酶法制備花生多肽工藝條件優化的研究

馬 濤 劉德明

(沈陽農業大學食品學院1，沈陽 110866)

(遼寧省農業科學院食品與加工研究所2，沈陽 110161)

酶法制備花生多肽工藝條件優化的研究

馬 濤1，2劉德明1

(沈陽農業大學食品學院1，沈陽 110866)

(遼寧省農業科學院食品與加工研究所2，沈陽 110161)

采用堿性蛋白酶、中性蛋白酶、風味蛋白酶和木瓜蛋白酶酶解花生粕中的蛋白質，制取抗氧化活性較高的花生多肽，以水解度(DH)和羥自由基清除率(E)為指標，確定了最佳用酶為堿性蛋白酶。考察了底物質量分數、加酶量、時間、溫度和pH值5個因素對水解度(DH)和羥自由基清除率(E)的影響，采用單因素試驗和響應面分析的方法確定了花生粕酶解制備花生多肽最佳工藝參數，條件為:底物質量分數8%、加酶量8 070 U/g底物，pH 7.7，溫度55℃、時間3 h，該條件下得到的花生多肽羥自由基清除率為62.15%。

花生多肽 酶水解 抗氧化 優化

花生粕作為壓榨花生油的一種副產物，產量大，來源廣，價格低，且其中含有30% ～50%的花生蛋白質［1］。目前，我國大部分花生粕作為飼料使用，有的甚至作為廢料丟棄，不僅造成資源浪費，而且污染環境。開發花生粕提取花生多肽，原料價格較低，符合節約型經濟發展的需求。

根據前人的研究表明，花生多肽含有許多活性物質，含有人體所必需的8種氨基酸，尤其是硫氨酸的含量相當高，總氮量高達14.8%［2］，其穩定性、溶解性都優于花生蛋白［3］。動物試驗表明，小分子肽具有極低的過敏性，可促進脂肪代謝，增強肌肉運動力，加速肌紅細胞恢復，具有良好的吸濕性和保濕性，能促進雙歧桿菌的增長代謝，并且具有獨特的生理活性，可起到鎮痛，調節體溫、血壓、脈搏，促進鈣離子吸收，增強免疫力等作用［4－5］，能有效降低血清的總膽固醇，提高高密度脂蛋白含量［6－7］，而這些作用都與其抗氧化活性有關。

花生多肽是冷軋花生粕經適度水解后，分離得到的具有生物活性的肽，其中含有很多小肽，這些小肽易被人體消化和吸收，無毒副作用;但是如果水解過度，則會產生過多的游離氨基酸，口服后在腸道內因高滲引起腹瀉［8］。所以，通過選擇蛋白酶的最佳作用條件，控制水解程度和酶解物的羥自由基清除率，可得到抗氧化活性較高的花生多肽。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

冷軋花生粕(蛋白質質量分數為38.8%，水分質量分數為6%):遼寧宏圣花生股份有限公司。

堿性蛋白酶(200 000 U/g)、中性蛋白酶(200 000 U/g)、木瓜蛋白酶(800 000 U/g)、風味蛋白酶(40 000 U/g):廣西南寧龐博生物工程有限公司;鹽酸:北京化學試劑有限公司;氫氧化鈉:北京化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器

YP3001N電子天平:上海光正醫療儀器有限公司;PHS－3C精密pH劑:上海日島科學儀器有限公司;CS501－SP恒溫磁力攪拌器:江蘇中大儀器廠;LXJ－ILB離心機:上海精宏實驗設備有限公司;UV120紫外可見分光光度計:尤尼科(上海)儀器有限公司;DHG－9053A數顯鼓風干燥箱:上海精宏實驗設備有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 冷軋花生粕的酶解工藝［9］

按一定底物質量分數準確稱取冷軋花生粕粉于反應器中，加入適量蒸餾水，輕微攪拌至底物均勻分散于水中。然后在90℃下加熱10 min，冷卻到酶解反應溫度后，用1.0 mol/L NaOH調節酸堿度至所需要的pH，依據所用的酶活力單位，準確稱取蛋白酶后加入水解反應器，并慢慢攪拌。反應過程中及時滴加1.0 mol/L NaOH使系統穩定在最適pH。反應到預定時間，即停止加熱攪拌，用1.0 mol/L HCl調節pH至4.5，迅速升溫到80℃，加熱10 min，鈍化蛋白酶。記錄水解過程中消耗的堿液量，并以此計算水解度DH。

1.3.2 水解度(DH)的測定:

采用 pH － Stat法［10，11］。按下式計算:

DH=(V×c)/(α×m×n)×100%

式中:V為堿液體積/L;c為堿液濃度/mol/L;α為氨基的解離度;m為底物中蛋白質總量/g;n為底物中蛋白質肽鍵總數，對花生蛋白而言，n=7.13(根據花生蛋白的氨基酸組成得到)。

1.3.3 花生多肽體外抗氧化活性的測定方法

以體外清除羥自由基·OH－做為花生多肽體外抗氧化測定方法:根據文獻報道的方法稍加改進建立·OH－產生模型［12－13］。樣品對羥自由基的清除率(E)按下式計算:

式中:A樣品為樣品的吸光度值;A空白對照為空白對照組的吸光度值;A0為空白組的吸光度值。

2 結果與討論

2.1 酶的種類的篩選

堿性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、風味蛋白酶水解冷軋花生粕，酶解的反應條件按照蛋白酶推薦最適條件進行，見表1。

表1 蛋白酶水解的最適pH和溫度

水解過程中維持反應溶液的pH值和溫度恒定，從反應開始每間隔40 min取一次樣，滅酶后測DH，結果見圖1。

圖1 蛋白酶的水解進程曲線

由圖1可以看出，風味蛋白酶對花生蛋白的水解能力最差，而通過對標準底物酪蛋白作為底物的酶活測定表明，其酶活力較高，這說明從專一性來說，花生蛋白是風味蛋白酶的不良底物。木瓜蛋白酶和中性蛋白酶的水解能力比較接近。在所使用的4種蛋白酶中，堿性蛋白酶的水解能力最強。

因各種蛋白酶的底物特異性及作用位點的差異，不同蛋白酶作用于花生蛋白得到的酶解產物的肽鏈結構和長度是不同的，其活性也不同。通常期望得到一定功能的活性肽往往是分子質量較小的肽，單純的追求高水解度，會產生較多游離氨基酸，因此僅用水解度為檢測指標來確定制備抗氧化活性較高的花生多肽的最適酶種及確定酶解最優工藝條件是不適合的，應該以酶解物的生物活性大小作為檢測指標，因此考察幾種蛋白酶水解物體外抗氧化作用。

表2比較的不同蛋白酶水解物對羥自由基·OH－的清除作用。從表2中可以看出，雖然4種蛋白酶的水解物都有體外抗氧化作用，但是對羥自由基的清除作用有較大差異，其中堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶的酶解物抗氧化作用較強［14］。

表2 不同蛋白酶水解物的體外抗氧化活性

由圖1和表2可以看出在4種蛋白酶中，堿性蛋白酶的水解能力最強，酶解物的抗氧化活性最高，而且價格較低，所以本試驗選用堿性蛋白酶為水解用酶。

2.2 加酶量對水解度及抗氧化活性的影響

配制底物質量分數為5%的花生粕溶液，反應溫度為55℃，反應時間為3 h，分別按酶和底物之比為2 000、4 000、6 000、8 000、10 000、12 000 U/g 加入不同量的酶進行酶解。如圖2所示，水解度隨加酶量的增加而提高，底物的水解度取決于蛋白酶的濃度，只有當酶分子在體系中趨于飽和后，部分酶分子不能和底物接觸時，水解度的提高才會減慢。當加酶量為10 000 U/g底物時，水解度基本上已經保持不變。抗氧化活性也隨著加酶量的增加而提高，當加酶量為8 000 U/g底物時羥自由基清除率達到最大。隨著加酶量的增加，水解度在不段增加，水解物分子質量分布范圍就越小，因較高的氧化性只在一定的分子質量范圍之內，水解不足或者過度水解會造成水解物抗氧化活性較低。

圖2 蛋白酶濃度對水解度和羥自由基清除率的影響

2.3 不同pH對水解度和抗氧化活性的影響

在加酶量為8 000 U/g底物，反應溫度為55℃，反應時間為3 h，底物質量分數為5%時選用不同的pH進行水解，結果如圖3所示。由圖3可知，在pH為8時，所得的花生多肽有較高的水解度。在pH為8時，所得水解物羥自由基的清除率也是最高，因此pH 8為蛋白酶作用的最適pH。酶分子是種特殊的蛋白質分子，由一個或者若干個活性部位組成。酶的活性部位只有與蛋白酶保持一定的空間構象才能存在，其催化功能才能實現，活性部位對反應體系的pH變化比較敏感，其解離狀態隨pH值的變化而變化。作為反應底物的花生蛋白隨著pH的變化也表現出不同解離狀態，因此，pH直接影響了酶與底物蛋白的結合和催化。

圖3 pH對水解度和清除率的影響

2.4 不同酶解溫度對水解度及抗氧化活性的影響

在底物質量分數為5%，加酶量為8 000 U/g底物，pH為8，反應時間為3 h的條件下，選擇不同的溫度進行水解。各種催化反應都有最適溫度，酶催化反應在酶蛋白熱穩定性層面和化學反應速度層面起作用。如圖4所示，溫度對水解度的影響不是很顯著，在溫度40～60℃范圍內，水解度的變化很小，羥自由基清除率變化較大，在溫度為55℃時水解物的抗氧化活性最高，所以選取55℃為最佳反應溫度。

圖4 水解溫度對水解度和清楚率的影響

2.5 不同水解時間對水解物及抗氧化活性的影響

加酶量為8 000 U/g底物，pH為8，反應溫度為55℃，底物質量分數為5%的條件下選擇不同的水解時間進行水解度和抗氧化活性的測定，結果如圖5所示，隨水解時間的增加水解度不斷增加，當時間達到3 h時，水解度基本上已經趨于穩定變化不是很大，抗氧化活性和水解度水解前期變化趨勢保持一致，當水解時間達到3 h時活性達到最高，隨后隨時間增加抗氧化活性降低。原因可能是，蛋白酶水解蛋白質是逐步水解的，當蛋白酶和底物都是一定的條件下，蛋白質被水解為較小的肽段，隨水解的進行，蛋白質中具有強自由基清除率的肽段被水解下來，然后進一步被水解，導致部分抗氧化活性消失。因此選擇水解時間3 h為最佳水解時間。

圖5 水解時間對水解度和清除率的影響

2.6 不同底物質量分數對水解度及抗氧化活性的影響

加酶量為8 000 U/g底物，pH為8，反應溫度為55℃，反應時間為3 h，分別配制質量分數為2%、2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%的花生粕粉溶液進行酶解，結果如6所示。當底物質量分數為7.5%時，所得的花生多肽具有較高的水解度，對羥自由基的清除率也最大。根據酶解原理，底物質量分數較低時，底物不足以與所有的酶結合，一部分酶沒有結合底物，沒發揮催化作用。因此，產生的速度就隨著底物質量分數的增加而增加，處于一級反應狀態，生成的花生多肽就越多，羥自由基的清除率就越大。當所有酶都結合了底物時，即使底物再增加，反應速度達到飽和狀態，處于零級反應狀態。當底物質量分數大于7.5%時，花生粕分的流動性降低，抑制底物和酶的結合，因此反應速率大大降低。

圖6 底物質量分數對水解度和清除率的影響

2.7 酶解工藝參數的優化

為了獲得抗氧化活性較高的花生多肽，在單因素水平基礎上，以加酶量、pH、底物質量分數為因素，花生粕水解物的羥自由基清除率為響應值，設計3因素3水平的二次回歸方程來擬合因素和指標(響應值)之間的函數關系，采取響應面分析法(Response Surface Analysis，RSA)來尋求酶解最佳工藝參數［15］。試驗的因素水平見表3，設計試驗的結果見表4。

表3 Box－Behnken試驗因素水平及其編碼

表4 Box－Behnken試驗設計表及其試驗結果

上述每個試驗均進行3次，對應的響應值取3次試驗結果的平均值，試驗數據使用Design－Expert軟件進行二次回歸分析，得到以下方程:

YDH=60.113 3+7.236 3A+8.433 8B+0.995 0C －11.352 9A2－9.637 9B2－ 11.180 4C2+0.347 5AB －4.865 0AC －4.610 0BC

其中A，B和C分別代表加酶量，底物質量分數和pH。通過進行方差分析來驗證模型及各參數的顯著度見表5。

表5 回歸模型方差分析

由表5可以看出，回歸方程的P＜0.01說明花生多肽制備所建立的二次多項模型具有高度顯著性。模型相關系數R2為0.991 1＞0.9，說明該模型能解釋99.11%的響應值的變化，擬合程度良好。失擬項的P=0.63不顯著，說明模型中不需要引入更高次數的項，模型選擇合適，可以用該模型代替試驗點對試驗結果進行分析和預測［16］。

回歸方程的顯著性見表6，結果表明，模型中的參數 A(加酶量)、B(底物質量分數)、C(pH)、AC，BC，A2，B2，C2都是顯著的，對花生多肽的制備影響顯著。

表6 回歸方程系數顯著性檢驗

為了進一步研究相關變量之間的交互作用以及確定最優點，通過Design－expert軟件繪制響應面曲線來進行直觀的分析，見圖7至圖9。分別顯示了3組以清除率為響應值的趨勢圖，從曲面圖可以直觀的反映出兩變量交互作用的顯著度。

從以上分析可知，得到清除率預測值最大的條件:底物質量分數8.5%，加酶量8 070 U/g底物，pH 7.7，溫度55℃、時間3 h，該條件下得到羥自由基清除率為63.33%的花生多肽。

在預測條件下對試驗結果進行試驗，得到花生多肽的羥自由基清除率為62.15%，與理論預測值基本吻合，這表明模型是合理有效的。

3 結論

通過試驗可以得知，在所選的4種蛋白酶中，堿性蛋白酶的酶解物抗氧化活性最高，因此堿性蛋白酶為制備抗氧化活性較高的花生肽的最佳用酶，通過單因素試驗和響應面分析，確定了堿性蛋白酶制備抗氧化活性較高的花生多肽的最佳酶解條件為:底物質量分數8%、加酶量8 070 U/g底物、pH 7.7、溫度55℃、時間3 h，該條件下得到的羥自由基清除率為62.15%的花生多肽。

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Study on Process Condition Optimization for Preparation of Peanut Polypeptide by Enzyme Hydrolysis

Ma Tao1，2Liu Deming1
(College of food，Shenyang Agriculture University1，Shenyang 110866)
(Liaoning Academy of Agriculture Sciences，Food and Processing Institute，Shenyang 110161)

Alkaline protease，neutral protease，flavor protease and papain were used to hydrolyze peanut meal to prepare peanut polypeptides with higher antioxidant activity.With DH and E as the indices，alkaline protease was the best enzyme.Then，five factors，such as substrate concentration，proteases concentration，pH，temperature and time influence on DH and E，were investigated.Based on the results of one－factor－at－a－time－technique，a three－level Box－Behnken factorial design combining with response surface analysis(RSA)was employed to optimize the enzymatic hydrolyze condition of peanut polypeptides.The conditions were:substrate concentration 8.0%，proteases concentration 8 070 U/g per gram substrate，pH 7.7，temperature 55 ℃，and time 3.0 h.The peanut peptides scavenging rate on these conditions was 62.15%.

peanut polypeptides，enzymatic hydrolysis，antioxidant activity，optimization

TS221

A

1003－0174(2011)07－0089－06

2010－08－13

馬濤，男，1962年出生，教授，博士生導師，糧油食品儲藏保鮮與深加工

劉德明，女，1985年出生，碩士，食品科學