汪婧瑜，劉學銘，張業(yè)輝，*，王維民，張友勝，李健雄，陳之瑤（.廣東海洋大學食品科技學院，廣東省水產品加工與安全重點實驗室，水產品深加工廣東普通高等學校重點實驗室，廣東湛江54088；.廣東省農業(yè)科學院蠶業(yè)與農產品加工研究所，廣東廣州5060）

烏鱧酶水解物螯合鈣的制備及其結構分析

汪婧瑜1，劉學銘2，張業(yè)輝2，*，王維民1，張友勝2，李健雄2，陳之瑤2
（1.廣東海洋大學食品科技學院，廣東省水產品加工與安全重點實驗室，水產品深加工廣東普通高等學校重點實驗室，廣東湛江524088；2.廣東省農業(yè)科學院蠶業(yè)與農產品加工研究所，廣東廣州510610）

為研究烏鱧酶水解物螯合鈣的制備及其結構變化，實驗通過優(yōu)化酶解條件和螯合條件制備得到螯合率較高的烏鱧酶水解物螯合鈣。結果表明，單因素和響應面優(yōu)化實驗確定的最佳螯合條件：加酶量35000 U/g、pH6.0、酶水解物與氯化鈣質量比5∶1、螯合溫度40℃、螯合時間30 min，此條件下酶水解物螯合鈣的螯合率達到57.36%。紫外吸收光譜和紅外吸收光譜測試表明烏鱧酶水解物和鈣離子形成了穩(wěn)定的螯合物，螯合物氨基酸結構分析表明螯合后酶水解物中天冬氨酸和谷氨酸的含量顯著增加。通過掃描電子顯微鏡表征烏鱧酶水解物螯合前后的微觀結構，表明酶水解物與鈣離子有吸附作用。該研究為烏鱧的精深加工提供了新途徑和理論基礎。

烏鱧，酶水解物，螯合鈣，結構分析

微量元素鈣對細胞內代謝、骨骼生長、神經傳導、肌肉收縮和心臟功能等有重要的作用［1］，缺鈣會造成人體很多疾病。因此，鈣離子補充劑越來越受到人們的關注。但是因為日常膳食中含有較高的植酸、

草酸和磷酸等物質，會與攝入的鈣離子發(fā)生反應，從而影響鈣離子的吸收，導致補鈣效果不佳。為了解決這一問題，短肽與鈣形成的螯合物作為新型的鈣離子補充劑越來越受到人們的關注。研究表明，短肽與鈣形成的螯合物，由于其特殊的吸收機制和轉運模式，不僅能促進鈣離子的吸收，還能補充人體所需的氨基酸。桑亞新等［2］以廢棄扇貝殼為鈣源與豬皮制備的膠原螯合鈣，被證實具有補鈣的功效；梁春輝等［3］通過比較不同補鈣制劑對小鼠的血鈣、血磷含量及骨質的影響，發(fā)現膠原酶水解物螯合鈣具有很好的補鈣功能。

烏鱧（Channa argus）又稱黑魚、烏魚等，廣泛分布于我國南北水域，是我國主要的淡水經濟魚類［4］。目前，我國烏鱧市場以鮮食為主，但是，在烏鱧飼養(yǎng)過程中，大概20%的魚苗難以生長超過一斤，這不僅影響了烏鱧的售價，也造成飼料的浪費。而將這部分烏鱧進行高值化加工利用則顯得尤為重要。目前，以烏鱧為原料制備酶水解物-鈣螯合物還未見報道。本研究通過水解制備烏鱧酶水解物，探究螯合工藝對鈣離子螯合率的影響，并對螯合產物的結構進行分析，以期為烏鱧高值化加工與開發(fā)利用提供新途徑和方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

烏鱧 廣州天河區(qū)世紀聯華超市，挑選大小均一（400～600 g）、魚鱗完好、鮮活的魚為實驗材料；胰蛋白酶（牛胰，250 U/mg） 廣州齊云生物技術有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇、無水氯化鈣 均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

數顯電子分析天平、精密數顯pH計 德國Sartorius公司；高速冷凍離心機 美國Thermo Fisher公司；真空冷凍干燥機 美國Laconic公司；FTIR紅外光譜儀美國Nicolet公司；S7130氨基酸全自動分析儀 德國Siam公司；Leo-1530vp場發(fā)射電子掃描顯微鏡 德國LEO公司；UV-1800紫外可見分光光度計 日本島津公司；絞肉機（SZ-12A） 廣州旭眾食品機械有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 烏鱧酶水解物螯合鈣的制備

1.2.1.1 烏鱧魚肉蛋白提取 將活魚擊斃，去鱗、去內臟、去頭、去尾，清水洗凈后采肉（只取白肉），用絞肉機絞碎。參照Saito等［5］的方法，將絞碎的魚肉分散于4倍體積的冰水中，勻漿5 min，調pH至8.0，4℃下浸提60 min，并不斷攪拌。之后在4℃下，10000 r/min，離心20 min，收集上清液調pH至5.0，于4℃下10000 r/min，離心20 min，收集沉淀，水溶解后調pH 至7.0，冷凍干燥即得魚肉蛋白。

1.2.1.2 烏鱧酶水解物制備 參照林慧敏等［6］的方法，將提取出來的蛋白溶于去離子水中，用6 mol/L HCl溶液和6 mol/L NaOH溶液調混合漿液pH至6.5，40℃下保溫10 min。根據蛋白質量，按一定比例加入胰蛋白酶，攪拌均勻，酶解3 h。在反應過程中，用0.5 mol/L HCl維持反應體系pH。反應結束后，酶解液經90℃加熱10 min滅酶，于4℃下10000 r/min，離心20 min，得中間清液，冷凍干燥即得酶水解物。

1.2.1.3 烏鱧酶水解物螯合鈣制備 將上述制得酶水解物與無水氯化鈣按一定質量比混合，在一定的pH條件及一定溫度條件下反應一定時間，反應液用無水乙醇洗滌靜置1 h，4000 r/min離心15 min，沉淀即為螯合物。

1.2.2 螯合率的測定 采用EDTA絡合滴定法［7］進行測定。

式中：C—標準EDTA溶液的溶度，mol/L；V1—滴定螯合態(tài)鈣元素消耗的EDTA溶液的體積，mL；V0—滴定鈣元素總量消耗的EDTA溶液的體積，mL。

1.2.3 單因素實驗 單因素實驗的因素包括酶解物制備過程中的加酶量以及螯合過程中pH、質量比、反應時間和反應溫度這5個變量。其基本條件設定為加酶量35000 U/g、pH6.0、質量比5∶1、時間30 min、溫度40℃，改變其中一個條件，固定其他條件，以螯合率為指標，研究不同加酶量（15000、25000、35000、45000、55000 U/g）、pH（4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0）、質量比（1∶1、3∶1、5∶1、7∶1、9∶1）、反應時間（10、30、50、70、90 min）、反應溫度（30、40、50、60、70℃）對螯合率的影響。

1.2.4 響應面優(yōu)化工藝研究 根據Box-Benhnken中心組合實驗設計原理，綜合單因素實驗結果，選取pH、質量比、加酶量三個因素，以螯合率為指標，進行響應面分析實驗，表1為響應面實驗因素水平表。

表1 響應面實驗因素水平表Table1 Factors and levels of response surface experiment

1.2.5 螯合鈣的結構分析 取酶水解物及相同酶解條件制備的酶水解物與鈣離子螯合后的物質進行結構分析。

1.2.5.1 紫外掃描分析 測定酶水解物和螯合鈣水溶液在190～400 nm范圍內的紫外吸收光譜。

1.2.5.2 紅外光譜掃描分析 將經溴化鉀壓片法處理的酶水解物及螯合鈣，在400～4000 cm-1下測定其紅外吸收光譜。

1.2.5.3 掃描電鏡分析 將酶水解物和螯合鈣粉末樣品均勻涂在樣盤雙面膠上，噴金鍍膜處理后，利用Leo-1530vp場發(fā)射型電子掃描顯微鏡進行研究。

1.2.5.4 氨基酸組成分析 采用GB/T 5009.124-2003法。

1.2.6 統(tǒng)計方法 結果分析采用Origin統(tǒng)計軟件完成，利用Design-Expert軟件對響應面實驗進行分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 加酶量對螯合率的影響 從圖1可以看出，隨著加酶量增加，螯合率呈先上升后下降的趨勢，在35000 U/g時達到最高。這是因為隨著加酶量的增加，酶的濃度相對于底物濃度較高，反應速率由底物溶度來控制，從而使得酶解得到的酶水解物含量降低，與鈣離子的螯合反應也受到抑制，影響了螯合物的生成。

圖1 加酶量對螯合率的影響Fig.1 The influence of enzyme concentration on the chelating rate

2.1.2 pH對螯合率的影響 從圖2可以看出，螯合率隨著pH的升高呈先上升后下降的趨勢，當pH為6.0時螯合率達到最大。因為在較低的pH條件下有大量氫離子存在，其會與鈣離子爭奪供電基團，不利于螯合物的生成；隨著pH升高，氫離子濃度逐漸減小，鈣離子與氨基和羧基的配位能力增強，促進螯合物的生成；當pH較高時，羥基則優(yōu)先與鈣離子生成氫氧化鈣沉淀，不利于螯合物的生成［8］。實驗過程中發(fā)現當pH 在8.0～9.0時，反應體系有沉淀析出。

圖2 pH對螯合率的影響Fig.2 The influence of pH on the chelating rate

2.1.3 質量比對螯合率的影響 從圖3可以看出，隨著質量比的增加螯合率的變化為先上升后趨于穩(wěn)定，當達到5∶1時，螯合率達到最高，再增加質量比不會對螯合率有顯著的提高。因為酶水解物含量過高，會導致酶水解物的利用率下降；而含量過低，螯合反應不能形成具有穩(wěn)定環(huán)狀結構的螯合物［9］。綜合考慮選質量比為5∶1。

圖3 質量比對螯合率的影響Fig.3 The influence of weight ratio on the chelating rate

圖4 反應時間對螯合率的影響Fig.4 The influence of reaction time on the chelating rate

2.1.4 反應時間對螯合率的影響 從圖4可以看出，隨著時間延長，螯合率先升高后下降，在30 min時達到最大，但趨勢不明顯。說明螯合反應為快速反應，反應時間對螯合率的影響較小［10］。

2.1.5 反應溫度對螯合率的影響 從圖5可以看出，隨著溫度升高，螯合率先增加后降低，在40℃時趨于最大，但變化幅度不明顯?？梢姡瑴囟葘︱衔锷捎绊懖淮?，但是為了防止溫度過高使鈣螯合物發(fā)生部分分解［11］，選擇后續(xù)螯合反應溫度為40℃。

圖5 反應溫度對螯合率的影響Fig.5 The influence of reaction temperature on the chelating rate

2.2 響應面優(yōu)化分析

以pH（X1）、質量比（X2）、加酶量（X3）為自變量，螯合率（Y）為因變量（響應值），實驗方案及結果見表2。由表2結果進行擬合回歸，建立二次多元回歸方程模型：

由表3可知，回歸方程達到極顯著水平（p＜0.01），

且失擬項不顯著（p＞0.05），表明該方程對實驗數據擬合較好?？倹Q定系數R2=0.9924，R=0.9787，表明自變量與響應值之間線性關系顯著，即該模型預測值與實際實驗值擬合較好，因此可利用該回歸方程代替實驗真實點對結果進行分析?；貧w方程各項系數的顯著性分析結果表明，因素X1的線性效應對螯合率的影響極顯著（p＜0.01），X3的線性效應對螯合率的影響顯著（p＜0.05），即pH和加酶量這兩個因素對螯合率有顯著影響，且pH對螯合率的影響明顯大于加酶量；各因素中二次項X、X、X都極顯著；其次交互項中X1X2、X2X3極顯著。利用軟件在設定的因素水平內對回歸方程進行數學規(guī)劃，得到螯合率最高的優(yōu)化組為pH6.26、質量比5.1∶1、加酶量34368.32 U/g。此條件下，螯合率的理論值達到58.61%。

表2 響應面實驗方案及實驗結果表Table2 The response surface experiment schemes and experiment results

表3 回歸方程的方差分析Table3 ANOVA for the fitted quadratic polynomial model

考慮到實際操作的可行性，將得到的最佳螯合條件pH6.26、質量比5.1∶1、加酶量34368.32 U/g校正為pH6.0、質量比5∶1、加酶量35000 U/g，在此條件下，螯合率的理論值達到58.24%。經實驗驗證，最優(yōu)條件下的螯合率為57.36%，與理論值的相對誤差不大，說明該模型進行預測可行。

2.3 螯合物的紫外吸收光譜分析

金屬離子和酶水解物在紫外或可見光區(qū)都有其最大吸收峰，形成螯合物后，由于中央離子和配位體之間發(fā)生螯合反應，其所需能量發(fā)生改變，從而吸收波長不相同［12］。由圖6可知，螯合前后酶水解物紫外吸收光譜發(fā)生變化，其最大吸收峰從274.4 nm移動到273.0 nm，發(fā)生紅移，且吸收強度增加，此結果表明有新物質生成，初步確定有螯合物的生成。

圖6 紫外吸收光譜圖Fig.6 UV-VIS spectra

2.4 螯合物的紅外吸收光譜分析

紅外光譜分析酶水解物圖譜中會出現氨基和羧基的吸收峰，其與鈣離子螯合后，吸收峰發(fā)生改變或者偏移［13］。由圖7可知，酶水解物的紅外光譜圖的特征區(qū)，由于N-H的伸縮振動，-NH2在3343.53 cm-1處具有吸收峰；指紋區(qū)，C=O的伸縮振動使得C=O在1649.10 cm-1處具有吸收峰，-COO-的吸收峰在1542.05 cm-1處；在1078.18cm-1處出現由NH3+變角振動引起的吸收峰；在542.94 cm-1處是由N-H的面外變形振動產生的吸收峰。酶水解物與鈣離子螯合后，特征區(qū)氨基的吸收峰移動至3283.74 cm-1處，發(fā)生明顯位移，說明酶水解物的氨基參與了反應；指紋區(qū)C=O

的吸收峰移動至1651.02 cm-1，且吸收強度發(fā)生變化；-COO-的吸收峰移動至1549.77 cm-1；NH3+變角振動引起的吸收峰，螯合后移動至1069.50 cm-1處；而由N-H的面外變形振動產生的吸收峰，螯合后移動至557.42 cm-1處，吸收峰也發(fā)生變化。這可能是酶水解物螯合鈣后，伸縮振動和變角振動等受到了遏制。這進一步證實螯合物的產生。

圖7 傅里葉紅外光譜圖Fig.7 FT-IR spectrum

2.5 螯合物的微觀結構

從圖8可以看出，酶水解物表面光滑，有均勻分布的“溝槽裂痕”，可能是由于經冷凍干燥后的酶水解物親水區(qū)在點樣噴金后吸水，而后在電鏡真空環(huán)境下失水干燥留下的痕跡；螯合鈣中可以看到有白色晶?！拌偳丁痹诿杆馕锉砻?，可能是吸附在酶水解物表面的鈣晶體。由此推斷，酶水解物和Ca2+之間除了配位結合、離子結合外，還可能有一定的吸附作用［14］。

圖8 酶水解物和螯合鈣掃描電鏡圖Fig.8 SEM of enzymatic hydrolysate and chelating calcium

2.6 螯合物的氨基酸組成成分分析

按照最優(yōu)條件制備獲得烏鱧酶水解物螯合鈣，并對其進行氨基酸組成分析。從表4可以看出，烏鱧酶水解物中Glu含量最高，Asp含量次之，而Met、Phe含量相對較少，其必需氨基酸占總氨基酸含量的46.61%。而在螯合物中Asp含量最高，Glu含量次之，Arg含量最少，其必需氨基酸含量占總氨基酸含量的40.74%。螯合前后氨基酸含量的變化，說明酸性的Asp和Glu對鈣的螯合能力較強，可能是因為這兩種氨基酸側鏈基團上的羥基與鈣離子發(fā)生更強的螯合作用［15］。Bao［16］和Huang等［17］的研究也證實了氨基酸中Asp和Glu的羧基是酶水解物與金屬離子的結合位點，從而顯著影響螯合反應的發(fā)生。

表4 酶水解物和螯合鈣的氨基酸組成Table4 Proportion of amino acids in enzymatic hydrolysate and chelating calcium

3 結論

本研究選用烏鱧魚肉為原料，制備得到烏鱧酶水解物螯合鈣。通過單因素和響應面優(yōu)化工藝，獲得了烏鱧酶水解物與鈣離子最佳螯合工藝：加酶量為35000 U/g的酶水解物，在pH6.0條件下，取其與氯化鈣質量比5∶1，在40℃下螯合30 min，得到的螯合物螯合率為57.36%。通過對螯合前后氨基酸組分的分析顯示Asp和Glu含量增加，說明Asp和Glu的羧基是酶水解物與金屬離子的結合位點。紫外吸收光譜和紅外吸收光譜測試表明烏鱧酶水解物的羥基和羧基與鈣離子反應，形成了穩(wěn)定的螯合物。掃描電子顯微鏡表明烏鱧酶水解物與鈣離子存在吸附作用。在酶水解物與鈣離子發(fā)生反應的過程中可能還存在其他的反應，因此需要對此進行一定的探究。另外，酶水解物螯合物作為新型的離子補充劑，其吸收特性、安全性和穩(wěn)定性等有必要開展進一步探究。

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Preparation and structural analysis of enzymatic hydrolysate chelated calcium from channa argus

WANG Jing-yu1，LIU Xue-ming2，ZHANG Ye-hui2，*，WANG Wei-ming1，ZHANG You-sheng2，LI Jian-xiong2，CHEN Zhi-yao2
（1.College of Food Science and Technology，Guangdong Ocean University，Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Safety，Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Products of Guangdong Higher Education Institution，Zhanjiang 524088，China；2.Sericulture and Agri-food Research Institute，Guangdong Academy of Agricultural Sciences，Guangzhou 510610，China）

The preparation and structural characteristics of the enzymatic hydrolysate chelated calcium were studied，using the channa argus as the raw material.The enzymatic hydrolysate were obtained from channa argus protein by enzymolysis.The enzymatic hydrolysate chelated calcium was produced by chelating the enzymatic hydrolysate and calcium chloride.Single factor and response surface analyses were applied to optimize the chelating rate.The optimal chelating conditions were listed as follow：enzyme dosage=35000 U/g，pH of 6.0，peptides/calcium chloride of 5∶1（W/W），chelating temperature of 40℃and chelating time of 30 min.The value of highest chelating rate was 57.36%at this condition.UV-VIS and FT-IR spectra confirmed the stable enzymatic hydrolysate chelated calcium formed after chelating reaction.The amino composition analysis of the enzymatic hydrolysate indicated the content of aspartic acid and glutamic acid had increased significantly after chelating reaction.The morphology of the enzymatic hydrolysate chelated calcium was revealed by SEM，and it indicated that the enzymatic hydrolysate was adsorbed with calcium.This work provided a novel method for highly utilized the channa argus.

channa argus；enzymatic hydrolysate；chelating calcium；structural analysis

TS254.4

A

1002-0306（2016）08-0206-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.08.034

2015－09－15

汪婧瑜（1990-），女，碩士研究生，研究方向：農產品加工及貯藏，E-mail：wangjingyu90@163.com。

*通訊作者：張業(yè)輝（1979-），男，博士，副研究員，研究方向：農產品加工，E-mail：zhangyhgx@163.com。

國家高新技術計劃項目（863）（2013AA102201-3）；2016廣州市對外科研合作項目（201603）。