嚴(yán)尚隆,潘創(chuàng),楊賢慶*,陳勝軍,戚勃,黃卉
1(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院,上海,201306)2(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心,廣東 廣州,510300)
海藻是海洋生物的重要組成部分,形態(tài)多樣,種類繁多。近年來,海藻作為功能性和生物活性化合物的優(yōu)良來源越來越多地受到了科研工作者的關(guān)注。海藻多糖營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,具有抗病毒、抗氧化、抗腫瘤等多種生理活性[1],現(xiàn)已成為食品、醫(yī)藥以及化妝品行業(yè)的研究重點(diǎn)。
長(zhǎng)松藻(CodiumcylindricumHolmes),綠藻門松藻目松藻科松藻屬,別名柱海松,廣泛分布于我國(guó)南海區(qū)域[2]。長(zhǎng)松藻富含多糖、蛋白質(zhì)和粗纖維等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),是一種可食用大型綠藻[3]。但由于口感較差,長(zhǎng)松藻至今未得到深入應(yīng)用,僅用作于飼料和餌料[4]。事實(shí)上,研究表明長(zhǎng)松藻含有抗凝血、抗血管的多糖類活性化合物,具有很好的開發(fā)價(jià)值和應(yīng)用前景[5]。然而,天然多糖具有分子質(zhì)量大,溶解性差的缺點(diǎn)[6],不利于精深加工與高值化利用。因此,對(duì)多糖進(jìn)行適度降解處理,是目前國(guó)內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)。
多糖降解方法包括生物降解、物理降解及化學(xué)降解方法。生物降解法主要通過特異性酶解處理,條件溫和且高效節(jié)能,但酶制劑價(jià)格昂貴,且特異性酶篩選具有難度[7]。常見的物理降解法有超聲波降解、微波降解和輻射降解等,物理降解法高效環(huán)保,但有降解回收率低,設(shè)備成本高的缺點(diǎn)[8]。化學(xué)降解方法包括酸堿降解法、氧化降解法等,其中H2O2聯(lián)合降解法操作簡(jiǎn)單,已受到廣泛關(guān)注,目前主要有H2O2-維生素C及H2O2-Fe2+法,但同時(shí)也存在降解效率不高的問題[9]。ZHI等[10]采用超聲輔助H2O2-Fe2+法制備低分子質(zhì)量肝素,結(jié)果表明該復(fù)合降解法能在短時(shí)間內(nèi)降低肝素的分子質(zhì)量,釋放羥基基團(tuán),顯著增強(qiáng)肝素的抗凝血能力。姜慧等[11]研究發(fā)現(xiàn)超聲輔助H2O2-維生素C法能夠有效降解條斑紫菜多糖;降解處理后,條斑紫菜多糖分子質(zhì)量顯著降低,基本結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定,而體外抗氧化、膽酸鹽結(jié)合以及細(xì)胞免疫活性提高。
隨著生活節(jié)奏和飲食習(xí)慣的變化,糖尿病患病率日益提高,多糖作為具有降血糖功效的天然活性物質(zhì)愈發(fā)受到關(guān)注[12]。降血糖功效是多糖的重要活性,與相對(duì)分子質(zhì)量、單糖組成、高級(jí)結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)[13]。因此,本文以長(zhǎng)松藻多糖(Codiumcylindricumpolysaccharides,CCP)為原料,采用復(fù)合降解方法,通過超聲輔助H2O2-維生素C以及H2O2-Fe2+降解法,制備長(zhǎng)松藻降解多糖,并探究多糖的理化性質(zhì)、高級(jí)結(jié)構(gòu)以及降血糖活性,以期為CCP的開發(fā)應(yīng)用提供理論支持,促進(jìn)長(zhǎng)松藻資源的充分利用。
長(zhǎng)松藻,汕頭南澳島;α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶,合肥市博美生物科技有限責(zé)任公司;木瓜蛋白酶,廣州市齊云生物技術(shù)有限公司;透析袋(Mw1 000、Mw7 000),廣州華嶼欣實(shí)驗(yàn)器材有限公司;抗壞血酸、三氟乙酸(trifluoroacetic acid,TFA)、1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮(1-phenyl-3-methyl-5-pyrazolinone,PMP)、甲醇、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、二硝基水楊酸(dinitrosalicylic acid,DNS)等其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。
BS224S分析天平,美國(guó)Sartorius公司;XT-500A型粉碎機(jī),金華永康紅太陽(yáng)機(jī)電有限公司;Milli-Q超純水機(jī),美國(guó)Millipore公司;HWS24熱恒溫水浴鍋,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;Alpha1-4冷凍干燥機(jī),德國(guó)Christ有限公司;ISI26 pH計(jì),上海儀邁儀器科技有限公司;IRE-5220A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,上海亞榮生化儀器廠;G-100S(800 W、40 kHz)超聲波清洗機(jī),深圳市歌能清洗設(shè)備有限公司;AvantiJ26XP高速離心機(jī),德國(guó)Sigma公司;Synergy全功能酶標(biāo)儀,美國(guó)BioTek公司。
1.3.1 多糖提取
CCP的提取參考熊皓平等[4]的方法,并略作修改。稱取10.0 g預(yù)處理后的長(zhǎng)松藻粉末,加入500 mL無(wú)水乙醇浸泡脫脂2 h,過濾,濾渣于60 ℃烘干。以1∶100(g∶mL)加入蒸餾水,攪拌10 min,在95 ℃下浸提2 h,冷卻至室溫。加入木瓜蛋白酶(3 000 U/mL),60 ℃水浴振蕩孵化2 h后,沸水浴處理5 min使木瓜蛋白酶變性。冷卻至室溫后,4 ℃、8 000 r/min 離心15 min,保留上清液,旋蒸濃縮至原體積1/3。濃縮液經(jīng)7 000 Da透析袋去離子水透析48 h后,加入4倍體積的無(wú)水乙醇,醇沉過夜。4 ℃、10 000 r/min離心20 min并收集沉淀,冷凍干燥得到CCP。
1.3.2 CCP降解
1.3.2.1 超聲輔助H2O2-維生素C降解
根據(jù)CHEN等[14]的方法,略加修改,對(duì)CCP進(jìn)行降解處理。稱取2.0 g CCP,加蒸餾水溶解,配制5 mg/mL CCP溶液,使用1.0 mol/L HCl調(diào)節(jié)CCP溶液pH至3.0,加入0.14 mL 30%(體積分?jǐn)?shù))H2O2與0.21 g維生素C,搖勻。將混合溶液超聲處理30 min并調(diào)節(jié)至中性。經(jīng)4 ℃、10 000 r/min離心20 min后收集上清液,1 000 Da透析袋透析48 h,旋蒸濃縮并冷凍干燥,得到超聲輔助H2O2-維生素C降解多糖(維生素C-CCP)。
1.3.2.2 超聲輔助H2O2-Fe2+降解
采用黃海潮等[8]的降解方法,稍作改動(dòng),對(duì)CCP進(jìn)行降解處理。稱取2.0 g CCP,加蒸餾水溶解,配制5 mg/mL CCP溶液,用1.0 mol/L HCl調(diào)節(jié)CCP溶液pH至3.0,加入4.53 mL 30% H2O2與0.17 g硫酸亞鐵,搖勻。將混合溶液超聲處理30 min并調(diào)節(jié)至中性,經(jīng)4 ℃、10 000 r/min離心20 min后收集上清液,1 000 Da透析袋透析48 h,旋蒸濃縮并冷凍干燥,制得超聲輔助H2O2-Fe2+降解多糖(Fe-CCP)。
1.3.3 多糖理化性質(zhì)測(cè)定
1.3.3.1 溶解度
稱取0.1 g CCP,加入100 mL蒸餾水,在不同溫度(20、40、60、80、100 ℃)條件下磁力攪拌至完全溶解,記錄CCP從開始到完全溶解所需要的時(shí)間[15]。
1.3.3.2 粒徑分布與Zeta電位
準(zhǔn)確稱取1.0 mg的樣品,加入1 mL超純水,超聲處理5 min,使樣品完全分散后,通過納米粒度電位儀測(cè)定CCP、維生素C-CCP及Fe-CCP的粒徑分布及電位,連續(xù)測(cè)定3次。
1.3.4 多糖結(jié)構(gòu)解析
1.3.4.1 單糖組成
稱取10 mg(精確到0.1 mg)多糖樣品于20 mL的鉗口瓶中,加入5 mL濃度為2 mol/L的TFA,充N2封管,100 ℃烘箱中水解2 h。取1 mL水解液,加入1 mL甲醇后,70 ℃水浴下用N2吹干,重復(fù)2次,以去除TFA。加入1 mL 0.3 mol/L NaOH溶液充分溶解殘?jiān)鲆欢ㄏ♂尯笱苌鷾y(cè)定。
分別取400 μL的混合單糖標(biāo)準(zhǔn)液或多糖水解液于5 mL的具塞試管中,加400 μL PMP甲醇溶液,漩渦混勻。70 ℃水浴反應(yīng)2 h,加入400 μL 0.3 mol/L 的HCl中和(pH 6~7),加水1 200 μL,再加等體積的氯仿,渦旋混勻振搖,靜置,棄去氯仿相,如此萃取2次,0.45 μm微孔膜過濾后供LC-MS進(jìn)樣分析。流動(dòng)相為乙腈與乙酸銨緩沖液(pH 7.0),流速為0.4 mL/min,柱溫35 ℃,進(jìn)樣量2 μL。
1.3.4.2 原子力顯微鏡
取一定量的多糖粉末,溶解使樣品稀釋分散均勻后,滴到干凈的云母片上,晾干后進(jìn)行測(cè)試。通過原子力顯微鏡掃描,安裝好探針,調(diào)整激光,移動(dòng)樣品臺(tái)以及探頭的位置,使樣品位于探頭正下方,直到看清樣品表面為止,運(yùn)行Nanoscope軟件進(jìn)行測(cè)定。
1.3.4.3 核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)氫譜
稱取50 mg樣品,加入至核磁管,移取0.5 mL重水,振蕩使樣品完全溶解后進(jìn)行測(cè)試,1H共振頻率600 MHz,采樣次數(shù)64次,弛豫時(shí)間2 s;13C為150.87 MHz,采樣次數(shù)10 240次,弛豫時(shí)間2 s。布魯克600 MHz AVANCE III測(cè)定。
1.3.5 多糖降血糖活性
1.3.5.1 α-淀粉酶抑制活性
根據(jù)周笑犁等[16]的方法測(cè)定α-淀粉酶抑制活性。移取不同濃度的多糖溶液0.3 mL至試管,加入1 mL PBS和1 mL α-淀粉酶溶液。37 ℃水浴加熱10 min后,加入1 mL淀粉溶液。繼續(xù)37 ℃水浴20 min,加入5 mL DNS溶液終止反應(yīng)。冷卻至室溫,在540 nm處測(cè)得吸光值A(chǔ)1。將酶液替換為水,測(cè)得A2。把樣品溶液換成水,測(cè)定對(duì)照組A3。樣品溶液與酶液都替換為水,作空白對(duì)照A4。抑制率計(jì)算如公式(1)所示:
(1)
1.3.5.2 α-葡萄糖苷酶抑制活性
參考DUO等[17]的方法測(cè)定α-葡萄糖苷酶抑制活性。移取不同濃度的多糖溶液0.3 mL至試管,加入1.2 mL PBS和0.25 mL α-葡萄糖苷酶溶液。37 ℃ 水浴加熱15 min后,加入0.25 mL對(duì)硝基苯酚吡喃葡萄糖苷(p-nitrophenol glucopyranoside,PNPG)溶液。繼續(xù)37 ℃水浴25 min,加入1 mL碳酸鈉溶液終止反應(yīng)。冷卻至室溫,在405 nm處測(cè)得吸光值A(chǔ)1。將酶液替換為水,測(cè)得A2。樣品溶液換成水,作空白對(duì)照A0。抑制率計(jì)算如公式(2)所示:
(2)
所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x±SD)表示,采用SPSS 26統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析。
實(shí)驗(yàn)所得CCP的提取率為(8.21±0.57)%。超聲輔助H2O2-Fe2+和H2O2-維生素C法降解多糖的回收率分別為(82.46±1.02)%與(76.39±1.43)%。經(jīng)測(cè)定得到CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP的總糖含量分別為68.51%、88.12%、71.75%,分子質(zhì)量依次為50 745、15 072、8 474 Da。
通過多糖樣品在不同溫度條件下,完全溶解所需的時(shí)間來測(cè)定多糖的溶解性,結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明,20~60 ℃時(shí),隨著溫度上升,CCP的溶解時(shí)間顯著降低,而維生素C-CCP與Fe-CCP變化不大。在20 ℃條件下,CCP的溶解時(shí)間分別為維生素C-CCP、Fe-CCP的11和13倍。經(jīng)過降解處理后,多糖分子質(zhì)量減小,溶解時(shí)間顯著降低(P<0.01)。降解多糖在水中快速溶解,溶解性明顯改善。在降解過程中,超聲處理促進(jìn)維生素C、Fe2+催化H2O2破壞多糖分子鏈間的氫鍵,導(dǎo)致短聚合鏈數(shù)量增加以及水合趨勢(shì)增強(qiáng),更易于溶解,有助于多糖發(fā)揮生物活性[7,10,18]。
圖1 不同溫度條件下多糖溶解度的比較Fig.1 The comparisons in solubility of polysaccharides at different temperatures
圖2-a、圖2-b、圖2-c分別為CCP、維生素C-CCP以及Fe-CCP溶液的粒徑分布圖。由圖2可看出,CCP主要集中在100~400 nm。而維生素C-CCP和Fe-CCP的粒徑大小主要分布在10~100 nm,少部分分布在100~500 nm。經(jīng)計(jì)算所得3個(gè)多糖樣品的平均粒徑分別為175.68、108.11、78.73 nm。2種降解多糖平均粒徑小于CCP,此結(jié)果與上述分子質(zhì)量分析結(jié)果一致。
Zeta電位可用于測(cè)定樣品溶液表面所帶靜電荷的電位,反映溶液的穩(wěn)定性[19]。圖3-a、3-b、3-c分別為CCP、維生素C-CCP及Fe-CCP的Zeta電位分布圖。3種多糖溶液表面均以負(fù)電荷為主,都是陰離子多糖。經(jīng)計(jì)算所得CCP、維生素C-CCP及Fe-CCP的Zeta電位分別為-33.1、-23.5、-24.0 mV,3種多糖溶液都具有較好的物理穩(wěn)定性。CCP的電位絕對(duì)值高于維生素C-CCP及Fe-CCP,說明降解處理后,多糖溶液從聚集趨向分散。降解處理產(chǎn)生的強(qiáng)剪切力使多糖發(fā)生分子電離[9],顆粒間靜電斥力增強(qiáng),導(dǎo)致粒徑與Zeta電位降低,使多糖在水溶液中的聚集效應(yīng)減弱,更易于被吸收利用[19-20]。
a-CCP;b-維生素C-CCP;c-Fe-CCP圖2 不同多糖的粒徑分布Fig.2 The Particle size distribution of different polysaccharides
a-CCP;b-維生素C-CCP;c-Fe-CCP圖3 不同多糖的Zeta電位Fig.3 The Zeta potential of different polysaccharides
多糖樣品經(jīng)PMP衍生化處理后,通過LC-MS分析其單糖組成,結(jié)果如圖4與表1所示。結(jié)果表明,CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP均為雜多糖,單糖組成相似,說明降解處理沒有改變多糖的單糖類型。3種多糖都主要由甘露糖(40.59%、35.84%、36.42%)、半乳糖(38.74%、37.9%、38.34%)、阿拉伯糖(11.60%、15.63%、13.87%)以及葡萄糖(8.08%、9.12%、10.09%)組成,單糖組成無(wú)明顯變化,但單糖摩爾比不同。降解處理后,甘露糖和半乳糖含量最高,仍為主要單糖組分,但百分比有所下降,而阿拉伯糖、葡萄糖含量增加。說明超聲輔助H2O2-Fe2+和H2O2-維生素C降解反應(yīng),優(yōu)先作用于甘露糖、半乳糖附近的糖苷鍵,而在阿拉伯糖和葡萄糖附近的糖苷鍵較為穩(wěn)定[21]。結(jié)果表明,超聲輔助H2O2-Fe2+和H2O2-維生素C降解體系反應(yīng)溫和,主要作用于糖苷鍵上的氫鍵,多糖聚合度降低,而多糖的結(jié)構(gòu)單元保持不變,這與CHEN等[14]的研究結(jié)果相一致。多糖基本結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,對(duì)于其生物活性的維持具有重要意義。
表1 CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP的單糖摩爾百分比 單位:%
原子力顯微鏡是觀察多糖表面結(jié)構(gòu)形貌的有效方法,具有操作簡(jiǎn)便,環(huán)境要求低、分辨率高的優(yōu)勢(shì),適用于生物大分子的可視化和功能化研究分析[22]。
圖5-a、5-b、5-c分別為CCP、維生素C-CCP和Fe-CCP的原子力顯微鏡掃描結(jié)果。由圖5-a可看出,粗多糖分子相互纏繞,分子鏈高度分布為6.3~16.8 nm。從3D圖像看出,多糖分子出現(xiàn)聚集,這是由于分子間的氫鍵締合作用強(qiáng),多糖聚合較緊密[23]。
如圖5-b所示,維生素C-CCP的分子高度為4.9~14.1 nm,分子聚集程度降低,分子散亂分布,僅有少量分子聚集。由圖5-c可看出,F(xiàn)e-CCP在溶液中的微觀形態(tài)與維生素C-CCP類似,分子聚集程度較低,而分子高度有所不同(2.8~7.9 nm)。因此,2個(gè)降解多糖的分子聚集程度與分子高度均低于原始多糖,這與降解過程中多糖氫鍵斷裂,分子間的締合作用減弱有關(guān)[22,24]。多糖的聚合程度降低,可一定程度上影響多糖粒徑與溶解度。
a-標(biāo)準(zhǔn)品;b-CCP;c-維生素C-CCP;d-Fe-CCP圖4 單糖標(biāo)準(zhǔn)品、CCP、維生素C-CCP及Fe-CCP的LC-MS色譜圖Fig.4 The LC-MS chromatogram of monosaccharides standard samples, CCP, vitamin C-CCP and Fe-CCP
a-CCP;b-維生素C-CCP;c-Fe-CCP圖5 原子力顯微鏡圖譜Fig.5 The atomic force microscope images
不同多糖的核磁共振波譜圖如圖6所示。圖6-a、圖6-c、圖6-e分別為CCP、維生素C-CCP和Fe-CCP的核磁共振氫譜圖。1H-NMR可用于解析多糖結(jié)構(gòu)的糖苷鍵構(gòu)型。通常,多糖的異頭氫質(zhì)子信號(hào)集中出現(xiàn)在δH 4.5~5.5[25],同時(shí)β-構(gòu)型糖苷的異頭氫化學(xué)位移一般小于5.0[26]。而CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP在4.69左右存在一個(gè)異頭氫信號(hào),說明3種多糖均含有β糖苷構(gòu)型。根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[27],δH 4.69可能是甘露糖端基氫信號(hào),這與單糖組成分析結(jié)果相符合。
α-淀粉酶可以將淀粉等碳水化合物分解為寡糖,而α-葡萄糖苷酶催化糖苷鍵水解,將寡糖水解為葡萄糖,導(dǎo)致血糖水平上升。因此,抑制α-淀粉酶以及α-葡萄糖苷酶活性,能夠有效延緩葡萄糖的釋放,降低餐后的血糖水平,起到降血糖作用[12,16]。
如圖7所示,3種多糖均對(duì)α-淀粉酶有一定的抑制作用,在2~10 mg/mL時(shí)呈劑量依賴性變化。在多糖濃度為10 mg/mL時(shí),CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP對(duì)α-淀粉酶最大抑制率分別為17.42%、19.84%、37.50%,低于陽(yáng)性對(duì)照。與CCP相對(duì)比,F(xiàn)e-CCP的抑制活性顯著提高(P<0.05),而維生素C-CCP提高幅度相對(duì)較小(P>0.05),這可能與Fe-CCP分子質(zhì)量更小有關(guān)。
圖7 不同多糖的α-淀粉酶抑制活性Fig.7 The α-amylase inhibitory activity of different polysaccharides
如圖8所示,CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP對(duì)α-葡萄糖苷酶抑制活性呈線性變化。3種多糖樣品對(duì)α-葡萄糖苷酶有較明顯的抑制作用,降解處理后α-葡萄糖苷酶抑制能力明顯提升(P<0.05),與α-淀粉酶抑制活性結(jié)果相吻合。多糖樣品對(duì)α-葡萄糖苷酶的抑制力強(qiáng)弱依次為Fe-CCP>維生素C-CCP>CCP,在10 mg/mL,達(dá)到最大抑制活性47.74%、55.41%、60.07%,略低于陽(yáng)性對(duì)照。
圖8 不同多糖的α-葡萄糖苷酶抑制活性Fig.8 The α-glucosidase inhibitory activity of different polysaccharides
DOU等[17]研究表明,一定程度的降解處理可以有效降低黑莓多糖的分子質(zhì)量,提高α-葡萄糖苷酶抑制活性,這與長(zhǎng)松藻降解多糖的結(jié)果一致。楊玉潔等[13]研究發(fā)現(xiàn),多數(shù)具有降血糖活性的多糖均含有半乳糖、阿拉伯糖、葡萄糖等單糖類型,CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP的單糖組成與這相符合。超聲輔助H2O2-Fe2+和H2O2-維生素C降解體系能夠有效降解CCP,促進(jìn)多糖糖苷鍵斷裂,暴露更多羥基基團(tuán),可與消化酶中的氨基酸殘基相結(jié)合,起到抑制酶活性,降低血糖水平的作用[6]。
采用超聲輔助H2O2-維生素C和H2O2-Fe2+復(fù)合法降解CCP后,溶解性顯著提升,粒徑和Zeta電位減??;多糖表面構(gòu)象發(fā)生變化,分子聚集程度降低;單糖組成和糖苷鍵構(gòu)型等結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定,為降解多糖的活性應(yīng)用提供保證。降解反應(yīng)破壞多糖糖苷鍵上的氫鍵,使更多的活性基團(tuán)暴露。體外降血糖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,CCP具有一定的α-淀粉酶抑制活性,降解處理后小幅提升,而α-葡萄糖苷酶抑制活性相對(duì)較強(qiáng),降解處理后顯著提升,最大抑制活性分別為47.74%、55.41%、60.07%。CCP經(jīng)超聲輔助H2O2-維生素C和H2O2-Fe2+法處理后理化性質(zhì)改善,基本結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定,生物活性顯著提高。該研究結(jié)果為長(zhǎng)松藻降解多糖在食品、藥品和化妝品的開發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù)。