動物肝臟蛋白資源開發利用的研究進展

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(1.江蘇省農業科學院農產品加工研究所,江蘇南京 210014;2.揚州大學食品科學與工程學院,江蘇揚州 225127)

動物肝臟蛋白資源開發利用的研究進展

王立1,2,張坤1,陳琳1,鄒燁1,*,王道營1,*

(1.江蘇省農業科學院農產品加工研究所,江蘇南京 210014;2.揚州大學食品科學與工程學院,江蘇揚州 225127)

動物肝臟是肉制品加工過程中的副產物,是一種營養豐富的優質食品蛋白源,同時還是一類重要的功能性蛋白,因此,動物肝臟的資源利用率和經濟價值急需提高。本文根據近年來國內外動物肝臟蛋白的研究情況,圍繞動物肝臟蛋白的提取、生物活性以及在食品及其他領域的應用概況進行了綜述,旨在為動物肝臟的深度開發和應用,提高動物肝臟資源的附加值提供理論依據。

動物肝臟蛋白,提取,生物活性,應用

肉制品加工工業的副產物主要包括羽毛、血液、骨骼、皮膚和內臟等[1-2],其保留大量的脂肪和蛋白質[3]。動物肝臟是一種重要的副產物,2016年全球肉制品的生產總量為3207億噸[4],一般肝臟占動物體重的2%～3%,以雞肝為例,雞肝肝臟占肉雞體重的2%～2.5%[5],每年可得雞肝產量約為50億噸。肝臟是一種營養極其豐富的食品蛋白源[6],但目前對肝臟蛋白的加工方式多為手工作坊,除一部分用于烹飪食用外,相當一部分動物肝臟直接丟棄,國內外許多食品加工廠沒有很好地利用動物肝臟。若將這部分丟棄的動物肝臟資源進行產品開發及應用,其經濟、環境、社會效益是極其可觀的。因此,如何有效地利用動物肝臟,增加肉制品加工的附加值,實現其可持續發展是肉制品加工工業面臨的一個重要課題。目前,國內外學者對水產加工副產物綜合利用的報道較多[7-8],但有關其他動物肝臟副產物的綜合利用的研究報道較少,本文就動物源食品加工副產物中肝臟的再利用研究情況進行綜述。

1 動物肝臟的營養價值

動物肝臟是一種滋補佳品,富含優質蛋白質、碳水化合物、維生素、礦物質等[9]營養成分。動物肝臟中蛋白含量之高是其他蛋白源不能比擬的,每100 g豬肝含優質蛋白19.49 g[10],其含量均高于瘦豬肉、瘦羊肉、瘦牛肉[11]。動物肝臟含有人體多種必需氨基酸,且比例適當[12],同時還含大量的超氧化物歧化酶(SOD)等,具有顯著抗脂質氧化功能[13],避免動物組織和細胞損傷,此外動物肝臟還含有維生素D(VD)、葉酸、維生素C(VC)、煙酸、卵磷脂等,具有較高的營養價值和藥物價值[11]。動物肝臟中的鐵質不僅含量高,而且易被機體吸收利用[14]。每100 g豬肝含鋅5.78 mg,含硒19.21 mg,其中硒是重要的營養物質,具有調節免疫、保護心腦血管系統、抗衰老等生物活性[15]。動物肝臟中谷胱甘肽(GSH)含量極高,GSH具有清除自由基等重要作用[16]。

2 肝臟蛋白的提取方法

隨著人們對動物肝臟價值了解的不斷提高,動物肝臟的營養價值和功能特性受到國內外學者的關注。肝臟中蛋白質的含量高達24.6%[5],在研究其特性之前,對肝臟蛋白的提取分離需去除雜質或其它非蛋白成分,避免雜質對目的蛋白造成不良影響。不同來源的材料,為了盡可能多的提出目的蛋白,還要避免目的蛋白的失活,因此需要選擇和設計相應的易于提取純化的方案。根據肝臟蛋白溶解度的不同,可采用水提法、堿溶酸沉法、有機溶劑提取法、蔗糖密度梯度離心法提取分離肝臟蛋白。此外,微波輔助法、酶提法、超聲波提取等方法也越來越多的應用于肝臟蛋白的提取分離。

2.1水溶液提取法

肝臟蛋白在鹽類等緩沖液中溶解度高、穩定性好,是肝臟蛋白提取常用方法[17]。馬志科等[18]采用磷酸鹽緩沖液從秦川牛肝中提取過氧化氫酶的提取最佳條件為:浸提pH7.0、浸提溫度30 ℃、浸提時間10 h,通過正交實驗結果發現利用磷酸鹽緩沖液提取牛肝中過氧化氫酶的浸出酶活高達到95.3%。Sobha等[19]研究利用水溶液提取法從驢肝中提取并純化鐵蛋白,鐵蛋白提取含量為0.012 mg/g。水溶液提取法具有溶解度大、提取率高、對蛋白穩定性好等優點,缺點是溶劑用量大、提取時間長、提取成分復雜,適用于大部分蛋白的提取。

2.2堿溶酸沉提取法

堿溶酸沉法是利用堿性溶液浸泡原材料,使其蛋白充分的溶解出來,然后用酸調節提取液的pH,達到蛋白質的等電點而使其沉淀,通過高速離心的方法使其和其他成分分離[20]。張耀兮等[21]研究利用堿溶酸沉法提取牦牛肝蛋白的最佳提取條件為:NaOH濃度1%、料液比1∶5、浸提時間60 min、提取溫度40 ℃、酸沉條件pH4.0,牦牛肝蛋白得率為77.91%。堿溶酸沉法具有提取率高等優點,缺點是溶劑用量大,提取時間長,適用于部分肝臟蛋白的提取。

2.3有機溶劑提取法

部分肝臟蛋白脂肪含量較高,不易溶于酸堿等溶液,可采用有機溶劑如丙酮等提取肝臟蛋白,通過破壞其蛋白表面的水化膜,使分子結構發生變化,蛋白沉淀析出[22]。肝臟蛋白提取時注意攪拌避免溶劑濃度局部過高,導致蛋白變性。和樹倩等[23]采用丙酮從駝海燕內臟中提取蛋白粗酶液的最佳條件為:原酶液與丙酮體積比1∶1.6,蛋白酶活力為78.08 U/mg。有機溶劑提取法具有提取適用范圍寬、操作方便等優點,缺點是溶劑用量大、提取成分復雜,適用于部分與脂質結合的肝臟蛋白。

2.4蔗糖密度梯度離心提取法

采用緩沖液通過密度差利用超速離心使其蛋白形成密度梯度,達到分離肝臟蛋白的目的[24]。王璜等[25]采用蔗糖密度梯度離心法從家兔肝臟中提取Lung-resistance protein(LRP)蛋白,其提取條件為:MES蔗糖緩沖液(pH6.5)、料液比1∶4,采用Sephacryl-1000分子篩分離純化LRP蛋白,通過SDS-PAGE電泳及銀染,Western Blot鑒定LRP蛋白分子量為100 kDa。蔗糖密度梯度離心提取法具有分離不同蛋白組分等優點、缺點是離心時間較長,適用于部分肝臟蛋白的提取。

2.5微波輔助提取法

微波輔助提取通過高頻電磁波穿透介質到達目標蛋白內部,由于吸收了微波熱能,細胞內部溫度上升,細胞內部壓力超過細胞壁膨脹所承受的能力,導致細胞膜和細胞壁受到破壞,細胞內有效成分溢出并溶解于溶劑中,通過進一步過濾和分離,獲得所需提取物[26]。Walter Vetter等[27]使用微波輔助提取海豹肝蛋白,得到的提取條件為:微波功率500 W、微波時間1 h、提取率達到56.5%。微波輔助提取法具有提取時間短、溶劑用量少,缺點是對溶劑有一定的要求,適用于部分肝臟蛋白的提取。

2.6酶解提取法

酶解提取法是在一定的pH與溫度作用下,具有一定生物活性的蛋白酶與蛋白質的特異性催化位點相結合,進而導致蛋白質的化學鍵斷裂,使得高分子量蛋白質分裂為小分子多肽,促進蛋白的溶解,從而實現目標蛋白的提取[28]。Roberta等[29]采用嗜熱菌蛋白酶酶解提取牛肝肌漿蛋白,其提取條件:酶用量1%、酶解溫度37 ℃、酶解時間2 h,此時肌漿蛋白含量為67.1%。酶解提取具有提取條件溫和,缺點是酶解時間較長,適用于部分肝臟蛋白的提取。

2.7超聲波提取法

超聲波提取法主要是利用其空化效應、機械振動作用、熱效應等使蛋白質的細胞壁破裂,增加溶劑的穿透力,使得有效成分迅速溶解于溶劑中,從而提高了活性成分的浸出率[30]。Zou等[31]采用超聲波輔助堿提法提取鴨肝蛋白,運用響應面法優化得到最佳提取鴨肝蛋白的條件為:超聲功率266 W、堿液pH11.2、超聲溫度40 ℃、鴨肝蛋白得率為74.5%。超聲波提取法具有提取時間短、得率高、溶劑用量少等優點,缺點是不適于大規模提取,適用于大部分動物肝臟蛋白的提取。

2.8其它方法

除以上提取方法外,蛋白提取的方法還有很多,包括雙水向萃取法、鹽析法、高溫高壓蒸煮法、微生物發酵法等。

3 肝臟蛋白的生物活性

3.1抗氧化作用

生物體在進行氧化磷酸化維持生命代謝的過程中會產生活性氧(ROS)。適宜的ROS參與機體的新陳代謝,維持機體的健康。而當機體受到內外部環境的刺激,體內的氧化平衡被破壞,ROS蓄積增加,導致氧化應激,造成機體代謝紊亂,誘發各類疾病[32]。舒沿沿等[33]采用混合發酵從鵝肝中制備抗氧化蛋白酶解肽,通過分離純化鵝肝多肽得到P1、P2、P3三個組分,通過基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(MALDI-TOF-MS)鑒定P3的相對分子量為1.02 kDa以下,通過抗氧化研究發現P3的抗氧化能力顯著高于P1、P2組分,研究表明肝臟蛋白抗氧化肽的相對分子質量的大小與其生物活性密切相關,相對分子質量越小的肝臟多肽具有較高的抗氧化能力。范秋領等[34]從鯊魚肝臟提取肝蛋白粗提物,研究表明肝蛋白粗提取能使受損傷的線粒體呼吸功能進行部分修復,增強線粒體抗氧化能力,保護肝臟免受硫代乙酰胺所致的急性肝損傷,表明肝臟蛋白提取物具有抗氧化作用,該研究為制備抗氧化性肝蛋白口服液提供了一定的理論基礎。

3.2抗腫瘤作用

羅小玲等[35]從胎牛肝臟中提取低分子天然抑瘤物(LMW-NTS),通過小鼠體內外抗腫瘤實驗發現相對正常小鼠巨噬細胞,LMW-NTS對小鼠S-180細胞具有抑制增殖作用,LMW-NTS對小鼠肝腎等重要器官無毒副作用,表明胎牛肝細胞LMW-NTS對小鼠S-180細胞具有明顯的體內外抗腫瘤作用。鄒曉軍等[36]從乳豬肝中提取并制備膠原蛋白水解物注射液(HCH)并對其進行荷瘤小鼠腫瘤抑制實驗,研究發現HCH對荷瘤小鼠HepA肝瘤的抑制率最高,可顯著抑制荷瘤昆明小鼠腫瘤的生長。

3.3抗癌作用

郭潔等[37]從牦牛肝臟中分離提取牦牛肝蛋白(BGP),觀察BGP對人肝癌HepG2細胞增殖及其細胞凋亡的影響變化。BGP作用HepG2癌細胞48 h時對其抑制率最高,導致HepG2癌細胞形態發生改變、生長狀態受阻、細胞數目減少、抑制HepG2細胞增殖并促進其細胞凋亡,因此BGP具有明顯的體外抗癌作用。

3.4治療糖尿病作用

Huang等[38]研究從條紋斑竹鯊肝臟中分離純化獲得鯊魚活性肽(APSL),發現該活性肽具有修復和改善損失的胰島β細胞和促進肝細胞生長的功能,因此,APSL不僅對糖尿病和和肝損傷具有潛在治療作用,而且在治療肝損傷時可發揮輔助免疫調節的作用。

3.5降脂減肥作用

Shimizu等[39]通過喂食豬肝蛋白水解物(PLH)14周,研究PLH對OLETF大鼠體內脂肪堆積的影響,PLH對OLETF大鼠腎周及附睪的脂肪組織具有顯著的降脂作用,并顯著抑制葡葡萄糖-6-磷酸脫氫酶及脂肪酸合成酶的活性,與對照組相比,發現PLH對LETO大鼠沒有顯著影響,表明豬肝蛋白水解物具有降脂減肥作用。

3.6免疫增強調節作用

傅穎等[40]通過淋巴細胞轉化、小鼠遲發型變態反應、血清溶血素等實驗評價新生牛肝活性肽對小鼠的免疫增強作用。研究發現新生牛肝肽能促進小鼠T淋巴細胞增殖、增強其遲發反應強度、增加血清溶血素、提高細胞活性,以上結果表明新生牛肝活性肽具有免疫增強作用。

3.7其它活性

除以上活性外肝臟蛋白還具有其他生物活性,如肝臟蛋白還具有保護肝損傷促進肝細胞再生、抑菌、降血壓、抗病毒、抗衰老、抗疲勞、抗血栓、抗炎癥、抗凝血、抗纖維化、抗動脈粥樣硬化、抗細胞凋亡等其他生物活性。

4 肝臟蛋白的應用

4.1肝臟蛋白在食品添加劑中的應用

生物活性肽是重要的天然抗氧化劑之一,是蛋白質的小亞基,通常含有3～20個氨基酸殘基[41]。Liu等[42]從牦牛肝臟中分離純化得到7種不同的蛋白,并對其進行抗氧化性研究,抗氧化研究表明7種蛋白對超氧陰離子、羥自由基、DPPH自由基均具有較好的抗氧化作用。以上研究表明使用肝臟蛋白制備天然抗氧化劑用于食品防腐具有深遠意義,在食品工業中具有重要的應用價值。

4.2肝臟蛋白在動物蛋白飼料中的應用

史健超等[43]從雞肝中提取肝臟蛋白,沉淀物經冷凍干燥進一步制備成雞肝蛋白粉。通過SDS聚丙烯凝膠電泳定性分析其蛋白,NBT染色分析其SOD活性,研究表明采用不同濃度乙醇沉淀法提取雞肝蛋白其蛋白沒有降解,SOD均有活性,研究發現動物肝臟蛋白從生物利用率方面優于魚粉,肝臟中含有畜牧生長所需的必需氨基酸,滿足畜牧發育和生長所需的營養。利用現代加工工藝將動物肝臟加工成蛋白含量高、必需氨基酸平衡的動物蛋白飼料是解決畜牧業蛋白飼料短缺的重要途徑。

4.3肝臟蛋白在動物蛋白發泡劑中的應用

發泡劑又稱泡沫劑或起泡劑能促進泡沫形成閉孔或聯孔結構[44]。蛋白質作為一種營養物質,具有很強的活性基團其發泡劑的作用原理正是由于其表面性質。當蛋白質水解后其肽鍵斷裂,較長肽鏈的蛋白大分子水解為較小分子的活性肽,形成具有一定黏度的膠體溶液,其中含有羧基(-COOH)、羥基(-OH)等活性基團,降低其表面張力,促進界面的形成。由于其物質分子之間通過肽鍵相互作用,使得肽鍵在其界面伸展,使界面得以增強,促進了泡沫的穩定性。隨著人們對環保、經濟、健康、低碳的生活理念的不斷提高以及對節能型環保材料的不斷需求,動物蛋白發泡劑必將受到廣泛的倡導和推崇。

5 動物肝臟深加工技術的研究現狀

5.1動物肝臟中過氧化氫酶的提取分離

過氧化氫是一種無色強刺激性的氧化劑,過氧化氫含量較高時可導致蛋白質和巰基蛋白酶氧化失活,損傷生物的細胞膜功能,破壞多糖及核酸的結構,而動物肝臟中含有大量的過氧化氫酶(CAT),通過催化其反應分解為氧氣和水,減少過氧化氫的含量,降低其對生物細胞體的破壞[45]。邱慧等[46]從鴨肝中提取的CAT的相對酶活在pH4～9時均保持在80%以上,遠高于其他植物和微生物,在最適條件下測定的CAT的Km為37.29 mmol/L,遠低于氧化葡萄桿菌(61 mmol/L)、嗜熱子囊菌(48 mmol/L),表明鴨肝中CAT與底物親和力較強,對酸堿度具有較高的耐受性。以上研究結果表明從動物肝臟中可獲得活性較高的CAT在食品等領域中具有潛在的應用前景。

5.2動物肝臟功能性產品的開發

功能性食品是以改善或影響機體功能的食品,具有提高機體免疫力等作用。動物肝臟具有補肝、防止眼睛疲勞、治療視力衰退等功能。以動物肝臟為原料研發具備緩解視覺疲勞等功能性食品的報道較多。近年來國內研究者開發了諸多動物肝臟功能性食品如:明目羊肝羹產品、豬肝補肝明目膨化魚片干、明目羊肝口服液等。目前對動物肝臟功能性食品的研究水平仍較低,沒有進一步研究其功能因子結構及作用機理。因此迫切需要提高動物肝臟功能性食品的研究水平。

5.3動物肝臟方便食品的開發

動物肝臟是一種營養豐富的食品原料,把動物肝臟加工成方便食品,可提高動物肝臟的綜合利用。謝章斌等[47]使用復合風味蛋白酶改良鵝肝醬,可降低腥味提升鵝肝醬的口感和香氣。武悅等[48]采用復合風味改良劑對牛肝品質及應用研究,通過添加其改良劑,牛肝醬口感細膩、香氣濃郁。以上研究表明,通過對動物肝臟方便食品的開發,改變了傳統動物肝臟的食用方法,為科學利用動物肝臟開辟了新途徑。

6 總結

動物源食品加工副產物—動物肝臟,以其豐富的營養價值受到人們的高度關注,動物肝臟蛋白具有優異的生物活性,在食品、醫療保健、動物飼料等多個領域有著巨大的應用潛力。然而目前國內外學者對動物肝臟蛋白的生物活性及其機理研究較少,如何保證肝臟蛋白活性肽在機體內的穩定性是其應用中需要解決的問題。此外動物肝臟還是一種優質蛋白源,隨著生物工程技術的不斷發展,蛋白質制劑已應用于生物醫藥領域。動物肝臟多肽類蛋白質藥物對腫瘤、癌癥、糖尿病等重大疾病具有較好的治療效果,尋找及制備具有功能活性的動物肝臟蛋白,對人類的健康與重大疾病治療具有重要意義,因此動物肝臟蛋白多肽藥物制劑的制備必然會成為未來最具吸引力的新興產業之一。綜上所述,隨著動物肝臟加工技術的提高和綜合技術的不斷完善,動物源加工副產物動物肝臟將會得到充分利用,其發展前景必將十分廣闊。

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Researchprogressindevelopmentandutilizationofanimalliverproteinresources

WANGLi1,2,ZHANGKun1,CHENLin1,ZOUYe1,*,WANGDao-ying1,*

(1.Institute of Agricultural Products Processing,Jiangsu Academy of Agricultural Science,Nanjing 210014,China;2.College of Food Science and Engineering,Yang Zhou University,Yangzhou 225127,China)

Animal liver is a byproduct in the processing of meat products,meanwhile it is a nutrient-rich quality food protein source,but also a class of important functional proteins,therefore,animal liver resource utilization and economic value need to improve. Based on the research progress of liver protein in domestic and foreign animals in recent years,the extraction of animal liver protein,biological activity and application in food and other fields are reviewed. The paper aims to provide theoretical basis for the development and application of the deep development and application of animal liver.

animal liver protein;extraction;biological activity;application

TS209

A

1002-0306(2017)19-0311-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.19.057

2017-04-14

王立(1990-)，男，在讀碩士研究生，主要從事農產品加工方面的研究，E-mail：wanglee96@163.com。

*通訊作者:鄒燁(1986-)，女，博士，助理研究員，研究方向：動物源食品加工與質量控制，E-mail：zouye@jaas.ac.cn。

王道營(1979-)，男，博士，副研究員，研究方向：肉品加工與質量控制，E-mail：wdy0373@aliyun.com。

“十二五”農村領域國家科技計劃課題(2014BAD04B11)；江蘇省農業科技自主創新資金項目(CX(16)1007)；江蘇省博士后科研資助計劃(1601131C)。