大鲵(Andrias davidianus)俗称娃娃鱼,是我国特有珍稀水生动物,作为全球最大两栖类物种之一,兼具生态功能与营养药用价值[1],其肌肉、皮肤、黏液[2]及内脏等组织含70余种活性物质(如胶原蛋白、糖蛋白、生物活性肽等),具有促进新陈代谢和增强免疫的作用[3-5]。尽管野生大鲵被列为濒危保护物种,但随着人工繁育技术的突破,在我国的重庆、陕西、贵州、湖南等地人工养殖的大鲵已经成为当地特色产业[6-8]。以养殖大鲵开发的系列产品(风味酱、健康糕点等)已形成特色食品体系,市场需求逐年增加。目前对大鲵产品的开发主要集中在大鲵肉制品,缺乏对大鲵皮和黏液的高值化开发利用[9]。
大鲵皮和黏液是大鲵肉的加工副产物,研究表明,大鲵皮和黏液中含有丰富的蛋白质和多肽,这些蛋白质及多肽具有抗氧化、抗病毒及抗肿瘤等生物活性[10-11],具备重要的开发价值。目前,大鲵蛋白质的提取方法主要包括碱溶酸沉法、酶解法、超声辅助提取法[12-14]。李莉等[15]对人工养殖大鲵皮中的胶原蛋白提取工艺进行了优化。结果表明,大鲵皮中的胶原蛋白提取率可达到66.99%。李莉等[16]分别提取了大鲵皮的酸溶性胶原蛋白和酶溶性胶原蛋白,并对其理化性质进行了深入研究。Lundberg等[17]提取和鉴定出大鲵皮肤中含有249 种蛋白质,黏液中含有155 种蛋白质,分析显示这些蛋白质参与细胞外基质构建、免疫防御及创伤修复等关键功能。蛋白肽具有生理功能特性,如抗氧化、抑菌、抗病毒以及提高免疫力等,在食品和医药等领域有广泛应用。因此,将大鲵皮及黏液中的蛋白质制备成大鲵蛋白肽对于开发高值化的大鲵产品、延长大鲵加工产业链具有重要意义。
本研究利用碱溶酸沉法提取大鲵皮和黏液中的蛋白质,通过酶解技术制备大鲵蛋白肽,并对大鲵蛋白肽的抗氧化、抗疲劳功效进行了评估,以期为大鲵皮和黏液的高值化开发与应用奠定基础。
6-8周龄,雄性,无特定病原体(specific pathogen free,SPF)昆明级小鼠:天津杰柯逊生物技术开发有限公司;大鲵皮和黏液:山东达孚特膳食品有限公司;中性蛋白酶(50 000 U/g)、风味蛋白酶(15 000 U/g)、三羟甲基氨基甲烷盐酸盐(分析纯):北京索莱宝生物科技有限公司;氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、无水乙醇、三氯化铁、硫酸亚铁(均为分析纯):天津市津东天正精细化学试剂厂;三氯乙酸、铁氰化钾、过硫酸钾、水杨酸(均为分析纯):上海阿拉丁生物科技有限公司;谷胱甘肽(分析纯):上海迈瑞尔化工集团有限公司;过氧化氢(分析纯):天津市大茂化学试剂厂;邻苯三酚(分析纯):天津市江天化工技术股份有限公司;2,2′-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸[2,2′-azinobis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonate),ABTS]、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)(均为分析纯)、尿素氮浓度检测试剂盒、乳酸浓度检测试剂盒、糖原试剂盒、L-乳酸脱氢酶试剂盒:上海源叶生物科技有限公司。本实验通过天津科技大学生物工程学院动物伦理委员会批准(编号:SWXY-2025010 11068)。
紫外可见分光光度计(UV-6100):上海美谱达仪器有限公司;真空冷冻干燥机(FD-1):上海田枫实业有限公司;高速离心机(5804R):艾本德国际贸易有限公司;电子天平(JH1102):上海精密科学仪器有限公司。
1.3.1 大鲵皮及黏液蛋白质的提取
采用碱溶酸沉法提取大鲵粗蛋白质,称取一定量的大鲵皮以及黏液,使用1 mol/L氢氧化钠溶液进行蛋白质提取,提取温度为55 ℃,大鲵皮蛋白质的提取时间为1 h,大鲵黏液蛋白质的提取时间为2 h,大鲵皮蛋白质的提取固液比为1∶30(g/mL),大鲵黏液蛋白质的提取固液比为1∶15(g/mL)。
1.3.2 大鲵蛋白质的酶解
采用双酶解工艺水解大鲵蛋白质制备多肽。首先用6%的风味蛋白酶在55 ℃、pH6.5条件下水解大鲵蛋白质1 h,高温灭酶后,再加入6%中性蛋白酶在45 ℃、pH6.0条件下继续水解大鲵粗蛋白质2 h,高温灭酶后,酶解液用1 000 Da超滤膜超滤即获得大鲵蛋白肽液,冻干后备用。
1.3.3 大鲵蛋白肽体内抗疲劳、抗氧化试验
选取3周龄48只雄鼠,将其随机平均分为6组,即对照组、空白组、大鲵皮蛋白肽低剂量组(A1组)、大鲵皮蛋白肽高剂量组(A2组)、大鲵黏液蛋白肽低剂量组(B1组)、大鲵黏液蛋白肽高剂量组(B2组)。经口灌胃给药,每日15:00-16:00灌胃1次,每次饲喂大鲵蛋白肽分别为高剂量组为0.75 g/kg 体质量(body weight,bw),低剂量组为0.25 g/kg bw,空白组为蒸馏水1 g/kg bw,对照组为乳清蛋白0.4 g/kg bw。实验周期为21 d,期间喂食常规饲料,自由进食。
1.3.3.1 体质量测定
实验周期内,每周固定时间对各处理组小鼠实施体质量动态监测,记录其生长趋势变化。通过电子天平(精度0.01 g)系统采集数据,并同步评估异常体质量波动与实验变量的相关性。
1.3.3.2 负重游泳实验
本实验随机选取8只小鼠,并在最后一次灌胃30 min后,在尾部负重5%体质量的铅丝,置于温度为25 ℃的游泳箱中进行持续游泳活动,测定实验小鼠在负重状态下的持续游泳能力,当小鼠丧失自主浮游能力时终止计时,记录负重游泳时间。
1.3.3.3 血样采集
实验结束后,依据动物伦理规范,采用眼球取血法进行小鼠采血;使用止血镊快速摘除眼球,待血液自然流出,将全血收集至预先加入抗凝剂的1.5 mL离心管中。血样经高速离心机(4 000 r/min,15 min,4 ℃)分层后,精准吸取血浆转移至冻存管,密封后保存于-80 ℃液氮罐,同步记录冻存时间与批次信息以保障检测数据可靠性。
1.3.3.4 尿素氮含量的测定
采用尿素氮浓度检测试剂盒测定尿素氮含量。随机选取8只小鼠,并在最后一次灌胃30 min后,不负重将其置于温度为30 ℃的游泳箱中进行持续90 min的游泳活动,随后给予60 min的休息时间,通过眼球采血收集样本;将全血以4 000 r/min离心30 min,取上层血浆测定尿素氮含量。
1.3.3.5 乳酸含量的测定
采用乳酸浓度检测试剂盒检测小鼠血浆中的乳酸含量。随机选取8只小鼠,并在最后一次灌胃30 min后,尾部取血20 μL,将其置于温度为30 ℃的水中,在不负重状态下完成10 min的游泳测试,随即停止并采集血液样本,休息20 min后再次采血。取100 μL血浆样本并加入1 mL含金属螯合剂的酸性试剂,随后在4 ℃、12 000 r/min条件下离心10 min,取澄清的上清液后取用其中的0.8 mL,将0.15 mL含有碳酸氢根的缓冲液缓慢滴入上述上清液中,并通过反复吹打确保混合均匀直至完全消除可见气泡,以同样速度再次离心10 min,收集并保留上清液,按照乳酸浓度检测试剂盒说明书对样品中乳酸含量进行准确测定。
1.3.3.6 糖原含量的测定
采用糖原试剂盒检测小鼠肝脏组织中的糖原含量。随机选取8只小鼠,并在最后一次灌胃30 min后将小鼠处死,随后取出肝脏组织,用生理盐水对肝脏彻底清洗后,通过滤纸吸干水分,称取100 mg肝脏样本,与碱液按照1∶3 (g/mL)的比例混合,置于沸水浴中进行20 min的加热反应,通过流水冷却后按照糖原试剂盒说明书对样品中糖原含量进行准确测定。
1.3.3.7 L-乳酸脱氢酶(L-lactate dehydrogenase,LDH)活性的测定
采用L-乳酸脱氢酶试剂盒检测小鼠肝脏组织中LDH的活性。随机选取8只小鼠,并在最后一次灌胃30 min后,不负重将其置于温度为30 ℃的游泳箱中进行持续30 min的游泳活动,游泳活动结束后,迅速将小鼠捞出并用吹风机快速吹干其体表,接着进行断颈处死操作,并随即进行解剖,随后收集小鼠的肝脏组织,用生理盐水冲洗干净后借助吸水纸彻底擦干,最后将处理好的样本存置于-80 ℃冰箱中,按照L-乳酸脱氢酶试剂盒说明书对L-乳酸脱氢酶含量进行测定。
1.3.4 大鲵蛋白肽还原能力测定
大鲵蛋白肽还原能力测定参考Lee等[18]的方法对大鲵蛋白肽的还原能力进行评估。配制不同浓度的大鲵蛋白肽样品溶液及对照组[谷胱甘肽(glutathione,GSH)溶液],取1 mL样品溶液置于试管中,依次加入2.5 mL质量分数为1%的K3Fe(CN)6溶液和2.5 mL 0.2 mol/L pH6.6的磷酸盐缓冲液,振荡混匀后置于50 ℃恒温水浴中反应20 min。反应完成后,混合液冷却至室温,加入2.5 mL质量分数为10%的三氯乙酸(trichloroacetic acid,TCA),充分混匀。以3 000 r/min离心10 min,收集2.5 mL上清液,添加2.5 mL蒸馏水与0.5 mL质量浓度为0.1%的FeCl3溶液,再次混合后于700 nm波长下测定吸光值并记录相关数据。
1.3.5 DPPH自由基清除能力测定
DPPH自由基清除能力测定参考Jao等[19]的方法并稍作修改,评估大鲵蛋白肽的DPPH自由基清除能力。配制不同浓度的大鲵蛋白肽样品溶液及对照组(GSH溶液),取1 mL待测样品溶液于试管中,分别加入2.5 mL 1%的K3Fe(CN)6与2.5 mL pH6.6 0.2 mol/L的磷酸盐缓冲液,混匀之后置于50 ℃恒温水浴反应20 min。混合物冷却至室温后加入2.5 mL 10% TCA,混匀后3 000 r/min离心10 min。取2.5 mL上清液移至新试管中,加入2.5 mL超纯水与0.5 mL 0.1% FeCl3溶液,振荡后测定700 nm波长处吸光值,并按如下公式计算DPPH自由基的清除率。
式中:K为大鲵蛋白肽对DPPH自由基的清除率,%;A0为2.0 mL无水乙醇和2.0 mL浓度为0.1 mmol/L的DPPH溶液反应的吸光值;A1为2.0 mL大鲵蛋白肽溶液和2.0 mL浓度为0.1 mmol/L的DPPH溶液反应的吸光值;A2为2.0 mL大鲵蛋白肽溶液和2.0 mL 95%乙醇溶液反应的吸光值。
1.3.6 超氧阴离子自由基清除能力的测定
超氧阴离子自由基清除能力的测定参考程德竹等[20]的方法并进行优化改进。配制不同浓度的大鲵蛋白肽样品溶液及对照组(GSH溶液),取3 mL待测样品液置于独立容器,加入与样品液等体积的0.1 mol/L三羟甲基氨基甲烷盐酸盐[tris(hydroxymethyl)aminomethane hydrochloride,Tris-HCl]缓冲液(pH8.2),空白组则以等量去离子水替代缓冲液,各组样品中分别加入0.3 mL浓度为10 mmol/L的邻苯三酚溶液,静置反应3 min后,在325 nm波长测定其吸光值,并按如下公式计算超氧阴离子自由基清除率。
式中:M为大鲵蛋白肽对超氧阴离子自由基的清除率,%;A0为空白组的吸光值;A1为加入样品后的吸光值。
1.3.7 ABTS+自由基清除能力测定
ABTS+自由基清除能力测定参考Binsan等[21]的方法并优化改进。ABTS工作液的制备步骤如下:在锥形瓶中加入20 mL浓度为7 mmol/L的ABTS溶液,再添加50 mL浓度为2.45 mmol/L的K2S2O8溶液,充分振荡混匀后置于暗处静置12 h以完成反应。体系稳定后,通过添加无水乙醇调节混合液在734 nm波长下的吸光值至0.70±0.05,将该溶液保存于避光环境中备用。配制不同浓度的大鲵蛋白肽样品溶液及对照组(GSH溶液),取0.8 mL上述不同浓度样品分别与3.2 mL的ABTS工作液充分混合均匀,避光静置反应6 min,并按如下公式计算ABTS+自由基清除率。
式中:N为大鲵蛋白肽对ABTS+自由基的清除率,%;A0为空白组的吸光值;A1为加入样品后的吸光值。
1.3.8 羟基自由基清除能力测定
羟基自由基清除能力测定参考范三红等[22]的研究方法并进行改进。配制不同浓度的大鲵蛋白肽样品溶液及对照组(GSH溶液),取1 mL待测蛋白肽样品置于试管中,加入2 mL浓度为0.05 mol/L的FeSO4溶液并振荡混匀;之后添加2 mL同样浓度的水杨酸-乙醇溶液,2 mL蒸馏水和2 mL的H2O2溶液,室温下反应30 min,测定波长为510 nm处吸光值。依据下列公式计算羟基自由基清除率。
式中:Q为大鲵蛋白肽对羟基自由基的清除率,%;A0为空白组的吸光值;A1为加入样品后的吸光值;A2为H2O2替换为水溶液的吸光值。
所有实验数据均以平均值±标准差表示。数据通过GraphPad Prism 9软件进行统计分析,实验结果的可视化图表均使用OriginPro 2024绘制。
小鼠体质量变化如图1所示。
图1 小鼠体质量变化
Fig.1 Changes in body weight of mice
从图1可以看出,随着饲养时间的延长,小鼠体质量逐渐增加,各组小鼠体质量每周的增幅差异不明显。
机体在长时间游泳后,糖原会被快速消耗导致体内血糖含量降低,能量输送减少,因此可以通过游泳时间的长短来反映运动性疲劳功能[23-24]。小鼠负重游泳时间结果如图2所示。
图2 小鼠负重游泳时间
Fig.2 Weight-loaded swimming time of mice
从图2可以看出,大鲵皮蛋白肽高剂量组与大鲵黏液蛋白肽高剂量组小鼠的负重游泳时间高于对照组,分别达到20.0 min和24.8 min,呈现剂量依赖性效应。这一结果表明大鲵蛋白肽具有延缓运动性疲劳的功能。
研究表明当运动时长超出糖脂供能阈值时,机体将分解蛋白质获取能量,尿素氮是蛋白质代谢的终产物[25],其浓度会在剧烈运动中明显升高,在持久的运动行为中尿素氮含量的上升现象愈加明显。运动个体抗疲劳效能越强,其运动期间尿素氮累积量越低,呈现负相关趋势[26]。小鼠血液尿素氮含量如图3所示。
图3 小鼠血液尿素氮含量
Fig.3 Blood urea nitrogen content of mice
从图3可以看出,负重游泳后A2组的尿素氮含量为32 μg/mL,B2组的尿素氮含量为31 μg/mL,分别比空白组和对照组低24.4%和18.4%。这一结果表明大鲵蛋白肽具有较好的抗疲劳效果。
负重游泳后小鼠血液中乳酸含量较静息状态急剧增加[27]。短时极限运动的能量需求主要由糖酵解途径满足。剧烈肌肉收缩时,氧供应不足促使葡萄糖通过无氧方式合成三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP),糖酵解反应的强化导致乳酸过量生成,致使肌肉与血液酸化,破坏生理pH值平衡并扰乱代谢活动,降低心肺功能和骨骼肌工作效率,最终引发运动能力衰退[28]。小鼠游泳前后血液乳酸含量变化如图4所示。
图4 游泳前后小鼠血液乳酸含量变化
Fig.4 Changes in blood lactic acid content of mice before and after swimming
从图4可以看出,A2组和B2组小鼠休息20 min后,血液中乳酸含量明显下降,A2组小鼠从14.5 μmol/mL下降至13.7 μmol/mL,B2组从14.0 μmol/mL下降至13.1 μmol/mL,比空白组和对照组的含量低,这说明大鲵蛋白肽可以避免乳酸的大量积累。
机体内糖类物质主要储存形式为肝糖原和肌糖原,二者在运动时对能量供应扮演重要角色,血糖水平降低时,肌肉组织直接通过无氧酵解途径借助肌糖原提供能量,而肝糖原则分解为葡萄糖以维持血糖平衡并支持全身代谢活动,二者含量的高低与机体抗疲劳能力呈现出正相关线性关系[29]。小鼠肝糖原和肌糖原含量如图5所示。
图5 小鼠肝糖原和肌糖原含量
Fig.5 Hepatic glycogen and muscle glycogen contents of mice
从图5可以看出,负重游泳后A2组的肝糖原和肌糖原含量分别为15.6 mg/g和3.4 mg/g,B2组肝糖原和肌糖原含量分别为17.8 mg/g和3.4 mg/g,分别高于空白组和对照组。A2组和B2组的糖原含量高,从而改善小鼠的能量代谢体系,增强肝糖原及肌糖原的生物储存能力,有助于延缓高强度运动诱发的疲劳发生。
机体在长时间运动后会导致乳酸的大量积累[30],乳酸脱氢酶催化乳酸向丙酮酸转化,丙酮酸通过三羧酸循环代谢为二氧化碳和水排出,减少组织中乳酸蓄积。当机体高强度运动或肌肉受损时,细胞膜通透性改变可能使LDH释放至血浆,导致血浆中的LDH活性异常升高。小鼠L-乳酸脱氢酶活性如图6所示。
图6 小鼠L-乳酸脱氢酶活性
Fig.6 L-lactate dehydrogenase activity of mice
从图6可以看出,负重游泳后A2组和B2组小鼠血浆LDH活性分别达到140 U/mL和160 U/mL,明显高于其他组,这表明大鲵蛋白肽可以加速乳酸代谢并维持细胞膜完整性,减轻了运动性肌肉损伤与疲劳。
还原能力是评价抗氧化活性的核心指标,其数值提升通常预示更优的氧化应激抑制效果。GSH与大鲵蛋白肽的还原能力如图7所示。
图7 GSH与大鲵蛋白肽的还原能力
Fig.7 Reducing power of GSH and Andrias davidianus protein peptide
从图7可以看出,随着GSH浓度从0.1 mg/mL增至0.5 mg/mL,其还原能力持续上升;大鲵蛋白肽亦呈现相似趋势,5 mg/mL大鲵皮蛋白肽与0.1 mg/mL GSH还原能力相当,大鲵黏液蛋白肽在相同浓度下则接近0.2 mg/mL GSH的还原能力。此外,大鲵蛋白肽的还原能力与其浓度呈正相关。
GSH与大鲵蛋白肽对DPPH自由基的清除能力如图8所示。
图8 GSH与大鲵蛋白肽对DPPH自由基的清除能力
Fig.8 Scavenging ability of GSH and Andrias davidianus protein peptide on DPPH free radical
从图8可以看出,3 mg/mL大鲵皮蛋白肽对DPPH自由基清除率为43.69%,与0.3 mg/mL GSH相当,2 mg/mL大鲵黏液蛋白肽的DPPH自由基清除率为56.01%,与0.4 mg/mL GSH相当,表明大鲵蛋白肽具有较强的DPPH自由基清除能力。
GSH与大鲵蛋白肽对超氧阴离子自由基清除能力如图9所示。
图9 GSH与大鲵蛋白肽对超氧阴离子自由基清除能力
Fig.9 Scavenging ability of GSH and Andrias davidianus protein peptide on superoxide anion free radical
从图9可以看出,大鲵皮蛋白肽对超氧阴离子自由基的清除能力随浓度升高而增强,从24.68%增至69.00%,3 mg/mL大鲵皮蛋白肽对超氧阴离子自由基的清除率与0.2 mg/mL GSH相当。2 mg/mL大鲵黏液蛋白肽对超氧阴离子自由基的清除率展现出与0.1 mg/mL GSH相当的清除能力,表明大鲵蛋白肽具有较强的超氧阴离子自由基清除能力。
GSH与大鲵蛋白肽对ABTS+自由基的清除能力如图10所示。
图10 GSH与大鲵蛋白肽对ABTS+自由基清除能力
Fig.10 Scavenging ability of GSH and Andrias davidianus protein peptide on ABTS free radical
从图10可以看出,大鲵蛋白肽对ABTS+自由基的清除能力随浓度(1~5 mg/mL)的增加而增强,整体的ABTS+自由基清除率由56.53%增至82.79%,2 mg/mL 大鲵皮蛋白肽的ABTS+自由基清除能力与0.1 mg/mL GSH相当。4 mg/mL的大鲵黏液蛋白肽对ABTS+自由基的清除率为82.79%。表明大鲵蛋白肽具有较强的ABTS+自由基清除能力。
GSH与大鲵蛋白肽对羟基自由基的清除能力如图11所示。
图11 GSH与大鲵蛋白肽对羟基自由基清除能力
Fig.11 Scavenging ability of GSH and Andrias davidianus protein peptide on hydroxyl free radical
从图11可以看出,随着GSH和大鲵蛋白肽浓度的增加,羟基自由基的清除能力逐渐提高,大鲵皮蛋白肽浓度为3 mg/mL时,羟基自由基清除率为43.69%,与GSH浓度为0.3 mg/mL时的羟基自由基清除能力相当,显示出较好的羟基自由基清除效果。大鲵黏液蛋白肽浓度为2 mg/mL时,羟基自由基清除率是46.01%,与0.3 mg/mL GSH的羟基自由基清除能力相当。表明大鲵蛋白肽具有较强的羟基自由基清除能力。
本研究探究了大鲵皮和黏液蛋白肽对小鼠抗疲劳能力及体外抗氧化活性的影响。结果表明,大鲵皮和黏液蛋白肽具有浓度依赖型抗氧化活性,在自由基清除方面,5 mg/mL的大鲵皮蛋白肽对DPPH自由基清除率为61.2%,与0.2 mg/mL的GSH相当;3 mg/mL的大鲵皮蛋白肽对超氧阴离子自由基和羟基自由基清除率分别达到69.09%、43.69%,与0.2~0.3 mg/mL的GSH相当;2 mg/mL的大鲵黏液蛋白肽对羟基自由基清除率可达到56.01%,优于大鲵皮蛋白肽。小鼠抗疲劳实验结果显示,饲喂大鲵蛋白肽的小鼠负重游泳时间比对照组延长了62%~97%,大鲵蛋白肽能提升小鼠肝糖原和肌糖原的储备,增强L-乳酸脱氢酶活性,血液乳酸含量达到0.8~0.9 μmol/mL,尿素氮含量降低32~31 μg/mL。这些结果表明,大鲵蛋白肽具有较强的抗氧化和抗疲劳功效,该研究为大鲵高值化利用及功能性制品开发提供理论依据。
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Preparation of Andrias davidianus Protein Peptides and Their Antioxidant and Anti-Fatigue Activities