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肽的營養及其酶法生產的探索

  作者: 來源: 日期:2005-11-28  
1 肽營養研究概況
1.1 肽在動物體內的吸收機制及其特點
1.1.1 單胃動物體內的吸收機制
日糧中的蛋白質經動物消化道內一系列酶的作用,最終降解為游離氨基酸和小肽,關于小肽的轉運機理,可能有以下3種形式:①具有pH依賴性的氫離子和鈉離子轉運體系,不消耗ATP;②依賴氫離子或鈣離子濃度的主動轉運過程,需要消耗ATP;③谷胱甘肽(GSH)轉運系統。
1.1.2 反芻動物體內的吸收機制

Webb(1993)提出反芻動物氨基酸和肽的吸收存在腸系膜系統和非腸系膜系統兩種途徑。空腸、結腸、回腸、盲腸吸收的小肽進入腸系膜系統,而由瘤胃、瓣胃、網胃、皺胃、十二指腸吸收的小肽則進入非腸系膜系統。

1.1.3 肽的吸收特點

肽的吸收具有速度快、耗能低、不易飽和,且各種肽之間轉運無競爭性和抑制性的特點。

1.2 肽的營養功能及影響肽釋放、吸收和利用的因素

據研究報道,小肽具有促進氨基酸的吸收,提高蛋白質的沉積率;促進礦物質元素的吸收利用;提高動物生產性能; 促進瘤胃微生物對營養物質的利用等營養功能。肽還能阻礙脂肪的吸收,并能促進“脂質代謝”,因此,
在保證攝入足夠量肽的基礎上,可將飼料其它能量組分減至最低。另外,體內小肽可促進葡萄糖的轉運且不增加腸組織的氧消耗。Cuber(1989,1990)還發現,酪蛋白水解的某些肽能促進大鼠CCK的分泌。Azuma(1989)則發現雞蛋蛋白中提取的某些肽能促進細胞的生長和DNA的合成。
許多小肽具有生物活性作用可分為免疫活性小肽、神經活性小肽、抗氧化活性小肽等,它們能夠調節生物機體的生命活動或生理作用,激素作用、免疫調節作用、抗菌作用以及消化、吸收促進功能。
影響肽釋放、吸收和利用的因素很多,其中包括:蛋白質的品質;蛋白質的加工、貯藏條件;肽鏈長度;蛋白質的氨基酸組成等。另外,小肽與游離氨基酸的比例不同對動物氨基酸的吸收也有影響。


1.3 幾種肽制品

1.3.1 腸膜蛋白粉(DPS)

其主要成分是豬腸粘膜的水解蛋白,除含豐富的氨基酸外,還含有大量的寡肽。早期斷奶仔豬飼喂DPS可明顯提高仔豬的脂肪酶和胰淀粉酶的活力,而且可使小腸絨毛膜增加,隱窩變淺,從而提高仔豬對營養物質的消化吸收,同時減輕腹瀉和促進生長。


1.3.2 喂大快

是海魚蛋白水解產物,含有一定量的生物小肽、有機螯合微量元素等。喂大快適用范圍廣,有提高動物成活率、產蛋率和受精率等功效。 1.3.3 百傲康

它的主要活性成分是L-丙氨酰-L谷氨酰胺二肽,是一種優秀的小腸營養補充物。

2 肽的工業生產研究概況

2.1 化學合成法

有固相與液相兩種方式,操作雖然不同,但是其原理幾乎是一樣的。化學合成法雖然發展較早,也比較成熟,但仍有許多缺點,包括①消旋化現象;②側鏈官能團需要保護;③整體效率低;④使用大量的有毒溶劑,且成本高昂。因此化學合成法多半用在實驗室,或是高價肽的生產上。
2.2 DNA重組法 沒有化學合成法的缺點,且一旦整合成系統建立好,將可以大量的重復性生產所要的活性肽。但目前的技術在基因的表達與產品回收上仍有問題,同時該法生產的活性肽種類也有限制,不能生產酰胺肽,也不適合制備短鏈肽。
2.3 酶法 此法則有許多的優點,包括反應較溫和、使用的試劑毒性較低、反應具有空間立體性,產物沒有消旋化現象、反應位點具有方向性等。然而,酶發也有局限,利用蛋白酶催化活性肽的合成,最明顯的副作用是蛋白酶本身的水解作用,會造成許多不必要的產物生成,此外缺乏適合使用的蛋白酶、產率低等技術問題也限制酶法的廣泛應用。


2.4 微生物發酵法

此法是通過微生物的生化反應將大豆蛋白轉化為大豆肽。此法生產的肽不是將大豆蛋白質簡單切成小肽,而是通過微生物作用可以對某些苦味基因進行修飾和轉移、重組、在發酵過程中,小肽氨基酸之間又經過代謝、同化,將大豆肽轉化為生物活性肽。


3 大豆肽蛋白酶法生產可行性探索試驗

大豆是一種優質高蛋白高脂肪作物,含蛋白質35.5%左右,含粗脂肪18%~20%。豆粕中幾乎含大豆中的所有蛋白,除蛋氨酸含量較低外,其余氨基酸都十分充足,尤其是賴氨酸和谷氨酸,蛋白質量高,價格低,是飼料上常用的優質蛋白質飼料原料。大豆肽是大豆蛋白經蛋白酶水解或微生物發酵等方法所制得的分子量集中在1
000以下并具有某些生物學功能的混合寡肽。它既有大豆蛋白質的營養學特性,又具有小分子肽所特有的物化特性。本試驗希望為利用豆粕制作大豆肽添加于飼料提供了合適的酶濃度這一試驗參數,對豆粕的2709堿性蛋白酶水解進行了較系統的研究。

3.1 試驗設計

本試驗配制酶濃度分別為0U/ml、200U/ml、400U/ml、600U/ml、800U/ml、1 000U/ml,其它試驗條件不變,通過測定水解度、氮溶指數、蛋白得率、酸溶性氮得率、游離氨基酸這5個主要試驗指標,根據試驗結果并結合工業生產實際確定最合適的酶濃度。試驗方法中每個試樣均取2個平行樣進行測定,以其算術平均值為結果。

3.2 材料與方法

3.2.1 試驗材料 豆粕(含脂1.2%),由無錫正大畜禽有限公司提供。挑選無霉變的優質豆粕,用粉碎機粉碎,過60目,陰涼干燥保存備用。 2709地衣芽孢桿菌堿性蛋白酶(浙江海寧金潮實業有限公司產品)。此酶的活性單位為100萬單位/g純酶粉,最適作用pH9~12,最適溫度為45~55℃。


3.2.2 試驗指標及其測定方法

3.2.2.1 豆粕蛋白質含量

用凱氏定氮法測定蛋白質含量(N×6.25)。

3.2.2.2 蛋白質水解度(Degree of hydrolysis,簡寫DH)

DH(%)=打斷的肽鍵數目/總的肽鍵數目×100% 堿性蛋白酶作用條件下,DH可由下式來計算:

DH%=V·N·1/a·1/Mp·1/h01

式中:

V——消耗堿體積(ml); N——摩爾體積(mol/l); Mp——水解反應中蛋白質總質量(g); h01——為每1g蛋白質中肽鍵的克當量(取8.38);
a——a氨基酸的解離度,a=[10(pH-pK)]/[1+10(pH-pK)],其中pK為氨基的平均pK,按7.0算(平均解離常數), pH為反應起始pH值。


用此方法測定DH,可以依照消耗的堿量做到隨時測出DH。大豆蛋白被2709堿性蛋白酶水解時,使pH不斷降低,以自動電位滴定儀保持pH=9.9,每隔一定時間讀出用去的NaOH量則可計算水解度。

3.2.2.3 氮溶指數(Nsi)

指溶液中的氮量與樣品中總氮量之比,即 氮溶指數(%)=提取濾液中含氮量(g)/加入豆粕總氮量(g)×100% 氮溶指數是衡量豆粕蛋白變性程度的唯一指標。將水解液過濾、離心、定容,取定容濾液,用凱氏定氮法測定其中氮的含量,即為可溶性氮,與被加入的豆粕總氮之比為氮溶指數。


3.2.2.4 蛋白得率

pH=4.5時,大豆蛋白等電點沉淀,測定沉淀的粗蛋白量與加入的豆粕的總粗蛋白量之比即為: 蛋白得率(%)=沉淀蛋白量/豆粕總蛋白量×100% 它是一個檢驗酶對蛋白的水解能力的評估指標。將濾液pH調節至4.5(大豆蛋白的等電點),使大豆蛋白等電沉淀,測定沉淀的蛋白量,與被加入豆粕的總蛋白之比為蛋白得率。


3.2.2.5 酸溶性氮得率 等點沉淀后濾液中可溶性氮則視為酸溶性氮,與所加豆粕的總含氮量之比即為:酸溶性氮得率(%)=等電沉淀后濾液中的氮/所加豆粕的總含氮量×100%
它也是一個檢驗酶對蛋白的水解能力的評估指標。

3.2.2.6 水解液中游離氨基酸的量

用甲醛法滴定氨基酸氮,測定氨基酸的量,可以說明酶水解蛋白產生氨基酸的效果。

3.3 結果與分析 豆粕蛋白含量為44.1%。

3.3.1 蛋白酶濃度對豆粕蛋白水解度的影響

3.3.1.1 不同酶濃度在同一水解條件下連續水解10h,各時間段水解度如圖1所示:




結果表明:在48℃下連續水解10h,最大水解度可達41.81%。水解度在前2h內迅速增加,隨著水解的繼續進行,水解度增加趨勢漸緩,5h以后幾乎不再增加。這表明隨著水解時間的延長,酶的活力漸漸降低,最終喪失。水解5h即可達到很好的效果,再延長水解時間將增加生產成本,降低經濟效益,是不可取的。

3.3.1.2 不同酶濃度在同一水解條件下連續水解5h,各時間段水解度

如圖2所示:



結果表明:在48℃下連續水解5h,酶濃度為400U/ml時水解度即達到30%。

3.3.2 不同酶濃度對豆粕氮溶指數Nsi的影響

選用不同濃度2709堿性蛋白酶進行水解,測得其Nsi 與酶濃度的變化關系見圖3:




結果表明:當酶濃度為0,在中性條件下,豆粕的氮溶指數為35%,為中高度變性豆粕。而在堿性條件(pH=9.9)下,氮溶指數增大到59.18%。另外隨著酶濃度的增加,Nsi也隨之增大,但在酶濃度200U/ml以上,酶濃度再增加Nsi增加趨勢漸緩。2709堿性蛋白酶可以提高豆粕的氮溶指數,這說明酶對蛋白有良好的水解能力。

3.3.3 不同酶濃度對蛋白得率的影響 不同酶濃度與蛋白得率的關系如圖4所示:



結果表明: 2709堿性蛋白酶使蛋白得率有了很明顯的降低,這說明該蛋白酶對豆粕蛋白具有良好的水解性能。但在酶濃度200U/ml以上,酶濃度再增加蛋白得率下降趨勢漸緩。

3.3.4 不同酶濃度對酸溶性氮得率的影響

不同酶濃度與酸溶性氮得率的關系如圖5所示:




結果表明:隨著酶濃度的增加,酸溶性氮得率也隨之增大,但在酶濃度200U/ml以上,酶濃度再增加酸溶性氮得率上升趨勢漸緩。另外,在酶的作用下酸溶性氮得率都在70%~80%左右,說明水解效果非常好。


3.3.5 不同酶濃度對游離氨基酸含量的影響

結果表明:隨著酶濃度的增加,水解液中氨基酸含量也隨之增大,但都在9%~10%之間。2709堿性蛋白酶是一種專一性差的內切酶,控制好試驗條件可以既經濟又高效的得到肽溶液,且產生較少的氨基酸。

3.4 討論

3.4.1 生產成本概算

本試驗是探索酶法工業生產大豆功能性短肽的可行性,本著商業化生產低成本、高效率的原則,試驗的每一步設計都考慮與實際生產結合。試驗所涉及的方法,大部分能被工業生產所接受。根據試驗結果,考慮實際生產情況,結合工業生產的經濟效益,選定酶濃度為400U/ml,水解1kg
豆粕可得到350g水解產物(包括肽和氨基酸),其中氨基酸略小于35g。具體成本費用如表1所示:



3.4.2 水解肽的質量考查大豆肽的質量指標

酶濃度為400U/ml時試驗結果與標準比較見表2,表明水解得到的大豆肽質量良好。



3.4.3 試驗的不足之處及其后續工作

由于時間與條件的限制,最終未能將試驗完成,只進行到了水解階段,測得了以上數據并得出了以上結論,僅供參考。還有許多地方需要改進和完善,并且還有一些后續工作有待完成。
整個試驗中酶的使用是生產成本的一個重要部分之一。如果酶能夠連續持久的使用,可以很好的降低生產成本。建議使用現代生物技術將酶固定,以提高其利用率。由于條件和時間的限制,本試驗未對此進行研究。
本試驗僅通過對游離氨基酸的測定,及通過對酸溶性肽得率的計算從側面反映了水解產物——肽的質與量的情況。但是這并不能反映出水解產物中究竟含有哪些物質,是否有用都不清楚。我們采用酶法降解大豆蛋白主要是為了從水解物中能夠提取某些生物活性肽,作為飼料添加劑。然而,由于水解產物比較復雜,提取比較麻煩,增加了經濟成本,應該進一步改進提取工藝。


3.5 結論

本試驗通過對豆粕的2709堿性蛋白酶不同酶濃度水解情況進行了較系統的研究比較,結合實際生產,考慮經濟效益,最終選定酶濃度為400U/ml。酶濃度為400U/ml時,水解度為29.78%,氮溶指數為79.25%,蛋白得率為5.97%,酸溶性氮得率為73.28%,游離氨基酸占總氮的百分比為9.61%,水解1kg豆粕生產成本為23.9元。

4 結語與展望

小肽的營養已逐漸被人們接受和認可,在加強小肽營養的理論研究的同時,肽制品的開發和研制也已經引起了人們極大的關注。然而,肽的生產還存在很多亟待解決的問題:如果生產條件控制不當,是否會產生對動物機體有害的肽類?如何鑒別與剔除有害的肽類?如果利用酶法生產,由于不同的酶有不同的切點,是否可以用不同的酶之間的合理搭配,使蛋白最大限度的水解成短肽?如何用經濟的方法從蛋白水解物中提取活性短肽?因此,對肽的生產及應用還需進行更加深入細致的研究,使肽營養理論更好的服務與畜牧業及人類健康。
 
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