沙棗多糖結(jié)構(gòu)的初步研究

劉曉慶,劉會平,趙 范,張晨萍,王 宇,徐嬌嬌

(天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院,天津 300457)

沙棗多糖結(jié)構(gòu)的初步研究

劉曉慶,劉會平*,趙 范,張晨萍,王 宇,徐嬌嬌

(天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院,天津 300457)

采用熱水浸提法從沙棗中提取沙棗多糖,經(jīng)Sevage法除蛋白,乙醇沉淀,離心、流水透析、DEAE-cellulose52和Sephadex G-100純化、濃縮、凍干后得沙棗多糖(EAP-1a),并利用苯酚-硫酸法、紫外、紅外、氣相色譜、剛果紅實驗、核磁共振技術(shù)及原子力顯微鏡進行多糖組分、含量、結(jié)構(gòu)的分析研究。結(jié)果表明:沙棗多糖主要由阿拉伯糖、木糖、葡萄糖及半乳糖組成,還含有少量的鼠李糖和甘露糖,其摩爾比為0.029∶0.74∶0.51∶0.039∶1.0∶5.19。高效液相色譜計算多糖數(shù)均分子量約61421u;紅外光譜及核磁共振圖譜表明沙棗多糖具有α-吡喃葡萄糖環(huán),具有糖類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征;AFM觀測結(jié)果表明EAP-1a呈長鏈狀形態(tài),可纏繞形成棒狀納米聚集體且具有三股螺旋結(jié)構(gòu)。

沙棗,多糖,純化,結(jié)構(gòu)

沙棗(ElaeagnusangustifoliaL.),又名桂香柳、七里香等,是胡頹子科胡頹子屬植物,生長于半干旱、干旱、半荒漠、荒漠地區(qū)。沙棗果實具有多種藥物用途及營養(yǎng)價值。許多藥理實驗表明,沙棗果實浸出物的濃縮液具有抗炎鎮(zhèn)痛、抗腫瘤、抗腹瀉、抗氧化、降血脂等功能[1]。目前,對于沙棗多糖(ElaeagnusangustifoliaL. polysaccharides,簡稱EAP)的研究,國內(nèi)主要集中在其提取工藝條件的優(yōu)化,對其結(jié)構(gòu)的研究較少,而國外未見有關(guān)沙棗多糖的報道。本文在對沙棗多糖純化的基礎(chǔ)上,分析了其基本理化性質(zhì),并對純化的沙棗多糖的結(jié)構(gòu)進行了初步分析,為系統(tǒng)研究沙棗多糖的結(jié)構(gòu)以及構(gòu)效關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

沙棗 購自新疆喀什薇客多特產(chǎn)專賣店;DEAE-cellulose 52 Sloarbio;Sephadex G-100 Solarbio;其他試劑 均為國產(chǎn)分析純。

紅外光譜儀 德國BRUKER公司;氣相色譜儀 日本島津公司;DRX-400核磁共振儀 瑞士Bruker公司;原子力顯微鏡 日本JEOL;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上海 亞榮生化儀器廠;紫外可見分光光度計 津制。

1.2 沙棗多糖的提取

采用水提醇沉法提取多糖[2]。

沙棗的預(yù)處理:取曬干后的沙棗,用清水去除表面污物,低溫烘干,去核、粉碎,過60目篩,制成沙棗粉。

定量稱取干燥后的沙棗粉,放入燒杯中,按1∶35(w/v)的比例加入蒸餾水,于80℃水浴磁力攪拌2h,取出冷卻至室溫,4000r/min離心10min,收集上清液。取下層濾渣再按比例1∶35(w/v)加入蒸餾水,水浴磁力攪拌重復(fù)提取兩次,合并三次提取的上清液,用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至約1/3體積。濃縮后的多糖提取液用80%的無水乙醇進行醇析,置4℃冰箱中過夜;4000r/min,離心10min,棄掉上清液,冷凍干燥,得到沙棗粗多糖。

1.3 沙棗多糖粗品純化

1.3.1 多糖脫蛋白處理 采用Sevage法除蛋白[3],多糖提取液按體積比4∶1加入氯仿-正丁醇(體積比4∶1)混合液,劇烈震蕩30min,4000r/min,離心20min,待其分層后棄掉下層的Sevage溶液和中間的蛋白質(zhì)層,上層多糖溶液繼續(xù)加入Sevage試劑重復(fù)上述步驟5～6次,直至不再出現(xiàn)蛋白層為止,濃縮后收集多糖溶液,冷凍干燥得EAP。

1.3.2 EAE-52離子交換柱分級純化 將規(guī)格為1.2cm×50cm色譜層析柱中裝入DEAE-52纖維素,用蒸餾水平衡過夜。粗多糖用蒸餾水溶解,上樣(濃度為5mg/mL,上樣量25mg),分別用蒸餾水及0～0.5mol/L NaCl經(jīng)行線性梯度洗脫,4.0mL/管分部收集,洗脫速度為1mL/min,逐管使用苯酚-硫酸法及紫外280nm下檢測多糖含量和蛋白質(zhì)含量。收集合并含糖主峰,蒸餾水透析至無Cl-檢出,冷凍干燥備用。

1.3.3 多糖的Sephadex G-100純化 將Sephadex G-100裝入2.6cm×50cm色譜層析柱中,用蒸餾水平衡后準(zhǔn)備上樣。經(jīng)上步分離得到的EAP-1多糖用蒸餾水溶解,上樣(濃度為5mg/mL,上樣量25mg),用蒸餾水洗脫,4.0mL/管分部收集,洗脫速度為0.8mL/min,最終依次逐管檢測。然后分別收集合并單一峰組分,蒸餾水透析,冷凍干燥。

1.4 糖含量的測定

采用苯酚-硫酸法[4]測定沙棗粗多糖的總糖含量。其原理為:多糖在硫酸的作用下先水解成單糖,并迅速脫水生成糖衍生物,然后與苯酚生成橙黃色化合物,再以比色法測定。

1.5 蛋白質(zhì)含量的測定

采用考馬斯亮藍法測定[5]其吸光值,利用牛血清蛋白標(biāo)準(zhǔn)曲線法計算蛋白含量。

1.6 沙棗多糖純度鑒定及相對分子質(zhì)量的測定

采用高效液相色譜法(HPLC)測定。將多糖樣品配成1mg/mL的多糖溶液,過0.22μm濾膜后,將濾液注入高效液相色譜儀進行檢測。通過峰型分布情況來判斷樣品的純度,由標(biāo)準(zhǔn)葡聚糖的分子量對數(shù)值與保留時間求得標(biāo)準(zhǔn)分子量曲線,再由標(biāo)準(zhǔn)曲線計算得多糖相對分子質(zhì)量。

1.7 沙棗多糖單糖組成分析

采用糖腈衍生化方法對標(biāo)準(zhǔn)單糖及沙棗多糖進行衍生化后進行氣相色譜分析。

氣相色譜條件:色譜柱:毛細管柱DB-17(30m×0.32mm×0.5m);檢測器:氫火焰離子化檢測器(FID);載氣:N2;流速:1mL/min;進樣口溫度:280℃;柱溫:190℃;檢測器溫度:280℃。

1.8 紫外光譜分析

取多糖樣品少許溶解在少量的蒸餾水中,分別配制成1mg/mL的多糖溶液,用紫外可見分光光度儀自動掃描,波長范圍為190～400nm,測其在260nm及280nm 波長處有無蛋白及核酸的吸收峰,檢測多糖是否與核酸、蛋白質(zhì)等雜質(zhì)已完全分離。

1.9 紅外光譜分析

采用溴化鉀(KBr)壓片法。

精確稱取樣品1mg,干燥的KBr 150mg,混合,研磨均勻,用5×107～10×107Pa壓力在壓油機上壓成透明薄片,以空白KBr片為參比,利用傅立葉變換紅外光譜儀進行掃描,測定樣品的紅外吸收光圖譜。掃描范圍:400～4000cm-1,分辨率:4cm-1,掃描次數(shù):16。

1.10 剛果紅實驗

分別取1mg多糖溶于2mL水中,取200μL糖溶液,加入100μL 24.4μmol/L的剛果紅溶液,同時配制2mol/L的NaOH溶液,加入NaOH,使其濃度變化范圍在0～0.5mol/L之間,濃度梯度為0.05mol/L,不足部分以蒸餾水補齊,使之混合后總體積為400μL,充分混合后靜置30min,然后在紫外可見全波長掃描儀上測定最大吸收波長λmax,波長掃描范圍為700～400nm,不加多糖樣品,作為對照。

1.11 核磁共振分析

稱取多糖樣品30mg,溶于0.5mL重水,充分溶解后裝入核磁管中,由DRX-400核磁共振儀進行檢測。

1.12 原子力顯微鏡

將干燥的多糖樣品配制成1×10-3mg/mL的溶液,滴于干燥、清潔的適度大小的云母片上,在室溫下自然晾干或置于干燥器內(nèi)1.5h以上,然后即可在原子力顯微鏡下觀察。若出現(xiàn)粘針現(xiàn)象,則需要稀釋樣品溶液,重新掃描。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙棗多糖的提取

經(jīng)脫脂等預(yù)處理的沙棗粉經(jīng)熱水浸提、濃縮、醇沉、離心得沙棗粗多糖,其得率為5.9%。

2.2 沙棗多糖的純化

2.2.1 DEAE-52離子交換柱分級純化結(jié)果 從粗多糖EAP經(jīng)DEAE-52纖維素柱分離可得到三個組分,如圖1所示,依次命名為EAP-1、EAP-2和EAP-3。其中EAP-1為以蒸餾水作為流動相的洗脫產(chǎn)物,說明EAP-1不帶電荷;而EAP-2、EAP-3分別為以0.05、0.1mol/L NaCl為流動相的洗脫產(chǎn)物,說明兩者帶有負電荷。三種物質(zhì)帶電量差異明顯,可以明顯區(qū)分。蛋白質(zhì)跟蹤檢測結(jié)果表明,EAP-1、EAP-2、EAP-3組分不含蛋白質(zhì),或者含量極少無法檢出。

圖1 EAP 的DEAE-52離子交換柱洗脫曲線Fig.1 The elution curve of EAP on DEAE-52

2.2.2 Sephadex G-100凝膠柱層析純化結(jié)果 經(jīng)過離子交換柱色譜分離得到的組分具有相近的電荷性質(zhì),而凝膠柱層析能夠依據(jù)多糖組分相對分子質(zhì)量的不同將相近理化性質(zhì)(如溶解度、帶電性質(zhì))的組分很容易分離開來,這種方法已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在許多生物活性物質(zhì)的分離純化的過程中。因此,利用Sephadex G-100凝膠柱對經(jīng)離子柱純化后收集的糖含量較高的EAP-1進行進一步的分離純化。由圖2可以看出,經(jīng)凝膠柱分離,EAP-1含有三個峰,收集組分的大峰,冷凍干燥,得率為1.03%,命名為EAP-1a。

圖2 Sephadex G-100葡聚糖凝膠純化洗脫曲線Fig.2 Elution profiles of EAP-1 on Sephadex G-100

2.3 糖含量及蛋白質(zhì)的測定

EAP-1a的糖含量和蛋白質(zhì)含量分別采用苯酚-硫酸法和考馬斯亮藍法測定。由圖3葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)曲線所得標(biāo)準(zhǔn)方程為Y=6.1319x-0.0003(R2=0.9993),由圖4蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線所得標(biāo)準(zhǔn)方程為Y=0.0078x+0.0765(R2=0.9998),經(jīng)計算得到多糖的糖含量和蛋白質(zhì)含量分別為79.25%和0.54%。

圖3 多糖含量標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 The standard curve of total sugar

圖4 蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.4 The standard curve of protein

2.4 多糖純度的鑒定及分子量的測定

由圖5可知,經(jīng)過DEAE-52和Sephadex G-100葡聚糖凝膠純化后,主信號變成較為對稱的峰,多糖含量為98.1%,中小分子多糖幾乎被洗掉,說明EAP-1a為分子量較為均一的多糖。根據(jù)高效液相色譜圖中各信號的出峰時間和多糖分子量標(biāo)準(zhǔn)曲線,計算得出多糖組分所對應(yīng)的分子量的大致范圍。各組分出峰時間分別為5.941、10.008、12.692min,計算得主信號峰的數(shù)均分子量為61421u。

圖5 EAP-1a的液相圖譜Fig.5 HPLC of EAP-1a

表1 EAP-1a的分子量分布表
Table 1 The molecular weight distribution of EAP-1a

保留時間(min)數(shù)均分子量(Mn,u)重均分子量(Mw,u)Mw/Mn峰面積比(%)5.94173487296214170315631.928270.846210.008614211379272.2455898.121412.6921221461.197091.0324

2.5 單糖組成分析

本實驗采用三氟乙酸酯衍生化法進行GC測定,各種標(biāo)準(zhǔn)單糖的出峰順序依次為鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖,以及內(nèi)標(biāo)肌醇。標(biāo)準(zhǔn)單糖組成的氣相色譜檢測結(jié)果見圖6及表2。經(jīng)過葡聚糖凝膠柱純化的沙棗多糖主要由阿拉伯糖、木糖、葡萄糖及半乳糖組成,還含有少量的鼠李糖和甘露糖,其摩爾比為0.029∶0.74∶0.51∶0.039∶1.0∶5.19。EAP-1a單糖組成的氣相色譜檢測結(jié)果見圖7及表3。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)單糖氣相色譜圖Fig.6 GC chromatogram of complex monosaccharide derivative注:1.核糖；2.鼠李糖；3.阿拉伯糖；4.木糖；5.甘露糖；6.葡萄糖；7.半乳糖，圖7同。

表2 標(biāo)準(zhǔn)單糖氣相色譜檢測結(jié)果
Table 2 GC chromatogram results of standard monosaccharide

單糖組成出峰時間(min)摩爾比核糖+鼠李糖6.7140.28阿拉伯糖7.3141.76木糖8.1171.07甘露糖18.0141.64×10-3葡萄糖19.3221.0半乳糖21.0370.93

圖7 EAP-1a氣相色譜圖Fig.7 GC chromatogram of EAP-1

表3 EAP-1a氣相色譜檢測結(jié)果
Table 3 GC chromatogram results of EAP-1a

單糖組成出峰時間(min)摩爾比核糖+鼠李糖6.7440.029阿拉伯糖7.0840.74木糖7.7420.51甘露糖17.4210.039葡萄糖18.3781.0半乳糖19.9265.19

2.6 紫外光譜分析

由圖8可知,EAP-1a在260nm和280nm處無吸收峰,說明不含有核酸和蛋白質(zhì),或者含量極少無法檢出。而在190～200nm(多糖特征吸收峰)處都有單一的吸收峰。說明EAP-1a具有多糖特征。

2.7 沙棗多糖紅外光譜分析

圖9展示了EAP-1a的紅外光譜圖,3369cm-1為-OH吸收峰,2944～2924cm-1為不對稱C-H伸縮振動,相對較弱,1402cm-1處為C-H變角振動,此三處一般為糖類物質(zhì)的特征吸收峰;此外,1622～1592cm-1處為C=O非對稱伸縮振動峰;1257cm-1處為-COOH中O-H變角振動峰,說明可能含有-COOH基團;1079cm-1處為O-H變角振動峰;913～881cm-1處為末段脫氧糖-CH2振動峰;896cm-1處為β-型的C-H鍵的吸收峰;839cm-1處是α-型吡喃糖C-H鍵變角振動的特征吸收峰,表明有α-型糖苷鍵。

圖8 EAP-1a紫外光譜分析Fig.8 UV spectrum of EAP-1a

圖9 EAP-1a紅外光譜分析Fig.9 IR spectra of EAP-1a

2.8 剛果紅實驗

由圖10可知,在Na0H濃度較低時,沙棗多糖與剛果紅形成復(fù)合物的最大吸收波長會隨著NaOH濃度的升高而向長波長方向增加,當(dāng)NaOH濃度超過0.4mol/L時,溶液的最大吸收波長值基本保持不變。可以推測出,在堿濃度較低時,最大吸收波長發(fā)生紅移,剛果紅復(fù)合物發(fā)生了單股螺旋結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,進而可以推斷EAP-1a可能以三股螺旋結(jié)構(gòu)存在于水溶液中。

圖10 多糖剛果紅復(fù)合物的最大吸收波長變化Fig.10 Maximum absorption wavelength of Congo-red compound

2.9 核磁共振分析

2.9.11HNMR分析1HNMR通過測定糖環(huán)上1位質(zhì)子的化學(xué)位移和偶合常數(shù)來進一步確定多糖結(jié)構(gòu)中糖苷鍵的構(gòu)型。糖環(huán)碳上大部分質(zhì)子的化學(xué)位移由于受羥基的屏蔽作用而位于3～4ppm范圍內(nèi),且信號重疊嚴(yán)重,導(dǎo)致解析困難。但異頭氫質(zhì)子的化學(xué)位移處于較低場,大多數(shù)堆集在4.5～5.5ppm的狹小范圍內(nèi),一般情況下,此區(qū)域內(nèi)有幾個質(zhì)子信號,表示有幾種單糖種類。在1H-NMR光譜中,α-型吡喃糖的H-1質(zhì)子化學(xué)位移大于4.95ppm,而β-型吡喃糖的H-1質(zhì)子化學(xué)位移則小于4.95ppm,以此可判斷多糖的糖苷鍵構(gòu)型[6]。

圖11展示了EAP-1a的1HNMR光譜圖,從圖中可以看出,EAP-1a的H-1質(zhì)子的δ值在大于δ5.0有位移,說明EAP-1具有α-糖苷鍵構(gòu)型。在4.6ppm附近有小峰,說明EAP-1a也存在β-糖苷鍵;δ<3.5ppm有系列小峰,說明該糖中可能有烷基或蛋白質(zhì)中支鏈氨基酸殘基的存在。

圖11 EAP-1a的1HNMR圖譜Fig.11 1HNMR spectra of EAP-1a

2.9.213C-NMR分析13C-NMR的化學(xué)位移范圍比1H-NMR的要廣,可達300ppm,分辨率也較好,而且許多文獻中有單糖、寡糖和多糖的碳譜數(shù)據(jù)[7],可用于確定各種碳的化學(xué)位移。同1H-NMR一樣,糖的異頭碳處于較低場,在δ95～110ppm,且此范圍內(nèi)有幾個信號,則表示多糖含有幾種單糖組分。另外,同一種單糖在多糖中的位置不同,可能會導(dǎo)致異頭碳具有不同的化學(xué)位移,而且一般比較接近,幾乎重疊[8]。在13C-NMR光譜中,對于吡喃糖來說,若化學(xué)位移值小于103ppm,則為α型,而大于103ppm則為β型[9];對于呋喃糖來說,異頭碳信號比吡喃型多糖來說低,一般順式-1,2構(gòu)型在103.5ppm,而反式-1,2構(gòu)型在109ppm[10]。

圖12展示了EAP-1a的13C-NMR圖譜。在異頭碳區(qū)域發(fā)現(xiàn)的信號,化學(xué)位移均小于103ppm,由此可以確定該多糖中的糖殘基呈α異頭構(gòu)型。在δ95～110ppm范圍內(nèi)有四個主要的信號峰,表明主要含有四種單糖組分。糖苷鍵主要以α-糖苷鍵為主,β-糖苷鍵少量存在,與1H-NMR譜得出的結(jié)論一致。

圖12 EAP-1a的13C-NMR圖譜Fig.12 13C-NMR spectra of EAP-1a

由EAP-1a的1H-NMR和13C-NMR光譜圖可得出結(jié)論:沙棗多糖為α-吡喃型構(gòu)型,進一步驗證了紅外光譜和單糖組成的分析結(jié)論。

2.10 原子力顯微鏡分析

圖13為原子力顯微鏡對濃度為1μg/mL的EAP-1a多糖溶液進行表征的結(jié)果。圖13a和圖13b可知,EAP-1a在云母片表面形成了棒狀的聚集體,而且大小較為均一,但有少許大聚集體的出現(xiàn),這是由于云母片表面帶電荷,與多糖形成的分子間的排斥作用難以聚集成大的聚合體[11]。由圖13(c)可知,多糖高度為7.14～9.57nm,長度為2.49μm,一個多糖的高度為0.3nm,因此EAP-1a的高度是單鏈分子的數(shù)倍,推測可能是由于多條分子鏈纏繞所致,分子大小遠大于單鏈分子的估算值,這可能是由于掃描過程中的增寬效應(yīng)引起的。

圖13 EAP-1a的原子力顯微鏡掃描圖Fig.13 Pictures of EAP-1 aon AFM注:a:平面圖;b:3D圖;c:線形圖。

3 結(jié)論

本文主要采用了化學(xué)和儀器的方法對純化后的沙棗多糖結(jié)構(gòu)進行了初步研究。結(jié)果表明,EAP-1a主要由阿拉伯糖、木糖、葡萄糖及半乳糖組成,還含有少量的鼠李糖和甘露糖組成,α-吡喃糖苷鍵為主,β-吡喃糖苷鍵少量存在。首次應(yīng)用核磁共振技術(shù)考察沙棗多糖的結(jié)構(gòu),信息量較少,1H-NMR和13C-NMR光譜圖進一步驗證了紅外光譜和氣象色譜的分析結(jié)論?？臻g結(jié)構(gòu)上EAP-1a在水溶液中可能具有三股螺旋結(jié)構(gòu)。顯微形貌觀察到EAP-1a呈長鏈狀形態(tài),可纏繞形成棒狀納米聚集體。目前對沙棗多糖一級結(jié)構(gòu)、高級結(jié)構(gòu)和生物活性的研究報道甚少,這將對進一步研究沙棗多糖的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及生物活性與構(gòu)效關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

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Purification and preliminary analysis ofElaeagnusangustifoliaL. polysaccharide-1a

LIU Xiao-qing,LIU Hui-ping*,ZHAO Fan,ZHANG Chen-ping,WANG Yu,XU Jiao-jiao

(College of Food Engineering and Biotechnology,Tinajing Univisity of Science and Technology,Tianjing 300457,China)

Polysaccharide ofElaeagnusangustifoliaL.(EAP)was extracted by hot water. And EAP-1a was made by investiguted deproteinization with sevage method,ethanol precipitation,centrifugation,diasylis,DEAE-cellouse 52 and Sephadex G-100,concentration and lyophilization. Meanwhile,the composition,content and structure of EAP-1a was investigated through phenol-sulfuric acid method,UV,IR,gas chromatography(GC),Congo-red test,NMR and AFM. The results showed that,EAP-1a was mainly composed of rhamnose,arabinose,xylose,mannose,glucose and galactose with a molar ratio of 0.029∶0.74∶0.51∶0.039∶1.0∶5.19. The molecular weight of EAP-1a was 61421u;IR spectra and NMR showed EAP-1a had α-glucose which was structural characteristic of the polysaccharide. AFM showed EAP-1a had long chain,which could be winded rod-shaped nano aggregation and no triple helix conformation.

ElaeagnusangustifoliaL;polysaccharide;purification;stucture

2014-09-16

劉曉慶(1990-),女,碩士,研究方向:糧食油脂及植物蛋白工程。

*通訊作者:劉會平(1965-),男,博士,教授,研究方向:乳品科學(xué)、功能性蛋白肽及植物多糖。

TS255.1

A

1002-0306(2015)13-0138-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.13.020