水解动物蛋白在宠物粮食中的应用研究进展

Research Progress on Application of Hydrolyzed Protein from Animals in Pet Food

摘要: 动物副产品是宠物粮食中水解蛋白的主要来源。近年来，宠物粮食生产行业已经开始合理利用酶水解后的动物蛋白产物，主要包括生物活性肽等低过敏性成分。除了具有较高的氨基酸生物利用率之外，蛋白质水解物释放的生物活性肽等物质还具有抗氧化、抗菌、免疫调节、组织修复、抗高血压和血糖控制作用，其中许多功能特性已在伴侣动物上进行了研究。本文重点综述了以生物活性肽为代表的动物蛋白水解物的生产、来源和应用，以及在对宠物健康影响上的研究进展，以期为宠物粮食中合理使用生物活性肽等动物蛋白水解物提供参考。

Abstract: Animal by-products are the main source of formulated proteins in pet food. In recent years, the pet food production industry has begun to effectively utilize enzymatically processed animal protein products, mainly including hypoallergenic ingredients such as bioactive peptides. In addition to having the same irritation and bioavailability, protein hydrolysates release bioactive peptides with antioxidant, antibacterial, immunomodulatory, tissue repair, antihypertensive and hypertension control effects, many of which have been studied in partner animals. The production, source and application of bioactive peptides, as well as the research progress on their impact on pet health, are discussed in order to provide a reference for the rational use of bioactive peptides in pet food.

1. 引言

全球每年生产3.5亿吨肉类，其中35%为鸡肉，30%为猪肉，20%为牛肉，15%为其他肉类，然而动物产品生产过程中有相当一部分副产物不能完全供人类食用，例如皮、血及其成分、角、蹄、内脏、骨头、毛发和羽毛等，约占动物活体重的40%。因此，这些副产品大部分通过炼制后生产动物副产品粉用于饲喂牲畜和宠物(例如肉骨粉、家禽副产品粉、血粉、动物血浆和羽毛粉)，其中每年约有900万吨动物副产品粉被用于猫粮和狗粮的生产[1]。在炼制过程中产生的动物副产品粉成分质量参差不齐，但有些部分通常较高水平的必需氨基酸和可能对动物健康有益生的肽。近年来，宠物粮食生产行业已经开始合理利用这些水解蛋白的成分，重点关注它们对狗和猫的营养和功能特性。除了氨基酸的生物利用度更高之外，蛋白质水解物还通过释放具有抗氧化、抗菌、免疫调节、组织修复、抗高血压和血糖控制作用的生物活性肽[2]。其中许多功能特性已在伴侣动物身上进行研究。本文重点综述了生物活性肽和功能性蛋白质的生产、应用以及对狗和猫健康影响的研究进展。

2. 水解动物蛋白

蛋白质水解是氨基酸与蛋白质之间肽键断裂的过程。蛋白质水解物根据水解程度可分为游离氨基酸、小肽和大肽，各类水解产物的比例取决于蛋白质来源、水质、蛋白酶类型和微生物种类。蛋白质和肽的分子量不同，一般将分子量 > 8000道尔顿(≥72个氨基酸残基)的多肽称为蛋白质，分子量 < 8000道尔顿的多肽为肽。在动物生产中，优质蛋白质不会被水解，只有动物副产品如啤酒副产品、含有抗营养因子的植物原料和难消化蛋白质才会被水解，释放出可用于动物饲喂的肽[3]。鱼、鸡和牛肉副产品是水解蛋白生产中最常见的动物材料。水解可以通过三种不同的方式改变蛋白质的性质：降低分子量、增加可电离分子的数量或暴露疏水基团。这些特性在食品配方中被考虑，因为它们直接决定了它们在食品加工中的功能及其成分的生物利用度[4]。化学、酶和微生物方法可以生产动物蛋白的水解肽。选择蛋白质水解技术取决于原材料，并且可以实施多种方法的组合。例如，羽毛、鬃毛、角、喙或羊毛蛋白含有角蛋白，大多通过与微生物角蛋白水解酶相关的酸或碱处理进行水解。其他动物(酪蛋白、乳清、肠和肉)原料通常进行酶水解或微生物发酵。水解可持续4至48小时，具体取决于材料的抵抗力和方法。

蛋白质水解的化学方法包括酸水解和碱水解处理。在酸水解中，原料通常用浓盐酸处理，但也可以使用硫酸。影响酸水解的最重要因素是酸的浓度和类型(盐酸或硫酸)、温度(121℃至138℃)、压力(32 psi至45 psi)、水解时间(2至8小时)、原料成分的蛋白质浓度和阻力。这些因素单独或组合都会影响产品的质量。在宠物粮食生产行业，大多数酸水解蛋白质用作增味剂。尽管成本低廉，但酸水解可能会破坏一些必需氨基酸，如色氨酸、蛋氨酸、胱氨酸和半胱氨酸。此外，谷氨酰胺和天冬酰胺分别转化为谷氨酸和天冬氨酸[5]。蛋白质碱性水解需要将钙、钠或氢氧化钾等试剂置于高温下(>100℃；Dai等，2014)。然而，食品工业中通常需要较低的温度(27℃至55℃)和较短的加工时间(4至8小时)来获取肽[5]。碱性水解后，产品会脱水、巴氏灭菌或喷雾干燥。碱性水解是处理难消化蛋白质的常用方法，例如用于生产羽毛粉的羽毛和某些角蛋白材料。碱性水解可提高消化率和成分中游离氨基酸的含量；但是，它也有一些缺点。已经观察到一些氨基酸如丝氨酸、苏氨酸[3] [5]、胱氨酸、蛋氨酸和赖氨酸的降解[6] [7]。

在酶水解中会使用不同的蛋白水解酶，最常见的是木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、蛋白酶复合物、胰酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、碱性酶、嗜热菌蛋白酶和许多其他细菌和真菌酶[8]。根据水解的目的，可以单独或组合使用酶(木瓜蛋白酶和胃蛋白酶、木瓜蛋白酶和肌动蛋白酶E或单独使用胰蛋白酶)。选择酶取决于蛋白质来源、水解程度和最终产品所需的其他特性，例如生物活性特性。另一种水解是微生物水解，这是一种在发酵过程中发生的酶水解。在存在底物的情况下，微生物会释放蛋白酶来分解培养基中的复杂营养物质并在代谢中利用它们[9]。发酵过程还可以从微生物代谢中产生新的蛋白质、肽和游离氨基酸，从而改善这些成分的适口性、消化率和功能性[10] [11]。

3. 水解动物蛋白的来源

由于水解可提高营养物质的生物利用度和感官属性并释放生物活性肽，因此，从饲料工业副产品中生产蛋白质水解物是有利的，出于这个原因，人们广泛研究了从动物蛋白中生产水解物，包括反刍动物和猪皮、鸡爪、皮肤和肠、肝脏、气管、骨头、血液和不同动物的血浆等副产品，以提高肉类生产中产生的副产品的利用价值，包括作为抗氧化剂、抗高血压药、抗高血糖药和抗炎药等的研发。

4. 动物蛋白水解物的生物活性特性

肉类生产副产物来源的蛋白质在猫粮和狗粮配方中占总蛋白质来源的比例已达到32% [1]。这些成分富含必需氨基酸和非必需氨基酸，然而，大多数蛋白质在加工过程中都会受到高温的影响，其消化率和氨基酸的生物利用率受到不同程度的破坏，而水解蛋白粉在动物蛋白粉生产过程中的比例在不断增加，前者能够有效保护产品中有效成分的同时，还能产生具有生物活性肽。

4.1. 生物活性肽的组成和定义

生物活性肽分子量较小(0.5 kDa至5 kDa)，由3至50个氨基酸残基组成，以不同的组合和排列方式连接在一起(如三肽和寡肽)，具有各种生物学作用[3]。内源性肽由体内不同的腺体和细胞产生，外源性肽可以通过食物、食品添加剂和药物提供[12]，而内源性消化酶有助于生物活性肽的消化过程。

4.2. 生物活性肽的代谢及其健康益处

食物摄入后，蛋白质首先在胃的酸性环境(pH为1.5至3)中被胃蛋白酶水解。胃蛋白酶是一种内切肽酶，不会将蛋白质分解成游离氨基酸，其反应的产物是部分水解的蛋白质和大分子肽，它们在肠道中进一步被肠酶(如肠激酶)和胰腺内切酶(如胰蛋白酶、糜蛋白酶)和外切肽酶(如羧肽酶)进一步水解。在此步骤之后，游离氨基酸、小分子肽(二肽和三肽)、大分子肽(寡肽)以及最终未被胃蛋白酶和胰酶显著水解的蛋白质(如毛发、羽毛和其他对内源性酶消化有抵抗力的物质)通过肠道。在通过小肠时，它们接触刷状缘，膜消化阶段开始。刷状缘中的肽酶将各种肽水解为游离氨基酸、二肽和三肽或寡肽。然后这些分子可以被肠道吸收，在肠细胞内水解(细胞内消化)，或进入血液，以肽或游离氨基酸的形式到达目标器官，发挥各种作用，如干扰炎症反应、血压、体重控制和血糖反应。生物活性肽的活性取决于静电荷、链大小、肽链中的氨基酸序列和分子表面疏水性，其吸收途径有四种：旁细胞扩散、跨细胞被动扩散、胞吞转运和载体介导的运输，这取决于化学和物理特性[13]。

许多生物活性肽(如从猪副产品生产中提取的抗高血压肽)可以抵抗肠膜蛋白酶作用并完好无损地到达目标[14]，但尚未有研究表明多少生物活性肽能够避免胃肠道和肠细胞的水解。由于小肠中肽载体(PEPT1)的大量表达和高容量，肽的腔内吸收率高于游离氨基酸[15]。然而，PEPT1不运输大肽，无论氨基酸序列如何，其作用仅限于二肽和三肽。生物活性肽在被运输到血液之前会影响肠道健康。例如，LKPT肽通过肠内分泌细胞刺激回肠中的GLP-1分泌[16]。由于GLP-1影响中枢神经系统以降低结肠的通透性[17]，因此生物活性肽的摄入有利于患有慢性肠病的动物的肠道健康[18]。除某些动物生物活性肽在消化过程中对肠道健康产生的影响外，还有研究表明生物活性肽能够作为抗高血压[2]、抗氧化[3]、抗菌[19]、抗炎和抗焦虑等药物发挥有益作用。

4.3. 免疫活性

根据物理化学特性的不同，生物活性肽可能具有免疫刺激和免疫抑制活性。鸡蛋衍生的肽对化疗患者表现出免疫刺激作用[20]。此外，从牛肌浆蛋白水解的肽对乳腺癌细胞表现出细胞毒性作用并抑制胃细胞增殖[21]。尽管它们具有相关性，但这些影响尚未在狗和猫上面被研究报道。然而，水解蛋白已广泛用于狗和猫的低过敏性粮食，因为它们由于分子量低而不会刺激免疫反应，从而减轻过敏症状[22]。骨关节炎是一种退行性关节疾病，会影响人类和狗。狗主要受到关节功能障碍的影响，水解胶原蛋白肽已广泛用于开发有益于关节的宠物食品产品，然而这些效果仍有待证实。Schunck等观察到使用水解胶原蛋白可以改善狗的软骨细胞功能。在这项研究中，作者观察到与对照组相比，II型胶原蛋白和弹性蛋白的生物合成有所改善[23]。在另一项研究中，蛋壳和膜的水解产物改善了患有关节炎的狗的活动能力[24]。另外，研究表明鸡肝水解物不会改变健康狗的任何免疫参数，尤其是与更强烈和过敏性炎症反应相关的参数[25]。

4.4. 抗氧化活性

生物活性肽的抗氧化活性还取决于肽链、氨基酸组成和疏水性。大多数抗氧化肽的氨基酸残基范围为4至16个，分子量范围为0.4 kDa至2 kDa [26]。酶在水解过程中会改变生物活性肽的抗氧化作用。Saiga等研究发现，在猪肌原纤维蛋白水解中，使用肌动蛋白酶E获得的肽比使用木瓜蛋白酶获得的肽具有更高的抗氧化活性[27]；在另一项研究中，使用三种不同的酶水解猪皮中的胶原蛋白以获得抗氧化肽[28]。然而，这些肽表现出体外抗氧化活性，这可能与预期的体内反应不符。生物活性肽必须抵抗宠物食品的热加工和消化才能被吸收并到达靶细胞，因此，体内研究很重要。在一项针对成年犬的研究中，未观察到生物活性肽的抗氧化作用，这些犬喂食以水解鸡肝为主要蛋白质来源(24%、32%和40%粗蛋白)配制的粮食，与其他抗氧化剂化合物一样，生物活性肽可以淬灭或消除自由基，并与其他抗氧化剂化合物产生协同作用，优点是它们也是营养素并充当抗氧化添加剂[29]。最近，Hu等评估了两种植物水解物(使用中性酶或碱性酶水解玉米蛋白粉和可溶物水解干酒糟)对玉米和鱼油氧化的影响，并报告了与合成抗氧化剂丁羟甲苯类似的效果[30]，这一结果为使用水解物作为抗氧化剂带来了新的视角。

4.5. 抗菌活性

抗菌生物活性肽(AMBP)根据其作用机制分为短AMBP (20至46个氨基酸残基)、碱性AMBP (富含赖氨酸或精氨酸)和两亲性AMBP，后者通常富含疏水残基(亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸[31])。AMBP的作用机制与传统抗生素不同。与其他生物活性肽一样，AMBP依赖于结构、组成和氨基酸序列来对其靶标有效，这些靶标可以是革兰氏阳性或革兰氏阴性细菌、真菌或病毒[32]。然而，AMBP的杀菌作用高于抑菌作用，并发挥强大的免疫调节作用[33]。抗生素耐药性是人类和动物健康问题，因此，AMBP可能是一种可行的替代方案。与传统抗生素不同，AMBP通过静电相互作用与微生物膜结合，直到达到阈值水平才会杀死它们，从而阻碍和减少耐药性的产生[34]。此外，水解动物蛋白可以改善宠物的肠道健康。含有水解肉蛋白的饮食对长期治疗狗的慢性肠病有效，并有助于调节肠道菌群。

4.6. 抗高血压活性

从水解蛋白(尤其是动物蛋白质)中获得的抗高血压肽具有很大的研究价值。血管紧张素转换酶(ACE)抑制剂是人类和动物中研究最多的一种降压肽。高血压影响着全球三分之一的成年人，超过13亿人服用药物，而五分之四的人没有接受治疗。然而，在动物中，尤其是狗和猫等宠物中，高血压病例很少被诊断出来，ACE抑制剂用于其他目的，主要用于治疗慢性肾脏和心脏疾病。ACE加速血管紧张素I转化为血管紧张素II，从而促进血管收缩并升高血压。疏水性在食品衍生肽的许多功能和生物活性特性中起着重要作用。C端芳香残基和N端疏水残基为抗高血压BP提供了高活性，可阻断ACE功能[35]。卡托普利、福辛普利和雷米普利等抗高血压药物(ACE抑制剂)有多种副作用。因此市面上有替代品，例如用于治疗血压的食品衍生生物活性肽ACE抑制剂[36]。在人类中研究最多的是水解牛奶蛋白、肉类、鱼类和鸡蛋以产生抗高血压生物活性肽。对于伴侣动物，建议患有晚期心脏病和慢性肾衰竭的患者使用蛋白质水解物来抑制ACE。Zóia Miltenburg等比较了给猫喂食两种含有25%常规或酶水解家禽副产品粉的粮食的效果，并观察到水解粉使血清ACE活性降低了11.2%，另外还评估了体外对ACE活性的抑制作用，并观察到水解粉和常规粉的ACE抑制率分别为90%和52%，水解和肽纯化的变化以及肽生物利用度的提高可以提高动物的有效性[2]。

5. 小结

宠物食品行业增加了酶水解成分的生产，旨在提高消化率和适口性，以及改善生态环境。目前对水解成分的研究仍侧重于评估其功能，尤其是免疫、抗氧化、血压控制和益生元作用，但关于生物活性肽对这些功能的有益作用在宠物上的研究仍然有限。近年来随着研究的不断增加，将有助于功能的证实和新产品的开发，以期推动狗和猫等宠物粮食质量的全面发展。