食品工业蚕蛋白质的作用

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1蚕各发育阶段蛋白资源的研究应用

1.1蚕卵及幼虫

蚕卵中含有蛋白质、粗脂肪、还原糖、维生素及辅酶等活性物质，其氨基酸组成与桑叶大体相同。以蚕卵为原料研制的胚胎素可治疗妇科疾病[5]。蚕幼虫体内也含有大量的蛋白质。其中，甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸和酪氨酸的含量占总量的43%，苯丙氨酸、谷氨酸、天门冬氨酸的含量较低，仅占氨基酸总量的6%左右。全蚕粉是比较成功的上市产品，营养价值高，且具有降血糖功效[6]，以蚕蛋白质为来源开发抗菌肽是活性肽研究的热点领域。抗菌蛋白和抗菌肽能直接杀灭细菌及其他致病病原体，且具有良好的热稳定性，在食品加工中仍能保持良好的活性，被公认为最有应用前景的防腐剂和保健剂。在番茄汁加工中应用新疆家蚕抗菌肽可降低番茄汁的杀菌强度，提高产品品质[7]。家蚕瘫痪肽（paralyticpeptide）由23个氨基酸残基组成，是一种具有生长拦截、麻痹和促进浆细胞扩张等功能的生物活性肽。向幼虫中注射家蚕瘫痪肽，能快速产生强烈的麻痹作用[8]。Kazunori[9]等研究发现，该类瘫痪肽（paralyticpeptide）三级结构的差异对浆细胞扩张活性影响较小，但可以引起生长阻滞活性不同。神经肽是一种能够调节多种动态平衡和指导激素、神经或神经递质发挥作用的生物活性肽。Yukihiro等制备抑制家蚕产生滞育激素的抗体，通过免疫细胞化学反应，将抗原定位在家蚕的中枢神经系统中，在神经中枢和脑中可以观察到免疫反应的胞体。滞育性幼虫的阴唇神经节神经细胞能够释放神经肽（FXPRLamide），使免疫反应显著性降低。脑，胸及腹腔分泌的神经肽可能作为神经递质或者神经节[10]。Hirotoshi[11]等应用PCR聚合酶链式反应，在家蚕中cDNA克隆甲壳动物高血糖激素家族肽（CHH），然后从扩增产物中分离出一种cDNA，命名为BmCHHL，该产物有110个氨基酸的开放式阅读框架。序列分析表明这种肽含有72个氨基酸，并在羧基端酰胺化。BmCHHL序列与CHH家族非常相似，在5龄第4d幼虫的5或6个大脑细胞半球的正面可检测到BmCHHL的表达。家蚕肽（Bombyxin）是一种与胰岛素相关的肽，对碳水化合物代谢具有一定的调节作用，淋巴海藻糖是昆虫碳水化合物的一种贮存形式。向颈扎节幼虫注射家蚕肽，可以提高肠和肌肉中海藻酶的活性，并通过促进水解淋巴海藻糖成为葡萄糖，降低淋巴糖、海藻糖的浓度。此外，家蚕肽还可降低脂肪组织中的葡萄糖含量，同时提高组织中活性糖原磷酸氧化酶的百分比，降低家蚕幼虫中存储的主要碳水化合物的数量。尽管家蚕肽能够像胰岛素一样控制碳水化合物代谢，但是其在昆虫体内发挥的生理功能与胰岛素在哺乳动物体内的生理功能不相同，有待进一步研究[12]。

1.2蚕蛹

蚕蛹是缫丝工业的主要副产品，营养丰富，但是丢弃量较大[13]。干蚕蛹蛋白质含量为45%~50%，脱脂蚕蛹的蛋白质含量高达77%。蚕蛹蛋白含18种氨基酸，并且富含核黄素、尼克酸、锌、铁、铜等[14]。蚕蛹中8种人体必需氨基酸的含量在40%以上，且氨基酸组成均匀，被称为“优质的昆虫食品”[4，15-16]。从蚕蛹中提取蛋白质并对所得蛋白质和水解氨基酸加以利用已经成为食品、医药等领域的研究热点。蚕蛹蛋白粉可以作为食品添加剂或者营养强化剂，应用于口服液、饮料、蚕蛹精油、饼干、罐头、奶、酒、蚕蛹补酒、米糊等，也可作为饲料蛋白，其蛋白质含量高于国产和进口的鱼粉。陕西紫阳县蚕蛹中硒的含量为普通蚕蛹硒含量的215倍，富硒蚕蛹氨基酸在0.5、1.5、2.5μmol•L-1硒浓度下能显著性抑制肝癌细胞（SMMC-7721）生长，诱导SMMC-7721细胞凋亡[13]。蚕蛹复合氨基酸具有促进蛋白质合成、增进造血等功能，可用于治疗恶性肿瘤、慢性消耗性疾病引起的营养不良、低蛋白血症、免疫功能低下等病症。以蚕蛹复合氨基酸为主要原料研制而成的中药舒乐康胶囊等，均已正式投产[17]。周菊香等[18]研究表明，蚕蛹多肽对高胆固醇患者有明显的降低血清胆固醇作用，对胆固醇正常者无明显影响；同时能提高SOD酶活性并具有抗脂质过氧化作用。酶膜耦合法分离制备的蚕蛹生物活性肽可促进生物体丙酮酸的生成，对糖的正常代谢起到积极作用[19]。洪奇华等将蚕蛹蛋白酶解肽添加于断乳仔猪日粮中，表明蚕蛹蛋白酶解肽能明显提高断奶仔猪日增重，降低料重比和腹泻率，可以提高断奶后仔猪血清碱性磷酸酶和血清铁含量，显著提高十二指肠、空肠和回肠的绒毛高度并降低十二指肠、空肠和回肠的隐窝深度，显著提高空肠黏膜蔗糖酶和麦芽糖酶活性[20]。许玉澄等从家蚕蛹血淋巴中分离到一种活性肽，该活性肽能明显抑制S180荷瘤小鼠瘤重，但对外周血白细胞数无影响。病理切片显示，注射活性肽S180荷瘤小鼠癌瘤组织大面积坏死，艾氏腹水瘤（EAC）腹水生成量减少[21]。本实验室以陕西安康百瑞丝绸有限公司的蚕蛹为原料，优化蚕蛹蛋白的提取工艺，采用碱性蛋白酶、风味蛋白酶、复合蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶水解蚕蛹蛋白，以水解度和清除DPPH•能力为指标对酶解过程进行分析，并研究了水解产物的体外抗氧化活性。结果表明，碱性蛋白酶对蚕蛹蛋白具有较好的水解效果，其水解产物有较高抗氧化活性，对DPPH•、超氧阴离子自由基（O2-•）和羟自由基（•OH）都具有较强的清除能力[4]。在此基础上，进一步比较单酶和复合酶水解效率并探究酶解多肽的其他活性，如抑菌、降糖、降压、抗病毒等，制备高纯度活性多肽。应用食品毒理学和营养学原理，筛选非营养型甜味剂、酸味剂等添加剂，优化蚕蛹氨基酸口服液制备工艺，构建动物模型，深入研究该产品的安全性、营养价值以及功能性成分的作用机理，为工业化生产提供参考。

1.3蚕蛾

早在唐宋时期，蚕蛾就被视为皇室的珍贵补品，有“神虫国宝”之称。蚕蛾体内含有丰富的蛋白质激素、细胞色素C、维生素B2等成分，具有增强人体免疫力和调节人体机能的作用[22]。蚕蛾蛋白是一种氨基酸组成较齐全、必需氨基酸比例较高的纯天然动物性蛋白质。迄今，我国已经开发出了一系列蚕蛾食品，如复合雄蚕蛾荔枝汁运动饮料[23]、雄蚕蛾醋[22]、蚕蛾软罐头[24]等。以蚕蛾为原料开发出的药品有“延生护宝液”、“九如天宝液”、“艳天阳”维力康胶囊[25]和“龙蛾丸”强精补药等。桑蚕雄蛾酒具有滋补壮阳的功效，并且安全性较高[26]。功能性成分测试结果表明，雄蚕蛾酒（雄蚕圣酒）和蚕粉复合物（雪蚕胶囊）氨基酸含量分别为577.10mg/L和537.10mg/L，必需氨基酸分别占氨基酸总量的41.96%和43.28%，符合联合国FAO/WHO提供蛋白模式值和天然绿色保健食品及特殊营养食品的国际质量标准[27]。

2蚕丝蛋白资源的研究应用

蚕丝由丝素、丝胶、丝蜡、糖、色素以及无机物组成，是高级的传统纺织原料，被誉为“纤维皇后”。我国生丝产量占世界总产量的65%[29]。丝素、丝胶是蚕丝的主要蛋白质，分别占蚕丝蛋白总重量的70%～80%和20%～30%。蚕丝内层为丝素蛋白（silkfibroin），外层被丝胶蛋白（sericin）包覆[30]。丝胶是球状蛋白质，水溶性较好。丝素是纤维状蛋白质，难溶于水。蚕丝中的主要氨基酸为甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸和酪氨酸等，约占蚕丝氨基酸总量的85%。

2.1丝胶蛋白

丝胶蛋白中含羟基、羧基、氨基等极性基团的氨基酸约占氨基酸总量的70%，必需氨基酸含量高达17%以上。丝胶蛋白能够促进Zn、Fe、Ca、Mg等的吸收，其中丝氨酸和苏氨酸可以与微量元素（如铜和铁）络合，抑制多酚氧化酶的活性，具有抗氧化功能[30]，可以防止紫外线损伤和抑制肿瘤增殖[31]。丝胶和丝胶肽具有冷冻保护作用，可防止食品、组织和细胞冷冻变性或者用于研制抗冻生物材料[32]。丝胶肽也可作为食品添加剂，如丝胶水解液作为话梅的浸渍调味液和冰冻糕点的良好成形剂等[33]。丝胶蛋白具有生物降解性，是良好的伤口愈合剂[34]和药物缓释材料[35]。丝胶及其水解物有助于胰岛细胞繁殖[36]，能有效降低Ⅱ型糖尿病大鼠血糖，预防糖尿病神经病变；改善大鼠的生精功能[37-39]。此外，丝胶蛋白还具有解酒保肝功能[40]。丝胶及其水解物在化妆品行业也有广阔的应用前景。胡桂燕等探究了丝胶蛋白液的护肤功能，并研制对紫外线具有吸收作用的丝胶美白防晒乳[41-42]。

2.2丝素蛋白

丝素蛋白由18种氨基酸组成，其中85%左右为甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸和酪氨酸，其特征氨基酸带有氨基（-NH2）和羧基（-COOH），具有两性电解质的性质。丝素蛋白的构象以稳定的反平行β-折叠构象为基础，具有良好的机械性能（如柔韧性和抗拉伸强度）、理化性质（如透气透湿性、缓释性）和良好的生物相溶性和生物降解性，已应用于人工皮肤等仿生材料、酶的固定材料、生物传感器材料、组织工程材料[43]等方面。丝素蛋白具有防治高血压[44]、抗基因毒性[45]等多种药理作用。FENGJUANZHOU等通过碱性蛋白酶水解并分离纯化制备具有抗ACE活性的丝素多肽，并通过高效液相-电喷雾串联质谱测定有效结构为Gly-Tyr[46]。柞蚕丝素粉与鸟氨酸的混合物能明显降低小鼠的肝体比和血清甘油三酯、总胆固醇、低密度脂蛋白的浓度，提高高密度脂蛋白浓度，可有效预防酒精性脂肪肝的发生[47]。丝素蛋白在食品领域中的应用十分广泛。含有丝素蛋白粉和丝肽的食品添加剂不仅能部分补充氨基酸，还能促进Zn、Fe、Mg、Ca等矿质元素的吸收。目前，市场上已经有丝肽功能性饮料[48]、丝肽口嚼片，丝素果糖、果冻、饼干和酱油等[49]。丝素具有良好的起泡性、乳化性和凝胶性，将丝素添加到蛋糕中，可以产生较小且较均匀的气孔，增强蛋糕感官品质和商品价值[50]。丝素蛋白与人体皮肤具有良好的亲和性，有助于调节水分，防止太阳辐射。李莉将丝素肽与中草药复配研制的洗发香波，具有明显的去屑止痒功效[51]。丝素蛋白也是纺织工业的重要原材料，目前主要的开发研究方向有丝素蛋白棉/毛织物面料、生态合纤织物面料和生态复合面料等[29]。

3蚕蛋白类激素与酶的研究应用

蚕的生长发育受到多种激素和酶的调控，各种激素和酶的生理功能不同，具有潜在的开发价值或用途。

3.1激素

蚕属于全变态昆虫，是鳞翅目昆虫的代表生物，在昆虫的进化、生长发育和害虫防治等研究领域都有着不可替代的优势。蚕的蜕皮由促前胸腺激素（prothoracotroPichormone，PTTH）、蜕皮激素和保幼激素共同组成的内分泌调节系统控制。促前胸腺激素，又称脑激素，属蛋白或肽类化合物，具有活化咽侧体及前胸腺的功能，对卵巢的发育及昆虫的滞育也有控制作用[52]。滞育激素是一种神经肽激素，从咽下神经处分离得到，可诱导蚕胚胎滞育。家蚕滞育激素的生物反应核心是C端五肽酰胺，最大可诱导11%滞育卵。大约70%滞育卵的生物反应在C端六肽酰胺处表达，该处ED50值比母体分子的高1000倍。肽链的N端串行伸长引起Arg9-Gly10和Thr1-Asp2两处ED50值显著降低。N端母体分子或片断的中部有一些重复序列，删除这些序列能够增加分子的ED50值，但是对生物反应没有影响。因此，N端区域和重复序列是互补结构[53]，共同调节滞育激素。Okitsugu[54]研究了家蚕滞育激素的结构、基因表达和功能。滞育激素的信息激素合成肽（DH-PBAN）基因由6个外显子和5个内含子组成，在咽下的12个神经分泌细胞中表达。25℃下，可促进后代的早期滞育，引起生活周期5个不同阶段DH-PBANmRNA含量增加，15℃下可诱导蜕裂成熟期基因表达。DH-PBAN基因能够刺激各个发育卵中海藻多糖酶活性。体内和体外实验表明，DH明显诱导发育卵中海藻糖酶的表达，温度是导致滞育诱导的先决条件，且Ca2+依赖蛋白激酶不可或缺。桂仲争等发现全蚕粉中含有甲状腺激素类似物-T3（L-3，5，3’-三碘甲腺原氨酸），可抑制小肠粘膜麦芽糖苷酶活性，具有显著的降血糖效果[55]。

3.2酶

超氧化物歧化酶在食品和化妆品工业中具有广泛用途。KohjiYamamoto等通过逆转录聚合酶链式反应，cDNA编码家蚕含锰超氧化物歧化酶（MnSOD）。通过酵母菌扩大培养，并分离纯化所得的MnSOD可促进超氧化物阴离子还原反应。在4℃，pH4~11条件下放置24h和pH6.8，低于50℃条件下放置30min，该酶的残余活性均大于原活性的75%[56]。溶茧酶是蚕蛾在羽化过程中分泌的一种酶，具有软化和溶解茧的作用。溶茧酶对多种蛋白质（纤维蛋白、丝胶、明胶蛋白等）具有水解活性，基本性质与胰蛋白酶相似，对精氨酸和赖氨酸类具有特殊活性。溶茧酶具有强烈的纤溶酶活力，可用于水解蚕丝制备生物活性多肽，研制新型治疗血栓疾病的药物以及裂解丝素开发纯天然无副作用的新型化妆品[57]。

4蚕蛋白质资源的安全性

目前，有关蚕蛋白质资源安全性的研究较少。Jun等[15]系统地评价了柞蚕（Antheraeapernyi）蛹蛋白的安全性。急性毒性实验显示，小鼠对蚕蛹蛋白的最大耐受剂量>15.0g/kg体重，根据急性毒性实验的分类标准，表明蚕蛹蛋白没有毒性；Ames实验、小鼠骨髓微核实验和精子致畸实验结果阴性，表明蚕蛹蛋白没有诱变毒性；30d喂养实验显示：按照0.30、0.75、1.50g（/kg•d）的剂量给药30d，小鼠未出现死亡或者血液、临床化学和组织病理学等异常临床表现，小鼠在体重、食物的消化和吸收功能上没有显著差别。对于小鼠，蚕蛹蛋白的最大安全剂量为1.50g/（kg•d）。

5展望

蛋白质是重要的营养素，在食品工业中具有广泛用途。拓展蛋白质资源、开发新型蛋白质产品是蛋白质科学研究的重要分支之一。研究蚕蛋白质资源的开发利用，不仅对解决蛋白质资源匮乏有重要的参考价值，而且对食品工业以及蚕丝业的发展具有积极的推进作用。目前，在氨基酸开发利用领域，国内外研究主要集中于蚕蛋白质、氨基酸种类和含量分析，对营养学、安全性研究尚较单薄。譬如，以蚕蛾为主要成分的保健食品很多，但是对其作用机制及其物质基础的研究却很鲜见。安全性是食品研究与开发的首要问题。在对蚕蛹、蚕蛾的氨基酸资源进行研究开发过程中，必须运用现代营养学、毒理学等原理对其安全性进行分析。特别是某些采用酶降解技术制备的氨基酸，由于其中引入了生物制品（酶），因此酶的灭活、去除及其安全性研究显得尤为重要。在蚕活性肽开发利用领域，安全性也是需要解决的关键问题。此外，应当加强对生物活性肽构效关系的研究，揭示其作用机制。大量实验表明，除了必须具备特定的一级结构外，活性肽生物活性的发挥还需具有一定的空间结构（如卷曲、环形、α-螺旋、β-折叠等）。测定蚕生物活性肽的一级结构和高级结构，阐明活性肽的构效关系，对于揭示活性肽作用机制以及新型活性肽的设计均具有重要的理论意义。在蚕生物活性肽制备领域，由于蚕蛋白质水解产物为多肽混合物，其中某些短肽的氨基酸结构和分子量相近，但功能性差异很大，分离和提纯难度很大。在不影响多肽产品组分结构和分离效果的前提下，简化分离过程，提高分离、纯化效率，防止产物发生腐败变质，实现高通量分离，也成为分离工作者需要解决的问题。