山藥粘液質多糖的酶法脫蛋白工藝及其性能研究

寧 奇， 孫培冬*， 曹光群， 張 晨， 鄔鳳娟

（1．江南大學 化學與材料工程學院，江蘇 無錫 214122；2．無限極（中國）有限公司，廣東 江門 529156）

山藥具有很高的藥用價值和食用價值，現代藥理研究表明山藥具有多種生物活性，山藥的開發利用具有巨大潛力[1-10]。

粗提的植物多糖中蛋白質為主要雜質，蛋白質的存在不僅會導致多糖純度的下降，而且會干擾多糖性能的測定。酶法脫蛋白質優于Sevage法、三氯乙酸（TCA）法等常用脫蛋白質方法，其反應條件溫和，同時具有較高的蛋白質脫除率和多糖保留率。作者以單因素試驗為基礎，以蛋白脫除率和多糖保留率為響應值，采用響應面法優化山藥粘液質多糖的脫蛋白質工藝條件，并對純化后的山藥粘液質多糖的抗氧化活性和保濕性進行測定。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山藥：市售；牛血清白蛋白、木瓜蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶、胰蛋白酶：均為生物試劑。

1.2 主要儀器設備

TU-1900雙光束紫外-可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司產品；LyoQuest-85冷凍干燥機：西班牙泰事達公司產品。

1.3 實驗方法

1.3.1 山藥粘液質多糖的提取將新鮮山藥洗凈去皮后切片，稱重，加入組織搗碎機中，按0.5 mL/g的比例加入去離子水，粉碎10 min，得山藥勻漿；將山藥勻漿稱重后用高速離心機離心，速度為8 000 r/min，時間為40 min；離心后取上層清液，得山藥粘液質原液。

取適量山藥粘液質原液于燒杯中，向燒杯中加入4倍體積的無水乙醇，邊緩慢加入、邊攪拌，將攪勻后的混合溶液置于4℃的冰箱中，沉降過夜，離心取下層沉淀，沉淀用無水乙醇洗兩次，丙酮洗1次，將洗后的沉淀放入真空干燥箱中于45℃干燥4 h，得山藥粘液質粗多糖。

1.3.2 脫蛋白質工藝評價方法采用考馬斯亮藍法測定蛋白質質量濃度，以牛血清蛋白的質量濃度c（mg/mL）為橫坐標，595 nm處所測得的吸光度為縱坐標，得到牛血清蛋白標準曲線方程；采用苯酚-濃硫酸法測定樣品中多糖質量濃度，以葡萄糖的質量濃度c（mg/mL）為橫坐標，490 nm處所測得的吸光度為縱坐標，得到葡萄糖標準曲線方程[11]。

評價脫蛋白質方法的兩個主要指標為蛋白質脫除率和多糖保留率，其計算方法如公式（1）和（2）所示；綜合評分的計算方法如公式（3）所示。

式中：W1為蛋白質脫除率（%），m1為脫蛋白質后多糖質量，m2為脫蛋白前多糖質量。

式中，W2為多糖保留率（%），m3為脫蛋白質后多糖質量，m4為脫蛋白前多糖質量。

式中：A為綜合評分，W1，max為蛋白脫除率中最大值，W2，max為多糖保留率中最大值。

1.3.3 酶解條件單因素實驗比較4種蛋白酶脫蛋白效果，確定較優蛋白酶；在該蛋白酶的最適溫度下分別考察pH、酶底質量比、時間和液料體積質量比對蛋白脫除率和多糖保留率的綜合影響，以此來確定響應面試驗的因素水平。

1.3.4 響應面優化試驗設計在單因素試驗的基礎上，選取對蛋白脫除率和多糖保留率的綜合評價結果影響差異性最顯著的3個因素為變量，以綜合評分為響應值，按試驗設計進一步進行響應面優化分析[11-12]；固定其余酶解的條件。

采用Design-Expert系統Box-Behnken試驗設計3因素3水平的響應面試驗，建立綜合評分與各因素關系的數學模型，并通過對模型的分析來獲得較優的酶解工藝條件。

1.3.5 抗氧化活性的測定參考文獻[13-15]測定山藥粘液質多糖對DPPH自由基、OH自由基和過氧化氫的清除效果，分析山藥粘液質的抗氧化活性[16]。

1.3.6 保濕性研究

1）吸濕率 準確稱取山藥粘液質和透明質酸鈉各0.100 g，每種樣品需做3份平行，將樣品放入相對濕度為43%的密閉容器內吸濕，放入后開始計時，每6 h稱重1次，分別計算各個時間下的吸濕率。使用同樣的方法測定相對濕度為81%的環境下的吸濕率與時間的關系。

式中：W3為吸濕率（%），D0為吸濕前樣品的質量；D1為吸濕后樣品的質量。

2）保濕率 分別配制質量分數為1%的山藥粘液質多糖和透明質酸鈉溶液；準確稱取配制好的溶液各0.300 g，每種樣品需做3份平行，將樣品放入相對濕度為43%的密閉容器內保濕，放入后開始計時，每6 h稱重1次，分別計算各個時間下的吸濕率；使用同樣的方法測定相對濕度為81%的環境下的保濕率與時間的關系。

式中：W4為保濕率（%），H0為保濕劑中水分初始質量；H1為保濕劑中水分最終質量。

2 結果與分析

2.1 標準曲線

牛血清白蛋白標準品在實驗質量濃度范圍內呈線性相關，如圖1（a）所示，其標準曲線方程為：y=5.255x+0.067 3（R2=0.999 8）；葡萄糖標準品在實驗濃度下呈線性相關，如圖1（b）所示，其標準曲線方程為：y=11.38x+0.063 8（R2=0.999 5）。

2.2 蛋白酶種類篩選

分別在4種不同蛋白酶的最佳酶解條件下進行酶解反應，如圖2所示，胰蛋白酶是這4種蛋白酶中的最優蛋白酶。

圖1 蛋白質和葡萄糖的標準曲線Fig.1 Standard curve of protein and glucose

2.3 酶解條件的單因素實驗

如圖3所示，蛋白質脫除率和多糖保留率均隨酶底質量比的增大而增加，酶底質量比為30%時效果最佳；pH、時間和液料體積質量比對蛋白質脫除率和多糖保留率的綜合影響較為顯著。因此固定酶底質量比為30%，選定pH、時間和液料體積質量比為變量，按試驗設計進一步進行響應面優化分析。變量 pH（A）、時間（B）和液料體積質量比（C）的因素水平見表1。

圖2 酶法脫蛋白質結果Fig.2 Deproteinization effect by enzyme method

2.4 響應面法優化酶解條件

2.4.1 響應面優化的試驗結果響應面試驗設計與結果見表2。

采用Design Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行多項擬合回歸，得到二次多項回歸模型方程，綜合評價用Y表示，則回歸模型的方程式為：

2.4.2 交互作用對綜合評分的影響圖4～6為pH、時間和液料質量體積比之間的交互影響的等高圖和響應面。

2.4.3 響應面回歸模型的方差分析為了檢驗回歸方程的有效性，進一步確定各因素對山藥粘液質多糖酶解脫蛋白質的影響，對回歸模型進行了方差分析，結果見表3，由表可知，模型的F=132.88，模型顯著；P（＜0.000 1）＜0.01，差異極顯著；失擬項的P=0.012 2，顯著；決定系數R2=0.9867，說明響應值的變化有98%以上來源于所選因素，模型擬合度好，回歸方程能很好的描述各因素與響應值之間的關系，該試驗方法可靠。

在以上的回歸模型中，一次項的有A、C，二次項、A2、B2和C2的P值均小于 0.01，說明 pH、液料比以及3個因素的二次項都具有顯著影響。二次項AC、BC的P值小于0.01，說明pH與液料體積質量比的相互影響、時間與液料體積質量比的相互影響都極為顯著。B的P值小于0.05，大于0.01，說明時間的影響顯著。AB的P值大于0.05，說明pH與時間的相互影響較小。一次項中各因素對山藥粘液質酶解影響顯著性大小順序是：pH＞液料體積質量比＞時間。通過響應面優化得出最佳酶解條件為pH=8.0，時間2.0 h，液料體積質量比80 mL/g，酶底質量比30%，溫度37℃；該條件下的蛋白質脫除率為83.4%，多糖保留率為92.7%。

圖3 pH、酶底質量比、時間和液料體積質量比對蛋白質脫除率和多糖保留率的影響Fig.3 Effects of pH，E/S ratio，time and liquid-to-solid ratio on protein removal rate and the polysaccharide retention time

表1 因素水平表Table 1 Factor level table

表2 響應面試驗設計與結果Table 2 Response surface experimental design and the result

圖4 pH和時間對綜合評分交互作用的等高圖和響應面圖Fig.4 Contour plots and response surface showing the effect of pH and time on the comprehensive score

圖5 pH和液料體積質量比對綜合評分交互作用的等高圖和響應面圖Fig.5 Contour plots and response surface showing the effect of pH and liquid-to-solid ratio on the comprehensive score

圖6 時間和液料體積質量比對綜合評分交互作用的等高圖和響應面圖Fig.6 Contour plots and response surface showing the effect of time and liquid-to-solid ratio on the comprehensive score

2.5 抗氧化活性的測定

由圖7可知，山藥粘液質多糖對DPPH自由基清除能力較強，其IC50值為1.10 mg/mL，當質量濃度達到2.5 mg/mL時，清除率達到80.9%；山藥粘液質多糖清除過氧化氫的能力較強，其IC50值為0.24 mg/mL，當質量濃度達到1.0 mg/mL時，清除率達到87.0%；山藥粘液質多糖清除OH自由基的能力較弱，當其質量濃度達到8.0 mg/mL時，其OH自由基的清除率曲線逐漸趨于平緩，此時的OH自由基清除率只有32.5%。

2.6 保濕性研究

2.6.1 吸濕率如圖8（a）所示，當相對濕度為43%，開始時透明質酸鈉的吸濕率略高于山藥粘液質多糖，當時間大于48 h，山藥粘液質多糖的吸濕率略高于透明質酸鈉；如圖8（b）所示，當相對濕度為81%時，山藥粘液質多糖的吸濕率略高于透明質酸鈉的吸濕率。

表3 響應面設計回歸方程的方差分析Table 3 ANOVA analysis of the fitted quadratic polynomial model

圖7 山藥粘液質多糖DPPH自由基、OH自由基和H2O2清除能力Fig.7 DPPH radical、OH radicalandH2O2radical scavenging capacities of yam mucilage polysaccharide

圖8 相對濕度為43%和81%時吸濕率與時間的關系Fig.8 Moisture absorption rate with time at 43%and81%relative humidity

2.6.2 保濕率當相對濕度為43%時，山藥粘液質多糖和透明質酸鈉的保濕率相近；當相對濕度為81%時，山藥粘液質多糖的保濕率略高于透明質酸鈉。

3 結 語

響應面法優化山藥粘液質多糖脫蛋白工藝結果表明，最佳脫蛋白工藝為pH 8.0，時間2.0 h，液料體積質量比80 mL/g，酶底質量比30%，溫度37℃；該條件下的蛋白質脫除率為83.4%，多糖保留率為92.7%。研究表明，山藥粘液質多糖具有抗氧化活性，其對DPPH自由基和過氧化氫的清除率均可達到80%以上，對OH自由基的清除能力較弱。當相對濕度為43%時，透明質酸鈉和山藥粘液質多糖的吸濕率和保濕率接近，當相對濕度為81%時，山藥粘液質多糖的吸濕率和保濕率均略高于透明質酸鈉，山藥粘液質多糖的綜合保濕性能略優于透明質酸鈉。因此，將山藥粘液質多糖應用于化妝品中，可以得到比透明質酸鈉保濕性更好的產品。