Progress of the Source and Biological Activities of Plant-derived Selenium-containing Peptides
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摘要: 硒(Se)是人体必需的微量营养素,在生命活动中发挥着重要的生理功能。与无机硒相比,有机硒生物利用度高且毒性低,是补充硒的优质来源。生物活性硒肽是有机硒的重要形式,主要来源于富硒植物提取和人工合成途径,由于具有多种有益健康的生物活性,生物活性硒肽已经成为近年来备受关注的研究热点。本文综合了国内外近几年的相关研究,概述了植物源生物活性硒肽的分离提取和人工螯合制备、常见的植物源生物活性硒肽及其在机体中的抗氧化、肝脏保护、免疫调节、抗癌、降血压等多种生物活性,以期为植物源生物活性硒肽在功能性食品和医药方面的开发利用提供理论参考。Abstract: Selenium (Se) is an essential micronutrient for human body that plays an important physiological function in life. Compared with inorganic selenium, organic selenium has high bioavailability and low toxicity, making it a superior source of selenium supplementation. Bioactive selenium-containing peptides are important forms of organic selenium, mainly be isolated from selenium-enriched plants and obtained from synthetic pathway, which have become a research hotspot in recent years due to their multiple healthful biological activities. In this review, the isolation and artificial chelating preparation, and the common sources of plant-derived bioactive selenium-containing peptides, as well as their various bioactivities such as antioxidant, hepatoprotective, immunomodulatory, anticancer, hypotensive are summarized. This review would provide a theoretical reference for the development and utilization of plant-derived bioactive selenium-containing peptides in functional foods and medicines.
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Keywords:
- selenium /
- selenium-containing peptides /
- plant-derived /
- biological activity
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硒是人体必需的微量元素之一,因其具有抗氧化[1]、抗癌[2]、调节免疫系统[3]等功能而备受关注。硒的缺乏会引发多种疾病和机体功能障碍,如大骨节病、克山病、心血管疾病等[4]。据估计,目前全球大约有15%的人口遭受着缺硒带来的“隐性饥饿”[5],补硒是改善缺硒人群负硒状态的有效措施。但硒摄入过量也会引起中毒和生理功能异常等健康危害,已有研究证明,硒浓度高于其营养范围会造成神经功能紊乱,增加Ⅱ型糖尿病患病风险[6]。因此,合理补硒,维持机体正常的硒水平对健康至关重要。
硒补充的有效性与补充的硒源中硒存在的形式密切相关。自然界中,硒主要是有机硒和无机硒两种形式。无机硒主要以亚硒酸盐和硒酸盐的形式存在,据报道无机硒在肠道中与有机配体结合后才能被人体细胞吸收,而有机硒主要以硒蛋白和硒代氨基酸的形式存在,相对而言毒性较低、利用率高且具有更好的抗氧化性等优势[7−8],因此是更优质的硒补充剂。环境中的无机硒主要通过植物生物转化变成有机硒进入食物链,富硒食品已经成为备受推崇的硒补充途径。
活性硒肽是硒与肽的有机结合体,相比硒蛋白而言,硒肽具有更高的消化率和吸收率,且具备生物活性肽的多种生物学功能,成为硒营养学领域关注的热点。目前,生物活性硒肽主要还是从富硒植物中提取,但周期长、效率低;利用多肽和无机硒进行人工合成制备的方法逐渐兴起并在研究中应用。与动物和微生物相比,生物活性硒肽更容易从植物中提取获得,加上植物多肽来源广泛、获取成本低、营养价值高且具有多种生物活性,植物源富硒肽已然成为硒营养学领域的研究热点。因此探究植物源富硒肽的提取和制备、分离和鉴定、生物活性、生物利用度等具有重要学术意义和应用价值。本文对植物源生物活性硒肽的来源途径、常见的植物源生物活性硒肽及其在抗氧化、肝脏保护、免疫调节、抗癌、降血压等多种生物活性进行总结,以期为植物源生物活性硒肽在功能性食品和医药方面的开发利用提供理论参考。
1. 硒肽的制备方法
富硒肽根据获取途径可分为天然富硒肽和人工合成硒肽两种,即从富硒植物中分离纯化得到,或通过人工将多肽与无机硒螯合得到。目前,传统天然提取的植物源富硒肽依旧占主导地位,人工合成的植物源富硒肽逐渐兴起且具有较大的发展潜力。
1.1 天然提取富硒肽
酶促水解是从蛋白质中获取肽最为常见的一种方法,天然富硒肽也多通过酶促水解从蛋白质中获得。制备天然富硒肽一般先从富硒植物原料中提取含硒蛋白质,然后利用合适方法分离富硒蛋白,如常见的等电点沉淀法(碱溶酸沉法),再选择合适的蛋白酶进行水解(如碱性蛋白酶、风味蛋白酶等),为了使蛋白水解更彻底,通常会将两种或两种以上蛋白酶结合使用以生产所需的富硒肽。以水解度、硒含量等指标优化含硒蛋白水解工艺,再利用分离技术从蛋白水解物中分离得到富硒肽。如林春蕊[9]使用碱溶酸沉法提取了富硒大豆蛋白,然后用两种蛋白酶对蛋白质进行水解,制备了一种天然富硒大豆多肽。秦芸[10]以DPPH自由基(DPPH·)清除率和水解度作为衡量指标,测定四种酶(碱性蛋白酶、中性蛋白酶、胰蛋白酶和复合蛋白酶)对富硒大米蛋白的酶解效果,结果表明,复合蛋白酶水解得到富硒大米多肽具有较高的水解度且抗氧化活性最好。
一般为了获得纯度更高、活性更好的肽段,需要对多肽组分进行分离纯化。目前分离纯化常用到的方法有超滤、大孔树脂吸附层析、反相高效液相色谱法及凝胶过滤色谱法等[11]。这些方法单独使用很难达到理想的分离纯化效果,因此许多研究都是将这些方法联合使用,通过多步纯化来提高多肽的获取率与纯度。研究证明通过分离纯化后得到的低分子量的肽组分不仅具有较高的硒含量和生物活性,而且更利于机体吸收利用。如Liu等[12]先通过葡聚糖凝胶SephadexG-25柱分离富硒糙米的水解物,然后使用DEAE-Sepharose-FF离子交换层析法进一步纯化硒含量较高的组分,结果表明,随着分子量的降低,硒肽组分对DPPH·清除活性增强。通过超滤离心将富硒大米多肽分离成三个不同组分,结果表明,硒含量随水解物组分分子量的增加而降低,分子量<1 kDa的组分硒含量显著高于分子量>10 kDa和1~10 kDa之间的多肽组分[13]。酶促水解提取富硒肽虽然操作简单而且能控制酶促程度,但是最优条件需要反复摸索,而且产物繁多,给实际生产的品质均一化和标准化带来一定困难。
1.2 人工合成富硒肽
人工合成的硒肽螯合物是指在一定条件下将无机硒与多肽通过螯合反应制备得到的产物,该反应复杂,受多种因素的影响(pH、温度、时间和硒肽的比值等)。如温度是影响螯合反应至关重要的因素,螯合反应是一个自发吸热的过程[14],温度过低不利于螯合反应的进行;温度过高,会促进螯合物分解从而导致硒的螯合率降低。同样硒肽的比值是影响螯合反应的重要条件,当比值过小,配体不足,部分硒源未参与反应;当比值过大,配体过剩,产物中硒的质量分数低,并造成原料浪费不利于经济效益等,因此合适的螯合工艺条件是提高硒利用率的关键。通过人为手段将多肽与硒结合制备硒肽螯合物可将无机硒转化为有机硒,从而提高了硒的生物效价,陈濠[15]将灵芝蛋白肽溶液与亚硒酸钠(体积比2:1)在pH 9,75 ℃条件下、反应60 min成功制备灵芝肽硒螯合物,其硒含量达到2985.89±10.59 μg/g。包怡红等[16]利用碱性蛋白酶对大豆蛋白进行酶解得到大豆多肽,然后以亚硒酸钠为硒源,与大豆多肽反应制备多肽硒螯合物,不仅提高了硒元素利用率还提高了其安全性。
研究表明硒肽螯合过程中硒与多肽的酸性氨基酸(Glu、Asp)、碱性氨基酸(Lys、His、Arg)的侧链基团通过静电相互作用、配位作用发生配位结合[17],其中氨基和羧基在多肽硒的螯合过程中起着至关重要的作用。Ye等[14]通过傅里叶红外光谱法证实了大豆多肽硒螯合物的–NH基团的伸缩振动受到硒结合的影响,这表明–NH2和–NH基团是硒螯合的反应位点,而大豆多肽在酰胺Ι带处由–C=O伸缩振动产生的强峰在与硒螯合后转变为两个较弱的峰,这说明了羧基参与了螯合反应的配位结合。同样地,Qin等[18]利用豌豆寡肽与亚硒酸钠螯合成豌豆寡肽硒螯合物并通过红外光谱证实了在螯合物的酰胺结构上存在硒螯合肽单取代配位点,肽与硒的螯合机制可能是Se4+与–NH2形成配位,–COOH也与Se4+以共价键配位。由此可知在硒肽螯合过程中氨基和羧基参与了硒离子的配位,构成了螯合的主要位点。
从配位键形成的分子机制而言,硒肽螯合是一个离子键的拆分、重组形成配位键的过程。分子轨道理论提出,O和N形成配位的机制是产生了孤对电子从而形成配位键[19],在硒肽螯合作用下,Se4+可以提供4d空轨道,N和O可以提供孤对电子来占据空轨道,从而形成配位键[18−19]。基于以上结果,推测多肽与硒结合位点包括羧基、羟基的O以及氨基的N[20−21]。多肽与亚硒酸钠之间的结合力是一种典型的疏水作用力,通过测定热力学参数(结合常数(Ka)、结合位点(N)、吉布斯自由能(ΔG)的变化可证明硒与多肽之间具有较强的亲和力,而这种亲和力的大小主要取决于硒肽螯合分子间的氢键和范德华力及静电相互作用力[20]。另外植物源多肽与矿质元素硒的螯合反应是一个自发的过程,由焓变(ΔH)和熵变(ΔS)驱动,并结合蛋白质的二级和三级疏水结构等构象变化形成配位键和疏水作用[22]。
一般来说,所有的天然肽都可以与无机硒螯合反应制备硒肽螯合物,且人工合成的硒肽来源广泛、制备速度快、周期短、效率高,因而具有巨大优势;但由于其合成技术不成熟、生产成本高、缺少系统性的安全评估以及临床应用不足等缺陷,目前富硒肽仍然是以富硒植物中提取为主,且对天然富硒肽的结构解析、构效关系研究等能够为人工精准制备高效富硒肽奠定基础。
2. 富硒肽的各种植物来源
2.1 大豆来源的富硒肽
目前已从各种植物中成功鉴定出富硒肽(图1),各类植物中富硒肽的来源、分离鉴定、序列及生物活性如表1所示。一般来说富含蛋白质的食物往往更易富含硒,大豆作为一种经济优质蛋白质的来源,其蛋白质含量约占大豆干重40%[23],因此在硒的生物强化方面,大豆比其他植物原料的硒结合能力相对更强。根据沉降系数可将大豆蛋白分为2S、7S、11S和15S四种球蛋白,其含量分别为15%、34%、41.9%和9.1%[24]。有报道称7S硒含量(202.61±6.50 μg/kg)高于2S(195.58±5.68 μg/kg)和11S(196.02±1.83 μg/kg),对硒的吸收能力最强[25];但Deng等[26]却发现11S对硒的富集能力高于7S;同时Wang等[28]研究四个不同地区天然富硒大豆发现,11S球蛋白的硒浓度(443±24 μg/kg)明显高于7S(325±13 μg/kg),并且11S对硒的亲和力明显高于7S。富硒大豆蛋白中的硒主要存在形式是硒代蛋氨酸(SeMet)和甲基硒代半胱氨酸(MeSeCys)[27],无机硒含量很低,SeMet的含量大于80%[26]。据报道Se进入大豆蛋白可能通过取代S实现的;通过比较富硒大豆蛋白和普通大豆蛋白发现,硒与大豆蛋白结合后,半胱氨酸的含量会减少,可能是因为Se与S具有相同的代谢途径,硒会以SeMet和SeCys的形式取代蛋氨酸、半胱氨酸等残基中的S,因此导致蛋白质中的半胱氨酸含量下降。大豆种子蛋白中的7S含量低于11S,7S是一种含S氨基酸较低的球蛋白,与11S相比,其蛋氨酸和半胱氨酸含量低于11S[28];且大豆蛋白在提取过程中先提取11S球蛋白后再通过降低pH提取7S球蛋白。因此根据理论而言11S蛋白对硒的亲和力应该大于7S蛋白,但是前面几种研究却结果不尽相同,推测原因可能是由于样品的来源,分离方法和回收率及分析方法不同。硒取代虽然会造成蛋白质中半胱氨酸含量下降,但却能够促进蛋白质合成提高了蛋白中总氨基酸和必需氨基酸的含量,并影响大豆蛋白的二级结构。如硒被证实是一种有效的“保护剂”,能够在AAPH诱导的氧化应激下维持富硒7S的蛋白构象[25]。
表 1 各类植物中富硒肽的来源、分离鉴定、序列及生物活性Table 1. Source, isolation, identification, sequence and biological activity of selenium-containing peptides from various plants多肽来源 分离、鉴定的方法 多肽序列 生物活性 参考文献 富硒大豆 凝胶过滤层析、离子交换层析法(分离);高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) Ser–SeC–Ala–His–Lys 抗氧化 [100] 富硒大豆 凝胶过滤层析(分离)、纳米高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) ESeCQIQKL
SELRSPKSeC抗氧化
抗炎[101] 富硒糙米 凝胶过滤层析法、离子交换层析法(分离);高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱(HPLC-ICPMS)、电喷雾电离源耦合傅立叶变换离子回旋共振质谱(ESI FT-ICR MS)(鉴定) SeMet-Pro-Ser 免疫调节 [12] 富硒大米 凝胶过滤层析法(分离);反向超高效液相色谱串联三重四级杆飞行时间质谱法(RP-UPLC Triple-TOF MS/MS)(鉴定) SeMDPGQQ、TSeMMM 抗氧化 [39] 富硒玉米 超滤(分离)
高效液相色谱串联质谱技术
(HPLC-ESI-MS/MS)(鉴定)Phe-SeCys
Trp-SeMet-Gln-Glu
Trp-SeMet-Lys-Glu
SeCys-Tyr-Glu
Phe-MeSeCys-Met
SeCys-Cys-Ala-MeSeCys
Phe-MeSeCys-Val-Gln
Phe-MeSeCys-Val-Lys抗氧化
免疫调节[50] 富硒堇叶碎米荠 超滤、离子交换层析法、反向高效液相色谱法(分离);高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) GRVGSSSC
GRAGGSYM GHPNFKLNCSGG
GTKSCKA、KNCALQ
ASSNARDMI、TAGGCYIPI抗氧化
肝脏保护[102] 硒螯合灰树花菌肽 超滤、凝胶过滤层析、反向高效液相色谱法(分离);高效液相色谱串联电喷雾质谱法((LC-ESI/MS)
(鉴定)Arg-Leu-Ala 抗氧化 [103] 富硒杏鲍菇 超滤、凝胶过滤层析法(分离)、液相色谱-四级杆飞行时间质谱(Nano-LC-Q-TOF-MS)(鉴定) GFSM(+Se)PGLKQDLVLR
PDGVM(+Se) LVEGK
M(+Se) PDVTDKTK
QNC(+Se) C(+Se) C(+Se) FDSVK
KSLLGC(+Se)DTEVPASK
LTGGRM(+Se)KEVNLGK
KDSAM(+Se) TLNAPR
KM(+Se) GGVQSNK
VTVLCM(+Se)DPGVGAK
KFNPM(+Se) LAAETK
QTANLAGPM(+Se)VVTTSNMTLK
TLLFQC(+Se) KR抗氧化
抗癌
抑制Pb2+[64] 富硒碱溶性茶 超滤、凝胶过滤层析、反相高效液相色谱法(分离);高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) LQPSLGFP、AETGEIKGHY 抗氧化
抑制Pb2+[104] 富硒蛹虫草 超滤、凝胶过滤层析法(分离);反向高效液相色谱法、电喷雾离子阱质谱(ESI-ITMS)(鉴定) VPRKL(Se)M、RYNA(Se)MNDYT 抗氧化
降血压[105] 富硒辣木 超滤、反向高效液相色谱法(分离)高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) FLSeML、LSeMAAL LASeMMVL、SeMLLAA LSeMAL 抗氧化 [17] 硒螯合豌豆寡肽 反向高效液相色谱(分离)、高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) Pro-Pro-Lys-Ile-Tyr-Pro(PPKIYP) 抗氧化
抗炎[18] 硒螯合玉米寡肽 反向高效液相色谱法(分离);高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) FLPPVTS
IGPRLPWPE
IIGGA、LLPPY抗氧化 [22] 近年来,研究主要集中在从富硒大豆蛋白中提取的肽上,由于其低分子量和高生物活性,大豆富硒多肽在生物体中发挥着重要作用及多种生理功能[29]。富硒大豆蛋白水解物被报道含有促进健康的营养素,Liu等[30]采用高效液相色谱串联质谱技术法从富硒大豆多肽中鉴定出含有SeCys的多肽序列(SeMetValValSeCys等),这些硒肽中的SeCys能够促进谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的合成从而提高细胞抗氧化能力。此外,张馨元等[31]通过螯合制备得到大豆多肽硒螯合物(硒含量可达到46.143 mg/g),与普通大豆多肽相比,大豆多肽硒螯合物具有较强的脂质过氧化抑制活性,可完全抑制亚油酸的自氧化反应。
富硒大豆多肽具有较高的生物可及性和生物利用度,通过比较低剂量(4 μmol/L)和高剂量(20 μmol/L)的亚硒酸钠(Na2SeO3)、SeMet和富硒大豆多肽(SePPs)在Caco-2细胞中运转率发现,富硒大豆多肽在Caco-2细胞中的转运效率最高(9.476%±0.97%),且低剂量和高剂量之间无差异。另外还发现富硒大豆多肽中的硒和多肽在抗氧化活性方面具有协同作用[32]。大量体内体外研究均证明富硒大豆多肽作为新型硒补充剂更利于机体吸收利用,Zhang等[33]基于药效团筛选出富硒大豆多肽片段SFQSeM,模拟胃肠消化结果显示,经胃蛋白酶和胰蛋白酶连续水解后,SFQSeM保留率大于80%;而动物试验表明SFQSeM在体内具有较长的半衰期(81.60±11.88 min)和停留时间(89.42±1.34 min)。这些结果证明,与Na2SeO3、SeMet相比,SFQSeM在胃肠道中稳定性更高,体内停留时间更长、利用度更高且毒性较低。高思薇等[34]通过分析富硒大豆多肽体内吸收效率发现,硒以大豆肽为载体,可以显著提高其体内吸收率,在合理控制剂量的前提下,富硒大豆肽可以作为人体补硒的优选方式之一。
2.2 大米来源的富硒肽
大米是中国居民的主要食物,然而普通大米中硒含量很低(约0.025 μg/g)[35]。而富硒大米不仅具有较高的营养,而且有促健康的功能。如Su等[36]将富硒大米喂食Cd中毒的小鼠,发现富硒大米可以提高肝脏和肾脏的抗氧化活性,而被喂食等量的无机硒的健康小鼠的肝脏和肾脏的抗氧化活性反而有所降低,表明富硒大米能够抵抗Cd中毒引起的机体损伤,并通过消除氧化损伤来保护酶促抗氧化系统。Fang等[37]证实了富硒大米中硒的主要存在形式是SeMet,占提取硒总量的86%以上[38],这表明富硒大米蛋白水解物的生物活性与含硒多肽结构中的SeMet序列之间存在相关性。从富硒大米碱性蛋白酶水解物中筛选具有免疫调节活性的含硒肽,其中有25个被证明含有硒代蛋氨酸(SeMet),这些含SeMet氨基酸残基的多肽序列被证明在免疫活性调节过程中起到了至关重要的作用[39]。另外富硒肽序列SeMet-Pro-Ser的抗氧化性被证明要优于Met-Pro-Ser序列,SeMet和Met与羟基自由基和单电子氧化剂的氧化过程中表现出相似的瞬态现象,并分别产生了两者的自由基阳离子SeM+•和M+•,SeM+•因其具有较长的半衰期和较低氧化还原电位而容易被氧化,因此氨基酸残基SeMet被认为是提高富硒肽生理活性的关键因素[40]。
富硒大米肽也被证实了具有保护细胞、神经的作用。Fang等[13]利用超滤法从富硒大米蛋白(硒含量为0.259±0.114 mg/kg)水解物中分离得到分子量<1 kDa的富硒大米肽(RPHs-3),SPHs-3被证明可以保护PC12和RAW264.7细胞免受Pb2+诱导造成的细胞凋亡和细胞毒性,这种保护机制可能是通过降低细胞氧化应激水平,增强抗氧化能力实现的;而通过分离鉴定得到的富硒大米肽序列(TSeMMM、SeMDPGQQ)可通过Nrf2/HO-1信号通路对Pb2+诱导的HT22细胞氧化损伤表现出良好的神经保护作用[41];秦芸等[42]制备了富硒大米肽(硒含量2.3652 mg/kg),通过比较普通大米肽、富硒大米肽和SeMet的体内抗氧化活性发现,富硒大米肽中的硒与肽对提高抗氧化能力有一定的增效作用,其抗氧化能力明显优于普通大米肽和单一的SeMet。富硒大米肽是一种低分子量肽,其硒含量高于硒蛋白且具有更高的生物利用率和生物吸收能力,并能够改善重金属对机体的影响及缺硒人群的健康问题,但目前的研究多集中在天然富硒大米肽,对于人工合成的大米肽硒螯合物的关注较少。
2.3 玉米来源的富硒肽
玉米蛋白经蛋白酶酶解制备得到的玉米肽富含丙氨酸、亮氨酸、谷氨酰胺和脯氨酸等氨基酸,有促进酒精代谢[43]、调节血压[44]、肝脏保护作用[45]。玉米肽具有较强的DPPH·、羟自由基(·OH)和超氧阴离子自由基(O2-·)清除能力,并且具有一定的还原能力以及在离体条件下对亚油酸氧化的抑制能力,是一种有效的抗氧化肽[46−47]。而从富硒玉米蛋白中分离鉴定得到的富硒玉米肽,其中硒和玉米肽在生物活性方面具有协同作用:如王真真等[48]采用高效液相色谱-质谱联用法从富硒玉米肽中鉴定了4个含硒的三肽(SeMet-MeSeCys-Glu、Met-MeSeCys-Glu、MeSeCys-Glu-Asp、Ile-MeSeCys-Glu),这些富硒玉米肽具有良好的抗氧化性且比普通玉米肽具有更高的醒酒活性;王驰等[49]通过HepG2细胞模型和老龄小鼠模型考察了普通玉米肽、富硒玉米肽以及MeSeCys的抗氧化活性,研究表明富硒玉米肽处理的小鼠组和细胞组在抗氧化能力方面表现出极显著的效果,同时也说明了高含硒化合物与玉米肽间具有协同抗氧化作用。
玉米富硒肽在生物活性方面显著优于普通玉米肽和无机硒,作为一种新型的补硒制剂具有很大的发展潜力。Guo等[50]通过HPLC-ESI-MS/MS鉴定出8个富硒肽(表1),其中硒代胱氨酸(SeCys2)、SeMet和MeSeCys是富硒玉米肽中有机硒的主要形式。Yu等[45]证实了玉米肽和富硒玉米肽对四氯化碳诱导的小鼠肝损伤均有保护作用,而相同剂量的富硒玉米肽的保肝作用极显著优于普通玉米肽,富硒玉米肽的保肝剂量显著降低[51];秦修远等[52]证实了人工合成玉米低聚肽硒螯合物(螯合率为54.25%±0.24%)具有较好的热稳定性、酸碱稳定性、消化稳定性等理化特性,利于机体胃肠吸收和利用。
2.4 堇叶碎米荠来源的富硒肽
2020年国家卫生健康委员会将堇叶碎米荠列为新食品原料,其硒含量高达1414 mg/kg,通过高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱(HPLC-ICP-MS)分析证明碎米荠中有机硒形态占总硒的71.2%~87.9%,其中以SeCys2和SeMet两种硒形态为主,同时还含有少量无机硒和未知形态硒[53]。目前对堇叶碎米荠提取物的研究主要集中在其硒蛋白的功能性及硒的形态上,对碎米荠硒多肽的生物活性研究较少。
研究表明利用超声辅助提取的堇叶碎米荠蛋白有机硒含量可达(9097.33±35.66 mg/kg),占总硒含量的99.51%[54]。凌荣端等[55]采用碱性蛋白酶得到堇叶碎米荠富硒多肽(总硒的含量为3400.03 mg/kg),其中大部分硒以SeCys2形式存在。杜朝东等[56]比较了堇叶碎米荠碱提物、堇叶碎米荠富硒蛋白和堇叶碎米荠富硒多肽对自由基的清除能力,结果表明各含硒物质均具有清除自由基的能力,其中堇叶碎米荠富硒多肽抗氧化活性最强,具有更高的研究和生产价值。堇叶碎米荠富硒多肽具有调节肠道菌群促进肠道健康的作用,贾蕾[57]探究堇叶碎米荠富硒多肽、亚硒酸钠、SeMet对正常鼠和抗生素暴露鼠肠道菌群的影响,结果表明,给予Na2SeO3后降低了肠道菌群丰富度,并促使有害菌增殖;给予SeMet对肠道健康无明显改善作用;而给予高硒剂量的堇叶碎米荠富硒多肽后,能够有效地促使部分菌群恢复到了正常鼠水平,降低抗生素暴露小鼠的患病率,提高了肠道屏障功能。
富硒堇叶碎米荠多肽硒含量远高于其他植物,作为一种天然新食品有机硒补充剂具有巨大的开发利用潜力和价值。但目前研究多集中在天然提取堇叶碎米荠富硒多肽的结构鉴定的层面,关于其结构性质、生物活性及生物利用度的报道较少,对这些方面进行深入研究以及阐明其在体内吸收和代谢机制对其开发利用具有重要意义。
2.5 其他来源
除上述植物来源的富硒肽外,目前研究成功制备的还有核桃肽硒螯合物[58]、茶叶富硒肽[59]、辣木叶富硒肽[60]、螺旋藻富硒肽[61]等。杜润峰等[62]以抗氧化能力指数和水解度为评价指标水解分离鉴定富硒糙米多肽,研究表明,在中性蛋白酶作用下得到的富硒糙米蛋白酶解物具有较显著的抗氧化活性,可以作为天然抗氧化剂来抵御氧化应激。罗思媛[63]以牛大力叶蛋白肽作为调控模板,利用亚硒酸钠与抗坏血酸的反应制备牛大力叶蛋白肽-纳米硒,其具有良好的抗氧化活性,还具有一定抑菌作用;细胞毒性试验证明,叶蛋白肽-纳米硒和亚硒酸钠对HepG2细胞均有抑制作用,且在相同浓度下叶蛋白肽-纳米硒的毒性远小于亚硒酸钠。Yu等[64]用胰蛋白酶水解富硒杏鲍菇蛋白,超滤法分离得到滤液中分子量<5 kDa的超滤组分,经过凝胶过滤层析、反向高效液相色谱法进一步分离纯化得到12个含硒肽段。用得到的富硒肽干预Pb2+诱导NCTC1469细胞,结果表明杏鲍菇含硒多肽能够通过上调Nrf2、HO-1、GCLC、GCLM和NQO1基因,下调Keap1基因,激活Keap1/Nrf2信号通路来保护细胞,缓解细胞凋亡,从而改善Pb2+诱导的细胞损伤。
植物源富硒肽来源广泛,目前国内外关于天然提取的植物富硒肽以及以植物肽为原料人工螯合的富硒肽的种类越来越多,对其生物活性、结构功能及活性机理的研究也在同步深入,这些研究都将为植物源生物活性肽更好的开发应用提供驱动力。
3. 植物源富硒肽的生物活性
3.1 抗氧化
氧化还原平衡是维持机体内稳态、保持机体健康的关键。不良外界刺激(如紫外线辐射、过敏原及各种污染物等)导致的活性氧增加、自由基过量积累会导致机体发生氧化应激反应,增加癌症、糖尿病、神经系统疾病等患病风险[65]。因此探究抗氧化功能活性物质对于机体健康具有重要作用,植物源富硒肽具有很好的抗氧化活性,尤其是来自于天然食物中的抗氧化富硒肽备受关注。
目前常用于表征生物活性肽的抗氧化能力方法是基于化学反应的体外测定法,按照清除自由基的反应机制不同,可分成两类:基于电子转移(ET)的反应和氢原子转移(HAT)的反应。基于电子转移原理的测定方法主要有:DPPH·、·OH、O2−·的清除率,铁还原抗氧化能力(FRAP);基于氢原子转移测定方法有:氧化自由基吸收能力(ORAC)、ABTS+·的清除率等[66]。富硒肽的抗氧化能力可通过体外化学法判断,不管是人工螯合的富硒玉米肽[67]还是天然提取制备得到的富硒糙米蛋白肽[40]均表现出很强的体外自由基清除能力,是天然抗氧化剂的优质来源。除测定体外自由基清除能力以外,体外细胞抗氧化活性(CAA)测定也常用于评价富硒肽的抗氧活性,研究报道富硒绿豆肽[68]和富硒大豆肽[9]对H2O2造成的细胞氧化损伤均有显著的保护作用。
随着科学技术的发展,基于动物试验的体内抗氧化测定也逐渐兴起。D-半乳糖(D-gal)诱导衰老模型是一种涉及氧化应激和炎症反应的人工衰老模型,被广泛应用于抗氧化、抗衰老及预防衰老相关慢性疾病等研究中[69]。Zhang等[32]用富硒大豆多肽干预D-gal(250 mg/kg)处理的小鼠后发现,小鼠肝脏中SOD、谷胱甘肽过氧化物酶-1(GPx-1)活性升高,而谷草转氨酶(AST)、谷丙转氨酶(ALT)和NF-κB活性显著降低,进一步研究证实富硒大豆多肽通过调节MAPK/NF-κB通路抑制脑氧化应激和逆转D-gal诱导的肝损伤,具有显著的抗氧化作用。贾蕾[57]筛选出堇叶碎米荠富硒多肽片段RVSeMI,用不同剂量干预D-gal诱导的衰老小鼠,研究表明低剂量(15 μg Se/kg/d.bw)富硒肽可以通过降低AST、ALT和MDA水平,影响炎症细胞因子的释放,从而保护肝脏和大脑免受氧化损伤。以上研究均表明植物源富硒肽有很好的抗氧化活性,是天然抗氧化剂很好的来源。
硒和多肽被认为对富硒多肽的抗氧化作用起协同效应,一方面,生物体内源性抗氧化剂如过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽巯基转移酶(GST)、SOD、GSH-Px等被认为是抵抗氧化的第一道防线[65],这些酶促和非酶促抗氧化剂通过降低活性组分的浓度促进氧化平衡,硒是GSH-Px的重要组成成分,能在体内特异性催化还原谷胱甘肽(GSH)与过氧化物的氧化还原反应,因此硒肽中的有机硒被认为是提高富硒肽生理活性的关键因素;另一方面,多肽的C和N端氨基酸的特性、疏水氨基酸的性质、肽链的长度也被证明与其抗氧化活性相关[70]。如Zhang等[71]研究发现,堇叶碎米荠富硒肽中存在多种疏水和芳香族氨基酸,如Val、Ile和Leu,这些氨基酸含量和位置都与多肽的抗氧化活性相关,C端区域低电子特性和疏水性更有助于提高其抗氧化活性[72],同样在富硒大豆多肽中也发现类似现象[30]。
从食物中摄入的外源性抗氧化剂,可以通过调节内源性抗氧化剂的抗氧化能力以防止机体氧化损伤[73]。富硒生物活性多肽作为一种外源性抗氧化剂不仅可以抑制活性氧的产生,而且还可以增强抗氧化酶的活性从而提高机体抗氧化能力[74]。富硒生物活性肽分子量小、抗氧化活性高、安全性强,已逐渐成为一种安全有效的抗氧化剂,之后的研究可侧重于其抗氧化的机制、硒和肽的协同机制、构效关系等诸多问题仍有待进一步的深入研究,为富硒肽更好的实际生产和应用提供指导。
3.2 肝脏保护
肝脏易受药物、毒素和感染性病毒等因素的影响,从而引发炎症、脂肪肝疾病和纤维化过程[75]。硒被证明对降低肝脏炎症和肝硬化有积极的作用,因此常被用于预防慢性肝脏疾病[76]。硒在硫氧还蛋白还原酶(TrxR)和GSH-Px等抗氧化酶中发挥活性位点的作用,因此增加每日硒摄入量对预防肝损伤具有重要作用[77]。
近年来,许多研究已经证实富硒肽对肝脏具有保护作用。Liu等[30]证实了富硒大豆多肽可通过提高GSH-Px活性和GSH的含量,提高肝细胞存活率,抑制肝星状细胞的活化,从而缓解四氯化碳引起的肝纤维化损伤,在随后的研究中Liu等[78]证明了富硒大豆多肽肝脏保护的作用机制如下:富硒大豆肽可通过TNF-α/Casp3通路抑制四氯化碳受损肝细胞凋亡,加速大鼠肝星形细胞(HSC-T6)的凋亡,缓解纤维化;细胞因子TGF-β负责激活静态的星状细胞,Smad7基因表达的增加将有利于抑制肝纤维化,富硒大豆多肽能显著降低小鼠的TGF-β含量,增加Smad7基因的表达,说明其可通过TGF-β/Smad7通路改善肝纤维化;由于细胞外基质(ECM)可以被基质金属蛋白酶降解(MMPs),用富硒大豆肽作用后增强了HSC-T6细胞中MMPs的表达,减少细胞外基质,从而逆转肝纤维化。同样富硒玉米肽也被证明对四氯化碳所致小鼠急性肝损伤也有显著的保护作用[51]。肝纤维化是各种肝脏疾病发展成为肝硬化的一个阶段,是世界范围内一个严重的健康问题[79]。富硒肽可以通过多种途径减轻肝纤维化,可被作为治疗肝纤维化的潜在治疗药物。
研究表明,富硒肽的抗氧化作用对其发挥保肝活性时起着重要作用。堇叶碎米荠富硒多肽可以缓解酒精诱导的THLE-2肝细胞损伤,而这种效果是通过调控氧化应激来实现的[55];富硒玉米肽[80]对扑热息痛(APAP)致小鼠肝损伤具有防护作用,其防护的机理是通过降低肝脏中UGT、CYP2E1、CYP1A2浓度及SULT的活性,并提高GST、GSH的水平及GSH-Px的活力,从而增强机体的抗氧化应激能力,有效地提高机体排毒能力、保护肝脏;同样富硒玉米肽可通过降低小鼠血清中AST、ALT活性、肿瘤坏死因子(TNF-α)、干扰素(IFN-γ)含量和肝脏中MDA含量,提高肝脏中SOD、GSH-Px的活性,从而避免了由Con A诱导引起的小鼠肝损伤,这种保护机制可能与其抗氧化能力和抑制TNF-α和IFN-γ等免疫因子的释放有关[50]。另外,研究人员还发现将富硒大豆多肽喂养大鼠10周后可减轻高脂饮食诱导的脂肪肝大鼠肝细胞损伤[81]。因此大量研究证明,富硒多肽对多种肝细胞疾病表现出显著的保肝活性,在临床医学上可用于肝脏疾病的治疗,但其保护肝脏的确切机制及其构效关系需要进一步研究。
3.3 免疫调节
硒被证实可以提高抗体水平,提高细胞的免疫功能,增强免疫力[82−83]。许多富硒蛋白能够在免疫细胞中表达,富硒蛋白水平下降会影响到免疫细胞的发育及其免疫调节能力[84]。近年来,研究发现各种植物源富硒肽对细胞免疫调节也表现出显著的效果。如不同剂量(5、10 μmol/L)Se-ZnCu-65P能有效地降低小鼠体内NO和H2O2的分泌水平,提高脂多糖(LPS)诱导的小鼠腹腔巨噬细胞的相对活力,增强细胞的吞噬能力从而增加免疫力[85]。富硒大豆多肽可减轻环磷酰胺诱导的小鼠免疫抑制性免疫器官萎缩和体重减轻,可显著提高血液中总蛋白(TP)、白蛋白(ALB)、免疫球蛋白M、G和A(IgM、IgG和IgA)的水平、上调脾脏组织中IL-2、IFN-γ和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的mRNA表达来刺激白细胞介素-2(IL-2)、IFN-γ、NO的产生,从而增强机体的特异性和非特异性免疫[86]。
植物源富硒肽发挥免疫调节活性的机制可能是通过调节信号通路发挥作用。Wu等[87]发现富硒大米肽(SPHs-2)能够有效下调IκB、IKKα、p38和Erk1/2的表达,阻断这些蛋白激酶的磷酸化,并通过调节NF-κB/MAPK信号通路,有效减弱炎症反应,抑制Pb2+对RAW264.7巨噬细胞的免疫毒性。Fang等[39]从富硒大米蛋白水解物中分离纯化得到硒肽片段TSeMMM能够显著提高RAW264.7细胞的吞噬率(145.2%),降低NO的产生(25.3%)。多肽序列TSeMMM被认为是发挥免疫调节活性的有效序列,其活性与结构之间存在一定的相关性:可能是多肽序列中SeMet改善了氨基酸的疏水作用,疏水氨基酸残基之间的疏水作用进一步提高了多肽的活性。富硒肽被证实具有较强免疫调节活性,因此可作为功能性食品添加剂应用从而改善人类免疫健康。但这些免疫活性肽在体内的作用机制需要深入研究阐明其发挥生物学效应和分子机制。
3.4 抗癌
硒及其化合物对许多癌细胞的活性都有一定的抑制作用。Gandin等[88]认为有机硒化合物可以作为改进癌症治疗的潜在化合物,并且指出有机硒具有更显著的抗癌细胞活性和更低的全身影响性。Li等[89]发现硒绿茶醇提物对人宫颈癌细胞HeLa的抑制性强于抗癌药物5-氟二氧嘧啶,其抑制能力与添加浓度呈正相关,且对人肺癌细胞A548和肝癌细胞HepG2均具有较强的抑制作用。刘昆仑[90]发现富硒发芽糙米硒蛋白对人胃癌细胞MGC-823、人肝癌细胞HepG2的生长均具有显著的抑制作用。
近年来,研究人员发现富硒肽对癌细胞同样具有显著抑制活性,具有良好抗癌作用。Li等[91]从山羊肝脏中提取低分子量生物活性肽,与硒螯合得到抗癌性生物活性硒肽颗粒,能有效抑制胃癌细胞系(MKN 45和MKN 74)细胞的增殖。Liao等[92]合成的核桃多肽纳米硒螯合物(SeNP-s-WP1)对5种人癌细胞系(即人乳腺癌MCF-7细胞系、人肺癌A549细胞系、人前列腺癌PC3细胞系、人宫颈癌HeLa细胞系和人胃癌SGC-7901细胞系)表现出显著的抗癌活性,能够显著降低癌细胞的增殖行为;其中作用于人乳腺腺癌细胞(MCF-7)的机理是通过S期细胞阻滞、核凝结和DNA断裂等作用诱导凋亡,而诱导MCF-7细胞凋亡的内在信号通路主要是通过激活FADD和Caspase 3、8和9,并结合线粒体膜电位消耗和ROS的产生。林樾[93]发现碎米荠富硒多肽对人肝癌细胞系(HepG2、Huh-7)细胞的生长有明显的抑制作用,抑制作用随着浓度的升高而增强,且对人正常肝细胞THLE-2存活率的影响很小,细胞周期实验显示碎米荠富硒多肽是通过将HepG2细胞的周期阻滞在S期,将Huh-7细胞阻滞在G1期,同时诱导HepG2和Huh-7细胞凋亡。
3.5 其他
植物来源的富硒肽不仅具有抗氧化、肝脏保护、免疫调节、抗癌等生物活性外,还被证明具有抗炎[94]、降血压[95]、醒酒[48]、抗疲劳[100]等活性作用。不同植物来源的生物活性硒肽在生物活性功能方面表现出不同的效果,如富硒茶多肽与普通茶多肽相比,富硒茶多肽样品中各氨基酸的含量明显提高,且对血管紧张素转化酶(Angiotensin Converting Enzyme,ACE)抑制活性更高,普通茶多肽ACE抑制活性IC50为25.95 mg/mL,富硒茶多肽ACE抑制活性IC50为17.07 mg/mL[96]。同样富硒螺旋藻多肽对ACE具有较强抑制活性[97](可达90%),被认为是一种能有效防治高血压的组分[98]。高F值玉米寡肽-硒螯合物被证明可以显著地提高小鼠肝脏硒和血清硒含量,可作为一种良好的补硒剂。与生理盐水灌胃的酒精诱导急性中毒对照组相比,高F值玉米寡肽-硒螯合物可显著缩短小鼠的醒酒时间,显著降低ALT和AST活性,说明高F值玉米寡肽-硒螯合物具有醒酒保肝的活性[99]。综上所述,植物来源的富硒肽来源广泛并具有较高的安全性及多种生物活性,是有益机体健康的优质硒补充剂来源。
4. 植物源富硒肽的应用
合理补充膳食硒对人类机体健康具有重要作用,中国居民膳食营养素硒的参考摄入量为:儿童膳食硒RNI为25~60 μg/d,成人膳食硒RNI为60 μg/d,孕妇及哺乳期女性的膳食硒推荐摄入量为75 μg/d[106]。对于大多数人来说,主要是通过富硒食品、富硒膳食补充剂等来增加硒的摄入量。从营养学角度来说,植物源的富硒肽不仅能够提供机体所必须的氨基酸,而且还具有硒和多肽的生物学功能[70]。目前植物源的富硒肽相关的产品和行业正逐步发展。
利用玉米醇溶蛋白和阿拉伯胶包封富硒大米肽,结合超声处理,包封效率为59.9%,累积释放率为80.69%,提高了其生物利用度[107]。同样,黄原胶和溶菌酶也被认为是富硒大米肽良好的包封传递系统,包封效率分别为34.35%和41.35%,包封后提高了富硒大米肽的稳定性和抗氧化活性[108]。用高压电喷涂技术制备了葡聚糖-富硒肽微胶囊,微封装的富硒肽不仅表现出良好的抗氧化,而且由于微封装材料对富硒肽具有保护使其表现出更好的热稳定性和消化稳定性[109]。有学者将碱性蛋白酶固定在单宁酸和聚乙烯亚胺修饰的Fe3O4纳米离子上,合成了一种高度稳定的固定化酶,用该酶制备的堇叶碎米荠富硒肽有机硒含量可达到(2914 mg/kg),说明固定化酶生产富硒肽的可行性[110]。国内也有学者采用粉末活性炭吸附剂精制富硒菜籽蛋白肽[111],研制了富硒大豆多肽健康饮料[112]等相关产品,富硒肽还能提高酱油中的风味物质的含量等[113]。综上所述,植物富硒肽在功能性膳食和医药方面有广阔的前景和巨大的潜力,但是其应用普及化和大众化还有许多问题需要更多深入探究,仍然面临诸多挑战。
5. 结论与展望
近年来,随着科学技术的发展和研究的深入,人们对硒化合物和富硒肽的促健康作用逐渐加深,植物源生物活性硒肽作为一种高效、低毒、具有多种生物活性的硒补充剂,受到越来越多的关注和消费者青睐,在促进健康的膳食补充剂和药理产品方面具有巨大的应用潜力。但是关于植物富硒肽的广泛应用,目前仍然存在如下问题:a. 富硒肽的制备存在着生产周期长、得率低且分离鉴定的成本较高等问题,为工业化生产带来阻碍;b. 不同来源的富硒肽构效关系复杂,其活性发挥的机制了解不够;c.富硒肽的体内代谢、作用机制及安全性评价等关键问题都需要深入探究。针对以上问题:今后的研究需要继续探究更高效、简便、环保地提取分离富硒肽的方法和制备技术,可以将多种技术如物理场、生化亲和、固定化酶等偶联使用;d. 典型的加工技术对其功能和结构的影响,解析生物活性和结构的构效关系,深入探究其对生物可及性和生物利用度的影响;e. 生产制备实行标准化,制定相应的标准以便工业化生产,将富硒肽结合生产,开发具有更好市场前景的产品。此外,富硒肽安全性的全面评价是打破其实际应用的壁垒,也是未来亟待解决的关键问题,可从目前研究较多且较成熟的富硒肽入手,以期为更多富硒肽的开发和应用提供理论支撑。
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表 1 各类植物中富硒肽的来源、分离鉴定、序列及生物活性
Table 1 Source, isolation, identification, sequence and biological activity of selenium-containing peptides from various plants
多肽来源 分离、鉴定的方法 多肽序列 生物活性 参考文献 富硒大豆 凝胶过滤层析、离子交换层析法(分离);高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) Ser–SeC–Ala–His–Lys 抗氧化 [100] 富硒大豆 凝胶过滤层析(分离)、纳米高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) ESeCQIQKL
SELRSPKSeC抗氧化
抗炎[101] 富硒糙米 凝胶过滤层析法、离子交换层析法(分离);高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱(HPLC-ICPMS)、电喷雾电离源耦合傅立叶变换离子回旋共振质谱(ESI FT-ICR MS)(鉴定) SeMet-Pro-Ser 免疫调节 [12] 富硒大米 凝胶过滤层析法(分离);反向超高效液相色谱串联三重四级杆飞行时间质谱法(RP-UPLC Triple-TOF MS/MS)(鉴定) SeMDPGQQ、TSeMMM 抗氧化 [39] 富硒玉米 超滤(分离)
高效液相色谱串联质谱技术
(HPLC-ESI-MS/MS)(鉴定)Phe-SeCys
Trp-SeMet-Gln-Glu
Trp-SeMet-Lys-Glu
SeCys-Tyr-Glu
Phe-MeSeCys-Met
SeCys-Cys-Ala-MeSeCys
Phe-MeSeCys-Val-Gln
Phe-MeSeCys-Val-Lys抗氧化
免疫调节[50] 富硒堇叶碎米荠 超滤、离子交换层析法、反向高效液相色谱法(分离);高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) GRVGSSSC
GRAGGSYM GHPNFKLNCSGG
GTKSCKA、KNCALQ
ASSNARDMI、TAGGCYIPI抗氧化
肝脏保护[102] 硒螯合灰树花菌肽 超滤、凝胶过滤层析、反向高效液相色谱法(分离);高效液相色谱串联电喷雾质谱法((LC-ESI/MS)
(鉴定)Arg-Leu-Ala 抗氧化 [103] 富硒杏鲍菇 超滤、凝胶过滤层析法(分离)、液相色谱-四级杆飞行时间质谱(Nano-LC-Q-TOF-MS)(鉴定) GFSM(+Se)PGLKQDLVLR
PDGVM(+Se) LVEGK
M(+Se) PDVTDKTK
QNC(+Se) C(+Se) C(+Se) FDSVK
KSLLGC(+Se)DTEVPASK
LTGGRM(+Se)KEVNLGK
KDSAM(+Se) TLNAPR
KM(+Se) GGVQSNK
VTVLCM(+Se)DPGVGAK
KFNPM(+Se) LAAETK
QTANLAGPM(+Se)VVTTSNMTLK
TLLFQC(+Se) KR抗氧化
抗癌
抑制Pb2+[64] 富硒碱溶性茶 超滤、凝胶过滤层析、反相高效液相色谱法(分离);高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) LQPSLGFP、AETGEIKGHY 抗氧化
抑制Pb2+[104] 富硒蛹虫草 超滤、凝胶过滤层析法(分离);反向高效液相色谱法、电喷雾离子阱质谱(ESI-ITMS)(鉴定) VPRKL(Se)M、RYNA(Se)MNDYT 抗氧化
降血压[105] 富硒辣木 超滤、反向高效液相色谱法(分离)高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) FLSeML、LSeMAAL LASeMMVL、SeMLLAA LSeMAL 抗氧化 [17] 硒螯合豌豆寡肽 反向高效液相色谱(分离)、高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) Pro-Pro-Lys-Ile-Tyr-Pro(PPKIYP) 抗氧化
抗炎[18] 硒螯合玉米寡肽 反向高效液相色谱法(分离);高效液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)(鉴定) FLPPVTS
IGPRLPWPE
IIGGA、LLPPY抗氧化 [22] -
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