趙玉勤 王玉梅 王 斌① 遲長鳳 丁國芳

(1. 浙江海洋學(xué)院食品與醫(yī)藥學(xué)院 浙江省海洋生物醫(yī)用制品工程技術(shù)研究中心 舟山 316022;2. 浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心 舟山 316022)

已有的研究表明, 膠原蛋白是存在于動物骨骼、肌腱、軟骨、皮膚及其它結(jié)締組織中的一種相對分子量在30萬以上的生物高分子, 對皮膚、血管、骨骼、筋骨、軟骨等組織的形成起到重要的作用, 還參與細(xì)胞的分化、運動、化學(xué)趨向性、結(jié)締組織的修復(fù)等過程。同時, 由于膠原蛋白優(yōu)越的生物相容性、生物可降解性和弱抗原性, 被廣泛地應(yīng)用到食品添加劑、化妝品、生物醫(yī)學(xué)材料和藥品中(Duan et al, 2009; 吳銘等, 2011; Liu et al, 2012)。

目前, 膠原蛋白主要來源于豬、牛等畜產(chǎn)品的皮、肌腱和骨骼等原料, 但是哺乳動物疫病的暴發(fā)和人畜共患病的增加, 如牛海綿狀腦病(BSE)和傳播性海綿狀腦病(TSE) (Jongjareonrak et al, 2005a, b; Chi et al, 2014)、禽流感、甲型H1N1流感等, 使畜產(chǎn)品來源的膠原蛋白的安全性更受質(zhì)疑。因此, 世界各國都在積極地尋找更加安全的膠原蛋白來源。水產(chǎn)動物加工副產(chǎn)物, 如魚皮、魚鱗、魚骨中膠原蛋白的含量較高, 而且, 水產(chǎn)養(yǎng)殖的大規(guī)模發(fā)展使得水產(chǎn)動物加工副產(chǎn)物的量逐年增加, 也使得水產(chǎn)膠原蛋白替代哺乳動物膠原蛋白成為可能。目前, 已成功從鱈魚皮、金槍魚魚骨、魷魚皮、鯊魚軟骨、鳙魚魚鱗等材料制備膠原蛋白, 并對其性質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致研究(Jongjareonrak et al, 2005a, b; 陳申如等, 2006; 任俊鳳等, 2009; Li et al, 2013a; Liu et al, 2012; Li et al,2013b)。

綠鰭馬面 鲀(Navodon septentrionalis)屬脊索動物門、硬骨魚綱、鲀形目、革鲀科、馬面鲀屬, 是我國的一種常見魚類(張冬茜等, 2013)。由于其頭部生有倒刺且皮質(zhì)堅硬, 馬面鲀的魚頭和魚皮在食用和加工過程中經(jīng)常被丟棄, 既浪費資源, 也對環(huán)境產(chǎn)生不利影響?；诖? 本實驗以馬面鲀魚頭為原料, 利用酸提法和酶提法對其膠原蛋白進(jìn)行制備, 并對其理化性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)分析。本實驗的研究, 將為馬面鲀魚頭的高值化利用奠定數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣品、試劑與儀器

綠鰭馬面鲀(N. septentrionalis)購買于舟山市南珍水產(chǎn)市場, 種屬由浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院趙盛龍教授鑒定, 標(biāo)本于–20°C存放于浙江海洋學(xué)院食品與醫(yī)藥學(xué)院藥學(xué)實驗室。

SDS-PAGE電泳試劑為Bio-Rad產(chǎn)品, 牛皮膠原蛋白標(biāo)準(zhǔn)品(CSC)、豬胃蛋白酶(Pepsin, 160 000 U/g)為Sigma產(chǎn)品。其他試劑為國產(chǎn)分析純, 購買于上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 馬面鲀魚頭預(yù)處理 將馬面鲀魚頭剪成小塊, 放入組織搗碎機(jī)中破碎, 按照 1︰15(W/V)的料液比加入0.1 mol/L的NaOH溶液于4°C下攪拌浸泡24 h (NaOH溶液每6 h更換一次), 除去非膠原蛋白, 并防止內(nèi)源性蛋白酶對膠原蛋白的影響。處理后的魚頭,用冷水洗滌至中性, 充分瀝干后, 按 1︰20(V/V)料液比加入15%正丁醇溶液浸泡48 h(正丁醇溶液每12 h更換一次)除去殘留的脂肪。處理后的魚頭按照 1︰10(W/V)加入0.5 mol/L的EDTA-2Na(pH 7.4)溶液浸泡24 h(EDTA-2Na溶液每12 h更換一次), 進(jìn)行脫鈣。最后將脫脂、脫鈣的魚頭用蒸餾水徹底洗滌、充分瀝干, 備用。

1.2.2 膠原蛋白的制備

1.2.2.1 酸溶性膠原蛋白(ASC)提取 ASC制備參照Yu等(2014)方法進(jìn)行。將預(yù)處理的馬面鲀魚頭按1︰15(W/V)的料液比置于0.5 mol/L的乙酸中, 攪拌提取24 h, 經(jīng)4°C、20 000 g離心30 min后得上清液, 即為粗膠原蛋白。將粗膠原蛋白裝入透析袋放入Tris-HCl緩沖液(0.05 mol/L, pH 7.5)中, 逐漸添加NaCl至溶液最終濃度為2.6 mol/L, 透析過夜至膠原蛋白呈絮狀物沉淀析出, 于 4 °C、20000 r/min離心20 min得沉淀物。將得到的沉淀用0.5 mol/L的乙酸溶液復(fù)溶后依次用0.1 mol /L的乙酸透析24 h和蒸餾水透析 36 h, 透析液冷凍干燥得酸溶性膠原蛋白(ASC)。ASC的提取率計算按照下面公式計算:

1.2.2.2 酶溶性膠原蛋白(PSC)提取 PSC提取參照Yu等(2014)方法進(jìn)行。將酸溶性膠原蛋白(ASC)提取后的魚頭殘渣按照1︰15 (W/V)料液比置于0.5 mol/L的乙酸溶液, 加入 3%豬胃蛋白酶后在 4°C下連續(xù)攪拌48 h, 于 4°C、20000 g離心30 min后得上清液, 即為粗膠原蛋白。將粗膠原蛋白裝入透析袋放入Tris-HCl緩沖液(0.05 mol/L, pH 7.5)中, 逐漸添加NaCl至溶液最終濃度為2.6 mol/L, 透析過夜至膠原蛋白呈絮狀物沉淀析出, 于 4 °C、20000 r/min離心20 min得沉淀物。將得到的沉淀用0.5 mol /L的乙酸溶液復(fù)溶后依次用0.1 mol /L的乙酸透析24 h和蒸餾水透析 36 h, 透析液冷凍干燥得酶溶性膠原蛋白(PSC), PSC的提取率計算按照下面公式計算:

1.2.3 ASC和PSC基本成分分析 ASC和PSC的水分、灰分、脂肪和蛋白質(zhì)的測定分別按照 AOAC(2003)中的 950.46B、920.153、960.39(a)和 928.08 方法進(jìn)行分析。

1.2.4 氨基酸(AA)組成分析 氨基酸(AA)組成分析參照陸劍鋒等(2010)和謝超等(2009)方法進(jìn)行。稱取1 mg冷凍干燥的ASC和PSC分別放入不同的安瓿瓶中, 加入 2 mL HCl(6 mol/L)(色氨酸測定采用KOH水解), 并充入少量氮氣, 在酒精噴燈下迅速封管, 于110 °C水解24 h。水解結(jié)束后, 冷卻水解物,移至坩堝, 在70 °C水浴鍋中揮發(fā)剩余鹽酸, 再加入少量雙蒸水蒸干, 重復(fù)3次。用適量pH 2.20的緩沖液溶解后定容, 并用0.22 μm微孔濾膜除雜, 濾液用HITACH L8800氨基酸全自動分析儀進(jìn)行測定。測定三次并計算數(shù)據(jù)相對應(yīng)的平均值, 標(biāo)準(zhǔn)偏差低于2%。

1.2.5 SDS-PAGE電泳和蛋白質(zhì)濃度測定 SDSPAGE電泳參考Chi等(2013a)方法進(jìn)行。分離膠濃度為7.5%, 濃縮膠濃度為4%, 200 V電泳30 min, 用考馬司亮藍(lán)R-250染色液(考馬斯亮藍(lán)0.5 g, 甲醇225 mL,蒸餾水225 mL, 冰醋酸50 mL), 染色15 min, 脫色液(甲醇100 mL, 冰醋酸100 mL, 蒸餾水800 mL), 脫色并拍照。

1.2.6 傅里葉變換光譜(FTIR) FTIR參照宋茹等(2011)方法進(jìn)行。稱取冷凍干燥后的ASC和 PSC樣品1—2mg按照質(zhì)量比1︰100與干燥KBr壓混合, 手動壓片, 采用傅里葉變換紅外光譜儀對樣品在 450—4000 cm–1區(qū)間內(nèi)進(jìn)行吸收波譜掃描。

1.2.7 ASC和PSC溶液黏度測定 ASC和PSC黏度的測定按照 Kittiphattanabawon等(2005)的方法用黏度計進(jìn)行測定。膠原蛋白水溶液(0.6%)的溫度按照4 °C /min的速度從4°C上升到40°C。相對黏度為測定時的黏度與4°C黏度的比值。Td定義為相對黏度降低50%時的溫度。黏度分?jǐn)?shù)按照下列公式計算:

1.2.8 ASC和PSC溶解度的測定 ASC和PSC的溶解度測定按照Montero等(1991)方法進(jìn)行。將ASC和PSC按照3 mg/mL的比例加入到0.5 mol/L的乙酸溶液中, 4°C 攪拌 24 h之后, 于 4 °C、15 000 rmp 離心30 min。取離心后的上清液用于溶解度的測定。

1.2.8.1 pH值對膠原蛋白溶解度的影響 將上述配制的ASC和PSC溶液8 mL加入到50 mL離心管中, 用6 mol/L的NaOH/HCl溶液調(diào)節(jié)溶液pH值從1-11。用相同pH的NaOH/HCl溶液將體積補(bǔ)足至10 mL,4 °C 下輕輕攪拌 30 min 后, 于 4 °C、15 000 rmp 離心60 min。離心得到的上清液, 測定其蛋白質(zhì)的含量,相對溶解度為當(dāng)前pH值下蛋白濃度與最大溶解度的pH值下的蛋白濃度的比值。

1.2.8.2 NaCl濃度對膠原蛋白溶解度的影響 取ASC和PSC溶液(6 mol/L, 5 mL)加入0.5 mol/L的乙酸溶液和5 mL NaCl使最終得到的溶液濃度(W/V )中其NaCl含量分別為0 %, 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %和6 %。將調(diào)好濃度的溶液于4°C下輕輕攪拌30min后, 于4 °C、15000 r/min離心60 min, 離心得到的上清液用來測定蛋白質(zhì)的含量, 相對溶解度為當(dāng)前 NaCl濃度下蛋白濃度與最大溶解度的 NaCl濃度下的蛋白濃度的比值。

2 結(jié)果與討論

2.1 ASC和PSC的提取率與成分分析

馬面鲀魚頭中 ASC和 PSC的提取率分別為0.94% ± 0.07%和 3.91% ±0.14%, PSC 的提取率是ASC的 4.16倍。因此, 胃蛋白酶可以作為一種輔助工具, 用于提高膠原蛋白的提取率。

馬面鲀魚頭、ASC和PSC中成分如表1所示: 相對于魚頭的營養(yǎng)成分, ASC和PSC中蛋白含量顯著升高, 而灰分和脂肪的含量顯著降低。結(jié)果表明試驗中采用的脫脂和脫鈣方法可有效消除原料中的脂肪和鈣, 既減少了原料中雜質(zhì)的含量, 也有利于膠原蛋白的提取。

表1 馬面鲀魚頭、ASC和PSC中營養(yǎng)成分分析(n=3)Tab.1 Composition of head of bluefin leatherjacket, ASC andPSC (n=3)

2.2 ASC和PSC氨基酸組分分析

ASC和 PSC的氨基酸組成及含量見表 2。結(jié)果表明: ASC和PSC具有相似的氨基酸組分, 含量最高的氨基酸是Gly(265.0和251.8殘基/1000殘基), 其次是 Ala(111.0和 107.6殘基/1000殘基)和 Pro(87.0和83.1殘基/1000殘基)。而His和Tyr的含量較少, 并且未檢測到Cys。ASC和PSC中亞氨基酸(Pro+Hyp)含量為169.3和160.6殘基/1000殘基。

表2 ASC、PSC和CSC的氨基酸組成及含量(殘基/1000殘基)(n=3)Tab.2 Amino acids compositions of ASC, PSC and CSC(residues/1000 residues) (n=3)

已有研究表明 Gly的空間結(jié)構(gòu)可使多肽鏈折疊的構(gòu)象得到優(yōu)化, 是唯一適合螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部位置的氨基酸, 因此成為膠原蛋白中每個三肽段的第三個殘基, 從而產(chǎn)生重復(fù)的(Gly-X-Y)n結(jié)構(gòu)。在溶液中,Gly被包埋在螺旋結(jié)構(gòu)的內(nèi)部, 難與溶劑接觸, 其與溶劑作用力的大小就取決于X、Y位上的氨基酸種類。研究發(fā)現(xiàn), Gly-X-Y肽段的X位多由Pro占據(jù), Y位由Hyp占據(jù)(Balti et al, 2011)。因此, 亞氨基酸的含量對膠原蛋白與溶劑的分子間作用力具有重要影響。另外,Sionkowska等(1999)和李衛(wèi)林等(2005)研究表明: 亞氨基酸的吡咯環(huán)對膠原蛋白二級結(jié)構(gòu)所起的固定化以及由 Hyp的羥基所形成的氫鍵對膠原螺旋的穩(wěn)定化起著重要的作用, 亞氨基酸(Pro和 Hyp)的含量與膠原穩(wěn)定性存在正相關(guān)性。從馬面鲀魚頭中提取的ASC和 PSC的亞氨基酸含量低于牛皮膠原蛋白(CSC)(217.8殘基/1000殘基), 說明從綠鰭馬面鲀提取的ASC和PSC的螺旋結(jié)構(gòu)較哺乳動物膠原蛋白熱穩(wěn)定性差。另外, 從表2還可看出, 本實驗未從ASC和PSC樣品中檢測到Cys, 說明馬面 鲀魚頭膠原蛋白中二硫鍵含量很少。

2.3 ASC和PSC的SDS-PAGE

ASC和PSC的SDS-PAGE結(jié)果如圖1所示: ASC和PSC均具有較高的純度, 并且兩者都由至少兩種α肽鏈(α1和α2)組成, 它們的分子量大小、亞基構(gòu)成非常相似。其中, α1肽鏈的分子量都約為130 kDa, 含量較高, α2肽鏈的分子量約為 110 kDa, 含量較低;除α肽鏈外, ASC和PSC尚含有大量β肽鏈(α肽鏈二聚體), 其分子質(zhì)量約為 200 kDa, 與 α1肽鏈含量相近。另外, 在β肽鏈上方還檢測到一條高分子質(zhì)量的條帶, 為γ肽鏈(α肽鏈三聚體), 相對分子質(zhì)量為300 kDa左右。ASC和PSC的SDS-PAGE圖譜與馬鮫魚、鳙魚、大眼鯛, 尼羅尖吻鱸, 深海紅魚狹鱈、條紋鯰魚、大斑刺鲀、鯉魚等大多數(shù)魚類的 I型膠原蛋白相似(Montero et al, 1991; Jongjareonrak et al, 2005a, b;Kittiphattanabawon et al, 2005; Balti et al, 2011; Liu et al, 2012; Chi et al, 2013; Li et al, 2013b)。因此, 可以推斷ASC和PSC也屬于I型膠原蛋白。

圖1 馬面鲀魚頭ASC和PSC的SDS-PAGE圖譜Fig.1 SDS-PAGE pattern of ASC and PSC from the head of bluefin leatherjacket

2.4 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)

ASC和PSC的傅里葉變換紅外光譜(4000—450 cm–1)如圖2所示。結(jié)果表明: ASC和PSC的紅外譜圖具備I型膠原蛋白的紅外光譜特征。3400 cm–1附近是N-H伸縮振動峰, 2900 cm–1附近是酰胺B帶的C-H伸縮振動峰, 1650 cm–1附近是酰胺Ⅰ帶的C＝O伸縮振動峰,1540 cm–1附近是酰胺Ⅱ帶的N-H彎曲振動峰, 1240 cm–1附近吸收峰為酰胺Ⅲ帶的 N-H伸縮振動的變形峰,1450—1230cm–1附近的吸收峰表明膠原蛋白具有完整的3股螺旋結(jié)構(gòu)(Li et al, 2013b)。ASC 和 PSC的紅外圖譜與文獻(xiàn)報道的牛皮Ⅰ型膠原蛋白紅外圖譜基本吻合, 說明兩者微觀結(jié)構(gòu)有很大的相似性。

圖2 馬面鲀魚頭ASC和PSC的紅外光譜(FTIR)Fig.2 FTIR spectra of ASC and PSC from the head of bluefin leatherjacket

2.5 ASC和 PSC的黏度(Viscosity)與熱變性溫度(Td)

黏度, 又稱粘性系數(shù)、剪切黏度或動力黏度, 是流體的一種物理屬性, 用以衡量流體的粘性。黏度的大小取決于液體的性質(zhì)與溫度, 而膠原蛋白溶液的性質(zhì)取決于其分子量大小及氨基酸組成, 其中分子量大小起到了決定性的作用。因此, 黏度的大小在一定程度上可反應(yīng)膠原蛋白分子量的大小。天然狀態(tài)下的膠原蛋白由3條多肽鏈纏繞而成, 隨著溫度的升高,膠原蛋白的氫鍵會逐漸斷裂, 膠原分子解開螺旋, 分子量減小, 天然構(gòu)象被破壞, 分子從伸展的纖維態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)則的卷曲狀態(tài), 并伴隨著多種理化性質(zhì)的改變, 如粘滯性、溶解度、沉淀反應(yīng)、擴(kuò)散、光散射和光學(xué)活性等(Usha et al, 2004)。因此, 對膠原蛋白溶液黏度和熱變性溫度(thermal denaturation temperature,Td)的研究可有助于了解其分子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。

膠原蛋白的熱變性溫度(Td)是反映其天然螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一項重要指標(biāo), 可以通過膠原蛋白的熱變曲線(ηsp/c-t)來反映, 同時 Td也表示膠原蛋白螺旋被破壞時的溫度。ASC和PSC黏度隨溫度變化的趨勢如圖3所示。結(jié)果表明: ASC和PSC溶液隨著溫度由 4°C上升到 24°C, 其黏度迅速降低, 而從 24°C上升到40°C, 黏度變化很小。ASC和PSC的熱變性溫度分別為 17.6 °C和 16.5 °C, 低于牛皮膠原蛋白的Td(37 °C)。已有研究證實熱變性溫度與亞氨酸含量呈正相關(guān)(Nagai et al, 2002; Huang et al, 2011)。氨基酸組成的分析表明ASC和PSC的亞氨酸含量顯著低于牛皮膠原蛋白, 從而導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性較牛皮膠原蛋白差。

圖3 溫度對馬面鲀魚頭ASC和PSC黏度的影響(n=3)Fig.3 Thermal behaviours of ASC and PSC from the head of bluefin leatherjacket measured by viscosity change in deionized water (n=3)

圖4 pH值對馬面鲀魚頭ASC和PSC溶解度的影響(n=3)Fig.4 Solubility of ASC and PSC from the head of bluefin leatherjacket at different pH (n=3)

圖5 NaCl濃度對馬面鲀魚頭ASC和PSC溶解度的影響(n=3)Fig.5 Solubility of ASC and PSC from the head of bluefin leatherjacket at different NaCl concentrations (n=3)

2.6 溶解度

2.6.1 pH對 ASC和 PSC溶解度的影響 從圖 4中可以看出, pH值在1和3之間時, ASC的溶解度處于較高水平, 當(dāng)pH值從4到7時, ASC的溶解度顯著減小。在pH為7時, ASC的溶解度達(dá)到最小值(22.3% ±3.6%)。當(dāng)pH值從7到11時, ASC的溶解度有所增加, 但始終低于pH 1—6范圍時的溶解度。PSC的溶解度在pH 1—4時較大, 在pH為8時溶解度達(dá)到最低(39.1% ± 3.8%)。在pH從1到11范圍內(nèi), ASC和PSC溶解度的變化趨勢基本相同。當(dāng)pH值低于或高于等電點時其負(fù)電荷或正電荷會隨著增加, 相互之間排斥力變大, 增加其溶解度, 而在等電點時蛋白分子的總凈電荷為零, 從而導(dǎo)致蛋白聚集沉淀。實驗證明, 馬面鲀魚頭中 ASC和 PSC的等電點為 pH值 7和8。這一結(jié)果與已報道的膠原蛋白的等電點在6到9之間相一致(Nagai et al, 2002; Kittiphattanabawon et al, 2005; Huang et al, 2011; Chi et al, 2013)。

2.6.2 NaCl對 ASC和 PSC溶解度的影響 圖 5表明, NaCl濃度在0%—2% (W/V)范圍內(nèi), ASC和PSC可保持較大的溶解度(＞90%); 但當(dāng)NaCl的濃度從2%增加到 5% (W/V), ASC和 PSC的溶解度急劇下降,而NaCl濃度從5%到6% (W/V)時, ASC和PSC的溶解度緩慢降低。NaCl濃度在 0%—6% (W/V)范圍內(nèi),ASC和 PSC的溶解度變化趨勢基本相同, 但多數(shù)濃度下PSC的溶解度高于ASC。

NaCl濃度對ASC和PSC溶解度的影響與Bae 等(2008)報道相一致。在低濃度時, Na＋與膠原蛋白結(jié)合,使膠原蛋白所帶正電荷數(shù)增加, 蛋白質(zhì)分子間彼此排斥, 分散性好, 穩(wěn)定了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu), 溶解度較大;然而在較高濃度時, 鹽離子破壞了分布于表面與周圍水分子結(jié)合形成的水膜, 發(fā)生鹽析效應(yīng), 使得蛋白質(zhì)變得不溶而析出, 導(dǎo)致溶解度降低。

3 結(jié)論

本實驗成功地從馬面鲀魚頭中制備酸溶性膠原蛋白(ASC)和酶溶性膠原蛋白(PSC), 并對其性質(zhì)進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下:

(1) 成分分析和 SDS-PAGE電泳結(jié)果表明提取并純化的馬面鲀魚頭酸溶性膠原蛋白(ASC)和酶溶性膠原蛋白(PSC)純度均較高。

(2) 氨基酸組成分析、SDS-PAGE和紅外光譜(FTIR)證實ASC和PSC屬于I型膠原蛋白。

(3) ASC和PSC的熱變性溫度相近, 但顯著低于陸源哺乳類動物膠原蛋白, 說明其熱穩(wěn)定性較差, 易于降解, 可作為膠原肽的制備原料進(jìn)行開發(fā)。

(4) 在酸性pH值中ASC和 PSC的溶解度較高,但隨著NaCl溶液濃度的增大, ASC 和PSC的溶解度逐漸降低。

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