大豆糖蜜中皂苷的提純工藝及其抗氧化性質研究

倪春蕾,徐 麗,張高鵬,程建軍,高 亮

(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

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大豆糖蜜中皂苷的提純工藝及其抗氧化性質研究

倪春蕾,徐 麗,張高鵬,程建軍*,高 亮

(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

為從大豆糖蜜中提取和純化大豆皂苷,本研究通過單因素優化提取條件,探究AB-8樹脂對大豆皂苷的吸附性能,利用乙醇的梯度洗脫對皂苷進行純化;并通過測定大豆皂苷的羥自由基抑制能力、超氧自由基清除能力和總抗氧化能力對其抗氧化性質進行研究。結果表明:乙醇濃度為75%、料液比為1∶25、在70 ℃下提取4 h,大豆皂苷的得率最高,為(167.81±6.19) mg/g,此時皂苷純度為42.57%±2.34%;AB-8樹脂對皂苷的吸附率和解吸率分別為68.50%和49.99%;柱層析上樣溫度為25 ℃,皂苷提取液經AB-8樹脂吸附和0～99%乙醇的梯度洗脫后,皂苷純度提高到73.21%±1.05%;皂苷濃度在0.5～1.5 mg/mL內,其羥自由基抑制能力和總抗氧化能力隨濃度的增加而提高,最高為(47.25±0.34) U/mg和(0.82±0.04) mmol/g,在2.0～4.0 mg/mL內,其抗超氧陰離子自由基能力隨濃度增加而提高,最高為(28.93±1.07) U/g。本研究對于大豆糖蜜的利用及皂苷提純具有參考價值。

大豆糖蜜,乙醇提取,大豆皂苷,柱層析,抗氧化性質

大豆糖蜜是醇法生產大豆濃縮蛋白過程中的副產品,是伴隨著大豆濃縮蛋白的發展而發展起來的[1-2],其產量大且不易處理,常作為飼料廉價出售,易造成資源浪費和環境污染。大豆皂苷是大豆糖蜜中的主要非糖物質,約占大豆糖蜜干物質的6%～15%[3]。

大豆糖蜜中皂苷的提取以有機溶劑提取為主,其優點是方法成熟,但提取得到的皂苷純度較低,很難直接應用,常需輔以各種純化手段以獲得大豆皂苷純品。李成剛和張倩瑤分別采用乙醇和丙酮溶劑從大豆糖蜜中提取皂苷[4-5],輔以萃取、柱層析、低溫離心等純化手段得到大豆皂苷純品。

AB-8樹脂具有吸附容量大、選擇性好、易于解吸附、機械強度大、再生處理方便、吸附速度快、價格便宜等優點,近年來在分離、濃縮和去除雜質上使用較多。劉燕和劉若瑜將大豆糖蜜預處理后,采用AB-8樹脂從大豆糖蜜中分離大豆皂苷[6-7],再經有機溶劑萃取和重結晶得到大豆皂苷純品。

大豆皂苷是糖分子環狀半縮醛上的羥基和三萜類同系物的羥基失水縮合而成,屬于三萜類齊墩果酸型皂苷,因此,可使用齊墩果酸作為標準品應用于比色法測定大豆皂苷含量[8]。國內外的研究[9-12]表明,大豆皂苷具有抗脂質氧化、抗自由基等多種生理功能。

本研究是以大豆糖蜜為原料,經酸沉、丙酮提取預處理去除雜質后,進行大豆皂苷的提取,采用柱層析和乙醇梯度洗脫對皂苷提取液進行純化,對純化后的大豆皂苷進行抗氧化性質研究。本研究的方法是提取和純化大豆糖蜜中皂苷的一種生產成本較低的方法,且預處理過程中的酸沉和丙酮提取分別對低聚糖和異黃酮進行了分離,實現了大豆糖蜜中生物活性成分的連續分離,為大豆糖蜜的綜合應用提供了理論基礎,純化后的皂苷也可應用到食品、醫藥和化妝品行業。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆糖蜜(粗蛋白6.34%,粗脂肪4.97%,總糖54.59%,大豆皂苷8.79%,大豆異黃酮2.65%,灰分14.60%,以干基計) 大慶松嫩生物技術有限公司;齊墩果酸標品 Aladdin Industrail Corporation;AB-8樹脂 南開大學化工廠;羥自由基測定試劑盒、抗超氧陰離子自由基測試盒、總抗氧化能力(T-AOC)測試盒 南京建成生物工程研究所;香草醛及其他試劑 分析純。

電子分析天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;數顯攪拌水浴鍋 常州賽普實驗儀器廠;Allegra X-30R離心機 Beckman Counter;SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司;R系列旋轉蒸發儀 上海申生科技有限公司;PHM220 Lab pH meter Radiometer analytical SA;UVmini-1240分光光度計 日本島津公司;玻璃層析柱(Ф20×300 mm),HL-2S恒流泵 上海嘉鵬科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大豆糖蜜的預處理 調節大豆糖蜜固形物含量為10%,室溫下用HCl調節pH2.5,于1500 r/min離心20 min,得到大豆糖蜜沉淀。

大豆糖蜜沉淀按料液比1∶10的比例加入丙酮和水(丙酮∶水=4∶1)的混合溶劑,調節pH=2.5,在溫度55 ℃下提取2 h,得到的提取液于2500 r/min離心10 min,沉淀在105 ℃干燥3 h,得到皂苷粗品。

1.2.2 大豆皂苷含量測定 精密稱取齊墩果酸標準品10 mg,置于50 mL容量瓶中用乙醇溶解,搖勻,得到濃度200 μg/mL的齊墩果酸標準品溶液。分別量取標準品溶液0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL于具塞試管中,80 ℃水浴將溶劑揮干,然后分別加入5%的香草醛-冰醋酸溶液0.4 mL(取50 mg香草醛用冰醋酸定容于10 mL容量瓶中),再加入高氯酸1.6 mL,于70 ℃水浴中加熱振蕩15 min,取出后迅速用冰水冷卻,加入4 mL乙酸乙酯稀釋,用分光光度計于560 nm波長下測定吸光度,以吸光度為縱坐標,齊墩果酸濃度為橫坐標繪制齊墩果酸溶液的標準曲線[13],得線性回歸方程:y=0.0047x-0.0108,(R2=0.9943)。

通過校正曲線查得的是齊墩果酸的質量,齊墩果酸換算成大豆皂苷需要乘以換算系數2.2[13-15]。

大豆皂苷的得率和大豆皂苷的純度由以下公式計算可得:

大豆皂苷的得率(mg/g)=提取液中大豆皂苷質量/提取用皂苷粗品質量

式(1)

式(2)

1.2.3 大豆皂苷提取條件優化 準確稱取一定量皂苷粗品,加入適量乙醇在水浴中提取,提取液進行離心處理,得到的上清液即為皂苷的粗提液,進行皂苷含量的測定。

1.2.3.1 乙醇濃度對皂苷得率的影響 在提取溫度70 ℃、提取時間2 h、料液比1∶20條件下,研究乙醇濃度(55%、65%、75%、85%、95%)對皂苷得率的影響。

1.2.3.2 料液比對皂苷得率的影響 在提取溫度70 ℃、提取時間2 h、乙醇濃度75%條件下,研究料液比(1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30)對皂苷得率的影響。

1.2.3.3 提取時間對皂苷得率的影響 在提取溫度70 ℃、乙醇濃度2 h、料液比1∶25條件下,研究提取時間(1、2、3、4、5 h)對皂苷得率的影響。

1.2.3.4 提取溫度對皂苷得率的影響 在乙醇濃度75%、提取時間4 h、料液比1∶25條件下,研究提取溫度(40、50、60、70、80 ℃)對皂苷得率的影響。

1.2.4 AB-8樹脂柱層析純化大豆皂苷條件的確定

1.2.4.1 AB-8樹脂對大豆皂苷吸附曲線和解吸曲線的繪制 取經預處理[16]的濕樹脂2.0 g于具塞的磨口錐形瓶中,加入皂苷濃度為2 mg/mL的皂苷提取液20 mL,在25 ℃進行吸附,每15 min振蕩一次,吸附24 h,前3 h每隔30 min取樣一次,后面每1 h取樣一次,測定其中的皂苷含量,繪制吸附動力曲線[17-20],并計算吸附率。

樹脂吸附率(%)=(C0-C1)/C0×100

式(3)

將吸附飽和的樹脂用95%乙醇溶液浸泡24 h,每1 h取樣一次,測定皂苷含量,繪制解吸曲線,并計算解吸率。

樹脂解吸率(%)=C2/(C0-C1)×100

式(4)

式中,C0為吸附提取液中皂苷的濃度,mg/mL;C1為吸附后皂苷的濃度,mg/mL;C2為解吸液中皂苷的濃度,mg/mL。

1.2.4.2 AB-8樹脂柱層析吸附大豆皂苷溫度的確定 取2.0 g濕樹脂于具塞三角瓶中,加入4 mg/mL的皂苷提取液20 mL,在25、35、45 ℃分別靜態吸附,作吸附等溫線。24 h樹脂完全達到吸附平衡,根據下式計算出吸附量(mg/g濕樹脂)。以平衡濃度為橫坐標,繪制吸附等溫線。

Q=V0(C0-C1)/m

式(5)

式中,Q為吸附量,mg/g濕樹脂;V0為樣液體積,mL;C0為初始皂苷溶液濃度,mg/mL;C1為皂苷溶液的平衡濃度,mg/mL;m為濕樹脂的質量,g。

1.2.4.3 AB-8樹脂柱層析大豆皂苷上樣量的確定 在25 ℃,以1 BV/h的流速對8 mg/mL皂苷提取液上AB-8層析柱,將樣液連續注入層析柱,每5 mL為一個接取單位,測定流出液中皂苷濃度的變化,繪制動態吸附泄露曲線來考察其吸附特性,確定大豆皂苷的上樣量。

1.2.4.4 乙醇梯度洗脫純化大豆皂苷 乙醇為洗脫劑[21],濃度梯度為0、20%、40%、60%、80%、99%。以1 BV/h的流速,柱溫25 ℃的條件下對樹脂柱進行洗脫,按照濃度由低至高的順序,0%和20%每10 mL為一管收集洗脫液,其余濃度每15 mL為一管收集洗脫液,用阿拉伯字母順序標記收集試管號,測定洗脫液中大豆皂苷的含量。根據相似相溶原理,首先,樣液中強極性的無機鹽、糖和雜質在樹脂上的吸附能力弱,易溶解在強極性的水和低濃度乙醇中(以Molish反應為陰性標志糖洗脫完全)。根據所得結果篩選皂苷濃度高的洗脫液,合并后得到的濾液用旋轉蒸發儀于55 ℃減壓脫溶,得大豆皂苷純品。

1.2.5 大豆皂苷的抗氧化能力測定

1.2.5.1 大豆皂苷對羥自由基抑制能力的測定 將純化后的皂苷稀釋為0.5、1.0和1.5 mg/mL的不同濃度,按照羥自由基測定試劑盒說明書測定樣品的羥自由基抑制能力。

抑制羥自由基能力(U/mg)=(對照OD值-測定OD值)/(標準OD值-空白OD值)×標準品濃度(8.824 mmol/L)÷[待測樣品皂苷濃度(mg/mL)×取樣量(0.2 mL)]

式(6)

1.2.5.2 大豆皂苷抗超氧陰離子自由基能力測定 將純化后的皂苷稀釋為2.0、3.0和4.0 mg/mL的不同濃度,按抗超氧陰離子自由基試劑盒說明書測定樣品的抗超氧陰離子自由基能力。

抗超氧陰離子活力單位(U/g)=(對照OD值-測定OD值)/(對照OD值-標準OD值)×標準品濃度(0.15 mg/mL)×1000÷待測樣品皂苷濃度(g/L)

式(7)

1.2.5.3 大豆皂苷總抗氧化能力(ABTS快速法)的測定 將純化后的皂苷稀釋為0.5、1.0和1.5 mg/mL的不同濃度,按照試劑盒方法配制應用液,按說明書添加各試劑,室溫反應6 min,波長414 nm,測定各管吸光度值,并繪制標準品Trolox的標準曲線,經作圖得:y=0.5513x+0.0611,(R2=0.9984)。

1.2.6 統計分析 每組實驗均進行三次平行和重復實驗,實驗數據采用SPSS 17.0分析軟件、Origin7.5繪圖軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 大豆皂苷的提取條件優化

2.1.1 乙醇濃度對皂苷得率的影響 由圖1可知,隨著乙醇濃度的升高,大豆皂苷的得率逐漸增加,當乙醇濃度達到75%時,得率為(133.93±3.12) mg/g,再增加乙醇的濃度,大豆皂苷的得率無顯著性變化(p>0.05),原因是隨著乙醇濃度的進一步升高,使一些非皂苷成分的醇溶性物質溶出增加[22],而影響了大豆皂苷的得率。因此,確定乙醇濃度75%為提取效果適宜濃度。

圖1 乙醇濃度對大豆皂苷得率的影響Fig.1 Effect of ethanol concentration on the yield of soybean saponins注:不同字母表示有顯著性差異(p<0.05)。圖2～圖4同。

2.1.2 料液比對皂苷得率的影響 由圖2中可以看出,隨著料液比的增加,大豆皂苷的得率逐漸增加,這主要由于料液比增加,增加了皂苷的溶出,當料液比為1∶25時,達到最高,為(152.79±5.86) mg/g,再增加料液比,大豆皂苷的得率無顯著性變化(p>0.05),是由于溶劑的量增加,增加了其他物質的溶出[23],料液比過高會造成資源的浪費以及為后序工作帶來不便。綜合考慮料液比對大豆皂苷得率的影響,選擇1∶25作為適宜提取料液比。

圖2 料液比對大豆皂苷得率的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the yield of soybean saponins

2.1.3 提取時間對皂苷得率的影響 由圖3可以看出,隨著提取時間的增加,大豆皂苷的得率呈現先上升后下降的趨勢,這是由于在一定時間內,提取時間增加,可以增加大豆皂苷與溶劑的接觸,增加了大豆皂苷的得率,在提取時間為4 h時,大豆皂苷的得率為(143.04±2.44) mg/g。而隨著時間增加,大豆皂苷的得率出現微小的下降,這是在高溫下,大豆皂苷在溶劑中發生部分的分解,降低了大豆皂苷的得率[10]。因此選定適宜提取時間為4 h。

圖3 提取時間對大豆皂苷得率的影響Fig.3 Effect of extraction time on the yield of saponins

2.1.4 提取溫度對大豆皂苷得率的影響 由圖4可以看出,隨著提取溫度的升高,大豆皂苷的得率增加,70 ℃時,大豆皂苷的得率為(167.81±6.19) mg/g,這是由于溫度的提升可以加快大豆皂苷的溶解擴散速度,同時增加其在溶劑中的溶解度。但超過70 ℃以后,其得率無顯著性變化(p>0.05),是由于溫度的增加,一些大分子物質溶出,造成提取液的顏色變深,一些活性成分被破壞。從保持大豆皂苷的活性和減少能耗考慮,70 ℃的回流溫度比較理想。

圖4 提取溫度對大豆皂苷得率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on the yield of saponins

綜上所述,提取大豆皂苷的最佳條件為提取時間4 h,提取溫度70 ℃,乙醇濃度75%,料液比1∶25,在此條件下大豆皂苷的得率最大,為(167.81±6.19) mg/g,大豆皂苷的純度為42.57%±2.34%。

2.2 AB-8樹脂柱層析大豆皂苷的條件確定及乙醇的梯度洗脫

2.2.1 AB-8樹脂對大豆皂苷的吸附曲線和解吸曲線 由圖5和圖6可以看出,11 h為AB-8樹脂對皂苷的吸附飽和點,經計算得吸附率為68.50%;9 h為95%乙醇對大豆皂苷的解吸終點,經計算的解吸率為49.99%。

圖5 AB-8樹脂對皂苷的吸附曲線Fig.5 Adsorption curve of AB-8 resin for saponins

圖6 AB-8樹脂對皂苷的解吸曲線Fig.6 Desorption curve of AB-8 resin for saponins

圖7 AB-8樹脂對大豆皂苷的吸附等溫線Fig.7 The adsorption isotherms of resin AB-8 to saponins

2.2.2 AB-8樹脂對大豆皂苷的吸附等溫線 由圖7可以看出,在25～45 ℃溫度范圍內,柱層析溫度越低,AB-8樹脂對大豆皂苷的吸附量越大,因為吸附是放熱過程,所以溫度升高不利于樹脂的吸附,因此選用25 ℃為柱層析溫度是適合的。

2.2.3 AB-8樹脂柱層析大豆皂苷的上樣量 由圖8可知,AB-8樹脂對皂苷的吸附過程在5～25 mL范圍內,流出液中大豆皂苷的濃度緩慢升高,25 mL以后陡然上升,而后65 mL時AB-8樹脂完全吸附飽和,說明AB-8樹脂柱層析飽和點,因此,該樹脂柱合適的上樣量為20～25 mL。

圖8 AB-8層析柱吸附穿透曲線Fig.8 The breakthrough curve of resin AB-8 dynamic state adsorption

2.2.4 乙醇梯度洗脫大豆皂苷 蒸餾水洗脫過程中,皂苷的濃度先增加后降低,

表1 不同濃度的大豆皂苷抑制羥自由基能力的測定結果Table 1 Determination of hydroxyl radical inhibition by different concentration of soybean saponins

注:不同字母表示有顯著性差異(p<0.05),表2、表3同。

表2 不同濃度的大豆皂苷抗超氧陰離子自由基能力的測定結果Table 2 Determination of superoxide anion free radical inhibition by different concentration of soybean saponins

表3 不同濃度的大豆皂苷總抗氧化能力的測定結果Table 3 Determination of total antioxidant inhibition by different concentration of soybean saponins

洗脫至10號管，皂苷不再流失,Molish反應為陰性,說明此時水溶性糖類洗脫完全。從圖9可以看出,水中大豆皂苷的溶解度很低,水洗脫的主要作用是除去皂苷提取液中的非皂苷成分,如可溶性蛋白質、糖類、類胡蘿卜素等色素物質。

圖9 乙醇溶液柱層析洗脫結果Fig.9 The results of column chromatography by ethanol eluting注：1～10為蒸餾水洗脫即乙醇濃度為0%，11～20為20%乙醇洗脫，21～30為40%乙醇洗脫，31～40為60%乙醇洗脫，41～50為80%乙醇洗脫，51～60為99%乙醇洗脫。

20%乙醇溶液洗脫過程中,皂苷濃度呈現先上升后下降的趨勢,最大的皂苷濃度為0.29 mg/mL,洗至20號管時皂苷不再流失,Molish反應為陰性。

40%乙醇溶液洗脫過程中,皂苷濃度呈現出先增加后降低的趨勢,總體濃度相對較小,說明此時洗脫出的物質是非皂苷成分,如異黃酮、類胡蘿卜素等,洗至30號管時,皂苷不再流失,Molish反應為陰性,說明此時樣液中的糖類洗脫完全。

60%乙醇溶液洗脫過程中,32～35號管中皂苷濃度相對較高,隨后逐漸下降,洗至40號管時,皂苷不再流失,從36號管Molish反應開始為陰性,說明原料液中的醇溶性糖類已洗脫完全,34號管的皂苷濃度為0.98 mg/mL。

80%乙醇溶液洗脫過程中,洗脫液中皂苷的濃度比較集中,皂苷濃度呈現先增加后逐漸降低的趨勢,洗至50號管時,皂苷濃度陡然下降,說明此濃度的洗脫效果比較明顯,42號、43號和44號管的皂苷濃度分別為0.85、0.87、0.82 mg/mL。

99%乙醇溶液洗脫過程中,52號管的皂苷濃度陡然增加,隨后逐漸降低,洗至60號管時洗脫完全,在此濃度下,洗脫液中大豆皂苷的濃度達到最大,52號管、53號管和54號管的皂苷濃度分別為1.26、1.15、0.89 mg/mL。

合并34、42、43、44、52、53和54號的皂苷收集溶液,減壓濃縮后真空干燥[24],經測定得到純度為73.21%±1.05%的大豆皂苷純品。

2.3 大豆皂苷的抗氧化性質測定

不同濃度的大豆皂苷抑制羥自由基能力、抗超氧陰離子自由基的能力、總抗氧化能力的測定結果分別見表1、表2、表3。

由表1、表2、表3可看出,皂苷濃度在0.5～1.5 mg/mL內,其羥自由基抑制能力和總抗氧化能力隨濃度的增加而提高,最高為(47.25±0.34) U/mg和(0.82±0.04) mmol/g;在2.0～4.0 mg/mL內,其抗超氧陰離子自由基能力隨濃度增加而提高,最高為(28.93±1.07) U/g,且不同濃度之間的抗氧化能力差異顯著[25-27](p<0.05)。

3 結論

通過單因素和正交實驗優化了乙醇-水提取大豆皂苷的條件為乙醇濃度75%、料液比1∶25、提取溫度70 ℃、提取時間4 h,在此條件下,大豆皂苷的得率達到最高,為(167.81±6.19) mg/g,此時皂苷的純度為42.57%±2.34%。

AB-8樹脂對皂苷的吸附率和解吸率分別為68.50%和49.99%,柱層析溫度為25 ℃;皂苷提取液經AB-8樹脂吸附和0～99%乙醇的梯度洗脫后,皂苷純度提高到73.21%±1.05%。

皂苷濃度在0.5～1.5 mg/mL內,其羥自由基抑制能力和總抗氧化能力隨濃度的增加而提高,最高為(47.25±0.34) U/mg和(0.82±0.04) mmol/g;在2.0～4.0 mg/mL內,其抗超氧陰離子自由基能力隨濃度增加而提高,最高為(28.93±1.07) U/g。

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Purification and the antioxidant properties of saponins in soy molasses

NI Chun-lei,XU Li,ZHANG Gao-peng,CHENG Jian-jun*,GAO Liang

(College of Food Science,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Aiming to purify saponins from soybean molasses,single-factor experiments was carried out to optimize the extraction. The adsorption properties of AB-8 resin on saponins was studied,and the gradient elution was used to purify the saponins. The antioxidant properties of saponins were studied by the hydroxyl radical inhibition ability,superoxide radical scavenging capacity,and total antioxidant capacity. The optimized condition determined was that ethanol concentration of 75%,ratio of ethanol/water to raw material 25∶1,at 70 ℃ for 4 h,and the actual yield of saponins was(167.81±6.19) mg/g. Meanwhile,the purity of saponins was 42.57%±2.34%. The adsorption rate and desorption rate of AB-8 resin on saponins were 68.50% and 49.99%,respectively. The temperature was 25 ℃ of column chromatography. Moreover,the purity of saponins reached to 73.21% by AB-8 resin column chromatography and 0～99% ethanol gradient elution. Among the saponins concentration of 0.5～1.5 mg/mL,the hydroxyl radical inhibition ability and total antioxidant capacity increased with the increasing concentration,the maximum was(47.25±0.34) U/mg and(0.82±0.04) mmol/g,respectively. Among 2.0～4.0 mg/mL,the superoxide radical scavenging capacity increased with the increase of concentration,the maximum was(28.93±1.07) U/g. The study is valuable to the comprehensive utilization of soybean molasses and the purification of saponins.

soybean molasses;ethanol extraction;soybean saponins;column chromatography;antioxidant properties

2017-02-14

倪春蕾(1992-)，女，碩士研究生，研究方向:糧食、油脂及植物蛋白工程，E-mail:xiaoxiao0225lei@163.com。

*通訊作者:程建軍(1969-)，男，博士，教授，研究方向:糧食、油脂及植物蛋白工程，E-mail:cheng577@163.com。

國家科技支撐計劃課題(大豆產業鏈共性關鍵技術創新與示范2014BAD22B01)。

TS201.2

B

1002-0306(2017)13-0153-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.13.028