李 衛(wèi),房雷雷,張彥青, ,解軍波
(1.天津商業(yè)大學生物技術(shù)與食品科學學院,天津 300134;2.天津中醫(yī)藥大學中藥學院,天津 301617)
桔梗,又名土人參,是屬于雙子葉植物綱、桔??啤⒔酃俚亩嗄晟荼局参颷1],廣泛分布于我國的四川、廣西、貴州、陜西等地。桔梗味苦、性平,具有豐富的食用和藥用價值,其主要成分有多糖、皂苷、黃酮、揮發(fā)油等[2],其根可入藥,有宣肺排膿、止咳祛痰等作用[3]。桔梗多糖富集于桔梗根部細胞中[4],作為桔梗中重要的生物活性物質(zhì)之一[5],桔梗多糖在抗腫瘤[6]、抗氧化[7]、增強免疫[8]以及降血糖[9]等方面都發(fā)揮著重要作用。
桔梗根部細胞及木質(zhì)層主要由纖維素、木質(zhì)素構(gòu)成[10],細胞內(nèi)層和細胞壁中還含有大量果膠[11],傳統(tǒng)的回流提取方法難以剔除其中粗纖維、蛋白質(zhì)和膠質(zhì)等雜質(zhì)[12],不利于多糖高效提取。復合酶法提取作為一種新型提取工藝,其提取條件溫和,提取效率高,將相應(yīng)的生物酶混合使用能有效破壞植物細胞壁[13],分解纖維素、蛋白質(zhì)和果膠等雜質(zhì),從而提高多糖溶出率。針對桔梗根結(jié)構(gòu)特點,本實驗選用纖維素酶、果膠酶和木瓜蛋白酶進行配比組合,通過單因素實驗和響應(yīng)面法優(yōu)化建立了一種新型復合酶法提取桔梗多糖的工藝。在此基礎(chǔ)上,對所提取的桔梗粗多糖分離純化,并對純化后的多糖組分進行結(jié)構(gòu)和抗氧化活性的初步分析,以期為桔梗多糖的高效提取及其進一步深入研究提供參考。
桔梗根 河北安國中藥材交易專業(yè)市場;1,1-二苯基-2-三硝基肼(DPPH)、2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)、磷酸鈉、鉬酸銨分析純,天津市鼎盛鑫化工有限公司;纖維素酶(50 U/mg)、果膠酶(500 U/mg)、木瓜蛋白酶(800 U/mg)分析純,上海源葉生物科技有限公司。
TDA-8002 型恒溫水浴鍋 天津市中環(huán)實驗電爐有限公司;Heraeus Megafuge 8R 型離心機 賽默飛世爾科技(中國)有限公司;SpectraMax-M5 型多功能讀板機 美國Molecular Devices 公司;Agilent 1100 Series 高效液相色譜儀 美國Agilent 公司;Alltech 3300 ELSD 檢測器 美國Grace 公司;HT7700 透射電子顯微鏡 日本Hitachi 公司。
1.2.1 桔梗預(yù)處理 將購買的新鮮桔梗根在陽光下晾曬三日,粉碎過60 目篩后,以石油醚為提取劑,80 ℃水浴下回流3 h,干燥濾渣得脫脂桔梗粉末,收集進行后續(xù)多糖提取。
1.2.2 單一酶的最適添加量實驗 固定酶解溫度50 ℃,時間60 min,料液比1:25 g/mL,以多糖得率為指標,選擇木瓜蛋白酶、纖維素酶以及果膠酶按照質(zhì)量比為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%進行實驗。
1.2.3 復合酶配比正交試驗 根據(jù)單一酶實驗結(jié)果,以多糖得率為指標,進行正交試驗篩選最佳復合酶配比,因素水平見表1。
表1 正交試驗因素水平設(shè)計Table 1 Orthogonal experimental factor horizontal design
1.2.4 復合酶提取工藝單因素實驗 結(jié)合篩選出最佳的復合酶比例,從影響多糖得率的因素中選取酶解溫度(30、40、50、60、70 ℃)、料液比(1:20、1:25、1:30、1:35、1:40 g/mL)、酶解時間(30、60、90、120、150 min),對復合酶法提取桔梗多糖進行單因素優(yōu)化實驗,其中各因素固定水平為酶解溫度50 ℃,酶解時間60 min,料液比1:25 g/mL。
1.2.5 復合酶提取工藝響應(yīng)面優(yōu)化試驗 為了繼續(xù)優(yōu)化桔梗多糖的復合酶法提取工藝,結(jié)合單因素實驗的結(jié)果,選取酶解溫度(A)、料液比(B)、酶解時間(C)為影響因素,以多糖得率為指標進行三因素三水平的響應(yīng)面試驗設(shè)計,因素水平如表2。
表2 響應(yīng)面試驗因素水平設(shè)計Table 2 Experimental factor level of response surface
1.2.6 桔梗多糖的含量及得率計算 多糖的含量測定采用苯酚-硫酸比色法[14]。以葡萄糖標準液濃度為橫坐標,OD620nm為縱坐標,得到葡萄糖標準曲線:y=0.0438x-0.0052,R2=0.9993。桔梗多糖得率計算公式為:
式中:M1為桔梗多糖質(zhì)量,g;M2為桔梗多糖含量,%;M3為桔梗粉末質(zhì)量,g。
1.2.7 桔梗多糖的分離純化 配制使用5 mg/mL 的多糖溶液,經(jīng)0.22 μm 微孔濾膜過濾后,采用DEAESepharose Fast Flow 和Sephacryl S-300 層析柱對桔梗粗多糖進行分離純化,苯酚-硫酸比色法監(jiān)測多糖含量,繪制洗脫曲線。合并主峰洗脫液,透析凍干后即得純化多糖組分。
1.2.8 桔梗多糖分子量測定 通過HPLC-ELSD 法計算桔梗多糖分子量[15]。色譜條件:Agilent 1100Series 高效液相色譜儀,Alltech 3300 ELSD 檢測器;色譜柱:Agilent PL aquael-OH Mixed-H 柱(4.60 mm×150 mm, 8 μm);流動相為超純水;進樣量20 μL。
1.2.9 桔梗多糖單糖組成測定 采用PMP 柱前衍生化法結(jié)合HPLC 測定單糖組成[16]。具體步驟為:取200 μL 質(zhì)量濃度為4 mg/mL 的多糖溶液,加入100 μL 三氟乙酸(4 mol/L)溶液,N2封管,于110 ℃烘箱中水解2 h。水解完成后,加入400 μL 甲醇于70 ℃條件下用N2吹干,重復3 次以去除三氟乙酸。加入100 μL NaOH(0.3 mol/L)溶解殘渣,再加入100 μL 的0.5 mol/L PMP-甲醇溶液于70 ℃孵育60 min。冷卻至室溫后,加入100 μL 的0.3 mol/L HCl 溶液調(diào)節(jié)pH。使用超純水定容至2 mL,再加入2 mL 氯仿進行萃取,保留上層水相,經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后進樣分析。色譜條件:Agilent 1100 Series高效液相色譜儀,DAD 檢測器;色譜柱:Hypersl OD 25 柱(4.60 mm×250 mm,5 μm);柱溫27 ℃;流速0.9 mL/min;流動相:0.05 mol/L 磷酸二氫鉀溶液(pH6.8)-乙腈(84:16);檢測波長250 nm;進樣量20 μL。比較樣品與混合標準單糖圖譜,確定單糖組成和含量。
1.2.10 桔梗多糖核磁共振分析 25 mg 桔梗多糖溶解于0.6 mL D2O 中,然后用Bruker AscendTM600 NMR核磁共振儀記錄1H 和13C 光譜。MestNova 軟件用于數(shù)據(jù)分析。
1.2.11 桔梗多糖的掃描電鏡觀察 取少量干燥多糖,經(jīng)電流鍍金后使用HT7700 透射電子顯微鏡測定并拍照,在1000、2000 和5000 倍下觀察其表面形態(tài)。
1.2.12 桔梗多糖體外抗氧化活性分析
1.2.12.1 總還原力測定 根據(jù)Chen 等[17]的方法稍作修改。取pH 6.6 濃度為0.2 mol/L 的H3PO4鹽緩沖液2.5 mL,與1 mL 濃度為10 mg/mL 的K3[Fe(CN)6]混合。在混合液加入不同濃度的桔梗多糖溶液,50 ℃下反應(yīng)20 min 后,加入1.0 mL 10%的Cl3CCOOH溶液,離心分離。取上層清液2.5 mL,加入2.5 mL去離子水和2.5 mL 0.1%的FeCl3,混合后,測定吸光度A(700 nm)。維生素C 為陽性對照組,蒸餾水為空白對照組。
1.2.12.2 DPPH 自由基清除能力 根據(jù)Wang 等[18]的方法稍作修改。取2.0 mL 桔梗多糖溶液與3.0 mL DPPH-乙醇溶液(7 mmol/L)混合?;旌弦涸诤诎禇l件下靜置30 min,然后在517 nm 處測定吸光度,記為A1;以乙醇替代多糖溶液測得的吸光度記為A0;蒸餾水代替DPPH-乙醇溶液測得吸光度為A2;維生素C 作為陽性對照組,桔梗多糖的DPPH 自由基清除能力為:
1.2.12.3 ABTS+自由基清除能力 根據(jù)施利奇等[19]的方法稍作修改。將5 mmol/L 過硫酸鉀溶液與7 mmol/L ABTS 溶液等體積比例混合,并在室溫靜置過夜。使用蒸餾水稀釋混合液,直至734 nm 波長下吸光度達到0.70±0.02。將桔梗多糖溶液與4 mL配制好的ABTS 溶液混合,反應(yīng)6 min 后,測量反應(yīng)后的吸光度A1(734 nm)。以蒸餾水替代多糖溶液測得的吸光度記為A0。以蒸餾水替代ABTS 溶液測得的吸光度記為A2。維生素C 作為陽性對照組,桔梗多糖的ABTS+自由基清除能力計算公式為:
1.2.12.4 羥基自由基清除能力 根據(jù)孫艷等[20]的方法稍作修改。取1.0 mL 濃度為9 mmol/L 的FeSO4溶液與1.0 mL 濃度為9 mmol/L 的水楊酸CH3CH2OH溶液混合,然后加入1.0 mL 桔梗多糖溶液。加入1.0 mL 濃度為8.8 mmol/L 的H2O2后,將混合溶液于室溫孵育30 min,然后在510 nm 處測量吸光度,記為A1。蒸餾水混合多糖溶液的吸光度記為A2。蒸餾水代替多糖溶液反應(yīng)的吸光度記為A0。維生素C 作為陽性對照組,桔梗多糖的OH 自由基清除能力計算公式為:
通過GraphPad 5.0 軟件進行處理,測定結(jié)果以平均值±標準差(n=3)表示,組間比較采用單因素方差分析。P<0.05 表示差異具有統(tǒng)計學意義。
單一酶輔助提取結(jié)果如圖1,木瓜蛋白酶提取桔梗多糖得率最佳,纖維素酶提取桔梗多糖得率最低。單一酶提取桔梗多糖的最佳加入量為纖維素酶2%、果膠酶為2%、木瓜蛋白酶為1.5%。
圖1 單一酶提取對多糖得率的影響Fig.1 Effect of single enzyme extraction on the yield of polysaccharides
復合酶法提取桔梗多糖的正交試驗結(jié)果如表3所示。由極差分析可知,改變纖維素酶的用量對多糖得率影響最大,果膠酶次之,木瓜蛋白酶影響最小。根據(jù)多糖得率進行篩選,可得到最佳復合酶配比為:纖維素酶2%、果膠酶2%、木瓜蛋白酶2%,此條件下的多糖得率達到8.251%。
表3 復合酶配比正交試驗結(jié)果Table 3 Orthogonal experimental results of compound enzyme ratio
2.3.1 料液比對桔梗多糖得率的影響 根據(jù)圖2可以看出,隨著溶劑的增加,當料液比達到1:30 g/mL時桔梗多糖得率達到頂峰,可能是由于溶劑增多擴大了復合酶和桔梗粉末的接觸面積[21],使多糖更容易提??;隨后出現(xiàn)下降趨勢,可能由于隨著溶劑的進一步增加,溶劑中的酶濃度逐漸被稀釋[22],導致得率降低。選擇料液比為1:25、1:30、1:35 g/mL 進行后續(xù)響應(yīng)面試驗。
圖2 料液比對多糖得率的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on polysaccharide yield
2.3.2 酶解時間對桔梗多糖得率的影響 根據(jù)圖3可以看出,當酶解時間達到90 min 時桔梗多糖得率達到頂峰,此時復合酶和桔梗粉末充分反應(yīng)。隨著時間的進一步增加,得率出現(xiàn)下降趨勢,這是因為酶解時間過長,酶催化活性減弱,反而不利于多糖提取[23]。選擇酶解時間為60、90、120 min 進行后續(xù)響應(yīng)面試驗。
圖3 酶解時間對多糖提取率的影響Fig.3 Effect of enzymolysis time on polysaccharide yield
2.3.3 酶解溫度對桔梗多糖得率的影響 根據(jù)圖4可以看出,在酶解溫度30~50 ℃內(nèi),隨著溫度的增加,多糖得率逐步上升。當酶解溫度達到50 ℃時桔梗多糖得率達到頂峰,該溫度可能是復合酶在實驗條件下的最適溫度。當酶解溫度繼續(xù)超過50 ℃,多糖得率出現(xiàn)下降趨勢,這是由于過高的溫度導致酶失活[24]。因此選擇酶解溫度為40、50、60 ℃進行后續(xù)響應(yīng)面試驗。
圖4 酶解溫度對多糖得率的影響Fig.4 Effect of enzymolysis temperature on polysaccharide yield
2.4.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果 采用Design-Expert.8.0.6 軟件對數(shù)據(jù)進行回歸擬合,得桔梗多糖得率Y對各因素的多項回歸方程為:Y=9.49+0.29A+0.37B-0.041C-0.38AB-0.14AC-0.32BC-1.07A2-0.92B2-1.41C2,實驗結(jié)果如表4。
表4 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 4 Response surface experimental design and results
2.4.2 擬合模型的建立和數(shù)據(jù)分析 對模型進行方差分析,二項式回歸方程系數(shù)顯著性檢驗的結(jié)果見表5。整體模型的P<0.0001,表明該二次方程模型極顯著,說明該模型具有統(tǒng)計學意義。A、B、AB、BC、A2、B2、C2的P值均小于0.05,表示模擬項顯著。失擬項P值不顯著(P>0.05),模型相關(guān)系數(shù)R2=0.9234>0.9,說明該模型擬合度較好,預(yù)測值與實測值之間有較好的相關(guān)性。各因素對多糖得率的影響大小依次為:料液比(B)>酶解溫度(A)>酶解時間(C)。
表5 二項式回歸方程系數(shù)顯著性檢驗Table 5 Significance of coefficients in second order regression equation
2.4.3 響應(yīng)曲線分析及最佳工藝條件確定 以Design-Expert 8.0.6 的三維響應(yīng)曲面來找出最佳優(yōu)化工藝,并判定料液比、酶解溫度和酶解時間對桔梗多糖得率的影響。如圖5 所示,響應(yīng)曲面坡度的陡峭程度表示隨著影響因素的變化,各因素對桔梗多糖得率的交互作用程度和影響[25],結(jié)合表5 的實驗結(jié)果可知,A 和B、B 和C 交互作用對得率影響顯著(P<0.05),A 與C 交互作用對得率影響不顯著(P>0.05)。
圖5 各因素交互作用的響應(yīng)曲面3D 圖Fig.5 Response surface 3D diagram of various factors interacting
通過回歸模型的分析,以多糖得率為評價指標,確定復合酶法提取桔梗多糖的最佳工藝參數(shù)為:酶解時間88.78 min,料液比1:30.94 mL/g,酶解溫度51.04 ℃,桔梗多糖得率的最大預(yù)測值為9.53%。為操作簡便,將工藝修正為酶解時間90 min,料液比1:30 g/mL,酶解溫度50 ℃。在上述條件下,多糖實際得率為9.01%,預(yù)測值與實際值相對誤差較小,具有一定的實用價值。
從桔梗根中提取的粗多糖經(jīng)DEAE-Sepharose Fast Flow 離子柱層析洗脫,得到三個組分,按洗脫液濃度命名為:PGP-W、PGP-0.3、PGP-0.5。由圖6 可看出,0.3 和0.5 mol/L NaCl 洗脫得到的峰形較低,表明桔梗多糖主要由中性多糖構(gòu)成。
圖6 桔梗粗多糖的DEAE-Sepharose Fast Flow 洗脫曲線Fig.6 Elution profiles of crude polysaccharide by DEAESepharose Fast Flow
將超純水洗脫的組分命名為PGP-W,繼續(xù)以Sephacryl S-300 凝膠柱純化。由圖7 可看出,洗脫曲線表現(xiàn)出近似尖銳的對稱峰,表明此時得到的桔梗多糖組分較純。合并峰對應(yīng)的洗脫液,濃縮干燥后得到桔梗純化多糖PGP-W-1,進行后續(xù)研究。
圖7 PGP-W 的Sephacryl S-300 洗脫曲線Fig.7 Elution profiles of crude polysaccharide by Sephacryl S-300
經(jīng)測定PGP-W-1 的總糖含量為96.8%,蛋白質(zhì)含量為1.92%,表明PGP-W-1 具有很高的純度。紫外-可見光譜顯示PGP-W-1 在260 和280 nm 波長均未觀察到明顯的吸收峰(圖8),進一步說明PGPW-1 的純度較高,與上述結(jié)果一致。
圖8 PGP-W-1 的紫外光譜圖Fig.8 Ultraviolet spectrum of PGP-W-1
使用HPLC-ELSD 系統(tǒng)檢測PGP-W-1 的均一性和分子量,如圖9 所示,單一對稱的峰表示PGPW-1 分子量分布均一。以葡聚糖標準品的保留時間為橫坐標,分子量對數(shù)值為縱坐標繪制標準曲線:lgMw=-1.0279t+13.69(R2=0.9998)。根據(jù)PGP-W-1 保留時間(9.779 min)計算出桔梗多糖分子量為6.2 kDa。
圖9 PGP-W-1 的分子量Fig.9 Molecular weight distribution of PGP-W-1
如圖10 所示,通過與單糖標準品曲線對比得出,PGP-W-1 由甘露糖(Man),鼠李糖(Rha),葡萄糖(Glc),半乳糖(Gal),木糖(Xyl),阿拉伯糖(Ara)六種單糖組成,對應(yīng)摩爾比為4.9:4.3:7.9:7.8:4.8:18.6。
圖10 PGP-W-1 的單糖組成Fig.10 Monosaccharide composition of PGP-W-1
核磁共振圖譜提供了碳水化合物的詳細結(jié)構(gòu)信息,包括糖苷鍵的構(gòu)型和連接方式。圖11 和圖12展示了PGP-W-1 在δH3.0~5.5 ppm 和δC60~110 ppm處的典型多糖信號,可看出PGP-W-1 同時具有α型糖苷鍵和β型糖苷鍵[26]。
圖11 PGP-W-1 的1H-NMR 圖譜Fig.11 1H-NMR spectra of PGP-W-1
圖12 PGP-W-1 的13C-NMR 圖譜Fig.12 13C-NMR spectra of PGP-W-1
1H-NMR 圖譜中,δH4.80 ppm 處的強信號峰是D2O 溶劑峰,δH3.2~4.3 ppm 范圍內(nèi)出現(xiàn)的重疊信號為糖苷鍵上H-2~H-6 的質(zhì)子信號積累。δH1.23 ppm為鼠李糖殘基的甲級質(zhì)子信號峰[27];δH5.45 ppm為α-1,4-Glcp 的H-1 信號;δH5.25 ppm 為α-1,3-Araf的H-1 信號;δH5.17 ppm 為T-α-Araf 的H-1 信號;δH4.68 ppm 為β-1,4-Glcp 的H-1 信號;δH4.52 ppm為β-1,3,4-Xylp 的H-1 信號[28]。
13C-NMR 圖譜中異頭碳區(qū)域存在6 個較為明顯的信號峰,分別為:δC103.36 ppm、δC103.03 ppm、
δC102.93 ppm、δC102.88 ppm、δC101.13 ppm、δC96.53 ppm,表明多糖中至少存在六種多糖殘基,這與單糖組成的結(jié)果一致,其中,δC60~90 ppm 范圍內(nèi)出現(xiàn)的重疊信號為糖苷鍵上C-2~C-6 的質(zhì)子信號積累[29],其中,δC103.03 ppm 的C-1 信號與δC74.05 ppm的C-2 信號相結(jié)合歸屬于β-1,6-Glcp,δC96.53 ppm的C-1 信號與δC75.12 ppm 的C-6 信號相結(jié)合歸屬于α-1,4-Manp[30]。此外,在δC170~180 ppm 間未檢測到信號峰,表明PGP-W-1 不含糖醛酸,是一種中性多糖。PGP-W-1 在δC90 ppm 處無明顯信號,表明糖殘基為吡喃型糖環(huán)。
通過掃描電鏡在1000、2000、5000 倍下觀察了桔梗多糖的表面形貌。如圖13 所示,放大1000 倍時,多糖呈無規(guī)律的碎片狀,且形狀大小不一。放大2000 倍時,多糖表面邊緣褶皺且不規(guī)律。放大5000 倍時,可看出多糖呈光滑、層狀、片狀形貌,表面有邊緣褶皺。
由圖14 可知,在相同濃度條件下,PGP-W-1 總還原力弱于維生素C。在0.125~4 mg/mL 范圍內(nèi),PGP-W-1 和維生素C 對DPPH 自由基、ABTS+自由基及羥基自由基的清除能力表現(xiàn)出劑量依賴性,其中,PGP-W-1 清除DPPH 自由基、ABTS+自由基以及羥基自由基的IC50值分別為2.14、2.25、0.78 mg/mL。在濃度為4 mg/mL 時,PGP-W-1 清除DPPH 自由基、ABTS+自由基及羥基自由基的能力達到維生素C 組的63.42%,66.99%,93.45%,表明PGP-W-1具有一定的抗氧化能力。
圖14 桔梗多糖的體外抗氧化能力Fig.14 In vitro antioxidant capacities of Platycodon grandiflorum polysaccharides
在單因素實驗基礎(chǔ)上,通過響應(yīng)面法優(yōu)化得到了復合酶提取桔梗多糖的最佳工藝,纖維素酶、果膠酶、木瓜蛋白酶的添加量為2%,酶解時間90 min,料液比1:30 mL/g,酶解溫度50 ℃,在此條件下,多糖實際提取率為9.01%±0.07%,多糖含量達92%±0.76%。該工藝提取技術(shù)簡易,產(chǎn)品純度高,是一種提取桔梗多糖的高效方法,適合用于工業(yè)化生產(chǎn)。
桔梗粗多糖經(jīng)DEAE-Sepharose Fast Flow 和Sephacryl S-300 層析柱純化后,得到均一組分PGPW-1,紫外光譜顯示其純度較高,基本不含核酸和蛋白質(zhì)等雜質(zhì)。PGP-W-1 是分子量為6.2 kDa 的中性多糖,由甘露糖、鼠李糖、葡萄糖、半乳糖、木糖和阿拉伯糖組成。核磁共振圖譜顯示PGP-W-1 為吡喃糖環(huán),同時具有α型糖苷鍵和β型糖苷鍵。體外抗氧化試驗顯示PGP-W-1 對DPPH 自由基、ABTS+自由基和羥基自由基清除率IC50值分別為2.14、2.25、0.78 mg/mL,表明桔梗多糖具有作為天然抗氧化劑的潛力。該研究為復合酶法在桔梗多糖提取中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ),同時為桔梗在工業(yè)生產(chǎn)中的資源利用提供了重要參考。