Раскрытие потенциала: изучение возможностей применения биоактивных пептидов в аквакультуре

Биологически активные пептиды (BAPs), включающие обычно 2–20 аминокислот, характеризуются уникальными функциями и активно изучаются. Они могут быть классифицированы на эндогенные и экзогенные виды. Применение BAPs в рационах является эффективным методом, повышающим устойчивость гидробионтов к стрессовому воздействию и патогенной инфекции. Кроме того, включение BAPs улучшает перевариваемость пищи и способствует росту рыбы и креветок. Настоящий обзор охватывает современные исследования, направленные на использование антиоксидантов, антибиотиков, антивирусов, противовоспалительных и иммуностимулирующих пептидов в аквакультуре. Обзор также рассматривает некоторые распространенные дипептиды и трипептиды, помогающие решать проблемы низкой усвояемости, высоких производственных расходов и нестабильности свободных аминокислот.

Рыба и морепродукты нуждаются в большем потреблении белка для оптимального роста и максимальной продуктивности. Белки, поступающие с пищей, в процессе пищеварения превращаются в низкомолекулярные пептиды и отдельные аминокислоты, которые затем всасываются в кровь. Питательные вещества, поставляемые пептидами, играют такую же важную роль, как и пищевые аминокислоты. Исследования показывают, что многие дипептиды и трипептиды способны проникать внутрь организма напрямую. Специальные транспортные системы (например, PepT1 и PepT2) облегчают быстрое поглощение коротких пептидов клетками кишечника, минуя стадию предварительного расщепления до отдельных аминокислот.

Сегодня функциональная роль белков выходит далеко за пределы простого снабжения питанием. Структура некоторых белков включает специальные участки, обеспечивающие разнообразные биологические эффекты. Такие пептиды освобождаются либо путем предобработки исходного материала (ферментативный гидролиз или ферментация), либо при переработке корма или непосредственно в кишечнике животного. Освобожденные биологически активные пептиды демонстрируют целый ряд свойств, таких как противовоспалительное, гипогликемическое, бактерицидное, иммуномодулирующее и антиоксидантное. Наряду с экзогенными пептидами, организм сам производит эндогенные БАП, например, глутатион (GSH) и гепсидин. Многие антимикробные пептиды (AMPs), важные для защиты от болезней, естественным образом производятся животным организмом, демонстрируя ключевую роль в обеспечении устойчивого развития аквакультуры.

Обширные исследования показали отсутствие полного анализа применения разных типов BAPs в аквакультуре. Данный обзор стремится охватить весь цикл производства BAPs, начиная с ферментативного гидролиза, заканчивая очисткой и выбором подходящего источника сырья. Рассматриваются перспективы применения пептидов в рационе водных животных, иммунной регуляции и предотвращении заболеваний, создавая возможности для дальнейшего научного прогресса.

Получение BAPs

Ферментативный гидролиз
Методы синтеза, применяемые для выделения биологически активных пептидов, включают рекомбинантную технологию ДНК, химический синтез, химический гидролиз, микробиологический гидролиз и ферментативный гидролиз. Первый метод чаще всего используется для детального изучения механизмов действия известных пептидов. Химичеcкий синтез идеально подходит для малых пептидов, однако большие пептидные цепи подвержены разрушению в клетках микроорганизмов при применении методов рекомбинации ДНК. Традиционный химический гидролиз характеризуется значительным количеством химических реактивов, что негативно влияет на окружающую среду и стабильность аминокислот. Так, ученые Норвегии применяют органические кислоты для переработки рыбных отходов, обеспечивая эффективное получение полезных компонентов. Микробиологическое брожение помогает снизить уровень антипитательных элементов в растительных белках, выделяя много протеаз и увеличивая выход биологически активных пептидов. Недостатки этого способа включают риск контаминации нежелательной флорой и длительный период ферментации, приводящие к снижению качества продукции. Напротив, ферментативный гидролиз отличается удобством контроля, хорошей повторяемостью результатов, минимальной энергозатратностью и доступностью для массового производства, что объясняет его популярность среди производителей.

Механизм ферментативного гидролиза заключается в распаде крупных белков на меньшие фрагменты посредством действия протеаз. Специфичность каждого вида протеазы определяет её способность разрывать пептидные связи в конкретных точках. Например, трипсин нацелен на остатки лизина и аргинина, тогда как алкалаза действует преимущественно на гидрофобные участки. Выделение желаемого активного пептида предполагает проведение первоначального отбора подходящей протеазы. Использование покрытых катализаторов в промышленности даёт значительные преимущества, так как позволяет проводить реакцию в мягком режиме и минимизировать образование побочных продуктов вследствие авторазрушения ферментов.

Для увеличения выхода биологически активных пептидов необходимы условия, благоприятствующие эффективности ферментативного гидролиза. Важнейшие факторы включают температуру, рН, концентрацию субстрата и продолжительность реакции. Методы статистического планирования экспериментов, такие как центральные композиционные планы и план Бокса-Бенкена, позволяют подобрать оптимальные значения этих переменных.

Эффективность ферментативного гидролиза сильно зависит от подготовленности белкового субстрата. Современные инновационные подходы к обработке, такие как омический нагрев, ультразвуковое воздействие, высокое гидростатическое давление, микроволновая экстракция и гидролиз в сверхкритической жидкости, направлены на повышение эффективности гидролиза. Важно учитывать, что высокая степень деструкции при ферментативном гидролизе иногда сопровождается потерей биологической активности, что диктует необходимость последующей глубокой очистки.

Разделение и очистка
Гидролизаты представляют собой сложный комплекс, содержащий смесь биоактивных и неактивных фрагментов. В ситуациях, когда гидролизаты предназначаются для фармацевтических целей или использования в качестве иммуномодуляторов, обязательна процедура очистки и отделения активных пептидов. Основные различия между фрагментами заключаются в размере, электрозаряде и физико-химических характеристиках, что усложняет процесс сепарации. Чаще всего применяется хроматография, позволяющая распределять пептиды по различным признакам, таким как масса, заряд, гидрофобность и способность к обратимому взаимодействию с лигандами. Несмотря на высокую точность, хроматографическое оборудование ограничено объемом перерабатываемого раствора и необходимостью больших объемов дорогих и токсичных растворителей, что ограничивает промышленное применение метода.

Альтернативой выступает мембранная фильтрация, представляющая более технологичное решение благодаря большей пропускной способности и гибкости настройки. Принцип селективной проницаемости позволяет разделять компоненты раствора на основании размера частиц, заряда и других характеристик. Среди популярных видов мембранных фильтров наиболее распространены ультра-, нано- и микрофильтрация, каждая из которых применяется в зависимости от требуемой степени очистки. Одним из инновационных подходов является электродиализ с использованием ультрафильтрации (EDUF), позволяющий разделять положительно и отрицательно заряженные пептиды, используя электрическое поле. Система EDUF способна обеспечить одновременное выделение нужных пептидов из сложной смеси.

Последние тенденции в технологии производства предполагают внедрение ферментативных мембранных реакторов (EMR), объединяющих стадии ферментативного гидролиза и мембранного разделения. В рамках EMR-приложений протезы закреплены на поверхности мембраны, предотвращая разрушение ферментов в процессе гидролиза. Хотя данная методика остается дорогой и сложной в управлении, традиционные EMR-реакторы со свободно циркулирующим ферментом продолжают доминировать в практике. Такой подход предусматривает отделение продуктов гидролиза от ферментов, позволяя непрерывно получать высококачественный пептидный материал.

Подбор сырьевого ресурса
Большинство современных исследований нацелены на изучение традиционных источников белка, таких как соя, яйца, молоко и казеины, исходя из потребностей здорового питания и пищевой индустрии. Но в последнее время внимание исследователей переключается на альтернативные источники белка, богатые ценными ресурсами и способные уменьшить отходы производства. Это включает сырье растительного происхождения (арахисовая мука, семена рапса, хлопковый шрот, водоросли), животные ресурсы (рыбные и мясные отходы) и даже одноклеточные организмы (микроводоросли, насекомые, дрожжи). Все перечисленное открывает новые горизонты для получения высокоценных пептидов.

Настоящая работа подтверждает значимость BAPs в рационах водных животных, подчёркивая их позитивное влияние на здоровье, улучшение показателей роста и сопротивляемость заболеваниям. Перспективы применения зависят от правильного выбора формы добавки (гидролизаты, чистые пептиды или комбинации), но существующие пробелы в научных знаниях указывают на необходимость расширения исследований, особенно касающихся обогащенных белковыми компонентами рационов.

Источник:  Animal Nutrition