王南南,王靖蕊,李 璐,李 雁,解新安,2,*
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣東廣州 510642;2.廣東省功能食品活性物重點實驗室,廣東廣州 510642)
茶渣是茶葉生產(chǎn)加工過程的副產(chǎn)物以及茶場的廢棄物。其中,茶蛋白含量占茶渣干20%~30%,且氨基酸組成豐富[1],研究發(fā)現(xiàn),茶蛋白具有較好的功能,如降血壓、降血糖、防輻射等[2?4],因此,茶渣蛋白具有較高的潛在利用價值。目前,茶渣的利用主要為做吸附材料、肥料和摻配飼料等[5?8],關(guān)于茶蛋白的研究主要是停留在研究茶蛋白的提取工藝及功能性質(zhì)[9?14],而較少能基于已驗證得到的茶蛋白的功能性質(zhì)如降血壓、抗衰老、抗疲勞等,進一步開發(fā)制備相對應(yīng)的功能性茶多肽,尤其是從茶蛋白肽的活性與分子量之間的關(guān)系進行研究者甚少,這使得茶蛋白資源沒有得到良好的開發(fā)利用。
據(jù)研究,從蛋白質(zhì)中提取的活性肽,與其母體蛋白相比,具有更高的活性[15]。酶解法在蛋白多肽的制備工藝中應(yīng)用最廣泛,該法對蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值破壞小,生產(chǎn)條件溫和、反應(yīng)過程高效且可控。目前已采用酶法制備出多種動植物活性肽,如抗氧化肽[16],血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制肽[17?19]、降血糖肽[20]等。
本試驗以課題組自制的茶渣蛋白為原料,采用胰蛋白酶對茶渣蛋白進行水解,通過響應(yīng)面優(yōu)化試驗對酶解工藝進行優(yōu)化,并對酶解液進行分離純化,同時建立溫度、pH、金屬離子、食品添加劑、鹽溶液等不同條件下的耐受實驗和體外模擬消化實驗探究多肽的活性,為茶渣的精深加工提供理論基礎(chǔ)。
茶渣 購自廣州市饅頭嶺茶廠;茶渣粗蛋白實驗室自制[21],純度為(52.5%±0.03%);胰蛋白酶(10.17×104±5.30×103U/g)、風(fēng)味蛋白酶(9.59×103±0.23×102U/g) 諾維信生物技術(shù)有限公司;復(fù)合蛋白 酶(12.41×104±7.25×103U/g)、堿 性 蛋 白 酶(6.53×104±1.46×103U/g)、木瓜蛋白酶(2.28×104±0.65×103U/g)、胃蛋白酶(1.2×103±0.55×102U/g)廣州光華科技有限公司;以上試劑均為分析純。
HH-2 數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州澳華儀器有限公司;DL-5 高速離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠;FDEC-80 冷凍干燥機、HL-2B 恒流泵、BSZ-100 自動部分收集器、PHS-3C 數(shù)顯pH 計 上海精科儀器廠;OAPMP220 超濾裝置 美國PALL 公司。
1.2.1 抗氧化肽提取工藝 茶渣蛋白粉按比例(m/v)加蒸餾水溶解,調(diào)節(jié)pH,加入蛋白酶進行酶解,反應(yīng)完成后沸水浴10 min 滅酶活,然后在4000 r/min 離心10 min,調(diào)節(jié)上清液pH 至7.0,經(jīng)1 μm 濾膜除雜,收集濾液經(jīng)10、5、3 kDa 濾膜分離(室溫),然后收集濾液與截留液分別進行冷凍干燥
1.2.2 蛋白酶篩選 選取胰蛋白酶、堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶、風(fēng)味蛋白酶和復(fù)合蛋白酶,在廠家推薦的最適溫度和最適pH 條件下進行酶解,其他條件為底物質(zhì)量濃度2.5%,加酶量6000 U/g,每隔0.5 h 取一次樣,分別測定水解度和還原力。
1.2.3 酶解單因素實驗 以還原力及其水解度為指標,考察底物濃度(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)、加 酶 量(1500、2000、2500、3000、3500 U/g)、pH(7.0、7.5、8.0、8.5、9.0)、溫度(40、45、50、55、60 ℃)、酶解時間(0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5 h)對茶渣蛋白酶解工藝的影響。固定考察因素底物濃度2 %,加酶量為4000 U/g,pH 8.0,酶解時間3 h,反應(yīng)溫度50 ℃。
1.2.4 酶解工藝優(yōu)化 在單因素實驗的基礎(chǔ)上,選取加酶量、pH、溫度三個影響因素,以還原力為考察指標,進行優(yōu)化試驗,確定酶解法制備茶渣蛋白抗氧化肽的最佳酶解工藝。響應(yīng)面試驗因素水平表見表1。
表1 響應(yīng)面試驗因素與水平Table 1 Variables and levels used for central composite design
1.2.5 水解度的測定 通常采用pH- stat 法,反應(yīng)快速、直觀[22]。水解度計算如公式:
式中:B—堿液體積,L;Nb—堿液的濃度,mol·L?1;A—氨基的解離度,在本研究中,A 取1;Mp—底物中蛋白質(zhì)總量,g;Htot—底物中蛋白質(zhì)肽鍵總數(shù),mol g?1蛋白質(zhì)(對茶蛋白,htot=7.12)。
1.2.6 多肽抗氧化能力的測定 以還原力作為衡量多肽抗氧化能力的指標。操作步驟參照Shazly 等[23]的方法。
1.2.7 茶渣蛋白抗氧化肽的分離 按照1.2.4 得出的最佳酶解工藝對茶渣蛋白進行酶解,所得酶解液先經(jīng)過1 μm 濾膜進行粗濾除雜,然后濾液依次通過截留分子量為10 、5 、3 kDa 的濾膜進行超濾。超濾條件:濾液(酶解液)濃度5%,pH7.0,壓力 0.10 MPa,室溫操作。按分子量分成四部分:分子量>10 kDa(簡稱為Tpep-1,下同)、5~10 kDa(Tpep-2)、3~5 kDa(Tpep-3)、<3 kDa(Tpep-4)。再經(jīng)旋蒸濃縮,真空凍干。待測。
將上述所得樣品溶于去離子水,配置成濃度為2 mg/L 的多肽濃縮液,參照文獻進行抗氧化活性(還原力[23]、DPPH 自由基清除率[24?25]、對羥自由基清除率[26]、超氧陰離子清除率[25])的測定,篩選出活性較高的組分。
1.2.8 茶渣抗氧化肽的活性研究
1.2.8.1 溫度對茶渣抗氧化活性的影響 以1.2.7 分離所得活性最高的組分,溶于100 mL 去離子水配制成1 mg/mL 的多肽溶液,并調(diào)節(jié)pH7.0,分別在30、40、50、60、70、80、90 ℃下放置5 h,每隔1 h 取樣測定還原力。
1.2.8.2 酸、堿環(huán)境對茶渣抗氧化肽活性的影響 操作方法在劉文穎等[27]基礎(chǔ)上稍作修改。準確稱量1.2.7 步驟中所得活性最高的組分,加入100 mL 去離子水溶解,配成1 mg/mL 的多肽溶液,分別用鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)多肽溶液pH2.0、4.0、6.0、8.0、10.0,37 ℃保溫2.5 h,每隔0.5 h 取樣測還原力。
1.2.8.3 金屬離子對茶渣抗氧化肽活性的影響 準確稱取1.2.7 步驟中所得活性最高的組分,依次溶于金屬離子濃度是0.1 mol/L 的Fe3+、Mg2+、Zn2+、Ca2+、Na+的溶液,室溫靜置2 d,取樣測還原力。
1.2.8.4 食品添加劑對茶渣抗氧化肽活性的影響準確稱取1.2.7 步驟中所得活性最高的組分,分別溶于質(zhì)量濃度為2%的氯化鈉、葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉、檸檬酸和苯甲酸溶液,室溫靜置2 d,取樣測其還原力。
1.2.8.5 體外消化實驗對茶渣抗氧化肽活性的影按照人體消化食物的順序,先將樣品置于胃蛋白酶環(huán)境中進行消化模擬,然后在置于胰蛋白酶環(huán)境下進行體外消化模擬試驗。
第一步,樣品胃消化過程時抗氧化活性研究(加入胃蛋白酶)[13,28]:取1.2.7 分離純化后活性最強的組分,配置成2 mg/mL 的抗氧化肽溶液;接著鹽酸調(diào)節(jié)肽液pH 至2.0,再加入樣品含量5 %的胃蛋白酶,37 ℃水浴4 h,于第0、1、2、3、4 h 取樣,水浴結(jié)束后100 ℃沸水浴滅酶5 min,待冷卻至室溫,測定還原力。
第二步,樣品再經(jīng)腸道消化過程的抗氧化活性研究(加入胰蛋白酶):取上述一定量經(jīng)胃消化處理4 h 的消化液,用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH 至8.0;加入按樣品量5%的胰蛋白酶,37 ℃水浴繼續(xù)消化4 h,分別于第5、6、7、8 h 取樣,并在消化結(jié)束后置于100 ℃滅酶5 min,待冷卻至室溫,10000 r/min 離心15 min,取上清液測還原力[29]。
數(shù)據(jù)分析采用Origin 9.2,Design-Expert 8.0.6和SPSS 19.0 等軟件進行處理。所有試驗均重復(fù)三次,取平均值。
從圖1 中可以得出,五種蛋白酶對茶渣蛋白的水解度大小為胰蛋白酶>堿性蛋白酶>復(fù)合蛋白酶>木瓜蛋白酶>風(fēng)味蛋白酶。從圖2 可以看出,胰蛋白酶水解所得的產(chǎn)物還原力最高,在水解3 h 時還原力達0.250;而風(fēng)味蛋白酶水解所得的產(chǎn)物還原力最低,水解3 h 后僅為0.112。結(jié)合圖1 和圖2,可以選擇胰蛋白酶作為水解制備茶渣抗氧化肽的最適蛋白酶,其水解度和還原力均優(yōu)于其他四種蛋白酶。王惠敏[30]篩選出胰蛋白酶作為酶解亞麻籽蛋白制備亞麻籽抗氧化肽的最適酶,且所得酶解產(chǎn)物的DPPH 自由基清除率最高;蘆鑫等[31]在制備芝麻蛋白抗氧化肽時,同樣選擇胰蛋白酶作為最適蛋白酶,這均與本文的結(jié)論相似。說明胰蛋白酶適宜酶解植物蛋白,制備植物源抗氧化肽。
圖1 不同蛋白酶處理對茶渣蛋白水解度的影響Fig.1 Effect of different enzymes on DH of tea residue proteins
圖2 不同蛋白酶處理對茶渣蛋白還原力的影響Fig.2 Effect of different enzymes on reducing power of tea residue proteins
2.2.1 底物濃度對酶解效果的影響 由圖3 可知,當(dāng)?shù)孜餄舛刃∮?%,茶渣抗氧化肽的還原力和水解度均隨底物濃度的增加而增加。這是因為剛開始底物濃度尚未飽和,酶與底物作用幾率大,能產(chǎn)生較多的活性肽,且還原力最高可達0.260;當(dāng)?shù)孜餄舛却笥?%,還原力和水解度開始降低。原因可能是,第一底物濃度已飽和,再增加底物濃度,酶解液粘度增大,部分酶被底物包裹,不利于酶與底物的接觸[32];第二,隨著底物濃度的不斷增大,胰蛋白酶無法將底物充分酶解,進而酶解產(chǎn)物的還原力下降。因此,選擇底物濃度2%較佳。
圖3 底物質(zhì)量濃度對酶解效果的影響Fig.3 Effect of substrate concentration on hydrolysis efficiency
2.2.2 加酶量對酶解效果的影響 由圖4 可知,起先隨著加酶量的增加,即1500~3000 U/g 階段,還原力和水解度均呈上升趨勢,且增長速度較快;加酶量為3000 U/g,還原力高達0.231;隨后,繼續(xù)添加蛋白酶從3000 U/g 到3500 U/g,茶渣抗氧化肽的還原力呈
圖4 加酶量對酶解效果的影響Fig.4 Effect of enzyme dosage on hydrolysis efficiency
下降趨勢,水解度變化趨于平緩。這是因為適量酶的添加有利于酶解反應(yīng)的進行,生成抗氧化肽;過量的加酶量會造成茶渣蛋白的相對濃度降低,逐漸被酶飽和,所以3000~3500 U/g 階段水解度增長減緩;同時酶解液中茶渣抗氧化肽可能會過度降解,進一步生成無活性的小分子,即表現(xiàn)為還原力的下降;綜合考慮,選擇加酶量為3000 U/g 較佳。
2.2.3 pH 對酶解效果的影響 結(jié)果如圖5 所示。隨著酶解pH 升高,水解度和還原力的變化趨勢均為先增大后減小。pH 在7.0~8.0 之間,水解度不斷增大,說明胰蛋白酶在此范圍內(nèi)可能擁有較好的活力,并在pH 8.0 時,水解度和還原力達到最大,分別為23.4%和 0.240;之后酶解pH 繼續(xù)升高,而此時高堿性環(huán)境可能并不利于酶與底物蛋白的作用,影響了底物蛋白的解離狀態(tài)[33]。因此,選擇酶解pH 8.0 較佳。
圖5 pH 對酶解效果的影響Fig.5 Effect of pH on hydrolysis efficiency
2.2.4 溫度對酶解效果的影響 結(jié)果如圖6 所示,溫度從40 ℃上升到50 ℃的過程中,還原力和水解度不斷變大,50 ℃時還原力最大為0.251,隨后繼續(xù)升溫,水解度在55 ℃達到最大為23.7%,而此時茶渣蛋白和蛋白酶的特定空間結(jié)構(gòu)正逐步遭到破壞[34],反應(yīng)速度減慢,水解效率降低,表現(xiàn)為茶渣抗氧化肽的還原力顯著減小。因此,選擇酶解溫度50 ℃較佳。
圖6 溫度對酶解效果的影響Fig.6 Effect of temperature on hydrolysis efficiency
2.2.5 時間對酶解效果的影響 結(jié)果如圖7 所示,酶解前期,由于底物濃度較高加之胰蛋白酶活旺盛,水解度和還原力持續(xù)增大,并在3 h 時還原力到0.250;隨著酶解的持續(xù)進行,茶渣抗氧化肽的還原力減小,這可能是抗氧化肽被水解成抗氧化活力較弱的片段[34];但4~5 h 還原力又出現(xiàn)小幅度上升,可能原因是新的蛋白活性基團暴露出來,使得整體的還原力又有所變化(且水解度仍在緩慢增長中)。綜合考慮,選擇酶解時間為3 h 較佳。
圖7 時間對酶解效果的影響Fig.7 Effect of time on hydrolysis efficiency
根據(jù)單因素實驗結(jié)果,以反應(yīng)溫度、pH 和加酶量為響應(yīng)值,采用Box-Behnken 法進行酶解工藝優(yōu)化。試驗設(shè)計方案及結(jié)果見表2。
表2 Box-Behnken 實驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for Box-Behnken
對實驗方案得出的17 組數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合,得到以茶渣蛋白多肽還原力為目標函數(shù)的多元二次響應(yīng)面回歸模型方程為:
Y=0.31+0.025A+2.500E?003B+0.015C+7.500E?003AB?7.500E?003AC?7.500E?003BC?0.068A2?0.023 B2?0.098 C2
對結(jié)果進行回歸方差分析(表3),回歸方差分析顯著性檢驗表明此模型回歸顯著(P<0.0001),失擬項不顯著(P=0.4740>0.1),與實際擬合較好。由Design-Expert 分析得出R2為0.9790,說明還原力變化有97.90%來源于溫度、pH 和加酶量的的變化。一次項(A)和二次項(A2、C2)極其顯著,說明pH 與加酶量對酶解效果的影響并非一元的簡單線性關(guān)系。交互項AB 極其顯著(P<0.01),BC 顯著(P<0.05),說明各因素之間的交互作用很好。此外,各因素的F值能反映各實驗因素對響應(yīng)值的重要性,即F值越大,影響越大,即各因素對還原力的影響顯著性大小順序為:溫度>加酶量>pH。綜上所述,該模型擬合度較好,可用來進行酶解茶渣蛋白制備抗氧化肽工藝的優(yōu)化。
表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis of variance of regression model
從圖8A 可以看到響應(yīng)面坡度較陡,等高線圖呈橢圓形,說明pH 和溫度間的交互極顯著,與表3 中AB 的P值相對應(yīng)(P=0.007<0.01,極顯著)。從圖8B來看,響應(yīng)面的坡度走勢平緩,說明加酶量和溫度間的交互作用不顯著,與表3 中AC 的P值相對應(yīng)(P=0.357>0.05,不顯著)。從圖8C 直觀來看,響應(yīng)面的坡度走勢陡,說明加酶量和pH 間存在顯著的交互作用,與表3 中BC 的P值相對應(yīng)(P=0.0128<0.05,顯著)。
圖8 各因素交互作用對還原力影響的響應(yīng)面圖Fig.8 Response surface plots showing the effect of interaction among various factors on reducing power
經(jīng)分析得到酶解制備茶渣抗氧化肽的最佳工藝條件為:底物濃度2%、酶解時間3 h、溫度50.92 ℃、pH8.04、加酶量3034 U/g,(考慮到實際操作,將對溫度、pH 及加酶量的條件進行四舍五入取整,即溫度51 ℃,pH8.0,加酶量3034 U/g)重復(fù)進行三次作為驗證。得到茶渣抗氧化肽的還原力為0.316,與預(yù)測結(jié)果0.317 十分接近,表明回歸模型可以較好地反應(yīng)酶解制備茶渣抗氧化肽的工藝模型。
本實驗分別采用截留分子量段為10、5、3 kDa的超濾膜對茶渣抗氧化肽進行分離,得到>10 kDa(TPep-1)、5~10 kDa(TPep-2)、3~5 kDa(TPep-3)、<3 kDa(TPep-4)的四種組分,其抗氧化活性如表4所示。結(jié)果表明分子量< 3 kDa 的TPep-4,無論是還原力、DPPH 自由基清除率、·OH 清除率還是清除O2?的能力均優(yōu)于分子量>3 kDa 的TPep-1 和TPep-2,說明小分子量范圍的茶渣抗氧化肽具有更強的抗氧化活性[35]。其中,TPep-4 的DPPH 清除率為47.18%;對·OH 清除率為34.5%,與李永富[36]制備的同濃度的茶渣蛋白抗氧化肽相比,羥自由基清除率有較明顯升高;對O2?清除率為56.70%;而與未經(jīng)超濾的原液對比,TPep-4 的還原力由原來的0.316 提高到0.412,提高了30.38%。接下來對TPep-4 組分進行活性研究。
表4 不同分子量范圍的茶渣抗氧化肽抗氧化活性Table 4 Antioxidant activity of tea residue antioxidant peptides with different molecular weight range
2.5.1 溫度對茶渣抗氧化肽活性的影響 如圖9 所示,溫度從30 ℃升溫至90 ℃,隨著時間的推移,Tpep-4 的還原力從初始的0.410 降低至0.360,減少了12.20%,仍保持著較高的抗氧化活性。其中,30~60 ℃時還原力隨時間的波動不大;當(dāng)溫度范圍在70~90 ℃時,還原力隨著時間的延長,溫度越高,降幅越大。這說明Tpep-4 在高溫時仍有良好的抗氧化活性,但應(yīng)避免長時間暴露在高溫環(huán)境下。
圖9 溫度對Tpep-4 組分的還原力影響Fig.9 The effect of temperature on the reducing power of Tpep-4
2.5.2 pH 對茶渣抗氧化肽活性的影響 強酸、強堿環(huán)境下,多肽易發(fā)生不可逆的變性,這是因為極端pH 將改變肽鏈中某些基團的解離程度,破壞維持多肽分子構(gòu)象穩(wěn)定性的氫鍵及某些帶相反電荷基團因靜電作用而形成的鍵(促進多肽分子的伸展),使其產(chǎn)生變性[37]。由圖10 可知,pH 在2.0~10.0 間變化,Tpep-4 的還原力波動不大,并隨著時間的推移始終保持在0.360 以上,即保持了良好的抗氧化活性。其中pH>8.0 時,Tpep-4 的還原力降幅相對大一些。且Tpep-4 在強堿(pH>8.0)的環(huán)境中越久,還原力越小。說明長時間處于強堿的環(huán)境中不利于茶渣抗氧化肽活性的穩(wěn)定。
圖10 pH 對Tpep-4 組分的還原力影響Fig.10 The effect of pH on the reducing power of Tpep-4
2.5.3 金屬離子對茶渣抗氧化肽活性的影響 由圖11可知,不同金屬離子對Tpep-4 抗氧化活性的影響程度不同。其中,Zn2+的存在會削弱Tpep-4 的還原力,而Fe3+則對Tpep-4 的還原力起到一定的增強作用,Mg2+、Ca2+對還原力基本無影響。
圖11 金屬離子對Tpep-4 組分的還原力影響Fig.11 The effect of metal ions on the reducing power of Tpep-4
2.5.4 食品添加劑對茶渣抗氧化肽活性的影響 由圖12 可知,6 種食品添加劑的分別加入均會造成Tpep-4 抗氧化活性的降低。其中檸檬酸對活性的削弱作用最明顯,苯甲酸次之,氯化鈉的影響最弱。而劉華勇[38]在熱處理條件下加入蔗糖、葡萄糖等食品添加劑能加強辣木籽肽的抗氧化活性。說明不同處理條件對抗氧化肽的影響有所不同。
圖12 食品添加劑對Tpep-4 組分的還原力影響Fig.12 The effect of food additives on the reducing power of Tpep-4
2.5.5 體外消化對茶渣抗氧化肽活性的影響 Tpep-4 經(jīng)胃消化酶處理4 h 后,Tpep-4 還原力從原先的0.412 降至0.362(表5),這可能是因為在模擬胃液中的胃蛋白酶的作用下,Tpep-4 進一步進行酶解,生成了抗氧化活性較弱的片段。而后經(jīng)腸道消化酶處理時,Tpep-4 還原力雖仍在下降,并在第8 h 降至0.327,但整體仍保持了良好的抗氧化活性。這說明茶渣抗氧化肽對消化具有一定的抵抗能力,有望后續(xù)進入血液循環(huán)并在生物體內(nèi)發(fā)揮并維持良好的抗氧化活性。
表5 茶渣抗氧化肽體外模擬消化實驗結(jié)果Table 5 Results of in vitro simulated digestion of tea residue antioxidant peptides
通過分析比較5 種不同酶制備的茶渣蛋白抗氧化肽的水解度和還原力,選取了胰蛋白酶進行后續(xù)的單因素試驗和響應(yīng)面優(yōu)化試驗。茶渣蛋白抗氧化肽的最優(yōu)提取工藝是底物濃度2%、胰蛋白酶加酶量3034 U/g、pH 8.0、51 ℃、3 h,所得產(chǎn)物的還原力為0.316。
采用超濾法將酶解液分離成 >10 kDa(TPep-1)、5~10 kDa(TPep-2)、3~5 kDa(TPep-3)、<3 kDa(TPep-4)的四種組分,當(dāng)茶渣蛋白抗氧化肽的分子量范圍<3 kDa,還原力為提高到0.412,DPPH 清除率為47.18%,-OH 清除率為34.50%,O2?清除率為56.70%。
并且在不同溫度和酸堿條件下,茶渣抗氧化肽始終保持較好的抗氧化活性;金屬離子Zn2+、Fe3+對茶渣抗氧化肽的活性有較為明顯的影響;食品添加劑對茶渣抗氧化肽的活性有削弱作用,其中檸檬酸鈉的影響最大;茶渣抗氧化肽模擬體內(nèi)消化試驗顯示,先后經(jīng)過胃蛋白酶和胰蛋白酶的作用,茶渣抗氧化肽的還原力減少20.63 %,仍保持相對較好的抗氧化活性。本試驗不僅使廢棄的茶渣得到高質(zhì)化利用,同時也減少了因茶渣廢棄而導(dǎo)致的環(huán)境污染。