作者:卫萍等   来源:   发布时间:2026-05-25   Tag:   点击:
火麻肽钙螯合物的制备工艺优化及结构表征

 要:为拓展火麻肽(HPT)的应用领域并开发新型食源性钙补充剂,研究了火麻肽-钙螯合物的制备工艺优化及结构特征。通过对比不同酶解方式(单酶/复合酶)对火麻蛋白水解度(DH)、氨基酸组成及钙螯合能力的影响,筛选高效酶解策略;基于单因素实验结果,采用正交实验优化螯合工艺参数。利用紫外-可见吸收光谱(UV)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)及热重分析(TG)对螯合前后物质结构进行表征。结果表明胃蛋白酶与胰蛋白酶双酶分步酶解可实现最高水解度(33.75%),其水解产物中疏水性与芳香族氨基酸占比显著提升。肽钙质量比4:1、pH11、30℃条件下反应50min,最优螯合率达12.80%。UV与FTIR表征证实氨基和羧基参与配位,形成结构异于原料肽的新化合物;SEM证实螯合物具有更致密的微观形貌;TG分析表明螯合物热稳定性显著提高,其具有更稳定的空间结构与热力学性质,研究为火麻肽钙螯合物作为功能性钙补充剂的开发提供参考。

关键词:火麻蛋白;酶解;螯合工艺;肽钙螯合物;结构表征

 

钙是人体必需的重要营养物质。钙摄入不足会引发骨质疏松、佝偻病等诸多疾病。我国是世界骨质疏松病第一大国,占全世界患者总数的50%[1],且发病率呈逐年上升趋势,主要原因是钙摄入不足以及钙吸收率低,由于钙缺乏引发的各类相关疾病,严重危害人体健康。目前治疗钙缺乏最优先的方法是通过饮食增加摄入量。市场上销售的钙制剂主要有无机钙(碳酸钙等)和有机钙(乳酸钙等),前者必须借助载体或消耗机体相关的酶才能被吸收;后者需解离成钙离子后进入肠胃,但易与胃酸形成沉淀不利于钙吸收[2]。因此,现有的钙补充剂在人体内主动吸收效果欠佳,更好的钙补充剂研发还有待突破。

火麻肽是火麻蛋白在通过酶解和分离后而形成的小分子活性肽,火麻肽与火麻蛋白粉相比有诸多优点,如溶解度高、热稳定性好等特点。火麻肽有益于抗氧化、降血压、降血脂等[3]。肽钙螯合物(肽螯合钙)是钙离子通过配位键与肽连接而形成的具有环状结构的配合物,研究表明肽类与金属离子的螯合,有助于提高各类微量元素生物学效价[4]。因螯合物中的多肽可作为钙离子跨膜运输中的载体,防止肽水解,使钙离子在经过胃肠吸收部位时以螯合态形式存在,不易形成磷酸钙沉积物[5]。由于其具有稳定性好、吸收速率快、体内生物利用度高等优势,肽螯合钙已成为潜在的膳食钙营养补充剂,成为国际国内研究的热点[6-7]

本研究以火麻肽与氯化钙进行螯合反应为制备火麻肽螯合钙,对螯合工艺进行优化获得最佳螯合工艺参数。并对获得的火麻肽钙螯合物进行UV、FTIR、SEM以及TG等结构表征与性质分析,探寻螯合前后物质结构性质的变化规律,这对改善火麻肽螯合钙的理化性质(如稳定性、溶解性)及钙在体内的吸收利用率具有重要意义,同时也为火麻肽螯合钙的制备与新型补钙制剂的开发提供参考。

 

1 材料与方法

1.1 主要仪器与试剂

脱脂火麻蛋白(含油率<5%);胃蛋白酶(5000U/g)、胰蛋白酶(4000U/g)、木瓜蛋白酶(2万U/g)、碱性蛋白酶(2万U/g);无水氯化钙、溴化钾、盐酸、氢氧化钠等均为分析纯。

YP10002电子天平;L550常温低速离心机;PILOT1015M中试真空冷冻干燥机;HHS4数显恒温水浴锅;PH100pro笔式酸度计;Biochrom 30+全自动氨基酸分析仪;UV-1800紫外/可见分光光度计;Thermo Fisher Nicolet ls5傅里叶红外光谱仪;Mettler Toledo TGA2热重分析仪;Thermo Scientific Helios 5CX聚焦离子束扫描电镜。

1.2 实验方法

1.2.1 火麻肽的制备

1.2.1.1 胃蛋白酶+胰蛋白酶酶解工艺

m(火麻蛋白原料):V(水)为1:10的比例混合加热至酶解温度,用1mol/LHCl调pH到2.0,加质量分数0.2%胃蛋白酶,40℃,酶解2h;然后升温到50℃,用2.0mol/L NaOH溶液调节pH至7.5,加胰质量分数0.2%蛋白酶,50℃酶解4h。酶解结束后调整水浴锅温度到95℃,加热灭酶20min,冷却至室温,在4000r/min下离心30min,取上清液,装不锈钢盘入-18℃冷库中预冻24h以上,真空冷冻干燥3d备用,即为火麻肽样品。

1.2.1.2 木瓜蛋白酶酶解工艺

m(火麻蛋白原料):V(水)为1:10的比例混合加热至酶解温度55℃,用1mol/L HCl调pH到6,加质量分数0.2%木瓜蛋白酶,55℃条件下酶解6h。酶解结束后调整水浴锅温度到95℃,加热灭酶20min,冷却至室温,在4000r/min下离心30min,取上清液,装不锈钢盘入-18℃冷库中预冻24h以上,真空冷冻干燥3d备用,即为火麻肽样品。

1.2.1.3 碱性蛋白酶酶解工艺

m(火麻蛋白原料):V(水)为1:10的比例混合加热至酶解温度55℃,用2.0mol/L NaOH溶液调pH至9.5,加质量分数0.2%碱性蛋白酶,55℃,酶解6h。酶解结束后调整水浴锅温度到95℃,加热灭酶20min,冷却至室温,4000r/min离心30min,取上清液,装不锈钢盘入-18℃冷库中预冻24h以上,真空冷冻干燥3d备用,即为火麻肽样品。

1.2.2 火麻肽钙螯合物的制备

参照阮国瑞等[8]的方法并略有修改。螯合条件为:肽与CaCl2的质量比为2:1,溶液初始pH8.0,螯合时间为50min,螯合温度为50℃。具体操作称取0.9g火麻肽样品,加入90mL去离子水,配制成1%(质量浓度,w/v)的火麻肽溶液,用1mol/L的NaOH溶液调节pH,水浴加热一定时间使其达到所需螯合温度,再称取一定质量的无水CaCl2加入样品溶液中,迅速搅拌至溶解,用保鲜膜封口后水浴反应一段时间。螯合反应结束后,加入45mL的无水乙醇沉淀30min后,4000r/min离心20min,取下层沉淀物冻干即为火麻肽钙螯合物。

1.2.2.1 最佳肽钙质量比的确定

称取0.9g样品,加入90mL去离子水,配制成1%(w/v)的火麻肽溶液,并用1mol/L的NaOH溶液调节pH至8,再分别按肽钙质量比1:1、2:1、3:1、4:1、5:1称取适量无水CaCl2加入蛋白肽溶液中,溶解后将锥形瓶置于50℃水浴锅中反应50min。根据1.2.4.3中的方法测定螯合率,以确定最佳肽钙质量比。

1.2.2.2 最佳螯合时间的确定

称取0.9g样品,加入90mL去离子水,配制成浓度为1%(w/v)的火麻肽溶液,用1mol/L的NaOH溶液调节pH至8。然后分别称取0.45g无水CaCl2加入蛋白肽溶液中溶解,溶解后将锥形瓶置于50℃的水浴振荡器中分别反应30、40、50、60、70min。反应结束后根据1.2.4.3中的方法测定螯合率,以确定最佳螯合时间。

1.2.2.3 最佳螯合温度的确定

称取0.9g样品,加入90mL去离子水,配制成浓度为1%(w/v)的火麻肽溶液,用1mol/L的NaOH溶液调节pH至8。分别称取0.45g无水CaCl2加入蛋白肽溶液中,溶解后将锥形瓶置于30、40、50、60、70℃水浴振荡器中反应50min。根据1.2.4.3中的方法测定螯合率。

1.2.2.4 最佳螯合pH的确定

称取0.9g样品,加入90mL去离子水,

配制成固定浓度为1%(w/v)的火麻肽溶液,按肽与CaCl2质量比为2:1加入0.45g无水CaCl2到肽溶液中,然后用1mol/L的NaOH溶液调节pH至6、7、8、9、10、11,最后将锥形瓶置于50℃水浴中螯合反应50min。根据1.2.4.3中的方法测定各pH条件下的螯合率,以确定最佳螯合pH。

1.2.3 正交实验

在完成单因素实验的基础上,考察主要螯合因素:螯合温度、pH值和肽钙质量比对肽钙螯合效果的影响,以螯合率为考察指标,采用L9(34)开展正交优化实验,确定最佳螯合反应条件。

1 火麻肽钙螯合工艺正交实验因素与水平

 

 

1.2.4 指标测定

1.2.4.1 水解度测定

参照郑淋等[9]邻苯二甲醛(OPA)法来测定蛋白水解度(DH)。按照式(1)计算Ser的氨基当量(X1),再根据式(2)计算DH(X2)。

 

 

其中a是空白对照组吸光度值,b是测试样品吸光度值,d是标准样品吸光度值,0.9516是Ser标准溶液的浓度,单位为mmol/L;c为样品溶液的质量浓度,单位为mg/mL;总肽键数h采用8.0。

1.2.4.2 氨基酸组成

参考GB5009.124—2016方法,用全自动氨基酸分析仪测火麻蛋白酶解产物游离氨基酸含量。

1.2.4.3 螯合率测定

参考冯思敏等[10]方法并稍加修改,称取0.9g蛋白肽样品,加入90mL去离子水,配成质量分数1%(w/v)的样品溶液,用1mol/L的NaOH溶液调节pH至指定值,再称取一定质量的无水CaCl2加入蛋白肽溶液中,迅速搅拌溶解,用保鲜膜封口后于设定温度下进行螯合反应。反应结束后,加入45mL的无水乙醇沉淀30min后,在转速为4000r/min条件下离心20min,取下层沉淀物冻干即为火麻肽钙螯合物,螯合率(X3)按照式(3)计算。

 

式中:m1为螯合物质量(沉淀物冻干后质量)/g;m2为样品质量/g;m3为添加钙离子的质量/g。

1.2.5 肽钙螯合物结构表征

1.2.5.1 紫外-可见吸收光谱(UV)扫描

取适量的火麻肽(HPT)及火麻肽钙螯合物(HPT-Ca),配制成1mg/mL的溶液,在190~400nm范围内扫描,测定HPT及HPT-Ca的紫外-可见吸收光谱。

1.2.5.2 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

分别将1mg冷冻干燥HPT及HPT-Ca样品与100mg干燥KBr混合压片。在4000~400cm-1波数范围内进行测定,扫描次数32次,分辨率4cm-1,对峰值信号进行分析。

1.2.5.3 热重(TG)分析

测定温度范围为30~600℃,升温速率:

10℃/min,氮气流速:30mL/min,记录检测样品质量变化,计算并绘制样品质量损失率曲线。

1.2.5.4 扫描电镜(SEM)分析

分别取HPT及HPT-Ca粉末各1mg,将其均匀地涂抹在双面导电胶带的标本架上,真空环境下喷金5min。扫描电镜参数条件:加速电压5.0kV,工作距离5.1mm,放大倍数1000×,观察后拍照并保存图片。

1.3 数据处理

每个实验重复3次,数据结果用平均值±标准差表示。采用DPS 7.05软件对实验数据进行统计和差异显著性分析,绘图主要采用Origin8.1软件。

 

2 结果与分析

2.1 酶解方式对火麻蛋白水解度的影响

由图1可知,在最优酶解工艺参数条件下,对比3种酶解方式酶解效果可知胃蛋白酶+胰蛋白酶酶解获得的水解度最高为(33.75±3.18)%,其次为木瓜蛋白酶(20.81±1.26)%,水解度最小的是碱性蛋白酶(18.30±0.92)%。实验结果表明双酶酶解对火麻蛋白水解度的影响比单酶酶解大,加入胃蛋白酶和胰蛋白酶后,双酶分步酶解火麻蛋白水解度较高。原因可能是胃蛋白酶是一种内切蛋白酶,主要水解芳香族氨基酸(Phe、Tyr及Trp)的羧基端,胰消化酶包含了胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶以及羧肽酶等多种内切及外切蛋白酶,主要水解精氨酸(Arg)、赖氨酸(Lys)等[11]。这些内外切蛋白酶共同作用下,蛋白能够被降解成更多的小分子肽及游离氨基酸,因而其体外消化产物的水解度较碱性蛋白酶水解产物更高。

  

1 3种不同酶解方式对火麻蛋白水解度的影响

2.2 酶解方式对酶解产物氨基酸组成的影响

本研究分析了不同酶解方式下火麻蛋白粕酶解产物的氨基酸组成,结果如表2所示。由于酸水解法会破坏色氨酸,且火麻蛋白中色氨酸含量较低,因此该氨基酸对螯合结果整体影响甚微。胃蛋白酶与胰蛋白酶分步酶解所得水解物中,总氨基酸、疏水性氨基酸及芳香族氨基酸含量分别为174.36±3.67mg/g、80.08±0.03mg/g和50.94±1.66mg/g,均高于木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶单酶酶解的产物。其中,精氨酸含量为37.26±0.93mg/g,远高于两种单酶酶解方式。已有研究表明,与骨形成密切相关的氨基酸主要包括酸性氨基酸、疏水性氨基酸及芳香族氨基酸等。史欣妍[12]发现,精氨酸和赖氨酸可促进成骨细胞的增殖、活化与分化。

结合上述氨基酸组成分析结果,后续研究选用胃蛋白酶+胰蛋白酶分步酶解方式制备火麻肽。

2 氨基酸含量

  

  

注:因检测方法(酸水解法)所限,色氨酸未能检出;酸性氨基酸:Asp、Glu;疏水氨基酸:Ala、Val、Met、Ile、Leu、Phe、Pro;芳香氨基酸:Tyr、Phe。

2.3 单因素实验结果

2.3.1 肽钙质量比

pH8、螯合时间50min、螯合温度50℃的条件下,考察肽钙质量比对火麻肽钙螯合率的影响,结果如图2所示。随着火麻肽钙质量比增加,螯合率先迅速增加后缓慢增加。当肽钙质量比为1:1时,螯合率最低,为6.96%,在肽钙质量比为3:1时,螯合率迅速增加至9.49%,继续增大肽钙比螯合率未见显著增加。原因可能是火麻蛋白的溶解度已达到饱和状态,继续减少无水氯化钙螯合效果依旧不明显。综合考虑,火麻肽钙质量比为3:1左右较适宜。

  

2 肽钙质量比对火麻肽钙螯合率的影响

2.3.2 pH值

50℃、螯合时间50min、肽钙比2:1的条件下,考察螯合pH对火麻肽钙螯合率的影响,结果如图3所示。随着螯合pH值的不断增大,螯合率呈先上升后下降,再上升再下降的趋势。pH为10时,螯合率达到最大值(9.48%)。一方面可能原因是pH值较小时,过多氢离子会与肽的氨基结合,与Ca2+形成竞争关系进而阻碍肽和Ca2+的配位,不利于肽钙螯合物的形成;pH值过大时,OH-可与Ca2+反应产生Ca(OH)2沉淀,也不利于肽钙螯合物的形成[13]。另一方面可能因为火麻蛋白富含碱性氨基酸(如精氨酸、赖氨酸),其侧链带有正电荷。当pH逐渐升高时,这些碱性残基逐渐去质子化,暴露出更多的孤电子对,可能在中性偏酸的特定区间(如pH6~7)形成新的螯合位点,这或许是导致螯合率在下降后再次回升的原因;过高pH(>8)时,钙离子易形成氢氧化物沉淀,导致螯合率再次下降。此外,随着提取pH的升高,肽钙螯合物的颜色加深。因此,选择提取pH为10左右较适宜。

  

3 螯合pH对火麻肽钙螯合率的影响

2.3.3 螯合时间

pH8、温度50℃、肽钙比2:1的条件下,考察螯合时间对火麻肽钙螯合率的影响,结果如图4所示,螯合30min后肽钙螯合率变化不显著,说明螯合时间对火麻肽钙螯合率影响不大,为了火麻肽与氯化钙充分螯合,后续正交实验延长螯合时间为50min。

  

4 螯合时间对火麻肽钙螯合率的影响

2.3.4 螯合温度

pH8、螯合时间50min、肽钙比2:1的条件下,考察温度对火麻肽钙螯合率的影响。由图5可知,随着螯合温度的升高,火麻肽钙螯合率先增大后减小,在螯合温度为40℃时,火麻蛋白得率最大,为8.65%。当螯合温度高于40℃后,火麻蛋白得率开始下降。原因可能是当温度升高时,分子之间运动加剧导致碰撞几率增大,使Ca2+与氨基酸残基结合的几率增大,有利于螯合;当温度过高时,多肽可能发生降解、结构改变,或分子内部之间发生团聚,导致参与螯合反应的基团减少[8]。因此,选择提取温度40℃左右较适宜。

  

5 螯合温度对火麻肽钙螯合率的影响

2.4 正交实验结果

实验结果及分析如表3所示。在实际生产中,火麻肽钙螯合率越大,说明在螯合过程中火麻肽与无水CaCl2螯合效果越好。极差R的大小代表了各因素对螯合率大小的影响程度,由表3可知各因素对螯合率影响大小依次为:螯合pH>肽钙质量比>螯合温度;在螯合时间50min条件下,最佳螯合实验组合为A3B1C3,即螯合pH为11,肽钙质量比为4:1,螯合温度为30℃。在此条件下进行4次重复实验,得到钙螯合率为12.80%,高于正交实验中其他组合。因此,A3B1C3为制备火麻肽钙螯合物的最优实验组合。

与已报道的植物源肽钙螯合研究相比,本研究所得火麻肽钙螯合率处于相近水平。例如,Wang等[14]从黑豆水解物中筛选出钙离子结合活性最强的两个特征峰,其结合能力分别为91.02±4.37μg/mg和98.84±7.04μg/mg;孙小东[15]采用不同分离方法从核桃蛋白水解物中获得钙结合能力最大为80.25μg/mg和107.89μg/mg;Wang等[6]从花生蛋白水解物中纯化得到的肽FPPDVA钙结合量为15.67±0.39mg/g。上述研究多采用钙结合能力(μg/mg或mg/g)作为评价指标,而本研究以钙螯合率(%)反映火麻肽与钙离子的螯合效率,指标定义存在差异,但整体而言,火麻肽在优化条件下表现出良好的钙螯合能力,具有作为钙离子载体的应用潜力。

3 正交实验设计表及结果

  

  

  

2.5 火麻肽-钙螯合物的结构表征

2.5.1 紫外-可见光吸收光谱分析

6对比了HPT及其钙螯合物HPT-Ca的紫外可见光吸收光谱。分析表明,螯合反应显著改变了样品的最大吸收波长和吸收强度。HPT的特征吸收峰之一位于216nm处,此峰通常归因于肽键中C=O的振动。与钙离子螯合后,该峰发生轻微红移(至217nm)。根据文献报道,这种位移可能是由于Ca²+与肽键羰基(C=O)发生相互作用,影响了相关电子能级的跃迁,从而导致峰位与吸收强度的变化[8]。另一个特征峰出现在270nm左右,有研究指出,该区域吸收与多肽中芳香族氨基酸的构象变化有关[13,16]Ca²+与这些芳香族氨基酸残基的反应,改变了发色基团的性质及其电子跃迁特性,进而引起该峰位置和强度的变化。紫外光谱的这些变化证实,钙离子与蛋白肽作用后形成了一种结构性质不同的新化合物。

  

6 HPT与HPT-Ca紫外光谱图

2.5.2 红外光谱分析

HPT和HPT-Ca进行红外光谱分析,结果发现相比HPT而言,HPT-Ca的红外光谱发生了明显变化(图7),说明螯合后氨基酸基团的振动频率发生了变化,引起了吸收峰位置的改变。有研究报道显示3346.90cm-1处的吸收峰主要为—NH—对称伸缩振动区域,与钙螯合后吸收峰蓝移至3362.51cm-1,说明氨基参与了Ca2+的配位反应[17]。在1664.76cm-1处的吸收峰为—C=O—的伸缩振动,属于酰胺Ⅰ带区域,与钙发生螯合后吸收峰红移到1658.15cm-1,表明火麻肽中的羧基氧与Ca2+发生了配位。为证实肽的空间结构是否因为螯合作用而发生变化,吴文敏[18]利用FTIR光谱对猪骨胶原肽-钙螯合物进行表征,发现螯合反应确实能影响肽的二级结构,使其空间构象发生改变。在1404.08cm-1处的吸收峰为—COO—的对称伸缩振动区域,与Ca2+螯合后吸收峰蓝移到1420.52cm-1[19-20]。红外光谱吸收峰位移的改变证实HPT与Ca2+之间发生了螯合反应,这些现象说明Ca2+主要与HPT中氨基氮、羧基氧螯合形成了新的螯合物。这种Ca2+与肽氨基氮、羧基氧的配位结合所得结构可能使螯合物在胃酸(低pH)环境中相对稳定,而在肠道(近中性)环境中发生解离,从而实现肠道靶向释放。

  

7 HPT与HPT-Ca红外光谱图

2.5.3 热重分析

由图8可知,HPT出现4个失重区,HPT-Ca出现3个失重区,从50~200℃为吸附水挥发阶段。HPT在此阶段质量损失约为8%左右,HPT-Ca在此阶段质量损失约为13%左右。随着温度继续升高,蛋白肽及螯合物的化学键会发生高温断裂,分解HPT-Ca的温度明显高于HPT。表明HPT-Ca可能形成了更稳定的化学键,分解肽钙螯合物需要更多的能量,表明肽钙螯合物结构更加的稳定。而良好的热稳定性表明该螯合物具备耐受食品加工(如巴氏杀菌)的潜力,为其作为功能性食品配料提供了结构基础。

  

  

8 HPT与HPT-Ca的热重曲线

2.5.4 扫描电镜分析

由图9可知,HPT结构松散,表面光滑,而与钙离子发生螯合反应后,表面变得粗糙,内部结构更加紧凑,证明生成了新的肽钙复合物,而两者之间紧密相连结构可能是由于HPT的羧基与氨基与钙离子反应形成新的连接键,引起了内部结构的折叠,从而生成小颗粒状物质,这些颗粒之间相互吸引进而产生聚集,改变了两种物质的形态结构[21-22],这与红外光谱的测定结果一致。

  

9 HPT扫描电镜图

  

10 HPT-Ca扫描电镜图

 

3 结论

本研究明确了双酶分步酶解在提升火麻肽水解度及优化氨基酸组成方面的优势,并通过正交实验确立了最优螯合工艺参数。光谱学与热力学分析表明,肽链中的氨基与羧基基团参与了螯合反应,形成了结构有别于原始多肽的新物质,且所得火麻肽钙螯合物具有更优异的热稳定性。上述结果为新型肽钙复合物的开发奠定了理论基础。未来研究仍需在以下方面深入探索:一是进一步优化酶解组合与螯合工艺参数(如离子强度、搅拌速率),或引入物理场(如超声、微波)

辅助手段,以期提升螯合效率;二是借助多重分析技术(XPS、NMR等)精准阐明螯合位点、配位模式及分子结构;三是系统评价该螯合物的体外消化特性、钙离子释放规律、细胞吸收效率及体内补钙效果;此外,还应深入研究其在不同加工条件(如温度、pH)、储存环境(光照、湿度、温度)及食品基质中的稳定性,为其实际应用提供保障。

 

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文章摘自:卫萍,零东宁,刘国明,等.火麻肽钙螯合物的制备工艺优化及结构表征[J/OL].中国粮油学报,1-11[2026-05-22].https://doi.org/10.20048/j.cnki.issn.1003-0174.001381.


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