甘薯生物活性肽研究进展及展望

刘 慧, 张 苗, 孙红男, 木泰华

(中国农业科学院 农产品加工研究所/农业农村部 农产品加工综合性重点实验室,北京 100193)

0 引言

肽通常由几个至几十个氨基酸组成,其分子量介于氨基酸与蛋白质之间[1]．生物活性肽,也称活性肽,是由氨基酸以不同组成和排列方式构成的从二肽到复杂的线形、环形结构的具有一定生理调节功能的肽类总称[2]．生物活性肽按照来源可分为天然与人工合成两类[3],而天然生物活性肽又可分为内源性生物活性肽和外源性生物活性肽,内源性生物活性肽是指人体自身的组织器官产生的对人体具有生理调节作用的肽类;外源性生物活性肽并非人体自身产生,通常由蛋白质在蛋白酶酶解、微生物发酵等过程中产生,可通过口服等方式摄入，从而发挥生理功能[4]．生物活性肽具有抗氧化、降血压、抗癌等多种生物活性[5-6]．生物活性肽具有某些共同的结构特性,如相对较短的肽链长度和具有疏水性氨基酸残基等[7-10]．与高分子量肽相比,由2～9个氨基酸残基组成的低分子量肽具有更强的生物活性[7,11-12]．与小分子药物和大分子生物制剂相比,生物活性肽具有更简单的设计、更低的免疫原性和较强的组织渗透能力等多种优势[13]．

甘薯在我国已有约430年的种植历史[14]．甘薯作为世界上最重要的粮食作物和工业原料之一,是淀粉的优质来源[15]．甘薯块根除含有大量的淀粉外,还含有2.24%～12.21%(以干物质计)的甘薯蛋白[16]．其中,甘薯蛋白中约80%为贮藏蛋白,分子量约为25 kDa[17]．甘薯蛋白具有良好的营养价值,可作为生物活性肽的潜在来源[18],如甘薯抗氧化肽、降血压肽及抗癌肽等[19-21]．

本文对甘薯肽的生物活性、制备方法进行了归纳总结,并对甘薯肽未来的研究趋势进行展望,旨在为甘薯生物活性肽的进一步研究和利用提供参考．

1 甘薯肽的生物活性

甘薯肽具有多种生物活性,主要包括抗氧化活性、抗肿瘤活性和降血压作用等．

1.1 抗氧化活性

肽的抗氧化活性主要取决于氨基酸种类及排列顺序．据报道,一些氨基酸，如半胱氨酸、蛋氨酸、赖氨酸、组氨酸、酪氨酸和色氨酸等具有抗氧化活性[22]．另外,肽的抗氧化活性还会受到蛋白来源、蛋白酶种类以及酶解条件的影响[11,23-25]．

窦刚[23]采用木瓜蛋白酶与碱性蛋白酶酶解来源于SL-19和豫-13品种的甘薯蛋白,比较其酶解产物的DPPH自由基、羟基自由基和超氧阴离子自由基清除活性，发现2种品种来源的甘薯肽对不同的自由基具有明显不同的清除效果,SL-19的甘薯肽清除DPPH自由基效果优于甘薯豫-13，但是对于羟基自由基,豫-13甘薯肽的清除效果更好．Eric[24]发现,经过碱性蛋白酶和风味蛋白酶酶解的甘薯淀粉渣和新鲜甘薯提取的甘薯浓缩蛋白的酶解产物均显示出较好的抗氧化活性．石雨等[25]以来源于豫-13品种的甘薯蛋白为原料,采用木瓜蛋白酶单酶、碱性蛋白酶单酶、木瓜蛋白酶与碱性蛋白酶双酶以及碱性蛋白酶与木瓜蛋白酶双酶4种方式酶解制备豫-13甘薯肽,研究酶解时间以及不同种类蛋白酶对所得酶解产物DPPH自由基的清除能力，发现采用木瓜蛋白酶单酶酶解3 h时,所得酶解产物具有最高的DPPH自由基清除率．张苗[11]选用Alcalase、Proleather FG-F、AS1.398、Neutrase、Papain和Pepsin 6种蛋白酶酶解甘薯蛋白,研究甘薯蛋白酶解产物的抗氧化活性，结果表明,这6种蛋白酶酶解所得的产物均显示出一定的抗氧化活性,且Alcalase酶解产物表现出最高的羟基自由基清除活性和Fe2+螯合力．

肽侧链残基的亲疏水性质也在一定程度上影响其抗氧化活性,其中疏水残基,如酪氨酸、色氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸,都显示出不同的抗氧化活性[26]．张苗[11]采用反相高效液相色谱分离甘薯生物活性肽,得到了不同疏水性大小的9个峰．其中,占主导地位的峰组分具有适中的疏水性和最高的羟基自由基清除活性,而具有最高的疏水性组分有较高的羟基自由基清除活性．

1.2 抗癌活性

癌症是世界范围内最致命的疾病之一．作为一种新兴的具有抗癌作用的生物活性物质,小分子生物活性肽在癌症治疗中的应用获得了广泛关注[27]．具有抗癌能力的活性肽通常具有简单的蛋白质结构和低抗原性,且很容易被吸收,并适用于各种给药途径[28-30]．

张苗等[31]研究了不同分子量甘薯蛋白酶解产物对结肠癌细胞HT-29的增殖抑制作用,发现6种蛋白酶(Alcalase、Proleather FG、AS1.398、Neutrase、Pepsin和Papain)制备的甘薯蛋白酶产物均对HT-29细胞有一定的抑制作用．与其他5种蛋白酶相比,碱性蛋白酶酶解制备的产物抑制HT-29细胞增殖作用最强;进一步研究了分子量>10 kDa、5～10 kDa、3～5 kDa和<3 kDa组分对HT-29细胞的增殖抑制作用,发现分子量<3 kDa组分抗HT-29细胞增殖作用最强,并指出其可引起HT-29细胞G2/M期(细胞有丝分裂的准备期/有丝分裂期)阻滞,上调p21基因(细胞周期蛋白依靠性激酶抑制剂)表达,并通过下调Bcl-2表达、上调Bax表达(其中Bcl-2和Bax是目前已知的在凋亡调控过程中功能相互对立的一对最重要的调控基因)和诱导caspase-3(凋亡过程中最关键的凋亡执行蛋白酶)活化而诱导细胞凋亡．

另外,除了酶解甘薯块根蛋白得到的生物活性肽以外,甘薯茎叶来源的肽也具有很好的抗癌作用．据报道,从甘薯叶中分离出的具有16个氨基酸的IbACP肽能够剂量依赖性地抑制胰腺癌细胞Panc-1增殖;Caspase-3和聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(PARP)可以被IbACP激活,进而引起一系列复杂的生化反应,并最终导致Panc-1细胞凋亡[32]．

虽然甘薯生物活性肽已经显示出了一定的抗癌能力,然而目前的研究多集中于体外试验,体内试验及临床试验还比较缺乏．因此,需要进一步的研究来评估其在体内试验及临床试验中的效果．

1.3 降血压作用

高血压是危害人体健康的一种常见疾病,在全球范围内广泛存在,且会增加心肌梗死、心力衰竭、中风、慢性肾病和过早死亡等的发生风险[33]．血管紧张素转换酶(ACE)能同时作用于血管紧张素1和舒缓激肽,使血管收缩血压升高,对人体血压的调节起着重要作用[16]．已有研究表明,贝那普利、卡托普利、依那普利和赖诺普利等合成ACE抑制剂会对人类健康造成严重的副作用或不良影响,如头痛、头晕、疲劳、恶心、高钾血症等[34]．植物和动物来源的ACE抑制肽因具有无毒副作用、安全性高等优点而受到越来越多的关注[35]．

Nazir等[36]以木瓜蛋白酶、胃蛋白酶和碱性蛋白酶为水解酶,在100～300 MPa高静压下酶解制备了具有ACE抑制活性的甘薯蛋白酶解产物,发现在100 MPa下使用碱性蛋白酶酶解得到的甘薯蛋白酶解产物中分子量<3 kDa肽组分具有最高的ACE抑制活性;并从中鉴定得到54个分子量为501.28～1 958.88 Da、含有5～18个氨基酸的肽段，其中,富含缬氨酸、色氨酸、苯丙氨酸和精氨酸残基的VSAIW、AIWGA、FVIKP、VVMPSTF和FHDPMLR片段表现出良好的ACE抑制活性．该研究不仅证明了甘薯生物活性肽的降血压作用,还表明高静压技术能够促进甘薯生物活性肽的生成．

Ishiguro等[37]报道自发性高血压大鼠在口服甘薯生物活性肽后,收缩压呈剂量依赖性降低;进一步从中分离纯化得到具有良好ACE抑制活性的4个肽段ITP、IIP、GQY和STYQT,其中活性最好的为ITP．Huang等[5]从甘薯蛋白酶解产物得到GFR、FK、IMVAEAR、GPCSR、CFCTKPC和MCESASK 6种ACE抑制肽,其中CFCTKPC肽段的ACE抑制活性最好．

2 甘薯生物活性肽的制备方法

2.1 酶解

生物活性肽可通过酸、碱、发酵或酶解从整个蛋白质分子中释放出来．其中,酶解因绿色高效、易于被工业化等优点,通常用于制备蛋白酶解产物．同时,预热处理、高静压下酶解、超声波和微波辅助酶解等有助于促进酶解进程及生物活性肽的生成．

预热处理，即在酶解之前,对蛋白进行短时间加热[22,31]．预热处理可以引起蛋白的轻微变性和构象变化,从而促进酶解[38]．

高静压是一种非热技术,已应用于食品行业[39]．高静压处理会破坏蛋白质分子中氢键、疏水键和离子键等相对较弱的化学键,调节蛋白质和溶剂之间的相互作用[40]．高静压已被用于提高蛋白质的酶解效率,促进新的生物活性肽的释放[36,41-43]．高静压能诱导甘薯蛋白质去折叠化,提高水解效率和速度,从而提高甘薯酶解产物的低分子量组分含量和生物活性[44],Nazir等[36]在100～300 MPa高静压下酶解制备的甘薯蛋白酶解产物具有更高的ACE抑制活性．Zhang等[44]在高静压下，利用碱性蛋白酶酶解制备的甘薯蛋白酶解物具有更高的水解度、抗氧化活性和分子量<3 kDa组分的含量．

超声波是高于16 kHz频率上产生的声波,超出人类听觉的极限[45]．微波是频率从300 MHz到300 GHz的电磁波[46],频率越低,穿透性越好[47]．超声波-微波联合处理可以有效促进酶解制备甘薯抗氧化肽的进程[48],其主要原因是超声波可以加热溶液以引发化学反应[49],微波电磁能加速超声处理后蛋白质分子的结构变化,从而提高蛋白质对酶的敏感性[50]．Habinshuti等[48]研究发现,超声波-微波辅助酶解制备的甘薯蛋白酶解产物中分子量<3 kDa组分表现出更高的Fe2+螯合力、羟基自由基清除活性和氧自由基吸收能力,并含有多种具有潜在抗氧化活性的肽段．

由此可见,高静压、超声波、微波等物理场可以不同程度地提高甘薯蛋白酶解肽的生物活性．

2.2 发酵

王勇等[16]以甘薯蛋白为原料,采用枯草芽孢杆菌和黑曲霉复合菌共生发酵法制备甘薯抗氧化肽．通过葡聚糖凝胶色谱柱分离甘薯蛋白发酵液,发现分子量相对较低的组分具有最强的DPPH自由基清除能力;进一步采用高效液相色谱法分析发现,该组分的分子量为10～1 000 Da．上述研究表明，甘薯蛋白在复合菌发酵作用下可被酶解为活性较高的小分子肽,且高活性肽主要集中于分子量相对较小的短肽、二肽以及氨基酸等小分子物质中．

3 结语与展望

甘薯肽具有一定的抗氧化、降血压和抗肿瘤等生物活性,其活性大小与其一级序列与氨基酸组成有关．与此同时,预热处理、高静压下酶解、超声波和微波辅助酶解等有助于促进甘薯生物活性肽的生成．然而,目前国内外对甘薯生物活性肽的研究还处于初级阶段．一方面,甘薯生物活性肽的制备主要停留在实验室水平;另一方面,甘薯生物活性肽在体内代谢过程中活性及结构等的变化研究急需加强．随着科技的进步,以及生物活性肽领域研究的深入,将有助于实现甘薯生物活性肽的创新设计,有利于甘薯生物活性肽更好地应用于功能性食品中,以充分发挥其潜在的经济价值．