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    芒果皮渣多糖脫蛋白和脫色工藝研究

    2018-01-22 17:18:36,,*,,,,,
    食品工業(yè)科技 2018年1期
    關(guān)鍵詞:正丁醇脫色活性炭

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    (1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所,農(nóng)業(yè)部熱帶果樹生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東湛江 524091;2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,廣東湛江 524001)

    芒果,又名蜜望、檬果,是漆樹科常綠喬木,含有豐富的糖類、蛋白質(zhì)、維生素、類胡蘿卜素和鈣質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分[1],素有“熱帶水果之王”之稱[2-4]。多糖是芒果皮渣的主要活性成分之一,研究表明,芒果多糖具有抗氧化[5-7]、抗癌[8]、抗肝毒[9]、抗菌[10]等作用。游離蛋白質(zhì)和色素是芒果皮渣多糖提取過(guò)程中的主要雜質(zhì),不但影響多糖的純度和生物活性,而且對(duì)其分離純化及結(jié)構(gòu)表征研究帶來(lái)很大困難[11]。因此,尋求一種除蛋白效果好、脫色率高、對(duì)多糖損失少的脫蛋白和脫色工藝尤為重要。目前,植物多糖常用的脫蛋白方法有Sevage法、三氯乙酸(TCA)法、酶法、鹽酸法和鞣酸法等,由于單獨(dú)使用一種方法蛋白質(zhì)脫除率較低,因而也有將幾種方法聯(lián)用來(lái)進(jìn)行脫蛋白[12]。脫色方法主要有活性炭法[13]、殼聚糖法、H2O2法[14]、聚酰胺法、大孔吸附樹脂法[15]等,活性炭由于吸附能力強(qiáng),脫色成本低且不易影響提取物的生物活性而在工業(yè)化生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用?;诖?本研究以實(shí)驗(yàn)室自制的芒果皮渣多糖為原料,采用9種方法對(duì)其進(jìn)行脫蛋白處理,選擇活性炭對(duì)TCA-正丁醇法脫蛋白后的多糖溶液進(jìn)行脫色,并尋求最佳的脫蛋白和脫色工藝,為進(jìn)一步分離純化芒果皮渣多糖提供理論參考。

    1 材料與方法

    1.1材料與儀器

    臺(tái)農(nóng)1號(hào)芒果 購(gòu)自廣西百色;粉末活性炭 廣東韓研活性炭制造有限公司;HPD100、HPD-100A、HPD300、AB-8、X-5、D3520、D4020、S-8、NKA-9、NKA-II大孔吸附樹脂 鄭州華溢科技新材料股份有限公司;牛血清白蛋白、考馬斯亮藍(lán)(G-250) 美國(guó)Sigma公司;木瓜蛋白酶 Solarbio公司;葡萄糖、苯酚、三氯乙酸、鹽酸 天津市福晨化學(xué)試劑廠;濃硫酸 廉江市愛廉化試劑有限公司;無(wú)水乙醇、正丁醇、30% H2O2天津市富宇精細(xì)化工有限公司;氯仿、丙酮 廣州蘇喏化工有限公司。

    DHG 9140A電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;GL-20G-II高速冷凍離心機(jī) 美國(guó)Thermo公司;EL 104電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;RE-3000B旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 德國(guó)海道爾夫公司;FD-1C-50型真空冷凍干燥機(jī) 上海喬躍電子有限公司;UV-2550型紫外分光光度計(jì) 日本島津公司;MAXQ800型恒溫?fù)u床 美國(guó)Thermo公司;79-1型磁力攪拌器 新康醫(yī)療器械有限公司;SHZ-D(III)循環(huán)水式多用真空泵 鞏義市英峪高科儀器;HH-4恒溫水浴鍋 常州澳華儀器有限公司。

    1.2實(shí)驗(yàn)方法

    1.2.1 芒果皮渣多糖的制備 取成熟、無(wú)腐爛的芒果皮渣,清洗,55 ℃烘干24 h,粉碎,過(guò)40目篩,備用。稱取一定重量的芒果皮渣粉,以蒸餾水為提取劑,按照本實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行提取(料液比1∶40 g/mL、水浴溫度98 ℃,水浴時(shí)間4 h),隨后以6000 r/min離心10 min,收集上清液,殘?jiān)貜?fù)提取1次。合并上清液,減壓濃縮至原體積1/5,加入濃縮液4倍體積95%乙醇,4 ℃靜置過(guò)夜,3000 r/min離心10 min,沉淀依次用無(wú)水乙醇、丙酮、乙醚洗滌2~3次,冷凍干燥即得芒果皮渣粗多糖。

    1.2.2 芒果皮渣多糖脫蛋白

    1.2.2.1 不同脫蛋白方法的比較 配制5 mg/mL芒果皮渣多糖溶液,取30 mL,分別采用9種不同的方法進(jìn)行脫蛋白。

    三氯乙酸(TCA)法[16]:加入30 mL 20% TCA(m/V),160 r/min振蕩2 h,4000 r/min離心10 min,取上清液分別測(cè)定蛋白質(zhì)含量和多糖含量。

    TCA-正丁醇法[17-18]:加入60 mL TCA-正丁醇溶液[TCA(20%)∶正丁醇=1∶10 (V/V)],160 r/min振蕩2 h,倒入分液漏斗中靜置2 h,待分層后取下層溶液,分別測(cè)定蛋白質(zhì)含量和多糖含量。

    Sevage法[19]:加入7.5 mL Sevage試劑[氯仿∶正丁醇=4∶1(V/V)],180 r/min振蕩60 min,4000 r/min離心10 min,棄去下層有機(jī)相和中間層膠狀變性蛋白質(zhì),取上層溶液分別測(cè)定蛋白質(zhì)含量和多糖含量。

    TCA+Sevage法:用TCA法脫除一次,再用Sevage法脫除一次,分別測(cè)定蛋白質(zhì)含量和多糖含量。

    木瓜蛋白酶法[20]:配制1 mg/mL木瓜蛋白酶溶液,取1.5 mL加入到多糖溶液中,調(diào)節(jié)pH為6.5,65 ℃水浴振蕩水解3 h,沸水浴滅酶5 min,冷卻后4000 r/min離心10 min,取上清液分別測(cè)定蛋白質(zhì)含量和多糖含量。

    木瓜蛋白酶+Sevage法[21]:用木瓜蛋白酶法脫除一次,再用Sevage法脫除一次,分別測(cè)定蛋白質(zhì)含量和多糖含量。

    木瓜蛋白酶+TCA法[26]:依次用木瓜蛋白酶法和TCA法脫蛋白,分別測(cè)定蛋白質(zhì)含量和多糖含量。

    木瓜蛋白酶+TCA-正丁醇法[22]:依次用木瓜蛋白酶法和TCA-正丁醇法脫蛋白,分別測(cè)定蛋白質(zhì)含量和多糖含量。

    HCl法[23]:加入30 mL 1 mol/L HCl,160 r/min振蕩2 h,4000 r/min離心10 min,取上清液分別測(cè)定蛋白質(zhì)含量和多糖含量。

    1.2.2.2 TCA-正丁醇法脫蛋白工藝優(yōu)化 選取對(duì)TCA-正丁醇法脫蛋白效果影響較大的3個(gè)因素TCA-正丁醇與樣液體積比(A)、TCA與正丁醇體積比(B)和振蕩時(shí)間(C),按L9(34)正交表安排實(shí)驗(yàn),因素水平見表1。數(shù)據(jù)處理采用綜合加權(quán)評(píng)分法[24],評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為:分別測(cè)定蛋白質(zhì)脫除率和多糖保留率,將各項(xiàng)指標(biāo)除以該列最大值再乘以100,為該項(xiàng)得分,設(shè)定蛋白質(zhì)脫除率和多糖保留率兩者的權(quán)重系數(shù)均為0.5,對(duì)兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和,按下式計(jì)算綜合評(píng)分。

    式中,X為蛋白質(zhì)脫除率,Y為多糖保留率,Xmax為蛋白質(zhì)脫除率最大值,Ymax為多糖保留率最大值。

    表2 活性炭脫色單因素實(shí)驗(yàn)Table 2 Univariate experiments on decoloration by active carbon

    表1 TCA-正丁醇法脫蛋白正交實(shí)驗(yàn)因素及水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test on deproteinzation by TCA-n-butanol method

    1.2.3 活性炭脫色

    1.2.3.1 單因素實(shí)驗(yàn) 取20 mL經(jīng)TCA-正丁醇法脫蛋白后的多糖溶液,以脫色率和多糖保留率為評(píng)價(jià)指標(biāo),分別探討活性炭添加量、脫色溫度、脫色時(shí)間和樣液pH對(duì)芒果皮渣多糖溶液脫色效果的影響,每個(gè)水平做3個(gè)重復(fù)。其單因素實(shí)驗(yàn)水平設(shè)計(jì)見表2。

    1.2.3.2 正交實(shí)驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選取脫色溫度(D)、脫色時(shí)間(E)、活性炭添加量(F)、樣液pH(G)4個(gè)因素,每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平,按L9(34)正交表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(見表3),以脫色率和多糖保留率為考察指標(biāo)進(jìn)行條件優(yōu)化。進(jìn)行綜合評(píng)分時(shí)以指標(biāo)的最大值為參照將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化,脫色率和多糖保留率的權(quán)重系數(shù)各為0.5。

    表3 活性炭脫色正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 3 Factors and levels of orthogonal test on decoloration by active carbon

    1.2.4 分析方法

    1.2.4.1 多糖保留率的測(cè)定 采用苯酚-硫酸法[25]測(cè)定多糖含量。以葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到回歸方程:y1=0.0110x1-0.0002,式中x1為葡萄糖濃度,y1為吸光度,R2=0.9994,線性范圍為0~0.07 mg/mL。多糖保留率按下式計(jì)算。

    多糖保留率(%)=脫蛋白(脫色素)后多糖含量/脫蛋白(脫色素)前多糖含量×100

    式(1)

    1.2.4.2 蛋白質(zhì)脫除率的測(cè)定 采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定蛋白質(zhì)含量。以牛血清白蛋白標(biāo)準(zhǔn)品含量為橫坐標(biāo),于595 nm處測(cè)得的吸光度值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到回歸方程y2=0.0007x2+0.0057,式中x2為蛋白質(zhì)含量,y2為吸光度,R2=0.9996,即蛋白質(zhì)含量在0~1.0 mg范圍內(nèi)與吸光度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。蛋白質(zhì)脫除率按下式計(jì)算。

    蛋白質(zhì)脫除率(%)=脫蛋白前蛋白質(zhì)含量-脫蛋白后蛋白質(zhì)含量/脫蛋白前蛋白質(zhì)含量×100

    式(2)

    1.2.4.3 脫色率的測(cè)定 將經(jīng)TCA-正丁醇法脫蛋白后的芒果皮渣多糖溶液于200~600 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行紫外-可見光譜全波長(zhǎng)掃描,結(jié)果表明多糖溶液在310 nm下有最大吸收峰,故選擇310 nm為檢測(cè)波長(zhǎng)測(cè)定芒果皮渣多糖溶液脫色前后的吸光度,并按下式計(jì)算脫色率。

    脫色率(%)=脫色前吸光度-脫色后吸光度/脫色前吸光度×100

    式(3)

    2 結(jié)果與分析

    2.1芒果皮渣多糖脫蛋白

    2.1.1 不同脫蛋白方法的比較 由圖1可知,9種方法對(duì)芒果皮渣多糖均有一定的脫蛋白效果,但在脫除蛋白質(zhì)的同時(shí),造成不同程度的多糖損失。從脫蛋白效果來(lái)看,TCA-正丁醇法和木瓜蛋白酶+TCA-正丁醇結(jié)合法對(duì)粗多糖中蛋白質(zhì)脫除效果較好,脫除率均高于80%,且后者稍高于前者,這可能是由于蛋白酶除了酶解多糖溶液中的游離蛋白質(zhì)外,還對(duì)與多糖結(jié)合的蛋白質(zhì)產(chǎn)生了酶解作用。從多糖的損失方面來(lái)看,木瓜蛋白酶+TCA-正丁醇結(jié)合法略高于TCA-正丁醇法,這可能是由于多次操作造成部分多糖損失。此外,TCA法、TCA+Sevage法、HCl法和木瓜蛋白酶+TCA法對(duì)芒果皮渣多糖的蛋白質(zhì)脫除率均高于45%,但多糖損失嚴(yán)重;而Sevage法、木瓜蛋白酶法和木瓜蛋白酶+Sevage法的多糖損失較少,但脫蛋白效果較差,脫除率均低于10%。綜上所述,選擇TCA-正丁醇法對(duì)芒果皮渣多糖進(jìn)行脫蛋白處理。

    圖1 不同方法對(duì)蛋白質(zhì)脫除率與多糖保留率的影響Fig.1 Effect of different methods on the rate of deproteinization and polysaccharide retention

    表4 TCA-正丁醇法脫蛋白正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of orthogonal test on deproteinization by TCA-n-butanol

    表5 方差分析和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results on analysis of variance and significance test

    注:F0.05(2,2)=19.00;F0.01(2,2)=99.00;**表示差異極顯著(p<0.01);*表示差異顯著(p<0.05);表7同。

    2.1.2 TCA-正丁醇法脫蛋白工藝條件優(yōu)化 由表4可知,影響TCA-正丁醇法脫蛋白效果的因素大小順序?yàn)?A>B>C,即TCA-正丁醇與樣液的體積比對(duì)脫蛋白效果影響最大,其次為TCA與正丁醇的體積比,振蕩時(shí)間對(duì)脫蛋白效果影響最小。TCA-正丁醇法脫蛋白的最佳工藝條件為A1B3C2,即TCA-正丁醇與樣液體積比為2∶1,三氯乙酸與正丁醇體積比為1∶20,振蕩時(shí)間為2 h。對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表5所示。由表5可知,因素A、B對(duì)蛋白質(zhì)脫除率有非常顯著的影響,因素C對(duì)蛋白質(zhì)脫除率有顯著影響。在最佳工藝條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得出蛋白質(zhì)脫除率為90.08%,多糖保留率為96.40%,此時(shí)綜合得分為99.90。

    2.2活性炭脫色工藝研究

    2.2.1 活性炭添加量對(duì)芒果皮渣多糖脫色效果的影響 由圖2可知,隨著活性炭添加量的增加,脫色率不斷增大,當(dāng)活性炭添加量大于1.0%時(shí),脫色率增大趨勢(shì)減緩。而多糖保留率隨著活性炭添加量的增加呈逐漸降低的趨勢(shì),綜合考慮,選擇活性炭添加量為1.0%。

    圖2 活性炭添加量對(duì)脫色率和多糖保留率的影響Fig.2 Effect of amounts of active carbon on decoloration and polysaccharide retention

    2.2.2 脫色溫度對(duì)芒果皮渣多糖脫色效果的影響 由圖3可知,隨著脫色溫度的升高,脫色率呈先增大后減小趨勢(shì),當(dāng)溫度為50 ℃時(shí),脫色率達(dá)到最大。脫色溫度在30~40 ℃內(nèi),多糖保留率顯著增加,當(dāng)溫度為40 ℃時(shí),多糖保留率達(dá)到最大,此后繼續(xù)升高溫度,多糖保留率逐漸降低。這可能是因?yàn)闇囟容^低,分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不明顯,色素分子與活性炭不能很好的接觸吸附;溫度過(guò)高,部分多糖喪失活性,進(jìn)而影響多糖含量。綜合考慮,選擇脫色溫度為50 ℃。

    圖3 脫色溫度對(duì)脫色率和多糖保留率的影響Fig.3 Effect of decolorating temperature on decoloration and polysaccharide retention

    2.2.3 脫色時(shí)間對(duì)芒果皮渣多糖脫色效果的影響 由圖4可知,隨著脫色時(shí)間的延長(zhǎng),脫色率呈先增加后減小趨勢(shì),當(dāng)脫色時(shí)間為60 min時(shí),脫色率達(dá)到最大;多糖保留率隨著脫色時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢降低,在60~100 min的范圍內(nèi)降低趨勢(shì)較平緩,這可能是由于多糖被活性炭產(chǎn)生吸附的緣故。綜合考慮選擇最佳脫色時(shí)間為60 min。

    圖4 脫色時(shí)間對(duì)脫色率和多糖保留率的影響Fig.4 Effect of decolorating time on decoloration and polysaccharide retention

    2.2.4 樣液pH對(duì)芒果皮渣多糖脫色效果的影響 由圖5可知,在測(cè)定pH范圍內(nèi),脫色率隨著樣液pH的增加逐漸降低。樣液pH在3.0~5.0范圍內(nèi),多糖保留率顯著增加,pH為5.0時(shí),多糖保留率達(dá)到最大;此后繼續(xù)增大樣液pH,多糖保留率變化不大。以上結(jié)果表明酸性條件有利于活性炭的吸附脫色作用,而多糖在堿性條件下比在酸性條件下穩(wěn)定。綜合考慮脫色率和多糖保留率,選擇樣液pH為3.0~5.0來(lái)開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

    表6 活性炭脫色正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of orthogonal test on decoloration by active carbon

    圖5 樣液pH對(duì)脫色率和多糖保留率的影響Fig.5 Effect of sample pH on decoloration and polysaccharide retention

    2.2.5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果 由表6和表7分析可知,影響活性炭脫色綜合評(píng)分的因素大小順序?yàn)?D>F>E>G,即脫色溫度對(duì)綜合評(píng)分影響最大,其次為活性炭添加量,再次是脫色時(shí)間,樣液pH對(duì)脫色效果影響最小?;钚蕴棵撋淖罴压に嚄l件為D2E3F3G1,即脫色溫度50 ℃,脫色時(shí)間75 min,活性炭添加量1.5%,樣液pH3.0。按優(yōu)化的工藝條件進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得到脫色率為70.98%,多糖保留率為92.77%,綜合評(píng)分為93.66,表明實(shí)驗(yàn)所確定的工藝條件為最優(yōu)脫色工藝條件。

    3 結(jié)論

    本實(shí)驗(yàn)采用9種不同的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室自制的芒果皮渣多糖進(jìn)行脫蛋白研究,結(jié)果表明TCA-正丁醇法的脫蛋白效果較好。

    表7 活性炭脫色方差分析表Table 7 Analysis of variance of decoloration by active carbon

    為探索TCA-正丁醇法脫蛋白的適宜條件,選取TCA-正丁醇與樣液體積比、TCA與正丁醇體積比、振蕩時(shí)間3個(gè)因素安排正交實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)3個(gè)因素對(duì)脫蛋白效果的影響主次順序?yàn)?TCA-正丁醇與樣液體積比>TCA與正丁醇體積比>振蕩時(shí)間,適宜的脫蛋白工藝為TCA-正丁醇與樣液體積比2∶1,TCA與正丁醇體積比1∶20,振蕩時(shí)間2 h,在此條件,蛋白質(zhì)脫除率為90.08%,多糖保留率為96.40%。采用活性炭對(duì)經(jīng)TCA-正丁醇法脫蛋白后的多糖溶液進(jìn)行脫色處理,分別考察了脫色溫度、脫色時(shí)間、活性炭添加量和樣液pH對(duì)脫色效果的影響,在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化最佳脫色工藝,結(jié)果表明,當(dāng)調(diào)節(jié)樣液pH為3.0,添加1.5%的活性炭,50 ℃振蕩吸附75 min,脫色率為70.98%,多糖保留率為92.77%。本方法降低了粗多糖中蛋白質(zhì)和色素含量,改善了其外觀,提高了多糖的純度,為后續(xù)芒果皮渣多糖的進(jìn)一步研究提供了參考。

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