基于R-藻紅蛋白及硫酸多糖提取的次等紫菜綜合利用技術

馮建華, 牛建峰 , 黃愛優 , 王廣策

(1. 天津科技大學 海洋科學與工程學院, 天津 300457; 2. 中國科學院海洋研究所 實驗海洋生物學重點實驗室, 山東 青島 266071; 3. 南通中國科學院海洋研究所海洋科學與技術研究發展中心, 江蘇 南通 226006)

藻類多糖是構成藻類的主要成分之一, 包括具有微細纖維狀結構的細胞壁多糖、無定形的細胞壁間黏多糖以及細胞內的儲存多糖。海藻硫酸多糖(sulfated polysaccharide form seaweed, SPS )是普遍存在于海藻中的一種大分子多糖, 硫酸基通過取代糖分子鏈中某些羥基而形成功能性活性分子。現有研究均表明SPS在抗氧化、抗腫瘤、提高機體免疫力、降血脂等方面顯示出特有的生物活性[1-2]。海藻硫酸多糖還具有類似肝素的特性, 能通過肝素輔酶 II發揮抗凝血作用。此外, SPS還具有抗血栓及溶解血栓的作用, 性能優于目前臨床應用的抗凝劑和溶栓劑。因此, 某些海藻硫酸多糖已表現出巨大的臨床應用前景[3-4]。

紫菜多糖是其細胞主要組分之一, 具有抗凝血、降血脂、抗衰老及免疫調節等作用[5-8]。南非紫菜多糖能夠通過降低小鼠MDA水平, 直接清除體內自由基而提高其抗氧化能力[9]。Yoshizawa等[10-11]從條斑紫菜中分離到具有激活巨噬細胞、增強免疫功能的兩種多糖組分。因而紫菜多糖是一種比較理想的可被開發成抗衰老食品和藥品的重要組分。另外, 多糖分子中存在大量羥基或羧基等極性基團, 可以與水分子形成氫鍵, 表現出良好的吸濕和保濕性能[12],所以在醫藥、化妝品、農業等方面也具有廣闊的應用前景[13]。

藻膽蛋白是一種水溶性色素蛋白, 具有獨特的吸收光譜和熒光發射光譜, 它的存在補充了葉綠素的光吸收范圍, 拓寬了藻類對可見光的吸收, 有利于藻類對水生環境的適應。條斑紫菜藻紅蛋白為 I型 R-藻紅蛋白, 由于其獨特的光譜特性、穩定性以及較高的吸收系數和量子產額, 可作為生化研究的熒光探針而運用于細胞和生物大分子的標記[14]。還可以用作腫瘤治療的光敏劑[15-16], 也有報道稱其具有免疫調節的作用[17]。此外, 藻膽蛋白還可作為天然色素用于食品、化妝品的添加[18-19], 避免了化學合成色素可能帶來的毒性危害。

紫菜是一類具有重要經濟價值的大型海藻, 目前有幾個種廣泛栽培于東南亞沿海各國[20]。據統計,2006年紫菜年產量約 1.8×104t干品, 年產值估計約13億美元[21]。我國紫菜產業發展迅速, 從分布區域來看, 長江以南以壇紫菜為主, 主要集中在福建省和廣東省; 長江以北以條斑紫菜為主, 主要集中在江蘇省和山東省。江蘇省的紫菜栽培業發展迅速, 全省栽培面積2.2 ha(33萬畝)左右, 從業人員8萬左右, 在南通、鹽城和連云港海區形成了我國條斑紫菜的主產區,年產量40億枚標準制品, 行業總產值20億元左右。生產的紫菜在當地一次和二次加工后形成產品, 銷往世界各地, 成為我國出口創匯的重要組成部分。然而,在紫菜的采收和加工過程中, 一些次等紫菜以及加工過程中產生的廢棄紫菜, 往往作為垃圾處理, 一方面是巨大的浪費, 另一方面也可能造成環境的污染。因此, 這些次等紫菜的高值化加工及其高附加值物質的提取已經成為紫菜產業可持續發展的關鍵。本文利用這些次等紫菜相繼提取藻膽蛋白和紫菜多糖, 有望實現對紫菜生物質的綜合、高值化利用, 對進一步促進我國相關產品的開發與應用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

末水條斑紫菜(Pyropia yezoensis)2014年5月由南通海達水產食品有限公司提供。去除雜藻簡單清洗后, –20℃冷凍備用。

Phenyl-Sepharose(StreamlineTMPhenyl), DEAESepharose, 及StreamlineTM層析柱 (StreamlineTM25,100×2.5 cm)購自美國阿瑪西亞公司(Amersham Biosciences Corp.)。

1.2 方法

1.2.1 藻紅蛋白及硫酸多糖提取步驟

將15 g末水條斑紫菜葉狀體與300 mL蒸餾水混合, 組織搗碎機粉碎, 經反復凍融 3次后, 篩絹過濾,收集上清液, 用于藻紅蛋白純化。殘渣再次加水, 用于紫菜多糖的提取。重復3次, 以保證數據準確可信。

1.2.2 藻紅蛋白的純化

藻紅蛋白提取緩沖液為10 mmol/L磷酸鹽緩沖液(pH 6.8), 1 mmol/L 蛋白酶抑制劑PMSF, 依據公式 Kursar[22]測定粗提液中藻紅蛋白濃度后, 加入固體硫酸銨至終濃度為 0.5 mol/L, 采用反向上樣的膨化床吸附法(EBA色譜)進行分離純化, 具體操作步驟參照文獻[23]。洗脫液透析除鹽后進行掃描光譜測定, 計算藻紅蛋白得率及光譜純度(OD565/OD280)。分離得到的藻紅蛋白溶液再經DEAE-Sepharose離子交換柱層析進行藻紅蛋白的純化, 具體實驗步驟參照文獻[24]。洗脫之前, 首先用 4 mmol/L醋酸鈉溶液(pH 4.5)去除藻藍蛋白污染, 依次采用及 1 mmol/L醋酸鈉(pH 4.2)及50 mmol/L磷酸鹽緩沖液(pH 6.8)去除雜蛋白污染。洗脫液經透析, 體積測量后進行掃描光譜的測定。

1.2.3 藻紅蛋白光譜測定

吸收光譜采用島津紫外-可見分光光度計(SHIMADZU UV-1800, 中國)測定, 狹縫設定為2 nm; 熒光發射光譜使用日立熒光光譜儀F-4500(HITACHI, 日本)測定,狹縫設定為0.5 nm。所有光譜測定均在室溫下完成。

1.2.4 電泳分析

SDS-PAGE參照 Sch?gger等[25]的方法進行。各步驟得到的樣本經濃縮, 與等體積電泳緩沖液混合后沸水浴處理 5 min, 聚丙烯酰胺凝膠分離, 濃縮膠濃度為 5%, 分離膠濃度為 12.5%, 各含質量分數為 0.1%SDS。上樣量30 μL, 常溫下50 V恒壓電泳。電泳完畢后, 用含0.2%的考馬斯亮藍R-250染色, 脫色, 拍照。

1.2.5 條斑紫菜多糖提取條件篩選

收集藻膽蛋白提取后的殘渣, 分別加入10倍體積的pH 分別為6、7、8的磷酸鹽提取緩沖液 (1%),于105, 110及121℃提取1, 2和3 h。篩絹過濾, 收集各提取液, 采用蒽酮硫酸法測定總糖含量[26]。

標準曲線的繪制: 參考張杰等[26]的方法, 分別準確配制葡萄糖系列標準溶液, 濃度從 0開始至200 mg/L, 梯度20 mg/L, 體積2.0 mL。混勻后各管分別加0.2%的蒽酮-硫酸試劑1.0 mL, 迅速搖勻, 冰浴放置10 min后, 于沸水浴中加熱8 min (從水浴沸騰算起), 取出, 自來水冷卻, 625 nm處測定吸收度。得回歸方程為y=0.0172x+ 0.2305,R2=0.9817。

樣品測定: 按實驗結果將各樣本稀釋至合適濃度。參照上述步驟測定各樣本多糖含量。

1.2.6 硫酸基含量的測定

將同一提取條件獲得的多糖粗提液合并, 加入適量活性炭, 搖床震蕩過夜脫色。旋轉蒸發濃縮至原體積的 1/3, 加入 8倍體積的乙醇, 冰箱靜置過夜,離心收集沉淀, 用乙醇洗滌 1次后冷凍干燥, 稱質量。稱取一定量的沉淀用于硫酸基含量的測定。

標準曲線的繪制: 參照Verma報道的比濁法[27], 準確配制0.00, 0.03, 0.06, 0.12, 0.24 g/L的SO42–標準硫酸基系列溶液, 各取2 mL 于1, 2, 3, 4 號試管中, 在0號試管中加2 mL蒸餾水作空白。依次加入2.5 mL濃度為4 mol/L的山梨醇, 0.5 mL 6mol/L鹽酸, 最后加入0.5 g BaCl2.2H2O固體粉末, 震蕩5～10 min。紫外可見分光光度計于470 nm處測它們的吸光度, 得標準曲線。回歸方程:y= 2.0317x–0.0956; 回歸系數:R2= 0.9765。

樣品測定: 各樣品加入鹽酸至終濃度 2 mol/L,于 100～105℃下密閉水解 2 h, 活性炭脫色, 濾液加固體BaCl2.2H2O粉末, 比濁法測定。

1.2.7 微波輔助抽提及超聲輔助抽提

高壓鍋提取前, 先以微波或超聲儀進行前處理,微波處理選擇適當功率, 使樣本呈輕度煮沸狀態,處理時間為 30 min; 超聲處理功率設定為 120 W,30min; 其余步驟同上述優選得到的最佳熱提取法。

2 結果

2.1 R-藻紅蛋白的提取

如圖 1a所示, 條斑紫菜藻紅蛋白粗提液吸收光譜中, 565 nm處藻紅蛋白特征吸收峰明顯低于280 nm處總蛋白吸收值, 說明粗提液中雜蛋白含量較高。根據 R-藻紅蛋白得量公式 R–PE=155.8A498.5–40.0A614–10.5A651及測得的體積[22], 計算可得粗提液藻紅蛋白得率為5.3 mg/g條斑紫菜(濕質量)。

粗提液經膨化柱分離, 梯度硫酸銨洗脫, 濃度得率見表1。掃描光譜如圖1b 至1d所示, 藻紅蛋白3個特征峰(498、545和565 nm)明顯, 與此同時, 紫外區蛋白吸收峰明顯降低, 說明藻紅蛋白得到了有效提純。但在620 nm 和 650 nm處可見小的吸收峰,意味著藻藍蛋白及別藻藍蛋白沒有被有效地去除。此外, 光譜純度(A565/A280)雖然得到了顯著提高, 但依然低于藻紅蛋白光譜純度標準( 3.2 )。

表1 不同硫酸銨濃度洗脫的藻紅蛋白得率及純度Tab.1 Quantity and purity of the eluates from the streamline column eluted with 0.20, 0.10 and 0.05 mol/L ammol/Lonium sulfate

圖1 藻紅蛋白提取過程中吸收光譜Fig.1 Spectra of the fractions collected during R-PE isolation from leafy gametophyte of P. yezoensis

疏水色譜得到的藻紅蛋白提取液使用 DEAESepharose樹脂進行離子交換色譜層析, 用4 mmol/L醋酸鈉(pH 4.5)緩沖液去除大部分藻藍蛋白及其他雜蛋白污染后, 藻紅蛋白可通過含 NaCl梯度(0～0.2 mol/L)的磷酸鹽緩沖液(pH 6.8)洗脫得到。純化得到的藻紅蛋白吸收光譜和熒光發射光譜如圖2。吸收光譜中, 位于620 nm處的肩峰已經不存在, 說明藻藍蛋白已經和藻紅蛋白得到了分離。其最大熒光發射峰值位于580 nm。這些數據與以往報道的結果完全一致[24]。光譜純度達到了4.2, 符合藻紅蛋白光譜純度標準(3.2)。

圖2 藻紅蛋白經離子交換柱純化后的吸收光譜與熒光發射光譜Fig.2 The absorption and fluorescence spectrum of purified R-PE from DEAE-Sepharose column

2.2 電泳分析

SDS-PAGE的結果顯示, 純化的藻紅蛋白可呈現兩條明顯的蛋白條帶。分別位于33 kDa和20 kDa處, 其中33 kDa的強度明顯弱于20 kDa處, 分別代表了γ亞基和α、β亞基。 30 kDa 及 45 kDa 可見的隱約條帶可能為幾個亞基組成的復合體(圖3)。

圖3 藻紅蛋白分離純化過程中各洗脫液的電泳分析Fig.3 SDS-PAGE analysis of the fractions collected during the purification steps

2.3 藻紅蛋白回收率及純度分析

藻紅蛋白的回收率, 以每步提取純化步驟得到的藻紅蛋白的量與粗提液中藻紅蛋白的量的比值表示, 其結果見表2, 用膨化柱分離藻體中的藻紅蛋白,其回收率可達 16.96%, 而接下來的純化步驟使回收率變得更低, 離子交換色譜純化后, 只有12.3%的藻紅蛋白得到純化。顯然, 純化步驟的增加使得率降低,但純度則會升高。

565 nm處的光吸收是藻紅蛋白的特征吸收值,而280 nm的吸收值則對應于總蛋白質的濃度。因此,A565/A280被認為是藻紅蛋白純度的一個很好的指標。粗提液中, 此比值僅為0.52。經過膨化柱的疏水層析操作, 此純度值上升到了 2.65～4.27, 表明絕大部分非藻紅蛋白的物質已經被去除。接下來的離子交換色譜, 使得藻紅蛋白的純度值均高于3.2這一普遍接受的純度標準。

2.4 多糖提取條件篩選

如表3所示, 提取液pH是影響條斑紫菜多糖提取量的主要因素, 在同一pH條件下, 多糖得率與提取溫度呈正相關; 與提取時間呈正相關, 但不同的pH和不同的提取溫度下, 提取時間對條斑紫菜多糖得率的影響大小不等。為此我們做了三因素四水平正交試驗, 實驗結果如下:

從極差結果分析來看, 本實驗因素存在顯著性順序, 初步得出對條斑紫菜硫酸多糖提取效率影響最大的因素是 pH, 其次是提取溫度, 提取時間影響相對較小。根據單因子實驗結果, 采用 pH 6, 溫度121℃, 提取 2次, 每次 1h, 為最優的紫菜多糖提取條件, 在此條件下, 多糖提取率相對較高, 且提取時間較短。故在實際生產中, 可使用此方案, 這樣可以達到高產且縮短生產周期、減少能耗的要求。

表2 R-藻紅蛋白的純化Tab.2 Purification of R-phycoerythrin from P. yezoensis

表3 L9(34)的正交實驗設計及極差分析結果Tab.3 L9(34)orthobonal experiment design and result of extremely difference analysis

天然提取的硫酸多糖組分復雜, 分子較大, 外觀呈灰白色, 易溶于水, 均一性差, 常含有較多的蛋白質, 稱為粗多糖。表4所示為不同提取溫度及pH值下多糖的提取結果。多糖回收率用提取得到的多糖占使用的新鮮條斑紫菜質量百分比來表示, 硫酸基得率為提取單位新鮮條斑紫菜所能得到的硫酸基的質量, 粗提物得率為每次提取得到的固形物質量與新鮮的條斑紫菜質量的比值。結果如表4所示, 硫酸基得率及多糖回收率在pH為6時均明顯高于pH 7和pH 8時的值。同一pH下, 隨著提取溫度的升高,多糖回收率及硫酸基得率均增加。采用 pH 6, 溫度121℃, 提取2次, 每次1 h的條件, 每克條斑紫菜可以回收到30.5 mg的多糖, 硫酸基得率為6.66 mg/g, 約占多糖質量的21.8%。但各條件下總粗提物得率無明顯規律, 固形物中多糖含量約占10%～25% , pH 6提取條件下多糖含量相對較高, pH 8下的多糖含量較低。

表4 不同pH和溫度下紫菜多糖得率與硫酸基含量測定Tab.4 The determination of polysaccharides yield and sulfate content at different pH and temperature

2.5 微波輔助抽提與超聲輔助抽提

結果顯示, 高壓鍋提取之前的微波處理, 可以提高第一次熱提取的多糖得率, 但后續得率降低,因此, 微波處理可以起到加速多糖提取及縮短熱提時間的作用。超聲波處理與對照組無明顯差異。

3 討論

3.1 藻紅蛋白分離與純化

藻膽蛋白可以作為熒光探針用于生物、醫學研究以及疾病的診斷與治療, 也可以作為腫瘤光動力治療的光敏劑、食品著色劑等。國外的許多公司已相繼投資開發藻膽蛋白產品, 且售價可觀。目前, 疏水層析色譜(HIC)技術已經被廣泛應用于血清蛋白、核蛋白、激素、重組蛋白及酶等生物大分子的純化[28]。這種層析方法機制復雜, 對生物大分子的損害小,活性保持良好。與離子交換色譜、親和層析、或反向色譜等技術相比較而言, HIC是一種溫和的分離純化方法[28-29]。它最突出的優點是純化速度快、產量大、不需要常規色譜方法所要求的填料的平衡及粗提液的預處理[30], 是一種僅需一步操作就可以從粗提液回收目的蛋白的技術, 適合于從細胞裂解液或勻漿中直接分離目標物質。使用此技術, 目標蛋白直接被膨化柱內的樹脂吸附而得到分離和濃縮, 簡化了后續的純化程序, 極大地減少了分離純化的步驟和時間[31], 與此同時, 得率和純度則相應提高, 這同時也降低了藻膽蛋白分離純化的成本。因此, 我們將疏水層析運用于膨化床分離, 可以規模化的分離純化藻膽蛋白。粗略計算顯示, 運用文中報道的方法,每天可分離得到克級的藻膽蛋白。而且一個完整的分離過程僅需要3.5 h, 包括柱的平衡, 30 min, 上樣,60 min, 清洗, 50 min, 洗脫60 min。因而是一種有效且快速的純化藻膽蛋白的方法。

疏水層析利用的是填料分子與蛋白分子間的相對較弱的疏水鍵的作用而進行的, 不同的分子與填料間形成的疏水鍵不同[23], 通過改變溶液的離子強度, 就可以將不同的分子加以區分。如果藻膽蛋白發生變性, 則其分子內部疏水基團外露, 因而引起與樹脂間作用力的增加, 導致難于從樹脂洗脫。這樣,我們就可以利用此性質將變性的與天然態的分子加以分離。結果顯示, 只需一步膨化柱分離操作, 就可以分離得到滿足食品及化妝品添加劑純度要求的藻膽蛋白。

關于藻紅蛋白純度的評價, 普遍接受的的標準是 A565/A280大于 3.2[32], 如果藻紅蛋白發生了解離,565 nm處的光吸收就會降低從而引起光譜純度比值A565/A280的下降。A565/A498≤1.5, A620/A565≤0.005 也被廣泛使用。R-藻紅蛋白在498 nm處有強烈的吸收值而B-藻紅蛋白則僅有很弱的吸收。如果A565/A498≤1.5,則表明R-藻紅蛋白中沒有B-藻紅蛋白污染。A620/A565表示 R-藻紅蛋白溶液中 C-藻藍蛋白的含量。本實驗中用離子交換法純化的 R-藻紅蛋白 A565/A498=1.16,A620/A565＜0.005, 達到了試劑級的純度標準。

3.2 多糖提取

浸提是影響多糖收率、產品質量的主要環節。水提醇沉法是使用最為廣泛的一種多糖提取工藝。其中, 提取溫度是與多糖得率密切相關的一個因素,提高溫度, 多糖提取率也隨之增加, 但某些多糖結構會被破壞, 能耗也隨之增加。延長提取時間, 同樣可以增加多糖得率, 但會使多糖水解的比率增多。提高料液比, 在一定程度上可以增加多糖的提取量,而過多的水分使得后續粗提液濃縮工作變得困難,大幅度增加能耗的同時降低了多糖的提取效率。提取液pH對條斑紫菜多糖得率有較大影響, pH值越高,多糖得率相對則越低。本文設計了這三個因子不同組合的提取條件, 開展了使用藻膽蛋白提取后的殘渣為原料提取紫菜硫酸多糖最適提取條件的正交篩選實驗, 確定了pH 6, 121℃下提取2次, 每次1小時為最適宜提取條件。相較于完整藻體, 殘渣為破碎的藻體,體積小, 因而與提取液相對接觸面積增大, 客觀上加速了對多糖的提取。另一方面, 提取藻紅蛋白時,細胞內可溶性蛋白、淀粉或其他一些物質已被移除,因而, 有利于硫酸多糖的提取。

3.3 關于硫酸基的討論

對于硫酸多糖的提取, 條件不能過分強烈, 以免天然結構被破壞或硫酸基團脫落而失去生物活性。提取硫酸多糖一般不用堿溶液, 因為堿性條件下,多糖中6-硫酸基組分更容易轉變為3, 6-內醚半乳糖,而導致硫酸基團脫落。吳永沛[33]使用0.1 mol/L鹽酸提取了海帶的巖藻聚糖, 提取率為 2.1%, 產品中SO42–含量為 20%。本文使用次等條斑紫菜提取藻紅蛋白后的殘渣為原料, 多糖得率為 3.05%, 其中SO42–含量為 21.8%。

3.4 微波與超聲輔助提取

傳統的長時間高溫水提法不僅能耗大, 而且易造成多糖的部分降解及活性的降低, 微波和超聲波是近年來逐漸被人們所采用的兩種提供能量的形式,在多糖的提取方面也有不少嘗試[34-35]。微波協同提取具有比水溶液加熱提取植物有效成分效率高, 易控制, 提取成本低的特點[34], 王娟等[36]認為微波能夠激發極性分子使其處于不穩定的狀態, 不穩定的極性分子在回歸到穩定狀態的過程中會迅速釋放能量并傳遞給其他分子, 使得其他分子的熱運動增加,由此增加了單位時間內從物料內部到溶劑的分子數量, 有效地縮短了多糖提取的時間。另一方面, 微波釋放的能量使得溶劑的溫度升高, 水分子汽化產生的壓力在細胞壁和細胞膜表面形成很多易于胞內物質溶出細胞內部的小孔, 降低了多糖提取的能耗[37]。但微波功率過大容易加快多糖的水解或引起爆沸。超聲波輔助提取是近年來中藥提取分離研究應用較多的方法, 具有提取效率高、提取時間短、能耗低的特點[38]。超聲波通過破壞細胞膜、細胞壁而增加了內容物溶出和傳輸的能力, 從而大幅提高了有效成分的提取率, 縮短了提取時間, 更重要的是, 超聲提取在常溫條件下進行, 避免了高溫對多糖有效成分的破壞。然而, 我們的結果顯示, 超聲輔助并沒有有效增加紫菜多糖的得率, 這可能是因為條斑紫菜為單層細胞, 而且已經是充分溶脹的組織材料, 傳統的熱提法已經足以將其多糖成分快速徹底地溶出。

綜上所述, 利用次等紫菜同時提取藻紅蛋白和硫酸多糖, 使得不宜作為食品加工的藻類資源得到了綜合、高值化的利用, 提取的物質可被應用于食品、藥品研發, 對促進我國經濟的發展也具有重要意義。

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