肽是以食用蛋白為原料，經過酶解、分離、純化等制成的新型蛋白水解產品，擔負著信息傳遞、營養(yǎng)和功能調控作用，對機體從細胞、組織到器官、系統(tǒng)，以致整體行為等均發(fā)揮著重要的調節(jié)、平衡和協(xié)調作用。大自然提供了各種不同的肽，其中最大供應者是海洋資源，海洋生物多樣性高，生物種類占全球的一半，同時海洋惡劣的生存環(huán)境促使海洋生物蛋白具有多樣性，在不同蛋白酶的作用下產生的肽種類更多，功能性更好[1]。
肽具有重要的研究、開發(fā)和應用價值。肽的活性功能根據(jù)氨基酸的排列順序及組成不同而變化，已有研究表明，肽具有抗菌[2]、抗凍[3]、抗氧化[4]、抗肥胖[5]、抗糖尿病[6]、降血壓[7]、抗腫瘤[8]等活性。對于人類來說，肽具有著重要的地位，在食品、保健品、藥品、化妝品等領域中均有應用，如Cooper等[9]研發(fā)了一種新型的靶向治療藥物—肽-藥物偶聯(lián)物（PDC），大大推進了癌癥的靶向治療。從食魚海洋錐形蝸牛Conus magus中分離出來的Prialt肽，已在美國市場上市銷售，是一種通過拮抗N型鈣通道起作用的鎮(zhèn)痛藥[10]。此外還有許多通過審批進入市場的肽類生物制藥產品，如普卡那肽、杜拉魯肽等治療骨質疏松癥和Ⅱ型糖尿病的藥物，且得到了廣泛應用。
金屬元素在維持人體正常生命活動中起著重要的作用，金屬元素的缺乏會引起缺鐵性貧血、骨質疏松等多種疾病[11]�，F(xiàn)有商業(yè)化金屬元素補充劑的溶解性差、生物利用度低和胃腸道刺激性限制了它們的進一步應用。因此，安全穩(wěn)定、高效吸收且價格優(yōu)惠的金屬元素補充劑具有廣闊的市場前景，已然成為目前科學研究和產品開發(fā)的熱點。金屬離子螯合肽是由肽與金屬離子螯合反應構成的環(huán)狀化合物，可作為運輸鈣、鐵、鋅等微量元素的載體。它可以利用肽的吸收功能，提高金屬離子在人體內的吸收速度和利用率，與無機金屬離子相比具有很大的優(yōu)勢[12]。與普通肽相比，金屬螯合肽經過了金屬的螯合反應，能發(fā)揮更多的作用[13]。而利用海洋來源的肽進行金屬螯合，具有肽原料獲取容易，肽的骨架和側鏈易于修飾，螯合率高等明顯優(yōu)勢[14]，有望成為未來金屬螯合肽研究的熱點。目前已有關于海洋來源肽的相關特性的綜述，但是文獻時間較早，且綜述內容較為單一，只針對肽的生物活性進行重點綜述，尚無關于海洋來源的金屬螯合肽的綜述。本文對海洋來源的金屬螯合肽最新研究進展進行綜述，總結了當前研究成果，內容包含螯合機理、制備與分離純化方法以及生物活性，并提出了一些未來可能的研究方向，內容更系統(tǒng)全面，對于后續(xù)進行金屬螯合肽研究能起到有效的參考。
1. 海洋來源金屬離子螯合肽螯合機理
1.1 螯合機理
研究發(fā)現(xiàn)，金屬離子與肽螯合的機理是：金屬離子可與肽類在氨基、羧基、肽鍵等位置上發(fā)生配位，以共價鍵形式結合，側鏈中的氧、硫原子，可以提供孤對電子與金屬離子結合[13]。
海洋多肽與金屬離子存在三種主要螯合模式，即單齒螯合模式，Ca2+僅與COO−上的一個氧原子螯合；雙齒螯合模式，COO−上的兩個氧均可與Ca2+結合；α螯合模式，Ca2+與羧酸鹽中的一個氧和來自其它鈣結合基團的一個合適的有機原子（O、N、S等）螯合[15]（圖1[17]）。如Lin等[16]在研究Fe2+螯合特性和提高Fe2+螯合肽生物利用率的機制中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2+是以單齒和雙齒螯合方式與Glu-Glu殘基的羧基氧原子進行螯合的；Zhang等[17]從太平洋鱈魚骨明膠水解物中純化出的鈣結合十肽，其Ca2+與Lys-10的羧酸O原子和側鏈氨基N原子結合，通過α螯合模式形成鈣螯合肽。目前的金屬螯合肽螯合方式基本屬于這三種，但近年來Liu等[18]研究了海參合成肽的鋅螯合機制，研究發(fā)現(xiàn)，海參肽p-1、p-2和p-3與鋅的結合主要是通過與C末端游離羧基的相互作用（圖2）。這表明，鋅螯合可以依賴于與肽C末端的游離羧基結合，說明金屬離子與肽之間的螯合方式存在更多模式。因此肽與金屬離子的螯合模式存在多樣性，如何比較不同螯合模式對金屬螯合肽活性影響，以及篩選出最佳的螯合模式，乃至探究更多的螯合模式，均可成為未來研究者的相關方向。
1.2 螯合效果影響因素
肽的大小對肽與金屬離子螯合有較大影響，研究顯示低分子量的海洋多肽具有更高的螯合能力。如Chen等[29]研究羅非魚皮膠原蛋白肽組分分子量對其鋅螯合能力和鋅配合物生物利用度的影響，結果顯示分子量<1000 Da的肽表現(xiàn)出較高的鋅螯合能力；Guo等[30]從阿拉斯加鱈魚皮中提取出的分子量為345 Da的肽有最佳螯合鐵能力。但Chen等[31]從牡蠣蛋白水解物中分離得到的分子量>1800 Da的肽也有較高的鋅螯合能力，說明分子量>1000 Da的海洋多肽也具有較高的金屬螯合能力。這說明不同來源的海洋多肽與金屬離子結合性質有差異，以及各研究采用的分子量測定方法不同，導致肽分子量不同，從而結論出現(xiàn)差異，但其相關原理還需要進一步進行研究來揭示。
Guo等[30]從阿拉斯加鱈魚皮中提取的鐵螯合肽的氨基酸序列為Ser-Cys-His；孫如男等[32]從南極磷蝦粉中提取的金屬螯合肽蛋白基料中天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、組氨酸（His）的含量超過1/3；吳長平等[33]從鰻魚尾中提取制備的鰻魚鈣螯合肽中谷氨酸（Glu）和天冬氨酸（Asp）含量最高。這些研究說明了氨基酸種類對肽與金屬離子螯合能力的影響。
另有研究顯示，組氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等氨基酸的螯合活性則取決于它們在序列中的位置[34]。如Munoz等[35]研究了Metallothionein（MT）中半胱氨酸的位置對于結合Cd2+的影響，發(fā)現(xiàn)其結構的穩(wěn)定性和反應性由β結構域序列中的半胱氨酸決定。
隨著紅外光譜等技術的發(fā)展與應用，海洋多肽與金屬離子的結合位點和螯合過程得到了更多揭示。研究發(fā)現(xiàn)，一些氨基酸與金屬離子的螯合能力是氨基酸上的特殊基團決定的[39−40]。例如，堿性氨基酸如組氨酸（His）是由于其咪唑環(huán)而具有高螯合活性[30]；而酸性氨基酸如谷氨酸是以γ-COO−、天冬氨酸是以β- COO−作為金屬離子的結合位點[41]，從而具有較好的螯合能力。由羅非魚蛋白水解得到鈣螯合肽Trp-Glu-Trp-Leu-His-Tyr-Trp的螯合能力主要與Glu的羧基和His的咪唑基相關[42]；Chen等[31]研究指出，牡蠣肽肽分子表面的親水性基團（-OH、-COOH、-NH2）的分布在與鋅的結合中扮演重要的角色。
雖然現(xiàn)在對于影響海洋來源多肽與金屬離子螯合的因素研究較多，但是關于螯合位點的準確位置、空間構效、氨基酸組成序列對螯合活性影響的具體機理以及動態(tài)過程等內容，還需要進一步探索。
2. 海洋來源金屬離子螯合肽的制備技術
2.1 肽的制備
海洋來源金屬離子螯合肽制備前首先要進行肽的制備。肽的制備方法有酶解法、化學提取法[43]、微生物發(fā)酵法[44]等，在肽制備完成后再進行金屬螯合反應。海洋產品一般價格較高，因此多以海產品加工副產物作為肽的蛋白原料，如骨、皮、磷等，可以延長海產品的加工鏈，提高附加值。酶解法具有高效性，應用廣泛，但受溫度、pH等環(huán)境因素影響較大；微生物發(fā)酵法效率高，工藝簡單，生產成本低，但是存在菌株的安全性問題；化學提取法雖然操作簡單，但所使用的化學試劑有毒且對環(huán)境危害較大，近年來研究較少。
酶解法是近年來的研究中應用最廣泛的方法，具有高效、安全、條件溫和可控等優(yōu)點，即在適宜的溫度、pH等條件下，用不同蛋白酶對海洋蛋白原料進行水解產生肽類產品。近年來，科研人員在蛋白酶種類、料液比、酶解工藝等方面進行了較多研究[45]，一般采用單因素實驗、響應面試驗等確定最佳的酶解工藝。
超聲波、微波是有效的輔助酶解方式，利用超聲波在液體傳播時產生的空化作用將細胞破碎，微波熱效應破壁，可以縮短提取時間和提高提取效率。干建松[46]采用超聲波輔助酶解法酶解海帶蛋白制備抗氧化肽，王溢等[47]采用微波輔助酶解法制取魚鱗膠原蛋白肽，實驗結果均表明，這些輔助酶解的方法有助于縮短酶解時間。此外，不同處理方式對多肽的結構也有影響，從而影響肽的活性。王楠等[48]研究了微波輔助酶解對甲魚蛋白肽抗氧化活性的影響，發(fā)現(xiàn)微波輔助處理的肽DPPH自由基清除率較未經微波處理提高了11.34%。
除單酶酶解之外，也有用雙酶、三酶等多酶復合酶解的方法，可大大提高酶解效率[49−50]。與單酶酶解的方法相比，在多酶酶解的工藝條件下，要考慮酶的種類、配比和其應用的條件對研究結果影響。高雅鑫等[51]在雙酶水解牡蠣蛋白的工藝中，使用的酶為中性蛋白酶和風味蛋白酶，兩種蛋白酶添加量之比1:1，酶解液中氨基態(tài)氮的含量與理論值接近，結果良好。丁樹慧等[52]實驗篩選出中性蛋白酶和堿性蛋白酶為最佳水解脫脂魚粉的酶，最優(yōu)酶解條件為堿性蛋白酶與中性蛋白酶酶活力配比為6:4，在pH為8時用堿性蛋白酶酶解2 h，將pH降為7時用中性蛋白酶酶解3 h，總加酶量為2500 U/g，酶解溫度為50 ℃，該條件下水解度高達41.84%。
在酶解法制備海洋多肽的方面研究已較為成熟，優(yōu)勢明顯，但獲取高活性的肽并且提高制備效率仍是所追求的目標，還有許多要改善的問題，如酶解過程復雜，酶解產物中含有多種肽，對于目標肽的分離篩選過程較繁瑣，而且生物酶價格較高等�？梢試L試將化學、物理及微生物方法與酶解法相結合，研發(fā)新的酶解體系，以獲得高質量的酶解產物。
微生物發(fā)酵法是利用微生物菌種使代謝產生的蛋白酶水解底物蛋白，繼而從發(fā)酵液中分離純化多肽產物的方法。使用的菌株需要安全性高，而且產酶豐富、生長迅速。目前海洋多肽制備過程常用的發(fā)酵菌株有枯草芽孢桿菌、曲霉菌、乳酸菌等�，F(xiàn)有的研究中有應用單一菌種發(fā)酵的方法，也有將多菌種結合使用的方法[53]，混菌發(fā)酵的優(yōu)勢在于不同菌株共同產生蛋白酶，水解效率更高，但是要考慮最優(yōu)的多菌種共生條件。王鑾等[54]固態(tài)發(fā)酵榛仁粕制備降血壓肽的研究中發(fā)現(xiàn)，混菌發(fā)酵獲得的活性肽ACE抑制率大幅度提高。
Venegas-Ortega等[55]的研究表明乳酸菌蛋白水解酶系中的細胞膜結合蛋白酶對肽的產生及其生物活性起到重要作用。楊柳等[56]用枯草芽胞桿菌發(fā)酵脫脂南極磷蝦粉制備南極磷蝦肽的工藝中，多肽得率較高而且抗氧化活性良好。邢瀚文等[57]以羅非魚魚皮為原料，利用枯草芽孢桿菌固態(tài)發(fā)酵制備膠原蛋白肽，通過超濾的方法分離純化得到三種膠原蛋白肽，產物水解度和多肽含量均較高，抗氧化性強。
基于微生物的復雜酶系，發(fā)酵法生產效率高，生產成本低，易于投入工業(yè)化生產[58]，并且微生物的肽酶可以除去苦味肽，從而可以改良肽產品的風味[59]。但是也存在部分菌株安全性低，而且容易受到有害微生物的污染的問題。隨著現(xiàn)代發(fā)酵技術的進步，微生物發(fā)酵法有望成為研究的熱點。
2.2 金屬離子螯合肽的制備
由于蛋白原料不同，酶解獲得的多肽氨基酸組成和結構也會存在差異，而且螯合的金屬離子種類也不相同，所以不同金屬離子螯合肽制備的螯合特性都會有所不同。
2.3 具有螯合活性的肽的分離純化
經蛋白酶酶解獲得的產物組成較為復雜，為了獲取純度更高的海洋來源金屬螯合多肽，通常還需要進行螯合肽的純化。肽的礦物質結合能力與其分子量和長度有關，可以通過超濾、色譜、層析等方法進行分離。
超濾利用膜兩側壓差截留水中大分子的物質，而透過水和小分子的顆粒，具有操作簡單、能耗低、對物料組分無影響、回收率高、過濾效果好等優(yōu)點[63]，在海洋活性肽分離提取中有著極為廣闊的應用前景。Yang等[64]用超濾膜制備了低分子量的膠原蛋白肽，并制成了鈣離子螯合肽，具有作為鈣補充劑的良好潛力。但超濾技術應用中也存在半透膜堵塞，造成蛋白質的轉化率降低的問題，因此也常將其與其他技術相結合來應用[59]。
色譜法是利用不同物質理化性質的差異進行分離的，不同的物質在兩相之間的分配比不同，因而在移動速度方面就產生了差別，隨著流動相的運動，混合物不同組分在固定相上相互分離，是分離純化多肽最常用的技術之一。它包括離子交換色譜、高效液相色譜、吸附色譜等，能有效地分離純化多種所需特定的肽段。Sudhakar等[65]通過離子交換和凝膠過濾色譜純化印度魷魚的水解產物，純化的肽表現(xiàn)出很強的自由基清除、金屬螯合和還原能力。Lin等[66]在羅非魚皮膚膠原蛋白鐵螯合肽的研究中，通過固定化金屬親和色譜法獲得了羅非魚皮膠原鐵螯合肽，然后通過反向高效液相色譜法對其進行純化，并通過液相色譜法進行鑒定，純化并鑒定出四種鐵螯合肽。
層析法分離效果好，條件溫和，應用廣泛，但也有分辨率不高，分離操作較慢的缺點，而色譜法具有分離效率高、分析速度快、檢測靈敏度高的優(yōu)點，因此在研究中使用多種方法結合具有更好的效果[67]。例如Zhang等[17]采用羥基磷灰石特異性親和柱層析和反相高效液相色譜分離得到了一種新的十肽，表現(xiàn)出較高的鈣結合活性。Zhang等[68]通過 Sephadex G-25 凝膠過濾色譜和 C18 反相高效液相色譜 （RP-HPLC） 從裂殖壺菌蛋白水解產物中純化出一種特異性鈣結合肽。雖然分離純化多肽的方法很多，獲取高純度、高活性的海洋來源金屬螯合肽仍然是值得關注的重點，目前多技術聯(lián)合使用的方法已展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，仍會成為未來發(fā)展的方向。
3. 海洋來源金屬螯合肽的主要生物活性
3.1 促進金屬離子的吸收，改善貧血、骨質疏松等癥狀
海洋來源金屬螯合肽能顯著提高人體對金屬離子的吸收。人體對金屬元素的補充主要有兩個方式：食補和服用金屬離子營養(yǎng)制劑[69]。其主要的吸收部位在小腸，但一般情況下金屬離子經消化道吸收率較低，且受存在形式、內源因素、加工處理、食物種類等因素影響，吸收利用率一般在10%~85%不等，部分甚至不足10%[70]。金屬螯合肽將多肽與金屬離子結合，使人體胃腸消化吸收多肽的同時吸收金屬離子，達到補充金屬離子的目的。
海洋來源鐵螯合肽能夠顯著增強人體對鐵離子和亞鐵離子的吸收。鐵在人體組織對正常生理功能的維持過程中起重要作用，是人體所必需的微量元素[69]。鐵作為血紅蛋白的組成部分，參與氧氣在人體內的運輸與儲存。除此之外，鐵不僅是大多數(shù)酶的組成部分，參與細胞代謝，還能維持正常的造血功能，增強神經系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的功能。缺鐵會導致貧血、發(fā)育不良和孕產婦死亡率增加等。鐵離子螯合肽和亞鐵離子螯合肽的攝入可以有效改善鐵缺乏癥導致的貧血。通過調整血紅蛋白、血清鐵和轉鐵蛋白水平，恢復鐵與轉鐵蛋白結合能力從而展示出抗貧血的活性。Ma等[26]使用阿拉斯加鱈魚骨架來源的亞鐵離子螯合肽對鐵缺乏癥貧血大鼠進行治療，攝入后缺鐵模型大鼠的增重、身高和血液學參數(shù)均恢復到了正常水平。袁寧等[71]從血細胞方面進行分析，用帶魚蛋白源亞鐵肽螯合治療缺鐵大鼠，治療后血液中血紅蛋白濃度和紅細胞數(shù)量顯著升高。證明其改善作用明顯。
海洋來源鈣螯合肽作為補鈣劑具有良好的效用。鈣對人體骨骼健康起著至關重要的作用，尤其是對兒童和老年人而言。鈣的攝入量和生物利用度低可能導致鈣缺乏癥，表現(xiàn)為骨組織微結構退化，導致骨脆性和骨折風險增加。Hua等[72]研究了小球藻水解肽鈣螯合物在SD大鼠體內的作用，研究發(fā)現(xiàn)，鈣螯合肽可使體重增加且增加了血清鈣、骨活性、骨礦物質密度（BMD）和骨礦物質含量（BMC）的水平，同時降低血清堿性磷酸酶（ALP）水平并抑制骨的形態(tài)學變化，證明其是有效的補鈣劑。
3.2 抑菌活性
除促進金屬離子吸收，提高生物利用率外，海洋來源金屬離子螯合肽也表現(xiàn)出良好的抑菌活性。其作用機理主要是通過引起細菌形態(tài)、細胞成分、膜電位、細胞內活性氧（ROS）水平和細胞內酶活性的變化[73]，實現(xiàn)抑菌效果。
亞鐵螯合多肽可以通過構建跨膜離子通道達到使菌體結構破壞的目的，菌體會因內部物質外流泄露而死亡。故而海洋來源多肽螯合亞鐵可以表現(xiàn)出良好的抑菌活性。鐘明杰[39]研究發(fā)現(xiàn)帶魚蛋白源亞鐵螯合肽對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均具有良好的抑菌效果。其實驗通過牛津杯雙層平板法測定該亞鐵螯合肽對金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌均有不同的抗性作用。尤其是對革蘭氏陽性菌有較好的抑菌效果。從該實驗結果中可以看出亞鐵螯合多肽的抑菌效果較好，且作用較為廣泛。
綜上，海洋來源金屬離子螯合肽在抑菌方面的作用較為廣泛，對多種常見革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌均展現(xiàn)出較好的抑菌活性，尤其對革蘭氏陽性菌有突出的抑菌效果。
3.3 抗氧化活性
人體內的未配對電子的金屬離子會催化Fenton反應產生自由基，海洋來源金屬螯合肽能夠結合這些金屬離子從而阻斷自由基的產生，在人體中表現(xiàn)出一定的抗氧化活性。同時肽和金屬離子螯合阻礙金屬與脂類和過氧化物的相互作用，從而實現(xiàn)抗氧化。海洋來源的多種不同金屬離子螯合肽如鈣離子螯合肽、亞鐵離子螯合肽、鋅離子螯合肽均對多種自由基展現(xiàn)出了較好的清除或抑制效果。
在鈣離子金屬螯合肽方面，王夢婭等[75]用硫代巴比妥酸法驗證了蟶子多肽鈣螯合物表現(xiàn)出的抗氧化活性相當于α生育酚的71.08%。Wang等[76]實驗驗證羅非魚來源鈣離子螯合肽濃縮液對羥自由基的清除率和對超氧陰離子自由基的抑制率分別為6.60%和51.67%，實驗結果顯示效果良好。
在亞鐵離子螯合肽方面，林慧敏等[77]對馬鮫魚、帶魚、鳀魚、梅童魚蛋白源亞鐵螯合肽進行自由基清除研究，四種魚類蛋白源亞鐵螯合肽均出現(xiàn)不同程度的清除羥自由基、超氧陰離子、二苯基苦基苯肼（DPPH）等自由基的活性，實驗證實了多種魚蛋白來源亞鐵螯合肽對自由基均有清除或抑制作用。
鋅離子螯合肽方面，魚蛋白來源鋅離子螯合肽可以明顯提高小鼠肝臟、血清中的鋅含量，顯著降低小鼠肝勻漿中丙二醛含量，提高總抗氧化能力[78]。同時經Yang等[78]實驗證實魚蛋白鋅離子螯合肽的抗氧化使用效果優(yōu)于同劑量的葡萄糖酸鋅或硫酸鋅。
綜上，海洋來源金屬離子螯合肽能表現(xiàn)出較好的抗氧化生物活性，在對多種自由基進行清除和抑制時均有一定的效果，并在部分應用中優(yōu)于同劑量的化學抗氧化劑。
4. 總結與展望
綜上所述，海洋來源金屬螯合肽主要的螯合模式是單齒螯合、雙齒螯合模式和α螯合模式，但是關于螯合位點的位置、空間構效、氨基酸組成序列對螯合活性影響的具體機理以及動態(tài)過程等內容，還需要進一步探索。海洋來源金屬螯合肽以超聲或微波輔助的復合酶解法為主要制備方法，采用色譜法、超濾法及層析法進行分離純化。金屬離子螯合肽可以作為金屬離子補充劑同時也具備抗菌、抗氧化等多肽功能的生物活性。目前，其主要的制備方法的研究已較為成熟，后續(xù)研究可以圍繞純化方法的工藝優(yōu)化、生物活性及其作用機制等方面展開。國內外對海洋來源的金屬離子螯合肽在螯合后與螯合前生物活性的區(qū)別與原因的研究目前較少，可進行更進一步的探索。
