超聲輔助提取紫貽貝加工下腳料抗菌肽工藝優(yōu)化

張 玥 楊玉霞 時(shí)光宇 趙莘芷 潘淵博 徐瓊怡

(浙江海洋大學(xué)東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316000)

紫貽貝(MytilusedulisLinnaeus)俗稱“海紅”“淡菜”，廣泛分布于中國黃海、渤海、東海和南海北部，是中國主要的海洋經(jīng)濟(jì)貝類。紫貽貝生產(chǎn)季節(jié)性強(qiáng)、產(chǎn)量大、鮮活易腐不耐貯藏，會(huì)產(chǎn)生大量的加工下腳料——含閉殼肌的熟貝殼、蒸煮液、受損的和小規(guī)格(<6 cm)的紫貽貝(蛋白含量為10%～23%)等[1]。目前，該下腳料的利用研究主要集中于貝殼和蒸煮液，如貝殼粉(CaCO3)/貝殼煅燒粉(CaO)作為聚丙烯塑料填充料[2]和食源性致病菌抑菌劑[3]等，蒸煮液制備海鮮調(diào)味品[4]等，而受損/小規(guī)格紫貽貝的利用研究相對較少，Beaulieu等[5]利用復(fù)合蛋白酶水解受損/小規(guī)格紫貽貝制備抗增殖活性多肽。

近年來，隨著細(xì)菌對抗生素耐藥性、抗生素殘留等問題日益嚴(yán)重，亟需尋找新型抗菌活性物質(zhì)。濾食性動(dòng)物貽貝長期生活在富含各種微生物水環(huán)境中(菌落總數(shù)高達(dá)6 lg CFU/mL)[6]，由于貽貝缺乏特異性的免疫系統(tǒng)，所以其免疫防御主要通過細(xì)胞(吞噬、包囊和呼吸爆發(fā)等)和體液(凝集素、溶酶體酶、抗菌因子等)進(jìn)行免疫防御[7]。相對于其他雙殼貝類而言，抗菌肽在貽貝抵御致病菌侵襲中發(fā)揮著重要作用[8]?？咕木哂幸志钚詮?qiáng)、抑菌譜廣、不產(chǎn)生耐藥性以及無有害殘留等優(yōu)點(diǎn)。目前，從貽貝的血細(xì)胞、鰓和消化腺中鑒定出多種抗菌肽，按其序列特征可分為6個(gè)家族[9]，即defensins、myticins、mytilins、mytimycins、big defensins和mytimacins。常見的貽貝抗菌肽制備方法有：① 利用甲醇[10]、乙酸溶液[11]、三氟乙酸溶液[12]、Tris-HCl/磷酸鹽緩沖液[13]等試劑浸漬提取貽貝抗菌肽，該方法可完全保持抗菌肽原有生物活性，但得率低且需大量原材料；② 采用化學(xué)合成法[14-15]，該方法存在成本高以及溶劑殘留等問題。

超聲波輔助提取法因超聲波機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)等特性具有得率高、提取時(shí)間短、溶劑使用量少等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)及酶的提取[16]。黃占旺等[17]對鯉魚魚卵中魚精蛋白的超聲波輔助硫酸提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，超聲波輔助提取技術(shù)可使硫酸濃度和提取時(shí)間分別由7.5%、2 h減至5.0%、20 min，且獲得的魚精蛋白具有較高抑菌活性；Yuan等[18]研究解淀粉芽孢桿菌(B.amyloliquefaciensstrain NJN-6)發(fā)酵液中抗真菌脂肽(iturin A和fengycin)的超聲波輔助正丁醇提取工藝，發(fā)現(xiàn)在超聲波功率200 W、提取時(shí)間8 min、提取次數(shù)2次、正丁醇與發(fā)酵液體積比3∶25條件下抗真菌脂肽得率最高。而有關(guān)超聲輔助提取貽貝抗菌肽的研究尚未見報(bào)道。試驗(yàn)擬采用超聲輔助乙酸提取紫貽貝加工下腳料中的抗菌肽，并對其提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期建立一種工藝操作便捷合理、得率高和抑菌活性好的提取工藝，為紫貽貝加工下腳料的開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫貽貝加工下腳料：受損的和小規(guī)格的紫貽貝，收集后速凍并裝入碎冰泡沫箱，舟山市某水產(chǎn)公司；

金黃色葡萄球菌(GIM1.178)：廣東省微生物菌種保藏中心；

胰酪大豆胨液體培養(yǎng)基(Trypticase Soy Broth Medium，TSB)、胰酪大豆胨瓊脂培養(yǎng)基(Trypticase Soy Agar Medium，TSA)：杭州微生物試劑有限公司；

冰乙酸：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

組織搗碎機(jī)：Waring-8010S型，美國Waring公司；

超聲波清洗器：SK5210HP型，上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司；

冷凍干燥機(jī)：LGJ-10型，北京松原華興科技發(fā)展有限公司；

立式壓力蒸汽滅菌器：BXM-50M型，上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司；

生化培養(yǎng)箱：SPX-150B-Z型，上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 抗菌肽的制備

(1) 超聲輔助乙酸法：采用先煮沸，再勻漿，然后超聲輔助提取工藝。紫貽貝加工下腳料(受損的和小規(guī)格的紫貽貝)半解凍后取肉、清洗、瀝干。準(zhǔn)確稱取40 g紫貽貝肉加入至500 mL藍(lán)蓋螺口試劑瓶中，加入一定體積的預(yù)熱至80 ℃的一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙酸溶液，沸水浴30 min，冰水浴中冷卻至室溫，混合物倒入勻漿器中，18 000 r/min 勻漿20 s，倒入燒杯中，置于冷卻水循環(huán)的超聲波清洗器內(nèi)，超聲提取抗菌肽，12 000 r/min離心30 min，上清液凍干后即為紫貽貝抗菌肽。

(2) 傳統(tǒng)乙酸法：下腳料預(yù)處理同超聲輔助乙酸法，準(zhǔn)確稱取40 g紫貽貝肉加入至500 mL藍(lán)蓋螺口試劑瓶中，加入一定體積的預(yù)熱至80 ℃的一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙酸溶液，沸水浴30 min，冰水浴中冷卻至室溫，18 000 r/min勻漿20 s，倒入燒杯中，置于冷卻水循環(huán)的超聲波清洗器內(nèi)，浸漬提取一定時(shí)間后，12 000 r/min離心30 min，上清液凍干后即為紫貽貝抗菌肽。其中，乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、液料比和提取時(shí)間均為相應(yīng)超聲輔助乙酸法的優(yōu)化工藝條件。

1.3.2 超聲輔助乙酸法提取工藝優(yōu)化

(1) 單因素試驗(yàn)：考察不同乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲提取時(shí)間、液料比對抗菌肽得率的影響，其基本提取條件為超聲功率200 W、乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%、超聲提取時(shí)間15 min、液料比(V乙酸∶m紫貽貝)6∶1 (mL/g)，分別考察乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.2%，0.4%，0.8%，1.6%，2.0%)、超聲提取時(shí)間(5，10，15，20，25 min)、液料比[V乙酸∶m紫貽貝分別為2∶1，4∶1，6∶1，8∶1，10∶1 (mL/g)]對多肽得率和抑菌活性的影響。

(2) 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)：在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲提取時(shí)間、液料比為自變量，抗菌肽得率為響應(yīng)值，采用Box-Benhnken中心組合原理，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，優(yōu)化超聲輔助乙酸提取紫貽貝下腳料抗菌肽工藝。

1.3.3 抗菌肽得率測定 采用Bradford等[19]的方法測定上清液中總蛋白含量，以牛血清蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)物，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(y=0.003 6x+0.286，R2=0.995 1)。按式(1)計(jì)算抗菌肽得率。

(1)

式中：

Y——抗菌肽得率，%；

c——上清液中總蛋白濃度，mg/L；

v——上清液體積，mL；

m——紫貽貝肉質(zhì)量，g。

1.3.4 抑菌試驗(yàn) 采用瓊脂打孔法檢測紫貽貝加工下腳料抗菌肽的抗菌活性。用0.02 mol/L pH為4.0的乙酸—乙酸鈉緩沖液將凍干抗菌肽配制成10 mg/mL多肽溶液。活化的敏感菌接種于100 mL TSB培養(yǎng)基中，37 ℃ 振蕩培養(yǎng)7～8 h(OD600 nm=0.6～0.8)，取100 μL菌液加入45 ℃已滅菌TSA培養(yǎng)基中，混勻，倒平板。待凝固后用滅菌打孔器(?10 mm)打孔，每孔分別加入100 μL 抗菌肽溶液，4 ℃放置60 min，37 ℃培養(yǎng)16～18 h后，采用十字交叉法用游標(biāo)卡尺測量抑菌圈直徑。以0.02 mol/L pH為4.0的無菌乙酸—乙酸鈉緩沖液為陰性對照，用抑菌圈直徑(mm)表示抑菌活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果以平均值±SD表示，利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行One-Way ANOVA分析，采用Duncan法檢驗(yàn)多組數(shù)據(jù)間的差異顯著性(P<0.05)，利用OriginPro 9.1軟件進(jìn)行繪圖，字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

預(yù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，紫貽貝加工下腳料抗菌肽對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均有抑菌效果，且對金黃色葡萄球菌的抑菌效果最好，而對枯草芽胞桿菌卻無抑菌效果(抑菌圈直徑<2 mm)。因此，后續(xù)試驗(yàn)中選擇金黃色葡萄球菌為敏感菌。

2.1.1 乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù) 由圖1可知，當(dāng)乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.8%時(shí)，抗菌肽得率隨乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大顯著提高(P<0.05)，提高了61.36%；進(jìn)一步增大乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，抗菌肽得率卻無顯著提高(P>0.05)。同時(shí)，隨著乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，抗菌肽的抑菌活性先升高后降低，但均無顯著變化(P>0.05)，其中，乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)所獲得的抗菌肽的抑菌活性最高，即抑菌圈直徑為7.54 mm。這可能是貽貝抗菌肽多為帶2～7個(gè)正電荷的堿性蛋白[20]，且酸性條件下其溶解度高[21]。由于高濃度乙酸溶液具有較高滲透壓，使細(xì)胞中非抗菌肽的蛋白等物質(zhì)溶出，與抗菌肽得率的結(jié)果一致。綜合考慮，選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%左右的乙酸溶液為宜。

2.1.2 液料比 由圖2可知，當(dāng)液料比(V乙酸∶m紫貽貝)為2∶1～6∶1 (mL/g) 時(shí)，抗菌肽得率隨液料比的提高顯著增加(P<0.05)，增加了83.33%；進(jìn)一步提高液料比，抗菌肽得率卻無顯著變化。同時(shí)，抗菌肽的抑菌活性隨液料比的提高先升高后降低，但均無顯著變化(P>0.05)。高液料比可降低體系黏度，加快傳質(zhì)過程，促進(jìn)胞內(nèi)抗菌肽的釋放，因而提高得率[18]。當(dāng)大部分目標(biāo)肽已釋放時(shí)，進(jìn)一步提高液料比，得率緩慢增長。因此液料比(V乙酸∶m紫貽貝)選擇6∶1 (mL/g)左右較合理。

2.1.3 超聲提取時(shí)間 由圖3可知，當(dāng)超聲提取時(shí)間為5～15 min時(shí)，抗菌肽得率隨超聲提取時(shí)間的延長顯著增加(P<0.05)，提高了70.59%，而抗菌肽的抑菌活性卻無顯著變化(P>0.05)；當(dāng)超聲提取時(shí)間>15 min時(shí)，抗菌肽得率隨超聲提取時(shí)間的延長逐漸下降，但無顯著變化，而抗菌肽的抑菌活性卻顯著降低(P<0.05)。超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)破壞細(xì)胞組織，從而促使胞內(nèi)抗菌肽釋放并擴(kuò)散至胞外溶劑中[16]，破碎細(xì)胞內(nèi)大部分抗菌肽在最初的15 min左右釋放并擴(kuò)散至提取溶劑中，因此抗菌肽得率顯著增加。而超聲時(shí)間過長會(huì)引起局部過熱，導(dǎo)致部分蛋白結(jié)構(gòu)與貽貝抗菌肽二級結(jié)構(gòu)被破壞[22]，使得抗菌肽得率和抑菌活性隨之下降。因此，初步確定較適宜的超聲提取時(shí)間為15 min左右。

圖1 乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對抗菌肽得率與抑菌活性的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 回歸方程的建立 利用Design-Expert 10.0.7軟件進(jìn)行響應(yīng)面Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素與水平見表1，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。通過Design-Expert軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行最小二乘法擬合回歸，得二次多元回歸方程為：

Y=1.518+0.011 25A+0.036 25B+0.112 5C+0.025AB+0.022 5AC-0.002 5BC-0.111 5A2-0.116 5B2-0.099C2。

(2)

圖2 液料比對抗菌肽得率與抑菌活性的影響

圖3 超聲提取時(shí)間對抗菌肽得率與抑菌活性的影響

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平表

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.2.3 因素間交互作用 由圖4～6可知，乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與液料比和乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與超聲提取時(shí)間對抗菌肽得率的影響顯著，其響應(yīng)曲面坡度陡峭，等高線寬度大；液料比與超聲提取時(shí)間的交互作用對抗菌肽得率的影響不顯著(P>0.05)，其響應(yīng)曲面彎曲不明顯，等高線寬度較小[25-26]，與方差分析結(jié)果一致。

2.2.4 工藝確定及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 由響應(yīng)面法獲得抗菌肽的最佳提取工藝為乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.825%、液料比(V乙酸∶m紫貽貝)6.163∶1 (mL/g)、超聲提取時(shí)間16.138 min，預(yù)測抗菌肽得率為1.553%。為便于實(shí)際操作，將抗菌肽提取工藝修正為乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%、液料比(V乙酸∶m紫貽貝)6∶1 (mL/g)、超聲提取時(shí)間16 min，此條件下的抗菌肽得率為(1.549±0.036)%(n=3)，與預(yù)測值相對誤差<0.3%，說明利用響應(yīng)面法優(yōu)化獲得的抗菌肽提取工藝具有一定的可靠性。此外，傳統(tǒng)乙酸法提取抗菌肽得率為(0.982±0.041)%，表明超聲輔助提取可使抗菌肽得率提高57.74%(P<0.05)。

2.3 抑菌性質(zhì)

由圖7可知，超聲輔助乙酸法提取的抗菌肽的抑菌圈直徑為(7.52±0.08) mm，而傳統(tǒng)乙酸法提取的抗菌肽的抑菌圈直徑為(6.48±0.05) mm，表明超聲輔助提取可顯著提高抗菌肽的抑菌活性(P<0.05)[27]。進(jìn)一步表明超聲輔助乙酸提取紫貽貝下腳料抗菌肽的工藝是可行的。

表3 回歸模型方差分析?

圖4 乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與液料比的交互作用

圖5 乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與超聲提取時(shí)間的交互作用

圖6 液料比和超聲提取時(shí)間的交互作用

A. 超聲輔助乙酸法 B. 傳統(tǒng)乙酸法

3 結(jié)論

采用超聲輔助提取的方法，以乙酸溶液為提取液，通過響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化獲得紫貽貝加工下腳料抗菌肽的最適提取工藝條件為超聲功率200 W、乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%、液料比(V乙酸∶m紫貽貝)6∶1 (mL/g)、超聲提取時(shí)間16 min，該條件下抗菌肽得率和抑菌圈直徑分別為1.55% 和7.52 mm，均顯著高于傳統(tǒng)乙酸法(P<0.05)，表明該超聲輔助乙酸提取紫貽貝下腳料抗菌肽的工藝是可行的。后續(xù)將考察原料貯藏條件(溫度、時(shí)間)、提取劑類型和超聲波功率，以提高抗菌肽得率，同時(shí)對抗菌肽穩(wěn)定性(熱、酸堿、凍融次數(shù)、蛋白酶)進(jìn)行考察。