胃蛋白酶提取馬面魚皮膠原蛋白及結構分析

宋正規，朱麗娜，張洪超，薛張芝，李和生*，付晶晶，周 偉

（寧波大學海洋學院，浙江 寧波 315211）

馬面魚又稱綠鰭馬面鲀，多產于黃海、東海、日本海、朝鮮海等領域，其中東海產量最多，已成為我國僅次于帶魚的第二大海洋經濟魚類。馬面魚肉被普遍應用于工廠加工、餐廳食材制作[2]，魚皮多半被當作廢料丟棄。馬面魚皮約占馬面魚質量的12%，如能高值化利用，便能變廢為寶，產生重大的經濟效益。膠原蛋白是動物細胞合成的一種具有生物活性的高分子化合物，是人體皮膚的重要組成部分，同時也是結締組織重要組成，起到支撐器官、保護機體的作用[3]。馬面魚皮含有大量可溶性膠原蛋白，而且氨基酸種類含量豐富，易于吸收，綜合利用率高，對于幼童和老人營養更佳[4]。

梁建華[5]用檸檬酸、乙酸和乳酸提取了羅非魚皮膠原蛋白，其中乳酸的提取率最高。楊玲等[6]分別用檸檬酸和乙酸提取波羅的海鱈魚皮膠原蛋白，24 h內分3 個階段用檸檬酸提取膠原蛋白，約有85%的膠原蛋白能夠被分離出來，用0.5 mol/L的乙酸溶液連續提取24 h可得到相似的產率。李燕等[7]比較研究了采用胰蛋白酶、木瓜蛋白酶和胃蛋白酶從豬皮中提取膠原蛋白，發現采用胰蛋白酶提取膠原蛋白得率最高，但結構破壞較為嚴重，而用胃蛋白酶提取的膠原蛋白結構保存最為完整。鐘朝輝等[8]用胃蛋白酶法提取草魚鱗膠原蛋白，并對其基本特性進行研究，紅外光譜和圓二色譜分析表明該膠原蛋白具有典型的三股螺旋結構。

實驗選取馬面魚皮為主要原料,選擇酶法常用的胃蛋白酶提取膠原蛋白，并對酶法提取馬面魚皮膠原蛋白的結構進行鑒定，通過對加酶量、緩沖液pH值、料液比、提取時間工藝條件的優化，為馬面魚皮膠原蛋白的提取、利用提供實驗基礎，對于變廢為寶、提高馬面魚的附加值有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬面魚購于寧波莊市菜市場，流水解凍后，去皮，清水清洗干凈，陰涼處自然晾干，然后用剪刀剪碎，裝入密封袋封口后在-20 ℃條件下貯藏備用。

胃蛋白酶、酪蛋白 上海星科生物科技有限公司；福林-酚試劑（密封貯存于4 ℃冰箱中避光保存） 北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設備

XHF-D內切式勻漿機 寧波新芝生物科技股份有限公司；H-1650高速臺式離心機 長沙湘儀離心機儀器有限公司；pHS-3C精密pH計 上海雷磁儀器廠；AFC-2000-G實驗室超純水機、氨基酸分析儀 德國賽卡姆公司；紫外-可見光譜儀 美國Varian公司；Jasco FT/IR-4700傅里葉變換紅外光譜儀 日本分光公司。

1.3 方法

1.3.1 胃蛋白酶活力的測定

參照楚水晶[9]報道方法測定胃蛋白酶活力。經測定，酶粉稀釋液的凈吸光度平均值為0.327 2，通過酪氨酸標準曲線查得所用胃蛋白酶活力為2 800 U/mg。

1.3.2 羥脯氨酸標準曲線的制作

采用比色法測定羥脯氨酸標準曲線[10]。羥脯氨酸質量濃度范圍0～4 μg/mL，以羥脯氨酸質量濃度為橫坐標、吸光度為縱坐標制作標準曲線，得方程為y=0.173 7x+0.018 6（R2=0.995 8）。

1.3.3 馬面魚皮的預處理

精確稱取魚皮200.00 g，用含有1% H2O2、3% NaCl、0.1 mol/L NaOH的溶液浸泡魚皮，料液比1∶30（g/mL），放置在4 ℃冰箱中進行脫色、脫雜蛋白處理，6 h后取出過濾，魚皮備用。

1.3.4 單因素試驗

試驗選取加酶量、緩沖液pH值、料液比、提取時間4 個因素，分析各因素對馬面魚皮膠原蛋白提取率的影響。

1.3.4.1 加酶量對膠原蛋白提取率的影響

用pH 3.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液浸泡溶脹處理后的魚皮，溶脹12 h勻漿，加胃蛋白酶量分別為10 000、12 500、15 000、17 500、20 000 U/g，料液比1∶30（g/mL），4 ℃提取20 h后，10 000 r/min冷凍離心20 min，取上清液，測定羥脯氨酸的含量。

1.3.4.2 緩沖液pH值對膠原蛋白提取率的影響

分別選用pH 2.2、2.6、3.0、3.4、3.8的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液浸泡溶脹處理后的魚皮，溶脹12 h之后勻漿，選用胃蛋白酶提取，加酶量為15 000 U/g，料液比1∶30（g/mL），在4 ℃提取20 h，10 000 r/min冷凍離心20 min，取上清液，測定羥脯氨酸的含量。

1.3.4.3 料液比對膠原蛋白提取率的影響

用pH 3.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液浸泡溶脹處理后的魚皮，溶脹12 h之后勻漿，選用胃蛋白酶提取，加酶量為15 000 U/g，料液比1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50（g/mL），提取20 h后，10 000 r/min冷凍離心20 min，取上清液，測定羥脯氨酸的含量。

1.3.4.4 提取時間對膠原蛋白提取率的影響

用pH 3.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液浸泡溶脹處理后的魚皮，溶脹12 h之后勻漿，選用胃蛋白酶提取，加酶量為15 000 U/g，料液比1∶30，分別提取10、15、20、25、30 h后，10 000 r/min冷凍離心20 min，取上清液，測定羥脯氨酸的含量。

1.3.5 響應面試驗

利用Design-Expert 8.06軟件，按照Box-Behnken試驗設計原理，綜合單因素試驗結果，選取加酶量、緩沖液pH值、料液比、提取時間4 個因素，以提取率為響應值，采用4因素3水平的響應面分析方法，因素與水平如表1所示。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels used in response surface methodology

1.3.6 膠原蛋白的純化

在膠原蛋白提取液中加入氯化鈉晶體，邊加入邊攪拌，使溶液中氯化鈉最終濃度為1 mol/L，倒去上層溶液，將下層溶液與析出白色絮狀物一并倒入截留相對分子質量10 000的透析袋中，采用10 倍于膠原蛋白溶液體積的純水溶液進行脫鹽，每隔6 h換水一次，脫鹽48 h，倒入培養皿，冷凍干燥透析袋內液體。

1.3.7 膠原蛋白結構分析

1.3.7.1 氨基酸組成測定

膠原蛋白溶于6 mol/L鹽酸溶液，130 ℃微波消解60 min，氨基酸自動分析儀分析氨基酸組成[11]。

1.3.7.2 紫外吸收光譜分析

將膠原蛋白溶解于0.5 mol/L的醋酸溶液，配成2 mg/mL的膠原蛋白溶液，于190～400 nm近紫外光區處進行掃描。

1.3.7.3 傅里葉變換紅外光譜測定

測試前，樣品保存在硅膠干燥器中室溫干燥24 h以脫除大部分水分。向樣品中加入KBr研磨，壓片。使用傅立葉變換紅外光譜儀進行檢測。光譜范圍4 000～400 cm-1；分辨率4 cm-1；樣品掃描次數32。

1.3.7.4 十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDSPAGE）分析

采用SDS-PAGE，10%的分離膠和5%的濃縮膠，Tris-甘氨酸緩沖系統。取凍干樣品溶解于0.1 mol/L酒石酸溶液中，加2×SDS樣品緩沖液混合稀釋，100 ℃煮沸處理5 min，自然冷卻后上樣。用微量加樣器分別吸取處理好的樣品10 μL及蛋白質分子質量標準品5 μL，輕輕加入加樣槽內。恒壓條件下用80 V電壓，樣品在濃縮膠內濃縮成一條線進入分離膠后，加大電壓值到140 V，電泳結束后倒入考馬斯亮藍R-250染色液，平緩搖動染色1～2 h。隨后倒出染色液，加入甲醇-乙酸脫色液，平緩搖動脫色至條帶清晰，背景為淺色或無色，期間換脫色液數次[12]。

1.4 數據及圖像處理

利用SAS 9.4軟件對單因素數據進行統計學顯著性分析，所有數據均采用 ±s表示，不同處理間差異采用One-Way ANOVA進行比較分析，以P值小于0.05為差異顯著，最終利用OriginPro 8.5對單因素數據作圖。膠原蛋白SDS-PAGE圖采用凝膠成像系統進行拍照。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

膠原蛋白易受溫度影響，造成三螺旋結構發生變化、肽鍵及其各鏈之間鏈接斷裂，為保證所提膠原蛋白結構穩定，整個實驗過程在4 ℃條件下進行。

2.1.1 加酶量對膠原蛋白提取率的影響

如圖1所示，隨著加酶量的增多，提取率提高，當加酶量增大到15 000 U/g時，底物不足使提取反應飽和，此時，底物濃度是影響提取率的主要因素，在底物濃度保持不變的條件下，增加加酶量，提取率增長緩慢，根據圖1可知，胃蛋白酶提取馬面魚皮膠原蛋白的加酶量最佳選擇為15 000 U/g。

圖1 加酶量對膠原蛋白提取率的影響Fig. 1 Effect of enzyme dosage on extraction efficiency of collagen

2.1.2 緩沖液pH值對膠原蛋白提取率的影響

圖2 緩沖液pH值對膠原蛋白提取率的影響Fig. 2 Effect of buffer pH values on extraction efficiency of collagen

由圖2可知，當pH值為3.0時，胃蛋白酶提取馬面魚皮膠原蛋白的最大提取率為26.4%。

2.1.3 料液比對膠原蛋白提取率的影響

圖3 料液比對膠原蛋白提取率的影響Fig. 3 Effect of solid to solvent ratio on extraction ef fi ciency of collagen

如圖3所示，隨著提取試劑用量的增加，當料液比為1∶30（g/mL）時，提取率達到最大值26.7%，料液比1∶30之后，提取率未有明顯增加。

2.1.4 提取時間對膠原蛋白提取率的影響

圖4 提取時間對膠原蛋白提取率的影響Fig. 4 Effect of hydrolysis time on extraction efficiency of collagen

如圖4所示，在提取反應初期，較短的反應時間內，馬面魚皮中的反應底物還沒有完全溶于提取液中，所以膠原蛋白提取率較低，隨著反應時間的延長，反應底物的溶解量不斷增大，相應地，提取率提高，且提取率增長率較大，在反應進行20 h后，反應底物基本溶解完全，所以延長反應時間，提取率變化不大，提取率增長緩慢。

2.2 響應面優化胃蛋白酶提取馬面魚皮膠原蛋白工藝結果

2.2.1 響應面試驗結果及方差分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件中Box-Behnken法進行4因素3水平的試驗設計，以馬面魚皮膠原蛋白的提取率為響應值進行優化得出29 組試驗安排，試驗設計及結果見表2，對結果進行方差分析見表3。

表2 Box-Behnken試驗設計方案及結果Table 2 Box-Behnken design with experimental results

Box-Behnken響應面設計有各因素自變量取值所構成的24 個三維頂點和重復5 次試驗以估計誤差的區域中心零點，共29 個試驗點。利用Design-Expert 8.0.6軟件對馬面魚皮膠原蛋白的提取率進行多元回歸擬合分析，得到馬面魚皮膠原蛋白提取率回歸方程：Y=26.82+2.08A-0.59B-0.66C+1.17D-0.75AB+0.40AC-0.55AD-0.10BC+0.22BD+0.075CD-1.57A2-5.16B2-2.76C2-1.39D2。

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

對所得到的回歸模型進行顯著性檢驗和方差分析，其結果如表3所示。由表3可以看出,模型P小于0.000 1，說明回歸模型達到極顯著水平，且失擬項P為0.067 5大于0.05，說明回歸模型擬合度較好，試驗誤差小，絕對系數R2為0.976 9，說明97.69%的馬面魚皮膠原蛋白提取率可用該回歸方程分析預測得到，該模型擬合程度良好，回歸方程很好地描述了試驗各因素與響應值之間的真實關系，可以通過此模型分析和預測胃蛋白酶提取馬面魚皮膠原蛋白的工藝參數。校正絕對系數R2Adj為0.953 9，與R2接近，說明該模型有充分的通用性和準確性，并表明有占總變異的4.61%不能用該模型來解釋。變異系數表示試驗的精確度，精確度越小說明試驗數據可靠性越大，本試驗變異系數3.06%，說明試驗數據可靠，精密度為18.855，遠大于4，說明該模型可以用來對試驗結果進行擬合。從表3還可以看出，該模型的一次項和二次項達到極顯著水平，交互項AB對提取率影響顯著，其他因素的影響不顯著。

2.2.2 響應面交互效應分析

在加酶量、緩沖液pH值、料液比、提取時間某兩個因素條件固定不變（0水平）的情況下,根據回歸方程繪制交互項的三維響應面及與之對應的等高線，考察交互項對提取率的影響，并對模型進行降維分析。

等高線的形狀及三維響應面坡度陡峭程度可以反映各因素相互作用的強弱，等高線形狀為鞍形或橢圓形，說明兩者的交互作用顯著；等高線形狀為圓形，則說明兩者交互作用不顯著[13-14]。三維響應面坡度平緩說明響應值對交互因素變化不敏感；坡度陡峭，則說明響應值對交互因素變化敏感[15-16]。本試驗因素間交互作用的等高線及響應面如圖5所示。

圖5 交互作用對膠原蛋白提取率的影響Fig. 5 Interactive effects of various factors on the yield of collagen

由圖5a可知，當加酶量不變時，膠原蛋白提取率隨緩沖液pH值升高先增大后減小，說明緩沖液pH值過高或者過低，都不利于提取，這和胃蛋白酶最適pH值為3有密切關系，當緩沖液pH值不變時，膠原蛋白提取率隨加酶量的增加而增大，但加酶量過高，容易造成膠原蛋白三螺旋結構的破壞，同時根據等高線為橢圓形可以得出，加酶量和緩沖液pH值交互作用明顯，這與表3方差分析中回歸模型系數顯著性檢驗結果一致。由圖5b可知，當料液比不變時，膠原蛋白的提取率隨加酶量的增加而增大，加酶量不變時，隨著料液比的變化，提取率呈現相同的變化趨勢。由圖5c可知，當加酶量不變時，隨著提取時間延長，提取率逐漸增大，但提取24 h后，提取率增加不再明顯，當提取時間不變時，提取率隨加酶量的增加而增大。由圖5d可知，當料液比不變時，膠原蛋白提取率隨緩沖液pH值升高先增大后減小，當緩沖液pH值不變時，膠原蛋白提取率隨料液比變大先增大后減小。由圖5e可知，當緩沖液pH值不變時，隨著提取時間的延長，膠原蛋白提取率呈現相同的變化趨勢，當提取時間不變時，膠原蛋白提取率隨緩沖液pH值升高先增大后減小。由圖5f可知，當料液比不變時，隨著提取時間延長，膠原蛋白提取率變化較小，當提取時間不變時，提取率隨料液比的變化先增大后減小。

2.2.3 最佳提取條件的確定和驗證實驗結果

利用Design-Expert 8.0.6軟件建立的模型對胃蛋白酶提取馬面魚皮膠原蛋白工藝進行優化，得到最大提取率的最佳工藝條件為加酶量16 800 U/g、緩沖液pH 2.97、料液比1∶30、提取時間21.32 h，在此工藝條件下，得到馬面魚皮膠原蛋白的提取率為27.9%，考慮到實際操作的便利性，將最佳工藝條件修正為加酶量16 800 U/g、緩沖液pH 3.0、料液比1∶30、提取時間21.5 h。為驗證模型分析的準確性，在修正后的工藝條件下進行實驗，做3 次平行，結果取平均值，得到馬面魚皮膠原蛋白的提取率為27.6%，與模型預測值相差0.014%，說明該模型可以較好地反映胃蛋白酶提取馬面魚皮膠原蛋白工藝條件的影響，且用Box-Behnken設計法對胃蛋白酶提取馬面魚皮膠原蛋白的工藝優化是可行的。

2.3 膠原蛋白結構分析

2.3.1 氨基酸分析

表4 馬面魚皮膠原蛋白氨基酸組成Table 4 Amino acid composition of collagen from Thamnaconus modestus skin

一般膠原蛋白都由18 種不同氨基酸組合而成。從表4可以看出，馬面魚皮的胃蛋白酶提取產物中，含有18 種氨基酸，其中必需氨基酸有8 種，占總氨基酸含量的30.48%，缺少色氨酸，甲硫氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸和胱氨酸含量較低，甘氨酸含量最高，約占總氨基酸含量的19.64%，同時脯氨酸、羥脯氨酸含量也較高，分別占總氨基酸含量的8.69%、6.82%，據楚水晶[9]報道膠原蛋白中含有18 種氨基酸，缺少色氨酸，大部分膠原蛋白特征芳香氨基酸（酪氨酸，苯丙氨酸）和胱氨酸含量較少，同時含有大量的脯氨酸和羥脯氨酸，其中脯氨酸含量一般應高于羥脯氨酸含量。馬面魚皮的胃蛋白酶提取產物中，氨基酸的組成成分與膠原蛋白的接近，且含量相似，據此可推斷，馬面魚皮的胃蛋白酶提取產物可能為膠原蛋白。

2.3.2 紫外光譜分析

圖6 馬面魚皮膠原蛋白的紫外吸收光譜Fig. 6 UV absorption spectrum of collagen from T. modestus skin

由圖6可知，胃蛋白酶提取馬面魚皮膠原蛋白在220 nm波長處有最大吸收峰，而在280 nm波長處無吸收峰，說明提取的膠原蛋白純度較高[14]。實驗所測和黃石溪[15]所測草魚I型膠原蛋白吸光特性一致。膠原蛋白所含的—C＝O、—COOH、CO—NH2等生色基團在225 nm波長附近對紫外光有較大吸收，本實驗所提膠原蛋白在220 nm波長處吸收最大，這與報道膠原蛋白的紫外吸收特征相一致[16-17]。芳香族氨基酸在250～290 nm波長范圍內有最大吸收，但根據膠原蛋白氨基酸組成可知，芳香族氨基酸，如酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸含量并不多，但吸收有所增強，其中苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸分別在257、275、280 nm波長處有最大吸收峰，所測結果符合3 種氨基酸吸收特性[18-20]。

2.3.3 紅外光譜分析

圖7 馬面魚皮膠原蛋白的紅外光譜圖Fig. 7 Infrared spectrum of the collagen

由圖7可知，3 412.8 cm-1附近為酰胺A帶的N—H伸縮振動峰，證明氫鍵的存在[21-23]，2 925.2 cm-1附近為膠原蛋白酰胺B帶的C—N伸縮振動峰，膠原蛋白的高頻酰胺A、B帶直接與其超螺旋的三股螺旋構型相關[27]。1 650.4 cm-1附近為酰胺I帶的C＝O伸縮振動峰，也是α螺旋的COOH—反對稱收縮振動峰，膠原蛋白的酰胺II帶出現在1 530.7、1 438.2、1 370.8 cm-1處，它是由C—N伸縮振動和N—H彎曲振動、CH2彎曲、COO—對稱伸縮共同引起的[24-29]，1 080.2 cm-1附近為酰胺IV帶的C＝N伸縮振動峰。膠原蛋白紅外吸收光譜與詹永獻[26]所測草魚鰾膠原蛋白紅外吸收一致。出現1 650.4、1 080.2 cm-1和1 438.2 cm-1三個明顯的吸收峰，分別位于酰胺I、酰胺IV帶和酰胺II帶的出峰位置，與文獻中報道的鯉魚皮膠原蛋白[24]、狹鱈魚皮膠原蛋白[25]進行比較，表明馬面魚皮膠原蛋白具有完整的三螺旋結構。

2.3.4 SDS-PAGE分析

圖8 馬面魚皮膠原蛋白的SDS-PAGE圖譜Fig. 8 SDS-PAGE profile of the collagen

由圖8可知，馬面魚皮所提膠原蛋白有α1（α2）、β、γ鏈組成，α鏈分子質量在110～150 kDa之間，β、γ鏈分子質量在200 kDa以上，符合I型膠原蛋白結構特征，與文獻[29-32]所測一致。電泳圖譜無雜帶，可見所提膠原蛋白純度較高。

3 結 論

通過試驗優化得到胃蛋白酶提取馬面魚皮膠原蛋白最佳條件為胃蛋白酶加酶量16 800 U/g、緩沖液pH 3.0、料液比1∶30（g/mL）、提取時間21.5 h，提取率為27.6%。同時對所提膠原蛋白進行氨基酸分析，紫外和紅外光譜分析，SDS-PAGE分析，結果表明所提馬面魚皮膠原蛋白紫外最大吸收峰為225 nm，在1 650.4、1 080.2 cm-1處出現酰胺I、酰胺IV帶和酰胺II帶的紅外吸收峰，含有α1（α2）、β、γ鏈，符合I型膠原蛋白特征，保留了完整的三螺旋結構。