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    僵蠶醇溶蛋白質(zhì)的優(yōu)化提取及其指紋圖譜研究

    2020-03-03 14:37:13王立勇黃佳瀅朱銳靈徐悅湯建聞崇煒
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年22期

    王立勇 黃佳瀅 朱銳靈 徐悅 湯建 聞崇煒

    摘要:為優(yōu)化僵蠶醇溶蛋白質(zhì)的提取工藝,并建立相應(yīng)的SDS-PAGE(十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳)、HPLC(高效液相色譜)、FTIR(傅里葉變換紅外光譜)指紋圖譜。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用響應(yīng)面法,以提取率為響應(yīng)值建立數(shù)學(xué)模型,獲得最佳工藝,用SDS-PAGE、HPLC、FTIR建立僵蠶醇溶蛋白質(zhì)指紋圖譜。通過單因素試驗(yàn)考察乙醇濃度、料液比、溫度、提取時(shí)間對(duì)僵蠶醇溶蛋白質(zhì)提取率的影響,進(jìn)而用Box-Behnken法設(shè)計(jì)4因素3水平試驗(yàn),進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析。結(jié)果表明,僵蠶醇溶蛋白質(zhì)的最佳提取工藝條件為料液比1g∶24.22mL,乙醇濃度38.73%,溫度35℃,提取時(shí)間3.94h,此時(shí)的提取率為0.5402%。用SDS-PAGE、HPLC、FTIR法建立僵蠶醇溶蛋白質(zhì)指紋圖譜,SDS-PAGE分析結(jié)果表明,僵蠶醇溶蛋白質(zhì)分子量集中在16.7~36.2ku;HPLC分析結(jié)果表明,主要僵蠶醇溶蛋白質(zhì)的保留時(shí)間為2.048min與3.354min,其含量分別占總蛋白量的31.23%與32.93%;FTIR分析結(jié)果表明,僵蠶醇溶蛋白質(zhì)在2927.71、1631.71、1457.24、1310.71cm-1處有主要吸收峰。研究并建立了僵蠶醇溶蛋白質(zhì)的優(yōu)化提取條件,并獲得了蛋白質(zhì)的SDS-PAGE、HPLC、FTIR指紋圖譜。

    關(guān)鍵詞:僵蠶;醇溶蛋白質(zhì);響應(yīng)面法;FTIR指紋圖譜;SDS-PAGE;HPLC

    中圖分類號(hào):R284.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

    文章編號(hào):1002-1302(2020)22-0196-06

    作者簡(jiǎn)介:王立勇(1994—),男,福建福州人,碩士研究生,研究方向?yàn)榉肿由帉W(xué)。E-mail:1395996384@qq.com。

    通信作者:聞崇煒,博士,副教授,研究方向?yàn)榉肿由帉W(xué)。E-mail:wenchw@ujs.edu.cn。

    早在秦漢年間,《神農(nóng)本草經(jīng)》就收載僵蠶為祛風(fēng)定驚、化痰散結(jié)的中品藥材[1]。現(xiàn)代藥理學(xué)研究發(fā)現(xiàn),僵蠶具有抗癌、降血糖、抗菌、鎮(zhèn)靜催眠、抗凝血、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)及保護(hù)等多種作用[2-7]。目前研究認(rèn)為,僵蠶富含的草酸銨是其抗驚厥、抗凝血的主要藥理成分,槲皮素是其祛痰、止咳的藥理成分。程鎖明等利用反復(fù)硅膠柱色譜、十八烷基硅烷鍵合硅膠填料柱、液相色譜等方法進(jìn)一步從僵蠶中分離得到(3α,6β)-3-芐基-6-異丙基-4-甲基-2,5-嗎啡啉二酮等12個(gè)化合物[8]。殷志琦等應(yīng)用硅膠柱層析和重結(jié)晶方法首次從僵蠶中分離得到6個(gè)化合物[9]。郭曉恒等從僵蠶的三氯甲烷部位分離鑒定出6,9-氧橋-麥角甾-7,22-雙烯-3-醇、β-谷甾醇等多種化學(xué)成分[10]。但是,目前對(duì)僵蠶中含量最豐富的蛋白質(zhì)還缺乏深入研究。

    蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能,是生命活動(dòng)的執(zhí)行者。在稀鹽、緩沖系統(tǒng)的水溶液作用下,蛋白質(zhì)的溶解度大、穩(wěn)定性好,因此它們是蛋白質(zhì)提取的常用溶劑。乙醇溶液可用于提取植物中的醇溶性蛋白質(zhì)[11-13],但能否用于提取僵蠶中的醇溶性蛋白質(zhì)至今尚未見報(bào)道。響應(yīng)面法可基于數(shù)學(xué)建模確定試驗(yàn)因素間的相互作用并進(jìn)行工藝優(yōu)化[14],目前已在蛋白質(zhì)提取工藝的優(yōu)化中得到廣泛應(yīng)用[15-18]。本研究旨在利用響應(yīng)面法優(yōu)化僵蠶醇溶蛋白質(zhì)的提取工藝,并對(duì)其進(jìn)行SDS-PAGE(十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳)、HPLC(高效液相色譜)、FTIR(傅里葉變換紅外光譜)指紋圖譜分析,旨在為其后續(xù)功能研究及開發(fā)應(yīng)用提供參考。

    1材料與方法

    1.1材料與試劑

    主要試驗(yàn)材料為僵蠶,購(gòu)自亳州中藥材市場(chǎng),經(jīng)江蘇大學(xué)藥學(xué)院歐陽(yáng)臻教授鑒定為蠶蛾科昆蟲家蠶4~5齡的幼蟲感染白僵菌后的致死干燥體。

    主要試劑有蛋白質(zhì)分子量標(biāo)準(zhǔn)品,購(gòu)自賽默飛世爾科技有限公司;考馬斯亮藍(lán)R-250,購(gòu)自北京中生瑞泰科技有限公司;溴酚藍(lán),購(gòu)自Amresco公司;無水乙醇、牛血清白蛋白、甲醇、乙腈、溴化鉀等試劑,均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

    1.2儀器與設(shè)備

    主要設(shè)備有電子分析天平,購(gòu)自Sartorius公司;酶標(biāo)儀,購(gòu)自美國(guó)MolecularDevices公司;數(shù)顯恒溫水浴鍋,購(gòu)自江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠;微量臺(tái)式離心機(jī),購(gòu)自美國(guó)ThermoScientific公司;冷凍干燥機(jī),購(gòu)自德國(guó)Marinchrist公司;Avatar-370型傅立葉變換紅外光譜儀,購(gòu)自美國(guó)尼高力儀器公司;安捷倫LC1200液相色譜儀,購(gòu)自美國(guó)普惠公司。

    1.3試驗(yàn)方法

    1.3.1蛋白質(zhì)的提取將僵蠶粉碎并過70目篩備用。取適量僵蠶粉末,按預(yù)設(shè)的料液比加入預(yù)設(shè)濃度的乙醇溶液,在恒溫水浴箱中用預(yù)設(shè)溫度水浴振蕩提取醇溶蛋白質(zhì)。水浴結(jié)束后,將樣品于12000r/min離心10min,收集上清液備用。

    1.3.2蛋白質(zhì)提取率的測(cè)定以考馬斯亮藍(lán)法進(jìn)行蛋白質(zhì)定量,牛血清白蛋白為標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì),測(cè)定595nm處樣品吸光度,建立標(biāo)準(zhǔn)曲線[19]。隨后分別取200μL“1.3.1”節(jié)所得樣品加入管A、管B中,A管加適量三氯乙酸,離心去除沉淀蛋白質(zhì);B管不作任何處理,根據(jù)A管及B管吸光度計(jì)算蛋白質(zhì)吸光度,再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品中的蛋白質(zhì)含量,之后按下述公式計(jì)算蛋白質(zhì)提取率:

    蛋白質(zhì)提取率=(mB-mA)/m×100%。

    式中:mA為A管的蛋白質(zhì)含量;mB為B管的蛋白質(zhì)含量;m為提取用僵蠶粉末量。

    1.3.3單因素試驗(yàn)(1)乙醇濃度對(duì)蛋白質(zhì)提取率影響的試驗(yàn)。乙醇濃度分別設(shè)為20%、30%、40%、50%、60%、70%,溫度為40℃,料液比為1g∶25mL,提取時(shí)間為4h。(2)料液比對(duì)蛋白質(zhì)提取率影響的試驗(yàn)。料液比分別取1g∶10mL、1g∶15mL、1g∶20mL、1g∶25mL、1g∶30mL,提取溫度為40℃,乙醇濃度為40%,提取時(shí)間為4h。(3)提取溫度對(duì)蛋白質(zhì)提取率影響的試驗(yàn)。提取溫度分別取30、35、40、45、50、55℃,乙醇溶液濃度為40%,提取時(shí)間為4h,料液比為1g∶25mL。(4)提取時(shí)間對(duì)蛋白質(zhì)提取率影響的試驗(yàn)。提取時(shí)間分別取1、2、3、4、5、6、7h,提取溫度為40℃,乙醇濃度為40%,料液比為1g∶25mL。

    1.3.4響應(yīng)面試驗(yàn)在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用Design-Expert8.0.6中的Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn),以料液比、乙醇濃度、溫度、時(shí)間為自變量,以提取率為響應(yīng)值,采用響應(yīng)面分析法對(duì)僵蠶醇溶蛋白質(zhì)的提取工藝條件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,其各因素的編碼水平見表1。

    1.3.5SDS-PAGE檢測(cè)取適量蛋白質(zhì)樣品與上樣緩沖液混合,沸水浴處理10min,得電泳樣品。按照常規(guī)方法進(jìn)行SDS-PAGE分析,分離膠濃度為10%,濃縮膠濃度為5%,于80V恒壓電泳2h,當(dāng)溴酚藍(lán)指示劑距膠板底部邊緣1~2cm時(shí)結(jié)束電泳,取下凝膠后進(jìn)行染色、脫色[20]。

    1.3.6凝膠分析用凝膠成像系統(tǒng)采集SDS-PAGE凝膠圖像,用QuantityOne軟件定量各條帶的遷移率及灰度值,按如下公式計(jì)算各蛋白質(zhì)的比例:

    蛋白質(zhì)比例=待測(cè)蛋白質(zhì)灰度值/蛋白質(zhì)總灰度值×100%。

    1.3.7HPLC檢測(cè)采用安捷倫LC1200液相色譜儀進(jìn)行檢測(cè),色譜柱為EclipsePlusC18(100mm×4.6mmID),流動(dòng)相為10%乙腈溶液,流速為0.5mL/min,進(jìn)樣量為20μL,檢測(cè)波長(zhǎng)為270nm。取適量?jī)龈珊蟮慕┬Q蛋白質(zhì)粉末溶解于適量流動(dòng)相,再按照上述檢測(cè)條件進(jìn)行HPLC檢測(cè)。

    1.3.8FTIR檢測(cè)取適量?jī)龈珊蟮慕┬Q蛋白質(zhì)粉末,加入適量溴化鉀(KBr)粉末研磨混勻,壓片后置于傅立葉紅外光譜儀下,于4000~400cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。

    2結(jié)果與分析

    2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

    由圖1-A可知,當(dāng)乙醇濃度達(dá)到40%前,提取率隨著乙醇濃度的增加呈上升趨勢(shì);當(dāng)乙醇濃度為40%時(shí),提取率達(dá)到峰值為0.531%;之后繼續(xù)提高乙醇濃度,提取率逐漸降低。這可能是因?yàn)橐掖紳舛冗^高時(shí),提取液的極性變小,使得蛋白質(zhì)在提取液中的溶解度降低。因此,本研究選擇乙醇提取濃度為40%。由圖1-B可知,當(dāng)料液比小于1g∶25mL時(shí),隨著料液比的增加,提取率呈明顯上升的趨勢(shì);當(dāng)料液比為1g∶25mL時(shí),具有最大提取率,為0.532%;繼續(xù)增加料液比,提取率沒有顯著變化。理論上說,料液比越大,提取液的黏度就越低,蛋白質(zhì)就越容易溶出。當(dāng)料液比達(dá)到1g∶25mL后,蛋白質(zhì)的溶出趨于平衡,料液比的增加不再使提取率升高,過多的提取液反而會(huì)造成資源浪費(fèi)和后續(xù)處理的困難。綜合考慮,選擇料液比為1g∶25mL。由圖1-C可知,當(dāng)溫度低于40℃時(shí),隨著溫度的上升,提取率逐漸升高,在溫度為40℃時(shí)達(dá)到峰值,為0.519%;當(dāng)溫度繼續(xù)提高時(shí),提取率反而降低,這可能是因?yàn)殡S著溫度的升高,蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生變性,進(jìn)而形成凝膠,從而增加了提取液的黏度,導(dǎo)致分離困難,并且過高的溫度也會(huì)造成能耗的增加。綜合考慮,選擇提取溫度為40℃。由圖1-D可知,當(dāng)提取時(shí)間小于4h時(shí),提取率隨著提取時(shí)間的增加而升高;當(dāng)提取時(shí)間為4h時(shí),提取率達(dá)到最大值,為0.532%,此時(shí)蛋白質(zhì)的溶出率達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡;當(dāng)提取時(shí)間超過4h時(shí),若繼續(xù)增加提取時(shí)間,提取率反而下降,因此選擇提取時(shí)間為4h。

    2.2響應(yīng)面結(jié)果分析

    響應(yīng)面法是一種結(jié)合數(shù)學(xué)方法與統(tǒng)計(jì)方法對(duì)所感興趣的響應(yīng)值受多個(gè)變量影響的問題進(jìn)行建模和分析的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)值的優(yōu)化。本研究在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以蛋白質(zhì)提取率為效應(yīng)值,以料液比、乙醇濃度、溫度和提取時(shí)間為自變量進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn),結(jié)果見表2、表3。

    從表3可看出,該模型P值顯著、失擬項(xiàng)不顯著,表明模型擬合得較好。另外,料液比、溫度、提取時(shí)間對(duì)乙醇溶液提取僵蠶蛋白質(zhì)的影響極顯著,其中交互項(xiàng)AC、BD對(duì)僵蠶醇溶蛋白質(zhì)提取率具有顯著或極顯著影響,結(jié)果如圖2所示。

    用Design-Expert8.0.6軟件對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,擬合得回歸方程:

    Y=0.530+0.680A+0.280B-0.580C-0.410D-0.025AB+1.200AC+0.300AD+0.330BC+0.500BD+0.330CD-1.600A2-0.260B2-0.076C2-0.070D2。

    從該回歸方程可以看出,4個(gè)因素對(duì)僵蠶醇溶性蛋白質(zhì)提取率影響的排序?yàn)榱弦罕?溫度>提取時(shí)間>乙醇濃度。通過軟件計(jì)算分析,得出最佳僵蠶醇溶蛋白質(zhì)提取工藝為料液比1g∶24.22mL,乙醇濃度38.73%,溫度35℃,提取時(shí)間3.94h,在此條件下獲得最佳僵蠶醇溶性蛋白質(zhì)的提取率為0.5402%。

    2.3驗(yàn)證試驗(yàn)

    取3份僵蠶粉末,按照最佳提取工藝條件進(jìn)行試驗(yàn),重復(fù)3次,得到僵蠶醇溶蛋白質(zhì)平均提取率為0.5417%。該結(jié)果與理論最大值一致,說明本試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型穩(wěn)定可靠。

    2.4SDS-PAGE指紋圖譜分析

    按照“1.3.5”節(jié)與“1.3.6”節(jié)方法進(jìn)行僵蠶醇溶蛋白質(zhì)的SDS-PAGE指紋圖譜分析。由圖3可以看出,用40%乙醇溶液提取的蛋白質(zhì)樣品為多種中小分子量(16.7~36.2ku)蛋白質(zhì)形成的混合物,其中分子量較?。?6.7~23.1ku)的蛋白質(zhì)占蛋白質(zhì)總量的74%,其遷移率為0.808~0.945;分子量較大(32.5~36.2ku)的蛋白質(zhì)占蛋白質(zhì)總量的24.8%,其遷移率為0.603~0.651。

    2.5HPLC指紋圖譜分析

    按照“1.3.7”節(jié)所述方法進(jìn)行僵蠶醇溶蛋白質(zhì)的HPLC指紋圖譜分析。如圖4所示,共形成保留時(shí)間介于1.630~6.115min的6個(gè)色譜峰,其中主要醇溶蛋白質(zhì)的保留時(shí)間分別為2.048、3.354min,其含量分別占總蛋白含量的31.23%、32.93%。

    2.6FTIR指紋圖譜分析

    按照“1.3.8”節(jié)所述進(jìn)行僵蠶醇溶蛋白質(zhì)的FTIR指紋圖譜分析。由圖5可見,用40%乙醇提取的僵蠶蛋白質(zhì)在4000~400cm-1范圍內(nèi)共有6個(gè)吸收峰,其中2927.71cm-1處為甲基、亞甲基的C—H伸縮振動(dòng)峰,1631.71cm-1處為蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶的C[FY=,1]O的伸縮振動(dòng)峰,1457.24、1310.71cm-1處為C—H的彎曲振動(dòng)吸收峰。冀憲領(lǐng)等曾報(bào)道,僵蠶75%乙醇提取物的FTIR指紋圖譜的主要特征吸收峰為1723、1300、1210cm-1等[21],將其研究結(jié)果與本研究結(jié)果相結(jié)合,可為基于FTIR技術(shù)鑒定僵蠶提供較好的試驗(yàn)依據(jù)。

    3結(jié)論與討論

    植物中含有較多的醇溶蛋白質(zhì),研究結(jié)果表

    明,這些蛋白質(zhì)具有良好的生物相容性、利用度及可降解性,可用作多種支架材料、黏附材料及載體材料,在食品及醫(yī)藥方面有廣闊的應(yīng)用前景[22-25]。但是,動(dòng)物來源的醇溶蛋白質(zhì)至今仍鮮有報(bào)道。本研究采用響應(yīng)面法優(yōu)化了僵蠶醇溶蛋白質(zhì)的提取工藝,結(jié)果表明,最佳提取條件為料液比1g∶24.22mL,乙醇濃度38.73%,溫度35℃,提取時(shí)間3.94h,蛋白質(zhì)的最優(yōu)提取率為0.5402%,建立了僵蠶醇溶蛋白質(zhì)的SDS-PAGE、HPLC、FTIR指紋圖譜,為后續(xù)僵蠶醇溶蛋白質(zhì)的研究及開發(fā)利用創(chuàng)造了條件。

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