牛初乳小分子多肽的分離及其抗菌作用的研究

郭瑞峰 ，李雪梅 ，劉少偉 ，姚剛

( 1.華東理工大學生物工程學院國家重點實驗室，上海200237；2．中國科學院上海生命科學研究院營養(yǎng)科學研究所食品安全研究中心，上海200031；3.上海健康醫(yī)學院醫(yī)學技術(shù)學院上海201318)

0 引 言

牛初乳是健康母牛分娩后7 天內(nèi)特別是3 天內(nèi)分泌的淡黃色乳汁，黏稠度大，且有特殊的苦味[1]。因富含優(yōu)質(zhì)蛋白、脂肪、維生素和礦物質(zhì)，營養(yǎng)價值往往高出常乳幾倍到幾十倍；并且含有大量免疫因子、生長因子等活性功能成分，因此能增加機體免疫力從而更加有效的抵抗病菌感染，并增強機體抵抗外界環(huán)境應(yīng)激的能力[2]。牛初乳中的免疫因子主要包括乳鐵蛋白、乳過氧化物酶、溶菌酶以及免疫球蛋白，這些因子也稱為抗菌因子[3-4]，因此在抗生素沒有問世前，很多國家或是地區(qū)都把牛初乳作為抗病食物食用。19 世紀50 年代，牛初乳制品(免疫乳)曾被用于治療疾病，20 世紀70 年代，大量的喂養(yǎng)實驗證明牛初乳的優(yōu)質(zhì)抗病地位，1990 年前后科學家開始從功能性食品角度關(guān)注牛初乳的開發(fā)問題，整理出大量有關(guān)研究報告，確認了其作為卓越天然抗病食物的地位，并指出牛初乳可直接用于制造免疫及其他功能性的食品[5-7]。此外，牛初乳還含有大量的糖復(fù)合物，從而影響免疫系統(tǒng)的功能[8-9]。然而，目前對于牛初乳的研究僅限于其中的大分子生物活性物質(zhì)，對于其中小分子物質(zhì)成分卻鮮有涉及。

葡聚糖凝膠色譜法可以根據(jù)樣品相對分子質(zhì)量的大小來分離蛋白質(zhì)及多肽分子，反相高效液相色譜法則可將相對分子量比較接近但是極性不同的蛋白加以分離。本實驗經(jīng)切向流超濾初步分離得到牛初乳3 ku 以下的蛋白多肽，并通過葡聚糖凝膠色譜法聯(lián)合反相高效液相色譜法進一步分離純化，隨后將分離得到的組分進行抑菌實驗并做多肽/蛋白質(zhì)N 端測序分析，確定了牛初乳中3 ku 以下成分的N 端氨基酸序列，為牛初乳的研究和利用開發(fā)提供了一定的實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

牛初乳由上海奶牛場提供；大腸桿菌為本實驗室保存；無水乙醇、甲醇，上海國藥集團；OXOID 牛肉膏；OXOID 胰蛋白胨；Sephadex G-10，G-15，G-25及G-50交聯(lián)葡聚糖凝膠；SY-MU2010切向流超濾系統(tǒng)；ODS-C18 反相高效液相色譜，YMC 公司；HD-4核酸蛋白檢測儀，上海青浦滬西儀器廠；Thermo 冷凍干燥機；ZD-85 氣浴恒溫振蕩器，常州金壇良友儀器有限公司；Thermo 酶標儀；超凈工作臺，蘇州凈化；Thermo低溫離心機。

1.2 實驗方法

1.2.1 牛初乳的預(yù)處理

牛初乳通過低溫離心脫脂去除上層脂肪，之后利用 2 mol/L HCL 調(diào)節(jié) pH 值至 4.0～5.5，攪拌混勻于45 ℃水浴30 min 后再經(jīng) 8 000 g、4 ℃離心 10 min，去除酪蛋白沉淀，在上清蛋白溶液中根據(jù)牛初乳的體積加入20%的酒精以沉淀白蛋白，再于4 ℃以8 000 g離心20 min，棄去下層的蛋白沉淀后，取出上層清液；之后再利用SY-MU2010 切向流超濾系統(tǒng)對所得溶液進行超濾，在0.06 Pa 壓力下使其依次通過10 ku 和3 ku 超濾膜，從而得到 10 ku 以上、3～10 ku 區(qū)間以及3 ku以下區(qū)段的蛋白。

1.2.2 3 ku以下小分子蛋白片段的抑菌試驗

把收集的不同區(qū)段的蛋白溶液及去除的酪蛋白分別放入茄型瓶中，凍干后收集，稱重，記錄獲得的質(zhì)量數(shù)據(jù)。采用牛初乳中3 ku 以下小分子蛋白片段組份進行抑菌試驗。

收集到的牛初乳3 ku 以下小分子蛋白片段經(jīng)過冷凍干燥后用液體LB 培養(yǎng)基配制成100 mg/mL 的溶液，再過濾除菌備用。在無雜菌條件下取200 μL 大腸桿菌菌液于10 mL 液態(tài)LB 培養(yǎng)基中，置于37 ℃搖床培養(yǎng)過夜，第二天早上將活化好的菌液取100 μL 加至10 mL 液態(tài)LB 培養(yǎng)基中，震蕩混勻后加入到96 孔板中，每孔滴加100 μL，獲得96 孔板菌懸液。實驗組及對照組設(shè)置如下：50 mg/mL 組，在菌懸液孔中分別滴加牛初乳3 ku 以下小分子蛋白片段溶液100 μL；25 mg/mL 組，在菌懸液孔中分別滴加牛初乳3 ku 以下小分子蛋白片段溶液50 μL 并添加液態(tài)LB 培養(yǎng)基50 μL；陰性對照組，在菌懸液孔中分別滴加液態(tài)LB培養(yǎng)基100 μL；陽性對照組，在菌懸液孔中分別滴加含30 μg/mL 卡那霉素的液態(tài)LB 培養(yǎng)基 100 μL；空白對照組，在不加菌懸液的空孔中分別滴加不含大腸桿菌的LB 培養(yǎng)基200 μL，所有分組均設(shè)置復(fù)孔并置于37 ℃培養(yǎng)箱中以70 rpm/min 轉(zhuǎn)速震蕩培養(yǎng)，每隔1 h在酶標儀上用600 nm 的波長檢測一次。

1.2.3 葡聚糖凝膠色譜分離

將預(yù)處理好的葡聚糖凝膠填裝于色譜柱，去離子水沖至柱體積恒定。取3 ku以下牛初乳蛋白片段40 mg，溶解于適量去離子水中，3 mL 上樣，去離子水洗脫，流速為1 mL/min 蒸餾水，依次通過Sephadex G-50、Sephadex G-25、Sephadex G-15、Sephadex G-10 細分3 ku以下牛初乳蛋白片段，按照峰型收集。

1.2.4 C18反向柱色譜分離3 ku以下小分子蛋白片段

色譜柱用純甲醇灌滿，沖柱至柱體積恒定，用3 倍柱體積10%甲醇溶液平衡柱子。將樣品經(jīng)0.8 μm 微孔濾膜過濾后上樣。用10%甲醇洗脫，流速1 mL/min，連接紫外檢測儀在線檢測，檢測波長為280 nm。

1.2.5 多肽/蛋白質(zhì)N-端測序分析

將冷凍干燥的牛初乳3 ku 以下小分子蛋白片段經(jīng)由C18 反向柱層析分離收集峰3 的洗脫液，冷凍干燥。把凍干粉末送中國科學院上海生命科學研究院蛋白質(zhì)組學研究分析中心進行多肽/蛋白質(zhì)N-端測序。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 收集從牛初乳中獲得不同區(qū)段的蛋白樣品

每50 mL牛初乳得到樣品質(zhì)量見表1。

表1 50 mL牛初乳得到樣品質(zhì)量

每50 mL 牛初乳經(jīng)過分離凍干后得到樣品總質(zhì)量為4422.87 mg，從表1 可以看出牛初乳中大部分為大分子量蛋白片段，3 Ku以下蛋白片段不足10%。

2.2 牛初乳中3 ku以下小分子蛋白片段的抑菌試驗

圖1 牛初乳中3 ku以下小分子蛋白片段的抑菌試驗

通過樣品對大腸桿菌生長曲線的影響可見牛初乳3 ku 以下區(qū)段蛋白具有顯著的抑菌效果（見圖1），且隨著其濃度的增加其抑菌效果也更佳。

2.3 葡聚糖凝膠色譜分離

圖2 牛初乳蛋白片段的葡聚糖凝膠色譜分離

由上圖可以看出，經(jīng)由Sephadex G-50 和Sephadex G-25 初步確定峰型后利用Sephadex G-15 和G-10 對3 ku 組分繼續(xù)分離，得到了比較明確的三個組分（見圖2）。

2.4 反相高效液相色譜法分離

圖3 反相高效液相色譜法分離3 ku以下小分子蛋白片段

表2 反相高效液相色譜法分離3 ku以下小分子蛋白片段所得各峰面積

結(jié)果表明，經(jīng)C18反相高效液相色譜法分離后，3 ku被分離成4 個部分，按照出峰順序，分別記為1，2，3，4，收集3號流分并凍干（見圖3和表2）。

2.5 多肽/蛋白質(zhì)N-端測序報告

表3 多肽/蛋白質(zhì)N-端測序報告

測序報告表明所得到的氨基酸序列為NH2-Y-Q-E-P-V-L-G-P-V，該序列經(jīng)與網(wǎng)上相關(guān)報道(GenBank 序列號：AAA30431.1)比對分析為牛乳中的β-酪蛋白上的片段[10]（見表3）。

牛初乳是自然界中的天然食品，既含有豐富的為身體發(fā)育所必需的營養(yǎng)成分，又富含生長因子和免疫因子，對提高機體的免疫力，增強體質(zhì)，抗炎抗病毒方面具有很強的功效。其中牛初乳中的大分子蛋白乳鐵蛋白具有廣譜的抗細菌、真菌以及抗病毒和抗腫瘤作用，在抵御病原體侵染、增強機體免疫力等方面具有積極的效果[11]，另外一個大分子物質(zhì)免疫球蛋白在牛初乳中含量最為豐富，并具有多種生物活性功能，可以約束入侵的細菌、病毒等病原微生物的繁殖，并可以通過刺激引起特殊的反應(yīng)來幫助機體抵抗疾病，同時免疫球蛋白還具有活化補體、溶解細菌和中和毒素等功能[2]。本實驗利用超濾膜法在物理條件下分離得到3 ku 以下牛初乳多肽，發(fā)現(xiàn)牛初乳中自然存在的小分子多肽同樣具有抑菌作用，為了進一步確認其抑菌作用成分的組成，將3 ku 以下的牛初乳多肽經(jīng)葡聚糖凝膠色譜 Sephadex G-50、Sephadex G-25、Sephadex G-15 和Sephadex G-10 進行分離，將具有抑菌功效的成分再經(jīng)C18 反相色譜法分離，根據(jù)洗脫下來的峰型收集流分，得到F3組分。

多肽/蛋白質(zhì)N-端測序分析結(jié)果表明，我們得到的3 ku以下牛初乳多肽的氨基酸為NH2-Y-Q-EP-V-L-G-P-V，該序列經(jīng)網(wǎng)上相關(guān)報道比對分析為牛乳中的β-酪蛋白[12]。β-酪蛋白是母乳中蛋白質(zhì)的主要成分，屬于磷酸化蛋白的一種，它占乳蛋白含量的80%，是幼兒或幼崽生長發(fā)育主要蛋白來源，具有誘導體內(nèi)核酸合成，加速體內(nèi)細胞生長，促進T 細胞成熟，提高免疫力等作用。酪蛋白有4 種主要的組成成分，它們分別是αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白，此外還有一些痕量的由β-酪蛋白水解產(chǎn)生的γ-酪蛋白[10，13-14]。酪蛋白是生物活性肽的重要來源，可以通過體內(nèi)的胃腸消化和食品加工過程中的酶解作用將其釋放出來。這些活性肽類包括磷酸肽，抗菌肽，降壓肽，和一些具有免疫調(diào)節(jié)、抗血栓形成以及阿片功能的肽類，從而具有重要而廣泛的生物學機能及調(diào)節(jié)功效[15]。

3 結(jié) 論

目前對于動物初乳的研究往往限于其中的大分子生物活性物質(zhì)，對于天然的小分子物質(zhì)成分卻乏人問津；而與肽相關(guān)的報道也往往是針對經(jīng)過蛋白酶處理后的分解產(chǎn)物[16-17]。本研究在不利用酶解反應(yīng)的情況下，只通過超濾膜法進行物理分離獲得了牛初乳中天然存在的蛋白多肽，并采用檢測其對大腸桿菌生長曲線影響的策略驗證了所獲得的小分子多肽具有一定的抑菌作用，較傳統(tǒng)的抑菌圈測定和平板菌落技術(shù)等方法簡便且高效[17]；而將葡聚糖凝膠色譜及反相色譜法分離得到F3 組分經(jīng)進一步測序分析后證實為β-酪蛋白上的片段則提示了牛初乳中天然小分子多肽可能具有某些未知的功效，為初乳原料利用率的提高及產(chǎn)品制劑的研發(fā)提供了新的思路和依據(jù)。