羊棲菜多糖提取條件優化及其抗氧化活性的研究

劉洪超,應苗苗,周雨暪,楊靖亞,汪之和,施文正,*

(1.上海海洋大學食品學院,上海 201306;2.浙江溫州科技職業學院,浙江溫州 325000)

羊棲菜多糖提取條件優化及其抗氧化活性的研究

劉洪超1,應苗苗2,周雨暪1,楊靖亞1,汪之和1,施文正1,*

(1.上海海洋大學食品學院,上海 201306;2.浙江溫州科技職業學院,浙江溫州 325000)

本文采用響應面方法對羊棲菜多糖提取工藝進行了優化,通過超濾膜(MW分別為100000、50000、10000和5000 u)將羊棲菜多糖分進行分離,并對不同分子量段羊棲菜多糖的抗氧化活性進行了分析。在微波功率為385 W時,微波輔助水提法提取羊棲菜多糖的較優工藝條件為:液料比34 mL/g,微波時間8 min,水提溫度95 ℃,提取時間2.1 h,在此條件下,羊棲菜多糖得率為11.51%±0.12%;不同分子量段羊棲菜多糖均具有較強的抗氧化能力,對羥自由基、超氧陰離子、DPPH自由基均有一定程度上的清除作用,SFPSⅤ(MW≤5000 u)自由基清除能力優于SFPSⅠ、SFPSⅡ、SFPSⅢ和SFPSⅣ。在一定范圍內,羊棲菜多糖對羥自由基、DPPH自由基清除率超過50%,自由基清除率均隨多糖濃度的增加而增強。研究將為羊棲菜多糖的高效利用提供理論指導。

羊棲菜多糖,微波輔助提取,響應面法,超濾膜,體外抗氧化

羊棲菜(Sargassumfusiforme(Hary)Setch),馬尾藻科,別名鹿角尖、海菜牙、羊奶子、海大麥等,主要分布于中國浙江、福建、廣東淺海,在山東、遼寧等地也有分布,自中國遼東半島到雷州半島,自北向南沿海地區均能生長,以浙江近海域生長較多,資源豐富,是一種重要的海洋資源[1]。羊棲菜富含多糖、蛋白質以及對人體有益的微量元素。羊棲菜多糖(SargassumfusiformePolyccharides,SFPS)是指從羊棲菜中提取的水溶性多糖,主要由褐藻酸和褐藻糖膠組成。文獻中記載羊棲菜多糖具有抗病毒[2]、抗腫瘤[3]、抗凝血[4]等特性,以及提高免疫活性[5]、降血糖、降血脂[6]、抗疲勞[7]、抗氧化[8]等作用。

微波法是根據高頻電磁波進入活性物質原料載體后,快速使之轉化為熱能從而使細胞內部的溫度急速升高,導致細胞內部壓力急劇增加,使細胞壁難以承受如此巨大壓力而破裂,目的物質流出,溶解于萃取介質[9]。微波加熱可以破壞羊棲菜細胞壁,促進胞內多糖流出壁外,有利于羊棲菜粗多糖的提取。Yao Ren等[10]在盾葉薯蕷中提取皂苷類固醇類物質時發現微波技術能有效提高溶劑萃取率。有研究表明[11],微波加熱對淀粉水解為葡萄糖有促進作用,在合適的反應條件下產物幾乎全部是葡萄糖。

多糖的分離純化方法主要有沉淀法、柱層析法以及超濾膜法。本文利用超濾膜法對提取的羊棲菜粗多糖進行初分離,其原理是根據不同的超濾膜具有不同分子量截留孔徑,待分離樣品在一定的操作壓力下循環分離,從而達到目的分離效果。在響應面優化微波輔助水提羊棲菜多糖工藝的基礎上,選擇超濾膜法對提取的粗多糖進行初分離,研究不同分子量段的羊棲菜多糖抗氧化活性,對下一步羊棲菜多糖的純化以及羊棲菜多糖生物活性機理研究具有一定的探索意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

羊棲菜 浙江省溫州市,100目以上;DPPH(1,1-二苯基-2-苦基肼) Sigma公司;濃硫酸、標準葡萄糖,三氯乙酸(TCA)、無水乙醇、重蒸酚、硫酸亞鐵、水楊酸、三羥甲基氨基甲烷(Tris)、鹽酸、雙氧水、鄰苯三酚等 均為國產分析純。

UV/V-16/18-型紫外分光光度計 上海美譜達儀器有限公司;Sartorius天平 北京賽多利斯天平有限公司;美的微波爐 廣東美的微波電器制造有限公司;電熱鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠;數顯恒溫水浴鍋 上海慧泰儀器制造有限公司;H2050R-臺式高速冷凍離心機 湘儀離心機儀器有限公司;真空冷凍干燥機 德國Christ 公司;R206旋轉蒸發儀 上海申生科技有限公司;循環水式多用真空泵 上海申勝生物技術有限公司;粉碎機 九陽股份有限公司;Vivafiow200超濾膜 Sartorius stedim。

1.2 實驗方法

1.2.1 羊棲菜多糖提取優化實驗

1.2.1.1 羊棲菜多糖測定 采用苯酚-硫酸法[12],紫外分光光度計490 nm處測定多糖含量,制作葡萄糖標準曲線。

多糖得率(%)=多糖提取液糖濃度×稀釋倍數×多糖提取液體積×100/羊棲菜干粉質量

式(1)

1.2.1.2 羊棲菜多糖提取工藝 參照何芳等[13]方法改進,稱取一定量羊棲菜粉末按選定液料比加入去離子水浸泡,設定微波功率、微波時間加熱提取,恒溫水浴浸提后用棉紗布過濾殘渣,過濾液加入3% TCA真空抽濾除去蛋白質絮狀物,旋轉蒸發濃縮至體積為原來1/10,乙醇沉淀后離心進行冷凍干燥獲得羊棲菜粗多糖。

1.2.1.3 羊棲菜多糖提取工藝的優化 通過對液料比、微波時間、微波功率、水提溫度、水提時間做前期單因素實驗,分析比較確定微波功率中火(385 W)條件下優化其他四個因素。采用Box-Benhnken Design 設計實驗方案,選擇液料比、微波時間、水提溫度、水提時間四個因素為考察變量,以多糖得率Y為響應值,應用Design Expert 8.06軟件,建立數學回歸模型優化羊棲菜多糖的提取工藝條件,實驗因素與水平設計如表1所示。

表1 響應面分析實驗因素與水平

1.2.2 羊棲菜多糖的體外抗氧化

1.2.2.1 不同分子量段羊棲菜多糖的提取與制備 稱取一定量羊棲菜粉末,根據上述響應面優化的工藝條件制備[13]多糖粗提液,按液固比100∶3添加TCA除蛋白后分別透過分子截留量為100000、50000、10000、5000 u的超濾膜系統(0.20 MPa,溫度15 ℃,恒流泵輸出通道:單通道;輸出流量:0.2～10萬mL/h;輸出壓力:≥2 kg/cm2),得到不同分子量段羊棲菜多糖提取物五部分:SFPSⅠ(MW≥100000 u)、SFPSⅡ(MW:50000～100000 u)、SFPSⅢ(MW:10000～50000 u)、PSⅣ(MW:5000～10000 u)和SFPSⅤ(MW≤5000 u)。每部分分別在60 ℃下減壓旋轉蒸發濃縮至1/10體積,加入4倍體積無水乙醇沉淀多糖,置于4 ℃冰箱中靜置過夜,析出的絮狀物沉淀4000 r/min離心15 min,收集沉淀物后真空冷凍干燥(冷凝溫度<-70 ℃,真空度<20 Pa)48 h,得到不同分子量段的羊棲菜多糖樣品。

1.2.2.2 多糖對羥基自由基(·OH)清除能力的測定 參照YANG等[14]的方法,采用楊酸法測定羊棲菜多糖對羥自由基(·OH)的清除能力。配制好各試劑后,按表2依次加入各試劑,混勻,37 ℃水浴反應0.5 h后,蒸餾水調零,在波長510 nm下測定吸光度值,每個濃度平行測定3次,取其平均值,測定結果以清除率SA(scavenging activity)表示。

式(2)

式中:A0為空白對照吸光度;AX0為樣品本底吸光度;AX為測定樣本吸光度。

表2 羥自由基(·OH)清除能力測定各試管試劑配制(mL)

式(3)

式中:ΔA0為鄰苯三酚自氧化速率;ΔAi為加入樣品后鄰苯三酚的自氧化速率;單位均為吸光度值每分鐘的增值。

表3 超氧陰離子·)清除能力的測定各管試劑配制(mL)

1.2.2.4 多糖對DPPH·清除能力的測定 參照JIA等[15]的方法制定表4測定多糖對DPPH·的清除能力。分別取不同濃度的多糖樣品溶液4 mL,加入1 mL用無水乙醇配制的DPPH溶液,并使DPPH終濃度為0.1 mmol/L。充分混勻后置于暗室中靜置1 h,于517 nm波長處測定吸光度,每個樣品濃度測定3次,按公式(2)計算平均DPPH·清除率SA。

表4 DPPH·清除能力的測定各管試劑配制(mL)

1.3 數據分析

實驗數據采用IBM SPSS Statistics 22.0 軟件進行數據分析,結果均以表示,顯著水平為α=0.05;響應面實驗設計及分析采用Design-Expert.V8.0.6軟件。

2 結果與討論

2.1 羊棲菜多糖提取優化工藝

2.1.1 羊棲菜多糖含量的測定 根據葡萄糖標準品系列濃度梯度在490 nm的吸光度值,得回歸方程:y=0.0067x+0.0294,R2=0.9996(n=10),其標準曲線見圖1所示,在10～100 μg/mL內呈現良好的線性關系。

圖1 葡萄糖標準曲線Fig.1 The standard curve of glucose

2.1.2 響應面實驗方案設計及結果分析 采用Box-Benhnken進行實驗因素設計,以A(液料比)、B(微波時間)、C(水提溫度)、D(水提時間)為自變量,羊棲菜多糖得率為響應值(Y),進行響應面分析實驗,共有29組實驗,其中24組為分析實驗,5組為中心實驗,用以估計誤差。29組響應面實驗結果見表5所示,對4個自變量模型單獨存在及交互作用下的方差分析結果見表6所示。

表5 多糖提取響應面實驗結果

表6 多糖提取響應面實驗方差分析

注:p<0.01為差異極顯著;p<0.05為差異顯著。

通過對實驗結果進行響應面軟件分析,經二次回歸擬合后,得到4個因素與羊棲菜多糖得率之間的模擬方程為:

Y=11.53-0.2A+0.20B+1.4C+0.80D+0.11AC-0.11BC-0.24BD-0.20CD-0.78A2-0.7B2-1.35C2-0.97D2

圖2 液料比、微波時間、水提溫度、水提時間對多糖得率交互影響的響應面圖Fig.2 Response surface of the ratio of liquid to material,microwave time,water extraction temperature and water extraction time to polysaccharide yield

從回歸模型F檢驗為極顯著(p<0.001),失擬項不顯著(p>0.05),且模型R2=0.9946,表明實驗方法可靠,該方程模擬真實的四因素三水平多糖提取實驗可行,可以用于羊棲菜多糖提取實驗預測。

從表6中的F值可以看出,各因素之間存在著一定的交互作用,其中A、B、C、D、BD、CD均具有極顯著影響(p<0.01),AC、BC呈顯著影響(p<0.05),AB、AD呈不顯著影響(p>0.05)。

運用響應面設計軟件,參照回歸方程做出響應面,兩因素交互作用顯著項見圖2。

由圖2可直觀形象地看出各因素之間交互作用對響應值羊棲菜多糖得率的影響。從各因素之間兩兩交互作用的響應面圖形觀察,發現其中曲線走勢越陡,其影響越顯著(圖2);曲線走勢越平滑,其影響越小。水提溫度、水提時間和微波時間的圖形曲線走勢較陡,說明其影響最為顯著。由Design-Expert.V8.0.6軟件進行系統分析,得出微波輔助水提羊棲菜多糖的理論最佳工藝條件為:液料比33.55 mL/g,微波時間7.98 min,水提溫度94.94 ℃,水提時間2.12 h,該條件下羊棲菜多糖得率為11.77%。考慮到實驗的實際可操作性,將上述條件修正為液料比34 mL/g,微波時間8 min,水提溫度95 ℃,提取時間2.1 h。

在修正條件下對實驗結果進行驗證實驗,取5次平行,羊棲菜多糖平均得率為11.51%±0.12%,與預測值相比誤差為0.26%,兩者非常接近,實驗結果表明該工藝穩定可行,適合羊棲菜多糖的提取。

2.2 羊棲菜多糖體外抗氧化實驗

2.2.1 多糖對羥自由基的清除作用 圖3為不同分子量段羊棲菜多糖不同濃度對羥自由基的清除作用,結合圖進一步算得SFPSⅤ IC50為9.8486 mg/mL,SFPSⅣ IC50為13.1331 mg/mL,SFPSⅢ IC50為13.2043 mg/mL,SFPSⅠ、SFPSⅡ羥自由基清除活性相對較弱,受大分子多糖溶解度影響,當其濃度為20 mg/mL時,SFPSⅠ、SFPSⅡ對羥自由基清除率分別為43.01%、36.99%。

圖3可以看出,五個不同分子量段多糖對羥自由基的清除作用有異同點。多糖濃度小于12 mg/mL時五種分子量段多糖清除率呈現明顯上升趨勢且與羥自由基清除率之間存在著線性關系,分子量大于5000 u的四種多糖中間存在交叉,說明幾種多糖對羥自由基清除能力有強弱。五種分子量段多糖在4～12 mg/mL呈線性關系隨濃度的增加自由基清除率逐漸增大,其中SFPSⅤ增加最快,SFPSⅠ、SFPSⅡ增加相對緩慢;12～16 mg/mL時上升趨勢減緩,其中SFPSⅠ、SFPSⅡ增長極小,≥16 mg/mL時五種分子量段多糖清除率均達到最大值,分別為43.01%±0.14%、36.99%±0.27%、61.71%±0.32%、59.05%±0.28%、70.51%±0.24%。得出對羥自由基清除能力:SFPSⅤ>SFPSⅢ>SFPSⅣ>SFPSⅠ>SFPSⅡ。

圖3 羊棲菜多糖對羥自由基的清除作用Fig.3 Scavenging effects of SFPS on hydroxyl radical(·OH)

2.2.2 多糖對超氧陰離子的清除作用 由圖4可以看出五種分子量段多糖均對超氧陰離子清除作用較差,對超氧陰離子的最高清除率均小于50%,清除率最高多糖組分SFPSⅤ最高僅達到40.56%(20 mg/mL),清除率最低多糖組分SFPSⅢ最高為26.16%(20 mg/mL)。多糖濃度小于12 mg/mL時,均呈增長趨勢,且SFPⅠ、SFPSⅣ、SFPSⅤ三種分子量段有交叉,線性關系較差;SFPSⅡ、SFPSⅠ分別在12、16 mg/mL時達到其清除率最大值25.76%±0.17%、31.86%±0.32%,之后呈現減小趨勢,SFPⅢ、SFPSⅣ、SFPSⅤ在濃度達到12 mg/mL之后對超氧陰離子的清除作用基本趨于穩定,其中SFPSⅣ、SFPSⅤ最大清除率分別為38.13%±0.14%,40.56%±0.08%。得出對超氧陰離子的清除能力:SFPSⅤ>SFPSⅣ>SFPSⅠ>SFPSⅡ>SFPSⅢ。

圖4 羊棲菜多糖對超氧陰離子的清除作用Fig.4 Scavenging effects of SFPS on superoxide ·)

2.2.3 多糖對DPPH·的清除作用 圖5為不同分子量段羊棲菜多糖對DPPH·的清除作用,結合圖進一步算得SFPSⅤ IC50為7.7319 mg/mL,SFPSⅣ IC50為6.5976 mg/mL,SFPSⅢ IC50為13.9154 mg/mL,SFPSⅡ IC50為18.6556 mg/mL,SFPSⅠ IC50為15.7665 mg/mL。從圖5中可以看出5種不同分子量段的羊棲菜多糖對DPPH·均有不同程度的清除作用,其清除率均隨著多糖濃度的增大而升高,濃度增大到一定程度自由基清除率上升趨勢不再變化而趨于穩定即達到數學函數上的拐點,分子量越大其拐點橫坐標數值即多糖濃度相對偏大,這在一定程度上說明對DPPH·清除能力的強弱與分子量大小有一定關系。得出對DPPH·的清除能力:SFPSⅣ>SFPSⅤ>SFPSⅢ>SFPSⅠ>SFPSⅡ。

圖5 羊棲菜多糖對DPPH·的清除作用Fig.5 Scavenging effects of SFPS on DPPH free radical

總體上,五種分子量段多糖對羥自由基、超氧陰離子、DPPH自由基均有一定程度上的清除作用,但對不同自由基清除能力不同。SFPSⅤ對三種自由基均有較好的清除作用,尤其是對羥自由基、超氧陰離子的清除效果,為五種多糖中效果最佳;SFPSⅣ對DPPH·清除效果最好,對超氧陰離子的清除作用僅次于SFPSⅤ且相差較小;SFPSⅢ對羥自由基有較好的清除作用,但對超氧陰離子的清除能力最差;SFPSⅡ為五種多糖中對三種自由基清除效果最差的組分,對超氧陰離子的清除作用雖強于SFPSⅢ,但隨多糖濃度增加清除效果有所下降;SFPSⅠ為相對分子量大于100000 u的多糖組分,對三種自由基的清除能力均略強于SFPSⅡ。

3 結論

響應面實驗結果表明,液料比、微波時間、水提溫度、水提時間各因素及其二次項對多糖得率均有顯著影響。綜合分析,微波輔助水提法提取羊棲菜多糖的較優工藝條件為:液料比34 mL/g,微波時間8 min,水提溫度95 ℃,提取時間2.1 h,羊棲菜多糖提取得率可達11.51%±0.12%。

在一定濃度范圍內,不同分子量段羊棲菜多糖均具有較強的抗氧化能力,對羥自由基、DPPH自由基清除效果更明顯,對超氧陰離子的清除作用相對較弱;自由基清除率均隨多糖濃度的增加而增強,SFPSⅤ(MW≤5000 u)自由基清除能力優于SFPSⅠ、SFPSⅡ、SFPSⅢ和SFPSⅣ。

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Optimization of extraction process ofSargassumfusiformepolysaccharide and antioxidant activity

LIU Hong-chao1,YING Miao-miao2,ZHOU Yu-men1,YANG Jing-ya1,WANG Zhi-he1,SHI Wen-zheng1,*

(1.College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2. Wenzhou Vocational College of Science and Technology,Wenzhou 325000,China)

The extraction process ofSargassumfusiformepolysaccharide was optimized by response surface methodology. The polysaccharide fraction ofSargassumfusiformewas separated by ultrafiltration membrane(MW=100000,50000,10000 and 5000 u),of which the antioxidant activities were studied. When microwave power was 385 W,the microwave-assisted extraction of polysaccharide fromSargassumfusiformewas as follows:the ratio of liquid to material was 34 mL/g,microwave time was 8 min,extraction temperature was 95 ℃,extraction time was 2.1 h,and the yield of polysaccharide was 11.51%±0.12%. Under the experiment,the polysaccharide ofSargassumfusiformehad strong antioxidant ability in scavenging hydroxyl radical,superoxide anion and DPPH· free radical,and the ability of SFPSⅤ(MW≤5000 u)in scavenging free radical was stronger than SFPSⅠ,SFPSⅡ,SFPSⅢ and SFPSⅣ. Radical scavenging rate of hydroxyl radical,DPPH· free radical were more than 50%. Free radical scavenging rate increased with the increasing of polysaccharide concentration. This study will provide theoretical guidance for efficient utilization ofSargassumfusiformepolysaccharide.

Sargassumfusiformepolyccharides(SFPS);microwave assisted extraction;response surface method;ultrafiltration;antioxdationinvitro

2016-09-19

劉洪超(1991-)，女，在讀碩士研究生，研究方向：水產品加工與貯藏，E-mail：1028554657@qq.com。

*通訊作者:施文正(1975-)，男，副教授，研究方向：水產品加工與風味，E-mail：wzshi@shou.edu.cn。

浙江省科技廳科技計劃項目(2014C25039)；上海市科委工程中心建設項目(11DZ2280300)；上海市高校知識服務平臺項目(ZF1206)。

TS254

B

1002-0306(2017)06-0245-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.06.038