动物肝脏蛋白资源开发利用的研究进展

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(1.江苏省农业科学院农产品加工研究所,江苏南京 210014;2.扬州大学食品科学与工程学院,江苏扬州 225127)

动物肝脏蛋白资源开发利用的研究进展

王立1,2,张坤1,陈琳1,邹烨1,*,王道营1,*

(1.江苏省农业科学院农产品加工研究所,江苏南京 210014;2.扬州大学食品科学与工程学院,江苏扬州 225127)

动物肝脏是肉制品加工过程中的副产物,是一种营养丰富的优质食品蛋白源,同时还是一类重要的功能性蛋白,因此,动物肝脏的资源利用率和经济价值急需提高。本文根据近年来国内外动物肝脏蛋白的研究情况,围绕动物肝脏蛋白的提取、生物活性以及在食品及其他领域的应用概况进行了综述,旨在为动物肝脏的深度开发和应用,提高动物肝脏资源的附加值提供理论依据。

动物肝脏蛋白,提取,生物活性,应用

肉制品加工工业的副产物主要包括羽毛、血液、骨骼、皮肤和内脏等[1-2],其保留大量的脂肪和蛋白质[3]。动物肝脏是一种重要的副产物,2016年全球肉制品的生产总量为3207亿吨[4],一般肝脏占动物体重的2%～3%,以鸡肝为例,鸡肝肝脏占肉鸡体重的2%～2.5%[5],每年可得鸡肝产量约为50亿吨。肝脏是一种营养极其丰富的食品蛋白源[6],但目前对肝脏蛋白的加工方式多为手工作坊,除一部分用于烹饪食用外,相当一部分动物肝脏直接丢弃,国内外许多食品加工厂没有很好地利用动物肝脏。若将这部分丢弃的动物肝脏资源进行产品开发及应用,其经济、环境、社会效益是极其可观的。因此,如何有效地利用动物肝脏,增加肉制品加工的附加值,实现其可持续发展是肉制品加工工业面临的一个重要课题。目前,国内外学者对水产加工副产物综合利用的报道较多[7-8],但有关其他动物肝脏副产物的综合利用的研究报道较少,本文就动物源食品加工副产物中肝脏的再利用研究情况进行综述。

1 动物肝脏的营养价值

动物肝脏是一种滋补佳品,富含优质蛋白质、碳水化合物、维生素、矿物质等[9]营养成分。动物肝脏中蛋白含量之高是其他蛋白源不能比拟的,每100 g猪肝含优质蛋白19.49 g[10],其含量均高于瘦猪肉、瘦羊肉、瘦牛肉[11]。动物肝脏含有人体多种必需氨基酸,且比例适当[12],同时还含大量的超氧化物歧化酶(SOD)等,具有显著抗脂质氧化功能[13],避免动物组织和细胞损伤,此外动物肝脏还含有维生素D(VD)、叶酸、维生素C(VC)、烟酸、卵磷脂等,具有较高的营养价值和药物价值[11]。动物肝脏中的铁质不仅含量高,而且易被机体吸收利用[14]。每100 g猪肝含锌5.78 mg,含硒19.21 mg,其中硒是重要的营养物质,具有调节免疫、保护心脑血管系统、抗衰老等生物活性[15]。动物肝脏中谷胱甘肽(GSH)含量极高,GSH具有清除自由基等重要作用[16]。

2 肝脏蛋白的提取方法

随着人们对动物肝脏价值了解的不断提高,动物肝脏的营养价值和功能特性受到国内外学者的关注。肝脏中蛋白质的含量高达24.6%[5],在研究其特性之前,对肝脏蛋白的提取分离需去除杂质或其它非蛋白成分,避免杂质对目的蛋白造成不良影响。不同来源的材料,为了尽可能多的提出目的蛋白,还要避免目的蛋白的失活,因此需要选择和设计相应的易于提取纯化的方案。根据肝脏蛋白溶解度的不同,可采用水提法、碱溶酸沉法、有机溶剂提取法、蔗糖密度梯度离心法提取分离肝脏蛋白。此外,微波辅助法、酶提法、超声波提取等方法也越来越多的应用于肝脏蛋白的提取分离。

2.1水溶液提取法

肝脏蛋白在盐类等缓冲液中溶解度高、稳定性好,是肝脏蛋白提取常用方法[17]。马志科等[18]采用磷酸盐缓冲液从秦川牛肝中提取过氧化氢酶的提取最佳条件为:浸提pH7.0、浸提温度30 ℃、浸提时间10 h,通过正交实验结果发现利用磷酸盐缓冲液提取牛肝中过氧化氢酶的浸出酶活高达到95.3%。Sobha等[19]研究利用水溶液提取法从驴肝中提取并纯化铁蛋白,铁蛋白提取含量为0.012 mg/g。水溶液提取法具有溶解度大、提取率高、对蛋白稳定性好等优点,缺点是溶剂用量大、提取时间长、提取成分复杂,适用于大部分蛋白的提取。

2.2碱溶酸沉提取法

碱溶酸沉法是利用碱性溶液浸泡原材料,使其蛋白充分的溶解出来,然后用酸调节提取液的pH,达到蛋白质的等电点而使其沉淀,通过高速离心的方法使其和其他成分分离[20]。张耀兮等[21]研究利用碱溶酸沉法提取牦牛肝蛋白的最佳提取条件为:NaOH浓度1%、料液比1∶5、浸提时间60 min、提取温度40 ℃、酸沉条件pH4.0,牦牛肝蛋白得率为77.91%。碱溶酸沉法具有提取率高等优点,缺点是溶剂用量大,提取时间长,适用于部分肝脏蛋白的提取。

2.3有机溶剂提取法

部分肝脏蛋白脂肪含量较高,不易溶于酸碱等溶液,可采用有机溶剂如丙酮等提取肝脏蛋白,通过破坏其蛋白表面的水化膜,使分子结构发生变化,蛋白沉淀析出[22]。肝脏蛋白提取时注意搅拌避免溶剂浓度局部过高,导致蛋白变性。和树倩等[23]采用丙酮从驼海燕内脏中提取蛋白粗酶液的最佳条件为:原酶液与丙酮体积比1∶1.6,蛋白酶活力为78.08 U/mg。有机溶剂提取法具有提取适用范围宽、操作方便等优点,缺点是溶剂用量大、提取成分复杂,适用于部分与脂质结合的肝脏蛋白。

2.4蔗糖密度梯度离心提取法

采用缓冲液通过密度差利用超速离心使其蛋白形成密度梯度,达到分离肝脏蛋白的目的[24]。王璜等[25]采用蔗糖密度梯度离心法从家兔肝脏中提取Lung-resistance protein(LRP)蛋白,其提取条件为:MES蔗糖缓冲液(pH6.5)、料液比1∶4,采用Sephacryl-1000分子筛分离纯化LRP蛋白,通过SDS-PAGE电泳及银染,Western Blot鉴定LRP蛋白分子量为100 kDa。蔗糖密度梯度离心提取法具有分离不同蛋白组分等优点、缺点是离心时间较长,适用于部分肝脏蛋白的提取。

2.5微波辅助提取法

微波辅助提取通过高频电磁波穿透介质到达目标蛋白内部,由于吸收了微波热能,细胞内部温度上升,细胞内部压力超过细胞壁膨胀所承受的能力,导致细胞膜和细胞壁受到破坏,细胞内有效成分溢出并溶解于溶剂中,通过进一步过滤和分离,获得所需提取物[26]。Walter Vetter等[27]使用微波辅助提取海豹肝蛋白,得到的提取条件为:微波功率500 W、微波时间1 h、提取率达到56.5%。微波辅助提取法具有提取时间短、溶剂用量少,缺点是对溶剂有一定的要求,适用于部分肝脏蛋白的提取。

2.6酶解提取法

酶解提取法是在一定的pH与温度作用下,具有一定生物活性的蛋白酶与蛋白质的特异性催化位点相结合,进而导致蛋白质的化学键断裂,使得高分子量蛋白质分裂为小分子多肽,促进蛋白的溶解,从而实现目标蛋白的提取[28]。Roberta等[29]采用嗜热菌蛋白酶酶解提取牛肝肌浆蛋白,其提取条件:酶用量1%、酶解温度37 ℃、酶解时间2 h,此时肌浆蛋白含量为67.1%。酶解提取具有提取条件温和,缺点是酶解时间较长,适用于部分肝脏蛋白的提取。

2.7超声波提取法

超声波提取法主要是利用其空化效应、机械振动作用、热效应等使蛋白质的细胞壁破裂,增加溶剂的穿透力,使得有效成分迅速溶解于溶剂中,从而提高了活性成分的浸出率[30]。Zou等[31]采用超声波辅助碱提法提取鸭肝蛋白,运用响应面法优化得到最佳提取鸭肝蛋白的条件为:超声功率266 W、碱液pH11.2、超声温度40 ℃、鸭肝蛋白得率为74.5%。超声波提取法具有提取时间短、得率高、溶剂用量少等优点,缺点是不适于大规模提取,适用于大部分动物肝脏蛋白的提取。

2.8其它方法

除以上提取方法外,蛋白提取的方法还有很多,包括双水向萃取法、盐析法、高温高压蒸煮法、微生物发酵法等。

3 肝脏蛋白的生物活性

3.1抗氧化作用

生物体在进行氧化磷酸化维持生命代谢的过程中会产生活性氧(ROS)。适宜的ROS参与机体的新陈代谢,维持机体的健康。而当机体受到内外部环境的刺激,体内的氧化平衡被破坏,ROS蓄积增加,导致氧化应激,造成机体代谢紊乱,诱发各类疾病[32]。舒沿沿等[33]采用混合发酵从鹅肝中制备抗氧化蛋白酶解肽,通过分离纯化鹅肝多肽得到P1、P2、P3三个组分,通过基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)鉴定P3的相对分子量为1.02 kDa以下,通过抗氧化研究发现P3的抗氧化能力显著高于P1、P2组分,研究表明肝脏蛋白抗氧化肽的相对分子质量的大小与其生物活性密切相关,相对分子质量越小的肝脏多肽具有较高的抗氧化能力。范秋领等[34]从鲨鱼肝脏提取肝蛋白粗提物,研究表明肝蛋白粗提取能使受损伤的线粒体呼吸功能进行部分修复,增强线粒体抗氧化能力,保护肝脏免受硫代乙酰胺所致的急性肝损伤,表明肝脏蛋白提取物具有抗氧化作用,该研究为制备抗氧化性肝蛋白口服液提供了一定的理论基础。

3.2抗肿瘤作用

罗小玲等[35]从胎牛肝脏中提取低分子天然抑瘤物(LMW-NTS),通过小鼠体内外抗肿瘤实验发现相对正常小鼠巨噬细胞,LMW-NTS对小鼠S-180细胞具有抑制增殖作用,LMW-NTS对小鼠肝肾等重要器官无毒副作用,表明胎牛肝细胞LMW-NTS对小鼠S-180细胞具有明显的体内外抗肿瘤作用。邹晓军等[36]从乳猪肝中提取并制备胶原蛋白水解物注射液(HCH)并对其进行荷瘤小鼠肿瘤抑制实验,研究发现HCH对荷瘤小鼠HepA肝瘤的抑制率最高,可显著抑制荷瘤昆明小鼠肿瘤的生长。

3.3抗癌作用

郭洁等[37]从牦牛肝脏中分离提取牦牛肝蛋白(BGP),观察BGP对人肝癌HepG2细胞增殖及其细胞凋亡的影响变化。BGP作用HepG2癌细胞48 h时对其抑制率最高,导致HepG2癌细胞形态发生改变、生长状态受阻、细胞数目减少、抑制HepG2细胞增殖并促进其细胞凋亡,因此BGP具有明显的体外抗癌作用。

3.4治疗糖尿病作用

Huang等[38]研究从条纹斑竹鲨肝脏中分离纯化获得鲨鱼活性肽(APSL),发现该活性肽具有修复和改善损失的胰岛β细胞和促进肝细胞生长的功能,因此,APSL不仅对糖尿病和和肝损伤具有潜在治疗作用,而且在治疗肝损伤时可发挥辅助免疫调节的作用。

3.5降脂减肥作用

Shimizu等[39]通过喂食猪肝蛋白水解物(PLH)14周,研究PLH对OLETF大鼠体内脂肪堆积的影响,PLH对OLETF大鼠肾周及附睾的脂肪组织具有显著的降脂作用,并显著抑制葡葡萄糖-6-磷酸脱氢酶及脂肪酸合成酶的活性,与对照组相比,发现PLH对LETO大鼠没有显著影响,表明猪肝蛋白水解物具有降脂减肥作用。

3.6免疫增强调节作用

傅颖等[40]通过淋巴细胞转化、小鼠迟发型变态反应、血清溶血素等实验评价新生牛肝活性肽对小鼠的免疫增强作用。研究发现新生牛肝肽能促进小鼠T淋巴细胞增殖、增强其迟发反应强度、增加血清溶血素、提高细胞活性,以上结果表明新生牛肝活性肽具有免疫增强作用。

3.7其它活性

除以上活性外肝脏蛋白还具有其他生物活性,如肝脏蛋白还具有保护肝损伤促进肝细胞再生、抑菌、降血压、抗病毒、抗衰老、抗疲劳、抗血栓、抗炎症、抗凝血、抗纤维化、抗动脉粥样硬化、抗细胞凋亡等其他生物活性。

4 肝脏蛋白的应用

4.1肝脏蛋白在食品添加剂中的应用

生物活性肽是重要的天然抗氧化剂之一,是蛋白质的小亚基,通常含有3～20个氨基酸残基[41]。Liu等[42]从牦牛肝脏中分离纯化得到7种不同的蛋白,并对其进行抗氧化性研究,抗氧化研究表明7种蛋白对超氧阴离子、羟自由基、DPPH自由基均具有较好的抗氧化作用。以上研究表明使用肝脏蛋白制备天然抗氧化剂用于食品防腐具有深远意义,在食品工业中具有重要的应用价值。

4.2肝脏蛋白在动物蛋白饲料中的应用

史健超等[43]从鸡肝中提取肝脏蛋白,沉淀物经冷冻干燥进一步制备成鸡肝蛋白粉。通过SDS聚丙烯凝胶电泳定性分析其蛋白,NBT染色分析其SOD活性,研究表明采用不同浓度乙醇沉淀法提取鸡肝蛋白其蛋白没有降解,SOD均有活性,研究发现动物肝脏蛋白从生物利用率方面优于鱼粉,肝脏中含有畜牧生长所需的必需氨基酸,满足畜牧发育和生长所需的营养。利用现代加工工艺将动物肝脏加工成蛋白含量高、必需氨基酸平衡的动物蛋白饲料是解决畜牧业蛋白饲料短缺的重要途径。

4.3肝脏蛋白在动物蛋白发泡剂中的应用

发泡剂又称泡沫剂或起泡剂能促进泡沫形成闭孔或联孔结构[44]。蛋白质作为一种营养物质,具有很强的活性基团其发泡剂的作用原理正是由于其表面性质。当蛋白质水解后其肽键断裂,较长肽链的蛋白大分子水解为较小分子的活性肽,形成具有一定黏度的胶体溶液,其中含有羧基(-COOH)、羟基(-OH)等活性基团,降低其表面张力,促进界面的形成。由于其物质分子之间通过肽键相互作用,使得肽键在其界面伸展,使界面得以增强,促进了泡沫的稳定性。随着人们对环保、经济、健康、低碳的生活理念的不断提高以及对节能型环保材料的不断需求,动物蛋白发泡剂必将受到广泛的倡导和推崇。

5 动物肝脏深加工技术的研究现状

5.1动物肝脏中过氧化氢酶的提取分离

过氧化氢是一种无色强刺激性的氧化剂,过氧化氢含量较高时可导致蛋白质和巯基蛋白酶氧化失活,损伤生物的细胞膜功能,破坏多糖及核酸的结构,而动物肝脏中含有大量的过氧化氢酶(CAT),通过催化其反应分解为氧气和水,减少过氧化氢的含量,降低其对生物细胞体的破坏[45]。邱慧等[46]从鸭肝中提取的CAT的相对酶活在pH4～9时均保持在80%以上,远高于其他植物和微生物,在最适条件下测定的CAT的Km为37.29 mmol/L,远低于氧化葡萄杆菌(61 mmol/L)、嗜热子囊菌(48 mmol/L),表明鸭肝中CAT与底物亲和力较强,对酸碱度具有较高的耐受性。以上研究结果表明从动物肝脏中可获得活性较高的CAT在食品等领域中具有潜在的应用前景。

5.2动物肝脏功能性产品的开发

功能性食品是以改善或影响机体功能的食品,具有提高机体免疫力等作用。动物肝脏具有补肝、防止眼睛疲劳、治疗视力衰退等功能。以动物肝脏为原料研发具备缓解视觉疲劳等功能性食品的报道较多。近年来国内研究者开发了诸多动物肝脏功能性食品如:明目羊肝羹产品、猪肝补肝明目膨化鱼片干、明目羊肝口服液等。目前对动物肝脏功能性食品的研究水平仍较低,没有进一步研究其功能因子结构及作用机理。因此迫切需要提高动物肝脏功能性食品的研究水平。

5.3动物肝脏方便食品的开发

动物肝脏是一种营养丰富的食品原料,把动物肝脏加工成方便食品,可提高动物肝脏的综合利用。谢章斌等[47]使用复合风味蛋白酶改良鹅肝酱,可降低腥味提升鹅肝酱的口感和香气。武悦等[48]采用复合风味改良剂对牛肝品质及应用研究,通过添加其改良剂,牛肝酱口感细腻、香气浓郁。以上研究表明,通过对动物肝脏方便食品的开发,改变了传统动物肝脏的食用方法,为科学利用动物肝脏开辟了新途径。

6 总结

动物源食品加工副产物—动物肝脏,以其丰富的营养价值受到人们的高度关注,动物肝脏蛋白具有优异的生物活性,在食品、医疗保健、动物饲料等多个领域有着巨大的应用潜力。然而目前国内外学者对动物肝脏蛋白的生物活性及其机理研究较少,如何保证肝脏蛋白活性肽在机体内的稳定性是其应用中需要解决的问题。此外动物肝脏还是一种优质蛋白源,随着生物工程技术的不断发展,蛋白质制剂已应用于生物医药领域。动物肝脏多肽类蛋白质药物对肿瘤、癌症、糖尿病等重大疾病具有较好的治疗效果,寻找及制备具有功能活性的动物肝脏蛋白,对人类的健康与重大疾病治疗具有重要意义,因此动物肝脏蛋白多肽药物制剂的制备必然会成为未来最具吸引力的新兴产业之一。综上所述,随着动物肝脏加工技术的提高和综合技术的不断完善,动物源加工副产物动物肝脏将会得到充分利用,其发展前景必将十分广阔。

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Researchprogressindevelopmentandutilizationofanimalliverproteinresources

WANGLi1,2,ZHANGKun1,CHENLin1,ZOUYe1,*,WANGDao-ying1,*

(1.Institute of Agricultural Products Processing,Jiangsu Academy of Agricultural Science,Nanjing 210014,China;2.College of Food Science and Engineering,Yang Zhou University,Yangzhou 225127,China)

Animal liver is a byproduct in the processing of meat products,meanwhile it is a nutrient-rich quality food protein source,but also a class of important functional proteins,therefore,animal liver resource utilization and economic value need to improve. Based on the research progress of liver protein in domestic and foreign animals in recent years,the extraction of animal liver protein,biological activity and application in food and other fields are reviewed. The paper aims to provide theoretical basis for the development and application of the deep development and application of animal liver.

animal liver protein;extraction;biological activity;application

TS209

A

1002-0306(2017)19-0311-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.19.057

2017-04-14

王立(1990-)，男，在读硕士研究生，主要从事农产品加工方面的研究，E-mail：wanglee96@163.com。

*通讯作者:邹烨(1986-)，女，博士，助理研究员，研究方向：动物源食品加工与质量控制，E-mail：zouye@jaas.ac.cn。

王道营(1979-)，男，博士，副研究员，研究方向：肉品加工与质量控制，E-mail：wdy0373@aliyun.com。

“十二五”农村领域国家科技计划课题(2014BAD04B11)；江苏省农业科技自主创新资金项目(CX(16)1007)；江苏省博士后科研资助计划(1601131C)。