生物表面活性劑鼠李糖脂的純化與表征

劉 洋， 鐘 華， 劉智峰， 蔣勇兵， 談 菲， 曾光明， 賴明勇， 何益斌

（1.湖南大學環(huán)境科學與工程學院，湖南 長沙410082；2.環(huán)境生物學與控制教育部重點實驗室（湖南大學），湖南 長沙410082）

生物表面活性劑是由生物活體如微生物、植物或動物產生的具有表面活性的兩親性化合物，具有表面活性劑的通性，如在兩相界面定向排列形成分子層，能降低界面的能量以及具有表面或界面活性、增溶、潤濕、乳化、發(fā)泡等性能［1］。與化學合成的表面活性劑相比，生物表面活性劑還具有諸多優(yōu)勢，如低毒性、可降解性和環(huán)境友好性、高效性、能用于特殊領域等［2-4］。

能產生生物表面活性劑的微生物種類很多，常見的有細菌、酵母菌。由微生物產生的胞外型生物表面活性劑大部分都屬于糖脂類，此類化合物以糖為親水基團，脂肪酸或羥基脂肪酸的烷基部分為親油基團。鼠李糖脂是目前所知的最有效的糖脂類生物表面活性劑［5，6］，其產生菌多為假單胞菌屬［7］。

然而，在一般的生產過程中生物表面活性劑濃度很低，且親水親油的特性造成其提取和純化的成本較高，所以目前生物表面活性劑的大規(guī)模生產并沒有完全實現(xiàn)，而選擇合適的分離提純方法是保證其生產工藝成功的重要環(huán)節(jié)［8］。常見的鼠李糖脂提取純化的方法包括酸沉降［9，10］、溶劑萃?。?1，12］、硫酸鋁沉淀［13］和泡沫色譜法［14］等。隨著研究的不斷深入，離心分配色譜法［15］、超濾［16，17］和離子交換色 譜法［18］等新方法也已出現(xiàn)。而糖脂類物質的成分鑒定方法則從簡易的利用鼠李糖脂水解后測定鼠李糖的色度［19］逐漸發(fā)展為利用高效液相色譜-質譜聯(lián)用［20］、紅外 光 譜［21］、核 磁 共 振［22］以 及 毛 細 管 電 泳法［23］等分析樣品組成的復雜方法，且有文獻［24，25］指出，高效液相色譜法是目前對鼠李糖脂成分識別的最精確的方法。Nitschke等［26］曾用銅綠假單胞菌LBI進行培養(yǎng)，利用酸沉降的方法成功分離了鼠李糖脂；Mata-Sandoval等［27］則利用高效液相色譜法分析得到了由銅綠假單胞菌UG2所產生的鼠李糖脂的主要組成為RhC10C10、Rh2C10C12-H2、Rh2C10C12和Rh2C10C10。

本研究在以往研究的基礎上，通過好氧發(fā)酵培養(yǎng)Pseudomonas aeruginosa CCTCC AB93066產生生物表面活性劑鼠李糖脂，利用酸沉降和柱色譜結合的方法對發(fā)酵液中的目標物進行深度純化，并對其成分進行鑒定和表征，證實酸沉降-柱色譜方法對于鼠李糖脂的深度提純有較好的效果，而高效液相色譜-質譜聯(lián)用能夠高準確性地對鼠李糖脂成分進行識別和定量分析。

1 實驗部分

1.1 菌種

鼠李糖脂的產生菌為銅綠假單胞菌CCTCC AB93066，購自中國典型培養(yǎng)物保藏中心（CCTCC，中國武漢）。該菌在冷凍干燥的脫脂奶粉上于-20℃保藏。發(fā)酵培養(yǎng)前接種物由保藏基質轉移到新鮮斜面上并于37 ℃活化24 h。

1.2 儀器與試劑

美國Thermo Finnigan 高效液相色譜分析系統(tǒng)，配Finnigan LCQ 質譜系統(tǒng)；微孔濾膜0.22μm Millex-HV 系列（Millipore Products，美國）。

用于鼠李糖脂衍生的2-溴代苯乙酮和三乙胺純度＞99%，購于Sigma-Aldrich（美國）。硅膠HG／T2354-92購于青島海洋化學品公司。其他試劑均為分析純。水由Lanconco Water Pro PS 純水機（美國）制取，電阻率18.2 MΩ·cm。

1.3 鼠李糖脂的產生

無機鹽培養(yǎng)液（MSM 溶液）中各物質及其質量分 數(shù) 如 下：NaNO3（0.20%）、KH2PO4（0.15%）、Na2HPO4·12H2O （0.15%）、MgSO4（0.01%）、FeSO4·7H2O（0.001%），pH6.5［28］。菌體接種到含有酵母浸出膏（0.05%）的MSM 溶液中，在37℃、200 r／min條件下振蕩培養(yǎng)24 h作為富集培養(yǎng)基；再按2.5%的接種量接種到含2.0%葡萄糖的MSM 溶液中，在（37±1）℃、200 r／min 條件下振蕩培養(yǎng)72 h，得到含有鼠李糖脂的發(fā)酵液。

1.4 分離和純化

用2 mol／L NaOH 溶液調節(jié)發(fā)酵液pH 至8.0，在10 733 g離心力條件下離心15 min后收集上清液。鼠李糖脂的分離采用Nitschke等［26］的酸沉降方法，而提純則采用Zhong等［29］的柱色譜法，并略微修改。用6 mol／L HCl調節(jié)上清液pH 至2.0，在4 ℃下靜置過夜；然后于10 733 g離心力下離心15 min，收集底物；用去離子水洗滌3 次并冷凍干燥，得到粗鼠李糖脂混合物。將粗鼠李糖脂溶于氯仿，真空抽濾除去蛋白質等不溶雜質后用柱色譜方法進行純化。柱色譜填充物選用傅海燕等［30］報道的對糖脂類生物表面活性劑分離性能較優(yōu)的薄層色譜硅膠（HG／T2354-92，200目；青島海洋化學品有限公司）。硅膠在105 ℃活化24 h后采用濕法裝柱，將氯仿溶液與活化后的硅膠混合引流入玻璃柱（320 mm×25 mm）中，并注意排盡殘留氣泡。將粗鼠李糖脂的氯仿溶液小心沿色譜柱內壁壁周注入色譜柱的頂部，打開柱閥，使鼠李糖脂吸附到頂部硅膠上。采用500 mL的氯仿對硅膠柱淋洗以除去鼠李糖脂中的中性脂，然后依次用100 mL（10∶1，v／v）、200 mL（2∶1，v／v）、100 mL（1∶1，v／v）和200 mL（1∶2，v／v）的氯仿和甲醇混合液進行梯度洗脫（甲醇用于逐步提高淋洗液的極性，從而達到單糖脂和二糖脂分離的目的），淋洗液的流速控制在2 mL／min，定量收集淋洗液。采用薄層色譜（TLC）對溶液成分進行鑒定，用硅膠板（HF 254，青島海洋化學品公司）作為展開板。展開劑成分為CHCl3／CH3OH／CH3COOH（65／15／2，v／v／v），莫氏試劑作為顯色劑［31］。鼠李糖脂的單糖脂和二糖脂洗出液分別合并后于40℃真空旋轉蒸發(fā)除去溶劑，得到單糖脂和二糖脂產品，并做進一步定性分析。

1.5 HPLC-MS鑒定

采用高效液相色譜-質譜聯(lián)用法對提純的鼠李糖脂的單糖脂、二糖脂及其2-溴代苯乙酮衍生物進行成分分析，參考Mata-Sandoval等［27］所用方法并略微修改。未衍生的鼠李糖脂樣品在60 ℃下烘干后溶于乙腈，配成約10 g／L的溶液，用0.22μm 微孔濾膜過濾后取20μL濾液注入液相色譜儀。

色譜柱為Inertsil ODS-3 柱（C18，150 mm×2.1 mm，5μm，日本GL Sciences公司）。流動相由流 動 相A（CH3CN）和 流 動 相B（1% （v／v）CH3COOH 的水溶液）構成。梯度洗脫條件：0～3 min，50%B；3～12 min，50%B～0%B；12～16 min，0%B；16～17 min，0%B～50%B；17～20 min，50%B。流 速0.4 mL／min，進 樣 體 積 為20μL。

HPLC 流出液直接進入Finnigan LCQ 質譜系統(tǒng)，以大氣壓化學電離（APCI）作為離子源。對于鼠李糖脂樣品采用負離子模式；對于鼠李糖脂衍生物樣品采用正離子模式。噴霧電壓4.5 kV，N2為套氣，F(xiàn)innigan Xcalibur系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)采集。

單糖脂和二糖脂主要成分的物質的量百分比由各成分出峰面積的比例近似計算得到。

1.6 鼠李糖脂二糖脂的二次純化過程

將獲得的二糖脂固體溶于氯仿后，再次注入柱色譜的頂部。用300 mL氯仿／甲醇（10∶1，v／v）混合液以2 mL／min的速度淋洗柱，每10 mL淋洗液收集一試管。用薄層色譜按1.4節(jié)中的方法鑒定淋洗液，收集含有鼠李糖脂二糖脂的淋洗液。收集的淋洗液經旋轉蒸發(fā)得到的二糖脂固體產物用HPLC-MS方法再次鑒定，樣品在乙腈中的質量濃度約為50 g／L。

2 結果與討論

2.1 鼠李糖脂的分離和純化

由于鼠李糖脂分子具有極性，易與極性的硅膠結合，所以使用氯仿淋洗除去粗鼠李糖脂中弱極性的中性脂等雜質時，鼠李糖脂不會被極性很弱的氯仿洗脫。鼠李糖脂的分離和純化則是利用二糖脂的極性大于單糖脂的特征，用氯仿和甲醇混合液進行梯度洗脫，從而達到單糖脂和二糖脂分離的目的。圖1為一次柱色譜后鼠李糖脂收集管中液體的TLC 顯色結果。目標物隨展開劑的遷移性能通過比移值（Rf）［32］反映：單糖脂的Rf，mono為0.89，二糖脂的Rf，di為0.71，表明單糖脂相對二糖脂隨展開劑的遷移性能更強，這是由于單糖脂與極性硅膠之間的吸附系數(shù)小于二糖脂所致。

圖1 鼠李糖脂成分的薄層色譜檢測結果Fig.1 TLC detection of the purified rhamnolipids

2.2 鼠李糖脂的HPLC-MS鑒定

在RhaxCyCz（-Hw）中，x 為鼠李糖環(huán)的數(shù)目（單糖脂x＝1），y 和z 為脂基部分每個脂肪酸鏈中的碳原子的個數(shù)，w／2 為脂基部分不飽和鍵的個數(shù)。

鼠李糖脂的單糖脂混合物外觀上呈棕色黏稠油狀。HPLC-MS色譜圖顯示分離、純化得到的鼠李糖脂的單糖脂含有5種成分，其中主要成分有3種，分別在12.5～13 min、14～14.5 min和15～15.5 min被分離，產生的最強負離子APCI質譜信號分別為m／z 1 006.9、529.1和531.1（見圖2）。根據(jù)其他銅綠假單胞菌產生的鼠李糖脂成分的研究結果［27，31，33］，以 上3 種 成 分 分 別 為RhaC10C10、RhaC10C12-H2和RhaC10C12。m／z 1 006.9 據(jù)推斷是由RhaC10C10的二聚體負離子產生。從圖2中可以看出，該混合物主要成分為RhaC10C10。根據(jù)以往研究結果［27，31，33］，在10.00 min和11.75 min時出峰的物質有可能是脂肪鏈更短的鼠李糖脂單糖脂成分（如RhaC10C8），但含量很低。

鼠李糖脂的單糖脂衍生物的HPLC-MS檢測結果表明，衍生物各成分的流出順序和其源成分一致，各成 分 最 強 正 離 子 分 別 為m／z 640.1、665.9 和668.0，［M-苯甲酰甲酯＋NH＋4］（見圖3）。該結果與Schenk等［13］和Mata-Sandoval等［27］關于鼠李糖脂的苯甲酰甲酯衍生物的NMR 和HPLC-MS研究結果一致。

第一次柱色譜純化得到的鼠李糖脂二糖脂混合物呈白色微黃的晶體狀。HPLC-MS檢測結果表明其有4種主要成分，分別在10.5～11.0 min、12.0～12.5 min、12.5～13.0 min 和13.0～13.5 min被分離，產生的最強負離子APCI質譜信號分別為m／z 649.1、675.0、503.0和677.1（見圖4）。

圖2 鼠李糖脂單糖脂的HPLC-MS圖譜Fig.2 Chromatogram and spectra of HPLC-MS of the monorhamnolipid

圖3 鼠李糖脂單糖脂衍生物的HPLC-MS圖譜Fig.3 Chromatogram and spectra of HPLC-MS of the derivatives of the monorhamnolipid

圖4 第一次柱色譜純化后得到的鼠李糖脂二糖脂的HPLC-MS圖譜Fig.4 Chromatogram and spectra of HPLC-MS of dirhamnolipid after the first-round separation by column chromatography

該結果也與以往得到的其他銅綠假單胞菌產生的鼠李糖脂成分研究結果［27，31，33］保持一致，以上4種成分分別為Rha2C10C10、Rha2C10C12-H2、RhaC10C10和Rha2C10C12。在分離得到的二糖脂中，均含有少量的RhaC10C10單糖脂成分，其未被硅膠柱一次淋洗完全分離，也沒有被TLC 所檢出，這可能是由于色譜柱中所加入的待分離和純化的鼠李糖脂量太大所致。在圖4中推斷6.5～7.2 min時出峰的是脂肪鏈更短的二糖脂成分，但含量很低，其他保留時間所出的信號峰可能為柱色譜未能完全分離的雜質所產生。

如圖5所示，鼠李糖脂二糖脂衍生物的HPLCMS檢測結果表明，衍生物各成分的洗出順序和其源成分一致，各二糖脂成分最強正離子［M-苯甲酰甲 基＋NH＋4］m／z 分 別 約 為786.1、812.2 和814.2，而單糖脂成分最強正離子為［M-苯甲酰甲酯＋（CH3CH2）3NH＋］（m／z 723.9）或［M-苯甲酰甲基＋NH＋4］（m／z 640）。這證實了混合物中少量單糖脂成分的存在。

2.3 鼠李糖脂二糖脂的二次純化

圖6為經過二次柱色譜純化的鼠李糖脂二糖脂HPLC-MS圖譜。由于進樣所用的二糖脂的質量濃度很高（約50 mg／L），導致圖譜中峰面積普遍變大，甚至超過了線性檢測范圍，使得各物質峰面積的比例和一次色譜后鼠李糖脂二糖脂的HPLC-MS檢測結果不一致，但出峰時間是一致的。圖6中10.69、12.24和13.35 min出峰對應的物質（m／z 649.0、675.0和677.0）分別為Rha2C10C10、Rha2C10C12-H2和Rha2C10C12，共3種成分。

比較二次純化前后的圖譜可以看出，圖6中已沒有圖4 中對應RhaC10C10的峰，表明該單糖脂成分通過二次柱色譜已完全從二糖脂中除去。另外7.0～7.7 min時出峰與圖4中6.5～7.2 min時的出峰對應（m／z 621.1），為［Rha2C10C8-H］-，對應的二糖脂成分為Rha2C10C8；9.5～10.0 min時出峰與圖4 中10.5～11.0 min時的出峰對應（m／z 647.1），對應二糖脂成分為Rha2C10C10-H2。由于一次提純的二糖脂進行HPLC-MS檢測時采用的質量濃度較?。?0 mg／L），這兩種成分對應的峰特別小或者未被檢測到，說明這兩種成分的含量相對很低。14.5～15.0 min出峰物質的質譜圖見圖7，由于其存在于二糖脂的色譜圖之中，僅就其質譜圖難以判斷是何種成分，推測有可能為二糖脂分子與乙腈溶劑反應產生的副產物，也有可能是細胞產生的與二糖脂結構性質相近的而未被分離的雜質，該物質的柱色譜分離條件有待進一步探討。

圖5 第一次柱色譜純化后得到的鼠李糖脂二糖脂衍生物的HPLC-MS圖譜Fig.5 Chromatogram and spectra of HPLC-MS of the derivatives of dirhamnolipid after the first-round separation by column chromatography

圖6 第二次柱色譜純化后得到的鼠李糖脂二糖脂的HPLC-MS圖譜Fig.6 Chromatogram and spectra of HPLC-MS of the dirhamnolipid after the second round purification by column chromatography

圖7 第二次柱色譜純化后的鼠李糖脂二糖脂的HPLC-MS圖譜中出峰時間為14.5～15.0 min的物質的質譜圖Fig.7 Mass spectrum of the compound at the retention time of 14.5-15.0 min in HPLC-MS chromatogram of the dirhamnolipid after the secondround purification by column chromatography

由于二糖脂分子中多一個鼠李吡喃糖環(huán)，因而比單糖脂具有更大的極性，在單糖脂之后由甲醇含量高、極性更強的甲醇／氯仿混合溶劑洗脫。另外單糖脂和二糖脂的熔點分別為-3.2 ℃和84.7℃［34］，因此外觀上單糖脂為油狀，二糖脂混合物為固體狀。兩種鼠李糖脂的主要成分為Rha（2）C10C10，與 其 他 研 究［27，31，33］的 結 果 相 同，但 其 中Rha（2）C10C8系列的短脂肪鏈成分含量相對其他研究結果均較低，而兩種疏 水性成分Rha（2）C10C12和Rha（2）C10C12-H2含量偏高，反映了銅綠假單胞菌種產鼠李糖脂性能受菌株差異和培養(yǎng)條件的影響［35］。最終得到的鼠李糖脂單糖脂和二糖脂的主要成分及其組成如表1所示。

表1 由銅綠假單胞菌CCTCC AB93066獲得的鼠李糖脂單糖脂和二糖脂的主要成分Table 1 Main components of the monorhamnolipid and dirhamnolipid obtained from Pseudomonas aeruginosa CCTCC AB93066

3 結論

本研究中所用的鼠李糖脂的單糖脂和二糖脂混合物為銅綠假單胞菌CCTCC AB93066 的代謝產物，均為多成分混合物。在鼠李糖脂的分離提純過程中采用的酸沉降-柱色譜技術可以用于鼠李糖脂的深度提純，對高效液相色譜-質譜的結果進行分析，可以發(fā)現(xiàn)鼠李糖脂的深度提純獲得了較好的效果，且高效液相色譜-質譜聯(lián)用對物質成分鑒定和定量分析有靈敏度高和準確性好等優(yōu)點，是一種可靠的檢測方法。該研究同時也說明了銅綠假單胞菌CCTCC AB93066是一種良好的鼠李糖脂產生菌。

致謝 感謝湖南大學分析與測試中心的宋又群老師在鼠李糖脂HPLC-MS分析測定工作中給予的支持與幫助。

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