蝦殼甲殼素提取工藝優化及其輔助降血糖活性研究

孟凡欣，吳麗艷，徐盼菊，滕利榮，董媛（.吉林大學珠海學院，廣東珠海5904；2.吉林醫藥學院，吉林長春3203）

?

蝦殼甲殼素提取工藝優化及其輔助降血糖活性研究

孟凡欣1，吳麗艷1，徐盼菊1，滕利榮1，董媛2，*
（1.吉林大學珠海學院，廣東珠海519041；2.吉林醫藥學院，吉林長春132013）

摘要：優化了蝦殼中甲殼素提取工藝及其對糖尿病小鼠的影響。首先采用期望函數和響應面法優化了EDTA提取蝦殼脫鈣脫蛋白質工藝，并通過四氧嘧啶建立糖尿病小鼠模型，分別考察甲殼素、二甲雙胍和二者聯合給藥1個月后，糖尿病小鼠的體重、血糖等指標的變化。最終確定最佳提取工藝為：EDTA脫鈣條件pH 11，EDTA濃度11 %，反應時間2 h，料液比1∶14（g/mL），之后過濾，烘干，雙氧水脫色，烘干，既得甲殼素提取物。驗證試驗與預測值相對誤差為2.8 %，較優化前提高了20.3 %。降血糖結果顯示，與模型組，或是甲殼素和二甲雙胍單獨給藥組相比，二者聯合給藥能夠緩解小鼠體重下降（P＜0.05），顯著降低糖尿病小鼠的血清總膽固醇、甘油三酯、血糖、糖化血紅蛋白含量（P＜0.01，P＜0.01，P＜0.01，P＜0.01），增加胰島素表達（P＜0.05）。也能緩解對胰腺組織的損傷（P＜0.05）。甲殼素能夠增強二甲雙胍的抗糖尿病功效，在臨床上應用有重要的意義。

關鍵詞：期望函數；響應面；甲殼素；二甲雙胍；糖尿病；四氧嘧啶

甲殼素（chitin），又名甲殼質，幾丁質，是從甲殼動物外殼中提取出來的一種氨基多糖[1]。在自然界中資源豐富，是除蛋白質外數量最多的含氮天然高分子化合物[2]。自1811年首次被發現以來，甲殼素及其衍生物在食品、醫藥、環境等多個領域都有廣泛應用，具有抗癌、抗感染、提高機體免疫力等多種功效[3-4]。然而市場上銷售的甲殼素作為保健品，往往被消費者濫用，不能合理、科學的使用。此外，傳統的提取方法多采用酸堿法，不僅容易破壞甲殼素的結構，且污染環境，所以本研究希望通過滿意度函數和響應面法優化EDTA代替強酸強堿提取甲殼素的工藝，同時，為了考察甲殼素降血糖的輔助治療作用，采用四氧嘧啶誘導糖尿病小鼠動物模型，探討甲殼素輔助二甲雙胍（一種常規糖尿病治療藥物）在降糖、降血脂等領域的預防及治療效果，如果能夠通過藥物控制血糖，將大大減少由于注射胰島素等方式給患者帶來的痛苦，具有重要的意義。

1　材料與方法

1.1儀器與材料

蝦：購于長春市光復路水產市場，將整蝦洗凈后，剝去蝦仁，將蝦殼和蝦頭等，清洗烘干后備用；ELX800型酶標儀：美國BIOTEK有限公司；昆明鐘小鼠（清潔級，18～22 g，雄性）：購自吉林大學醫學部實驗動物中心，許可證號SCXK（吉）2013～0003；四氧嘧啶、二甲雙胍、檸檬酸、EDTA等試劑：美國Sigma公司；葡萄糖（GLU）、總膽固醇（TC）、甘油三酯（TG）、糖化血紅蛋白（GHb）、胰島素（Ins）測定試劑盒：南京建成生物科技有限公司。

1.2方法

1.2.1甲殼素的提取工藝研究

1.2.1.1工藝流程

蝦殼樣品預處理→EDTA脫鈣脫蛋白→過濾→烘干→雙氧水脫色→水洗→烘干

1.2.1.2樣品預處理

洗凈烘干后的蝦殼樣品經粉碎機粉碎，過40目篩，備用。

1.2.1.3甲殼素的提取

精確稱取10 g蝦殼粉，浸泡于一定pH的EDTA溶液當中，30℃恒溫水浴中攪拌一定時間，直至脫去蝦殼粉中的鈣和蛋白質，過濾，留取濾渣，50℃烘干至恒重，浸泡于10 %過氧化氫溶液中脫色2 h，直至濾渣變為白色粉末，即為甲殼素。甲殼素得率/%=甲殼素質量/蝦殼粉質量×100。

1.2.1.4蛋白質含量測定

凱氏定氮法檢測樣品提取前后蛋白質含量[5]。脫蛋白質率/ %=（提取前蛋白質含量-提取后蛋白質含量）/提取前蛋白質含量×100。

1.2.1.5鈣含量測定

根據GB/T 6436-2002《飼料中鈣的測定》測定樣品提取前后的鈣含量。脫鈣率/ %=（提取前鈣含量-提取后鈣含量）/提取前鈣含量×100。

1.2.1.6期望函數

通過期望函數，可以將多個指標轉化為一個無量綱的指標，即期望值（Dv）。本試驗將期望函數定義如下：

其中：Yi代表的是第i個考察指標的試驗所得響應值；yi是人為設定的第i個考察指標的最低響應值；Li是第i個考察指標設定的最高響應值；di是第i個考察指標的期望值。當每一個考察指標均被轉化為di后，將其組合成一個Dv值，代表總體的期望值，Dv被定義為：

wi是每一個考察指標的權重值，反映的是不同響應值在重要性上的差別；n是考察變量的總數[6]。本試驗的期望函數參數如表1所示。

表1　期望函數各參數表Table 1 The parameters of the desirability function in currentstudy

1.2.1.7響應面法優化甲殼素提取工藝

采用四因素三水平試驗設計表（表2），以期望值（Dv）為指標，優化蝦殼中甲殼素提取工藝，并通過Design-expert8.0.6進行ANOVA統計學分析[7]。

表2　響應面試驗因素水平表Table 2 Independent variables and their levels in the Box-Behnken design

1.2.1.8驗證試驗

對響應面預測最優結果進行3次平行試驗，驗證其提取效果。

1.2.2甲殼素輔助治療糖尿病的實驗觀察

1.2.2.1糖尿病小鼠模型的建立、分組及給藥

參照文獻[8-9]的方法，選取健康小鼠，禁食不禁水16 h，腹腔注射四氧嘧啶溶液（150 mg/kg，溶于生理鹽水，現用現配）。于注射后3 h灌胃給予25 %葡萄糖1 mL/100g。24h后重復此過程1次。建模72 h后，眼靜脈叢采血，測定空腹血糖濃度，其中血糖濃度高于16.7mmol/L的小鼠被視為造模成功小鼠。將造模成功小鼠隨機分成4組，每組10只，Ⅰ組灌胃給藥二甲雙胍（60 mg/（kg·d），Met），飼喂基礎飼料；Ⅱ組灌胃給藥60 mg/（kg·d）二甲雙胍，飼喂甲殼素飼料（10 %甲殼素，90 %基礎飼料）；Ⅲ組灌胃同等體積的生理鹽水，飼喂甲殼素飼料；Ⅳ組灌胃同等體積的生理鹽水，飼喂基礎飼料，作為模型組（DM）。并隨機選取10只健康小鼠作為空白對照組（CT）。

1.2.2.2口服糖耐量實驗

末次給藥后，按照參照文獻[8]考察各組糖尿病小鼠口服糖耐量實驗，觀測小鼠口服葡萄糖之后0.5 h，1 h和2 h血糖值。并按照（3）計算血糖曲線下面積（AUC）。

AUC/（mmol/L·h）=（0 h血糖值+ 0.5 h血糖值）× 0.25+（0.5h血糖值+1h血糖值）×0.25+（1h血糖值+2h血糖值）×0.5（3）

1.2.2.3生化指標測定

給藥30 d期間，每10天記錄1次各組小鼠體重。末次給藥后，禁食不禁水12 h，眼靜脈叢采血，采用試劑盒測定血清中TC、TG、GLU、GHb、Ins含量。

1.2.2.4臟器指數測定

處死前稱量體重，脫臼處死后立即取出心、肝、脾、肺、腎、胰腺6種臟器，除去污血，濾紙擦干后置于電子天平上稱量臟器的重量，臟器指數以臟器重量（g）與體重（g）之比表示。

1.2.3統計學分析

數據用均值±SD表示，采用origin 8.0軟件進行變異數分析，以t檢驗進行顯著性分析。P＜0.05被認為是具有顯著差異。

2　結果與分析

2.1提取工藝

2.1.1響應面結果

四因素三水平BBD試驗設計表格如表3所示，ANOVA方差分析如表4所示。

對實驗結果進行ANOVA分析后，得到一個多元二次回歸方程來擬合實驗結果：

Y=+0.75+0.029A+0.03B-0.005C+0.17D-0.028AB-0.028AC-0.072AD-0.007BC+0.02BD-0.025CD-0.09A2-0.1B2-0.1C2-0.12D2（3）

該模型的F檢驗為26.4，P值小于0.05，R2= 0.973 7，說明模型具有很好的擬合度，二次回歸模型顯著。而A、B、D、AD、A2、B2、C2、D2項P值均小于0.05，說明對響應值影響顯著，尤其pH和料液比交互作用顯著。三維圖顯示，pH和料液比等高線為橢圓型，且直徑線與坐標軸存在一定角度，與統計分析結果一致（圖1），能更直觀地顯示各個因素之間的交互作用。優化后得到蝦殼中甲殼素提取的最佳工藝為：EDTA脫鈣條件pH 11，EDTA濃度11 %，反應時間2 h，料液比1∶14（g/mL），之后過濾，烘干，雙氧水脫色，烘干，既得甲殼素提取物。預測的最大Dv值對應的甲殼素最大干重為2.52g，脫鈣率為85%，脫蛋白率為94%。驗證試驗提取的平均甲殼素干重為2.57 g，與模型的預測值相對誤差為2.8%，較未優化提取工藝時提高了20.3%。

表3　四因素三水平BBD試驗設計表格Table 3 The design matrix generated for the BBD and the obtained response values

表4　響應面方差分析Table 4 ANOVA analysis for Response Surface Quadratic Model

圖1　響應面優化交互作用圖Fig.1 The interaction effect of response surface method

2.2降血糖實驗結果

2.2.1糖耐量試驗

糖耐量實驗能夠反應糖尿病患者對血糖的調節能力，實驗結果如圖2所示。

從圖2中可以看出，二甲雙胍和甲殼素聯合給藥后，糖尿病小鼠AUC面積低于二甲雙胍或者甲殼素單獨給藥組的AUC面積，且與模型組有顯著差異（P＜0.01）。

2.2.2小鼠體重實驗結果

各組糖尿病小鼠體重結果如表5所示。

圖2　糖尿病小鼠口服糖耐量實驗結果Fig.2 Results of oral glucose tolerance test in diabetic mice注：DM與CT組比較，##P＜0.01；與DM組比較，*P＜0.05，**P＜0.01。

表5　各組糖尿病小鼠體重監測結果（n=10）Table 5 Body weight of diabetic mice（n=10）

由表5可知，甲殼素輔助二甲雙胍給藥30 d后，糖尿病小鼠體重降低有所緩解，與模型組相比，存在顯著差異（P＜0.05），與二甲雙胍或者甲殼素單獨給藥組小鼠體重相近。

2.2.3生化指標檢測結果

各組糖尿病小鼠各項血液生化指標檢測結果如表6所示。

表6　各組糖尿病小鼠血液生化檢測結果（n=10）Table 6 Biochemical values of of diabetic mice（n=10）

由表6可知，模型組糖尿病小鼠血清TG、TC、GLU、Ins、GHb均與正常對照組存在顯著差異（P＜0.05，P＜0.01，P＜0.01，P＜0.01，P＜0.01），表現出糖尿病典型的高血脂、高血糖，糖化血紅蛋白水平及胰島素水平異常等癥狀。甲殼素輔助二甲雙胍給藥后，與模型組相比，能夠顯著降低糖尿病小鼠TG、TC、GLU水平（P＜0.01，P＜0.01，P＜0.01），使其恢復到接近正常范圍內。同時，糖化血紅蛋白和胰島素水平雖沒有完全恢復到正常值，但與模型組相比，胰島素水平有所提高（P＜0.05）糖化血紅蛋白水平有所下降（P＜0.05）。且對糖尿病小鼠的降血糖、降血脂效果優于二甲雙胍或甲殼素單獨給藥。

2.2.4臟器指數結果

臟器指數結果如表7所示。

表7　各組糖尿病小鼠臟器指數結果（n=10）Table 7 Organ indices of diabetic mice（n=10）

模型組小鼠心臟、肝臟、肺3種臟器指數與正常組沒有差異（P＞0.05），可能是由于四氧嘧啶建模時間短，小鼠還沒有出現心、肝和肺組織的明顯腫大，而脾指數、腎指數和胰腺指數卻與正常對照組存在顯著差異（P＜0.05，P＜0.01，P＜0.01），說明存在脾、腎和胰腺的損傷或腫大。甲殼素與二甲雙胍聯合給藥后，對糖尿病小鼠的胰腺有一定的保護作用，與模型組存在差異（P＜0.05）。

3　結論

甲殼素，作為天然高分子材料，對人、畜、農作物無任何副作用，在日本已經用于制成保健品[10]。本文采用期望函數和響應面法優化了EDTA處理蝦殼提取甲殼素的工藝，較未優化提取工藝時甲殼素產量提高了20.3 %。隨后研究了甲殼素和降糖藥二甲雙胍聯合給藥對糖尿病小鼠的影響，結果顯示甲殼素能增強二甲雙胍的降糖、降脂效果，體現在能夠緩解糖尿病導致的體重減輕（P＜0.05），同時，降血糖、降血脂效果比單獨使用二甲雙胍或者甲殼素時效果更好，血脂和血糖恢復到正常水平。糖耐量實驗和糖化血紅蛋白的檢測能夠體現患者對血糖的調節能力和近期的血糖水平，對二者的研究發現，甲殼素聯合二甲雙胍給藥后，能夠在口服葡萄糖2h內恢復正常血糖值，且糖化血紅蛋白水平也接近正常值，效果優于單獨給藥，與模型組存在顯著差異（P＜0.01，P＜0.01）。改善胰島素表達水平和對胰腺、腎等臟器的損傷。通過實驗觀察，甲殼素可以和降糖藥聯合給藥，增強降糖藥的降糖、降脂效果。

參考文獻：

[1]張瑞娟.甲殼素及其衍生物的藥理作用及研究進展[J].內蒙古中醫藥,2013,32(29):104-105

[2]張文博,陳盛.甲殼素/殼聚糖的提取及其應用研究新進展[J].福建師大福清分校學報,2008(2):18-25

[3]蔣小姝,莫海濤,蘇海佳,等.甲殼素及殼聚糖在農業領域方面的應用[J].中國農學通報,2013,29(6):170-174

[4]李潤銘,鄧順周.甲殼素及殼聚糖在醫藥領域的應用研究進展[J].食品與藥品,2007,9(12):50-53

[5]史瑋,孫瑩,徐振斌.凱氏定氮法測定糧食蛋白質含量方法研究[J].糧食科技與經濟,2013(5):31-32

[6] Islam M A,Sakkas V,Albanis T A.Application of statistical design of experiment with desirability function for the removal of organophosphorus pesticide from aqueous solution by low-cost material[J].Journalof Hazardous Materials,2009,170(1):230-238

[7] Wu Z,Lu J,Wang X,et al.Optimization for production of exopolysaccharides with antitumor activity in vitro from Paecilomyces hepiali[J].Carbohydrate Polymers,2014,99:226-234

[8] Park J H,Park N S,Lee S M,et al.Effect of Dongchunghacho Rice on Blood Glucose Level,Lipid Profile,and Antioxidant Metabolism in Streptozotocin-induced Diabetic Rats[J].Food Sci Biotechnol,2011, 20(4):933-940

[9] Wang W H,Wu F H,Yang Y,et al.Hypoglycemic Effect of Ethanol and Ethyl Acetate Extract of Phellinus baumii Fruiting Body in Streptozotocin-Induced Diabetic Mice[J].Evid Based Complement Alternat Med,2015,2015(3):10.1155/2015/783460

[10]王曉玲.甲殼素和殼聚糖在食品工業中應用的新進展[J].食品研究與開發,2007,28(10):163-166

Optimization of the Extraction Process of Chitin from Shrimp Shell and Its Anti-diabetic Activity

MENG Fan-xin1，WU Li-yan1，XU Pan-ju1，TENG Li-rong1，DONG Yuan2，*
（1.Zhuhai College，Jilin University，Zhuhai 519041，Guangdong，China；2.Jilin Medical University，Changchun 132013，Jilin，China）

Abstract：In order to extract chitin from shrimp shell and investigate it's hypoglycemic effect，response surface method and desirability function were applied to optimism the extraction process of chitin from shrimp shell.Then the hypoglycemic effect of chitin was studied.The diabetic mice model was established by using alloxan.After one month's treatment，the hepoglycemic effects of chitin，metformin and chitin combined with metformin on the body weight，blood glucose and so on were studied.The optimum extraction condition of chitin was as follow：pH 11，EDTA concentration 11 %，reaction time 2 h，solid-liquid ratio 1∶14（g/mL），after filtration，drying，hydrogen peroxide bleaching and drying，vested chitin extract.Compared verification tests with the model predictive value，the relative error was 2.8 % which was improved by 20.3 %.The hypoglycemic results showed that，compared with the model group，or the chitin and metformin alone，the combination of the two drugs could relieve the weight loss of mice induced by diabetes mellitus（P＜0.05），and the serum total cholesterol，triglyceride，blood glucose levels were significantly reduced（P＜0.01，P＜0.01，P＜0.01，P＜0.01）.The insulin expression increased（P＜0.05）.The mouse organ index showed that the combined administration of chitin and metformin could also relieve the damage to the pancreas tissue（P＜0.05）.Chitin can enhance the efficacy of metformin in lowering blood glucose and blood lipid，and it has important significance in clinical application.

Key words：desirability function；response surface method；chitin；metformin；diabetes；alloxan

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.05.023

基金項目：《吉林大學珠海學院“三個層次”師資骨干隊伍建設》項目（E201421）

作者簡介：孟凡欣（1981—），男（漢），講師，博士，研究方向：生物制藥。

*通信作者：董媛（1986—），女，講師，博士，研究方向：生物制藥。

收稿日期：2015-11-18