凡纳滨对虾(Penaeus vannamei)是世界上三大养殖对虾中单产量最高的虾种^[1]，也是中国年产量最大的养殖虾类，但在对虾加工中产生的大量虾头虾壳下脚料没有得到充分利用^[2]。这些下脚料营养成分丰富，含有大量的蛋白质、虾红素、不饱和脂肪酸等，同时也含有各种氨基酸和微量元素^[3]。目前这些副产物大多用于生产饲料和肥料，少部分用于生产甲壳素、壳聚糖^[4]，产品的附加值低。

生物活性肽是特殊的蛋白质片段，在蛋白质序列中没有活性，但是通过酶水解将其释放后，将会有一些生理功能^[5-6]。研究表明，虾肉及虾加工废弃物的酶解物有抗氧化活性^[7-8]。

因此，将对虾下脚料水解制备成抗氧化肽具有重要意义。王卫东等^[9]研究了对虾下脚料制备抗氧化肽的酶解工艺，得到中性蛋白酶最优条件下水解物的还原力为0.496；王标诗等^[10]研究了湛江对虾副产物酶解制备抗氧化肽的工艺，得到胃蛋白酶水解效果较好，其在最佳条件下酶解物的1, 1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)清除率为89.12%；陈晓明等^[11]研究了克氏原螯虾(Procambarus clarkii)的碱性蛋白酶酶解制备抗氧化肽的工艺；赵艳霞^[12]研究超声预处理虾下脚料的碱性蛋白酶酶解制备抗氧化肽的工艺。但现有研究存在很多不足：1)将虾头虾壳直接进行酶解，由于虾头虾壳成分的复杂性，不利于后期分离纯化抗氧化肽，并且相关研究也指出多种成分(如一些金属离子^[13]、糖类^[14]、脂肪^[15-16])会降低抗氧化活性，传统观点也认为蛋白质分子紧密的空间结构会阻碍其与酶分子的接触作用^[17]，而将虾头虾壳蛋白质提取后进行酶解，则酶解底物成分较单一，有利于后期的分离纯化，同时碱提处理使蛋白质结构松散，暴露内部的作用位点^[18]，提高酶解效果；2)评价抗氧化活性的指标多为一种，由于不同指标原理不同，单一评价指标不能反映总体的抗氧化活性，而多种抗氧化指标则可以较全面地评价其活性；3)大多缺少阳性对照，因此很难说明其抗氧化活性很高。

综上，文章以凡纳滨对虾虾头虾壳为原料，碱法提取蛋白质后，用蛋白酶水解，以DPPH自由基清除率、还原力、氧化自由基吸收能力(ORAC)和水解度为指标，筛选最适的水解酶。考察酶解时间、温度、pH和加酶量对该酶水解效果的影响，并结合响应面设计优化出最适酶解工艺。最后对优化所得酶解物的活性进行维生素C(Vc)阳性对照研究。

1.   材料与方法

1.1   材料

凡纳滨对虾的虾头、虾壳由阳江市谊林海达速冻水产有限公司提供，低温运送至华南农业大学食品学院后－18℃冷冻备用；胰蛋白酶(2.84×10⁵ U · g^-1)、胃蛋白酶(4.36×10⁴ U · g^-1)、风味蛋白酶(1.65×10⁴ U · g^-1)、木瓜蛋白酶(2.78×10⁴ U ·g^-1)为广州齐云生物技术有限公司出品；碱性蛋白酶(1.92×10⁵ U · g^-1)为北京奥博星生物技术有限责任公司出品；其他试剂均为市售分析纯。

1.2   主要仪器与设备

AL104型万分之一电子天平(Mettler Toledo)；PHS-3CW型pH计(上海般特仪器制造有限公司出品)；UV-1800PC型紫外可见分光光度计(上海美谱达仪器有限公司出品)；101-1AS型电热恒温干燥箱(康恒仪器有限公司出品)；EnSpire酶标仪(PerkinElmer公司出品)。

1.3   实验方法

1.3.1   虾头虾壳蛋白质提取工艺

参照姜震等^[19]的方法并加以改进。研究前期，通过正交试验优化出虾头虾壳蛋白质提取的最佳条件(NaOH溶液质量浓度为0.05 g · mL^-1、料液质量比1 : 10、提取时间100 min)后，取上层溶液调至虾蛋白等电点pH 3.5，得蛋白沉淀后用丙酮脱脂，水洗后冷冻干燥，即得虾头虾壳蛋白质。此条件下虾头虾壳蛋白质的提取率为51.59%，蛋白质纯度为73.61%(干质量)。

1.3.2   最适水解蛋白酶的筛选

1) 酶解液的制备。称取凡纳滨对虾虾头、虾壳蛋白质0.5 g，按料液质量比1 : 60加入去离子水，调节至各酶最适pH。然后加入蛋白酶(8 000 U ·g^-1)，置于各酶的最适温度下恒温酶解(转速150 r · min^-1)。待酶解反应进行6 h后，取出水解混合物，沸水浴加热灭酶20 min，4 000 r · min^-1离心20 min，收集上清液，测DPPH自由基清除率、还原力、ORAC和水解度，筛选最适水解酶。

2) DPPH自由基清除率的测定。参照NAJAFIAN等^[20]的方法，并加以改进。以2 mL 95%乙醇和2 mL去离子水的混合液做空白调零；取2 mL DPPH溶液(0.2 mmol · L^-1，溶于95%乙醇)和2 mL待测液，混匀，避光放置30 min，测517 nm处吸光值，记为A_样；取2 mL DPPH溶液和2 mL 95%乙醇，其他操作同A_样，记为A_空；取2 mL待测液和2 mL 95%乙醇，其他操作同A_样，记为A_背景。

3) 还原力的测定。参照WU等^[21]的方法。

4) 水解度的测定。参照余勃等^[22]的方法。

5) ORAC的测定。参照戴卉卿等^[23]的方法，将酶解液稀释1 000倍后测试，结果以维生素E水溶性类似物trolox的当量μmol · L^-1来表达。

1.3.3   酶解工艺条件的优化

1) 单因素实验。参照1.3.2蛋白酶筛选中酶解液制备方法，具体工艺参数如下，固定料液质量比1 : 60、温度50 ℃、pH 7.0、加酶量4 000 U · g^-1，考察不同酶解时间(4 h、6 h、8 h、10 h、12 h)对酶解液抗氧化活性的影响。依次将上步所得最佳条件代入，考察不同pH、温度和加酶量对酶解液抗氧化活性的影响。

2) 响应面优化实验设计。在前期单因素实验的基础上，根据Box-Behnken中心组合设计原理，选择温度(℃)、时间(h)和pH为自变量，以酶解液的DPPH自由基清除率(Y)为响应值，设计3因素3水平的响应面优化实验。

表  1  响应面优化实验各因素水平设计

Table  1.  Design of response surface method

水平 level	因素 factor
	A：温度/℃	B：时间/h	C: pH
-1	45	8	7
0	50	10	8
1	55	12	9

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1.3.4   数据分析

响应面实验结果采用Design-Expert 8 Trial中的Response Surface程序进行分析，显著性差异分析采用SPSS 16.0软件完成，P < 0.05被认为差异显著，采用Origin 8.5和Excel 2010软件作图。

2.   结果与分析

2.1   最适水解酶的筛选

从图 1可知，木瓜蛋白酶、风味蛋白酶、胃蛋白酶酶解液的DPPH自由基清除率最大，分别为84.14%、83.70%、83.19%，三者没有显著差异(P>0.05)；风味蛋白酶酶解液的还原力最大，A_{700 nm}值为0.32，显著高于其他组(P < 0.05)；风味蛋白酶、木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶的ORAC最大，分别为4.99 μmol · L^-1、4.04 μmol · L^-1和3.03 μmol · L^-1，三者没有显著差异(P>0.05)；风味蛋白酶酶解液的水解度最大，为15.42%，显著高于其他组(P < 0.05)。

图  1  不同蛋白酶酶解物的DPPH自由基清除率、还原力、氧化自由基吸收能力和水解度

Figure  1.  DPPH radical scavenging ability, reducing power, ORAC and DH of hydrolysate processed by different proteases

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不同的蛋白酶具有不同的酶学性质，对底物蛋白的水解作用也不同，因此水解度反映了蛋白酶对底物的水解效率。DPPH自由基清除率和还原力指标反映了抗氧化剂通过转移电子达到还原一些组分的能力，ORAC指标反映了抗氧化剂提供氢原子捕获自由基的能力^[24]。抗氧化肽大多由2~9个氨基酸组成，可能是小分子量的肽段可以更加有效地与自由基进行反应^[25]。在5种蛋白酶中，风味蛋白酶兼具内切酶和外切酶的特性，同时其水解度最大，推测风味酶可将蛋白质肽链水解成分子量较小的多肽片段，从而获得高抗氧化活性，同时风味酶酶解物的DPPH自由基清除率、还原力和ORAC均较高，说明该酶解物既是良好的电子供体，也有提供氢原子捕获自由基的能力。周爱梅等^[26]直接酶解对虾下脚料制备抗氧化酶解液，得到风味蛋白酶的酶解液活性最好；王雪芹等^[27]在鲐(Pneumatophorus japonicus)蛋白酶解制备抗氧化酶解液的研究中，对5种蛋白酶进行筛选，得到风味蛋白酶的水解效果最好，上述研究与笔者研究结果相似。由于不同抗氧化活性评价方法的原理不同，导致结果不一致，综合所有指标，选择风味蛋白酶为最佳水解用酶。

2.2   酶解条件的单因素实验

由实验结果可知，DPPH自由基清除率、还原力在第10小时达到最大，ORAC和水解度在第8、第10、第12小时没有显著差异(P>0.05)，均达到最大(图 2-A)，故选择10 h作为最适酶解时间。水解度和ORAC在pH 8时达到最大，DPPH自由基清除率在pH 6、7、8时没有显著差异(P>0.05)，还原力在pH 8、9时没有显著差异(P>0.05)，均达到最大(图 2-B)，故选择pH 8为酶解的最适pH。

图  2  酶解时间(A)、pH(B)、温度(C)和加酶量(D)对酶解物抗氧化活性的影响

Figure  2.  Effects of different hydrolysis time(A), pH(B), temperature(C) and enzyme concentration(D) on antioxidant activity of hydrolysates

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还原力、水解度、ORAC均在50 ℃时达到最大值，DPPH自由基清除率在55 ℃和50 ℃时没有显著差异，均达到最大(图 2-C)，故选择温度50 ℃为最佳的酶解温度。在加酶量8 000 U · g^-1时，DPPH清除率、ORAC达到最大，还原力在8 000 U · g^-1、10 000 U · g^-1时均达到最大，水解度在6 000 U · g^-1、8 000 U · g^-1、10 000 U · g^-1时均达到最大(图 2-D)。故选择8 000 U · g^-1作为最适的加酶量。

研究指出，抗氧化肽的活性大小与分子量、氨基酸序列、多肽结构等因素有关，抗氧化肽的相对分子质量较小，大多在500~1 800 D之间，大多数分离得到的抗氧化肽的N末端含有疏水性氨基酸如亮氨酸(Leu)和缬氨酸(Val)，并且多肽序列中含有赖氨酸(Lys)、天冬氨酸(Asp)、组氨酸(His)、脯氨酸(Pro)、酪氨酸(Tyr)、色氨酸(Trp)、甲硫氨酸(Met)和胱氨酸(Cys)等氨基酸^{[20, 28-29]}。而要获得具有上述特征的大量高活性的多肽段，必须严格控制酶解条件。推测风味蛋白酶在最适酶解条件下，将产生大量具有上述特征的肽段，抗氧化活性增大，但高于或低于最适条件，会导致产生的活性肽段数量降低，或者过度酶解使前期产生的活性片段被水解为活性较低的小片段和氨基酸^[26]，都会导致抗氧化活性降低。

2.3   响应面优化实验

2.3.1   优化实验及结果

对上述实验结果进行双变量相关性分析可得，水解度、ORAC、还原力与相同条件下DPPH清除率有较强的正相关性(相关系数分别为0.85、0.78、0.74)，且DPPH自由基清除能力是最常用的评价指标，因此选其作响应值设计响应面实验。响应面实验设计和结果见表 2。根据实验结果建立的数学模型为：

表  2  响应面实验设计方案和结果

Table  2.  Design project and results of RSM

序号 No.	温度/℃ temperature (A)	t/h (B)	pH (C)	DPPH自由基清除率/% DPPH radical scavenging activity(Y)
1	50.00	10.00	8.00	95.11
2	50.00	10.00	8.00	97.63
3	45.00	12.00	8.00	90.81
4	50.00	12.00	9.00	90.51
5	55.00	10.00	9.00	92.88
6	50.00	10.00	8.00	95.26
7	50.00	8.00	9.00	94.51
8	45.00	10.00	9.00	91.70
9	50.00	10.00	8.00	96.00
10	50.00	8.00	7.00	84.88
11	45.00	10.00	7.00	81.25
12	50.00	12.00	7.00	85.62
13	45.00	8.00	8.00	91.70
14	55.00	10.00	7.00	93.92
15	55.00	8.00	8.00	91.25
16	50.00	10.00	8.00	95.03
17	55.00	12.00	8.00	94.81

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2.3.2   结果分析及最佳工艺求解

整体模型的“Prob＞F”值为＜1×10^-2，失拟误差的“Prob＞F”值为0.06，表明该二次方程模型显著而失拟性检验不显著，说明模型的拟合度较好，能较好地对响应值进行预测(表 3)。

表  3  回归系数模型及方差分析表

Table  3.  Coefficient of regression model and variance analysis

变异来源 source	平方和 SS	自由度 df	均方 MS	F	Prob＞F	显著性 significance
模型 model	281.53	9	31.28	8.53	＜1×10-2	显著
A-temperature	37.93	1	37.93	10.34	0.01
B-time	0.044	1	0.044	0.012	0.92
C-pH	71.66	1	71.66	19.53	＜1×10-2
AB	4.95	1	4.95	1.35	0.28
AC	33.00	1	33.00	9.00	0.02
BC	5.63	1	5.63	1.53	0.26
A2	7.15	1	7.15	1.95	0.21
B2	23.43	1	23.43	6.39	0.04
C2	87.72	1	87.72	23.91	＜1×10-2
残差 residual	25.68	7	3.67
失拟误差 lack of fit	20.94	3	6.98	5.89	0.06	不显著
纯误差 pure error	4.74	4	1.19
总和 cor total	307.21	16

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响应面图能够反映各因素对响应值的影响(图 3和图 4)。对所建立的数学模型进行分析，得到酶解物DPPH清除活性最强所需的参数条件为温度54.45 ℃、时间10.38 h、pH 8.02，此条件下DPPH清除率预测值为96.80%。考虑实际操作性，调整工艺参数为温度54 ℃、时间10.5 h、pH 8。对调整后的参数进行验证性试验，测得该条件下酶解物DPPH清除率为96.58%，还原力A_{700 nm}为0.77，水解度为15.62%，ORAC为15.50 μmol ·L^-1。DPPH清除率与预测值仅相差0.22%，还原力、水解度和ORAC也很高，均高于或接近于单因素实验的最佳值。

图  3  温度和时间对酶解液DPPH自由基清除能力影响的响应曲面(a)和等高线(b)

Figure  3.  Response surface plot (a) and contour plot (b) revealing effects of temperature and time on DPPH scavenging activity of hydrolysates

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图  4  时间和pH对酶解液DPPH自由基清除能力影响的响应曲面(a)和等高线(b)

Figure  4.  Response surface plot (a) and contour plot (b) revealing the effects of time and pH on DPPH radical scavenging activity of hydrolysates

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不同研究采用的抗氧化活性评价方法不同，因此很难相互比较^[5]。对比笔者项目组采用相同评价方法的前期研究^[26]，该研究所得酶解液抗氧化活性高于直接酶解虾头虾壳所得酶解液，可能在提取蛋白质的过程中降低了影响抗氧化活性的金属离子；并且碱提操作可能会提高蛋白质的溶解性，使蛋白质结构松散，有利于其与溶液中的酶分子相互作用，从而产生较多的多肽，提高水解度和抗氧化活性。张欣等^[30]在研究碱性处理豌豆蛋白对其酶解物抗氧化活性的影响中发现，碱性处理提高了豌豆蛋白的水解度和抗氧化活性；吕莹等^[31]研究得到，碱提等预处理可以提高酶解得到的核桃肽的抗氧化活性；李幸等^[32]比较了不同预处理下真鳕(Gadus macrocephalus)鱼皮胶原蛋白肽的得率，发现碱处理后蛋白肽的得率最高。上述研究与笔者研究结果类似。

2.4   抗氧化活性研究

在优化的最优条件下(加酶量8 000 U · g^-1、温度54 ℃、时间10.5 h、pH 8)得到酶解上清液，冷冻干燥后测其多肽、水分质量分数和抗氧化活性。结果得到，风味蛋白酶酶解物中多肽质量分数为50.67%，水分质量分数为4.71%。陈轩^[33]在鲢(Aristichthys nobilis)蛋白酶解制备抗氧化肽的研究中，测得鲢抗氧化肽粗品的多肽质量分数为69.38%，水分质量分数为4.21%；张桂和等^[34]研究了方格星虫(Sipunculus nudus)酶解物冻干粉中各成分的质量分数，其中多肽质量分数为60.60%，水分质量分数为9.44%。对比这些研究，该研究所得酶解物中多肽含量较低，可能是因为酶解底物中含有相对较多的非蛋白成分，这部分成分溶解于酶解液中导致的。由图 5可知，酶解物的抗氧化活性随着浓度的增加而增大，但低于相同浓度的Vc，肖月娟等^[35]在斑(Clupanodom punchtatus)蛋白酶解物抗氧化活性的研究中也得出相似的结果。5 mg · mL^-1酶解物的DPPH自由基清除率为82.09%，5 mg · mL^-1Vc为90.71%；0.5 mg · mL^-1酶解物的ORAC为126.16 μmol · L^-1，相同浓度Vc为158.24 μmol · L^-1；但还原力与Vc差距较大(图 5)。综上，5 mg · mL^-1酶解物的DPPH自由基清除率达到相同浓度Vc活性的90.50%，0.5 mg · mL^-1时ORAC达到Vc活性的79.73%。由于酶解粗提物中含有多种抗氧化肽片段，不同多肽段的抗氧化活性有差距，推测该酶解物中存在抗氧化活性超过Vc的片段，分离纯化出该抗氧化肽段是后继研究方向。

图  5  最优条件下酶解物的DPPH自由基清除率(A)、ORAC(B)和还原力(C)

Figure  5.  DPPH radical scavenging ability (A), ORAC (B) and reducing power (C) of hydrolysates processed by optimal conditions

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3.   结论

1) 对比其他酶，风味蛋白酶酶解物的水解度最大，综合抗氧化活性最强，因此选其为后续实验用酶。

2) 虾头虾壳蛋白质水解制备抗氧化肽的最适酶解工艺为采用风味蛋白酶(1.65×10⁴ U · g^-1)，加酶量8 000 U · g^-1、温度54 ℃、时间10.5 h、pH 8，此条件下酶解液DPPH自由基清除率为96.58%，还原力为0.77，水解度为15.62%，ORAC为15.50 μmol · L^-1。5 mg · mL^-1该酶解物的DPPH自由基清除率为82.09%，相当于相同浓度Vc抗氧化活性的90.50%，0.5 mg · mL^-1时ORAC为126.16 μmol · L^-1，相当于相同浓度Vc活性的79.73%。

3) 该研究成果可为对虾副产品的深加工提供有益思路，因研究采用的评价方法都为化学方法，缺少生物学评价，尚不能真实反映其在生物体中的作用效果。