鱼类副产物中抗氧化肽及活性机理研究进展

冯建慧,曹爱玲,蔡路昀,3,*,李秀霞,于志鹏,赵　崴,励建荣,3,*

(1.渤海大学食品科学与工程学院,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁省食品安全重点实验室,辽宁锦州 121013;2.萧山出入境检验检疫局,浙江杭州 311208;3.西南大学食品科学学院,重庆 400715;4.大连天宝绿色食品有限公司,辽宁大连 116001)



鱼类副产物中抗氧化肽及活性机理研究进展

冯建慧1,曹爱玲2,蔡路昀1,3,*,李秀霞1,于志鹏1,赵崴4,励建荣1,3,*

(1.渤海大学食品科学与工程学院,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁省食品安全重点实验室,辽宁锦州 121013;2.萧山出入境检验检疫局,浙江杭州 311208;3.西南大学食品科学学院,重庆 400715;4.大连天宝绿色食品有限公司,辽宁大连 116001)

本文综述了鱼类副产物(鱼皮,鱼骨、鱼鳞)和低值鱼中抗氧化肽的研究现状,通过对抗氧化肽的活性机理(清除自由基、抑制油脂氧化、螯合金属离子和其他抗氧化剂协同作用)进行阐述,也对其工业化生产提出展望,旨在为鱼源抗氧化肽的研究和开发提供参考价值,同时提高鱼类废弃物的附加值。

鱼类,副产物,抗氧化肽,活性机理

近年来,随着我国水产品加工业的不断发展,鱼类在加工过程中通常会产生大量副产物,主要包括鱼皮、鱼鳞、鱼骨、鱼内脏等,这些下脚料连同一些低值鱼一般作为废弃物直接丢弃,造成环境污染和资源浪费[1]。据统计,我国2014年水产品产量为6461.52万t,其中鱼类产量为2711.94万t[2],生产过程中产生的下脚料重量约占原料鱼重量的40%～55%[3]。鱼类下脚料中蛋白质含量丰富,氨基酸组成合理,目前水产品废弃物再利用是国内外水产课题组研究的热点问题之一。传统处理方法是将鱼下脚料加工成鱼粉、鱼糜等制品或直接丢弃[4],而新型的加工方法是制备功能肽[5]。抗氧化肽是当前研究较多且影响较广的一类。相关研究表明,从鱼类及其酶解液中分离的抗氧化肽具有很高的抗氧化活性,能有效清除人体产生的自由基,抑制脂质过氧化等作用,在人体内新陈代谢和食品保鲜中发挥着重要的作用[6-9]。

抗氧化剂是食品添加剂中的重要成员之一。市场上常见的抗氧化剂有二丁基羟基甲苯(butylated hydroxytoluene,BHT)、丁基羟基茴香醚(butylated hydroxyanisole,BHA)、叔丁基对苯酚(tertiary butylhydroquinone,TBHQ)和没食子酸(gallic acid,PG)等[10]。由于这些添加剂属化学合成物质,不仅成本高,同时还存在着一定安全隐患。因此,低价、高效、无毒的食源性抗氧化剂的开发已成为研究热点,各种鱼源生产的抗氧化肽以其分子量小、易吸收、活性强、无毒副作用等优点而受到重视。通过开发利用鱼类加工中副产物,不仅能提升水产品的附加值,还进一步丰富了天然抗氧化剂的来源,并对减少环境污染起到一定作用。目前,国内外研究人员从不同来源的水产品下脚料中制备出具有抗氧化活性的功能肽[11-14],本文主要综述鱼源抗氧化肽的来源及其作用机理,并对未来天然抗氧化剂的发展提出展望和建议。

1　抗氧化肽来源

抗氧化肽的特点是分子量小,一般由3～20个氨基酸残基组成[15-16],易于人体吸收利用等。以鱼源为原料,利用不同种类酶解液制备的抗氧化肽见表1。

表1　酶解鱼下脚料获得的抗氧化肽Table 1　Antioxidant peptides prepared by hydrolyzing aquatic product residues

1.1低值鱼鱼肉抗氧化肽

1.2鱼皮抗氧化肽

目前,已有很多研究者从不同种类鱼皮原料中提取制备抗氧化肽。Cai等[27]从草鱼鱼皮中制备了3种抗氧化肽,其氨基酸序列分别为VGGRP、PYSFK和GFGPEL。研究表明,这3种抗氧化肽不仅具有较高的抗氧化活性,且能有效抑制亚油酸的过氧化反应。Jia等[28]以阿拉斯加鳕鱼鱼皮为原料,利用复合蛋白酶制备出2～8个氨基酸残基的寡肽,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]以鲈鱼鱼皮为原料,利用胰蛋白酶制备抗氧化肽,具有清除DPPH自由基和还原Fe3+的能力。从不同种类的鱼皮中制备的抗氧化活性肽都表现出较高的抗氧化活性。

1.3其他鱼源副产物抗氧化肽

2　抗氧化肽的作用机制

人体和脊椎动物的呼吸类型都是需氧呼吸,在维持基本的生命活动代谢过程中会产生很多含氧自由基,如表2所示[33]。

表2　体内常见的自由基Table 2　Common free radicals in body

自由基是指含有未成对电子的原子、离子或分子,由于未成对电子具有成双的趋势,因此易失去电子或得到电子来趋于稳态,同时显示出活泼的化学性质[18]。在机体内这些过多的自由基如果不及时清除,就会对机体的大分子(蛋白质、糖类、核酸、脂类等)进行破坏性攻击,造成不可逆的氧化性损伤。随着身体状况、膳食结构等的改变,内源性抗氧化物质的不足或缺失,需要由外源性抗氧化肽补充并对自由基进行清除。大量实验表明,抗氧化肽的活性主要与不同氨基酸的组成、氨基酸之间的排列顺序、抗氧化肽分子量大小以及分子在机体内吸收利用率有关[34]。抗氧化剂的作用机制主要包括清除体内自由基,抑制脂肪的自动氧化,与金属离子螯合,与其他抗氧化剂协同等作用。

2.1清除自由基

自由基在维持细胞功能和基因表达过程中扮演着重要的角色:能维持细胞氧化还原平衡,调控生物能量平衡,控制基因表达和细胞分化。过氧阴离子和过氧化氢构成第二信息系统,对人体代谢系统的正常运转发挥至关重要的作用[21]。但随着年龄的增长,机体代谢系统功能退化,导致体内自由基含量失衡,使机体内正常的生理代谢反应发生紊乱,从而引发自由基在细胞内不能发挥正常的生理机能,进而发生氧化损伤,导致衰老、血液循环故障、肿瘤等各种慢性疾病[35]。研究表明,抗氧化肽能保护人体不被活性氧自由基伤害,发挥着积极的作用[7]。

目前抗氧化肽清除机体内自由基的作用机理主要包括以下几个方面:芳香族氨基酸Trp、Tyr和Phe有可能成为抗氧化肽的活性位点,主要是因为芳香族氨基酸中含有多个不饱和双健,其可提供氢,减缓或终止自由基链式反应,而自身可以通过共振维持稳定[36]。抗氧化肽能提供电子,肽分子具有还原能力给出电子,进而清除自由基。当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时,由于疏水性氨基酸增加了脂肪的溶解度,并与自由基的相互作用,可增强多肽的抗氧化活性[37-38]。当抗氧化肽序列中含有Met、Cys时,由于分子结构上的具有很强的亲核性质,因此该类氨基酸易发生亲核取代反应和加成作用,从而使有毒亲电物质极性降低、毒性减弱。另外,该类氨基酸属极性氨基酸,并带负电荷,因此可提高与之结合亲电子物质分子的亲脂部分的水溶性,使自由基更容易清除[9]。抗氧化肽结构分子中含有自由基缓冲作用,能与自由基直接反应,从而达到能够清除自由基的目的。

2.2抑制油脂的自动氧化

脂肪在机体内发挥着重要的生理功能,不仅是细胞的组成成分,而且为机体提供能量,帮助脂溶性维生素的吸收和运输,提供机体必须的脂肪酸。在人体内,越来越多的证据表明心血管疾病的增加与油脂的链式反应有关[39];在食品中,引起食品的色香味改变以及营养价值的损失,最主要的原因就是油脂的氧化腐败。尤其是不饱和脂肪酸中含有不稳定的双键,极易被氧化。因此食源性抗氧化肽用来抑制或减缓油脂的氧化是食品营养学研究的重点。

油脂的自动氧化主要包括链的激发,链的延伸,链的终止三个步骤[40],此反应连续不断进行,造成食品品质劣变和人体心血管疾病的发生。Rajapakse[41]等制备出了两种抗氧化肽,氨基酸序列分别是AAAFGLAGLGGLA和AGLGLK,其可阻断油脂自动氧化的链式反应。Jung[42]和Qian[43]等制备出的抗氧化肽不仅具有清除羟自由基、超氧自由基和DPPH自由基的能力,而且对多不饱和脂肪酸的抗氧化效果优于天然抗氧化剂(VC、VE)。

目前认为抗氧化肽抑制油脂氧化的作用机理主要包括以下方面:肽链中含有较多的疏水性氨基酸,具有很强的乳化能力,且暴露出更多的活性位点[44]。当油溶性的自由基对脂肪酸尤其是亚油酸进行破坏时,抗氧肽的活性位点发挥作用,抑制油脂的链式反应[45]。抗氧化肽对脂肪氧化酶有明显的抑制作用[46]。

2.3金属离子螯合作用

人体内含有很多金属元素,这些金属元素目前研究较多的有:钾、钠、钙、镁、铁及锌等元素。在人体内金属元素通常以离子的形式通过与生物配位体如蛋白质、维生素、激素、核酸、代谢物质等形成金属蛋白、金属酶等生物配合物,在生命新陈代谢的过程中发挥着重要的生化及生理作用。某些抗氧化肽具有螯合金属元素的功能,从而控制机体发生的氧化反应[47]。

通过抗氧化肽对金属离子的络合,降低需要有金属离子参与催化的产生自由基反应的速率,从而间接实现抗氧化作用。其主要作用机理包括以下几个方面:抗氧化肽可作为氢供体,来维持金属元素的原有价态,例如将铁离子维持为二价铁离子,因此金属元素不能催化脂质的氧化,从而达到抗氧化的作用[48]。抗氧化肽可以螯合转运的金属离子,从而阻断了以金属离子为辅酶或辅基的脂质过氧化物反应,尤其是组织破坏性较强的芬顿(Fenton)反应的发生[49]。抗氧化肽与金属离子形成复合物,使得催化反应的催化剂失去作用,研究表明,Glu是一种有效的阳离子螯合剂,它能够与Fe、Zn、Ca形成复合物,从而阻断油脂自动氧化的进程[50]。

2.4与其他抗氧化剂协同作用

某些抗氧化肽在加入一些其他抗氧化成分,或与机体内自身抗氧化成分同时存在时,其抗氧化活性会大大加强,这是由于抗氧化成分之间彼此产生了协同作用,即抗氧化肽分子与其它抗氧化成分形成高效、复合型物质而产生更显著的抗氧化效果。

目前抗氧化肽与其他抗氧化剂发生协同抗氧化的机理主要为以下几个方面:修复再生功能。抗氧化肽和其他抗氧化剂功能上存在明显的互补作用,通过电子转移等方式来维持还原剂的能力[29,51]。清除氧气：在反应体系中,抗氧化肽可直接与氧气反应,降低氧气的浓度,从而降低其他抗氧化剂与氧反应生成的过氧化自由基[52]。偶联氧化：降低与底物直接反应的抗氧化肽与另外一种抗氧化物之间的电势差,使反应更易进行;偶联的抗氧化剂使油水分配系数互为补充,在某一体系中分布合理,充分发挥抗氧化肽与另外一种或几种抗氧化剂的抗氧化能力[9]。与氧化有关的酶联合作用。抗氧化肽通过抑制氧化酶或过氧化酶的活性协同发生作用[53]。与金属离子形成络合物。抗氧化剂中的某种成分与氧化体系中的金属离子形成螯合物,降低金属离子对体系氧化的催化作用[54]。

在不同的介质中,抗氧化肽发挥其抗氧化生物活性的作用位点不同。在复杂的食物体系中,抗氧化肽比前体蛋白显示出较高的活性,其可以与其他化合物(如碳水化合物和脂类)在食物环境中发生相互作用[55]。目前在理论上,抗氧化肽构效关系尚未彻底阐明。不同来源的抗氧化肽是否存在相同的氨基酸序列,活性位点的分布特点及作用机理,抗氧化肽活性与构成氨基酸的关系,抗氧化肽与非肽抗氧化剂的协同增效或拮抗关系及其机理值得深入探讨[56]。

3　抗氧化肽的前景与展望

鱼源蛋白质含量丰富,氨基酸组成合理,是制备抗氧化肽的良好来源,其主要优点有:安全性高：鱼源抗氧化肽属天然抗氧化剂,存在于鱼体中,提高了其食用安全性。原料充足：我国是水产品生产加工大国,鱼类种类繁多,数量充足,为大量生产加工抗氧化肽提供了广阔平台。生物活性高：鱼源抗氧化肽具有分子量小、活性强、易吸收等特点,为机体细胞的抗氧化损伤和食品保鲜发挥着重要作用。保健功能：鱼源性抗氧化肽具有较高营养特性和多种积极生理活性,未来在营养食品、保健食品以及特殊人群的膳食中有较好的应用前景。

尽管近年来对鱼类下脚料的研究取得了很多理论上的成功,但在实际生产应用中综合提升其利用率还存在一些弊端亟待解决。目前,只是将鱼类下脚料加工成饲料、鱼粉等低级产品,这些下脚料中的蛋白质和生物活性物质没合理利用,甚至有些企业把下脚料当成废弃物直接丢弃,这样不仅造成资源的浪费,还会污染环境。对于未来的发展趋势,主要存在以下几个方面:目前的研究只针对单一鱼种,其实验优化结果只局限于单一品种,由于不同种类的鱼营养成分、生长环境等存在差异性,其加工工艺需要统一,成品抗氧化肽的分子量、性质需要增强稳定性。抗氧化肽商业化产品较少,临床实验数据结果不充足(致敏性、安全性、生物活性),且在生物体内的作用机制由于其复杂性,因而不全面,需要通过生化实验与量子模型相结合,形成统一全面的理论模型,需要进一步的深层次挖掘。鱼源抗氧化肽在活性上的不足,需要其他修饰技术如糖接枝,矿物质螯合技术对抗氧化活性进行完善。

目前,鱼类副产物中抗氧化肽的研究仍有很大的发展空间,随着研究投入的增多和研究手段的更新,尤其是蛋白质组学和肽组学等技术在其领域的广泛应用,其活性作用机理将会更清晰地阐明。由于鱼类资源丰富,副产物含量极高,将其加工成天然的抗氧化剂不仅减少了鱼品加工的运行成本,而且合理运用了其生物活性价值,因此开发鱼源副产物生物活性肽具有广阔的市场前景。

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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

冯建慧(1992-),女,硕士,主要从事水产品副产物功能性物质提取方面的研究,E-mail:jhfeng0122@163.com。

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

励建荣(1964-),男,博士,教授,主要从事水产品和果蔬贮藏加工及安全方面的研究,E-mail:lijr6491@163.com。

国家自然科学基金(31401478,31471639);国家博士后基金面上项目(2015M570760);“十二五”国家科技支撑计划(2012BAD29B06);辽宁省科技攻关项目(2015103020);国家留学基金资助(201508210023);重庆市博士后特别资助项目(Xm2015021)。

TS254.9

A

1002-0306(2016)15-0365-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.15.063