大鯢活性肽酶法制備工藝優(yōu)化及抗氧化性分析

張佳嬋,王昌濤,3,*,李　萌，趙　丹

(1.北京工商大學(xué)理學(xué)院,北京 100048;2.植物資源研究開發(fā)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100048;3.北京食品營(yíng)養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心，北京工商大學(xué)，北京 100048)

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大鯢活性肽酶法制備工藝優(yōu)化及抗氧化性分析

張佳嬋1,2,王昌濤1,2,3,*,李萌1，2，趙丹1,2

(1.北京工商大學(xué)理學(xué)院,北京 100048;2.植物資源研究開發(fā)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100048;3.北京食品營(yíng)養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心，北京工商大學(xué)，北京 100048)

研究了堿性蛋白酶水解制備大鯢活性肽的工藝條件以及大鯢活性肽的理化性質(zhì)。以水解度為指標(biāo),通過Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,確定最佳工藝條件為:酶解溫度50 ℃,酶解時(shí)間1.5 h,酶添加量70 U/g,pH8.91,液料比2∶1(mL/g),蛋白酶解液的水解度值為DH=19.61%±0.12%。所得大鯢活性肽的蛋白質(zhì)含量為52.40%±1.28%。HPLC分析可知該大鯢活性肽的分子量多分布在1000.00 u以內(nèi)。在30 mg/mL,大鯢活性肽對(duì)羥自由基和超氧陰離子自由基的清除率分別為81.83%、56.27%。

大鯢,活性肽,酶解,水解度,抗氧化作用

大鯢(Andriasdavidianus)俗稱娃娃魚,屬兩棲類(Amphibia)有尾目(Caudata)隱鰓鯢科(Cryptobrachidae),主要分布于長(zhǎng)江中上游、珠江中上游及漢水上游地區(qū)[1],屬國(guó)家二類保護(hù)動(dòng)物[2]。2004年頒布的《野生動(dòng)物保護(hù)法》一方面嚴(yán)厲打擊了破壞大鯢資源以及捕殺、販賣等一系列非法犯罪行為,另一方面也鼓勵(lì)馴養(yǎng)繁殖和合法合理經(jīng)營(yíng)。目前,僅湖南省就有30多家大鯢馴養(yǎng)繁殖企業(yè),年繁殖能力已達(dá)4萬到5萬尾[3]。國(guó)務(wù)院野生動(dòng)物保護(hù)辦公室批準(zhǔn)極小數(shù)的養(yǎng)殖專業(yè)戶利用人工養(yǎng)殖子二代以下的無繁殖能力的個(gè)體、傷殘?bào)w進(jìn)行科研、加工和利用,這使得從大鯢體內(nèi)提取營(yíng)養(yǎng)成分為人類服務(wù)成為可能。

目前對(duì)大鯢的研究主要集中在其資源狀況[4]、生物學(xué)習(xí)性[5-6]、繁殖[7]、病害[8]以及功能基因[9-10]方面,有關(guān)大鯢營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和食用價(jià)值的研究也有部分報(bào)道[11-15]。對(duì)大鯢資源的深加工方面主要為宰殺后提取皮、肉、骨,利用方法較為簡(jiǎn)單且附加值低[16]。本文以大鯢肉為原料,先后利用二次酶解技術(shù),對(duì)大鯢肉進(jìn)行脫脂和水解,并對(duì)第二次酶解技術(shù)進(jìn)行了條件優(yōu)化,同時(shí)對(duì)制備的大鯢活性肽進(jìn)行主要成分分析和分子量分布測(cè)定,最后對(duì)抗氧化性進(jìn)行了研究,為其在保健食品中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

大鯢浙江永強(qiáng)養(yǎng)殖公司提供;脂肪酶(1.0×105U/mL)、堿性蛋白酶(7.4×104U/mL)Novozymes(北京)酶制劑公司;牛血清蛋白、維生素B12、氧化型谷胱甘肽(純度均大于99%)北京迪朗生化科技有限公司;其他試劑均為分析純,購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

ZN-048型小型粉碎機(jī)上海安亭科學(xué)儀器廠;TB-214電子天平北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;PHS-3C pH計(jì)上海雷磁儀器廠;UVmini-1240紫外分光光度計(jì)日本島津;高速冷凍離心機(jī)日本立牌SCR20BC型;LGJ-10冷凍干燥機(jī)上海醫(yī)用分析儀器廠;Buchi全自動(dòng)凱氏定氮儀瑞士Buchi公司;Waters 2695高效液相色譜儀美國(guó)Waters公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1制備大鯢活性肽的工藝流程大鯢肉→清洗→絞碎→按液料比3∶1(mL/g)加水勻漿→pH4,40 ℃脂肪酶酶解2 h脫脂→沸水浴滅酶15 min→一定條件下蛋白酶酶解→沸水浴滅酶15 min→5000 r/min離心20 min→過濾→酶解液→冷凍干燥得淡黃色粉末。

1.2.2酶法制備大鯢活性肽的單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1酶添加量的單因素實(shí)驗(yàn)以水解度(DH)為指標(biāo),固定反應(yīng)條件pH8,液料比為3∶1(mL/g),酶解時(shí)間為3 h,酶解溫度45 ℃,酶添加量分別為35、70、140、210、280 U/g,考察酶添加量對(duì)大鯢活性肽制備的影響。

1.2.2.2酶解溫度的單因素實(shí)驗(yàn)以水解度(DH)為指標(biāo),固定酶添加量為140 U/g,pH8,液料比為3∶1(mL/g),酶解時(shí)間為3 h,酶解溫度分別為25、35、45、55和65 ℃,考察溫度對(duì)大鯢活性肽制備的影響。

1.2.2.3pH的單因素實(shí)驗(yàn)以水解度(DH)為指標(biāo),固定酶添加量為140 U/g,液料比為3∶1(mL/g),溫度45 ℃,酶解3 h,pH分別為7、8、9、10、11,考察pH對(duì)大鯢活性肽制備的影響。

1.2.2.4液料比的單因素實(shí)驗(yàn)以水解度(DH)為指標(biāo),固定酶添加量為140 U/g,pH8,45 ℃,酶解時(shí)間為3 h,液料比分別為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1(mL/g),考察液料比對(duì)大鯢活性肽制備的影響。

1.2.2.5酶解時(shí)間的單因素實(shí)驗(yàn)以水解度(DH)為指標(biāo),固定酶添加量為140 U/g,液料比為3∶1(mL/g),pH為8,酶解溫度為45 ℃,酶解時(shí)間分別為1、2、3、4、5 h,考察酶解時(shí)間對(duì)大鯢活性肽制備的影響。

1.2.3響應(yīng)面法優(yōu)化酶法制備大鯢活性肽的工藝條件利用甲醛滴定法測(cè)定所得酶解液的水解度(DH)[17]。

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇對(duì)水解度影響較大的pH、溫度、酶解時(shí)間和酶添加量4個(gè)因素為考察對(duì)象進(jìn)行Box-Behnken設(shè)計(jì),優(yōu)化大鯢活性肽的最佳酶解工藝，因素水平見表1。

表1　Box-Behnken設(shè)計(jì)因素水平表

1.2.4理化性質(zhì)的測(cè)定含水量的測(cè)定采用常壓干燥法,具體參照GB/T5009.3-2010;灰分的測(cè)定采用干法灰化法,參照GB/T5009.4-2010;脂肪含量的測(cè)定采用索氏提取法,參照GB/T5009.6-2003;蛋白質(zhì)含量的測(cè)定采用凱氏定氮法,參照GB/T5009.5-2010。

1.2.5大鯢活性肽分子量的測(cè)定用HPLC檢測(cè)大鯢活性肽的相對(duì)分子質(zhì)量分布。

色譜條件:色譜柱TsK gel 2000 SWXL 300 mm×7.8 mm,流動(dòng)相為乙腈∶水∶三氟乙酸為30∶70∶0.1(v/v/v),檢測(cè)波長(zhǎng)為280 nm,流速為1.00 mL/min,柱溫30 ℃。

樣品制備:以流動(dòng)相為溶劑配制濃度為5.00 mg/mL的樣品,再用微孔膜(0.45 μm)過濾后進(jìn)樣。

標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備:將牛血清蛋白(Mr 67000)、維生素B12(Mr 1335)、氧化型谷胱甘肽(Mr 614)配成混標(biāo),每種物質(zhì)含量均為5.00 mg/mL。

1.2.6大鯢多肽凍干粉的制備采用最優(yōu)工藝條件制備大鯢多肽,對(duì)所得大鯢蛋白水解液進(jìn)行冷凍干燥,條件為-80.00 ℃,0.03 mBar,48.00 h。

1.2.7體外抗氧化活性實(shí)驗(yàn)分別采用NBT法和脫氧核糖法測(cè)定大鯢多肽的超氧陰離子自由基和羥自由基的清除能力[18-19]。

2　結(jié)果與分析

2.1堿性蛋白酶制備大鯢活性肽的單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1酶添加量的確定圖1為不同酶添加量對(duì)大鯢蛋白水解度的影響。由圖1可知,在35～140 U/g范圍內(nèi),隨著酶添加量的增加,大鯢蛋白的水解度增高。在140～280 U/g范圍內(nèi),水解度不再隨著酶添加量的增大而增大,這可能是由于底物已全部與酶形成酶-底物復(fù)合物,沒有多余的底物與酶接觸。因此,綜合考慮,酶的最適添加量為140 U/g。

圖1　酶添加量對(duì)大鯢蛋白水解度的影響Fig.1　Effects of enzyme amounts on the degree of hydrolysis of giant salamander protein hydrolysates注:不同字母表示差異顯著(p<0.05);圖2～圖5同。

2.1.2酶解溫度對(duì)DH的影響不同酶解溫度對(duì)大鯢蛋白水解度的影響見圖2。由圖2可知,溫度為45～55 ℃范圍內(nèi)的水解度最大,低于45 ℃時(shí),隨著酶解溫度的升高水解度增加。超過55 ℃后,水解度緩慢下降,其可能原因是溫度過高使酶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,導(dǎo)致活力降低[20]。

圖2　酶解溫度對(duì)大鯢蛋白水解度的影響Fig.2　Effects of reaction temperature on the degree of hydrolysis of giant salamander protein hydrolysates

2.1.3pH對(duì)DH的影響體系pH影響著酶和底物分子解離集團(tuán)的解離狀態(tài),適當(dāng)?shù)膒H下酶與底物分子可以結(jié)合并促使反應(yīng)進(jìn)行。由圖3可知 pH為9～10時(shí)水解度最大,約為17.50%。pH低于9或高于10時(shí),水解度均有所降低,可見pH=9為堿性蛋白酶催化得到大鯢活性肽的較適pH范圍。

圖3　pH對(duì)大鯢蛋白水解度的影響Fig.3　Effects of pH on the degree of hydrolysis of giant salamander protein hydrolysates

2.1.4液料比對(duì)DH的影響圖4為不同液料比(mL/g)對(duì)大鯢蛋白水解度的影響。圖4可知,液料比在2∶1、3∶1、4∶1時(shí)均保持較高的DH,且水平之間無顯著性差異。所以選取液料比為2∶1,作為后續(xù)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)條件。

圖4　液料比對(duì)大鯢蛋白水解度的影響Fig.4　Effects of the ratio of liquor to material on the degree of hydrolysis of giant salamander protein hydrolysates

圖5　酶解時(shí)間對(duì)大鯢蛋白水解度的影響Fig.5　Effects of reaction time on the degree of hydrolysis of giant salamander protein hydrolysates

2.1.5酶解時(shí)間對(duì)DH的影響本實(shí)驗(yàn)研究了不同酶解時(shí)間處理下大鯢肉糜在堿性蛋白酶作用下的水解度。由圖5可知,在酶解初期的1 h內(nèi),蛋白質(zhì)水解度急劇升高,而在1～5 h內(nèi)變化較為緩慢。

2.2響應(yīng)面法優(yōu)化堿性蛋白酶酶解制備大鯢活性肽的工藝條件

采用響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)(Response Surface Methodology,RSM),對(duì)大鯢活性肽的酶法制備條件進(jìn)行優(yōu)化與統(tǒng)計(jì)分析。利用統(tǒng)計(jì)軟件Design-Expert 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合和分析,考察pH、溫度、液料比和酶解時(shí)間4個(gè)單因素的交互關(guān)系,尋求水解度可能達(dá)到的極大值,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見表2。

表2　Box-Behnken設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表

通過二次模擬回歸系數(shù)計(jì)算,得到以水解度表示的二次回歸擬合方程:

DH=18.16+0.53A+0.14B+0.69C-0.12D-0.61AB-0.26AC-0.25AD+0.078BC-0.29BD-0.73CD-0.63A2+0.29B2-0.49C2-0.25D2

對(duì)表2中實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,方差分析結(jié)果見表3。該模型p值=0.0132(p<0.05視為模型顯著),表明該模型高度顯著,可用來進(jìn)行響應(yīng)值預(yù)測(cè)。

表3　Box-Behnken設(shè)計(jì)模型方差分析

對(duì)于某一特定因素,F值越大,p值越小說明該因素越重要。由表4可知:A(pH)、C(酶解時(shí)間)CD、A2對(duì)酶法制備大鯢活性肽的影響顯著(p<0.05),B(酶解溫度)、D(酶添加量)、AB、AC、AD、BC以及BD的交互作用影響不顯著。

相互作用的響應(yīng)面分析見圖6,酶解時(shí)間、酶添加量的交互作用顯著,其他因素的交互作用影響不顯著。根據(jù)擬合方程,可以得到最佳酶解工藝條件為:酶解溫度50 ℃,酶解時(shí)間1.5 h,酶添加量70 U/g,pH8.91,蛋白酶解液的水解度值為19.76%。

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,在最佳制備條件下進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn),其DH為 19.61%±0.12%,可見該模型能較好地預(yù)測(cè)實(shí)際合成情況。

2.3大鯢活性肽的理化性質(zhì)研究

對(duì)原料大鯢肉和大鯢活性肽的成分進(jìn)行比較分析,結(jié)果見表5。從表5可以看出,酶解處理得到的大鯢活性肽蛋白質(zhì)含量高達(dá)52.40%±1.28%,脂肪含量最低,為0.14%±0.08%?；曳趾枯^高,達(dá)到10.01%±0.42%,這與含水量的降低有很大關(guān)系,也與酶解過程中因pH的調(diào)節(jié)導(dǎo)致生成鹽類有關(guān)?；曳值母吆肯拗屏似湓谑称分械膽?yīng)用,有待于進(jìn)一步的研究。

表4　二次模型回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)

表5　常規(guī)成分分析

注:不同小寫字母表示大鯢肉和大鯢活性肽兩者在同一指標(biāo)下有顯著差異(p<0.05)。

圖6　不同自變量交互作用對(duì)大鯢蛋白水解度影響的響應(yīng)面圖Fig. 6　Response surface for the interaction effects of independent variables on the degree of hydrolysis of giant salamander protein hydrolysates

2.4大鯢活性肽的分子量分布

選用三種標(biāo)準(zhǔn)樣品,分別為牛血清白蛋白、維生素B12和氧化型谷胱甘肽。對(duì)這三種標(biāo)準(zhǔn)樣品(5 mg/mL)進(jìn)行HPLC分析。根據(jù)凝膠柱滲透層析原理,分子量大的物質(zhì)先被洗脫下來,具體分子量、分子量對(duì)數(shù)和洗脫時(shí)間詳見表6。

表6　三種標(biāo)準(zhǔn)樣品的分子量與洗脫時(shí)間的關(guān)系表

制作三種標(biāo)準(zhǔn)樣品的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)樣品經(jīng)HPLC的洗脫時(shí)間的關(guān)系曲線。采用最小二乘法,求出回歸直線方程為:

y=-0.4136x+7.1985(R2=0.9997)

其中,x代表洗脫時(shí)間,y代表分子量對(duì)數(shù)。

由圖7可以看出,大鯢活性肽樣品主要出現(xiàn)三個(gè)組分峰,洗脫時(shí)間分別為10.955、10.172、9.401 min,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出各峰組分的分子量分別為444.32、928.51、2042.90 u,根據(jù)峰面積計(jì)算該三種物質(zhì)分別占44.68%、29.50%、17.58%,三者共占91.76%(表7)。

表7　大鯢活性肽的分子量分布情況表

圖7　大鯢活性肽的HPLC圖譜Fig.7　HPLC spectrpgam of giant salamander peptide

2.5大鯢活性肽對(duì)羥自由基和超氧陰離子自由基的清除作用

由圖8可知,大鯢活性肽對(duì)兩種自由基均具有不同程度的清除作用。隨著添加濃度的增加,大鯢活性肽對(duì)兩種自由基的清除作用也隨之增強(qiáng)。濃度為15 mg/mL時(shí),大鯢活性肽對(duì)超氧陰離子自由基清除率為32.29%;濃度為30 mg/mL 時(shí),大鯢活性肽對(duì)羥自由基的清除率已達(dá)到81.83%,超氧陰離子自由基的清除率達(dá)到了56.27%。以上結(jié)果表明,大鯢活性肽具有較好的抗氧化作用。

3　結(jié)論

以大鯢肉為研究對(duì)象,利用脂肪酶對(duì)大鯢肉初

圖8　大鯢活性肽濃度對(duì)自由基的清除率作用Fig.8　Concentration of giant salamander peptide on free radical scavenging capability

步進(jìn)行脫脂處理,然后利用蛋白酶酶解大鯢肉制備大鯢活性肽,通過響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì),得到了蛋白酶酶解最優(yōu)工藝條件為:酶解溫度50 ℃、酶解時(shí)間1.5 h、酶添加量70 U/g、pH8.91。在此最優(yōu)條件下,DH=19.61%±0.12%。本實(shí)驗(yàn)同時(shí)對(duì)所得大鯢活性肽進(jìn)行了常規(guī)成分分析,得出大鯢活性肽的蛋白質(zhì)含量達(dá)到52.40%±1.28%,其中大鯢活性肽分子量有44.68%分布在444.32 u,29.50%分布在928.51 u,分子量多分布在1000 u以內(nèi);該活性肽對(duì)羥自由基和超氧陰離子自由基均具有不同程度的清除作用。有文獻(xiàn)記載小分子量多肽更有利于人體吸收和抗氧化活性的增強(qiáng)[21-22],這表明大鯢活性肽作為保健食品具有潛在的優(yōu)勢(shì)。

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Optimal enzymatic preparation conditions and antioxidative activity of giant salamander bioactive peptide

ZHANG Jia-chan1,2,WANG Chang-tao1,2,3,*,LI Meng1,2,ZHAO Dan1,2

(1.School of Science,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China;2.Beijing Key Laboratory of Plant Resources Research and Development,Beijing 100048,China;3.Beijing Advanced Innovation Center for Food Nutrition and Human Health,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

In this paper,enzymatic preparation conditions of giant salamander bioactive peptide and its physicochemical properties were studied. Based on the degree of hydrolysis,the preparation method was optimized by response surface methodology. The optimal temperature,the reaction time,the ratio of liquor to material,enzyme amounts,and pH were 50 ℃,1.5 h,2∶1(mL/g),70 U/g ,and pH8.91,respectively,the highest degree of hydrolysis was obtained,up to 19.61%±0.12%. Protein content of the bioactive peptide was 52.40%±1.28% and the molecule weight of the most bioactive peptide was below 1000 u. At the concentration of 30 mg/mL,the scavenging rates of giant salamander bioactive peptide against hydroxyl radical and superoxide anion were 81.83% and 56.27%,respectively.

giant salamander;bioactive peptide;enzymolysis;degree of hydrolysis;antioxidative activity

2015-11-09

張佳嬋(1987-)，女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：食品生物技術(shù)，E-mail：xiaochan8787@163.com。

王昌濤(1975-)，男，博士，教授，研究方向：生物化工，E-mail：wangct@th.btbu.edu.cn。

質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201310132)；質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201410019)。

TS254.1

A

1002-0306(2016)12-0217-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.033