戴圣佳,劉振鋒,2,*,呂衛(wèi)金,張浚偉,陳士國(guó),葉興乾(.浙江宇翔生物科技有限公司,浙江杭州 0024;2.浙江藍(lán)色海洋生物科技有限公司,浙江舟山6000;.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院,浙江杭州0058)
超聲輔助提取海帶褐藻多糖硫酸酯的工藝研究
戴圣佳1,劉振鋒1,2,*,呂衛(wèi)金1,張浚偉1,陳士國(guó)3,葉興乾3
(1.浙江宇翔生物科技有限公司,浙江杭州 310024;2.浙江藍(lán)色海洋生物科技有限公司,浙江舟山316000;3.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院,浙江杭州310058)
摘要:通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)海帶褐藻多糖硫酸酯的超聲輔助提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。確定最佳工藝條件為超聲功率250W、超聲時(shí)間25min、料液比1∶70(g/mL)、溫度60℃,多糖提取率達(dá)5.58%,粗多糖中巖藻糖含量20.93%,硫酸酯基含量26.87%,均高于熱水法提取的多糖。熱水提取方法和超聲輔助提取方法所得的多糖均不含蛋白質(zhì)和核酸,超聲輔助提取的多糖色素更少。
關(guān)鍵詞:海帶;褐藻多糖硫酸酯;超聲;正交試驗(yàn)
褐藻多糖硫酸酯又名褐藻糖膠、巖藻聚糖硫酸酯、巖藻聚糖等,是一類(lèi)含有相當(dāng)數(shù)量巖藻糖和硫酸基的水溶性雜聚糖。它是由高度支鏈化的α-L-巖藻糖-4-硫酸酯形成的聚合物,還伴有半乳糖、甘露糖、糖醛酸、木糖、氨基己糖等,組成和結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,且在不同褐藻中種類(lèi)及含量差異很大[1]。近年來(lái),研究發(fā)現(xiàn)褐藻多糖硫酸酯具有多種生理活性,包括抗凝血、抗氧化、保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞、調(diào)節(jié)免疫、降血糖和血脂、保護(hù)腎臟、抗腫瘤及抗病毒等[2-5]。
目前,國(guó)內(nèi)外提取海藻多糖主要采用稀堿、稀酸與熱水抽提的方法。這些方法工藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本低,但是也存在著提取率較低、活性損失大、過(guò)濾純化困難等缺點(diǎn),大大限制了海藻多糖大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。近年來(lái),微波輔助提取、超聲輔助提取與酶解輔助提取等新提取技術(shù)的發(fā)展[6-8],使得對(duì)海藻多糖的深入研究成為可能。
本試驗(yàn)主要研究了超聲輔助提取技術(shù)對(duì)海帶褐藻多糖硫酸酯提取率的影響,通過(guò)正交設(shè)計(jì)法優(yōu)化提取工藝以獲得相關(guān)參數(shù),并對(duì)多糖的部分理化性質(zhì)進(jìn)行了研究,以期為深度開(kāi)發(fā)海帶資源提供技術(shù)參考。
1.1材料與試劑
海帶:購(gòu)于杭州世紀(jì)聯(lián)華超市。將海帶洗凈曬干粉碎后過(guò)60目篩,獲得海帶干粉,置干燥器中以備后續(xù)處理。
L-巖藻糖(Sigma);葡萄糖、濃硫酸、苯酚、明膠、氯化鋇、硫酸鉀、三氯乙酸、無(wú)水乙醇、L-半胱氨酸鹽酸鹽、95%乙醇、濃鹽酸等均為分析純。
1.2儀器與設(shè)備
JY88-II超聲波細(xì)胞粉碎機(jī):寧波新芝科器研究所;HH2型數(shù)顯恒溫水浴鍋:國(guó)華電器有限公司;RE-52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:上海嘉鵬科技有限公司;紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)UV-2550:日本SHIMADZU公司;FD1.0-60型冷凍干燥機(jī):丹麥Heto公司;臺(tái)式冷凍高速離心機(jī):美國(guó)Thermo Scientific公司。
1.3方法
1.3.1樣品制備
參考劉旭等[9]的方法并稍作修改。取海帶干粉4g,在不同條件下超聲輔助提取,離心后取上清液抽濾,濾液濃縮,加95%乙醇至其體積分?jǐn)?shù)為30%,靜置1 h,離心去除褐藻膠,上清液加入95%乙醇至其體積分?jǐn)?shù)為70%,離心收集沉淀并用無(wú)水乙醇、丙酮洗滌,冷凍干燥即得褐藻多糖硫酸酯粗品。
1.3.2多糖含量的測(cè)定
多糖含量的測(cè)定采用苯酚-硫酸法[10]。以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)單糖制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。在490 nm處測(cè)定吸光度,以糖質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),光密度值為縱坐標(biāo),得到回歸方程為Y=0.043 3X+0.006,R2=0.996 2。多糖提取率按下式計(jì)算。
式中:X為在Y吸光度下根據(jù)回歸方程計(jì)算所得的值;ρ為校正系數(shù),以葡萄糖作標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn),ρ=0.9。
1.3.3巖藻糖含量的測(cè)定
巖藻糖含量的測(cè)定采用半胱氨酸鹽酸鹽法[11]。以L(fǎng)-巖藻糖為標(biāo)準(zhǔn)糖繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn),得到回歸方程為Y=0.001 8X+0.001 6,R2=0.997 2,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)方程計(jì)算其巖藻糖含量。
1.3.4硫酸酯基含量的測(cè)定
硫酸酯基含量的測(cè)定采用明膠-氯化鋇法[10]。以標(biāo)準(zhǔn)的硫酸酯基溶液做標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn),得到的回歸方程為Y=12.769X+0.031 4(R2=0.992 7),其中以硫酸酯基質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo)。
樣品含量測(cè)定:取一定量樣品,加1mol/LHCl配成1.5mg/mL的溶液,在100℃水浴鍋中水解2 h,取出冷卻至室溫,取0.6m L按標(biāo)準(zhǔn)品方法測(cè)其吸光度,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)方程計(jì)算其硫酸酯基含量。
1.3.5單因素試驗(yàn)
以超聲功率、料液比、時(shí)間和溫度為4個(gè)單因素,按表1進(jìn)行試驗(yàn)。
表1 褐藻多糖硫酸酯提取的單因素試驗(yàn)Table 1 Single factor test for theextraction of fucoidan
1.3.6正交試驗(yàn)
整合單因素試驗(yàn)的結(jié)果,用正交試驗(yàn)進(jìn)行條件優(yōu)化。以多糖提取率、粗多糖中巖藻糖含量、硫酸酯基含量為指標(biāo),采用L9(34)正交試驗(yàn)對(duì)海帶干粉多糖進(jìn)行超聲輔助提取試驗(yàn)。
1.3.7蛋白質(zhì)與核酸的檢驗(yàn)
取多糖樣品溶液在紫外分光光度計(jì)上掃描200nm~400 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收曲線(xiàn)。觀(guān)察多糖樣品的吸收曲線(xiàn)在280 nm和260 nm波長(zhǎng)條件下有無(wú)吸收峰,確定樣品中是否含有蛋白質(zhì)或核酸。
1.3.8超聲波輔助提取法與熱水提取法[12]的比較
取一定量的海帶干粉,按1.3.6節(jié)優(yōu)化后的提取條件和熱水法分別提取,所得粗多糖按1.3.2節(jié)、1.3.3節(jié)和1.3.4節(jié)的方法,分別測(cè)定多糖含量、巖藻糖含量和硫酸酯基含量,并對(duì)各種指標(biāo)進(jìn)行比較。
1.3.9數(shù)據(jù)處理
采用Origin 8.0制圖,采用SPSS 18.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、顯著性檢驗(yàn),顯著性水平設(shè)置為P<0.05,圖中不同字母(a、b、c)表示不同水平間存在顯著差異。
2.1超聲輔助提取多糖的單因素試驗(yàn)
2.1.1料液比對(duì)多糖提取率的影響
料液比對(duì)多糖提取率的影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。
圖1 料液比對(duì)多糖提取率的影響Fig.1 Effect of solid/liquid ratio on theextraction of fucoidan
從圖1可以看出,超聲輔助提取多糖的提取率隨著料液比增加而不斷提高,從最初料液比為1∶30(g/mL)時(shí)的4.84%上升到最后料液比為1∶80(g/mL)時(shí)的5.20%。這可能是由于超聲波能有效地將細(xì)胞壁破碎,溶出有效成分,然而同時(shí)也溶出了大量的黏性液質(zhì),不利于傳質(zhì)擴(kuò)散[13],而增大料液比,提高溶劑的比例,可以有效地降低提取液的黏度,從而有利于多糖的提取。但在實(shí)際操作過(guò)程中,溶液體積過(guò)大不利于后續(xù)的濃縮和醇沉實(shí)驗(yàn),同時(shí)也會(huì)增加生產(chǎn)成本,因此根據(jù)試驗(yàn)條件選取合適的料液比,設(shè)定正交表中料液比的3個(gè)水平為1∶60、1∶70、1∶80(g/mL)。
2.1.2超聲功率對(duì)多糖提取率的影響
超聲功率對(duì)多糖提取率的影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 超聲功率對(duì)多糖提取率的影響Fig.2 Effectof ultrasonic power on the extraction of fucoidan
從圖2可以看出,超聲功率對(duì)多糖提取率有顯著的影響。超聲輔助提取技術(shù)利用超聲波具有的強(qiáng)烈震動(dòng)、強(qiáng)烈空化效應(yīng)以及高速攪拌作用,使植物細(xì)胞內(nèi)的有效物質(zhì)快速進(jìn)入溶劑[14],而超聲功率決定了超聲波與介質(zhì)相互作用的程度,從而影響有效成分的提取率。結(jié)果所示,多糖提取率從超聲功率為100W時(shí)的4.24%迅速增加,并在超聲功率為250W時(shí)達(dá)到最大的5.16%,提高21.7%,之后呈下降趨勢(shì)。這可能是由于超聲作用進(jìn)一步增強(qiáng),使提取液流動(dòng)加速,從而物料停留在超聲場(chǎng)中的時(shí)間減少,破壁作用減弱,多糖溶出速率減緩;另一個(gè)原因可能是超聲功率過(guò)大會(huì)引起部分多糖的降解。故根據(jù)試驗(yàn)條件,設(shè)定正交表中超聲功率的3個(gè)水平為200、250、300W。
2.1.3超聲時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響
超聲時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 超聲時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic tim eon theextraction of fucoidan
從圖3可以看出,多糖提取率和超聲時(shí)間之間緊密相關(guān)。超聲5min時(shí),提取率為4.31%,之后隨著超聲時(shí)間延長(zhǎng)而顯著上升,在超聲25min時(shí)達(dá)到最大為5.04%,提高16.94%,隨后有所下降。由于褐藻多糖硫酸酯主要存在于細(xì)胞間和細(xì)胞壁中,超聲能在短時(shí)間內(nèi)破碎細(xì)胞,使其釋放出來(lái)。當(dāng)超聲處理時(shí)間太短時(shí),還不足以破碎細(xì)胞釋放多糖;而時(shí)間太長(zhǎng),超聲波的機(jī)械剪切作用會(huì)使多糖降解,破壞多糖結(jié)構(gòu)[15],同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)大量不溶物及黏液質(zhì)等溶出,從而增大了傳質(zhì)阻力,影響了有效成分的提取。故根據(jù)試驗(yàn)條件,設(shè)定正交表中超聲時(shí)間的3個(gè)水平為20、25、30min。2.1.4溫度對(duì)多糖提取率的影響
溫度對(duì)多糖提取率的影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖4 溫度對(duì)多糖提取率的影響Fig.4 Effectof tem peratureon the extraction of fucoidan
溫度是影響多糖提取率的重要因素之一,溫度過(guò)低,不利于有效成分的溶出;溫度過(guò)高則可能會(huì)使多糖發(fā)生降解或者失去活性。溫度對(duì)多糖提取率的影響變化趨勢(shì)如圖4所示。從圖中可以看出,多糖提取率隨著溫度的上升而不斷提高。當(dāng)溫度為20℃~50℃時(shí),多糖提取率上升速度較快,從4.61%提高至5.16%,之后在溫度為50℃~70℃時(shí),多糖提取率保持緩慢增加。為保證較高的多糖提取率,同時(shí)避免因溫度過(guò)高而引起多糖失活或發(fā)生降解,設(shè)定正交表中提取溫度的3個(gè)水平為50、60、70℃。
2.2超聲輔助提取多糖的正交試驗(yàn)
在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選定超聲功率、超聲時(shí)間、料液比、溫度4因素進(jìn)行正交試驗(yàn),因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。褐藻多糖硫酸酯的化學(xué)組成以L(fǎng)-巖藻糖和硫酸酯基為主,且其生物活性與硫酸酯基的含量呈正相關(guān)[13],因此,選擇以多糖提取率、巖藻糖含量和硫酸酯基含量作為優(yōu)化指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
表2 正交試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)Table2 Factorsand levelsin orthogonalarray design
表3 超聲輔助提取褐藻多糖硫酸酯正交試驗(yàn)結(jié)果Table3 O r thogonalarray designmatrix and cor responding results
由表3極差分析結(jié)果可以看出,以多糖提取率為指標(biāo)的因素影響程度依次為:A、B、D、C,即超聲功率>超聲時(shí)間>溫度>料液比,最佳組合為:A2B2C3D2;以粗多糖中巖藻糖含量為指標(biāo)的因素影響程度依次為:A>B>C>D,即超聲功率>超聲時(shí)間>料液比>溫度,最佳組合為:A2B1C2D3;以硫酸酯基含量為指標(biāo)的因素影響程度依次為:A>D>C>B,即超聲功率>溫度>料液比>超聲時(shí)間,最佳組合為:A2B2C2D2。
3個(gè)指標(biāo)單獨(dú)分析出來(lái)的最佳組合條件并不一致,所以需要根據(jù)因素對(duì)3個(gè)指標(biāo)的影響程度綜合考慮,確定最優(yōu)工藝條件。超聲功率對(duì)3個(gè)指標(biāo)的影響都是第一位,且都是A2,因此超聲功率就選擇250W;超聲時(shí)間對(duì)指標(biāo)的影響有兩個(gè)第二位,所以考慮B1和B2,但取B2可以獲得更高的多糖提取率和硫酸酯基含量,所以超聲時(shí)間選擇25min;料液比對(duì)指標(biāo)的影響有兩個(gè)第三位,且都是C2,故料液比選擇1∶70(g/mL);溫度對(duì)硫酸酯基含量的影響排第二位,對(duì)多糖提取率的影響排第三位,并且都是取D2較好,所以溫度選擇60℃。經(jīng)過(guò)綜合分析可知,本試驗(yàn)的最優(yōu)條件為A2B2C2D2,即超聲功率250W、超聲時(shí)間25min、料液比1∶70(g/mL)、溫度60℃。
2.3超聲輔助提取法與熱水提取法的比較
根據(jù)正交試驗(yàn)所得的超聲輔助提取最優(yōu)工藝條件與熱水法提取褐藻多糖硫酸酯的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 超聲輔助提取法和熱水提取法的比較Table 4 Com parison between thism ethod and hotwater extractionmethod
由表4可知,超聲輔助法的多糖提取率為5.58%,與劉群等[16]測(cè)得的結(jié)果(5.641%)非常接近,與高溫長(zhǎng)時(shí)間的熱水提取相當(dāng),而明顯優(yōu)于相同時(shí)間下熱水法的多糖提取率。超聲輔助提取的巖藻糖含量為20.93%,與尤瑜敏等[17]測(cè)得的結(jié)果(19.56%)相近,而硫酸酯基含量為26.87%,高于王健等[18]測(cè)得的21.49%,但低于劉旭等[19]測(cè)得的37.14%。但是,兩者均顯著高于熱水法提取,尤其是高溫長(zhǎng)時(shí)間提取獲得的粗多糖中硫酸酯基含量最低,這可能是由于較高的溫度會(huì)在一定程度上破壞多糖分子結(jié)構(gòu),降低其硫酸酯基含量。
結(jié)果表明,超聲輔助提取工藝所需時(shí)間短、溫度較低,能夠增加多糖提取率并保持其生物活性,另外,兩種方法提取的多糖均不含蛋白質(zhì)或核酸。超聲輔助提取獲得的多糖產(chǎn)品顏色也較淺,說(shuō)明超聲輔助提取法能有效減少色素的析出,有利于簡(jiǎn)化除色素等預(yù)處理步驟??梢钥闯?,超聲波輔助提取法是一種良好的多糖提取新工藝。
通過(guò)單因素試驗(yàn),初步考察了超聲輔助提取海帶褐藻多糖硫酸酯工藝中超聲功率、超聲時(shí)間、料液比、溫度對(duì)多糖提取率的影響,確定了正交試驗(yàn)方案并進(jìn)行條件優(yōu)化。經(jīng)極差分析,多重比較,得出海帶褐藻多糖硫酸酯的最佳提取條件為:超聲功率250W、超聲時(shí)間25min、料液比1∶70(g/mL)、溫度60℃。在此工藝條件下獲得多糖樣品,多糖提取率為5.58%,粗多糖中巖藻糖含量為20.93%,硫酸酯基含量為26.87%,均顯著高于熱水法提取。超聲輔助提取工藝能夠增加多糖提取率并保持其生物活性,還能減少色素、蛋白質(zhì)等其他物質(zhì)的溶出,有利于后續(xù)的分離純化過(guò)程,為海帶的高價(jià)值化應(yīng)用提供了理論參考。
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DOI:10.3969/j.issn.1005-6521.2015.22.007
收稿日期:2014-04-22
基金項(xiàng)目:杭州市“雛鷹計(jì)劃”(20131131k132);杭州市科研攻關(guān)專(zhuān)項(xiàng)(20140432B72);國(guó)家自然科學(xué)基金(31301417)
作者簡(jiǎn)介:戴圣佳(1984—),男(漢),本科,研究方向:海洋生物資源開(kāi)發(fā)與利用。
*通信作者:劉振鋒(1980—),男(漢),高級(jí)工程師,博士,研究方向:海洋生物資源開(kāi)發(fā)與利用。
Ultrasonic-assisted Extraction of Fucoidan from Laminaria japonica
DAISheng-jia1,LIU Zhen-feng1,2,*,LüWei-jin1,ZHANG Jun-wei1,CHENShi-guo3,YEXing-qian3
(1.Zhejiang Yuxiang Biotech Co.Ltd.,Hangzhou 310024,Zhejiang,China;2.Zhejiang Bluemarine Biotech Co.Ltd.,Zhoushan 316000,Zhejiang,China;3.Schoolof BiosystemsEngineeringand Food Science,ZhejiangUniversity,Hangzhou 310058,Zhejiang,China)
Abstract:One-factor-at-a-time and orthogonalarraymethodswere used to investigate the optimalultrasonicassisted extraction processof fucoidan from Laminaria japonica in thiswork.The optimum extraction conditions wereultrasonic treatmentpowerof250W,ultrasonic treatmenttimeof25min,material/liquid ratioof1∶70(g/mL)and extraction temperature of60℃.Under thisoptimum condition the extraction rate,the contentsof fucose and sulfate group were 5.58%,20.93%and 26.87%,respectively,higher than obtained by hotwater extraction. Neither protein nornucleic acid was found in fucoidan obtained using hotwaterextraction or ultrosonic-assisted extraction method,and less pigment was found in fucoidan obtained using ultrosonic-assisted extraction method.
Keywords:Laminaria japonica;fucoidan;ultrasonic;orthogonalarray design