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蛋白质水解物在动物营养中的作用

时间:2018-05-03    点击: 次    来源:中国饲料    作者:侯永清 、武振龙等 - 小 + 大

蛋白质是一种大分子物质,通常由二十种不同的氨基酸通过肽键连接组成。蛋白质是动物组织(如骨骼肌、乳腺、肝脏和小肠)和畜产品(如肉、牛奶、鸡蛋和羊毛)的重要组成成分。例如,生长期肉牛和育肥猪骨骼肌中的蛋白质含量约占干物质总量的70%(Wu等,2016)。因此,摄入充足的蛋白质对家畜、家禽和鱼类发挥最大生长、生产性能和饲料效率都是必不可少的。Wu(2013)报道,饲料中的蛋白质(如血粉、肉、骨粉、肠黏膜粉、豆粕、花生粕、棉籽粕)在小肠中蛋白酶的作用下被水解成小肽(二肽、三肽)和游离氨基酸。水解生成小肽的类型与动物生理状况和日粮组成密切相关。动物和植物性蛋白质饲料在被采食前通过化学处理、酶或者微生物发酵,可改善其营养品质、降低抗营养因子的含量并产生肽类(Dieterich等,2014;Pasupuleki等,2010)。此外,酶解和微生物发酵可以提高动物和植物性蛋白质饲料中小肽的溶解度、黏度、乳化性和凝胶化程度。

不同来源(细菌、植物和酵母)的蛋白酶均可用来酶解动物和植物性蛋白质饲料,多种微生物通过发酵,将动物或植物性蛋白质饲料水解生成肽类。目前,蛋白质水解物已广泛应用于医学、营养(包括动物营养)和生物技术领域(Pasupuleki等,2010)。本文主要对通过酶解技术和微生物发酵技术生成蛋白质水解物的相关研究进行综述,并对其在动物饲养中营养及生理学功能进行探讨。

1、氨基酸、肽和蛋白质的定义

氨基酸是含有氨基和酸基基团的有机物。除甘氨酸外,所有蛋白源氨基酸均有一个α-氨基,并可在动物体内和饲料中形成L-异构体。肽被定义为由2个或2个以上氨基酸残基通过肽键连接成的有机分子(Wu,2013),每形成一个肽键脱去一分子水。寡肽由2~20个氨基酸残基组成。含有小于或等于10个氨基酸残基的寡肽称作小寡肽(或简单的小肽),而含有10~20个氨基酸残基的寡肽称为大寡肽。Kyte(2006)认为,超过20个氨基酸残基组成的肽被称为多肽。蛋白质是一种高分子量的多肽,通过肽键将相邻氨基酸分子的α-氨基和α-羧基连接。

通过分子质量大小可区分多肽和蛋白质。Kyte(2006)认为,分子质量大于或等于8000Da的多肽(即≥72个氨基酸)被称为蛋白质。例如,泛素(含72个氨基酸的单链)和酪蛋白α-S1(含200个氨基酸)称为蛋白质,而胰高血糖素(含有29个氨基酸)和催产素(9个氨基酸)称为肽。然而通过分子质量大小区分多肽和蛋白质的方法并不是绝对的。例如,胰岛素[51个氨基酸(A链含20个氨基酸和B链含31个氨基酸)]具有典型的蛋白质3级结构,因此被公认为一种蛋白质。而从猪小肠黏膜中分离得到的PEC-60(含60个氨基酸的单链)(Agerberth等,1989)和dopuin(含62个氨基酸的单链)(Chen等,1997)被称为多肽。三氯乙酸(TCA,终浓度5%)或高氯酸(PCA,终浓度0.2M)可完全沉淀动物组织、细胞、血浆和其他体液(例如,瘤胃、尿囊、羊膜、肠腔液和食糜)(Rajalingam等,2009)中的蛋白质。同样,乙醇(终浓度为80%)也可以有效地沉淀水溶液中的蛋白质和核酸(Wilcockson1975)。这种方法可以有效去除蛋白质水解物中的水溶性无机化合物(如铝盐化合物)。

2、蛋白质水解物

蛋白质在酶、微生物、酸、碱作用下可产生蛋白质水解产物。工业上生成蛋白质水解物常用的蛋白源包括动物性蛋白质(如酪蛋白、乳清蛋白、肉类)和植物性蛋白(如小麦、水稻、大豆、豌豆和棉籽等)(Dieterich等,2014;Pasupuleki等,2010;Pasupuleki等,2010)。蛋白质水解的方法不同,水解时间也从1~100h不等。酶或微生物水解过程中添加抑菌或杀菌防腐剂(如苯甲酸)可延长其水解时间,通过加热可使酶失活从而终止水解反应。水解结束后,可通过离心、过滤或微过滤系统分离蛋白质水解物中的不溶性物质。多次过滤后可获得预期的透明清晰的水解溶液。必要时可通过炭粉进行脱色并除去溶液中的混浊物质。若需要除去水解产物中的盐,可将滤液进一步通过交换色谱,除去水解物中多余的盐。蛋白质水解产物中的微生物可以通过热处理(巴氏杀菌)的方法消除。最后,将蛋白质水解物进行干燥、包装,形成产品。

蛋白质水解产物包括游离氨基酸、小肽和大肽,且其比例随着蛋白质来源,水解过程中的水份含量、蛋白酶类型和微生物种类的不同而不同。水解度,即蛋白质被水解的程度,可通过裂解的肽键数目除以蛋白质中的总肽键数目,并乘以100计算的得到。肽键裂解数等于游离氨基酸的摩尔数加上PCA或TCA可溶性多肽的摩尔数。蛋白质水解产生的肽缺乏统一的标准样,因此定量动物、植物、微生物来源的多肽具有很大的技术挑战性。游离或肽键结合形式氨基酸的百分比含量计算方法如下:

游离氨基酸百分比/%=游离氨基酸含量/蛋白总氨基酸含量×100;

多肽氨基酸百分比/%=多肽氨基酸含量/蛋白总氨基酸含量×100;

由于氨基酸的分解程度有限(如酶解),因此多肽的百分比含量/%=(蛋白质总氨基酸含量-自由氨基酸含量)/蛋白质总氨基酸含量×100。高效液相色谱法被广泛应用于测定游离氨基酸含量。高效液相色谱法和其他分析技术(如核磁共振、质谱、飞行时间质谱、肽图谱和离子交换色谱法)常被用来测定蛋白质水解物中多肽的含量(Sapan等,2015;McGrath等,1972)。

2.1 蛋白质的酸水解

1920年法国化学家Braconnot首先报道了在高温下进行蛋白质(明胶)酸水解的方法。在110℃条件下,6mol/LHCl作用24h可将蛋白质完全水解(Dai等,2014)。相同温度条件下用盐酸作用2~6h可将蛋白质水解成多肽。酸水解后将产物蒸发、巴氏杀菌并喷雾干燥。大部分蛋白质酸水解产物用作增味剂(例如,水解植物蛋白调味剂),且蛋白质的酸水解成本低。然而,蛋白质在酸水解过程中色氨酸结构被完全破坏,部分蛋氨酸受到损失,同时将谷氨酰胺和天冬酰胺分别转化为谷氨酸和天冬氨酸(Pasupuleki等,2010)。

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