水產(chǎn)品加工廢棄物中的蛋白及生物活性肽的研究進展

吳曉灑，蔡路昀，* ，曹愛玲，李學(xué)鵬，李婷婷，李敏鎮(zhèn)，勵建榮，*

(1．渤海大學(xué)食品科學(xué)研究院，遼寧省食品安全重點實驗室，遼寧錦州121013;2．蕭山出入境檢驗檢疫局，浙江杭州 311208;3．大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，遼寧大連 116600;4．鞍山嘉鮮農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，遼寧鞍山 114100)

水產(chǎn)品因其富含蛋白質(zhì)、鈣、維生素及其它生物活性物質(zhì)，深受廣大消費者的喜愛。隨著生活水平的提高和節(jié)奏的加快，人們對水產(chǎn)品的需求量也越來越大，但在水產(chǎn)品加工過程中，可利用部分僅占50%～70%［1］，而包括頭、殼、皮、鱗、內(nèi)臟在內(nèi)的廢棄物未被合理利用，其利用途徑多限于加工飼料魚粉、提取魚油、生產(chǎn)皮革、制備調(diào)味料等，但隨著水產(chǎn)行業(yè)的不斷發(fā)展和人類需求的提高，這些低附加值的產(chǎn)品已不能滿足人們對生活更高層次的追求。另外，資源的日益短缺要求我們必須合理利用一切資源，不允許魚貝類廢棄物中的大量優(yōu)質(zhì)蛋白及多種生物活性成分被浪費。如果對這些廢棄物深一步加工，結(jié)合高新技術(shù)分離提取純度較高的不同生物活性肽，開發(fā)活性肽的特異功效，并將其廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和食品行業(yè)，這不僅為資源浪費、環(huán)境污染等提供了一個很好的解決方案，還能為水產(chǎn)行業(yè)帶來高額利潤。

生物活性肽是一類特定的蛋白質(zhì)片段，具有一些潛在的生理功能，如止痛、抑菌、抗血栓、降血壓等［2］。通常各種活性肽的構(gòu)造不同，長短各異，從2到20個氨基酸殘基不等。雖然目前已有大量關(guān)于生物活性肽的報道，包括魚類、軟體動物及甲殼類動物等的活性肽［3-4］，涉及功能作用、相對分子大小、氨基酸序列及部分機理方面的研究，但對于活性肽的應(yīng)用性研究還不夠全面。

1 水產(chǎn)品加工廢棄物中的蛋白及其活性肽

1.1 魚類廢棄物中膠原蛋白的利用

膠原蛋白是由3條肽鏈組成的螺旋形纖維狀蛋白，在動物皮膚、血管、骨骼形成中扮演重要角色，具有增生修復(fù)上皮細(xì)胞的作用，可用于燒傷的治療。傳統(tǒng)上主要從陸生動物中提取膠原蛋白，并應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域，然而由于一些宗教、健康等因素，其推廣受到了很大限制，因此開啟了魚類膠原蛋白的時代。

在魚類加工過程中，多余的魚皮、魚骨、魚肉、魚鱗、魚內(nèi)臟被丟棄，有報道顯示，魚類加工過程中廢棄物大約浪費了10%～20%的蛋白質(zhì)［5］，近幾年，開發(fā)水產(chǎn)品加工中的下腳料逐漸成為熱點，靠技術(shù)設(shè)備部分實現(xiàn)了變廢為寶的模式。日本學(xué)者Nagai等［6］從海鱸、金槍魚和鯛魚的魚皮、魚鰭、魚骨中提取膠原蛋白，并對其熱穩(wěn)定性作了對比性研究，魚皮中膠原蛋白含量分別占 51．4% 、49．8% 和 50．1%(干基含量)，而魚骨膠原蛋白含量都在40%以上，且熱穩(wěn)定性高于魚皮和魚鰭的膠原蛋白。Muyonga等［7］將從鱸魚骨與鱸魚皮中提取的膠原蛋白進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)從魚骨中提取的膠原蛋白有較高的濁度和灰分含量，魚骨膠原蛋白膜的延伸性比魚皮膠原蛋白膜的強，推測魚類膠原蛋白有可能代替脊椎動物膠原蛋白。

1.2 魚類廢棄物中活性肽的利用

活性肽是指一些具有特殊生理活性的肽類，是膠原蛋白的水解產(chǎn)物，具有多種獨特的生理功能，這些功能是前體蛋白和游離氨基酸混合物所不具有的，其分子只有納米大小，胃腸、血管及肌膚等極易吸收，其吸收率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大分子蛋白質(zhì)。對肽的研究是從最初的探索到深入對比性的分析研究，挖掘了其內(nèi)在生理價值，改變了對廢棄物的認(rèn)識。多項研究證明，通過酶解魚皮制備的活性肽比其他的下腳料獲得的肽在降血壓和抗氧化方面功效更好［8-9］。Benjakul等［10］水解鱈魚下腳料，對水解液的營養(yǎng)和功能性質(zhì)進行了初步的研究，并探索了活性肽的存在。Morimura等［11］用16種商業(yè)酶對鯡魚骨蛋白進行水解，并對所得的寡聚肽進行分析，發(fā)現(xiàn)水解肽與其他肽類似，具有抗氧自由基和降血壓的功效，同時此肽易于吸收，可作為食品添加劑。國內(nèi)有學(xué)者從羅非魚加工的下腳料魚鱗中提取了活性肽并對其抗氧化性進行了探索研究［12］，確定了酶解提取活性抗氧化肽的最佳工藝。最近劉偉等［13］在酶解羅非魚鱗方面做了優(yōu)化研究，在前人的研究上做出來進一步的深化。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，對下腳料活性肽成分的深入研究是值得的。

1.3 其他水產(chǎn)品加工廢棄物中的蛋白及其活性肽

對于非魚類的一些水產(chǎn)品，如貝類、蝦類、藻類等，其蛋白結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，為活性多肽的提取提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，有利于將活性多肽與礦物質(zhì)結(jié)合，促進礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和吸收，進而開發(fā)新功能產(chǎn)品。甲殼類原料的浪費主要集中在殼類和頭部，約占總廢棄物的30%～45%。殼中除含有甲殼素和類胡蘿卜素外，還含有38%的蛋白質(zhì)，而蝦頭則高達(dá)41%的蛋白質(zhì)［14-15］。早在 1964 年，Schmeer［16］從文蛤軟體中提取到一種腫瘤抑制因子，對小鼠S180肉瘤有顯著的抑制作用，經(jīng)過對其成分的進一步探討，指出這是一類分子量小于10ku的多肽類物質(zhì)。Bernay等［17］從牡蠣勻漿液中分離得到一種具有抗腫瘤作用的低分子活性肽1(bioactive peptides 1，BPO-1)，并證明其可明顯抑制胃腺癌和肺腺癌的細(xì)胞生長。李健寧等［18］從扇貝中提取出一種多肽(polypeptides from chlamys farreri，PCF)，發(fā)現(xiàn)其能促進人臍血干細(xì)胞的分化。此外，如牡蠣、貽貝等雙殼貝類血漿中含有一類小分子陽離子且富含半胱氨酸的活性肽，研究表明該活性肽具有抗菌活性，是貝類免疫體系的重要組成部分［19］。

2 水產(chǎn)品加工廢棄物中多肽的生物活性

2.1 降血壓活性

心血管疾病已被世界公認(rèn)為健康的頭號大敵，其涉及全身的循環(huán)系統(tǒng)。據(jù)報道，全世界約25%的人被高血壓困擾，預(yù)計到2025年全球高血壓人數(shù)會增加到15．6億［20］。當(dāng)前對高血壓和心悸的治療都集中于腎素-血管緊張素系統(tǒng)方面，主要是通過抑制腎素和血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(ACE)這兩種關(guān)鍵酶來實現(xiàn)的，在醫(yī)學(xué)上往往通過服用藥物來治療類似疾病，但臨床上的高血壓藥物也存在一些副作用，如降壓過度、持續(xù)性咳嗽、過敏反應(yīng)和味覺失真等，因此，采取安全可靠的手段治療高血壓等癥狀受到了人們的急切關(guān)注。

目前，有學(xué)者從水產(chǎn)下腳料的水解液中發(fā)現(xiàn)存在具有抑制ACE活性的物質(zhì)，其中所進行的研究見表1。

2.2 抗氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是指體內(nèi)氧化與抗氧化作用的失衡，傾向于氧化，導(dǎo)致中性粒細(xì)胞炎性浸潤，蛋白酶分泌增加，產(chǎn)生大量氧化中間產(chǎn)物。氧化應(yīng)激引起的疾病一般是慢性疾病，例如:心臟病、中風(fēng)、動脈粥樣硬化、癌癥等［29］，此外，氧化應(yīng)激也會引起脂類氧化，導(dǎo)致食品品質(zhì)下降，生產(chǎn)商采用一些合成類抗氧化劑BHA、BHT、TBHQ、沒食子酸等延緩油脂食品的氧化變質(zhì)，但是合成類食品添加劑的使用引起了消費者對其安全性的擔(dān)憂，因此，選擇一些天然抗氧化劑作為食品生產(chǎn)中的輔料，不僅能延長貨架期，而且?guī)缀鯖]有副作用。雖然活性肽的抗氧化機制還沒有完全被世人闡釋，但已有研究表明蛋白酶解液或其他一些肽類物質(zhì)具有清除自由基、抑制酶活、防止脂質(zhì)氧化的能力，其能效與氨基酸的組成、排列以及疏水性基團存在有著緊密的聯(lián)系，如亮氨酸、酪氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸、組氨酸這五種氨基酸可以提供質(zhì)子、電子，進而提高清除自由基的能力［30-31］，對于這類活性肽的制備早在1996年就有涉及，隨著研究的深入，有少數(shù)研究者從水產(chǎn)下腳料中獲取生物活性肽，合理利用資源，增加其附加值。早期學(xué)者使用酸法水解大西洋鱈魚得到活性多肽，證明其具有強大的免疫刺激效果并刺激了大西洋鮭魚白細(xì)胞的氧化迸發(fā)［32］。其他學(xué)者還分別以不同水產(chǎn)品的下腳料為原料進行了深入研究，Mendis等［33］利用魚皮經(jīng)三步酶解法制備了具有較好抗氧化活性的魚皮膠原活性肽，同時從巨型魷魚魚皮制得酶解產(chǎn)物，并測定了其氨基酸序列，得到兩種具有較好抗氧化活性的肽，分別是Phe-Asp-Ser-Pro-Ala-Gly-Val-Leu和Asn-Gly-Pro-Leu-Glu-Ala-Gly-Gln-Pro-Gly-Glu-Arg。國內(nèi)學(xué)者也做了這方面的努力，張寒俊等［34］直接采用酶解法提取了羅非魚皮膠原活性肽，針對羅非魚優(yōu)化了提取工藝，并通過體外模擬實驗說明該肽作為功能因子具有抗氧化的功效。郭瑤［35］研究了羅非魚皮多肽的制備并探索其抗氧化活性，經(jīng)過多級純化得到肽的清除 O-2的 IC50值為4．61μg/mL，發(fā)現(xiàn)該單一峰為復(fù)合肽組分，其主要氨基酸為Ser、Gly、Val、Ala 和 Asp，其分子量范圍是 311．3～932．8u，這些研究與國外相似，所屬氨基酸的類型基本一致。

表1 水產(chǎn)下腳料中的ACE抑制肽Table 1 ACE inhibitory peptides derived from aquatic product residues

2.3 抑菌作用

抗菌肽是一類小分子物質(zhì)，相對分子量小于10ku，一般由少于50個氨基酸殘基構(gòu)成，疏水性氨基酸含量約占一半。通過酶解蛋白質(zhì)切除信號肽和羧基端酸性片段形成具有很強抑菌活性的成熟肽。水產(chǎn)中的抗菌肽主要來源于魚類和無脊椎動物［36］，一般以前體形式合成，由蛋白酶水解除去陰離子前導(dǎo)肽之后釋放出成熟肽，陰離子前導(dǎo)肽功能尚不清楚，它可能具有中和成熟肽陽離子的功能，也可能具有某些生理或者免疫功能［37］。楊燊等［38］采用復(fù)合酶水解南海低值魚蛋白制備多肽，并將其與鈣離子螯合，發(fā)現(xiàn)多肽與鈣離子螯合物具有顯著的抗枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌活性。有研究發(fā)現(xiàn)羅非魚肉的酶解產(chǎn)物對白色念珠菌、大腸桿菌、熒光假單胞菌等具有一定的抑制作用，同時發(fā)現(xiàn)酶解物與鈣離子螯合后其抑菌效果更加明顯［39］。張建榮等［40］利用胃蛋白酶水解鯰魚骨，發(fā)現(xiàn)酶解產(chǎn)物對大腸桿菌、藤黃微球菌和枯草桿菌具有較為明顯的抑菌活性。此外，國內(nèi)相關(guān)研究還從貝類蛋白酶解物中分離富集得到對大腸桿菌等具有抑制作用的抗菌肽，其相對分子量小于 3ku［41-42］。

2.4 螯合鈣作用

隨著肽的進一步發(fā)展，有研究者嘗試?yán)秒暮偷V物質(zhì)螯合，改善人體對礦物質(zhì)的利用。鈣作為維持人體健康的重要礦物元素，在骨骼和牙齒的形成、神經(jīng)遞質(zhì)釋放、肌肉組成和心臟調(diào)節(jié)等生理活動中發(fā)揮著重要的作用，而飲食結(jié)構(gòu)和飲食習(xí)慣等原因?qū)е挛覈用疋}缺乏現(xiàn)象依然嚴(yán)重，多肽具有很強的結(jié)合鈣的能力，其中一些氨基酸可以提供與鈣離子結(jié)合的位點，有利于多肽與鈣結(jié)合反應(yīng)的進行，因此，將兩者結(jié)合可為下腳料的有效利用開辟新的方向，延伸了水產(chǎn)加工產(chǎn)業(yè)鏈，并為人們解決鈣缺乏問題提供了科學(xué)思路。

Kim 等［43］和 Jung 等［44］相繼報道了魚類多肽能夠促進人體對鈣的吸收，隨后，有學(xué)者確定魚類水解液中含有類似肽，并發(fā)現(xiàn)了其中促進鈣吸收的生長因子［45］。其機理是這種肽能夠結(jié)合破骨細(xì)胞表面的接受器，進而通過減少破骨細(xì)胞來促進鈣的代謝。有資料表明，從鱈魚和阿拉斯加鱈魚骨架蛋白中提取的肽類物質(zhì)具有結(jié)合鈣的能力［46-48］。Jung 等［49］做了進一步的研究，改善了多肽結(jié)合鈣的功效，以骨質(zhì)疏松大鼠為對象進行了不同測試，為預(yù)防及治療骨質(zhì)疏松類多肽的應(yīng)用做好了前期準(zhǔn)備，許丹［50］也研究了魷魚皮經(jīng)酶解后具有抗氧化和抑制類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的功效，初探其抑制機理，這為開發(fā)新型治療關(guān)節(jié)炎的功能食品提供了科學(xué)依據(jù)。

2.5 減肥效應(yīng)

肥胖也是人類健康的一大威脅，可引起動脈粥樣硬化、心肌梗塞、腦血管意外等。肥胖會增加慢性疾病的發(fā)生率，縮短人的壽命，對人體帶來的傷害不亞于其他疾病，因此，減肥和預(yù)防肥胖已成為現(xiàn)代人們生活的重要內(nèi)容。近年來有學(xué)者從蝦頭水解產(chǎn)物中得到一種小分子肽(1～1．5ku)，可有效刺激STC-1細(xì)胞釋放縮膽囊素，作為未來的減肥性功能食品，調(diào)節(jié)縮膽囊素的釋放量進而達(dá)到減肥的目的［51］，此類肽被稱為減肥肽，攝入后可促進交感神經(jīng)的活化，誘導(dǎo)褐色脂肪組織的激活，增強基礎(chǔ)代謝的活性，消耗脂肪，達(dá)到減肥的目的。

3 水產(chǎn)品加工廢棄物生物活性肽的商業(yè)前景

傳統(tǒng)的保健品主要來自于植物肽，如大豆肽、沙棘肽等，日本市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些添加有水產(chǎn)下腳料蛋白活性肽的產(chǎn)品，主要用于滿足個人消費和治療輕度高血壓，如LapisSupportTM和Valtyron?，它們具有降血壓的功效，通常以輔料的形式加入飲料中，2010年通過了歐洲食品安全局認(rèn)證，可作為一種新型的保健品［52］。我國對肽類保健品的研究開發(fā)較晚，直到近幾年市場上才陸續(xù)出現(xiàn)少量單功能肽保健品，其中國內(nèi)外水產(chǎn)多肽保健品現(xiàn)狀見表2。

表2 國內(nèi)外水產(chǎn)下腳料保健品現(xiàn)狀Table 2 Present situation of healthy food from aquatic residues in domestic and overseas

國內(nèi)市場自2008年出現(xiàn)以水產(chǎn)多肽為原料的保健品之后，保健品行業(yè)開始生產(chǎn)以水產(chǎn)廢棄物為原料的功能產(chǎn)品，近兩年我國一些大型企業(yè)將目光投向多種口味保健品的生產(chǎn)，有香橙、草莓、蘋果、水蜜桃、藍(lán)莓、西柚等水果口味，品種層出不窮，但功效主要還停留在增強免疫、改善皮膚水分方面，所以需要對其他保健功效進一步開發(fā)應(yīng)用。隨著現(xiàn)代蛋白質(zhì)工程、生物酶工程技術(shù)的迅速發(fā)展，還會有大量的多肽不斷地被開發(fā)出來。因此，我們在積極開發(fā)海洋新產(chǎn)品的同時，應(yīng)集中研究從水產(chǎn)廢棄物中提取具有各種生理功能的低分子肽，結(jié)合生物技術(shù)開發(fā)不同層次的膠原多肽等，擴大膠原蛋白的市場比重。

從水產(chǎn)品加工廢棄物中提取膠原蛋白，既解決了廢棄物的污染問題，又能達(dá)到“低投入，高產(chǎn)出”的模式，促進了水產(chǎn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，同時也削弱了我們對陸生膠原蛋白的需求依賴。然而，在實際生產(chǎn)中膠原蛋白的提取工藝仍需進一步優(yōu)化，結(jié)合新型生物技術(shù)尋求一種綠色高效的方法提取膠原蛋白迫在眉睫。膠原蛋白肽未來的研究重點是發(fā)現(xiàn)新的活性肽及揭示其可能存在的保健功能，使用新技術(shù)將其完美的應(yīng)用于日常生活中，滿足人們的多方面需求，貫穿多行多業(yè)，實現(xiàn)該產(chǎn)業(yè)更高的市場價值。

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