV,采用正離子模式和自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)的模式采集數(shù)據(jù)。儀器先用myoglobin酶解肽段進(jìn)行外標(biāo)校正?;|(zhì)和樣品的質(zhì)量掃描范圍為100~1000 Da。得到的MS/MS譜圖采用儀器軟件DeNovo Explorer結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)進(jìn)行測(cè)序。同時(shí),目標(biāo)小肽需經(jīng)過(guò)PPSQ-21定性驗(yàn)證。

1.2.3 小肽固相合成 所有小肽使用標(biāo)準(zhǔn)固相肽合成法(SPPS),由Fmoc-citrulline-OH等試劑合成[9]。

1.2.4 ACE活性的測(cè)定 許多豆制品的ACE抑制活性測(cè)定使用紫外分光光度計(jì)快速檢測(cè),但由于前處理過(guò)程中的未揮發(fā)乙酸乙酯會(huì)干擾檢測(cè)結(jié)果,而基于HPLC的檢測(cè)方法準(zhǔn)確而穩(wěn)定[27-30]。因此,本研究使用改良方法測(cè)定小肽ACE抑制活性,在小試管中依次加入40 μL發(fā)酵酶解樣品、40 μL ACE(25 mU/mL)溶液,放入37 ℃恒溫水浴中保溫5 min后加入50 μL的HHL溶液開(kāi)始反應(yīng),37 ℃下反應(yīng)60 min后加入200 μL 1.0 mol/L HCl中止反應(yīng),同時(shí)用40 μL pH=8.3的硼酸緩沖溶液替代發(fā)酵酶解液來(lái)制備反應(yīng)液,作為空白對(duì)照組。反應(yīng)液經(jīng)過(guò)0.45 μmol/L濾膜過(guò)濾后上HPLC檢測(cè),通過(guò)定量馬尿酸的生成量計(jì)算小肽的ACE抑制活性。

ACE活性抑制率計(jì)算公式為:

ACE活性抑制率(%)=(A1-A2/A1)×100

式(1)

式中,A1-未添加樣品時(shí)的峰面積;A2-添加樣品后的峰面積。

1.2.5 小鼠血管活性的測(cè)定 實(shí)驗(yàn)中使用SD大鼠,從腹主動(dòng)脈放血致死后迅速取出胸主動(dòng)脈,清除粘連的脂肪和結(jié)締組織,剪切主動(dòng)脈2~3 mm血管環(huán),裝于組織浴中的兩根不銹鋼絲之間。使血管環(huán)在37 ℃ PSS緩沖液中通入95% O2/5% CO2,平衡45 min。然后將環(huán)逐漸拉伸至1 g預(yù)加的張力,平衡30 min至穩(wěn)定。通過(guò)配有MPA2000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的張力傳感器測(cè)量血管收縮反應(yīng)(單位,g)。為驗(yàn)證主動(dòng)脈環(huán)的生存活性,在肽誘導(dǎo)的血管舒張實(shí)驗(yàn)之前,需加入1.0 μmol/L PE和1 mmol/L ACh來(lái)檢驗(yàn)血管收縮反應(yīng),以此作為活環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)。每組實(shí)驗(yàn)以4 min時(shí)間間隔加入,以此記錄小肽對(duì)血管的舒張作用。能夠引起50%血管舒張效果(相較于血管最大收縮張力,g)的小肽的有效濃度,即小肽的血管舒張活性值EC50。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010和Origin 8.0軟件進(jìn)行處理數(shù)據(jù)及作圖,統(tǒng)計(jì)學(xué)分析用SPSS 20.0軟件進(jìn)行未配對(duì)Student’st-test分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示,顯著性差異水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 超濾分離豆粕發(fā)酵組分及其ACE抑制活性

豆粕發(fā)酵酶解產(chǎn)物經(jīng)超濾分離后得到3個(gè)肽組分(F1、F2、F3),它們的ACE抑制活性如圖1所示。

圖1 不同分子量豆粕發(fā)酵液超濾組分的ACE抑制率(n=3)Fig.1 The ACE-inhibitory activity of different molecular weight ultrafiltrates of fermented soybean meal(n=3)注:小寫(xiě)字母不同代表差異顯著(p<0.05)。

由圖1可知,空白對(duì)照組未加發(fā)酵液,ACE抑制活性幾乎為0,而F1、F2、F3組分均具有ACE抑制活性,與空白對(duì)照差異顯著(p<0.05),且活性隨著分子量的減小而增大,F2、F3組分無(wú)顯著性差異(p>0.05)。其中,F3組分的ACE抑制活性相對(duì)最高,在濃度1 mg/mL時(shí)ACE抑制率為40.40%。這主要是因?yàn)镕3組分含有更多2~6個(gè)氨基酸殘基的小肽。因此,后續(xù)研究選擇F3組分進(jìn)行下一步分離純化。類(lèi)似的血管活性同樣被記載于其他學(xué)者的研究中,如Chiang等[10]發(fā)現(xiàn)使用膜反應(yīng)器獲得的分離大豆蛋白水解物的1 kDa的組分ACE活性明顯強(qiáng)于10 kDa和30 kDa組分及水解物原液,范遠(yuǎn)景等[25]也發(fā)現(xiàn)不論是使用中性蛋白酶、木瓜蛋白酶還是胰蛋白酶水解的大豆蛋白,小于1 kDa的組分的ACE抑制活性均遠(yuǎn)強(qiáng)于3 kDa和10 kDa及更大分子量組分。

2.2 GFC分離F3組分

本實(shí)驗(yàn)中用GFC分離豆粕發(fā)酵酶解產(chǎn)物F3組分,相比其他針對(duì)大豆蛋白水解物提取液等混合物的研究[1,10,25,33],找到關(guān)鍵起作用的活性物質(zhì)并精準(zhǔn)定性更加重要[2,13-14,18]。如圖2(A)所示,大豆蛋白水解物提取液F3組分由單一混合物分離出三個(gè)主要組分P1、P2和P3,后續(xù)分離純化以這三個(gè)GFC分離組分為主要研究對(duì)象。

圖2 大豆活性小肽分離純化的GFC和HPLC色譜圖Fig.2 GFC and HPLC chromatography of bioactive soybean small peptides during separation and purification

2.3 一次和二次HPLC分離P2、P3

用HPLC配合Cosmosil 5C18-AR-Ⅱ(φ4.6 mm×250 mm)色譜柱用于進(jìn)一步分離P2見(jiàn)圖2(B),P3見(jiàn)圖2(C),由圖知組分P2、P3又被分離出了多個(gè)物質(zhì),存在干擾物,收集主峰后再經(jīng)二次HPLC繼續(xù)分離純化。更換色譜柱Cosmosil 5C18-MS-Ⅱ(φ4.6 mm×250 mm,100A)繼續(xù)分離出P2-1見(jiàn)圖2(D)和P3-1見(jiàn)圖2(E),分別記為P2-1-2、P3-1-3。

2.4 MALDI-TOF-TOF/MS對(duì)組分P2-1-2、P3-1-3結(jié)構(gòu)的解析

MAIDI-TOF-TOF/MS是目前蛋白質(zhì)鑒定中精確測(cè)定分子質(zhì)量的手段之一,特別適合對(duì)混合蛋白和多肽類(lèi)物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定,其靈敏度和分辨率較高。由圖3顯示,對(duì)組分P2-1-2、P3-1-3進(jìn)行鑒定,肽序列分別為HAGR(His-Ala-Gly-Arg)和CGAAP(Cys-Gly-Ala-Ala-Pro)。相似技術(shù)也被應(yīng)用于嬰兒配方奶[7]和乳酸菌發(fā)酵的酸奶[32]中定性檢測(cè)活性小肽成分。另外,PPSQ-21的序列分析結(jié)果確認(rèn)了P2-1-2、P3-1-3確實(shí)是HAGR和CGAAP。

圖3 MALDI-TOF-TOF/MS定性測(cè)定組分 P2-1-2、P3-1-3的肽序列譜圖Fig.3 Peptide sequence profiles of components P2-1-2, P3-1-3 by MALDI-TOF-TOF/MS qualitative determination

2.5 小肽HAGR和CGAAP的ACE抑制活性鑒定

對(duì)于鑒定出肽序列的兩個(gè)小肽HAGR和CGAAP,后續(xù)使用SPPS合成,相同濃度的合成肽(2 mg/mL)的ACE抑制活性被檢測(cè)檢定,如表1所示。由表1可知,HAGR的ACE抑制活性接近F3組分,但明顯低于小肽CGAAP,而后者的ACE抑制率達(dá)到了77.79%,明顯高于3個(gè)組分F1、F2、F3的ACE抑制活性。任錦等[7]也是研究合成肽的ACE抑制活性,主要是由于天然提取的活性小肽純品量極少,僅足以定性判斷結(jié)構(gòu),活性研究需要大量的小肽純品,需要使用人工合成的方法獲得高純度的目標(biāo)物。

表1 大豆豆粕分離小肽的ACE抑制活性和血管活性匯總表(n=3)Table1 ACE inhibition activity and vasorelaxation activity of soybean meal isolated small peptides(n=3)

2.6 小肽HAGR和CGAAP的血管活性鑒定

如表1所示,發(fā)酵大豆豆粕膜過(guò)濾分離的3個(gè)組分F1、F2、F3的大鼠血管活性的檢測(cè)結(jié)果顯示,F1和F3可以引發(fā)不同程度的對(duì)1 μmol/L PE收縮過(guò)的大鼠主動(dòng)脈心血管環(huán)的舒張作用,分子量范圍是500 Da的F3組分的舒張血管活性最高,達(dá)到2.37 mmol/L。但是1000 Da的F2組分恰好展示了相反的趨勢(shì),不僅沒(méi)有舒張血管,反而引起了血管收縮,收縮比例最高時(shí)達(dá)到39.94%。F3組分分離出的2個(gè)小肽的大鼠血管活性實(shí)驗(yàn)顯示,HAGR和CGAAP對(duì)1 μmol/L PE收縮過(guò)的大鼠主動(dòng)脈心血管環(huán)具有舒張作用,如圖4所示,舒張效果強(qiáng)烈。另由表1可知,2個(gè)小肽的血管舒張活性都高于混合物組分F1和F3,但HAGR的血管活性(EC50=0.96 mmol/L)稍稍?xún)?yōu)于CGAAP的血管活性(EC50=1.19 mmol/L),同時(shí),HAGR和CGAAP遠(yuǎn)強(qiáng)于F3組分的血管舒張活性。這一點(diǎn)與ACE抑制率并不完全一致,說(shuō)明雖然所研究的發(fā)酵大豆豆粕提取物具有心血管活性,但其血管活性強(qiáng)度與ACE抑制活性并不直接相關(guān),可能是活性機(jī)理不僅僅局限于ACE抑制這單一的一種機(jī)制,還有其他未闡明的機(jī)理共同作用下,顯示為宏觀上的具體差異。

圖4 CGAAP和HAGR對(duì)1 μmol/L PE收縮過(guò)的 大鼠主動(dòng)脈心血管環(huán)的舒張作用Fig.4 Relaxaton of CGAAP and HAGR in 1 μmol/L phenyleohrine-contracted aorta ring

3 結(jié)論

豆粕發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)超濾得到3個(gè)不同分子質(zhì)量的組分F1、F2、F3,其中,ACE抑制活性隨著分子質(zhì)量的減小而增大,分子質(zhì)量小于500 Da的F3組分顯示了最高的ACE抑制活性,隨后對(duì)F3組分進(jìn)行GFC、HPLC的分離純化,鑒定出兩個(gè)小肽P2-1-2、P3-1-3的序列結(jié)構(gòu)分別為HAGR和CGAAP,并對(duì)它們進(jìn)行了ACE抑制活性和血管活性的分析,HAGR的ACE抑制活性明顯低于小肽CGAAP的ACE抑制活性,而后者擁有77.79%的ACE抑制率。血管活性結(jié)果顯示了不同的趨勢(shì),證實(shí)了豆粕發(fā)酵酶解分離的部分小肽具有血管活性,但與ACE抑制活性并不直接相關(guān),還有其他活性機(jī)理等待后續(xù)研究。

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