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    響應(yīng)面法優(yōu)化鹿角菜中巖藻多糖的超聲波輔助提取工藝*

    2015-12-25 02:00:46宋海燕何文輝張澤華袁榮榮
    食品與發(fā)酵工業(yè) 2015年12期
    關(guān)鍵詞:巖藻水浴液料

    宋海燕,何文輝,張澤華,袁榮榮

    (上海海洋大學(xué)省部共建水產(chǎn)種質(zhì)資源發(fā)掘與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海,201306)

    鹿角菜(Pelvetia siliquosa Tsenget C.F.Chang)隸屬褐藻門(mén)(Phaeophyta)、圓子綱(Cyclosporeae)、鹿角菜目(Fucales)、鹿角菜科(Fucaceae)、鹿角菜屬(Pelvetia)[1]。鹿角菜藻體骨小,軟骨質(zhì),叉狀分枝角度較寬,生長(zhǎng)托是長(zhǎng)角果形[2]。巖藻多糖是褐藻中重要的雜多糖,其主要單糖組成是L-巖藻糖,是一種硫酸多糖。

    多糖提取的常用方法有熱水提取、超聲輔助提取和微波輔助提取法,其中選用超聲波輔助提取是因?yàn)槠淠芎牡?、溶劑消耗低、提取效率較高以及自動(dòng)化程度高[3-4]。當(dāng)今,優(yōu)化提取工藝以獲得最大多糖提取率已成為研究熱點(diǎn)[5-8]。Box-Benhnken設(shè)計(jì)(BBD)是一個(gè)球形旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),與傳統(tǒng)方法相比,簡(jiǎn)化了需要評(píng)估多個(gè)變量和它們之間的相互作用試驗(yàn)的復(fù)雜性,已被廣泛應(yīng)用于優(yōu)化提取工藝,獲得最佳多糖提取率的最佳工藝參數(shù)組合[9-11]。

    本試驗(yàn)以鹿角菜為原材料,采用超聲波輔助提取鹿角菜中巖藻多糖,通過(guò)響應(yīng)面法來(lái)優(yōu)化提取工藝,同時(shí)采用自由基清除能力體系來(lái)對(duì)巖藻多糖進(jìn)行體外抗氧化活性研究。

    1 材料與方法

    1.1 材料與儀器設(shè)備

    鹿角菜(Pelvetia siliquosa Tsenget C.F.Chang)產(chǎn)自海南,已在試驗(yàn)室人工飼養(yǎng);L-巖藻糖標(biāo)準(zhǔn)品(Fuc),西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司;重蒸酚,生工生物工程(上海)股份有限公司。無(wú)水乙醇、體積分?jǐn)?shù)95%乙醇、濃 H2SO4、三氯甲烷、正丁醇、K3Fe(CN)6、三氯乙酸、FeCl3、DPPH、抗壞血酸(Vc)、水楊酸、鄰苯三酚、三羥基氨基甲烷(Tris)等均為分析純。

    JY92-2D超聲波細(xì)胞破碎機(jī),寧波新芝科器研究所;SP-722可見(jiàn)分光光度計(jì),上海光譜儀器有限公司;SXT-06索氏提取器,上海洪紀(jì)儀器設(shè)備有限公司;DK-S24型電熱恒溫水浴鍋,上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司;LXJ-IIB低速大容量離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;美國(guó)LABCONCO冷凍干燥機(jī),無(wú)錫凱派克斯科技有限公司;R-201型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,上海申勝生物技術(shù)有限公司。

    1.2 實(shí)驗(yàn)方法

    1.2.1 巖藻多糖提取工藝研究

    鹿角菜洗凈晾干,-80℃預(yù)凍24 h,冷凍干燥24 h,研磨粉碎過(guò)60目篩,用95%乙醇90℃回流脫脂3次,每次4 h,40℃烘干得脫脂藻粉。

    脫脂藻粉加入適量蒸餾水溶脹,超聲波輔助提取后,水浴處理一段時(shí)間,提取液冷卻至室溫,4 000 r/min離心20 min后,棄沉淀,濃縮上清液至1/5體積,冷卻后加無(wú)水乙醇至濃度為30%,以除去褐藻膠,靜置1 h,4 000 r/min離心20 min,濃縮上清液至1/5體積,加4倍體積95%乙醇,4℃靜置過(guò)夜,4 000 r/min離心,收集沉淀,用無(wú)水乙醇洗滌數(shù)次,冷凍干燥得粗巖藻多糖。

    1.2.2 巖藻多糖含量的測(cè)定

    制備標(biāo)準(zhǔn)曲線[12]:取 L-巖藻糖標(biāo)準(zhǔn)品溶液0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mL,加蒸餾水至 2.0 mL,再加入6%苯酚1.0 mL,混勻后,迅速加入5.0 mL濃硫酸,搖勻,靜置5 min,沸水浴加熱20 min后,冷卻至室溫。490 nm處測(cè)吸光度,以L-巖藻糖的濃度(c,mg/mL)為橫坐標(biāo),吸光度(A)為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。得回歸方程為:Y=0.0198 c+0.052 7,R2=0.997 6。

    樣品溶液的制備:取1 mL樣品溶液,置于試管中,加蒸餾水至2.0 mL,再加入6%苯酚1.0 mL,混勻,迅速加入5.0 mL濃硫酸,搖勻,靜置5 min,沸水浴加熱20 min后,冷卻至室溫。490 nm處測(cè)定吸光度,根據(jù)回歸方程計(jì)算粗巖藻多糖提取率[公式(1)]。

    1.3 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取超聲時(shí)間、料液比、水浴溫度以及水浴時(shí)間4因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。響應(yīng)面因素水平見(jiàn)表1。

    表1 響應(yīng)面因素水平表Table 1 Analytical factors and levels for RSM

    1.4 粗巖藻多糖初步處理

    配制2%的粗巖藻多糖溶液,并加入1/3糖溶液體積的 Sevag試劑[V(氯仿)∶V(正丁醇)=5∶1],劇烈振蕩30 min,離心5 000 r/min,10 min,上層水相含多糖,下層為有機(jī)相,去除有機(jī)相層和蛋白質(zhì)沉淀層,水相按照此方法反復(fù)除蛋白至兩相間沒(méi)有白色蛋白質(zhì)。將脫蛋白后的多糖溶于蒸餾水,借助磁力攪拌,連續(xù)透析24 h,每4換水。濃縮后冷凍干燥得初純巖藻多糖(F)。

    1.5 巖藻多糖抗氧化活性試驗(yàn)

    1.5.1 巖藻多糖的羥自由基(·OH)清除能力測(cè)定

    雙氧水與二價(jià)鐵發(fā)生Fenton反應(yīng)生成羥自由基,加入巖藻多糖后會(huì)和水楊酸競(jìng)爭(zhēng)與羥自由基的結(jié)合,從而使有色產(chǎn)物減少,該產(chǎn)物在510 nm處吸收值最大,可以采用紫外分光光度計(jì)測(cè)定510 nm處的吸光值來(lái)評(píng)定。

    根據(jù)孫海森的方法[13],將巖藻多糖稀釋成不同濃度梯度:0.05,0.1,0.2,0.4,0.8,1.0 mg/mL。取6 mmol/L水楊酸,2 mmol/L 的 FeS04各1 mL,搖勻,再加入1 mL的 6 mmol/L H2O2,搖勻,于37℃水浴恒溫15 min后,測(cè)定其吸光度A0。之后,各加入巖藻多糖溶液1 mL,搖勻,放置10 min,測(cè)定其吸光度A1,并用水代替H2O2的A2做參照,按公式(2)計(jì)算清除率。同時(shí)以相同濃度的Vc作為對(duì)照。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

    式中:A0為空白對(duì)照的吸光值;A2為多糖本底吸光值;A1為巖藻多糖樣品的吸光值。

    1.5.2 巖藻多糖的超氧陰離子自由基(O2-·)清除能力測(cè)定

    堿性條件下,鄰苯三酚經(jīng)自氧化產(chǎn)生中間產(chǎn)物O2-·,它會(huì)加速鄰苯三酚的自氧化反應(yīng)。參照婁翠的方法[14],分別將巖藻多糖和Vc配成不同質(zhì)量濃度梯度:0,0.05,0.1,0.2,0.4,0.8,1.0 mg/mL。取 5 mL Tris-HCl緩沖溶液(pH=8.2,50 mmol/L),25 ℃預(yù)熱30 min,加入2 mL不同質(zhì)量濃度的多糖溶液和Vc溶液,25 mmol/L鄰苯三酚溶液0.6 mL,混合均勻后在25℃的水浴條件下反應(yīng)10 min,再加入8 mol/L的HCl溶液3 mL來(lái)終止反應(yīng),在320 nm處測(cè)定吸光度。以蒸餾水為對(duì)照。O2-·的清除能力按公式(3)計(jì)算:

    式中:A0、A1、Ai分別為空白對(duì)照、巖藻多糖樣品、不加鄰苯三酚溶液的吸光度值。

    1.5.3 DPPH法測(cè)定巖藻多糖的抗氧化能力

    參考郭欣的測(cè)定方法[15],取1 mL不同質(zhì)量濃度梯度樣品溶液(0.05,0.1,0.2,0.4,0.8,1.0 mg/mL),0.2 mL DPPH溶液,以及2 mL蒸餾水,混勻,常溫下30 min后,在515 nm出測(cè)定吸光度A1,用蒸餾水代替樣品得到吸光度A0,無(wú)水乙醇代替樣品得到吸光度A2[公式(4)]。同時(shí)以相同濃度的Vc作為對(duì)照。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

    1.5.4 巖藻多糖的還原力測(cè)定

    采用Amarowicz方法[16],并稍做調(diào)整。取pH 6.6的0.2 mmol/L磷酸鈉緩沖液和1%的鐵氰化鉀溶液各2.5 mL,加入不同質(zhì)量濃度梯度的樣品溶液(0.05,0.2,0.8,1.0,2.0,4.0 mg/mL)1 mL,混勻后50 ℃水浴20 min。加入10%三氯乙酸溶液2.5 mL,混勻,5 000 r/min離心10 min。取上清液2.5 mL,加入蒸餾水2.5 mL,再加入0.1%FeCl32.5 mL,混勻,在避光處?kù)o置10 min后于700 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

    采用Box-Benhnken設(shè)計(jì)對(duì)巖藻多糖提取工藝進(jìn)行響應(yīng)面分析,響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

    表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Design and experimental results of RSM

    2.2 數(shù)學(xué)模型建立與數(shù)據(jù)分析

    利用Design Expert8.05軟件對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到巖藻多糖提取率(Y)對(duì)試驗(yàn)因素的二次回歸方程如下所示:

    Y=-141.130 78+1.715 42A+0.614 08B+1.352 44C+7.511 35D+6.481 50×10-4AB-2.374 00×10-4AC-0.011 364AD-1.109 00×10-3BC-5.702 75×10-3BD-9.595 00×10-4CD-0.013 969A2-5.145 13×10-3B2-7.033 04×10-3C2-0.648 38D2

    二次回歸方程中,A2、B2、C2、D2的系數(shù)均為負(fù)數(shù),因而推斷回歸方程所對(duì)應(yīng)的拋物面開(kāi)口向下,說(shuō)明有極大值點(diǎn)。由表3可知,回歸模型項(xiàng)P<0.000 1,說(shuō)明該回歸模型極顯著,且模型失擬項(xiàng)在α=0.05水平上不顯著(P=0.155 3>0.05),說(shuō)明未知因素對(duì)該試驗(yàn)結(jié)果干擾小。決定系數(shù)R2=0.978 6,說(shuō)明該二次回歸模型與實(shí)際試驗(yàn)值擬合度較好且可靠性高。調(diào)整系數(shù),說(shuō)明該二次回歸模型可以解釋95.55%的響應(yīng)值的變化。變異系數(shù)(C.V.%=3.71)有較低值,說(shuō)明試驗(yàn)值可靠。信噪比(Adeq Precision)為18.552,說(shuō)明精度很高。該回歸方程模型擬合較好,可用于巖藻多糖的超聲輔助提取工藝優(yōu)化。

    一次項(xiàng)中 A、B、C和 D均為差異極顯著(P<0.001),說(shuō)明在巖藻多糖提取工藝過(guò)程中,超聲時(shí)間、液料比、水浴溫度和水浴時(shí)間對(duì)巖藻多糖的提取有極其顯著的影響,是巖藻多糖提取率的主要限制因子;由表3可以得出影響鹿角菜巖藻多糖提取率的順序依次為超聲時(shí)間(A)>水浴溫度(C)>水浴時(shí)間(D)>液料比(B)。

    2.3 響應(yīng)面三維圖分析

    圖1顯示了水浴溫度和水浴時(shí)間在中心水平時(shí),超聲時(shí)間和液料比對(duì)超聲輔助提取巖藻多糖提取率的影響。當(dāng)超聲時(shí)間在50~60 min范圍,液料比在40~50(mL∶g)范圍內(nèi),多糖提取率隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng),液料比的增加而不斷提高,當(dāng)超聲時(shí)間和液料比超過(guò)中心水平時(shí),提取率減少。且超聲時(shí)間對(duì)多糖提取率的曲線更陡峭,說(shuō)明超聲時(shí)間影響更大,與表3結(jié)果相符。

    圖1 超聲時(shí)間和液料比對(duì)巖藻多糖提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.1 Response surface plot and contour plot of ultrasonic time and liquid-solid ratio on extraction of fucoidan

    表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis(ANOVA)for regression equation of model

    圖2和圖3中三維曲面與圖1相似,多糖提取率都是呈先增加后減小的趨勢(shì),且等高線為圓形,說(shuō)明兩影響因素交互作用不顯著。

    圖2 超聲時(shí)間和水浴溫度對(duì)巖藻多糖提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.2 Response surface plot of ultrasonic time and water bath temperature on extraction of fucoidan

    圖3 超聲時(shí)間和水浴時(shí)間對(duì)巖藻多糖提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.3 Response surface plot of ultrasonic time and water bath timeon extraction of fucoidan

    圖4、圖5和圖6中三維曲面相似,多糖提取率依然呈先增加后減小的趨勢(shì),由曲面可看出,變化幅度不大。等高線呈橢圓形,表明兩者有交互作用,但由表3可知,兩者交互作用并不顯著。

    圖4 水浴溫度和液料比對(duì)巖藻多糖提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface plot of water bath temperature and liquid-solid ratio on extraction of fucoidan

    2.4 最佳工藝參數(shù)確定與模型驗(yàn)證

    由中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)[17]優(yōu)化得試驗(yàn)結(jié)果為A=59.78 min,B=50.75 mL/g,C=90.79℃,D=4.98 h,Y為5.993%??紤]實(shí)際操作,將提取條件修改為超聲時(shí)間為60 min,液料比為51 mL/g,水浴溫度為91℃,水浴時(shí)間為5 h。采用最佳提取條件,3次重復(fù)驗(yàn)證結(jié)果為5.966%,5.958%,5.960%,平均提取率為5.961%,與理論預(yù)測(cè)值相近。因此可以采用響應(yīng)面法來(lái)優(yōu)化巖藻多糖的提取工藝條件。

    圖5 水浴時(shí)間和液料比對(duì)巖藻多糖提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface plot of water bath time and liquid-solid ratio on extraction of fucoidan

    圖6 水浴時(shí)間和水浴溫度對(duì)巖藻多糖提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface plot of water bath time and water bath temperature on extraction of fucoidan

    2.5 超聲波輔助提取法與傳統(tǒng)水浴法對(duì)比

    在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)水提巖藻多糖工藝進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化得到最佳提取條件和提取率如表4,通過(guò)對(duì)比,在超聲波輔助下,提取總時(shí)間縮短了2.4 h,多糖提取率提高了0.76%,這是因?yàn)槌暡ǖ淖饔锰岣吡速|(zhì)量傳遞效率,促使細(xì)胞中多糖更易釋放和擴(kuò)散到溶劑中[18]。而水浴時(shí)間過(guò)長(zhǎng)有可能導(dǎo)致多糖降解。

    表4 超聲波輔助提取法與傳統(tǒng)水浴法對(duì)比Table 4 The comparison between Ultrasonic assisted extraction method and traditional water bath method

    3 抗氧化活性結(jié)果與分析

    3.1 羥自由基清除能力測(cè)定

    在試驗(yàn)范圍內(nèi),Vc和巖藻多糖對(duì)·OH的清除率隨著質(zhì)量濃度的增加而不斷提高(圖7)。在0.05~0.4 mg/mL范圍內(nèi),Vc對(duì)·OH的清除率顯著提高,當(dāng)質(zhì)量濃度為0.4 mg/mL時(shí),清除率為97.93%。當(dāng)多糖質(zhì)量濃度低于0.2 mg/mL時(shí),對(duì)·OH的清除率較低,但增幅明顯。當(dāng)質(zhì)量濃度在0.2~1.0 mg/mL范圍內(nèi),巖藻多糖對(duì)·OH的清除率從36.32%增加至77.47%,巖藻多糖和Vc半數(shù)抑制濃度IC50分別為0.346 mg/mL和0.101mg/mL巖藻多糖對(duì)·OH的清除能力較好但低于Vc。

    圖7 巖藻多糖和Vc對(duì)羥自由基的清除能力Fig.7 Hydroxyl free radical cavenging activity of fucoidan and Vc

    3.2 巖藻多糖的O-2·清除能力測(cè)定

    在試驗(yàn)范圍內(nèi),Vc和巖藻多糖對(duì)O2-·的清除率隨著質(zhì)量濃度的增加而不斷提高(圖8)。巖藻多糖質(zhì)量濃度低于0.2 mg/mL時(shí),對(duì)O2-·的清除率較低,當(dāng)質(zhì)量濃度在0.2~1 mg/mL范圍內(nèi)時(shí),對(duì)O2-·的清除率增加較緩慢。當(dāng)質(zhì)量濃度為1 mg/mL時(shí),Vc和巖藻多糖對(duì)O2-·的清除率分別為95.47%和52.87%。巖藻多糖和Vc半數(shù)抑制濃度IC50分別為0.893 mg/mL和0.268 mg/mL,巖藻多糖對(duì)O2-·清除作用低于水溶性Vc。

    圖8 巖藻多糖和Vc對(duì)O2-·的清除能力Fig.8 Superoxide anion radical scavenging activity of fucoidan and Vc

    3.3 DPPH法測(cè)定巖藻多糖的抗氧化能力

    在試驗(yàn)范圍內(nèi),當(dāng)質(zhì)量濃度低于0.6 mg/mL時(shí),巖藻多糖對(duì)DPPH·的清除率高于水溶性Vc;巖藻多糖的半數(shù)抑制濃度IC50小于Vc,分別0.128 mg/mL和0.263 mg/mL;當(dāng)濃度為1 mg/mL時(shí),清除率為68.36%,略低于水溶性Vc對(duì)DPPH·的清除率(圖9)。

    圖9 巖藻多糖和Vc對(duì)DPPH·自由基的清除能力Fig.9 DPPH·scavenging activity of fucoidan and Vc

    3.4 巖藻多糖的還原力測(cè)定

    還原力的大小成為衡量其抗氧化活性的重要指標(biāo)之一,吸光度越大,還原力越大。Vc和巖藻多糖的還原力較好,隨著質(zhì)量濃度的增加,量效關(guān)系明顯,當(dāng)質(zhì)量濃度在1~4 mg/mL范圍內(nèi),巖藻多糖的吸光度增加緩慢,還原力趨于平穩(wěn)。當(dāng)質(zhì)量濃度為4 mg/mL時(shí),還原力為Vc的62.69%(圖10)。

    圖10 巖藻多糖和Vc還原能力Fig.10 Reduce activity of fucoidan and Vc

    4 結(jié)論

    通過(guò)響應(yīng)面分析法系二次回歸方法,獲得鹿角菜中巖藻多糖的最佳提取條件為超聲時(shí)間60 min,液料比51(mL∶g),水浴溫度91℃,水浴時(shí)間5 h。通過(guò)方差分析確定該二次回歸模型具有顯著性,一次項(xiàng)對(duì)提取率的影響顯著,四個(gè)參數(shù)的二次交互項(xiàng)雖存在交互作用,但均不顯著。在最佳提取條件下,巖藻多糖提取率達(dá)到5.961%,與理想預(yù)測(cè)值(5.993%)相比,相對(duì)誤差小于5%;通過(guò)與傳統(tǒng)水提法相比發(fā)現(xiàn),提取總時(shí)間縮短了2.4 h,多糖提取率提高了0.79%。對(duì)最佳提取條件所得巖藻多糖脫蛋白透析后進(jìn)行抗氧化能力測(cè)定發(fā)現(xiàn),巖藻多糖具有良好的抗氧化能力,還原力隨著質(zhì)量濃度的增加而不斷提高,對(duì)羥自由基、超氧陰離子自由基和DPPH自由基的半數(shù)抑制濃度 IC50分別為 0.346 mg/mL、0.893 mg/mL和0.128 mg/mL;但與Vc相比,對(duì)羥自由基、超氧陰離子自由基清除作用較弱,但對(duì)DPPH的半數(shù)抑制濃度IC50小于Vc。因此為鹿角菜中巖藻多糖在保健食品,醫(yī)藥開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

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