魚類副產(chǎn)物中抗氧化肽及活性機(jī)理研究進(jìn)展

馮建慧,曹愛玲,蔡路昀,3,*,李秀霞,于志鵬,趙　崴,勵(lì)建榮,3,*

(1.渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧錦州 121013;2.蕭山出入境檢驗(yàn)檢疫局,浙江杭州 311208;3.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶 400715;4.大連天寶綠色食品有限公司,遼寧大連 116001)

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魚類副產(chǎn)物中抗氧化肽及活性機(jī)理研究進(jìn)展

馮建慧1,曹愛玲2,蔡路昀1,3,*,李秀霞1,于志鵬1,趙崴4,勵(lì)建榮1,3,*

(1.渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧錦州 121013;2.蕭山出入境檢驗(yàn)檢疫局,浙江杭州 311208;3.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶 400715;4.大連天寶綠色食品有限公司,遼寧大連 116001)

本文綜述了魚類副產(chǎn)物(魚皮,魚骨、魚鱗)和低值魚中抗氧化肽的研究現(xiàn)狀,通過對抗氧化肽的活性機(jī)理(清除自由基、抑制油脂氧化、螯合金屬離子和其他抗氧化劑協(xié)同作用)進(jìn)行闡述,也對其工業(yè)化生產(chǎn)提出展望,旨在為魚源抗氧化肽的研究和開發(fā)提供參考價(jià)值,同時(shí)提高魚類廢棄物的附加值。

魚類,副產(chǎn)物,抗氧化肽,活性機(jī)理

近年來,隨著我國水產(chǎn)品加工業(yè)的不斷發(fā)展,魚類在加工過程中通常會產(chǎn)生大量副產(chǎn)物,主要包括魚皮、魚鱗、魚骨、魚內(nèi)臟等,這些下腳料連同一些低值魚一般作為廢棄物直接丟棄,造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國2014年水產(chǎn)品產(chǎn)量為6461.52萬t,其中魚類產(chǎn)量為2711.94萬t[2],生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的下腳料重量約占原料魚重量的40%～55%[3]。魚類下腳料中蛋白質(zhì)含量豐富,氨基酸組成合理,目前水產(chǎn)品廢棄物再利用是國內(nèi)外水產(chǎn)課題組研究的熱點(diǎn)問題之一。傳統(tǒng)處理方法是將魚下腳料加工成魚粉、魚糜等制品或直接丟棄[4],而新型的加工方法是制備功能肽[5]?？寡趸氖钱?dāng)前研究較多且影響較廣的一類。相關(guān)研究表明,從魚類及其酶解液中分離的抗氧化肽具有很高的抗氧化活性,能有效清除人體產(chǎn)生的自由基,抑制脂質(zhì)過氧化等作用,在人體內(nèi)新陳代謝和食品保鮮中發(fā)揮著重要的作用[6-9]。

抗氧化劑是食品添加劑中的重要成員之一。市場上常見的抗氧化劑有二丁基羥基甲苯(butylated hydroxytoluene,BHT)、丁基羥基茴香醚(butylated hydroxyanisole,BHA)、叔丁基對苯酚(tertiary butylhydroquinone,TBHQ)和沒食子酸(gallic acid,PG)等[10]。由于這些添加劑屬化學(xué)合成物質(zhì),不僅成本高,同時(shí)還存在著一定安全隱患。因此,低價(jià)、高效、無毒的食源性抗氧化劑的開發(fā)已成為研究熱點(diǎn),各種魚源生產(chǎn)的抗氧化肽以其分子量小、易吸收、活性強(qiáng)、無毒副作用等優(yōu)點(diǎn)而受到重視。通過開發(fā)利用魚類加工中副產(chǎn)物,不僅能提升水產(chǎn)品的附加值,還進(jìn)一步豐富了天然抗氧化劑的來源,并對減少環(huán)境污染起到一定作用。目前,國內(nèi)外研究人員從不同來源的水產(chǎn)品下腳料中制備出具有抗氧化活性的功能肽[11-14],本文主要綜述魚源抗氧化肽的來源及其作用機(jī)理,并對未來天然抗氧化劑的發(fā)展提出展望和建議。

1　抗氧化肽來源

抗氧化肽的特點(diǎn)是分子量小,一般由3～20個(gè)氨基酸殘基組成[15-16],易于人體吸收利用等。以魚源為原料,利用不同種類酶解液制備的抗氧化肽見表1。

表1　酶解魚下腳料獲得的抗氧化肽Table 1　Antioxidant peptides prepared by hydrolyzing aquatic product residues

1.1低值魚魚肉抗氧化肽

1.2魚皮抗氧化肽

目前,已有很多研究者從不同種類魚皮原料中提取制備抗氧化肽。Cai等[27]從草魚魚皮中制備了3種抗氧化肽,其氨基酸序列分別為VGGRP、PYSFK和GFGPEL。研究表明,這3種抗氧化肽不僅具有較高的抗氧化活性,且能有效抑制亞油酸的過氧化反應(yīng)。Jia等[28]以阿拉斯加鱈魚魚皮為原料,利用復(fù)合蛋白酶制備出2～8個(gè)氨基酸殘基的寡肽,其具有一定的抗氧化活性,但其抗氧化活性低于谷胱甘肽的活性。Senphan等[29]以鱸魚魚皮為原料,利用胰蛋白酶制備抗氧化肽,具有清除DPPH自由基和還原Fe3+的能力。從不同種類的魚皮中制備的抗氧化活性肽都表現(xiàn)出較高的抗氧化活性。

1.3其他魚源副產(chǎn)物抗氧化肽

2　抗氧化肽的作用機(jī)制

人體和脊椎動物的呼吸類型都是需氧呼吸,在維持基本的生命活動代謝過程中會產(chǎn)生很多含氧自由基,如表2所示[33]。

表2　體內(nèi)常見的自由基Table 2　Common free radicals in body

自由基是指含有未成對電子的原子、離子或分子,由于未成對電子具有成雙的趨勢,因此易失去電子或得到電子來趨于穩(wěn)態(tài),同時(shí)顯示出活潑的化學(xué)性質(zhì)[18]。在機(jī)體內(nèi)這些過多的自由基如果不及時(shí)清除,就會對機(jī)體的大分子(蛋白質(zhì)、糖類、核酸、脂類等)進(jìn)行破壞性攻擊,造成不可逆的氧化性損傷。隨著身體狀況、膳食結(jié)構(gòu)等的改變,內(nèi)源性抗氧化物質(zhì)的不足或缺失,需要由外源性抗氧化肽補(bǔ)充并對自由基進(jìn)行清除。大量實(shí)驗(yàn)表明,抗氧化肽的活性主要與不同氨基酸的組成、氨基酸之間的排列順序、抗氧化肽分子量大小以及分子在機(jī)體內(nèi)吸收利用率有關(guān)[34]?？寡趸瘎┑淖饔脵C(jī)制主要包括清除體內(nèi)自由基,抑制脂肪的自動氧化,與金屬離子螯合,與其他抗氧化劑協(xié)同等作用。

2.1清除自由基

自由基在維持細(xì)胞功能和基因表達(dá)過程中扮演著重要的角色:能維持細(xì)胞氧化還原平衡,調(diào)控生物能量平衡,控制基因表達(dá)和細(xì)胞分化。過氧陰離子和過氧化氫構(gòu)成第二信息系統(tǒng),對人體代謝系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)揮至關(guān)重要的作用[21]。但隨著年齡的增長,機(jī)體代謝系統(tǒng)功能退化,導(dǎo)致體內(nèi)自由基含量失衡,使機(jī)體內(nèi)正常的生理代謝反應(yīng)發(fā)生紊亂,從而引發(fā)自由基在細(xì)胞內(nèi)不能發(fā)揮正常的生理機(jī)能,進(jìn)而發(fā)生氧化損傷,導(dǎo)致衰老、血液循環(huán)故障、腫瘤等各種慢性疾病[35]。研究表明,抗氧化肽能保護(hù)人體不被活性氧自由基傷害,發(fā)揮著積極的作用[7]。

目前抗氧化肽清除機(jī)體內(nèi)自由基的作用機(jī)理主要包括以下幾個(gè)方面:芳香族氨基酸Trp、Tyr和Phe有可能成為抗氧化肽的活性位點(diǎn),主要是因?yàn)榉枷阕灏被嶂泻卸鄠€(gè)不飽和雙健,其可提供氫,減緩或終止自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng),而自身可以通過共振維持穩(wěn)定[36]。抗氧化肽能提供電子,肽分子具有還原能力給出電子,進(jìn)而清除自由基。當(dāng)抗氧化肽序列中含有Leu、Tyr、Trp、His、Pro、Met和Trp等疏水性氨基酸或芳香族氨基酸時(shí),由于疏水性氨基酸增加了脂肪的溶解度,并與自由基的相互作用,可增強(qiáng)多肽的抗氧化活性[37-38]。當(dāng)抗氧化肽序列中含有Met、Cys時(shí),由于分子結(jié)構(gòu)上的具有很強(qiáng)的親核性質(zhì),因此該類氨基酸易發(fā)生親核取代反應(yīng)和加成作用,從而使有毒親電物質(zhì)極性降低、毒性減弱。另外,該類氨基酸屬極性氨基酸,并帶負(fù)電荷,因此可提高與之結(jié)合親電子物質(zhì)分子的親脂部分的水溶性,使自由基更容易清除[9]。抗氧化肽結(jié)構(gòu)分子中含有自由基緩沖作用,能與自由基直接反應(yīng),從而達(dá)到能夠清除自由基的目的。

2.2抑制油脂的自動氧化

脂肪在機(jī)體內(nèi)發(fā)揮著重要的生理功能,不僅是細(xì)胞的組成成分,而且為機(jī)體提供能量,幫助脂溶性維生素的吸收和運(yùn)輸,提供機(jī)體必須的脂肪酸。在人體內(nèi),越來越多的證據(jù)表明心血管疾病的增加與油脂的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)有關(guān)[39];在食品中,引起食品的色香味改變以及營養(yǎng)價(jià)值的損失,最主要的原因就是油脂的氧化腐敗。尤其是不飽和脂肪酸中含有不穩(wěn)定的雙鍵,極易被氧化。因此食源性抗氧化肽用來抑制或減緩油脂的氧化是食品營養(yǎng)學(xué)研究的重點(diǎn)。

油脂的自動氧化主要包括鏈的激發(fā),鏈的延伸,鏈的終止三個(gè)步驟[40],此反應(yīng)連續(xù)不斷進(jìn)行,造成食品品質(zhì)劣變和人體心血管疾病的發(fā)生。Rajapakse[41]等制備出了兩種抗氧化肽,氨基酸序列分別是AAAFGLAGLGGLA和AGLGLK,其可阻斷油脂自動氧化的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。Jung[42]和Qian[43]等制備出的抗氧化肽不僅具有清除羥自由基、超氧自由基和DPPH自由基的能力,而且對多不飽和脂肪酸的抗氧化效果優(yōu)于天然抗氧化劑(VC、VE)。

目前認(rèn)為抗氧化肽抑制油脂氧化的作用機(jī)理主要包括以下方面:肽鏈中含有較多的疏水性氨基酸,具有很強(qiáng)的乳化能力,且暴露出更多的活性位點(diǎn)[44]。當(dāng)油溶性的自由基對脂肪酸尤其是亞油酸進(jìn)行破壞時(shí),抗氧肽的活性位點(diǎn)發(fā)揮作用,抑制油脂的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[45]?？寡趸膶χ狙趸赣忻黠@的抑制作用[46]。

2.3金屬離子螯合作用

人體內(nèi)含有很多金屬元素,這些金屬元素目前研究較多的有:鉀、鈉、鈣、鎂、鐵及鋅等元素。在人體內(nèi)金屬元素通常以離子的形式通過與生物配位體如蛋白質(zhì)、維生素、激素、核酸、代謝物質(zhì)等形成金屬蛋白、金屬酶等生物配合物,在生命新陳代謝的過程中發(fā)揮著重要的生化及生理作用。某些抗氧化肽具有螯合金屬元素的功能,從而控制機(jī)體發(fā)生的氧化反應(yīng)[47]。

通過抗氧化肽對金屬離子的絡(luò)合,降低需要有金屬離子參與催化的產(chǎn)生自由基反應(yīng)的速率,從而間接實(shí)現(xiàn)抗氧化作用。其主要作用機(jī)理包括以下幾個(gè)方面:抗氧化肽可作為氫供體,來維持金屬元素的原有價(jià)態(tài),例如將鐵離子維持為二價(jià)鐵離子,因此金屬元素不能催化脂質(zhì)的氧化,從而達(dá)到抗氧化的作用[48]?？寡趸目梢则限D(zhuǎn)運(yùn)的金屬離子,從而阻斷了以金屬離子為輔酶或輔基的脂質(zhì)過氧化物反應(yīng),尤其是組織破壞性較強(qiáng)的芬頓(Fenton)反應(yīng)的發(fā)生[49]?？寡趸呐c金屬離子形成復(fù)合物,使得催化反應(yīng)的催化劑失去作用,研究表明,Glu是一種有效的陽離子螯合劑,它能夠與Fe、Zn、Ca形成復(fù)合物,從而阻斷油脂自動氧化的進(jìn)程[50]。

2.4與其他抗氧化劑協(xié)同作用

某些抗氧化肽在加入一些其他抗氧化成分,或與機(jī)體內(nèi)自身抗氧化成分同時(shí)存在時(shí),其抗氧化活性會大大加強(qiáng),這是由于抗氧化成分之間彼此產(chǎn)生了協(xié)同作用,即抗氧化肽分子與其它抗氧化成分形成高效、復(fù)合型物質(zhì)而產(chǎn)生更顯著的抗氧化效果。

目前抗氧化肽與其他抗氧化劑發(fā)生協(xié)同抗氧化的機(jī)理主要為以下幾個(gè)方面:修復(fù)再生功能?？寡趸暮推渌寡趸瘎┕δ苌洗嬖诿黠@的互補(bǔ)作用,通過電子轉(zhuǎn)移等方式來維持還原劑的能力[29,51]。清除氧氣：在反應(yīng)體系中,抗氧化肽可直接與氧氣反應(yīng),降低氧氣的濃度,從而降低其他抗氧化劑與氧反應(yīng)生成的過氧化自由基[52]。偶聯(lián)氧化：降低與底物直接反應(yīng)的抗氧化肽與另外一種抗氧化物之間的電勢差,使反應(yīng)更易進(jìn)行;偶聯(lián)的抗氧化劑使油水分配系數(shù)互為補(bǔ)充,在某一體系中分布合理,充分發(fā)揮抗氧化肽與另外一種或幾種抗氧化劑的抗氧化能力[9]。與氧化有關(guān)的酶聯(lián)合作用?？寡趸耐ㄟ^抑制氧化酶或過氧化酶的活性協(xié)同發(fā)生作用[53]。與金屬離子形成絡(luò)合物。抗氧化劑中的某種成分與氧化體系中的金屬離子形成螯合物,降低金屬離子對體系氧化的催化作用[54]。

在不同的介質(zhì)中,抗氧化肽發(fā)揮其抗氧化生物活性的作用位點(diǎn)不同。在復(fù)雜的食物體系中,抗氧化肽比前體蛋白顯示出較高的活性,其可以與其他化合物(如碳水化合物和脂類)在食物環(huán)境中發(fā)生相互作用[55]。目前在理論上,抗氧化肽構(gòu)效關(guān)系尚未徹底闡明。不同來源的抗氧化肽是否存在相同的氨基酸序列,活性位點(diǎn)的分布特點(diǎn)及作用機(jī)理,抗氧化肽活性與構(gòu)成氨基酸的關(guān)系,抗氧化肽與非肽抗氧化劑的協(xié)同增效或拮抗關(guān)系及其機(jī)理值得深入探討[56]。

3　抗氧化肽的前景與展望

魚源蛋白質(zhì)含量豐富,氨基酸組成合理,是制備抗氧化肽的良好來源,其主要優(yōu)點(diǎn)有:安全性高：魚源抗氧化肽屬天然抗氧化劑,存在于魚體中,提高了其食用安全性。原料充足：我國是水產(chǎn)品生產(chǎn)加工大國,魚類種類繁多,數(shù)量充足,為大量生產(chǎn)加工抗氧化肽提供了廣闊平臺。生物活性高：魚源抗氧化肽具有分子量小、活性強(qiáng)、易吸收等特點(diǎn),為機(jī)體細(xì)胞的抗氧化損傷和食品保鮮發(fā)揮著重要作用。保健功能：魚源性抗氧化肽具有較高營養(yǎng)特性和多種積極生理活性,未來在營養(yǎng)食品、保健食品以及特殊人群的膳食中有較好的應(yīng)用前景。

盡管近年來對魚類下腳料的研究取得了很多理論上的成功,但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中綜合提升其利用率還存在一些弊端亟待解決。目前,只是將魚類下腳料加工成飼料、魚粉等低級產(chǎn)品,這些下腳料中的蛋白質(zhì)和生物活性物質(zhì)沒合理利用,甚至有些企業(yè)把下腳料當(dāng)成廢棄物直接丟棄,這樣不僅造成資源的浪費(fèi),還會污染環(huán)境。對于未來的發(fā)展趨勢,主要存在以下幾個(gè)方面:目前的研究只針對單一魚種,其實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果只局限于單一品種,由于不同種類的魚營養(yǎng)成分、生長環(huán)境等存在差異性,其加工工藝需要統(tǒng)一,成品抗氧化肽的分子量、性質(zhì)需要增強(qiáng)穩(wěn)定性?？寡趸纳虡I(yè)化產(chǎn)品較少,臨床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果不充足(致敏性、安全性、生物活性),且在生物體內(nèi)的作用機(jī)制由于其復(fù)雜性,因而不全面,需要通過生化實(shí)驗(yàn)與量子模型相結(jié)合,形成統(tǒng)一全面的理論模型,需要進(jìn)一步的深層次挖掘。魚源抗氧化肽在活性上的不足,需要其他修飾技術(shù)如糖接枝,礦物質(zhì)螯合技術(shù)對抗氧化活性進(jìn)行完善。

目前,魚類副產(chǎn)物中抗氧化肽的研究仍有很大的發(fā)展空間,隨著研究投入的增多和研究手段的更新,尤其是蛋白質(zhì)組學(xué)和肽組學(xué)等技術(shù)在其領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,其活性作用機(jī)理將會更清晰地闡明。由于魚類資源豐富,副產(chǎn)物含量極高,將其加工成天然的抗氧化劑不僅減少了魚品加工的運(yùn)行成本,而且合理運(yùn)用了其生物活性價(jià)值,因此開發(fā)魚源副產(chǎn)物生物活性肽具有廣闊的市場前景。

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Research progress of antioxidant peptides from fish byproduct and its active mechanism

FENG Jian-hui1,CAO Ai-ling2,CAI Lu-yun1,3,*,LI Xiu-xia1,YU Zhi-peng1,ZHAO Wei4,LI Jian-rong1,3,*

(1.College of Food Science and Engineering of Bohai University,National&Local Joint Engineering Research Center of Storage,Processing and Safety Control Technology for Fresh Agricultural and Aquatic Products,Food Safety Key Lab of Liaoning Province,Jinzhou 121013,China;2.Xiaoshan Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Hangzhou 311208,China;3.College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China;4.Dalian Tianbao Green Foods Co.,Ltd,Dalian 116001,China)

The research situation of fish byproducts(skin,bones and scales)and low-value fish,especially the production of antioxidant peptides derived from them and the comprehensive utilization of fish processing byproducts were reviewed in this paper. The mechanism of antioxidant peptides(free radicals scavenging,inhibition of lipid oxidation,metal ions chelating and synergism with other antioxidants)was described and the industrialized production was also stated. Moreover,it aims to provide the reference for future commercial exploitation and direction for future studies,as well as to improve the added value of aquatic product processing wastes.

Fish;byproduct;antioxidant peptide;activity mechanism

2016-01-29

馮建慧(1992-),女,碩士,主要從事水產(chǎn)品副產(chǎn)物功能性物質(zhì)提取方面的研究,E-mail:jhfeng0122@163.com。

蔡路昀(1981-)男,博士,副教授,研究方向：海洋食品化學(xué)與功能食品,E-mail:clyun2007@163.com。

勵(lì)建榮(1964-),男,博士,教授,主要從事水產(chǎn)品和果蔬貯藏加工及安全方面的研究,E-mail:lijr6491@163.com。

國家自然科學(xué)基金(31401478,31471639);國家博士后基金面上項(xiàng)目(2015M570760);“十二五”國家科技支撐計(jì)劃(2012BAD29B06);遼寧省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2015103020);國家留學(xué)基金資助(201508210023);重慶市博士后特別資助項(xiàng)目(Xm2015021)。

TS254.9

A

1002-0306(2016)15-0365-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.15.063