大球盖菇(
Stropharia rugosoannulata),又名赤松茸,属于担子菌门,层菌纲,伞菌目,球盖菇科,球盖菇属;口感脆嫩,鲜味浓郁,被冠以“素中之荤”的美称
[1-3]。目前,大球盖菇是联合国粮农组织向发展中国家推荐栽培的食用菌之一,也是我国近几年新兴的食用菌,其产量在2010-2021年间从4.74万吨增加到28.75万吨
[4-5]。尽管大球盖菇的产量迅速增长,但其成熟期的集中性和短贮藏期却带来了新的挑战
[6-7]。目前,大球盖菇深度加工技术的滞后和创新产品开发的不足,已成为制约产业发展的关键因素。因此,深入研究并发掘大球盖菇的活性成分,对于推动其深度加工、开发新产品、提升其市场价值具有重要意义
[8]。
大球盖菇含有丰富的蛋白和氨基酸,是天然活性肽的优质来源
[9-10];目前已有鲜味肽、降血压肽、呈味肽、抗氧化肽等活性肽的相关研究,但未见抗肿瘤活性的相关报道
[11-14]。研究发现,抗肿瘤肽往往与抗氧化活性相关,可直接或者间接作用于肿瘤细胞,对肿瘤细胞的生长和凋亡发挥调控作用;与传统治疗药物相比,具有分子量小、高活低毒性、靶向性强、易于跨膜吸收等优点,已成为抗肿瘤相关药物研发的新热点
[15-16]。
生物活性肽的制备方法有酶解法、化学水解法及微生物法等。其中,酶解法具有条件温和、安全性高、价低廉、易得到特定活性肽等优点,已被广泛应用于食用菌多肽的制备,如双孢蘑菇
[17]、杏鲍菇
[18]、虎奶菇
[19]、香菇
[20]、灵芝
[21]、草菇等
[22]。在酶解过程中,蛋白酶的选择至关重要。不同的蛋白酶能够催化产生具有结构和序列各异的多肽片段,这些多肽在产量和生物活性上也表现出显著的差异。因此,筛选出最适合的蛋白酶种类,并针对性地优化酶解条件,是实现高效、高活性多肽制备的关键步骤
[23]。
鉴于此,本研究在蛋白酶筛选的基础上,通过单因素和正交试验优化酶解法制备大球盖菇多肽的工艺,并探究其抗氧化和抗肿瘤活性,一方面丰富食用菌活性多肽的数据库,另一方面可为大球盖菇的深度加工和产品创新提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 主要试剂
大球盖菇,市售;宫颈癌细胞HeLa、肺癌细胞NCI-H460、乳腺癌细胞BT549、肝癌细胞HepG2,旗赛生物科技(武汉)有限公司。
碱性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、复合蛋白酶,德国Biofroxx公司;1,1-二苯基苦基苯肼(DPPH)、2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS),北京索莱宝科技有限公司;过硫酸钾,上海麦克林生化科技股份有限公司;抗坏血酸(Vc)、乙醇、氢氧化钠、盐酸、四水合酒石酸钾钠、硫酸、硫酸铜、硫酸钾、硼酸、溴甲酚绿、甲基红、蔗糖 分析纯,国药集团化学试剂有限公司;Fetal Bovine Serum,上海恪敏生物科技有限公司;细胞培养皿、细胞培养瓶,NEST公司;RPMI-1640基础培养基、DMEM高糖基础培养基、BT-549细胞专用培养基、青霉素-链霉素溶液、胰酶细胞消化液、磷酸盐缓冲液、增强型CCK-8试剂盒,旗赛生物科技(武汉)有限公司。
1.2 主要仪器与设备
Beta2-8LD真空冷冻干燥机,德国Christ公司;202-00AB台式电热干燥箱,天津市泰斯特仪器有限公司;HH-4数显恒温水浴锅,上海力辰邦西仪器科技有限公司;ST 2100台式pH计,美国奥豪斯公司;Avanti J-E超速冷冻离心机,美国Beckman公司;L3-5K、H1-16K台式离心机 湖南可成仪器设备有限公司;SW-CJ-1FDG超净工作台,LAYTE公司;恒温培养摇床,金坛市盛蓝仪器制造有限公司;C22.2NO.1010.1酶标仪,美国BioTek公司;BPN-150CH(UV) CO2恒温培养箱,上海一恒科学仪器有限公司;Xinyi-250N超声波细胞粉碎仪,武汉爱斯佩科学仪器有限公司;XH-SH220F石墨消解仪,上海昕沪实验设备有限公司;SKD-100全自动凯氏定氮仪,上海沛欧仪器有限公司。
1.3 试验方法
1.3.1 大球盖菇多肽制备工艺流程
工艺流程简要概括为:洗净、切块→真空冷冻干燥→粉碎→大球盖菇粉→总蛋白提取(超声波辅助碱提酸沉法)→多肽制备(酶解法)→上清液→分级纯化(超滤)→冷冻干燥→多肽粉。
1.3.2 大球盖菇多肽的制备
将新鲜大球盖菇洗净后,切块,真空冷冻干燥后,粉碎,得到大球盖菇粉。将菇粉配制成料液比为1∶30 g/mL悬液,根据周宇等
[24]方法提取大球盖菇蛋白溶液,先将菇粉悬液的pH调至10.0,35 ℃、40%功率条件下超声10 min,4000 r/min离心10 min,取上清。再用盐酸将上清液pH调节至4.5,静置30 min,4000 r/min离心10 min,弃上清,沉淀即为大球盖菇蛋白。向蛋白沉淀加入适量蒸馏水,调节pH至8.0,添加5000 U/g蛋白酶,水解2 h。将水解产物于95 ℃灭酶10 min,冷却至室温,4000 r/min离心10 min,收集上清液即为大球盖菇多肽液。
1.3.3 大球盖菇多肽制备工艺的优化
(1) 蛋白酶的筛选
向大球盖菇蛋白溶液分别加入5000 U/g的碱性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、复合蛋白酶,按
表1将温度和pH调节至各酶的理论最适值,以水解度为评价指标,筛选水解大球盖菇蛋白的最佳蛋白酶。
(2) 单因素试验
参照1.3.1方法及蛋白酶筛选结果,以水解度为评价指标,通过单因素试验考察料液比(1∶20、 1∶30、1∶40、1∶50、1∶60 g/mL)、酶添加量(3000、4000、5000、6000、7000 U/g)、酶解时间(1、2、3、4、5 h)对大球盖菇蛋白水解的影响。
(3) 正交试验
在单因素试验的基础上,确定正交试验的三因素和三水平(
表2),以水解度为评价指标,确定大球盖菇多肽的最佳制备工艺。
1.3.4 水解度的测定
根据景炳年等
[25]和李皖光等
[26]方法,采用茚三酮比色法测定水解度。配制一系列浓度梯度的异亮氨酸标准品溶液,制作标准曲线,拟合公式为y=0.031x-0.525 2(
R2=0.998 9)。将500 μL样品、1 mL pH缓冲液、2 mL 3%茚三酮乙二醇溶液混合摇匀,95 ℃水浴15 min,冷却,加入5 mL 45%乙醇静置20 min,在568 nm波长处测定吸光值。通过异亮氨酸回归方程计算异亮氨酸含量,再计算样品中游离氨基酸的含量。根据潘心红等
[27]方法,采用凯氏定氮法测定样品的总氮量。水解度计算公式如下:
式中,DH表示水解度,%;C1表示水解后游离氨基酸含量,mg/g;C2表示水解前游离氨基酸含量,mg/g;N表示大球盖菇菌粉的总氮量,g/100 g。
1.3.5 大球盖菇多肽的分级纯化
将所制备的大球盖菇多肽依次通过截留分子量为10 kDa和3 kDa的超滤膜,5000 r/min离心30 min,收集不同分子量的组分(M1:>10 kDa、M2:3~10 kDa、M3:<3 kDa),冷冻干燥备用。
1.3.6 体外抗氧化活性的测定
(1) DPPH·清除能力的测定
参考庞小一等
[28]的方法对不同大球盖菇多肽组分的DPPH·清除能力进行测定。将所制备的大球盖菇多肽和Vc配成不同质量浓度的样品溶液(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/mL)。再分别将100 μL样品溶液与100 μL 0.1 mg/mL DPPH溶液混合均匀,37 ℃避光反应30 min,在517 nm波长处测定吸光度,记录吸光值A
1;100 μL样品溶液与100 μL无水乙醇混匀,同上方法测定吸光度,记录吸光值A
2;100 μL无水乙醇与100 μL 0.1 mg/mL DPPH溶液,同上方法测定吸光度,记录吸光值A
3。DPPH·清除率的计算公式如下:
(2) ABTS+·清除能力的测定
参考Latorres等
[29]的方法对不同大球盖菇多肽组分的ABTS
+·清除能力进行测定。将所制备的大球盖菇多肽和Vc配成不同质量浓度的样品溶液(0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4 mg/mL)。再分别将40 μL样品溶液与120 μL ABTS工作液混合均匀,37 ℃避光反应10 min,在734 nm波长处测定吸光度,记录吸光值A
1。无水乙醇作为空白对照,记录吸光值A
0。ABTS
+·清除率计算公式如下:
1.3.7 抗肿瘤活性的测定
采用CCK-8法检测所制备的大球盖菇多肽对4种肿瘤细胞(宫颈癌细胞HeLa、肺癌细胞NCI-H460、乳腺癌细胞BT549、肝癌细胞HepG2)的抑制作用。分别向肿瘤细胞培养基中加入大球盖菇多肽液,各组分浓度分别为100、300、500 μg/mL。培养48 h后,加入10 μL CCK-8溶液,37 ℃培养2.5 h。在450 nm波长处测定吸光度,记录吸光值A样品。以不加多肽液为对照,记录吸光值A对照。各组分多肽液对肿瘤细胞的抑制率计算如下:
1.4 统计分析
所有试验重复3次,取平均值,采用SPSS 21.0对数据进行极差分析、方差分析、显著性检验,显著性水平为P<0.05,采用Origin 2021制图。
2 结果与分析
2.1 大球盖菇多肽制备工艺的优化
2.1.1 蛋白酶的筛选结果
向大球盖菇蛋白溶液中分别加入5种蛋白酶,以水解度为评价指标,比较分析不同蛋白酶的水解效果。如
图1所示,5种蛋白酶均能水解大球盖菇蛋白。不同蛋白酶水解度为:胰蛋白酶>中性蛋白酶>碱性蛋白酶>木瓜蛋白酶>复合蛋白酶。胰蛋白酶的水解效果最好,达9.37%,且与其它蛋白酶的水解度差异极显著。研究发现,胰蛋白酶在人体消化道内存在,其酶解产生的多肽及游离氨基酸有利于人体肠道吸收
[30]。另外,徐明等
[31]制备的鹿茸多肽、周雅情等
[32]制备的牛排菇多肽,也发现胰蛋白酶的水解效果最好,说明胰蛋白酶制备多肽具有普遍性,后续试验选择胰蛋白酶进行大球盖菇蛋白的水解。
2.1.2 单因素试验的结果
(1) 料液比对水解度的影响
如
图2所示,料液比在1∶20~1∶30 g/mL时,水解度明显增加,在1∶30~1∶60 g/mL时,水解度呈下降趋势。研究发现,料液比影响溶液的浓度和粘度,对水解度的影响较大。当料液比过高时,底物浓度过大会影响超声效果,从而影响蛋白的提取;同时,底物因粘稠而不能与蛋白酶充分接触,导致水解反应不完全
[33]。当底物浓度过低时,水解效果不明显,且所获得的肽段浓度较低,不利于后续浓缩
[32]。因此,选择料液比为1∶20、1∶30、 1∶40 g/mL进行后续的正交试验。
(2) 酶添加量对水解度的影响
如
图3所示,酶添加量在3000~5000 U/g范围时,水解度随着酶添加量的增加而增大;当酶添加量为5000 U/g时,水解度达到最高,为19.40%;当酶添加量大于5000 U/g时,增大酶添加量,水解度趋向稳定。这是因为在一定范围内,酶添加量越大,酶与底物接触的概率越大,底物水解就越充分;当酶添加过量时,底物已基本被水解,对水解度影响不大。选择水解度较高的3个点所对应的酶添加量(4000、5000、6000 U/g)进行后续的正交试验。
(3) 酶解时间对水解度的影响
如
图4所示,在1~4 h时,水解度随着时间的推移明显增加;在4~5 h时,水解度增加变缓。这是因为在一定的反应时间内,酶与底物接触的时间越长,水解反应越充分;水解4 h后,底物已基本被水解,水解度的增加变得缓慢。因在酶解时间为3、4、5 h时,水解度较高,选择这3个酶解时间进行后续的正交试验。
2.1.3 正交试验结果
根据单因素试验结果,以水解度为评价指标,对料液比、酶添加量和酶解时间3个因素进行正交试验。由
表3和
表4可见,大球盖菇多肽制备工艺中对水解率产生影响的各因素顺序为料液比>酶添加量>酶解时间,料液比为显著影响因素(
P<0.05),而酶添加量与酶解时间对水解度的影响不显著。最终确定制备大球盖菇多肽的最佳工艺为料液比1∶20 g/mL、酶添加量4000 U/g、水解3 h,此条件下大球盖菇蛋白的水解度达到28.31%,比优化前提高了3倍。
2.2 体外抗氧化活性检测结果
2.2.1 大球盖菇多肽对DPPH·清除能力测定结果
将所制备的大球盖菇多肽经不同大小孔径的超滤膜分级,可获得3个不同分子量组分:M1(>10 kDa)、M2(3~10 kDa)、M3(<3 kDa)。Vc是一种抗氧化剂,检测不同大球盖菇多肽组分的DPPH·清除率,并与同等浓度Vc进行对比,可更加直观地呈现大球盖菇多肽的DPPH·清除率。如
图5所示,3个大球盖菇多肽组分的DPPH·清除率随着多肽浓度的增加而增加,呈现剂量依赖关系,说明所提取的大球盖菇多肽具有一定的DPPH·清除能力。其中,M1的DPPH·清除率远高于M2和M3,且在3 mg/mL浓度下与姜旭等
[14]所制备的10 mg/mL赤松茸多肽相当,说明本研究所制备的多肽在低浓度下具有较强的DPPH·清除能力。
2.2.2 大球盖菇多肽对ABTS+·清除能力测定结果
如
图6所示,3个大球盖菇多肽组分对ABTS
+·的清除能力呈现相似的规律。当多肽浓度在0.4~1.6 mg/mL时,ABTS
+·清除率随着浓度的增加而增加,说明大球盖菇多肽在此范围内具有浓度依赖性的抗氧化能力;当浓度在1.6~2.4 mg/mL时,ABTS
+·清除率与同等浓度Vc的清除能力相当,且趋于稳定,说明大球盖菇多肽在较高浓度下具有与已知抗氧化剂相当的功效,且在1.6~2.4 mg/mL内达到饱和。在以往研究中,以草菇和杏鲍菇为材料所制备的多肽ABTS
+·清除率均低于同等浓度Vc
[23,34],可见,本研究所制备的大球盖菇多肽均有很强的ABTS
+·清除能力。
综上所述,本研究所制备的3个大球盖菇多肽组分均具有一定的DPPH·和ABTS+·清除能力,说明它们都具有良好的抗氧化活性。
2.3 抗肿瘤活性的检测结果
在对大球盖菇多肽的抗肿瘤活性检测中,采用CCK-8法观察不同浓度的多肽对4种常见肿瘤细胞系(宫颈癌细胞HeLa、肺癌细胞NCI-H460、乳腺癌细胞BT549、肝癌细胞HepG2)的增殖抑制效应。如
图7所示,3个大球盖菇多肽组分对4种肿瘤细胞均有一定抑制作用。随着大球盖菇多肽浓度的增加,其对肿瘤细胞的抑制效果也逐步增强,呈现出明显的剂量依赖关系。这一发现与先前文献报道的研究成果一致
[35-36],说明大球盖菇多肽在抗肿瘤方面的潜在价值。不同多肽组分抗肿瘤抑制效果具有一定差异,M1和M3组分对肺癌细胞NCI-H460的抑制效果尤为突出,最高抑制率分别达到19.91%和30.28%;而M2组分则对宫颈癌细胞HeLa显示出较强的抑制能力,最高抑制率为19.91%;另外,3个多肽组分对肝癌细胞HepG2的抑制活性差异不大,这可能与其结构和作用机制不同有关
[37]。
3 讨论
水解度是评价生物活性肽高效制备的关键指标,与肽得率、分子质量和功能活性密不可分
[38]。水解度越高意味着蛋白通过水解释放的小分子生物活性肽的可能性就越大,制备的小分子生物活性肽生物活性更强
[14]。目前蛋白水解度测定方法有很多,每种方法各有优缺点
[26,39-41]。在已报道的赤松茸蛋白水解中,姜旭
[14]采用甲醛固定法测得最高水解度为36.02%,而张昊等
[8]采用邻苯二甲醛法测得最高水解度为67.30%,均高于本研究采用茚三酮比色法所测定结果(28.31%)。蛋白水解度高低与测定方法有很大关系
[8,14],茚三酮比色法虽受限于氨基酸组成,一般测定结果比其它方法低;但差异在可接受范围内,且具有检出限低、测定浓度范围广、不受酶种类和水解条件的限制等优势,是一种能较好反映实际值的测定方法
[41]。
在抗氧化活性研究中,本研究所制备的多肽在低浓度下呈现出较强的DPPH·清除能力,最高清除率达69.2%,高于已报道的其它食用菌多肽,如茶树菇、猴头菇多肽的最高DPPH·清除率分别为44.8%、53.01%
[35,42]。在对ABTS
+·的清除能力上,本研究所制备的3个多肽组分在1.6 mg/mL浓度下均可达到85%以上的清除率,与同等浓度的Vc相当,远高于同等浓度的赤松茸和松茸多肽,说明本研究所制备的多肽抗氧化性优于以往的相关报道
[14,43]。这可能与酶解过程中蛋白酶的选择有关,因为不同的蛋白酶水解产生的多肽在产量和活性上都会有所差异
[23]。
食用菌作为食用和开发保健食品、药品的良好原料,目前已有食用菌活性肽抗肿瘤活性的相关研究。于弋涵等
[35]发现猴头菇多肽能极显著抑制肝癌细胞HepG2;孙亚男等
[36]发现杏鲍菇菌丝多肽对乳腺癌细胞、宫颈癌细胞和胃癌细胞具有较强抑制作用;张胜等
[44]发现0.5 mg/mL灵芝肽对肝癌细胞HepG2抑制率为15.13%,与本研究中500 μg/mL M1相当。可见,食用菌活性肽有一定的抗肿瘤活性,在抗肿瘤药物研发中有巨大潜力。
4 结论
胰蛋白酶酶解制备大球盖菇多肽的最佳工艺为料液比1∶20 g/mL、酶添加量4000 U/g、酶解时间3 h,在此条件下大球盖菇的蛋白水解度为28.31%,比优化前提高了3倍;所制备的大球盖菇多肽对DPPH·和ABTS+·的最高清除率可达69.2%和91.4%,说明它们具有较强的抗氧化活性;另外,大球盖菇多肽均有一定的抗肿瘤活性,呈现浓度依赖性;且不同多肽组分对肿瘤细胞的抑制效果不同。后续可对大球盖菇的抗氧化肽和抗肿瘤肽进一步分离纯化,并将其应用于功能性食品及抗肿瘤药物,实现大球盖菇的高效利用和产业的可持续发展。
江汉大学四新学科专项科研项目(2022SXZX23)