樹脂法同時脫除蟲草粗多糖中色素與蛋白質(zhì)

肖 杰，姚凌云，孫 健，王曉東，袁曉凡，趙 兵，*

（1.中國科學(xué)院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室，北京100190；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049）

樹脂法同時脫除蟲草粗多糖中色素與蛋白質(zhì)

肖 杰1，2，姚凌云1，2，孫 健1，2，王曉東1，袁曉凡1，趙 兵1，*

（1.中國科學(xué)院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室，北京100190；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049）

引入綜合吸附效應(yīng)指數(shù)反映樹脂的脫色、脫蛋白以及多糖保留能力，并以該效應(yīng)指數(shù)評價了8種樹脂對蟲草粗多糖的脫色、脫蛋白效果。結(jié)果表明，D113樹脂具有理想的脫色、脫蛋白效果。在優(yōu)化的靜態(tài)吸附工藝條件下，D113脫色率可達79.5%±1.7%，脫蛋白率達82.2%±1.7%，多糖保留率達75.0%±1.8%。對D113樹脂的動態(tài)吸附性能研究表明，流速為1.5BV/h，樹脂床徑高比為1∶15，樹脂處理量為8.4mg/mL時，D113脫色率為85.1%±1.9%，脫蛋白率為85.0%±2.0%，多糖保留率為80.2%±2.2%。50%乙醇鹽酸溶液以12BV/h流速洗脫1h后，樹脂再生性能良好。

蟲草粗多糖，樹脂，脫色，脫蛋白

冬蟲夏草（Cordyceps sinensis）是我國傳統(tǒng)名貴中藥，含有蟲草素、蟲草酸、蟲草多糖等多種生理活性成分[1]，其中蟲草多糖因具有抗腫瘤、降血糖及免疫調(diào)節(jié)作用等廣泛的藥理作用而倍受關(guān)注[2-4]。由于天然蟲草資源匱乏，目前其資源主要是通過液態(tài)發(fā)酵等人工方法獲得。發(fā)酵法獲得的蟲草菌絲體經(jīng)水提醇沉即得蟲草粗多糖，但其色澤為棕紅色，并含有色素、蛋白質(zhì)及一些小分子雜質(zhì)。這不僅給多糖的分離純化、結(jié)構(gòu)鑒定及其生物活性研究帶來困難，也限制了蟲草多糖在臨床制劑和保健產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，主要采用活性炭吸附法、過氧化氫氧化法去除蟲草粗多糖中的色素，常用的脫蛋白方法為Sevage法（氯仿-正丁醇法）。但活性炭吸附以及過氧化氫氧化法的脫色效率不高，Sevage法脫蛋白效率低，多糖損失率高，且操作過程使用大量有機溶劑。因而探索高效的蟲草粗多糖脫色、脫蛋白工藝十分必要。樹脂法脫色、脫蛋白是近幾年發(fā)展起來的一種新技術(shù)[5-6]，其具有操作簡便、脫色效果好、工藝穩(wěn)定等優(yōu)勢。目前尚未見樹脂法同時脫除蟲草粗多糖中色素、蛋白質(zhì)的研究報道。為客觀評價樹脂對粗多糖脫色、脫蛋白以及多糖保留的綜合能力，實驗中引入了綜合效應(yīng)指數(shù)，并依此效應(yīng)指數(shù)對樹脂進行了篩選，對篩選出的樹脂進行了靜態(tài)、動態(tài)吸附條件以及再生條件的考察。研究方法及結(jié)果不僅為蟲草粗多糖脫色脫蛋白提供有效途徑，也為其他多糖的脫色脫蛋白過程提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

發(fā)酵蟲草菌絲體干粉 杭州雪域生物有限公司；ADS-7、NKA、D113、D72、D301、D201、ADS-8、X-5大孔吸附樹脂 南開大學(xué)化工廠；考馬斯亮藍G250 美國Sigma公司，分析純；苯酚、濃H2SO4、HCl、NaOH等 均為分析純試劑。

2802紫外可見分光光度計 中國UNIC公司；HZQ-QG恒溫振蕩器 中國哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司；FE-20精密pH酸度計 瑞士Mettler Toledo；玻璃層析柱（直徑15mm，高300mm） 北京金志業(yè)儀器設(shè)備有限責(zé)任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 蟲草菌絲體粗多糖的制備 蟲草菌絲體經(jīng)乙醇回流脫脂、烘干后，采用超聲波輔助水提，提取條件為：超聲功率300W，料液比1∶35（g∶mL），提取時間30min，提取溫度60℃，pH=5。提取液離心后，上清液濃縮至原體積的1/3，加入4倍體積無水乙醇，在4℃靜置12h，離心進行固液分離，收集固相，經(jīng)無水乙醇洗滌后于60℃下真空（-0.1MPa）干燥，得蟲草粗多糖。1.2.2 樹脂預(yù)處理 8種樹脂經(jīng)無水乙醇浸泡過夜后，按表1進行預(yù)處理。

表1 樹脂處理方法Table 1 Pretreatment methods for different resins

1.2.3 脫色率的測定 將蟲草粗多糖配制為7mg/mL溶液，對其進行全波長掃描，結(jié)果表明，該溶液無最大吸收波長。由互補色原理可知，溶液呈現(xiàn)的顏色是其吸收光的互補色。由于蟲草粗多糖溶液為橙黃色，故該溶液主要吸收藍色波段可見光。因此對450~ 530nm波長范圍內(nèi)每隔10nm測定脫色率，計算脫色率平均值，以脫色率最接近該平均值的470nm作為測定波長，并按式（1）計算脫色率：

式中：X1為脫色率，A0、At分別表征吸附前后溶液的吸光度。

1.2.4 脫蛋白率的測定 粗多糖溶液中蛋白質(zhì)的測定采用Bradford法[7]。為消除待測液pH對顯色的影響，測定前調(diào)節(jié)粗多糖溶液pH為6.5，并按式（2）計算脫蛋白率：

式中：X2為脫蛋白率，C0、Ct分別表征吸附前后溶液中的蛋白質(zhì)濃度。

1.2.5 多糖保留率的測定 粗糖溶液中多糖的測定采用苯酚-硫酸法[8]。為消除待測液pH對顯色的影響，測定前調(diào)節(jié)粗糖溶液pH為6.5，并按式（3）計算多糖保留率：

X3為吸附結(jié)束后溶液中多糖的保留率，C0′，Ct′分別表征吸附前后溶液中多糖的濃度。

1.2.6 綜合吸附效應(yīng)指數(shù)的計算 整合分析（metaanalysis）是對同一主題下多個獨立實驗結(jié)果進行綜合的統(tǒng)計學(xué)方法，被認為是目前最好的數(shù)量綜合方法，其統(tǒng)計量為效應(yīng)值[9]。為客觀評價脫色脫蛋白方法的有效性，引入綜合吸附效應(yīng)指數(shù)ζ（0≤ζ≤1），其物理意義為樹脂的脫色率、脫蛋白率以及多糖保留率的加權(quán)和。為一個無量綱的值，其值越大表明樹脂的綜合處理能力越好。其計算方法如下：

式中：ζi為樹脂的綜合吸附效應(yīng)指數(shù)；xij為樹脂的脫色率（j=1）、脫蛋白率（j=2）、多糖保留率（j=3）實驗數(shù)據(jù)；w1、w2、w3分別表示脫色、脫蛋白、多糖保留能力的權(quán)重，由于本研究旨在考察樹脂對多糖溶液的脫色及脫蛋白能力，但需兼顧處理方法對多糖的保留能力，故依重要性設(shè)定其值依次為0.4、0.4、0.2。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理與分析 所有實驗均重復(fù)三次或以上，實驗數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示，ζ值由實驗數(shù)據(jù)的平均值計算得到，數(shù)據(jù)處理軟件為SPSS 17.0，作圖軟件為OriginPro 8.0。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同樹脂的處理性能

取預(yù)處理后的ADS-7、NKA、D113、D72、D301、D201、ADS-8、X-5各5mL，按體積比1∶5加入濃度為7mg/mL的蟲草粗多糖溶液，置于恒溫振蕩器（30℃，80r/min）中，2h后取樣測定相應(yīng)的脫色率、脫蛋白率、多糖保留率，并計算ζ值，結(jié)果如表2所示。

多獨立樣本的Kruskal-Waillis分析結(jié)果顯示，樹脂種類對脫色率、脫蛋白率及多糖保留率的影響均非常顯著（P值均<0.05）。且D113的脫色能力優(yōu)于ADS-8、D301、D72、X-5、NKA（P<0.05）；D113的脫蛋白能力顯著優(yōu)于D201、D301、D72、X-5（P<0.05）；ADS-7對色素、蛋白質(zhì)的吸附效果與D113無顯著差異（P>0.05），但ADS-7的多糖保留率顯著低于D113（P<0.05）。依據(jù)ζ值大小，各種樹脂的綜合處理效果優(yōu)劣順序為：D113>ADS-7>ADS-8>D201/NKA>X-5>D301>D72。故選取D113弱酸性陽離子樹脂進行進一步實驗。

表2 八種樹脂對蟲草粗多糖溶液的處理效果Table 2 Treatment effects of eight resins on crude Cordyceps polysaccharides

2.2 D113樹脂的靜態(tài)吸附性能

2.2.1 處理量的選擇 定義每毫升樹脂處理粗多糖的毫克數(shù)為樹脂處理量（mg/mL），應(yīng)該選擇綜合吸附效應(yīng)指數(shù)較大時的最大處理量。分別向5mL處理后的D113濕樹脂中加入初始濃度為1.6、2.8、4.2、5.6、7.2mg/mL的蟲草粗多糖25mL（處理量依次為8、14、21、28、36mg/mL），置于30℃，80r/min恒溫振蕩器中，2h后取樣測定，結(jié)果如圖1所示。

圖1 處理量對D113樹脂處理效果的影響Fig.1 Effect of loading capacity on the treatment performance of D113

圖2 pH對D113樹脂處理效果的影響Fig.2 Effect of pH on the treatment performance of D113

隨處理量增加，樹脂的脫色、脫蛋白效果呈線性降低；相反，其多糖保留率呈線性增加的趨勢。綜合吸附效應(yīng)指數(shù)ζ的變化更加直觀地反映了樹脂處理效果隨處理量增加而逐漸降低的趨勢。當處理量為8mg/mL時，ζ值最大，但當處理量增加到14mg/mL時，ζ值變化不大?？紤]到樹脂的利用率問題，處理量應(yīng)控制為14mg/mL，這樣既能達到較好的脫色脫蛋白效果，又使得樹脂具有較高利用率。因此，后續(xù)靜態(tài)吸附實驗中將粗多糖溶液的濃度確定為與之相對應(yīng)的2.8mg/mL，上樣體積為柱體積的5倍。

2.2.2 pH的選擇 pH通過影響糖液中色素、多糖以及蛋白質(zhì)的解離狀態(tài)而影響其與樹脂的吸附作用，因而，有必要考察pH對D113樹脂處理效果的影響。分別向5mL預(yù)處理后的D113濕樹脂加入pH為5.5、6.0、6.5、7.0、7.5的蟲草粗多糖溶液（2.8mg/mL）25mL，使樹脂處理量為14mg/mL，置于30℃，80r/min恒溫振蕩器中處理2h，結(jié)果如圖2所示。

結(jié)果顯示，溶液酸堿度對樹脂的吸附行為有較大影響。當糖液pH為7.0時，樹脂對蛋白質(zhì)和色素的吸附能力顯著降低，其原因可能是中性條件下不利于多糖蛋白質(zhì)及色素分子的解離，從而影響其與弱酸性離子交換樹脂D113的結(jié)合效率。pH除影響樹脂對色素分子的吸附能力以外，還可能對色素分子的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。當pH=6.5時綜合吸附效應(yīng)指數(shù)ζ最高，表明該pH條件下，樹脂D113對蛋白質(zhì)及色素的吸附能力較強，而對多糖的吸附能力較弱。通過測定，粗糖液的初始pH為6.5，因此蟲草粗多糖在用樹脂吸附前不需調(diào)整pH。

2.2.3 處理時間的選擇 分別向5mL預(yù)處理后的D113濕樹脂加入初始濃度為2.8mg/mL蟲草粗多糖25mL，置于30℃，80r/min恒溫振蕩器中，每隔30min取樣測定，實驗結(jié)果見圖3。

圖3 不同脫色時間對D113樹脂處理效果的影響Fig.3 Effect of treatment time on the treatment performance of D113

結(jié)果表明，處理90min時，樹脂的綜合吸附效應(yīng)指數(shù)達到最高，延長處理時間不但對脫色脫蛋白效果貢獻不大，而且使溶液中多糖保留率不斷降低。故處理時間應(yīng)控制在90min，此時脫色率達79.5%±1.7%，脫蛋白率為82.2%±1.7%，多糖保留率為75.0%±1.8%。

2.3 D113樹脂的動態(tài)吸附實驗

2.3.1 上柱流速對樹脂動態(tài)吸附性能的影響 稱取預(yù)處理后的濕樹脂，濕法裝柱至柱床體積（BV）為15mL。配制2.8mg/mL的蟲草粗多糖溶液，分別以1.5、2.5、3.5BV/h流速在同一實驗條件下進行動態(tài)吸附，測定每BV流出液的即時脫色率、脫蛋白率及多糖保留率，并計算ζ值。為更好地描述上柱流速對樹脂動態(tài)吸附性能的影響，在上樣初始階段還測定了0.5BV時的ζ值。分別以流出液的BV數(shù)及相應(yīng)的ζ值為橫縱坐標作如圖4所示動態(tài)洗脫曲線。

實驗結(jié)果表明，隨上柱流速增加，相同處理容量下樹脂的綜合吸附效應(yīng)指數(shù)減小，表明處理效果不斷降低。當上柱流速為1.5BV/h時，樹脂在處理容量為3BV時ζ值降低顯著，表明該點為該條件下的滲漏點，由此計算得到粗多糖及樹脂的比值應(yīng)為8.4mg/mL。而2.5BV/h及3.5BV/h的上柱流速下ζ值在2BV時即出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。這是由于流速慢有利于色素及蛋白質(zhì)在樹脂上進行粒擴散和膜擴散，從而與樹脂內(nèi)部進行離子交換，樹脂利用率較大，脫色脫蛋白效果較好。而當流速較大時，溶液與樹脂接觸的時間較短，色素不能充分進行擴散就流出樹脂床，當樹脂表面的可交換離子被交換后，樹脂工作吸附量下降，“穿透”現(xiàn)象出現(xiàn)較早，樹脂處理性能降低。

圖4 上柱流速對樹脂動態(tài)吸附性能的影響Fig.4 Effect of flow rate on the dynamic absorption performance of resin

2.3.2 徑高比對樹脂動態(tài)吸附性能的影響 取不同體積濕樹脂濕法裝柱，使其徑高比分別為1∶5、1∶10、1∶15和1∶20。取2.8mg/mL粗多糖溶液，按8.4mg/mL的樹脂處理量以1.5BV/h流速進行上柱，檢測洗脫結(jié)束時脫色率、脫蛋白率、多糖保留率，并計算ζ值，結(jié)果見圖5。

圖5 徑高比對樹脂動態(tài)吸附性能的影響Fig.5 Effect of ratio of diameter to height on the dynamic absorption performance of resin

結(jié)果表明，隨徑高比增大，ζ值增大，并在1∶15時達到平衡，因此徑高比確定為1∶15較為合適，此時脫色率為85.1%±1.9%，脫蛋白率為85.0%±2.0%，多糖保留率為80.2%±2.2%。

2.4 D113樹脂再生條件的選擇

表3 不同再生溶劑的再生效果比較Table 3 Comparison of different regenerate solutions on the regenerate effect

為提高樹脂利用率，需要對樹脂進行再生。分別向盛有5mL已吸附平衡D113樹脂的三角瓶中加入1mol/L HCl、1mol/L NaOH、30%乙醇、50%乙醇和50%乙醇配制的1mol/L HCl各25mL。置于30℃，80r/min恒溫振蕩器中，12h后取樣分別測定溶液在470nm處的吸光度值以及溶液經(jīng)考馬斯亮藍測蛋白反應(yīng)后在595nm處的吸光度值，二者值越高表明洗脫液中的色素及蛋白質(zhì)含量越高，再生溶劑的效果越好。表3結(jié)果顯示，酸液的再生效果較堿液及乙醇溶液好，其中以50%乙醇配制的1mol/L鹽酸溶液對色素及蛋白的洗脫效果最佳。

室溫25℃下，以50%乙醇鹽酸溶液作為再生溶劑，以12BV/h的流速對已吸附飽和的樹脂（柱體積為25mL）進行動態(tài)解析實驗，初始10min內(nèi)每2.5min測定一次洗脫液在470nm處的吸光度值，之后每5min測定一次洗脫液吸光度值，結(jié)果如圖6所示。

圖6 D113樹脂的再生洗脫曲線Fig.6 Regenerate curve of D113

洗脫1h后，洗脫液色澤接近無色，再生后的樹脂呈米白色。以再生后的樹脂進行脫色實驗，流速為1.5BV/h，處理量為3BV時，脫色率為79.2%±1.8%，脫蛋白率為81.0%±1.2%，多糖保留率為75.2%±1.4%，說明樹脂再生后脫色性能變化不大，樹脂再生性能良好。

3 結(jié)論

D113樹脂對蟲草粗多糖溶液具有理想的脫色、脫蛋白效果。靜態(tài)吸附實驗表明：30℃，處理容量為14mg/mL，糖液pH為6.5，靜態(tài)吸附平衡1.5h時，樹脂對糖液的脫色率可達79.5%±1.7%，脫蛋白率達82.2%±1.7%，多糖保留率達75.0%±1.8%。上柱流速及徑高比對樹脂的動態(tài)吸附均有一定影響，流速為1.5BV/h，柱床徑高比為1∶15條件下，當樹脂處理量為8.4mg/mL時，D113樹脂對粗多糖溶液的脫色率為85.1%±1.9%，脫蛋白率為85.0%±2.0%，多糖保留率為80.2%±2.2%。以50%乙醇鹽酸溶液以12BV/h流速洗脫1h后，樹脂再生性能良好。

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Simultaneous removal of pigment and protein in crude Cordyceps polysaccharide by resin

XIAO Jie1，2，YAO Ling-yun1，2，SUN Jian1，2，WANG Xiao-dong1，YUAN Xiao-fan1，ZHAO Bing1，*
（1.National Key Laboratory of Biochemical Engineering，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The integrated absorption index was introduced to evaluate the decolourization，deprotein and polysaccharides retaining capacity of resins.The decolourization and deprotein effects of 8 resins upon crude Cordyceps polysaccharides solution were screened based on the index.The results showed that D113 resin had the best decolourization and deprotein effects.Under optimum static adsorption conditions，the decolorization rate，deprotein rate and recovery rate of polysaccharide were 79.5%±1.7%，82.2%±1.7%and 75.0%±1.8%，respectively.When the dynamic absorption capacity was 8.4mg/mL（the flow rate was 1.5BV/h，the ratio of diameter to height of the resin column was 1∶15），the decolorization rate，deprotein rate and recovery rate of polysaccharide were 85.1%±1.9%，85.0%±2.0%and 80.2%±2.2%，respectively.When eluted by 1mol/L HCl（prepared by 50%ethanol solution）at the flow rate of 12BV/h for 1h，the resin was regenerated completely.

crude Cordyceps polysaccharide；resin；decolourization；deprotein

TS201.1

B

1002-0306（2012）07-0236-05

2011－06－03 *通訊聯(lián)系人

肖杰（1985-），女，碩士研究生，研究方向：天然產(chǎn)物提取與分離。

西部行動計劃高新技術(shù)項目（KGCX2-YW-509）。