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国外水产胶原蛋白功能性研究

Date: 2016-12-14
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国外水产胶原生物活性肽的研究进展

 

摘要:

  
  本文对一些水产胶原生物活性肽的功能性及其相应的功能性多肽片段进行介绍。这类生物活性肽的功能包括抗氧化活性、ACE抑制活性、抗菌性、保护软骨、促骨形成能力、钙性及类阿片样作用等。胶原肽因其具有生理调节功能,可以成为健康食品的潜在配料。


关键词:生物活性肽,胶原蛋白,明胶,水解物,保健食品,多肽片段。

  鱼皮、鱼骨、鱼鳍、鱼鳞经过化学方法进行预处理和后续高于45ºC温度加热处理后可提取胶原蛋白。经过化学预处理和后续的加热处理得到的可溶性蛋白质和肽的混合物称为明胶。明胶中含有的生物活性肽片段可以通过胃肠道消化或生物酶解法释放出来。这些释放出来的多肽在人体内可产生多种生理作用,并在功能性食品中具有潜在的应用价值。

  在动物实验或临床研究报道中,胶原肽对不同的疾病具有良好的效果。在美国、日本和欧洲,一些含有胶原蛋白肽的补充剂已经申请专利且实现商业化。此外,明胶水解物已经获得美国FDA的GRAS认证。尽管牛、猪等哺乳动物来源的胶原蛋白、明胶水解物已用于保健食品中,但由于水产胶原肽不存在爆发疯牛病风险且满足犹太人和穆斯林的某些宗教要求,应用也越来越广泛。

国外对于胶原蛋白水解物所具有的生物活性进行了大量的研究。动物实验和人体试验证实摄入胶原蛋白水解物经消化吸收后,仍观察到一些具有生物活性的多肽。本文总结了一些水产来源胶原肽的生物活性。包括抗氧化活性、抗高血压(ACE抑制)活性、抗菌性、阿片样作用、促进骨形成、修复皮肤损伤、钙性以及其他一些生物活性。

 

抗氧化性

氧化是需氧生物体内的一个重要的生化反应,氧化导致活性氧(ROS)的形成,包括自由基和非自由基。在人体中,过量产生的自由基可以通过氧化脂质,对蛋白质,DNA和酶造成破坏性和致命的效应。事实上,活性氧的生成与心脏疾病、中风、动脉硬化症、糖尿病、癌症和神经变性疾病和炎性疾病有一定的相关性 。

抗氧化剂能够保护食物和人体对抗活性氧造成的老化,延缓慢性疾病的进展。食物来源的天然抗氧化多肽在食品行业具有潜在的应用价值。

已研究发现水产胶原肽具有抗氧化作用,如阿拉斯加明太鱼皮、无须鳕鱼皮、军曹鱼皮、棕色条纹红鲷鱼皮、金枪鱼骨、鳕鱼、或鱿鱼皮水解物具有抗氧化作用。例如,从鳕鱼皮明胶中分离的多肽可以保护肝细胞免受自由基引起的氧化损害。从巨型鱿鱼皮明胶提取的两种强效抗氧化肽可保护人体肺成纤维细胞避免自由基引起的氧化。 Kim等人研究称从鱼皮明胶水解物中分离的两种抗氧化肽可以增强培养的肝细胞的活力。在培养的人的肝癌细胞中观察到,多肽抗自由基氧化损伤的作用可能归因于其增强了抗氧化酶的表达。

胶原蛋白水解物表现出抗氧化活性的确切机制尚不完全清楚。因此存在各种假说对此进行了解释。一些研究人员认为,胶原蛋白水解物的抗氧化活性不能归因于一个单一的抗氧化机制。一些水解胶原蛋白得到的多肽可作为自由基清除剂、脂质过氧化抑制剂或螯合剂发挥抗氧化作用。一些肽具有自由基清除活性可能归因于它们的序列中具有特定的氨基酸可以将质子给缺电子的自由基。其他因素如肽的构象,肽链长度,某些氨基酸的位置等因素也可能影响肽的抗氧化活性。在这个意义上,胶原蛋白中高含量的Gly和Pro也可能与某些胶原肽的抗氧化活性相关。含多个Gly残基的多肽序列可能赋予肽结构高度的灵活性,而Pro的吡咯烷环可能在肽的二级结构上产生限制。 Kim等人已从阿拉斯加明肽鱼皮明胶水解物中分离出两个抗氧化肽,它们在C-末端含有一个Gly残基,且出现Gly-Pro-Hyp重复序列。明胶胶原肽Asn-Gly-Pro-Leu-Gln-Ala-Gly-Gln-Pro-Gly-Glu-Arg中含有Gly残基,并已经证实具有淬灭自由基的能力。

 

 

ACE抑制作用

高血压是导致心肌梗死,充血性心脏衰竭,动脉粥样硬化,中风和终末期肾脏疾病主因之一 。高血压是一种全球性的流行病,影响超过25%的成人人口。血管紧张素转换酶(ACE )在血压和高血压中起着调节作用。基于此, ACE抑制剂已成为治疗高血压主要手段。卡托普利、赖诺普利与依那普利是一些ACE抑制剂药物。然而,这些药物都是合成的,合成药物的副作用促使人们寻找天然ACE抑制肽。一些胶原和明胶水解物具有作为轻度或中度的ACE抑制剂的潜力。 

胶原肽ACE抑制活性可能与其C-末端序列有关。 Ondetti和 Cushman观察到, ACE抑制肽通过其C-端三肽残基与酶的活性位点作用来与生物ACE底物竞争反应。其他作者都强调了C-末端为疏水氨基酸残基的ACE抑制剂对ACE的亲和性作用。肽的分子量也有可能影响ACE抑制活性。 ACE抑制肽通常是很短且低分子量的小肽。但最近也发现明胶水解物中一些含有9-10个氨基酸残基的ACE抑制肽存在。

 

抗菌性

 

在目前食品安全和利用天然产品保护食品的背景下,具有抗菌性的生物活性肽应用前景良好。抗菌肽绝大多数是阳离子小肽,是从大多数动物包括昆虫、两栖类、鸟类和哺乳动物中分离出来的。

抗菌肽可通过胃肠道消化食物中的蛋白质获得。[ 74- 76 ] 。已从牛奶的酪蛋白, α -乳清蛋白,β-乳球蛋白,卵清蛋白和血清白蛋白的水解物中发现抗菌肽[77] 。但胶原或明胶肽具有抗菌性的资料并不多。理论上,它们也可能具有抗菌性,因其与一些线性抗菌肽一样,含有相同的较高比例的氨基酸残基,特别是Pro、Arg或Gly ,而这些氨基酸在胶原蛋白中含量丰富。[63] Gómez-Guillén等人[37]发现金枪鱼和鱿鱼皮水解物对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌的不同菌株具有抑菌活性,包括嗜酸乳杆菌、双歧杆菌、腐败希瓦氏菌和发光菌。具有较好抗菌能力的多肽主要是小分子级别的,尤其是在鱿鱼皮水解物中。从鱼明胶中获取的含有Gly -Pro-Ala重复序列的多肽,因其疏水特性插入细菌的质膜,并与膜相互作用而形成一个离子通道,使细胞内K+大量外渗,细胞内容物外泄,以致细胞死亡。

 

对骨和关节疾病的作用

 

骨关节炎和骨质疏松症是两种最常见的肌肉骨骼疾病。治疗骨关节炎,包括止痛剂、抗炎剂、润滑剂、缓冲剂和营养补充剂。治疗骨质疏松症,包括雌激素替代物、双膦酸盐、降钙素、选择性雌激素受体激动剂、氟化物和甲状旁腺激素衍生物。尽管如此,治疗效果因人而异,治疗骨关节炎和骨质疏松症的最佳方法一直没有找到。在治疗骨关节炎和骨质疏松症过程中,陆续出现过一些能够修复受损的关节或延缓退化的新的安全性的化合物,如葡糖胺,硫酸软骨素和甲基磺酰基甲烷等[ 79 ] 。而在某种程度上,胶原蛋白水解物比化合物药品更安全,毒性更小且能在更大程度上缓解症状。

 

目前利用胶原水解物对骨关节炎进行有效的调理已有科学证据。[ 5 ,80,81 ] 。在对罹患关节疾病患者的临床研究中发现,明胶水解物似乎对软骨有直接的影响[5]。但明胶水解物刺激软骨新陈代谢的作用机制尚不清楚。Raabe等 [84]报道了一种鱼胶原蛋白水解物对马脂肪组织基质细胞的软骨细胞分化有显著效果。这些研究表明,胶原蛋白的水解产物促进大分子的生物合成归因于其独特的氨基酸组成。口服胶原蛋白水解物将提供高含量的Gly和Pro,这两种氨基酸对于软骨的稳定性和再生性是必需的[85]。胶原蛋白水解物对骨关节炎的治疗作用可能是通过基因表达的特定肽的作用和软骨细胞的功能来实现的。在动物研究中,Nakatani等人[86]观察到Pro-Hyp能够减小软骨细胞碱性磷酸酶活性,也能抑制这些细胞分化成矿化的软骨细胞。生物活性肽对软骨细胞代谢的作用可能通过与细胞膜上的特定受体相互作用而实现[86] 。

 

  骨质疏松症是一种代谢性疾病。由于钙和其他矿物质成分的丢失,骨骼变得越来越多孔,易碎。骨质疏松症会引起疼痛,增加骨折的几率。骨质疏松症患者骨损失的确切原因目前尚不清楚。从理论上讲,破骨细胞活性增加,成骨细胞活性减少,或两者均可能与骨质疏松有关。最近的动物研究提出胶原蛋白水解物对骨质疏松症的起到的积极作用。给缺钙或蛋白质的小鼠和大鼠喂食富含胶原蛋白水解物的饲料可改善骨胶原代谢和增加骨矿物质密度。[ 87 , 88 ] 。同样,给切除卵巢造成骨质疏松大鼠灌喂鲨鱼皮胶原蛋白水解物可以增加新合成的I型胶原和蛋白多糖的含量[89] 。 Guillerminet等给去势小鼠喂食富含胶原蛋白水解物的饲料,12周后,观察到成骨细胞的活性增加,而破骨细胞的分化和成熟能力降低。这种成骨细胞和破骨细胞的作用对骨形成和矿化带来明显刺激作用。同样,其他的研究发现鳕鱼骨明胶通过减少骨吸收来防止去卵巢大鼠的骨质流失[ 91 ] 。胶原蛋白对患者的骨质疏松症的作用也已得到研究证实。饮食中富含胶原蛋白可增强和延长降钙素对绝经后妇女的骨质疏松症的治疗效果[ 92 ] 。然而,对于骨密度低的绝经妇女来说,缺乏降钙素,口服胶原蛋白对骨代谢不起任何作用[ 93 ]。

 

阿片样作用

甘氨酰脯氨酸肽在动物中具有阿片样作用。甘氨酰脯氨酸肽系列包括含Pro的多肽,这些肽在明胶和胶原水解物中很常见,如Pro-Gly (PG), Gly-Pro (GP), Pro-Gly-Pro (PGP), Hyp-Gly, Gly-Hyp。其中的一些肽能穿过血脑屏障,直接影响参与机体应激反应的中枢神经结构。一些实验已经表明,PGP和GP可以修复大鼠行为中应激诱导产生的损伤。甘氨酰脯氨酸肽还可能增强中枢神经系统中记忆巩固过程。

 

钙性活动(类降钙素基因相关肽分子)


  CGRP(降钙素基因相关肽)是人体中[101]一种强效血管扩张神经肽。CGRP也具有调节其他许多生理功能的重要作用。由降钙素基因相关肽介导的生物学功能包括:调节垂体激素分泌,释放胰腺酶,分泌胃酸,调节体温,减少食物摄入,控制骨重塑和预防孕期并发症[102,103]。在过去几年中,不同降钙素基因相关肽样肽已经在海洋胶原蛋白水解产物中发现。降钙素基因相关肽样肽表现出对细胞膜上降钙素基因相关肽受体的亲和力,对受体的活性会产生正面或负面的影响。Martínez-Alvarez等[104]已经在工业化的蛋白水解物中发现CGRP样分子。这些降钙素基因相关肽样分子表现出激动活性,能够刺激cAMP的产生。这种效果会因特异性拮抗剂CGRP8-37的存在而逆转。该CGRP样分子的序列为Gly-Phe-Pro*-Gly-Pro-Glu-Gly-Leu,其中第三个残基(Pro *)也可以是Hyp。

 

其他活性

 

胶原肽具有其他生理活性。胶原和明胶水解物中的甘氨酰脯氨酸肽对血液凝固和血小板的聚集[ 99 , 113]有明显的抑制作用。PGP、 PG、 GP和 Gly-Pro-Gly-Gly能增加大鼠血浆中纤维蛋白溶解,抗凝和抗血栓作用。此外,Pro-Gly, Gly-Pro 和 Pro-Gly-Pro具有抗溃疡作用[ 117 , 118 ]。 Pro-Hyp-Gly, Pro-Hyp及类似物具有促成纤维细胞,外周血嗜中性粒细胞和单核细胞生长的活力[ 122 , 123 ] 。胶原蛋白水解物也可以促进伤口愈合。此外,一些海洋胶原蛋白肽可改善糖,脂代谢,并有助于控制2型糖尿病患者的高血糖。

 

胶原肽的消化吸收性

 

  过去很长时间人们认为蛋白质只有水解成游离氨基酸后才能被吸收。但是后来的研究证明大量蛋白质可以寡肽形式吸收。阻止胶原肽进一步消化分解为游离氨基酸的原因可能是胶原肽序列中Pro残基的存在。末端含有Pro或Hyp的残基的二肽或三肽能阻止胃蛋白酶的降解[ 50 , 126] 。含Pro的寡肽对肠和肠细胞中蛋白酶的降解也有抵抗作用,这可能导致它们能部分渗透到血液中。人体在摄入水解胶原蛋白后血液中存在寡肽已被证实[ 127 , 128] 。这些肽中以Pro-Hyp为主,其他为少量的二肽或三肽(Pro-Pro, Ala-Hyp, Hyp-Pro-Hyp, Gly-Pro-Val, Ala-Hyp-Gly, Pro-Hyp-Gly, Leu-Hyp, Ile-Hyp, and Phe-Hyp。Gly-Pro-Hyp也能够在大鼠血液中存在数小时[ 129 , 130 ] 。

 

结束语
  随着多肽行业的发展,对多肽提取工艺、功能性的研究越来越深入。国内外专家学者对水产胶原多肽的生物活性如抗氧化活性、抗高血压(ACE抑制)活性、抗菌性、阿片样作用、促进骨形成、修复皮肤损伤、钙性以及其他一些生物活性已有了一定研究。胶原多肽由于来自天然食物中,且具有一定的生物活性,在保健(功能)食品中具有潜在的应用价值。

 

 

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