葫芦科（Cucurbitaceae）生物活性肽：从鉴定、健康促进功能到工业利用

《Food Science & Nutrition》：Bioactive Peptides From the Cucurbitaceae Family: From Identification and Health-Promoting Functions to Industrial Utilization

　　

葫芦科（Cucurbitaceae）是植物界（Plantae）内的一个主要科，涵盖西葫芦、南瓜、甜瓜等常见农作物。随着人们对从各种植物来源发现新型生物活性肽（bioactive peptides, BPs）的兴趣日益浓厚，葫芦科作物已成为分离营养强化肽的热门候选者，因为其在营养和制药领域具有多种应用，且经实验证实具有抗高血压、抗糖尿病、抗菌和抗癌等特性。然而，目前的研究仅限于该科内少数经济上重要的物种，且以种子为中心，对其体外功能特性的体内和临床验证有限。在这篇综述中，研究人员总结了迄今为止以英文发表的同行评议原始蛋白质组学研究和综述，涵盖从蛋白质提取到水解、鉴定和功能表征以及其工业转化的肽生产全过程，排除了那些未经标准功能验证的研究。这项工作讨论并评估了BP发现和工业利用中所应用的方案、局限性和挑战，强调了研究不足的葫芦科植物作为新型BP潜在来源的意义，并为拓宽未来研究范围、提供与植物源肽发现相一致的机遇提供了见解。

1 引言

生物活性肽（BPs）是由2–20个氨基酸残基组成的短链，能够对活细胞产生可测量的生理效应，可分为内源性肽和外源性肽。植物来源的BPs因其来源广泛、成本较低且符合文化接受度而备受关注。葫芦科包含约1000个物种，其中南瓜、黄瓜、西瓜等作物具有全球性经济意义。葫芦科作物富含类胡萝卜素、酚类等生物活性物质，其种子蛋白可提供多种必需氨基酸，并表现出抗糖尿病、抗氧化和降血压等健康功效。然而，目前对葫芦科BP的研究集中在少数经济物种的种子蛋白上，缺乏组织和物种多样性，且体内与临床验证不足。本综述旨在系统总结葫芦科BPs的鉴定方法、功能特性、工业应用现状及关键科学缺口。

2 生产与鉴定

2.1 葫芦科组织中的蛋白质与肽

葫芦科不同物种及组织的蛋白质含量差异显著。例如，西瓜干果皮粗蛋白含量约为19.1%，而西瓜种子干基粗蛋白含量可达25.2%–37%，这归因于种子中丰富的贮藏蛋白。蛋白质提取通常面临植物细胞壁结构复杂等挑战，传统固液萃取法通过选择适当pH和溶剂进行碱溶酸沉，虽广泛使用但存在溶剂消耗大、耗时长和选择性低等局限。新兴方法如超声辅助提取（UAE）和微波辅助提取（MAE）可提高效率和产量，如利用超声-微波联用结合低共熔溶剂从南瓜种子中提取蛋白质，产率可达93.95%。此外，干燥、研磨和脱脂等前处理步骤可进一步提升提取效果，且在提取后需通过离心和等电点沉淀去除共提取的酚类干扰物。

2.2 提取蛋白质的水解

2.2.1 酶水解

酶解是制备BPs的常用方法，受酶种类、水解度（DH）、酶/底物比（E/S）及反应条件影响。例如，胃蛋白酶水解南瓜种子蛋白所得<1 kDa组分表现出最高的ACE抑制活性。相比单一酶，顺序或组合酶体系通常可提高DH并产生更多低分子量肽，但酶解产物的生物活性不一定随DH增大而增强，因为肽的活性取决于氨基酸组成、活性位点位置以及降解稳定性。部分低分子量肽可能在发挥作用前被降解，而较高分子量肽则可能因耐降解而保留活性。

2.2.2 微生物发酵

微生物发酵利用细菌或真菌产生的蛋白酶分解底物蛋白，例如乳酸菌发酵黄瓜可产生具有ACE抑制活性的寡肽。与酶解相比，发酵可降低酶纯化成本，但可能产生生物胺、亚硝酸盐等不良副产物，并存在温度稳定性问题。超声、微波、欧姆加热和冷等离子体等新型预处理技术可用于改善发酵效率和质量。

2.3 蛋白质片段的纯化与分级

水解产物需经过分级富集目标肽。超滤根据分子量截留（MWCO）进行初步分离，低分子量组分通常表现出更高生物活性，如南瓜种子蛋白水解物中<1 kDa组分具有最强ACE和DPP-IV抑制作用。尺寸排阻色谱（SEC）与反相高效液相色谱（RP-HPLC）可进一步精细分离，其中RP-HPLC与质谱（MS）兼容性更好，二者联用可提高鉴定效率。总体而言，葫芦科肽的生产仍处于探索阶段，多依赖常规酶解和体外分析，方法学多样性低于豆类和谷类。

3 葫芦科来源BPs及其功能特性

3.1 抗高血压活性

高血压的关键机制是血管紧张素转换酶（ACE）将血管紧张素I转化为血管紧张素II。已从发酵黄瓜中鉴定出IPP、LPP、VPP和KP等短肽，其中KP含量在发酵样品中显著更高。南瓜籽粕来源的SNHANQLDFHP和PVQVLASAYR具有ACE抑制和ACE2上调双重活性，且前者在模拟胃肠消化后活性增加14.03%。西葫芦种子蛋白酶解物的<1 kDa组分ACE抑制率可达83.27%。但现有结果多限于体外验证，缺乏体内证据。

3.2 抗氧化活性

葫芦科肽可通过清除自由基、螯合金属离子及抑制脂质过氧化发挥抗氧化作用。从西瓜子蛋白水解物中鉴定出RDPEER、KELEEK、DAAGRLQE、LDDDGRL和GFAGDDAPRA五个肽段，其中RDPEER抗氧化能力最强，其DPPH和ABTS清除的IC₅₀分别为0.216–0.435 μM和0.54–1.23 μM。此外，<1 kDa西瓜子肽可通过激活Nrf2/HO-1通路保护H₂O₂诱导的巨噬细胞。来自冬瓜种子的抗菌肽hispidalin同时具有70.8%的DPPH清除率和69.5%的脂质过氧化抑制率。西葫芦油饼蛋白酶解物也表现出增强的抗氧化性和较宽的pH及温度稳定性。

3.3 抗菌活性

葫芦科AMP是植物防御系统的重要组分。黄瓜种子蛋白对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等具有抑制作用，其中对大肠杆菌的活性最强。Hispidalin对多种细菌和真菌（如肠炎沙门氏菌、黄曲霉）表现出强抑制效果，与商品抗菌剂相当。南瓜种子中发现的cucurmoschin对灰葡萄孢、尖孢镰刀菌等植物病原真菌具有抗真菌活性，其IC₅₀为1.2 μM，N端的精氨酸、谷氨酸和甘氨酸可能参与其抗真菌作用。

3.4 抗癌活性

葫芦科中苦瓜属物种是抗癌肽的重要来源。刺苦瓜种子蛋白的<30 kDa组分可抑制MCF-7乳腺癌细胞生长达93.2%。从木鳖子中分离的MCoCC-1和MCoCC-2两个肽段对人黑色素瘤细胞MM96L具有毒性，其中MCoCC-1无溶血作用。苦瓜种子中鉴定出的BG-4肽具有比大豆更强的胰蛋白酶抑制活性，可在16小时内将结肠癌细胞凋亡率从8.5%提升至31.9%。

3.5 抗糖尿病活性

苦瓜属肽类已表现出显著降血糖潜力。从苦瓜中分离的MC1-2-5肽（GHPYYSIKKS）口服给药后2小时和4小时分别使糖尿病小鼠血糖降低61.7%和69.2%。苦瓜中的多肽-p在人体和动物模型中皮下注射均显示降糖效果。来自罗汉果的Mcy蛋白可抑制α-葡萄糖苷酶和醛糖还原酶，并改善糖尿病大鼠的糖代谢酶活性。西瓜种子蛋白酶解物则通过抑制α-淀粉酶活性表现出体外降糖效应。

4 葫芦科植物BPs的工业应用及潜在挑战

4.1 食品与饲料工业

葫芦科BPs在食品工业中可用于改善乳化性、风味和营养品质。南瓜种子蛋白的胃蛋白酶水解物比完整蛋白分离物具有更高的乳化性能。Hispidalin已被用作猪肉保鲜剂，在4°C储存条件下通过清除自由基和抑制细菌生长延长货架期。在饲料领域，西瓜皮粉可作为天然L-瓜氨酸来源添加至雏鸡日粮，提升血浆L-瓜氨酸水平，但并未产生显著的抗热应激效应。

4.2 制药工业

葫芦科BPs在制药领域主要应用于抗菌及降糖药物开发。Hispidalin兼具抗菌和抗氧化双重功能，可作为药物防腐剂。苦瓜中的多肽（<10 kDa）已获得欧洲专利（EP 1005274 B1），其口服降糖效果受到保护。苦瓜果肉蛋白提取物皮下注射可显著降低糖尿病大鼠血糖，因其具有缓慢的胰岛素促泌和胰岛素模拟活性，苦瓜因此被称为“植物胰岛素”。

4.3 植物源肽面临的挑战

植物源BPs的工业应用面临三大挑战：苦味、不稳定性和规模化生产难题。肽的苦味与疏水性氨基酸有关，常用脱苦方法包括溶剂萃取、超滤和色谱分离，这些方法虽然有效但增加成本且可能导致活性损失。BPs在生产加工和胃肠消化中易降解，需通过纳米材料、多糖或脂质体包埋提高稳定性。天然肽产量低，规模化需要大量原料和纯化资源。化学合成特别是固相肽合成成本高，且难以进行二硫键和翻译后修饰；重组DNA技术被视作替代方案，但宿主选择至关重要，例如hispidalin在毕赤酵母中重组表达可保持抗菌活性，而在大肠杆菌中则缺乏预期效果。

5 未来展望

植物源BPs在营养和制药领域前景广阔，但葫芦科BPs目前仍缺乏体内动物研究和临床试验证据。建立人体试验中的生物利用度、药代动力学和安全性数据是实现转化的关键。由于葫芦科来源肽尚无监管先例，上市前需满足新食品原料的毒理学、纯度、稳定性和活性一致性要求。机器学习（ML）和人工智能（AI）等计算工具可加速肽发现，并与蛋白质基因组学方法结合，从而在非模式葫芦科物种中发现结构新颖的活性肽。未来研究还应关注叶片、果皮等非种子组织，将农业副产物转化为高附加值肽源，符合循环经济理念。同时，需要开发有效的递送系统以提高肽的稳定性和生物利用度。最后，将葫芦科肽与豆科、谷类来源肽进行系统比较，明确其结构独特性和功能优势，有助于推动其在功能食品和药物市场的应用。本综述认为，葫芦科是一个尚未充分开发利用的BPs来源，值得进一步深入研究和转化开发。