番木瓜籽中硫代葡萄糖苷的超聲輔助降解研究

于磊，李文釗，姜化彬，韓紅超，阮美娟

（天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津300457）

番木瓜籽是番木瓜加工過程中的廢料，目前沒有得到充分利用，番木瓜籽占番木瓜重量的7%，將番木瓜籽綜合開發(fā)利用，對提高番木瓜產(chǎn)業(yè)的附加值具有重要意義[1]。目前對番木瓜籽已開展了較多的研究，主要集中在以下幾個(gè)方面：番木瓜籽營養(yǎng)成分分析、番木瓜籽油的提取及成分分析和功能評價(jià)、番木瓜籽中活性成分的相關(guān)研究、番木瓜籽中異硫氰酸酯的研究[2-4]等。異硫氰酸酯是一類具有-N=C=S基團(tuán)的化合物，是硫代葡萄糖苷的酶解產(chǎn)物[5]，在自然界中主要以硫代葡萄糖苷的形式廣泛存在于十字花科[6]、番木瓜科、柏樂樹科、白花菜科、旱金蓮科、多籽果科等雙子葉植物中[7]。異硫氰酸酯是一種具有特殊風(fēng)味的物質(zhì)，其抗癌活性已經(jīng)得到了確認(rèn)，對于其抑菌活性、提高細(xì)胞的抗氧化能力的研究還正在進(jìn)行[8]。硫代葡萄糖苷（Glucosinolates，簡稱GS）是一類廣泛存在于植物界的次生代謝產(chǎn)物，其降解產(chǎn)物具有多種活躍的化學(xué)和生物活性[9-10]。GS種類繁多，根據(jù)其側(cè)鏈R基團(tuán)來源不同可以分為脂肪族、芳香族和吲哚族3大類[6，11]。GS降解過程受多種因素影響而難以控制：不同種類的GS在硫苷酶作用下產(chǎn)生異硫氰酸酯類、腈類、硫氰酸酯類、環(huán)腈類、惡唑烷酮類化合物等，在較高溫度下能發(fā)生自降解，在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿以及某些化學(xué)物質(zhì)的作用下也不穩(wěn)定，也能在微生物作用下有效降解[9，12]。硫代葡萄糖苷的降解方式共包含4種方式，酶降解、熱降解、化學(xué)降解、微生物降解[11，13]。本文在酶降解基礎(chǔ)上，對番木瓜籽中的硫代葡萄糖苷進(jìn)行超聲輔助降解，優(yōu)化超聲波輔助降解工藝，使異硫氰酸芐酯（Benzylisothiocyanate，簡稱BITC）得率達(dá)到最大，為提高GS的轉(zhuǎn)化率提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要原輔料

番木瓜籽：海南斯坦德生物科技有限公司；異硫氰酸芐酯（98%）：西格馬奧格里奇（上海）貿(mào)易有限公司。

1.1.2 主要儀器與設(shè)備

752E紫外可見分光光度計(jì)：天津市普瑞斯儀器有限公司；KA2200DE超聲波清洗機(jī)：昆山超聲儀器有限公司；VARIAN4000MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國瓦里安技術(shù)有限公司；FT-IR傅立葉變換紅外光譜儀：賽默飛世爾科技公司

1.2 方法

1.2.1 硫代葡萄糖苷的檢測方法

硫代葡萄糖苷的檢測采用3，5-二硝基水楊酸（3，5-Dinitrosalicylic acid，DNS）比色法，制作葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線，并對硫代葡萄糖苷進(jìn)行測定[14]。

1.2.1.1 樣品的降解

樣品超聲輔助降解：準(zhǔn)確稱取番木瓜籽粉末樣品0.500 g兩份，分別置于兩支25 mL刻度試管中。在一支試管中加入35℃～38℃蒸餾水15 mL，置37℃水浴中恒溫酶解48 min，使硫代葡萄糖苷在芥子酶作用下完全水解，完成酶解后加熱至沸并保持10 min。在一支試管中加沸水15 mL，立即加熱至沸并保持10 min。隨后進(jìn)行超聲輔助降解。

1.2.1.2 硫代葡萄糖苷的檢測

在兩支試管中分別加入2 mL三氯乙酸，以沉淀其中的蛋白質(zhì)等物質(zhì)，靜置后在4 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心除去殘?jiān)堅(jiān)w積約2 mL），將上清液移至25 mL刻度試管，加1.5 mL濃度為1 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至中性，最后加蒸餾水定容至25 mL，濾紙過濾，取濾液各0.5 mL，按葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制方法，分別測定其吸光度。

1.2.1.3 硫代葡萄糖苷含量的計(jì)算

硫代葡萄糖苷含量按公式（1）計(jì)：

式中：C1為滅酶管葡萄糖量，mg；C2為酶解管葡萄糖量，mg；m為樣品質(zhì)量，mg；2.167為硫代葡萄糖轉(zhuǎn)化為硫代葡萄糖苷的系數(shù)（以芐基硫代葡萄糖苷計(jì)算）。

1.2.2 異硫氰酸芐酯的檢測方法

在NY/T 1596-2008《油菜餅粕中異硫氰酸酯的測定（硫脲比色法）》的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，利用內(nèi)源酶進(jìn)行酶解代替在樣品前處理中加芥子酶[15]。

1.2.2.1 樣品的處理

1）樣品熱降解處理：將番木瓜籽用萬能粉碎機(jī)粉碎，過100目標(biāo)準(zhǔn)篩，準(zhǔn)確稱取0.200 0 g番木瓜籽粉末放入圓底燒瓶中，加入5.0 mL水混合，接冷凝器，于集熱式恒溫磁力攪拌器中油欲，在適當(dāng)溫度下恒溫油浴1 h，熱降解完成后，轉(zhuǎn)移至具塞試管中備用。

2）將番木瓜籽用萬能粉碎機(jī)粉碎，過100篩，準(zhǔn)確稱取0.200 0 g番木瓜籽粉末放入具塞試管中，加入2.0 mL pH值為7.0的緩沖溶液充分混合并在35℃下恒溫水浴2 h，水浴酶解完成后，樣品備用。

往具塞試管中加2.5 mL二氯甲烷，用旋渦混合器混合均勻，在室溫下震蕩0.5 h，4 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心20 min，取6.0 mL體積分?jǐn)?shù)為80%的氨乙醇于具塞試管，用微量進(jìn)樣器取離心管下層有機(jī)相50 μL，加入到裝有80%氨乙醇具塞試管中，蓋上塞。漩渦混合均勻，將具塞試管放入水浴鍋，50℃下加熱0.5 h后取出，冷卻至室溫，用紫外分光光度計(jì)，10 mm石英比色皿測定光密度值，測定波長分別為 235、245、255 nm。同時(shí)測定試樣空白溶液。

1.2.2.2 異硫氰酸芐酯含量的計(jì)算

試樣中異硫氰酸芐酯的含量（ω）以每克樣品中異硫氰酸芐酯的毫克數(shù)（mg/g）表示，按公式（2）計(jì)算：

式中：O.D235為試樣235 nm處的光密度值；O.D245為試樣245 nm處的光密度值；O.D255為試樣255 nm處的光密度值；28.55為異硫氰酸芐酯的換算系數(shù)。

1.2.3 番木瓜籽中硫苷超聲輔助降解產(chǎn)物研究

1.2.3.1 番木瓜籽硫苷超聲輔助降解產(chǎn)物的制備方法

番木瓜籽用萬能粉碎機(jī)粉碎，過100目標(biāo)準(zhǔn)篩，準(zhǔn)確稱取0.2 g木瓜籽粉末于10 mL刻度試管中，加入配制好pH值為7.0的緩沖液4 mL，旋渦混合器充分混勻，于35℃酶解反應(yīng)48 min，隨后進(jìn)行超聲輔助降解。

降解樣品加入5 mL正己烷，用旋渦混合器充分混合均勻，將混合均勻的樣品移至15 mL離心管中，在4 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心10 min，將下層有機(jī)相移至具塞試管中，加入過量無水硫酸鈉除水，并置于冰箱冷凍過夜，將上清液取出作為待測樣品。

1.2.3.2 GC-MS分析條件

色譜條件：在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，DB-5石英毛細(xì)管柱（30 m×0.32 mm×0.25 μm）；升溫程序：100℃保持3 min，以10℃/min升至310℃，保持5 min；載氣為He，流速1.4 mL/min；進(jìn)樣口溫度250℃，分流比 10 ∶1，進(jìn)樣量 1 μL。

質(zhì)譜條件：電子轟擊離子源；電子能量70 eV；傳輸線溫度200℃；離子源溫度200℃；質(zhì)量掃描范圍 m/z 40～600。

1.2.3.3 紅外光譜儀分析條件

紅外光譜儀條件：背景掃描次數(shù)，32；樣品掃描次數(shù)，32；采樣增益，4.0；分辨率，4.000；光闌，100.00；分束器，KBr；動鏡速度，0.474 7；檢測器，DTGS ART；光源，紅外光源IR。

1.2.4 超聲波輔助降解對硫代葡萄糖苷降解的影響

探究超聲波對硫代葡萄糖苷降解的影響，在內(nèi)源酶降解基礎(chǔ)上進(jìn)行超聲輔助降解。酶解條件為：緩沖液 pH4.8，料液比 1∶20（g/mL），酶解時(shí)間 48min，酶解溫度27℃。

1.2.4.1 超聲時(shí)間對硫代葡萄糖苷可控降解的影響

探究超聲時(shí)間對硫代葡萄糖苷降解的影響，超聲功率60 W，水溫30℃，超聲時(shí)間分別為0、5、10、15、20、25、30 min。分別測定 GS 降解率、BITC 得率。

1.2.4.2 超聲溫度對硫代葡萄糖苷可控降解的影響

探究超聲溫度對硫代葡萄糖苷降解的影響，超聲功率60 W，超聲時(shí)間25 min，超聲溫度分別為20、35、50、65、80 ℃。分別測定 GS 降解率、BITC得率。

1.2.4.3 超聲功率對硫代葡萄糖苷可控降解的影響

探究超聲功率對硫代葡萄糖苷降解的影響，超聲溫度35℃，超聲時(shí)間25 min，超聲溫度功率為40、60、80、100 W。分別測定 GS降解率、BITC 得率。

1.2.4.4 超聲波輔助番木瓜籽中硫代葡萄糖苷降解的優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行影響面優(yōu)化，根據(jù)Box-Behnken模型的試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[16]，用Design-Expert軟件安排試驗(yàn)組合。分別測定異硫強(qiáng)酸芐酯得率及硫代葡萄糖苷降解率。

1.2.4.5 超聲輔助硫代葡萄糖苷降解產(chǎn)物分析

利用GC-MS，分別對最優(yōu)條件下（異硫強(qiáng)酸芐酯得率最高、硫代葡萄糖苷降解率最高）的降解產(chǎn)物進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫代葡萄糖苷含量檢測

葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作：經(jīng)試驗(yàn)獲得的葡萄糖濃度與吸光度關(guān)系，葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1所示。

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of glucose

吸光度Y與葡萄糖濃度X（mg/mL）的關(guān)系為：

此標(biāo)準(zhǔn)曲線可用于溶液中葡萄糖含量的測定，進(jìn)而計(jì)算出溶液中硫代葡萄糖苷的含量。

2.2 超聲波輔助降解對硫代葡萄糖苷降解的影響

原料粒徑100目，按照酶解條件料液比1∶20（g/mL），緩沖液pH=4.8，酶解時(shí)間48 min進(jìn)行酶解，隨后進(jìn)行超聲輔助降解，因素為時(shí)間、功率、溫度。以GS降解率、BITC得率為指標(biāo)分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，并進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。

2.2.1 超聲時(shí)間對硫代葡萄糖苷降解的影響

探究超聲時(shí)間對硫代葡萄糖苷降解的影響，超聲功率60 W，超聲溫度30℃，超聲時(shí)間分別為：0、5、10、15、20、25、30 min。原料粒徑 80 目，酶解條件：27 ℃、料液比 1 ∶20（g/mL），pH=4.8，酶解 48 min 輔助條件：超聲功率60 W，溫度30℃。分別測定GS降解率、BITC得率。結(jié)果如圖2。

圖2 超聲時(shí)間對GS降解的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on degradation of GS

由圖2可知，隨著超聲時(shí)間延長，GS降解率呈增大趨勢，當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到25 min時(shí)，GS降解率最大，為74.68%±1.24%，當(dāng)輔助時(shí)間繼續(xù)延長時(shí)，GS降解率不再增加。隨著超聲時(shí)間延長，BITC得率逐漸增大，在超聲時(shí)間為15 min時(shí)，BITC得率最高，達(dá)到（0.531±0.008）%，當(dāng)輔助時(shí)間繼續(xù)延長時(shí)，BITC得率不再增加。

2.2.2 超聲溫度對硫代葡萄糖苷降解的影響

探究超聲溫度對硫代葡萄糖苷降解的影響，超聲功率60 W，測定GS降解率時(shí)超聲時(shí)間為25 min（測定BITC得率時(shí)超聲時(shí)間15 min），超聲溫度分別為：20、35、50、65、80℃。分別測定 GS降解率、BITC得率。結(jié)果如圖3。

圖3 超聲溫度對GS降解的影響Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on degradation of GS

由圖3可知，隨著超聲溫度升高，GS降解率呈增大趨勢，當(dāng)超聲溫度達(dá)到35℃時(shí)，GS降解率最大，為（77.25±1.12）%，當(dāng)超聲溫度繼續(xù)增大時(shí)，GS降解率不再增加。隨著超聲溫度升高，BITC得率逐漸增大，在超聲溫度為35℃時(shí)，BITC得率最高，達(dá)到（0.554±0.004）%，當(dāng)輔助溫度繼續(xù)升高時(shí)，BITC得率不再增加。

2.2.3 超聲功率對硫代葡萄糖苷降解的影響

探究超聲功率對硫代葡萄糖苷降解的影響，超聲溫度35℃，測定GS降解率時(shí)超聲時(shí)間為25 min（測定BITC得率超聲時(shí)間15 min），超聲功率為40、60、80、100 W。分別測定GS降解率、BITC得率。結(jié)果如圖4。

圖4 超聲功率對GS降解的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on degradation of GS

由圖4可知，隨著超聲溫度升高，GS降解率呈增大趨勢，當(dāng)超聲功率達(dá)到60 W時(shí)，GS降解率最大，為77.187%±1.3%，當(dāng)超聲溫度繼續(xù)增大時(shí)，GS降解率不再增加。隨著超聲溫度升高，BITC得率逐漸增大，在超聲功率為60 W時(shí)，BITC得率最高，達(dá)到（0.554±0.005）%，當(dāng)輔助功率繼續(xù)增大時(shí)，BITC得率不再增加。

2.2.4 超聲波輔助對番木瓜籽中BITC得率優(yōu)化試驗(yàn)

結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果以BITC得率為優(yōu)化指標(biāo)，設(shè)計(jì)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，超聲波輔助BITC得率響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

應(yīng)用Design-Expert軟件對上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，可以得到該模型的二階擬合方程：

表1 超聲波輔助GS降解響B(tài)ITC得率響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)Table 1 Response surface optimization experiment of ultrasonic assisted GS degradation BITC yield

該模型的方差分析結(jié)果見表2所示。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)二階回歸模型方差分析Table 2 Analysis of variance for the second-order regression model

從表2可以看出，該回歸模型P值＜0.000 1，說明了該方程模型極顯著，模型失擬項(xiàng)P值＞0.05，說明失擬不顯著，可以利用該模型預(yù)測異硫氰酸芐酯的最高得率；從分差分析結(jié)果來看，超聲時(shí)間，超聲功率對輔助酶解得率影響極顯著，超聲溫度對輔助酶解得率影響顯著；超聲時(shí)間與超聲功率的交互相應(yīng)對酶解得率有顯著影響，超聲時(shí)間與超聲溫度，超聲功率與超聲溫度的交互相應(yīng)對酶解得率有極顯著影響，說明超聲時(shí)間（A）、超聲功率（B）、超聲溫度（C）3個(gè)因素對酶解得率的影響不只是簡單的線性關(guān)系，交互項(xiàng)、二次項(xiàng)也有一定的影響。

應(yīng)用Design-Expert軟件對上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，可以得到該模型的響應(yīng)面圖和等高線圖，見圖5。

從圖5響應(yīng)面及等高線圖來看，超聲時(shí)間、超聲功率、超聲溫度之間具有一定的交互效應(yīng)。通過Design Expert軟件對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行優(yōu)化，以異硫氰酸芐酯得率最高為優(yōu)化目標(biāo)，得到的最優(yōu)超聲時(shí)間16.17 min、超聲功率56.82 W、超聲溫度37.72℃，預(yù)期BITC得率0.56%。實(shí)際操作過程中選擇超聲時(shí)間16.17 min、超聲功率60 W、超聲溫度38℃，此時(shí)異硫氰酸芐酯的得率為0.558%，硫代葡萄糖苷的降解率為（63.62±1.17）%。

圖5 響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.5 Response surface map and contour map

2.2.5 降解BITC提取分離及鑒定

2.2.5.1 酶解超聲輔助降解BITC提取分離

番木瓜籽粉碎過100目篩，按照酶解條件（料液比 1 ∶20 g/mL，緩沖液 pH=4.8，酶解時(shí)間 48 min）進(jìn)行酶解，在超聲時(shí)間16.17 min、超聲功率60 W、超聲溫度38℃條件下進(jìn)行輔助降解。隨后將降解產(chǎn)物進(jìn)行同時(shí)蒸餾萃取，萃取目標(biāo)產(chǎn)物BITC。收集粗提物約1 g進(jìn)行硅膠柱層析，獲得BITC純品。隨后進(jìn)行GC-MS分析，見圖6。

圖6 番木瓜籽提取物的GC-MS分析譜圖Fig.6 GC-MS analysis spectra of papaya seed extract

如表3，初步判定出硫代葡萄糖苷可能的酶解產(chǎn)物，分別為苯甲醛（RT3.41min）、氯化芐（RT3.615min）、異氰酸芐酯（RT5.085min）、硫氰酸芐酯（RT8.533 min）、異硫氰酸芐酯（RT8.834 min），通過分析可以發(fā)現(xiàn)，酶解產(chǎn)物中有芐基，由此推測番木瓜籽中含有芐基硫代葡萄糖苷；由于在氣質(zhì)分析結(jié)果中并沒有發(fā)現(xiàn)其他類別的異硫氰酸酯，所以可以認(rèn)為番木瓜籽中只有芐基硫代葡萄糖苷這一種硫苷，這與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果相一致。另外純化后番木瓜籽提取物中異硫氰酸芐酯純度達(dá)到98.81%，純度很高。

表3 番木瓜籽提取物GC-MS結(jié)果分析Table 3 Analysis of papaya seed extract GC-MS

2.2.5.2 番木瓜籽提取物的鑒定

經(jīng)過GC-MS結(jié)果可以看出，番木瓜籽酶解產(chǎn)物主要為異硫氰酸芐酯，其對應(yīng)的主要前提物質(zhì)為芐基硫苷，為了進(jìn)一步確定提取物為異硫氰酸芐酯，通過紅外光譜的方法對純化后的提取物進(jìn)行鑒定。

用毛細(xì)管吸取少量的異硫氰酸芐酯提取物和異硫氰酸芐酯標(biāo)品分別涂抹樣品去，進(jìn)行400 cm-1～4 000 cm-1的紅外光譜掃描。

紅外條件：背景掃描次數(shù)，32；樣品掃描次數(shù)，32；采樣增益，4.0；分辨率，4.000；光闌，100.00；分束器，KBr；動鏡速度，0.474 7；檢測器，DTGS ART；光源，紅外光源IR。

圖7 番木瓜籽異硫氰酸芐酯純化物和異硫氰酸芐酯標(biāo)品紅外光譜Fig.7 Infrared spectroscopy of purified benzyl isothiocyanate from papaya seed and benzyl isothiocyanate standard substance

由圖7，3 032 cm-1為苯環(huán)上=C-H的伸縮振動（ν=C-H），2 924 cm-1為亞甲基的不對稱伸縮振動（ν-CH2），2 860 cm-1為亞甲基的對稱伸縮振動（ν-CH2），2 175、2 093 cm-1為-N=C=S 的特征吸收峰，1 604、1 496、1 454、1 439 cm-1為苯環(huán)骨架振動吸收帶（ν骨架），732、699 cm-1芳?xì)涞拿嫱鈴澢駝樱é?C-H），454 cm-1環(huán)上C=C面外彎曲振動。經(jīng)過對比，番木瓜籽異硫氰酸芐酯純化物和異硫氰酸芐酯標(biāo)品的紅外光譜一致。

3 結(jié)論

超聲波輔助番木瓜籽中硫代葡萄糖苷的降解試驗(yàn)中，在內(nèi)源酶水解硫代葡萄糖苷的基礎(chǔ)上進(jìn)行超聲波輔助。在單因素基礎(chǔ)上，對超聲時(shí)間、超聲功率、超聲溫度3個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化。以異硫氰酸芐酯得率最高為優(yōu)化目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)超聲時(shí)間、超聲功率、超聲溫度之間具有一定的交互效應(yīng)。得到的最優(yōu)超聲時(shí)間16.17 min、超聲功率60 W、超聲溫度38℃，異硫氰酸芐酯的得率為0.558%，此時(shí)硫代葡萄糖苷的酶解率為63.62%。純化后經(jīng)氣相色譜及紅外光譜分析，發(fā)現(xiàn)純化物為異硫氰酸芐酯，且純度較高，達(dá)到98.81%。

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