李翹楚,張 璐,王紅艷,王增利,丁 強(qiáng),王鴻磊,
(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院,山東煙臺 264670;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083)
裂褶菌(Schizophyllum communeFr.)又名雞毛菌、白花、白參,屬于裂褶菌科、裂褶菌屬[1],其質(zhì)地柔嫩,味道鮮美,是一種非常珍貴的可食用真菌,具有滋補(bǔ)強(qiáng)身的作用[2]。
裂褶菌多糖(SPG)也稱裂褶菌素,是裂褶菌生物活性物質(zhì)中最重要的成分之一,具有抗腫瘤性[3]、抗疲勞[4]、調(diào)節(jié)免疫功能[5-6]等功能,在食品、生物與醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣泛。SPG來源于子實(shí)體、菌絲體或發(fā)酵液,分胞內(nèi)多糖與胞外多糖[7-8],具有獨(dú)特的β-(1,6)分支的β-(1,3)-D葡聚糖結(jié)構(gòu)[9],分子量從4萬到10萬不等。研究表明分子量和多糖的三維結(jié)構(gòu)對其生物學(xué)活性具有重要影響。分子量大于100000的裂褶菌多糖活性較高,在水溶液中具備三股螺旋結(jié)構(gòu);而分子量小于50000的不具備三股螺旋結(jié)構(gòu)的,沒有抗腫瘤活性[10]。國內(nèi)對裂褶菌的研究起步較晚,且主要集中在裂褶菌營養(yǎng)生理和人工栽培上,裂褶菌多糖的研究與國外存在一起差距[11]。
食用菌多糖提取主要有熱水浸提法、堿浸提法、酶法、超聲波法、微波法等[12],熱水浸提法使用最為廣泛,但存在耗時(shí)久、得率不高等問題[13]。超聲波法是利用超聲波的機(jī)械破碎和空化作用使細(xì)胞壁破裂,從而加速內(nèi)容物向溶劑擴(kuò)散的一種技術(shù)[14]。與傳統(tǒng)方法相比較,超聲提取法具有操作簡單、提取率高,對設(shè)備要求較低,提取耗時(shí)短等特點(diǎn),在真菌多糖的工業(yè)生產(chǎn)中有較大應(yīng)用潛力[15]。
本文通過超聲輔助熱水提取法從裂褶菌菌絲體中提取胞內(nèi)多糖,并優(yōu)化其提取工藝,對胞內(nèi)多糖進(jìn)行分離純化,并探究純化后多糖組分的體外抗氧化性和抑菌性,以期為裂褶菌多糖相關(guān)的保健品和食品的研發(fā)提供參考。
裂褶菌 由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院食用菌實(shí)驗(yàn)室選育、分離,于4 ℃保藏;AB-8大孔樹脂、DEAE-52離子交換基質(zhì) 萊特新材料科技公司;Sephadex G-100葡聚糖凝膠、Tris-HCl、葡聚糖T-series標(biāo)品、抗壞血酸 西格瑪上海貿(mào)易公司;水楊酸、鄰苯三酚博奧拓達(dá)科技公司;DPPH 源葉生物科技有限公司;馬鈴薯葡萄糖瓊脂(PDA)、馬鈴薯葡萄糖肉湯(PDB) 杭州微生物試劑有限公司。
KQ-500DE超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;CR21GⅢ高速離心機(jī) Hitachi Koki公司;BS200S精密電子天平 德國Sartorius公司;Agilent 1206高效液相色譜儀 Agilent 科技設(shè)備公司;TU-1810PU紫外分光光度計(jì) 北京普析通用儀器廠;Paragon 1000PC紅外光譜儀 Perkin-Elmer股份有限公司。
1.2.1 裂褶菌胞內(nèi)多糖提取工藝優(yōu)化
1.2.1.1 裂褶菌胞內(nèi)多糖提取工藝 將裂褶菌接種到PDA平板上,25 ℃培養(yǎng)3~5 d。打取4個(gè)菌絲塊,接種到PDB培養(yǎng)基中,25 ℃、160 r/min培養(yǎng)5 d。發(fā)酵液6000 r/min離心10 min,收集沉淀。用蒸餾水洗滌三次,放置50 ℃烘箱中烘干至恒重,得裂褶菌菌絲體。將裂褶菌菌絲體粉碎,過40目篩。取適量裂褶菌粉末加入一定比例的水溶解,超聲處理,處理完畢后將其放置于90 ℃恒溫水浴鍋中浸提2 h。6000 r/min離心10 min,取上清液,利用AB-8大孔樹脂[16-17]除蛋白質(zhì)和色素,減壓濃縮至原體積的1/3,4 ℃醇沉過夜[18],冷凍干燥,得裂褶菌胞內(nèi)多糖。計(jì)算裂褶菌胞內(nèi)粗多糖得率。
多糖得率計(jì)算公式如下:
式中:Z—裂褶菌多糖的得率,%;Y—烘干所得裂褶菌多糖的質(zhì)量,g;Y0—裂褶菌菌絲體粉末的質(zhì)量,g。
1.2.1.2 單因素實(shí)驗(yàn) 裂褶菌粉末10 g,超聲時(shí)間20 min,超聲功率180 W,設(shè)置水料比為15:1、20:1、25:1、30:1、35:1,考察料水比對胞內(nèi)粗多糖得率的影響。
裂褶菌粉末10 g,水料比25:1,超聲功率180 W,設(shè)置超聲時(shí)間為15、20、25、30、35 min,考察超聲時(shí)間對胞內(nèi)粗多糖得率的影響。
裂褶菌粉末10 g,水料比25:1,超聲時(shí)間30 min,設(shè)置超聲功率為60、120、180、240、300 W,考察超聲功率對胞內(nèi)粗多糖得率的影響。
1.2.1.3 響應(yīng)面法優(yōu)化裂褶菌胞內(nèi)多糖提取工藝根據(jù)Box-Behnken的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[19]和單因素實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的結(jié)果,采用Design Expert設(shè)計(jì)響應(yīng)面優(yōu)化因素水平表(見表1),實(shí)驗(yàn)三因素分別用A、B、C表示,每個(gè)因素的三水平由低到高分別用-1、0、1表示。
表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)Table 1 Factors and levels of response surface experiment
1.2.2 裂褶菌胞內(nèi)多糖的分離純化
1.2.2.1 裂褶菌胞內(nèi)多糖DEAE-52離子交換柱層析準(zhǔn)確稱取樣品30.0 mg,溶于 8 mL 0.02 mol/L pH=7.4的Tris-HCl緩沖液中,用0.45 μm的濾膜過濾。之后上樣,先用 100 mL 0.02 mol/L的Tris-HCl緩沖液洗脫,依次用濃度0、0.3、0.6、0.9 mol/L NaCl的緩沖液洗脫,洗脫速度2 mL/min,4 mL/管收集。用苯酚-硫酸法[20]測定樣品中的糖含量,以洗脫管數(shù)為橫坐標(biāo),490 nm處吸光度值為縱坐標(biāo),繪制洗脫曲線,根據(jù)洗脫曲線收集洗脫峰,冷凍干燥后保存。
1.2.2.2 裂褶菌胞內(nèi)多糖Sephadex G-100葡聚糖凝膠柱層析 將10 mg經(jīng)過離子交換柱層析的多糖樣品溶于4 mL去離子水中,用0.45 μm濾膜過濾后上樣,然后用200 mL去離子水洗脫,流速為1 mL/min,每管收集3 mL,用苯酚-硫酸法每管檢測,繪制洗脫曲線,收集洗脫峰,冷凍干燥后保存。
1.2.2.3 裂褶菌胞內(nèi)多糖純度鑒定及分子量測定根據(jù)高效體積排阻色譜法(HPSEC-RID)[21],對洗脫出的裂褶菌胞內(nèi)多糖組分進(jìn)行純度檢驗(yàn)與分子量測定。檢測條件如下:高效液相色譜儀Agilent 1206;色譜柱:AgiLent GPC Columns PL MIXED-M(8 μm、300 mm×7.5 mm);檢測器:示差折光檢測器;流動相:去離子水;工作參數(shù):柱溫30 ℃、進(jìn)樣量20 μL,流速1.0 mL/min。
用不同分子量的葡聚糖作為標(biāo)準(zhǔn)品,以保留時(shí)間為橫坐標(biāo),與其對應(yīng)分子量的對數(shù)lg(Mw)為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線;追蹤裂褶菌胞內(nèi)多糖在色譜柱中的保留時(shí)間,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算其分子量。標(biāo)準(zhǔn)曲線為:lg(Mw)=-1.2577x+12.61(n=7,R2=0.9971)。
1.2.2.4 裂褶菌胞內(nèi)多糖紫外光譜掃描 將分離純化并且干燥好的裂褶菌胞內(nèi)多糖配制成1.0 mg/mL的溶液,以超純水為空白對照,在190~400 nm處進(jìn)行紫外光譜全波長掃描,觀察掃描圖譜在260和280 nm是否出現(xiàn)吸收峰的情況[22]。
1.2.2.5 裂褶菌胞內(nèi)多糖紅外光譜掃描 準(zhǔn)確稱取分離純化后的裂褶菌胞內(nèi)多糖樣品2.0 mg,加入100.0 mg烘干的KBr,在瑪瑙研缽中進(jìn)行充分研磨,然后壓片,壓力為18 MPa,維持時(shí)間5~10 min,將壓片置于傅里葉紅外光譜儀中在4000~400 cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行掃描[23]。
1.2.3 裂褶菌胞內(nèi)多糖生物活性探究
1.2.3.1 裂褶菌胞內(nèi)多糖抗氧化性測定 分別配制1、2、3、4、5 mg/mL的裂褶菌胞內(nèi)多糖NSPG-1和抗壞血酸(VC)溶液,參照文獻(xiàn)[24-26]檢測裂褶菌胞內(nèi)多糖NSPG-1對DPPH自由基、羥基自由基和超氧陰離子自由基的清除率,計(jì)算IC50。
1.2.3.2 裂褶菌胞內(nèi)多糖抑菌性測定 取OD值為0.4~0.6的大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌的稀釋液8 mL,添加0.625、1.25、2.5、5、10 mg/mL的NSPG-1多糖溶液0.5 mL,以青霉素為對照,37 ℃培養(yǎng)12 h,測定抑菌性,計(jì)算IC50[27-28]。
各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行3次獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用Microsoft Excel 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,采用IBM SPSS Statistics 23對數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA方差分析,顯著水平設(shè)為P<0.05;采用Origin 2018進(jìn)行圖形的繪制,不同的字母表示各組間存在顯著差異。
2.1.1 不同單因素對裂褶菌胞內(nèi)多糖得率的影響由圖1A可知,隨著水料比的增加,胞內(nèi)多糖的得率也隨之增加,當(dāng)水料比為25:1時(shí),多糖得率達(dá)到最高,繼續(xù)增加水料比胞內(nèi)多糖得率逐漸降低。這是由于提高溶劑用量可增大體系擴(kuò)散壓從而促進(jìn)了多糖的溶出[29]。而料液比過高,可能會導(dǎo)致超聲波的振幅下降,降低空化效應(yīng),從而使多糖得率有所下降[30]。
圖1 不同因素對胞內(nèi)多糖得率的影響結(jié)果Fig.1 Effects of three different kinds of factors on the yield of intracellular crude polysaccharides
由圖1B可知,隨著時(shí)間的增加,胞內(nèi)多糖得率隨之增加,在超聲時(shí)間為30 min時(shí),達(dá)到最高值,隨后緩慢下降。其原因可能是超聲波作用時(shí)間過長,空化作用力會使得多糖糖鏈?zhǔn)艿狡茐?,?dǎo)致得率下降[31]。
由圖1C可知,當(dāng)超聲功率為60 W時(shí),胞內(nèi)多糖得率最低(11.87%)。當(dāng)超聲功率在60~180 W時(shí),得率增速最快,之后隨著超聲功率增加,胞內(nèi)多糖得率增速放緩,當(dāng)超聲功率達(dá)到300 W時(shí),得率達(dá)到最高值。超聲波的空化作用會隨著超聲功率的提高而增強(qiáng),適當(dāng)提高提取功率可以提高多糖的溶出。但超聲功率過高,其高強(qiáng)度的空化作用可能會導(dǎo)致多糖結(jié)構(gòu)破壞[32],影響提取率,故選擇180~300 W作為超聲功率的優(yōu)化范圍。
2.1.2 裂褶菌胞內(nèi)多糖提取工藝的響應(yīng)面優(yōu)化 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,以裂褶菌胞內(nèi)多糖得率為響應(yīng)值,以水料比(A)、超聲時(shí)間(B)和超聲功率(C)為自變量,進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)編碼表和實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。
表2 響應(yīng)面試驗(yàn)編碼表和實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Response surface test results
2.1.2.1 回歸方程擬合及方差分析 利用Design Expert8.0對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析、3D立體圖及相關(guān)系數(shù)的擬合以及模型回歸。通過響應(yīng)面分析,建立以水料比A、超聲時(shí)間B、超聲功率C為三因素的數(shù)字回歸模型如下:
回歸系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)如表3所示,可以看出,該模型的P=0.0001,說明模型極為顯著;失擬項(xiàng)P=0.9283,說明無失擬因素存在,此模型的R2=0.9903,表明二次回歸模型選用是適當(dāng)?shù)摹?/p>
表3 回歸系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)Table 3 Regression coefficient and significance test
分析模型中各個(gè)系數(shù)的P值,可知B、C、AC、BC、B2、C2對于裂褶菌胞內(nèi)粗多糖得率的影響極顯著(P<0.01),A、AB對裂褶菌胞內(nèi)多糖得率影響顯著(P<0.05),A2對于裂褶菌胞內(nèi)粗多糖得率的影響不顯著(P>0.05)。各個(gè)因素對胞內(nèi)多糖得率影響程度的大小順序?yàn)椋築>C>A。
2.1.2.2 交互作用響應(yīng)面分析 圖2為水料比(A)和超聲時(shí)間(B)對于胞內(nèi)多糖得率的影響。當(dāng)超聲時(shí)間一定時(shí),裂褶菌胞內(nèi)多糖得率隨著水料比的增加而增加;當(dāng)水料比一定時(shí),裂褶菌胞內(nèi)多糖得率隨著超聲時(shí)間的增加先增加后減小;響應(yīng)面坡度陡峭,說明AB之間的交互作用明顯。
圖2 水料比和超聲時(shí)間的交互作用對裂褶菌胞內(nèi)多糖得率的影響Fig.2 Interaction effect of water-to-material ratio and ultrasonic time on the yield of polysaccharides
圖3為水料比(A)和超聲功率(C)對于胞內(nèi)多糖得率的影響。在一定超聲功率條件下,裂褶菌胞內(nèi)多糖得率隨著水料比的增加而增加;在一定水料比條件下,裂褶菌胞內(nèi)多糖得率隨著超聲功率的增加先增加后減小;AC之間交互作用顯著;且裂褶菌胞內(nèi)多糖得率隨著超聲功率的變化幅度明顯高于隨著水料比的變化幅度,說明超聲功率對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響比水料比更大。
圖4為超聲時(shí)間(B)和超聲功率(C)對于胞內(nèi)多糖得率的影響。裂褶菌胞內(nèi)多糖得率隨著超聲時(shí)間和超聲功率的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。響應(yīng)面坡度十分陡峭且等高線圖呈現(xiàn)出橢圓形,說明二者交互作用十分顯著,這與方差分析的結(jié)果相符。
圖4 超聲時(shí)間和超聲功率的交互作用對裂褶菌胞內(nèi)多糖得率的影響Fig.4 Interaction effect of ultrasound time and ultrasound power on the yield of polysaccharides
2.1.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 通過Design Expert 8.0對于超聲輔助熱水提取裂褶菌胞內(nèi)多糖的擬合分析,預(yù)測出最佳的工藝條件:水料比30:1、超聲時(shí)間30.26 min、超聲功率229.29 W,在此工藝條件下所得到的預(yù)測胞內(nèi)多糖得率為18.01%;考慮到實(shí)際操作的情況,對工藝條件進(jìn)行了些許修正,最終得到的最佳優(yōu)化工藝為:水料比30:1、超聲時(shí)間30 min、超聲功率230 W;在此工藝條件下得到的實(shí)際胞內(nèi)多糖得率為18.14%±0.33%。預(yù)測值與實(shí)際值的誤差為0.69%,說明通過響應(yīng)面優(yōu)化所得的裂褶菌胞內(nèi)多糖提取工藝參數(shù)具有可行性。
2.2.1 裂褶菌胞內(nèi)多糖離子交換柱層析 由圖5可知,實(shí)驗(yàn)一共獲得4種裂褶菌胞內(nèi)多糖組分,將含量最高的組分命名為NSPG-1并收集。
圖5 離子交換柱層析結(jié)果Fig.5 Ion exchange column chromatography results
2.2.2 裂褶菌胞內(nèi)多糖凝膠柱層析 通過Sephadex G-100對裂褶菌胞內(nèi)多糖NSPG-1的均一性進(jìn)行初步鑒定,洗脫曲線如圖6所示,洗脫曲線呈現(xiàn)為單一的對稱峰,初步證明其為單一組分[33],表明NSPG-1是分子量均一的多糖。
圖6 NSPG-1凝膠柱層析結(jié)果Fig.6 NSPG-1 gel column chromatography results
2.2.3 高效體積排阻色譜法純度鑒定及分子量測定裂褶菌多糖組分NSPG-1在HPLC上的洗脫曲線如圖7所示,胞內(nèi)多糖NSPG-1經(jīng)過高效體積排阻色譜法分離后得到的圖譜為單一對稱峰,說明組分純度較高且分子量是均一的[34];其出峰時(shí)間為7.623 min,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算可得:NSPG-1的分子量為1.05×106Da。
圖7 NSPG-1的HPLC洗脫曲線Fig.7 HPLC elution curve of NSPG-1
2.2.4 紫外光譜掃描純度鑒定結(jié)果 如圖8所示,NSPG-1在199 nm處含有多糖吸收峰,說明該物質(zhì)確實(shí)是多糖;其在260和280 nm處均不含吸收峰,說明該組分不含蛋白質(zhì)與核酸,表明裂褶菌胞內(nèi)多糖得到了分離純化。
圖8 NSPG-1紫外掃描圖Fig.8 UV scan of NSPG-1
2.2.5 紅外光譜掃描結(jié)果 由圖9可知,NSPG-1在4000~400 cm-1范圍內(nèi)都具有典型的多糖吸收峰:3400 cm-1處由羥基的變角振動與伸縮振動所引起的吸收峰,2930 cm-1附近由糖類C-H鍵伸縮振動所產(chǎn)生的吸收峰,1640 cm-1附近糖的水化物的典型吸收峰,1400~1200 cm-1附近由于C-H鍵的變角振動所引起的糖類特征吸收峰[35-37]。吡喃糖環(huán)會在1200~1000 cm-1處產(chǎn)生的強(qiáng)吸收峰[38],而NSPG-1在1079 cm-1處有一個(gè)明顯的吸收峰,由此判定NSPG-1為吡喃糖;α型多糖在844 cm-1附近處有C-H鍵的特征吸收峰,β型多糖會在888 cm-1附近處產(chǎn)生CH鍵的特征吸收峰[39],而NSPG-1在888 cm-1存在有一個(gè)吸收峰,而在844 cm-1附近沒有吸收峰,由此可知,NSPG-1為β型吡喃糖。本研究的紅外光譜與及多糖構(gòu)型與某些裂褶菌子實(shí)體多糖[40]有很大差異,這可能是由于菌種、培養(yǎng)方式、純化組分不同等因素導(dǎo)致的。
圖9 NSPG-1紅外掃描結(jié)果Fig.9 NSPG-1 infrared scan result
2.3.1 NSPG-1體外抗氧化性測定 如圖10所示,NSPG-1對于DPPH自由基、羥基自由基和超氧陰離子自由基均有一定的清除能力,且在一定濃度范圍內(nèi),其清除自由基能力與多糖濃度呈正相關(guān)。其中NSPG-1對羥基自由基的清除能力最強(qiáng),在質(zhì)量濃度5 mg/mL時(shí),清除率高達(dá)90.87%。NSPG-1對DPPH自由基和超氧陰離子自由基清除能力稍差,清除率分別為43.12%和30.09%。NSPG-1對DPPH自由基、羥基自由基和超氧陰離子自由基的IC50值分別為6.97、1.08和11.41 mg/mL。
圖10 NSPG-1體外抗氧化性結(jié)果Fig.10 In vitro antioxidant activity results of NSPG-1
2.3.2 NSPG-1抑菌性測定 如圖11所示,NSPG-1對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌均具有一定的抑制作用,且抑制率隨著多糖濃度的增大而增加。NSPG-1對三種菌的IC50值分別為7.56、12.54和10.42 mg/mL。
圖11 NSPG-1抑菌性結(jié)果Fig.11 NSPG-1 antibacterial results
本文以裂褶菌菌絲體為原料,利用響應(yīng)面法對超聲輔助熱水胞內(nèi)多糖工藝進(jìn)行了優(yōu)化,最佳工藝為水料比30:1、超聲時(shí)間30 min、超聲功率230 W;通過離子交換柱層析和凝膠柱層析成功分離出裂褶菌胞外多糖組分NSPG-1,此多糖為β型吡喃糖,分子量為1.05×106Da,并具有較好的抗氧化性和抑菌性。
裂褶菌是一種珍稀食用菌,然而較低的產(chǎn)量和高昂的價(jià)格,限制了其開發(fā)利用。多糖是裂褶菌主要的活性物質(zhì),本研究在工藝最適條件下,裂褶菌胞內(nèi)粗多糖得率達(dá)到了18.14%,遠(yuǎn)大于子實(shí)體多糖[41]得率,說明通過液體發(fā)酵產(chǎn)生菌絲體,利用菌絲體提取多糖是裂褶菌多糖開發(fā)利用的有效方式,此方式具有生產(chǎn)周期短、不受季節(jié)和地域的限制、成本低等優(yōu)勢,適于裂褶菌工廠化開發(fā)利用。然而,不同的發(fā)酵條件對多糖產(chǎn)率影響較大[9],故發(fā)酵條件優(yōu)化也今后裂褶菌多糖研究的重要方向。裂褶菌胞內(nèi)多糖NSPG-1組分具有較好的抗氧化性和抑菌性,可以應(yīng)用于食品、化妝品等領(lǐng)域,具有一定的開發(fā)價(jià)值。本文僅對裂褶菌胞內(nèi)多糖中含量最高組分的部分性質(zhì)進(jìn)行了研究,今后還需對NSPG-1多糖的單糖組分、抗腫瘤提高免疫性等生物學(xué)性質(zhì)、化學(xué)改性等以及其他三種多糖開展進(jìn)一步研究。