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中国农业科学院农产品加工所刘淑艳研究员:鸡蛋壳膜天然活性蛋白和酶解肽的制备、功能机制及应用研究进展
我国是鸡蛋消费大国,鸡蛋壳膜作为食品加工的副产物,是可持续的生物资源。鸡蛋壳膜富含蛋白质,是潜在的多肽和氨基酸来源,具有丰富的食用和药用价值。近年来,随着生物酶解技术的发展,鸡蛋壳膜酶解肽因其独特的生物活性而备受关注。本文综述了近年来关于鸡蛋壳膜天然活性蛋白及其人工酶解肽的最新研究进展,重点探讨了鸡蛋壳膜酶解肽的制备方法、生物功能及应用领域。首先,本文概述了鸡蛋壳膜中天然活性蛋白的组成及其生物功能;其次,总结了鸡蛋壳膜酶解肽的制备方法,比较酶解法及化学辅助酶解法的优势与不足,并综述了鸡蛋壳膜酶解肽在促进伤口愈合、抗炎、抗氧化、抑菌和降血糖等方面的生物功能及其作用机制;最后,探讨了鸡蛋壳膜酶解肽在食品、药品和化妆品等领域的应用现状,并展望未来研究的热点,尤其是数字化和信息化手段在鸡蛋壳膜活性预测与功能分析方面的应用前景,以期为鸡蛋加工副产物的高值利用提供新的研究思路和参考。
鸡蛋壳膜医称“凤凰衣”,是鸡蛋壳内侧与蛋清之间的一层薄膜,为高度交联的水不溶性纤维状蛋白质,早在汉代药学著作《名医别录》和清代《随息居饮食谱》食疗养生著作中就有记载,是最具中国特色的药食同源的食材。我国鸡蛋的产量和消费水平全球第一,约占全球蛋鸡产蛋量的40%。据统计,食品加工业每年产生超过800万吨鸡蛋壳,约80万吨的鸡蛋壳膜,但壳膜的实际利用率不高,仅占10%。大量的鸡蛋壳膜随同鸡蛋壳作为加工废物被丢弃,不仅会造成资源浪费,还会增加环境污染和处理成本。大量研究表明,鸡蛋壳膜是生物活性蛋白和生物活性肽的重要来源,鸡蛋壳膜含内源性蛋白如赖氨酸氧化酶样蛋白2等8种,占壳膜总重量的90%,具有促进伤口愈合和抑菌等多种生物功能。这些蛋白经过单一蛋白酶及复合蛋白酶水解后产生大量的酶解肽,这些长度不一的酶解肽显示出更丰富的生物功能多样性,具有促进伤口愈合、抗炎、抗氧化、抑菌和降血糖等多种生理功能。笔者采用BIOPEP数据库预测分析,酶解肽的分子量在700~3000Da,数量约在104条。酶解肽是小分子肽,易于消化吸收,毒副作用小,因而在食品、医药及化妆品领域受到广泛关注,可以预见,未来鸡蛋壳膜酶解肽将成为一种具有极大应用潜力的可持续资源。因此,以鸡蛋壳膜为原料,变废为宝,将其转化为高附加值的环境友好型产品,提高其生物利用度,延长产业链,是鸡蛋加工产业高质量发展的趋势和方向。本文将介绍鸡蛋壳膜蛋白及其酶解肽的研究现状,总结鸡蛋壳膜酶解肽的制备和功能特性及应用场景,并展望鸡蛋壳膜酶解肽的工业化筛选和挖掘发展趋势,以期为鸡蛋壳膜中蛋白资源的开发应用提供研究方向。
结果与分析
1.鸡蛋壳膜内源性活性蛋白和活性肽
鸡蛋壳膜作为鸡蛋的保护组织,其中90%是内源性的蛋白和多肽,是不可多得的天然生物资源。鸡蛋壳膜中含有28%的赖氨酸氧化酶样蛋白2(Lysyl Oxidase-Like2,LOXL2),27%的富含半胱氨酸的蛋壳膜蛋白(Cysteine-Rich Eggshell Membrane Proteins,CREMPs),23%的纤维连接蛋白、组蛋白、卵壳素-36(Ovocalyxin-36)和卵转铁蛋白,12%的溶菌酶,10%的胶原蛋白(I型、V型和X型)。除此之外,鸡蛋壳膜中还含有1%天然活性肽,如禽类β防御素(AvBDs)、精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸肽段(RGD)、丛生蛋白衍生的多肽、肌动蛋白衍生的多肽等内源性多肽。
1.1赖氨酸氧化酶样蛋白2(LOXL2)
赖氨酸氧化酶是一类酶家族,鸡体内有5个编码赖氨酸氧化酶活性的基因:赖氨酸氧化酶(LOX)、4种赖氨酰氧化酶样蛋白(LOXL1、LOXL2、LOXL3和LOXL4),其中LOXL2在鸡蛋壳膜中表达最丰富,可利用铜离子氧化细胞外基质中胶原蛋白和弹性蛋白上的叔赖氨酸残基,使胶原蛋白和弹性蛋白之间形成共价连接。LOXL2不仅能够促进血管生成,确保在伤口愈合过程中伤口区域获得充足的氧气和营养物质。LOXL2还能促进细胞外基质的形成,催化胶原蛋白和弹性蛋白的交联,形成功能性结缔组织,从而有助于皮肤、软骨、骨骼和其他组织的再生。综上所述,LOXL2在促进组织修复以及伤口愈合方面具有重要的应用潜力。
1.2富含半胱氨酸的蛋壳膜蛋白(CREMPs)
富含半胱氨酸的蛋壳膜蛋白(CREMPs)家族是鸡蛋壳膜的重要组成部分,类似于细胞黏菌的孢子外壳蛋白SP75,通过赖氨酸衍生的不可逆交联进行广泛偶联,是鸡蛋壳膜中重要的结构蛋白。由于CREMPs含有丰富的半胱氨酸,它们常被用作氨基酸补充剂,添加到蛋白粉、能量棒等功能性食品中,以增强其营养价值并提供额外的营养成分。然而这些CREMPs只有在极端的溶解条件下才能被提取出来,与皮肤和关节软骨组织中的胶原蛋白具有相似的稳定性,可以为机体组织提供机械支撑。
1.3溶菌酶
溶菌酶是一种具有抗菌活性的天然酶,并且是鸡蛋壳膜中含量最丰富的抗菌蛋白,也称为酰胺酶或n-乙酰氨基水解酶,能够水解细菌细胞壁肽聚糖中n-乙酰氨基葡萄糖胺和n-乙酰氨基之间的β-1,4-糖苷键,以发挥对微生物特别是革兰氏阳性细菌的抗菌活性。溶菌酶是目前应用最成熟的鸡蛋壳膜天然蛋白,经过物理或化学修饰后可以提高其对革兰氏阴性菌的抑菌活性,增加抗菌的广谱性。作为控制细菌生长的天然防腐剂和抗菌剂,鸡蛋壳膜中的溶菌酶在医疗、制药及食品工业中得到了广泛应用。
1.4胶原蛋白
迄今为止,已在鸡蛋壳膜中鉴定出I、III、IV、V、VII和X型胶原蛋白。胶原蛋白分子由三条α链(α1、α2和α3)组成。胶原蛋白三螺旋结构由重复的(Gly-X-Y)n序列组成,其中X和Y位置分别由脯氨酸(Pro)和羟脯氨酸(Hyp)占据。胶原蛋白作为细胞外基质的主要成分,不仅为皮肤、骨骼、软骨、韧带和肌腱等结缔组织提供了重要的机械强度和弹性,还通过与纤维连接蛋白结合形成基质支架,为细胞的增殖、迁移和黏附提供空间和支撑。这一机制进一步促进了受损组织的重塑,使胶原蛋白在伤口愈合过程中发挥关键作用。此外,来自鸡蛋壳膜的胶原蛋白具有低过敏反应和高生物安全性等优点,尤其未发现可能的自身免疫反应,因此被广泛应用于食品、化妆品和制药行业。
1.5纤维连接蛋白
纤维连接蛋白是一种普遍存在于细胞外基质中的细胞粘附蛋白,具有促进细胞的锚定、增殖、迁移和分化等多种功能。在整个伤口愈合过程中起着至关重要的作用,尤其是在细胞外基质的形成和再上皮化方面。在凝血过程中,血浆纤连蛋白与临时基质中的纤维连接蛋白共同沉积,完成凝血并促进血管再生,从而为愈合提供必要的氧气和营养物质。此外,在炎症反应过程中,纤维连接蛋白能够减少炎症细胞的浸润,避免过度炎症延迟伤口愈合。在组织修复和重塑过程中,局部产生的细胞纤维连接蛋白是代替临时基质的主要肉芽成分。综上所述,纤维连接蛋白在伤口愈合方面显示出了巨大的临床应用潜力。
1.6组蛋白
组蛋白是一类具有强大抗菌活性的蛋白质家族,在染色质的折叠和压缩中扮演着关键角色。鸡蛋壳膜中存在多种组蛋白,包括组蛋白H1、H2A和H2B等,这些组蛋白均展现出广谱的抗菌活性,表明它们可能参与了免疫防御机制,并成为机体抗菌保护的重要来源。此外,组蛋白及其衍生物还能促进皮肤细胞的再生和修复,具有潜在的抗衰老能力。因此,组蛋白及其衍生分子在食品、医药和护肤品领域具有巨大的开发潜力,尤其是在新型防腐剂和抗衰老产品的研发方面。
1.7卵壳素-36(Ovocalyxin-36)
卵壳素-36(Ovocalyxin-36)是一种具有抗菌特性和免疫调节作用的生物活性蛋白,存在于鸡蛋壳和鸡蛋壳膜中。Ovocalyxin-36是鸟类特有的,目前在哺乳动物或硬骨鱼基因组中尚未发现相应的Ovocalyxin-36基因。从鸡蛋壳膜中提取的Ovocalyxin-36能够有效抑制细菌生长,与脂多糖(LPS)和脂磷壁酸结合,这些反应在炎症反应中对中和内毒素和非内毒素热原至关重要。此外,Ovocalyxin-36的抗菌特性和免疫调节作用可能参与机体对病原体的先天防御。氨基酸序列比较表明,Ovocalyxin-36与杀菌增透蛋白和脂多糖结合蛋白具有同源性,均在先天免疫保护中发挥重要作用。因此,鸡蛋壳膜成为开发新型抗生素和免疫增强剂的一个丰富来源。
1.8卵转铁蛋白
卵转铁蛋白也称伴清蛋白,是一种铁结合糖蛋白,存在于鸡蛋壳膜、蛋清和蛋壳中。研究表明,鸡蛋壳膜中的卵转铁蛋白对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均具有显著的抗菌活性,主要归因于其能够剥夺微生物中的铁和其他矿物质(如锌),从而抑制生物膜的形成。此外,卵转铁蛋白与乳铁蛋白(转铁蛋白家族的另一成员)具有许多相似的生物活性,如铁结合能力和免疫调节功能。由于卵转铁蛋白具有多种生物活性,它被认为是一种前景广阔的功能性食品成分,能够增强铁和钙的吸收,进而有助于预防贫血和骨质疏松。因此,卵转铁蛋白被视为乳铁蛋白的高潜力替代品。这些特性使得卵转铁蛋白在保健食品和医药领域具有重要的应用价值。
1.9内源性多肽
多肽是由氨基酸通过肽键连接形成的有机化合物,与蛋白质相比,具有更好的生物利用度和更低的免疫原性。鸡蛋壳膜中存在多种特有的内源性多肽,其中禽类β防御素(AvBDs)是目前研究最多的。这些小型阳离子非糖基化多肽是禽类体内存在的宿主防御肽(HDPs),具有抗菌和免疫调节等重要特性,对细菌、真菌、病毒和癌细胞具有广泛的抑制作用。目前已在鸡蛋壳膜中鉴定出了AvBDs-9、AvBDs-10和AvBDs-11,这些防御素主要对微生物膜上的脂质进行多靶点攻击,降低了微生物通过改变单一靶点来逃避抗药性的可能性,因此引发微生物耐药性的风险较小。AvBDs可以被视为天然的抗生素替代物。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(Arg-Gly-Asp,RGD)是存在于鸡蛋壳膜中的一种重要的三肽序列,具有细胞黏附、增殖和迁移的功能,促进组织的修复与再生。同时,RGD序列还能调节细胞内Ca2+释放,诱导成骨细胞分化,从而促进骨组织再生。综上所述,鸡蛋壳膜是食源性天然多肽的良好来源。
2.鸡蛋壳膜酶解肽的制备、功能机制及应用
酶工程技术的发展为鸡蛋壳膜蛋白的高效利用和深度加工提供了技术手段,使难以溶解的鸡蛋壳膜蛋白通过酶促反应转化为更易被吸收利用的小分子肽,常用的蛋白酶有胃蛋白酶、碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶等。鸡蛋壳膜酶解肽的结构更接近于天然的消化产物,具有更好的生物相容性和生物活性,在多个领域获得广泛的应用。目前,鸡蛋壳膜蛋白酶解肽产品的开发大多通过水解法获得,包括酶解法和化学辅助酶解法。酶解后的小分子肽混合物经过初步的生物活性测定后,采用盐析、超滤或电泳技术从酶解产物中富集得到特定分子量大小的肽段,再通过凝胶过滤层析、离子交换层析等色谱技术进一步纯化,并进行体外和体内活性研究,明确其功能。鉴于酶解肽的氨基酸组成相对简单,也可采用化学合成的方式直接获得目标酶解肽。
2.1鸡蛋壳膜酶解肽的制备
目前制备生物活性肽应用最为广泛的一种方法是蛋白酶水解法,该方法具有高度可控性、环保性和温和性,操作简单,安全性高,成本低,对蛋白质的营养价值破坏较小。然而,其蛋白质溶出率相对较低,且获得的蛋白种类单一。相对而言,化学试剂活力大,能有效地打开二硫键,在短时间内将大分子蛋白高效地水解为较小的生物活性肽,但水解过程难以控制。化学辅助酶解法能够显著提高鸡蛋壳膜的溶解速率和鸡蛋壳膜蛋白及多肽的丰度。因此,化学辅助酶解法处理鸡蛋壳膜制备生物活性肽正在被广泛地关注与应用。表2总结了鸡蛋壳膜酶解肽的具体制备方法及其优缺点和适用性。
2.2鸡蛋壳膜酶解肽的生物功能及其作用机制
已有的研究表明,鸡蛋壳膜酶解肽主要具有促进伤口愈合、抗炎、抗氧化、抑菌、降血糖等生物功能。从化学角度分析,酶解肽作为蛋白水解物,是小分子化合物,在体内可被完整地吸收,进入血液循环后仍能发挥作用,持续调节靶细胞的生理功能。另外,从生物学的角度分析,每个肽分子有20n个氨基酸的排列组合方式,具备信息分子的条件。因此,人们猜测,酶解后的生物活性肽可能以信号分子的形式,调控相关基因的表达。
2.2.1伤口愈合作用
Park等利用人永生化角质形成细胞HaCaT证实了鸡蛋壳膜酶解肽促进创面愈合的效果,其中>10kDa的鸡蛋壳膜酶解肽组分在细胞聚集方面表现出较高的速度,在纤维增生过程中,伤口处形成组织,进而刺激细胞增殖来加速伤口愈合。Furukawa等通过研究新生儿角质细胞与观察服用鸡蛋壳膜酶解肽的小鼠发现,鸡蛋壳膜酶解肽可能通过瞬时受体电位(TRP)通道家族的TRPV3转录引起钙信号上调,诱导角质形成细胞分化,并通过上调与皮肤纤维化相关的结缔组织生长因子的表达,促进皮肤生长。Vuong等证实鸡蛋壳膜酶解肽可以通过调节基质金属蛋白酶(MMP)活性刺激体外成纤维细胞增殖,并研究了小鼠皮肤伤口愈合过程中不同时间点的MMP活性,结果显示愈合过程中伤口边缘表皮细胞层的MMP-2和MMP-9表达增加,并且角化细胞的增殖增加。已有研究报道,成纤维细胞通常是静止的,在组织损伤后鸡蛋壳膜酶解肽能使金属蛋白酶组织抑制剂(TIMP)与MMP-2的前体物质(proMMP-2)结合聚集到成纤维细胞表面,被膜I型基质金属蛋白酶(MT1-MMP)水解以激活MMP-2,裂解细胞间的黏附因子多配体蛋白聚糖-4并使其脱落,从而激活成纤维细胞,在伤口周围基质中增殖,α5β1-整合素在成纤维细胞和纤连蛋白之间提供机械连接,使其能够从富含胶原的结缔组织迁移到伤口的纤维蛋白和纤连蛋白临时基质中,重建各种结缔组织成分。MMP还能使角质形成细胞失去细胞核,生成充满角蛋白和丝聚蛋白交联物的扁平角化细胞,促进表皮层角化细胞增殖和迁移来加速伤口再上皮化。综上所述,推测蛋壳膜酶解肽可能通过调节MMP活性或Ca2+信号通路来调控表皮层及真皮层中的细胞增殖和迁移,促进伤口处的表皮再生,但发挥具体作用的小分子活性肽序列还需进一步挖掘。
2.2.2抗炎作用
Yoo等利用LPS和干扰素-γ(IFN-γ)诱导小鼠单核巨噬细胞RAW264.7的炎症模型,验证了鸡蛋壳膜酶解肽及其超滤组分能够通过抑制NO释放,显著抑制炎症反应。史雅凝通过建立肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和LPS诱导人结直肠腺癌细胞Caco-2和人结肠癌细胞HT-29的炎症模型,证明了鸡蛋壳膜蛋白酶解肽及其超滤分离组分在炎症条件下对肠道细胞的保护作用。Wedekind等建立胶原诱导的关节炎大鼠模型,发现鸡蛋壳膜酶解肽降低了炎症细胞因子白细胞介素(IL)、TNF-α和IFN-γ的水平。有学者提出鸡蛋壳膜酶解肽可能通过介导核因子κB(NF-κB)的激活提供间接免疫调节作用。Vuong等的体外试验证实了鸡蛋壳膜水解产生的可溶性组分通过干预NF-κB信号通路,在LPS诱导的人类单核细胞和巨噬细胞中表现出抗炎和免疫调节特性。已有研究表明,NF-κB是NF-κB1(p50)和RelA(p65)的二聚体,静止状态时,NF-κB以无活性的潜在状态存在于细胞质中,它与核因子κB抑制蛋白(IκB)结合组成一个三聚体p50-p65-IκB;在IκB激酶(IKK)的催化下,IκB的两个保守的丝氨酸残基磷酸化,进而在相关酶的催化作用下被泛素化降解,使活化的NF-κB易位到核内与其相关的DNA基序结合以诱导靶基因转录。而鸡蛋壳膜酶解肽通过显著下调LPS受体Toll样受体4(TLR4)和TNF-α受体肿瘤坏死因子受体1(TNFR1)的基因表达,抑制由TLR4和TNFR1激活的NF-κB信号通路,降低NF-κB的活性,减少促炎细胞因子IL-1β、IL-6、IL-8、IL-12和TNF-α的表达,同时检测发现在细胞核中磷酸化的p50亚基能作为IL-10的转录激活因子,诱导抗炎细胞因子表达增加,减少炎症反应。综上,体内和体外炎症模型表明,鸡蛋壳膜酶解肽能通过调控NF-κB信号通路,激活巨噬细胞功能,调节炎症相关细胞因子表达,抑制NO释放,抑制机体多种炎症的发展,如结肠炎、关节炎。
2.2.3抗氧化作用
Zhu等从新鲜鸡蛋和孵化鸡蛋的蛋壳膜酶解肽中鉴定出了六种抗氧化肽,同时含有关键抗氧化氨基酸(KCAAA)残基和疏水氨基酸(HAA),因此可能具有很高的抗氧化潜力,并证实了它们在细胞水平上的抗氧化活性。结果显示,经鸡蛋壳膜抗氧化肽处理的H2O2诱导氧化应激的RAW264.7细胞中丙二醛(MDA)与活性氧(ROS)的水平均显著降低,表明鸡蛋壳膜抗氧化肽可以抑制ROS引起的脂质过氧化,对细胞内ROS具有良好的淬灭能力,能够有效保护细胞免受ROS介导的氧化损伤。进一步解析机制发现,鸡蛋壳膜抗氧化肽使RAW264.7细胞中Kelch样ECH相关蛋白1(Keap1)表达量降低、核因子-E2相关因子2(Nrf2)表达量显著增加,表明其可以调节Keap1-Nrf2通路,可能通过提高抗氧化酶活性发挥对氧化应激的细胞保护作用。Keap1-Nrf2信号通路是细胞对抗氧化应激的关键防御系统。综上,鸡蛋壳膜酶解肽可通过激活Keap1-Nrf2信号通路增强核因子Nrf2的核转位活性,进而上调γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-GCS)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、谷胱甘肽还原酶(GR)、谷胱甘肽S转移酶(GST)等抗氧化酶的活性,并促进谷胱甘肽(GSH)的合成,提高细胞内抗氧化系统的防御能力,改善细胞氧化还原状态的平衡,从而在细胞水平上发挥抗氧化应激的细胞保护作用。
2.2.4抑菌作用
Yoo等发现鸡蛋壳膜酶解肽具有高水平的广谱抗菌活性,对革兰氏阳性细菌的抑菌效果更明显。张婷婷通过对鸡蛋壳膜酶解条件的优化,证实了鸡蛋壳膜酶解肽对鸡大肠杆菌(Chicken Escherichia coli)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)、痢疾志贺氏菌(Shigella dysenteriae)、嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)、产肠毒大肠杆菌(Enterotoxigenic Escherichia coli)和禽多杀性巴氏杆菌(Pasteurella multocida)均有抑菌效果,且对S.typhimurium的抑菌效果最好。鸡蛋壳膜酶解肽的抑菌机制首先与其固有的抗菌生物学活性有关,带正电荷的蛋壳膜酶解肽最初可能被靶细胞外包膜上带负电荷的磷壁酸上的磷酸基所吸引,通过形成离子通道和跨膜孔与靶细胞膜相互作用,多肽表面暴露的亲水残基与疏水残基协同作用,插入靶细胞膜的磷脂双分子层,引起广泛的膜破裂,最终导致微生物细胞的裂解。其次,越来越多的人猜测鸡蛋壳膜酶解肽发挥抑菌机制还可以通过其他细胞内靶点,因为已知一些抗菌肽可以直接穿透细菌膜或通过跨膜孔进入细菌内部干扰基本的生命活动,从而导致细胞内物质失衡,失衡的物质再与特定的细胞内靶标结合,如核酸靶向、蛋白质靶向、蛋白酶靶向,而使DNA序列复制、转录、翻译和蛋白质合成过程失控。综上,与已被证实的抗菌肽的抗菌机制一致,鸡蛋壳膜酶解肽发挥抑菌机制主要通过细胞膜靶向机制以及细胞内靶向机制、双重或多重机制。但目前研究中鸡蛋壳膜酶解肽主要通过破坏细胞膜发挥抗菌作用,而对于其进入细胞内部如何影响DNA序列复制、转录、翻译和蛋白质合成过程鲜有报道。
2.2.5降血糖作用
近期,Zhu等最新研究发现鸡蛋壳膜酶解肽具有作为二肽基肽酶IV(DPP-IV)抑制剂的巨大潜力,通过抑制DPP-IV的活性来增加胰岛素的产生,缓解血糖升高引起的Ⅱ型糖尿病。据报道,DPP-IV的活性位点包括一个疏水S1活性口袋(Tyr631、Val656、Trp659、Tyr662、Tyr666和Val711),一个带电荷的S2活性口袋(Arg125、Glu205、Glu206、Ser209、Phe357和Arg358)和一个催化三元组(Ser630-Asp708/Asn710-His740)。Zhu等通过计算机和体外联合研究表明,鸡蛋壳膜衍生的DPP-IV抑制肽:HDGADVS、YPEPPPQ和VTDGQPH主要通过氢键和疏水相互作用与活性口袋S1、S2和催化三元组的关键氨基酸残基相互作用,占据DPP-IV的活性位点,从而具有潜在的DPP-IV抑制活性。三种新肽均能自发地与DPP-IV结合,且结合亲和力强,形成的复合物状态稳定。分子对接显示YPEPPPQ与DPP-IV残基(Arg125、Glu205和Lys554)形成3个氢键,涉及S2口袋中的两个初级残基。除氢键外,还与DPP-IV的活性口袋S1、S2和催化三元组残基建立了13个疏水相互作用,还与S2口袋的Arg125形成盐桥。与YPEPPPQ相似,HDGADVS、VTDGQPH都可以通过氢键和疏水相互作用与DPP-IV三个活性位点的关键氨基酸Tyr666(S1口袋)、Glu206(S2口袋)和Ser630(催化三元组)相互作用。综上表明,三种新肽与DPP-IV蛋白结合模式具有相似性且结合稳定,包括氢键、盐桥、疏水相互作用等,为鸡蛋壳膜酶解肽的抗糖尿病作用提供了科学依据,计算机联合体外方法为开发新活性肽提供了新的思路。
2.3鸡蛋壳膜酶解肽的应用
2.3.1食品领域
白鑫华等探究了食品添加剂对鸡蛋壳膜抗氧化肽的活性影响,发现酸味剂、增稠剂对抗氧化活性有增效作用,甜味剂无显著影响,而防腐剂会不同程度地降低抗氧化活性,为以鸡蛋壳膜为原料的功能食品配方开发提供了参考。汪宝欢等通过酶解得到的鸡蛋壳膜酶解肽中不仅低聚肽含量高,而且必需氨基酸、鲜味氨基酸和药效氨基酸含量也高,将鸡蛋壳膜酶解肽与橙汁复合,添加柠檬酸、羧甲基纤维素钠、蔗糖等添加剂制成的功能性饮料,营养保健价值较高且易于人体吸收。由于鸡蛋壳膜水溶性物质中呈鲜味的氨基酸含量较高,可将其应用于调味品的研发生产,如蛋酱、酱油。Kalman等的临床试验报告了口服水溶性鸡蛋壳膜酶解肽对健康中年成人皮肤皱纹的减少具有显著的生理学和统计学效果,证实了鸡蛋壳膜酶解肽应用到抗衰老功能食品的巨大潜力。综上所述,鸡蛋壳膜酶解肽因其潜在的健康益处而常用于营养补充剂和功能食品添加剂。
2.3.2医药领域
Ruff等评估了口服鸡蛋壳膜酶解肽对LPS诱导的炎症大鼠促炎和抗炎细胞因子的影响,证实了其可作为膳食补充剂用于慢性炎症性疾病,如结肠炎、关节炎。Jia等证实了鸡蛋壳膜酶解肽可以通过促进肠上皮细胞的生长和恢复、减轻微生物菌群失调,从而改善DSS诱导结肠炎小鼠的肠道损伤。Wedekind等利用胶原诱导的关节炎大鼠模型,证明鸡蛋壳膜酶解肽可显著改善炎症性关节炎的炎症、血管翳、软骨损伤、骨吸收和骨膜骨形成等多个方面问题。Hewlings等的临床试验表明水溶性鸡蛋壳膜酶解肽可以缓解膝骨关节炎患者的膝关节疼痛感和僵硬度,对行走和运动能力的改善也有积极的影响。Vuong等利用小鼠皮肤伤口愈合模型,表明鸡蛋壳膜酶解肽能加速伤口愈合过程中成纤维细胞和角化细胞迁移到伤口部位并开始增殖,促进表皮重新形成并重建各种结缔组织成分。综上所述,可将鸡蛋壳膜酶解肽作为功能性配方开发为用于治疗结肠炎、关节炎、皮肤损伤等疾病的内服或外用的药物,可以潜在地避免目前可用的药物治疗的副作用。
2.3.3化妆品领域
鸡蛋壳膜已经被用于保湿剂、皮肤生长剂和抗皱剂的配方中。Park等发现鸡蛋壳膜酶解肽可以通过抑制黑色素瘤细胞中的酪氨酸酶活性以及抑制左旋多巴(L-DOPA)的氧化来阻断黑色素生成,从而对皮肤美白具有一定的积极作用。预计进一步研究蛋壳膜酶解肽与黑色素生成的反应,将使其在美白化妆品中的实际应用成为可能。Yoo等研究发现鸡蛋壳膜酶解肽不仅能显著抑制弹性蛋白酶活性和胶原蛋白酶活性,还评估了受试志愿者的经皮失水(TEWL)、皮肤弹性和皮肤形成等指标,弹性蛋白酶和胶原蛋白酶会导致皮肤失去水合作用和弹性,从而导致皱纹的形成,表明其在抗皱、保湿化妆品中具有实际应用的潜力。Ohto-Fujita等证实了由可溶性鸡蛋壳膜酶解肽成分制成的保湿乳液和保湿霜能促进无毛小鼠体内产生Ⅲ型胶原蛋白,且可以通过调节乳突状真皮层的细胞外基质环境,改善真皮和表皮细胞的功能,明显改善受试志愿者皮肤弹性,减少皱纹产生。综上所述,可溶性鸡蛋壳膜酶解肽是美白、抗衰老化妆品天然成分的优质来源。
结论
本文综述了鸡蛋壳膜中天然蛋白、多肽及酶解肽功能及应用研究的最新进展,着重介绍了酶解肽的制备、生物功能及应用,为后续鸡蛋壳膜功能活性蛋白和活性肽的开发提供参考。鸡蛋壳膜在我国已有上千年的食用和药用历史,随着现代生物学技术的发展,更多具备独特功能的鸡蛋壳膜小分子酶解肽被鉴定出来,比如抗氧化肽、DPP-Ⅳ抑制肽等,这使得鸡蛋壳膜成为备受关注的功能食品原料。
然而,鸡蛋壳膜的开发利用仍面临诸多挑战,天然鸡蛋壳膜不溶不熔,直接食用的生物利用率极低,不易被人体吸收。目前,行业普遍采用化学法辅助酶解法来解决上述难题,化学法通过改变溶液体系的极性增加可溶性蛋白和多肽溶解比率;酶解法将蛋白酶解为短链的小分子肽,不仅增加溶解性,也赋予酶解肽更多的生物活性,是目前提高鸡蛋壳膜生物利用率最有效的技术手段,为鸡蛋壳膜的开发利用提供了更广阔的空间。未来的研究应更关注以下几个方面:首先,为实现鸡蛋壳膜工业化应用,应研发鸡蛋壳与壳膜分离的智能设备,研究分离过程中对不同蛋壳碎片的识别和整体剥离技术,提高处理效率和处理能力;其次,继续探索优化鸡蛋壳膜的酶解技术,研究专用水解酶和酶解体系,筛选和挖掘更具应用价值的活性蛋白肽,研究二氧化碳超临界萃取技术、亚临界水萃取、膜过滤技术、脉冲电场技术等复合绿色提取技术的应用,实现功能蛋白和功能肽的级联梯度提取,为鸡蛋壳膜规模化生产提供核心技术;再次,结合生物信息学技术,建立鸡蛋壳膜功能蛋白及功能肽数据库,通过计算机虚拟酶解和活性预测,靶向设计和筛选结构明确的功能肽,利用人工合成肽技术,探讨其生物功能和作用机制;最后,通过化学分析、毒理学评价和临床试验,完善功能蛋白和功能肽的安全性评价体系,评估潜在的健康风险,为鸡蛋壳膜的深度开发利用提供科学数据。