小麦水解蛋白的特性、功能及在动物生产中的应用

2020-07-22柏冬星杨加梅

饲料博览 2020年5期

柏冬星，杨加梅，徐稳*

（1.光明农牧科技有限公司，上海 200030；2.江苏梅林畜牧有限公司，江苏盐城 224151）

1 小麦水解蛋白

小麦水解蛋白是以小麦蛋白为原料，采用化学水解、微生物发酵、蛋白酶解等方法进行水解获得的小分子多肽物质，具有水溶性好，分散稳定，易吸收，生物活性强等特点。其原料小麦面筋蛋白（谷朊粉），是小麦淀粉生产的副产物，蛋白质含量达72%～85%，主要由醇溶蛋白和麦谷蛋白组成。醇溶蛋白分子量较小，呈球状，具有较好延伸性；麦谷蛋白分子量较大，呈纤维状，具有较强弹性。由于其氨基酸组成含有较多疏水性氨基酸，分子结构中疏水作用区域较大，溶解度低，这一特性使其应用范围受到限制。因此，水解小麦蛋白可提高其水溶性，还可获得部分生物活性肽，使其在生产中得到广泛应用。

2 小麦水解蛋白营养组成

小麦水解蛋白营养组成特点与其原料组成直接相关，粗蛋白质含量75%～85%、谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gln）＞30%，灰分含量1%～2%。市场常见小麦水解蛋白产品的营养组分见表1。

小麦水解蛋白的加工制备工艺不同，蛋白降解的程度差异较大，其肽含量和分子量分布间也不同，部分文献报告和市场产品中小麦水解蛋白的肽含量和分子量分布情况见表2[1]。

表1 市场常见小麦水解蛋白产品的营养组成成分

3 小麦水解蛋白特性

3.1 水溶性好

大量研究表明，通过酶解小麦蛋白，可以改变蛋白质结构、疏水氨基酸分布和数量等改变其溶解性能，提高水中分散性和溶解性。蛋白质的溶解度与氨基酸残基的平均疏水性和电荷频率有关，平均疏水性越小和电荷频率越大，蛋白质的溶解度越大[2]。酶解谷朊粉，将大分子量麦谷蛋白、麦胶蛋白水解成小分子多肽；酶的剪切作用也改变了蛋白质表面的电荷分布，使得很多可电离的氨基和羰基暴露出来，更多亲水性基团暴露出来，提高了溶解度。张锐昌等研究发现，酶解小麦蛋白使得疏水性氨基含量降低了5.3%，溶解性得到改善；碱性氨基酸和酸性氨基酸的增加，使得小麦多肽具有更多电荷，水相体系更加稳定[1]。王章存等研究表明，在谷朊粉浓度0.30 g·mL-1、酶解温度50 ℃、酶对底物质量分数0.75%、反应时间20 min 条件下所得酶解物具有较好功能特性，酶解后谷朊粉在水中分散性、乳化能力和起泡特性提高[3]。唐小君等研究表明，小麦面筋蛋白在超声波功率210 W，加酶量质量分数0.6%，pH 9.0，温度65 ℃，水解1 h 得到小麦面筋蛋白的水解度和溶解度提高，溶解度达12.16 mg·mL-1[4]。

表2 部分文献报告和市场产品中小麦水解蛋白的肽含量和分子量分布情况

3.2 消化利用率高

通过酶解小麦蛋白，使大分子蛋白降解成多肽形式，一方面提高蛋白质溶解度，另一方面提高可消化性。谷中华等以谷朊粉为原料，利用中性蛋白酶酶解谷朊粉生产分子量分布合适的多肽饲料。当酶解4 h、酶解温度45～50 ℃、谷朊粉质量分数10%和酶添加量9 000 U·g-1时，蛋白质水解度15.8%、蛋白质溶解率72.02%、多肽质量浓度14.45 mg·mL-1，多肽分质量分布在180～3 000 U，占57.6%，蛋白质体外消化率达到86.31%[5]。

3.3 螯合矿物质

小麦水解蛋白主要成分小麦肽可以螯合矿物质元素，促进动物对矿物质吸收和利用。高红梅等研究谷朊粉水解物与锌离子制备多肽-锌鳌合物的工艺条件，确定获得螯合物的最佳工艺条件为pH 6、肽锌质量比2：1、反应温度70 ℃、多肽反应液浓度0.03 g·mL-1、反应时间50 min时，此条件下小麦肽对锌的螯合率和螯合物得率分别是84.25%、82.07%[6]。张强等试验发现，在pH 9.0，时间4 h，温度50 ℃条件下制备的谷朊粉肽具有很强螯合能力，对Fe2+螯合能力测定，谷朊粉抗氧化肽对Fe2+有良好的螯合能力，且量效关系明显[7]。

4 小麦水解蛋白功能

4.1 抗氧化

小麦水解蛋白产物中特定分子量小麦低聚肽具有抗氧化活性，大量体外直接清除自由基、体外细胞氧化损伤修复以及动物体内抗氧化等相关研究己经证实此功能。

通过体外抗氧化清除羟基自由基、DPPH 自由基、氧自由基、超氧阴离子等方法研究证明，小麦低聚肽具有显著的抗氧化活性。张强等试验结果表明，在pH 9.0，时间4 h，温度50 ℃条件下制备的谷朊粉抗氧化肽对羟基自由基和DPPH 自由基具有很强的清除能力，且量效关系明显。刘树兴等试验得出，木瓜蛋白酶酶解小麦面筋蛋白在温度40 ℃，加酶量125 U·g-1，酶解时间4 h，底物量5 g条件下谷朊粉酶解液的DPPH 自由基清除率达96.59%，多肽含量35.51 mg·mL-1[7]。林琳等对小麦面筋蛋白酶解多肽组分原混合液、WG-10（＞10 000 U）、WG-5（10 000～5 000 U）、WG-3（3 000～5 000 U）、WG-0（＜3 000 U）进行系统的体外抗氧化评价发现，小麦蛋白酶解多肽WG-0（＜3 000 U）抗氧化活性最好，除了对超氧阴离子的清除略低，其他抗氧化活性均为最高[8]。魏颖等选取小麦低聚肽11个2～4肽的肽段和谷氨酰胺氨基酸，使用荧光酶标仪分析小麦肽段的抗氧化能力，小麦低聚肽具有清除脂质过氧化自由基的能力[9]。曾瑜等研究表明，小麦低聚肽具有较强体外还原能力（R=0.97），DPPH自由基和羟自由基清除能力（R·DPPH=0.90，R·OH=0.91）[10]。程云辉等研究发现，小麦胚芽蛋白酶解产物93.95%，小麦水解蛋白1.20 g·L-1对游离酸过氧化体系抑制率78.75%，1.6 g·L-1时对·DPPH 清除率81.11%，0.60 g·L-1时对超氧阴离子清除率75.40%，0.50 g·L-1对Fe2+螯合率63.35%[11]。

可通过体外细胞培养，用MTT 法测定氧化应激损伤细胞增殖状况以及测定氧化损伤细胞LDH、SOD、MDA，研究小麦水解蛋白产物对氧化损伤细胞的修复作用。张亚卓等研究小麦低聚肽对氧化应激损伤的体外肠上皮细胞的保护作用，试验分为5组，对照1（空白组）、对照2（氧化应激组），处理1、处理2、处理3（分别添加小麦低聚肽1、5、10 mg·mL-1），结果显示，小麦低聚肽1 mg·mL-1对损伤肠上皮细胞显著保护作用，细胞毒性降低、增殖率提高，细胞内SOD、MDA 含量与氧化应激组相比均有显著差异；小麦低聚肽对细胞的保护作用随着培养时间的延长而增强，24、48 h 培养组与12 h培养组相比有显著性差异，小麦低聚肽对氧化应激损伤的体外肠上皮细胞有一定的保护作用，且一定范围内与浓度时间正相关[12]。

以小鼠为动物模型的体内抗氧化研究表明，通过灌服一定剂量小麦低聚肽后测定小鼠血清或组织抗氧化物质以及氧化产物SOD、CAT、GSH-Px、TAOC活性及MDA 含量，证实了小麦低聚肽具有抗氧化功能，提高动物机体清除自由基能力。曾瑜等将SD 小鼠48只按血清MDA 水平随机分为4组，阴性对照及低、中、高剂量组（小麦低聚肽0、500、1 000、2 000 mg·kg-1BW），灌胃30 d，处死后测定血清MDA含量、SOD、GSH-Px及T-AOC活性，结果发现1 000 mg·kg-1能够增强小鼠血清SOD 和GSH-Px 活性，提高血清T-AOC 水平[10]。殷微微等研究小麦胚芽蛋白酶解物体内抗氧化作用，分别给小鼠生理盐水、小麦胚芽蛋白酶解物0.1、0.2、0.4 g·kg·d-1经口灌胃30 d，处死进行眼眶采血，取肝、脑组织并测定SOD、GSH-Px、CAT 活性及MDA含量，结果显示，小麦胚芽蛋白酶解物使小鼠血清、肝脑组织SOD、GSH-Px、CAT抗氧化酶活性高于对照组；MDA含量低于正常对照组，小麦胚芽蛋白酶解物具有显著体内抗氧化活性[13]。代卉等研究了碱性蛋白酶水解小麦蛋白产物中组分对小鼠抗氧化功能的调节作用。结果表明，小麦活性肽提高小鼠血清清除DPPH 和清除羟自由基的能力，增强小鼠肝脏SOD、CAT、T-AOC 活性，降低MDA 含量[14]。

4.2 抑菌活性

小麦水解蛋白特定分子量肽段具有抑菌特性。周世成等从小麦面筋蛋白酶解产物分离抗菌肽，并研究其体外抑菌作用，结果表明，相对分子质量＜5 ku 酶解物抑菌活性较好，经过凝胶层析得到4 种组分，抑菌试验表明，相对分子质量2 036 Da组分抑菌效果最好，大肠杆菌抑菌率20.6%，金黄色葡萄球菌抑菌率20.1%[15]。

4.3 免疫调节

小麦水解蛋白中免疫活性组分具有免疫调节功能。代卉等研究碱性蛋白酶水解小麦蛋白产物中免疫活性组分对小鼠免疫功能调节作用，结果表明，小麦活性肽可提高小鼠抗体生成细胞含量、血清溶血素水平、脾细胞增殖能力以及腹腔巨噬细胞的吞噬能力[14]。王卫国等研究谷朊粉酶解物对小鼠生长性能和免疫脏器的影响，结果表明，谷朊粉酶解物对小鼠有明显促生长作用，提高营养物质消化率，同时显著提高正常小鼠的免疫脏器指数、腹腔巨噬细胞的吞噬能力，饲粮添加谷朊粉酶解物750 mg·kg-1效果最佳[16]。

4.4 促进肠道发育

小麦水解蛋白能提高动物对蛋白质的吸收与利用，促进胃肠道上皮细胞生长，小肠黏膜消化、吸收酶活力。潘兴昌等研究灌胃小麦肽对于大鼠氮代谢、胃肠形态和小肠黏膜酶活的影响，选择SD 大鼠50 只，分为空白对照及低、中、高剂量小麦肽组（20、100、500 mg·kg-1·d-1）和小麦蛋白组20 mg·kg-1·d-1，每天灌胃1 次，连续灌胃30 d，分别在第10、20、30 天用代谢笼采集大鼠24 h 粪、尿样品，灌胃30 d 后断颈处死大鼠，取血清、胃和小肠黏膜，观察氮代谢指标、血清生化指标、胃肠内表面扫描电镜、小肠黏膜酶活，发现低剂量小麦肽能显著提高大鼠蛋白质消化率、氮沉积、净蛋白质利用率；高剂量小麦肽和小麦蛋白对大鼠净蛋白质利用率和蛋白质生物学价值均无影响，推测小麦肽作为一种信号分子参与调控机体利用食物中蛋白质，体现小麦肽非营养学功能，低、中剂量小麦肽大鼠胃肠道上皮细胞较对照组饱满、连接紧密，排列整齐有序；各剂量小麦肽均显著上调大鼠小肠黏膜氨基肽酶活和Na+-K+-ATP酶活，表明小麦肽能提高大鼠对于蛋白质的吸收与利用；其途径可能是：促进胃肠道上皮细胞生长；上调小肠黏膜氨基肽酶、Na+-K+-ATP酶活[17]。Martens等通过肠上皮细胞体外培养，证实小麦水解蛋白能增加细胞培养密度，其原因是多肽提供细胞生长氮源，减少氮代谢的废物[18]。

4.5 促进肠道损伤修复

小麦水解蛋白富含谷氨酰胺和活性肽能促进动物肠道损伤修复，改善肠黏膜上皮完整性，减少炎性细胞浸润，降低炎症基因表达。谢正飞等利用甲氨蝶呤MTX 诱导模型鼠小肠炎症，对照组每天蒸馏水灌胃，试验组组每天以30%小麦水解蛋白乳液灌胃（10 mL·kg-1BW），前2 d 每天腹腔注射MTX 溶液0.2 mL。12 d 后解剖取样，染色观察小肠组织结构变化，用荧光定量测定小肠组织细胞炎症因子，结果发现，试验组肠道结构部分修复，TNF-α、IL-10表达降低[19]。

5 小麦水解蛋白应用

5.1 小麦水解蛋白在猪生产中的应用

小麦水解蛋白主要在仔猪断奶后4 周内使用，主要提供可消化吸收的氮源以及功能性成分谷胺酰胺，应用量为1.5%～3%，生产中替代血浆蛋白粉会降低乳仔猪生产性能、增加腹泻几率。在仔猪断奶后1周使用效果不明显。小麦水解蛋白主要通过促进仔猪肠道发育，增强肠黏膜屏障功能，促进淋巴细胞分化增殖等途径提高乳仔猪生产性能和抵病力，发挥作用主要成分是谷胺酰胺（Gln）为主。Gln水溶性差，吸收率低，限制了广泛应用，而通过小麦水解蛋白产生的丙胺酰-谷氨酰胺二肽（Ala-Gln）、甘胺酰-谷氨酰胺二肽（Gly-Gln）可作为Gln供体。谷氨酰胺二肽保护肠道作用机制可能为：为肠道上皮细胞增殖提供能源；作为前体合成蛋白质、核酸、多胺等，促进肠上皮细胞的增殖分化和修复；代谢产生Arg合成NO在调控小肠血流、肠道的分泌及完整性发挥作用；增加肠道细胞GSH、SOD等抗氧化物的含量，减少肠细胞受氧自由基损伤，提高抗氧化能力；促进淋巴细胞、巨噬细胞的增殖分化，抑制细胞因子和炎症反应的发生，维持肠道结构完整性。小麦水解蛋白在猪生产中的应用见表3。

5.2 小麦水解蛋白在家禽生产中的应用

小麦水解蛋白主要在肉鸡使用，应用量1%～2%，生产表现提高生产性能和成活率；蛋鸡应用尚未见报道。作用机理研究小麦水解蛋白对肉鸡免疫功能影响，包括早期促进免疫器官发育，全期提高免疫反应水平。仅有1篇报告研究关于Gly-Gln 可降低肝脏甘油三酯合成，促进脂代谢，减少脂肪沉积水平。综述小麦水解蛋白在家禽上的应用见表4。

5.3 小麦水解蛋白在水产动物生产中的应用

小麦水解蛋白在水产应用报道较少，1 篇关于虾应用，适用量不确定，生产提高增重和成活，深入研究发现对免疫相关酶PO、LZM、SOD 均有不同程度改善。对其功能成分Ala-Gln 二肽报告，对仔鱼肠道发育、抗氧化以及消化吸收酶不同程度提高。小麦蛋白作为高蛋白、低抗营养因子的植物蛋白源，同时具有高粘弹性的理化性质，在水产饲料中广泛使用，其在水产动物体内具有高消化率，报告显示，大西洋鲑对小麦蛋白体内蛋白表观消化率体99.9%、94.8%。以上特性可能决定小麦蛋白无需酶解可直接在水产应用[31-33]。综述小麦水解蛋白在水产动物上的应用见表5。