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猪血中主要功能成分的制备、修饰及应用研究进展


现代畜牧网 http://www.cvonet.com 2021/12/31 10:43:04 关注:1297 评论: 我要投稿

  摘要:猪血是屠宰加工产生的主要副产品之一,营养成分丰富,尤其是含有免疫球蛋白、生物活性肽、血红素、超氧化物歧化酶等具有特定生理功能的成分,应用前景广阔。该文对来源于猪血液中的主要功能成分血浆蛋白粉、血红蛋白粉、血红素、生物活性肽等的制备和修饰成分在食品药品中的应用进行综述,以期为猪血液资源的综合利用和研究提供参考。
  关键词:猪血液;功能成分;血红蛋白;修饰成分图片
  我国生猪产量位居世界前列,每年的生猪屠宰量在6.89亿头以上,随之产生的猪血量在90万吨以上,猪血若不经加工利用而被直接排放入环境中,会造成严重的环境污染,影响人体的健康。猪血中蛋白质含量18.9%,比鸡蛋高6.2%,比大米高12.7%,因此猪血被人们誉为“液态肉”,猪血中的血红蛋白由珠蛋白和血红素两部分构成,是猪血中重要的营养成分。从上世纪 90年代以来,国内企业研发人员开始探究生产血红素粉、血浆蛋白粉、血红蛋白粉、超氧化物歧化酶等产品,它们是食品添加剂、生物制剂、保健食品的重要原料,广泛应用于食品、医药等领域。国内外关于猪血中主要功能成分的研究主要集中在血红蛋白粉、血红素、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)以及生物活性肽的制备工艺及开发上,关于对猪血中功能成分的修饰以及应用方面报道较少。
  01
  猪血中功能成分的制备工艺研究
  1.1  血红蛋白粉
  猪血红蛋白主要提取工艺流程:新鲜抗凝猪血→纱布过滤除杂→离心(4000r/min)→取下层血细胞→血细胞超声波破碎→酶解(调节pH值)→灭酶→酶解血红蛋白粉成品。
  血红蛋白粉产品的开发,其分离提取工艺是关键,在获得较高血红蛋白提取率的基础上,要考虑不同工艺处理对血红蛋白结构可能产生的影响(如血红素是否从蛋白疏水空穴游离,卟啉环结构是否完整),为其进一步开发利用提供参考。张敏等对猪原血通过不同饱和度的硫酸铵进行沉淀,并分步收集沉淀,分离到的粗猪血红蛋白于50%和60%饱和度的硫酸铵中进行沉淀,该条件沉淀得到粗猪血红蛋白用DEAE-Sephrose阴离子交换色谱进一步分离,均获得了单一蛋白峰,对出峰处各管样品进行十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE),均为分子量为16.4kDa的单一条带,为猪血红蛋白的单亚基分子量,经PDQuest软件分析纯度为95.2%,比市售的猪血红蛋白纯度(约为85%)高。周勃等为了从猪血中分离纯化高纯度的猪血红蛋白,建立了通过超滤、SephadexG-75凝胶排阻色谱和DEAE-Sepharose Fast Flow离子交换色谱三步法,并通过高效凝胶排阻色谱、反相高效液相色谱和SDS-PAGE,同时对纯化后的猪血红蛋白进行了纯度鉴定,经纯化工艺后,猪血红蛋白的纯度达到99%以上,含量为1.328g/L。随着生物技术和化学分离纯化技术的不断提高,高效、高纯度的猪血蛋白产品被开发出来,为猪血红蛋白在食品药品中的应用打下坚实的基础。
  1.2  血红素
  血红蛋白进一步分解为珠蛋白和血红素,经过酶解可以得到氨基酸、小肽和血红素的混合物。血红素是一种由吡咯环组成亚铁卟啉化合物,4个吡咯环由4个α-碳原子通过4个次甲基(-CH=)桥相连形成,Fe2+位于环中,与吡咯环上的N原子结合成4个配位键,从而形成亚铁卟啉环,血红素分子式为 C34H33FeN4O4,相对分子质量为633.49。
  血红素的主要制备工艺如下。

  尤鑫等通过超声波辅助酶解法水解血红蛋白制备血红素,探究了超声波破胞技术对血红素提取效果的影响,通过单因素试验和正交试验优化的工艺条件为:超声60次,间歇比2∶5,血红素与水的体积比 1∶7,超声功率300W,破胞后经过酶解,测得血红素提取率为652.7μg/mL。刘梦然选择丙酮、盐酸、水以体积比为40∶9∶1的混合液分离提取,制备的亚硝基血红素稳定性和溶解性较好,色泽与亚硝酸钠接近,适合代替亚硝酸盐在肉制品工业中的应用。
  1.3  生物活性肽
  生物活性肽是由20个天然氨基酸以不同组成和排列形式组成的复杂线性、环形结构的不同肽类的统称,具有增强免疫、抑菌、激素调节、抗病毒、降血脂、降血压等功效。传统的猪血红蛋白肽的分离提取方法主要是通过胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、中性蛋白酶等酶解成小分子肽。例如张凤英通过不同酶水解猪血红蛋白制备抗氧化肽的比较,发现中性蛋白酶分离提 取效果明显高于胰蛋白酶、木瓜蛋白酶。王鹏进一步通过优化酶解条件结合纳米纤维素膜、超滤膜等分离工艺优化提纯到小分子肽,而且膜通量回复率高,适合用于血红蛋白粉制备降血压活性肽的工业化生产。
  除此之外,猪血红蛋白肽的提取纯化工艺还有超声辅助酶法、发酵法以及超滤脱盐和大孔树脂吸附法等。王岩等利用发酵法水解猪血粉制备蛋白肽的最佳发酵条件为:猪血粉作为发酵底物,发酵底物浓度5.0%,接种量3.0%,发酵温度40℃,发酵时间48h,发酵起始pH8.0,在此条件下,蛋白肽得率 33.15%。蔡红燕等通过大孔吸附树脂对猪血红蛋白肽脱盐,经过脱盐处理后的血红蛋白肽的蛋白质含量由84.49%上升到95.10%,肽含量由 62.5%提高到81.89%,灰分由11.69%降低到0.27%,脱盐效果明显。唐雯倩等利用超声波处理胰蛋白酶溶液,其酶活力和蛋白酶溶解度分别提高104.9%和2.4%,酶解2h即可达到常规酶解6h的酶解度。CARLOS等提出了一种用猪血红蛋白生产多肽的新水解方法,有别于目前的工艺是通过使用昂贵的酶或高静水压,该法廉价有效,将纯化的血红蛋白溶液在不同的温度下加热,并在4MPa的压力下加压,同时将氮气注入反应器中,共82%的初始血红蛋白被转化为肽,平均大小为 3.2kDa,在不同的时间和温度下评价肽分子的大小分布,该技术产生了大量具有良好抗氧化性能的肽,与通过酶法获得的血红蛋白肽相比,该方法从血红蛋白中产生更高的肽产率。
  通过超声波辅助处理可以大大提高酶解效率,缩短工作时间,采用现代化学分离技术和生物工程技术制备功能性肽可以大大提高生物活性肽纯度和提取效率,扩大了生物活性肽的应用范围,避免了因酶解过程较长而导致生物活性的降低及原材料变质。
  1.4  超氧化物歧化酶(SOD)
  超氧化物歧化酶是一类广泛存在于动植物体内的金属酶,其在体内的主要功效是清除超氧阴离子自由基(O2-·),具有抗衰老、抗氧化、抗肿瘤、抗辐射以及消炎等作用。目前国内外猪血中超氧化物歧化酶的分离提取技术主要有热变性和等电点除杂技术、有机溶剂沉淀技术、超声波辅助提取技术、超滤浓缩技术、柱层析纯化等。猪血中分离提取SOD的主要工艺:抗凝→离心除去上层血浆→洗涤红血球→沉淀蛋白杂质→收集上清液(SOD粗酶液)。
  王保全等从猪血液中分离提取出超氧化物歧化酶粗液,经离子交换柱层析、凝胶过滤层析以及壳聚糖亲和柱层析分级纯化,再经过SDS-PAGE后均呈现一条单一条带,单亚基的相对分子量为16kDa,其比活力分别为5585、6148、4739 U/mg,产品得率分别为18.1%、13.7%、15.5%,进而表明壳聚糖亲和柱层析方法纯化效率较高,适合工业化大规模生产。
  02
  猪血主要功能成分的修饰及应用
  为了充分利用猪血资源,利用现代化分离纯化技术和生物工程技术制备猪血中的血红蛋白、血红素、生物活性肽等主要功能成分,通过分子修饰制备、基因重组改造等技术扩大其应用范围是未来猪血资源利用的一个新的方向,据统计2016年全球全年有30%的血液衍生制品应用到食品工业中(约220万吨)。
  2.1  血红蛋白及其修饰成分的应用
  从猪血中制备的血浆蛋白粉、血红蛋白粉等不仅可以作为富含蛋白质氨基酸食物的重要来源,而且具有很高的营养价值。除此之外,血红蛋白还具有特殊的生理功能,目前对血红蛋白的修饰主要有微囊化、重组型和化学修饰型,例如可以将血红蛋白制成壳聚糖-海藻酸钠-血红蛋白微囊,一种可供静脉注射用的具有缓释作用的人工携氧治疗剂。
  近几年国内外关于戊二醛聚合血红蛋白(polymer-izedporcine hemoglobin,pPolyHb)作为一种新型的具有携带氧和释放氧功能聚合血红蛋白体在药物研究开发方面报道越来越多。马慧娅通过探究在化疗贫血动物模型中运用戊二醛聚合血红蛋白,观察化疗贫血动物自身造血相关生理功能或状态和条件化疗贫血动物体内血红蛋白(porcine hemoglobin,pHb)水平,结果表明1mg/kg戊二醛聚合血红蛋白可以显著提高贫血小鼠外周pHb浓度,对化疗药物引起的骨髓抑制贫血小鼠有着较好治疗作用。LIU等为探究pPolyHb在等容性血液稀释(anemia caused by normovolemic hemodilution,ANH)致急性贫血大鼠模型中的恢复能力,老鼠被注入聚合猪血红蛋白或红细胞,根据 ANH程序结果显示pPolyHb可以携带足够多的氧气来维持正常的组织有氧代谢和血动力学稳定,根据病理和生化分析,对肾和肝功能没有显著的毒性,ZHU等通过分析pPolyHb对于大鼠体内的炎症反应进行安全评价,发现其对细胞和动物没有免疫毒性。因而在未来的临床试验中pPolyHb可能是一个很好治疗急性贫血的候选药物。XIE等测定了聚合猪血红蛋白pPolyHb对短暂性局灶性脑缺血/再灌注损伤的保护作用,认为戊二醛聚合猪血红蛋白是一种基于血红蛋白的氧载体,目前正被开发为一种潜在的红细胞替代品。
  此外,李新波通过哌啶氮氧自由基修饰血红蛋白氧载体,通过细胞试验考察该分子对氧化应激损伤的保护作用,结果表明,胺基-哌啶氮氧容易修饰于血红蛋白且毒性较低,当修饰比例达到哌啶氮氧自由基∶血红蛋白=3∶1时,在氧化应激损伤细胞模型中,哌啶氮氧自由基-血红蛋白相对于对照组明显提高了对细胞的保护作用,从而为聚合血红蛋白氧载体提供了一种抗氧化应激损伤的思路。彭倩探究了猪血蛋白磷酸化及其超声辅助合成工艺的最佳条件,并且对磷酸化前后的起泡性及其起泡稳定性、溶解性、乳化性及其乳化稳定性功能特性随氯化钠浓度和酸度条件的变化进行研究,在大部分条件下,各功能性指标均高于未磷酸化的猪血红蛋白,因此可以扩展磷酸化猪血红蛋白在食品工业中的应用。
  2.2  血红素及其修饰成分的应用
  由于猪血中的血红素在低pH值、高温或游离金属阳离子存在下,导致猪血液的颜色从红色到棕色不等,因此探究一种保持稳定猪血液颜色的方法就显得尤为重要,ZHOU等探究猪血在25℃和pH7.3时,L-组氨酸通过与游离铁(Fe2+或Fe3+)配位能够提高血红素浓缩物的稳定性。SALVADOR等通过在新鲜猪血红素中加入螯合剂(如烟酸或烟酰胺和葡萄糖)作为还原剂,以稳定其在喷雾干燥和室温下粉末储存过程中的红色,结果表明虽然联合处理对血红素的影响很小,但在脱水和后续贮藏过程中对色素自氧化有效,因此葡萄糖是血红素颜色稳定的主要因素。
  从血液中分离提取到的血红素铁常被用做食品补充剂,用来干预缺铁性贫血或者营养性贫血等疾病,如何通过膳食摄入提高铁的吸收和利用率非常重要。目前国内关于血红素铁添加到饼干、米粉、糕点等食品中的报道越来越多,此外国外也有关于以血红素铁为载体添加到水产品、肉制品、海产品以及调味料中的报道。
  血红素可以作为着色剂广泛应用于肉品加工中。SORIVAN等研究表明,从猪血红蛋白中分离得到的血红素铁有用作肉制品色素新型配体的潜力。亚硝酸钠的5种替代品被确定为血红素红构象的稳定剂和配体。在溶液中研究了4-甲基咪唑、烟酸甲酯、吡咯烷、哌啶、吡嗪和亚硝酸钠(作为比较基准)对半铁提物和纯半铁标准品颜色的影响。通过紫外-可见吸收光谱和三维颜色空间参数随时间变化评估配体亲和力和配体稳定性。使用国际照明委员会(Commission Internationale de l’Eclairage,CIE)的红度评分a*作为单一测量指标,基于以下参数提出预测模型:血红素来源(血红素-)铁提取物或血红素标准,血红素与配体的摩尔比率(1∶20~1∶3000),储存时间(最多32d),从而确定了每种配体可加入任一血红素源的最佳浓度,以及形成的血红素配体在溶液中的红色稳定性。因此,血红素铁具有部分替代亚硝酸盐在肉制品加工中的作用。
  血红素及其修饰加工后的功能成分在医药品中也有着广泛的应用,吴梧桐等应用生化转化法由血红素制备胆红素,而胆红素是制备抗癌药和人工牛黄的重要原料。
  2.3  生物活性肽及其修饰成分的应用
  生物活性肽的开发是保健功能食品研究较活跃的方向之一,从猪血液中可以分离提取到抗氧化活性肽、降血压肽、抗菌肽、抗疲劳肽等不同功能的生物活性肽,或者通过金属螯合等修饰,扩大猪血红蛋白肽的应用范围。
  吴浪通过对猪血进行胰蛋白酶酶解优化分离提取血红蛋白肽工艺,并进行了5种标准菌株抑菌性试验,血红蛋白肽对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和肺炎链球菌平均10min内的杀灭率达到90%以上,再以此为抑菌剂,加上基质卡波姆和甘油开发了具有良好杀菌效果的免洗洗手液。郑炯探究了血红蛋白肽与氯化亚铁反应制备铁螯合肽的最佳工艺条件,并且在此条件下制备出了猪血红蛋白肽螯合铁饲养缺铁性贫血大鼠,其抗贫血效果明显好于氯化亚铁和葡萄糖酸亚铁,因此猪血多肽螯合铁可以作为一种理想的补铁制剂,用于改善营养性贫血。刘骞等研究经美拉德反应修饰后的猪血浆蛋白抗氧化肽,其溶解性、起泡及起泡稳定性、乳化及乳化稳定性随反应时间增加而逐渐增大,表面疏水性则随着反应时间的增加而降低。同时,各功能性质均随环境体系中pH值改变而变化,因此美拉德反应修饰可有效改善猪血浆蛋白抗氧化肽功能特性,可为抗氧化肽有效利用提供新途径。
  2.4  猪血超氧化物歧化酶(SOD)及其修饰成分的应用猪血超氧化物歧化酶(SOD)由于其抗氧化、抗衰老、抗炎症等功效广泛应用到食品、药品和化妆品中,比如可以作为食品营养强化剂添加到保健食品中,加工成抗衰老保健食品,张又对从猪血中提取到的超氧化物歧化酶的工艺进行改进,并且以乙基纤维素和糊精为原料,采用了淀粉内外同加的方法制备了具有治疗类风湿关节炎疗效的肠溶小丸胶囊,该小丸胶囊中SOD酶活力保持较好,有望开发成一个副作用小、服用和携带方便的疗类风湿关节炎的现代胶囊制剂。猪血超氧化物歧化酶(SOD)也可以添加到化妆品中避免皮肤自由基受到损害进而起到防晒抗炎的效果。
  国内外关于猪血超氧化物歧化酶(SOD)修饰成分及其应用方面的报道较少。何毅选用了具备清除自由基、增强免疫等功能的褪黑素作为修饰剂对SOD进行改造,以甲醛作为偶联剂,将褪黑素(melatonin,MT)连接到SOD分子表面的游离氨基上,修饰反应完成后,用丙酮沉淀、透析等方法将反应物分离纯化表明MT已成功与SOD偶联,MT-SOD同时具备了MT以及SOD的生理活性。将猪血SOD和MT-SOD在75℃下保温不同时间,测定两者的酶活,结果发现保温70min,MT-SOD还保留有61.3%的活性,而天然SOD的活性只剩余35.2%。说明MT-SOD与天然的SOD相比,对温度有更强的抗性,热稳定性增强。刘婧先对分离提取到的猪血SOD进行聚乙二醇修饰,得到最优反应条件后,通过葡聚糖凝胶层析纯化,修饰后的SOD的酶活有所下降,但是耐酸耐碱耐热能力均强于天然SOD,在抑制酶解方面,修饰SOD的稳定性也有显著提高,从而将猪血SOD更合理地运用到食品、药品、化妆品等行业中。
  03
  发展趋势
  我国拥有世界上最为丰富的猪血资源,为猪血主要功能成分的开发利用提供了广阔的空间,国内外关于猪血中主要功能成分的提取分离纯化工艺也日趋成熟,新产品的开发利用领域也不断扩宽,但同时也存在以下问题:1)猪血中某一功能成分的分离提纯工艺技术比较单一,综合利用率不高,猪血中各功能成分的之间的系统化分离提取,利用现代生物分离集成技术程度不高,有待于进一步的开发。2)猪血中主要功能成分的精深加工程度不高,分离提取到的功能成分纯度不高,或者提取到的功能成分纯度很高但是效率太低导致成本过高。3)利用现代化分离纯化技术和生物工程技术制备猪血中的血红蛋白、血红素、生物活性肽等主要功能成分的研究报道较多,但是对于结合基因重组技术、微囊化和化学改造技术修饰生物活性物质的结构和性质,进一步提高生物活性的研究报道较少,这也是未来猪血资源利用的一个新方向。
  未来,科研人员应综合利用现代化学生物分离提纯技术、细胞工程技术、蛋白质工程技术、基因重组技术等多种技术开发高纯度低成本的功能性猪血生物制品,以期扩大猪血功能成分在食品、药品、化妆品等领域的应用范围,延长产业链,提升猪血制品的附加值。

文章作者:吴金松,王永芬等 肉食界     文章编辑:一米优讯     
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