岩藻黄素是一种天然的类胡萝卜素,具有抗氧化[1]、抗炎[2]、降脂[3]、降糖[4]、抗癌[2]、神经保护[3]等作用,能降低多种慢性疾病的患病率,在食品和医药领域具有较大的开发潜力[5]。岩藻黄素因结构复杂、合成困难,目前,依然是从天然生物资源中提取获得为主,但还存在提取率低、价格昂贵的问题,常见的来源主要是褐藻和微藻[6],由于野生微藻获取成本高,难以实现大规模提取,而人工培养微藻生产岩藻黄素大多还处于研究阶段[7],因此,资源丰富且容易获取的大型褐藻成为极具潜力的开发对象,研究较多的褐藻包括海带[8]、铜藻[9]、鼠尾藻[10]、裙带菜、羊栖菜[11]等。有研究表明,不同来源的岩藻黄素可能存在结构和活性差异,如在硅藻金色奥杜藻中分离纯化得到的都是全反式岩藻黄素[12],而从颗石藻类、棕囊藻中提取得到的是19′-乙酰氧基岩藻黄素。马尾藻是一类大型褐藻,广泛分布于我国南海海域,资源极其丰富,已有研究报道马尾藻富含岩藻黄素[13],但其结构和活性并不清楚,且由于受到地域资源分布的限制,一直未能得到有效研究与开发,造成了资源浪费。
岩藻黄素常见的提取方法有溶剂浸提法、酶提取法、超声辅助提取法等[14-15]。对于不同原料由于其组织结构不同,提取工艺和方法有所差别,然而由于岩藻黄素的不稳定性[16],在常见的提取分离过程中容易受到光和热的破坏而产生降解,导致提取率低下。因此,探讨提取过程中不同的工艺条件对岩藻黄素提取率的影响具有指导意义。
本研究以马尾藻为原料进行岩藻黄素的提取分离,测定岩藻黄素提取液的稳定性,探讨原料的预处理方式、提取溶剂、提取时间、提取温度、料液比等因素对岩藻黄素提取率的影响,并对马尾藻岩藻黄素的抗氧化和抗炎活性进行体外活性研究,以期为马尾藻岩藻黄素的高值化开发利用提供参考。
1.1.1 材料
新鲜马尾藻采自湛江市硇洲岛,自来水冲洗一遍、纯净水冲洗两遍后于-20 ℃保存备用或低温风干;小鼠小胶质瘤细胞(BV-2)于广东省食品质量与安全重点实验室冷冻保存。
1.1.2 药品试剂
岩藻黄素标准品、2,2-联苯基-1-苦基肼基(2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl,DPPH)、脂多糖(lipopolysaccharide,LPS):美国西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司;DMEM(dulbecco′s modified eagle′s medium)高糖培养基、胎牛血清:美国思拓凡(Cytiva)生物科技(杭州)有限公司;噻唑蓝[3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide,MTT]、二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide,DMSO)、邻二氮菲、磷酸盐缓冲液:广州市齐云生物技术有限公司;Griess 试剂盒:美国Promega(北京)生物有限公司;白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)ELISA 检测试剂盒:达科为生物技术有限公司;硅胶薄层板(GF254):青岛海洋化工厂;甲醇(色谱纯):赛默飞世尔(中国)科技有限公司;荧光素二钠盐、2,2-偶氮双-(2-甲基丙脒)-二盐酸盐[2,2′-azobis(2-methylpropionamidine)dihydrochloride,AAPH]:北京索莱宝生物科技有限公司;水溶性维生素E(Trolox)(纯度≥98%):东京化成工业株式会社;其余试剂均为分析纯。
1.1.3 仪器设备
UV-2550 紫外可见分光光度计、LC-20AD 高效液相色谱仪:日本岛津(上海)有限公司;Varioskan Flash全自动酶标仪:美国赛默飞世尔科技(中国)有限公司;N-1000 旋转蒸发器:日本EYELA 东京理化器械株式会社;581OR 台式高速大容量冷冻离心机:艾本德Eppendorf(中国)有限公司;CKX41-A32PH 倒置显微镜:日本Olympus 奥林巴斯株式会社。
1.2.1 岩藻黄素的基本提取过程
冷冻马尾藻或40 ℃烘干不同时间(1 h 和2 h)的马尾藻,粉碎后加入适量提取液在一定温度下振荡(100 r/min)提取一定时间,过滤去除滤渣,重复提取3 次,合并3 次滤液,得到粗提液,进行检测或4 ℃避光保存。
1.2.2 岩藻黄素稳定性测定
马尾藻岩藻黄素提取液在4 ℃、密封避光条件下储藏,在25 d 内,每隔3 d 采用紫外可见分光光度法对其进行检测,观察其吸光度的变化,检测波长为450 nm。
1.2.3 岩藻黄素提取的单因素试验
基础提取试验条件:40 ℃烘干1 h 的马尾藻、提取溶剂为80% 甲醇、提取温度为50 ℃、提取时间为10 h、料液比为1∶10(g/mL),不超声。各单因素变量设置条件:马尾藻预处理方式(新鲜-20 ℃冷冻贮藏、40 ℃烘干1 h 和40 ℃烘干2 h)、提取溶剂[80% 甲醇(体积比)、无水乙醇、乙醇∶丙酮=3∶1(体积比)]、90%乙醇∶丙酮=3∶1(体积比)、提取温度(30、40、50、60 ℃)、提取时间(6、8、10、12 h)、料液比[1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶40](g/mL)、超声辅助方式(不超声、振荡提取后超声15 min、振荡提取前后各超声15 min、振荡提取后超声15 min)对岩藻黄素提取率的影响。提取液采取紫外可见吸收光谱检测吸光度,根据岩藻黄素标准品采用标准曲线法计算提取率,计为mg/g 海藻湿重。
1.2.4 正交试验
在单因素试验的基础上,以冷冻的新鲜马尾藻为原料,进行三因素三水平L9(34)正交试验的设计,确定最佳提取条件,因素与水平见表1。
表1 正交试验因素与水平
Table 1 Factors and levels of orthogonal design
水平因素B 提取时间/h 1 2 3 A 提取温度/℃30 40 50 6 8 10 C 料液比/(g/mL)1∶5 1∶10 1∶15
1.2.5 岩藻黄素的纯化
将马尾藻岩藻黄素粗提液在40 ℃真空浓缩成膏状,加入超纯水重悬后加入等体积乙酸乙酯萃取,重复萃取3 次,合并乙酸乙酯馏分再次真空浓缩成膏状,甲醇溶解后采用硅胶薄层色谱进行制备,获得岩藻黄素样品条带,对照岩藻黄素标准品条带,刮下对应的岩藻黄素硅胶条带用甲醇溶解,离心去除硅胶后上清液用高压液相色谱(HPLC)进行分析,色谱条件为ECOSIL C18 色谱柱(4.6 nm×250 nm×5 μm),紫外检测器SPD-20A,25 ℃,流动相:90% 甲醇水溶液,流速1.0 mL/min。
1.2.6 岩藻黄素的抗氧化性测定
1.2.6.1 氧化自由基吸收能力(oxygen radical absorbance capacity,ORAC)测定
参照文献[12]的方法稍作修改测定岩藻黄素的ORAC 值,主要方法如下:在黑色96 孔板中分别加入20 μL 的6.25、12.50、25.00、50.00 μmol/L 的Trolox 使用工作液,按照以上顺序再分别加入0.01、0.02、0.04、0.08 mg/mL 的样品进行反应,在该反应体系下,设置酶标仪激发波长为485 nm,发射波长为538 nm 进行测定。每个浓度设置4 个平行。以浓度为横坐标,相对荧光强度为纵坐标,建立Trolox 和岩藻黄素的荧光淬灭动力学曲线图,获得荧光衰退曲线面积(area under the curve,AUC),扣除空白曲线的AUC,得到净面积(net-AUC),并作出Trolox 的浓度—net-AUC 曲线,计算岩藻黄素的ORAC 值,以μmol Trolox 当量(μmol Trolox equivalent/g,μmol TE/g)表示。
1.2.6.2 DPPH 自由基的清除率测定
参照文献[17]的方法稍作修改,主要步骤如下:分别取不同浓度(0.10、0.12、0.14、0.18、0.22 mg/mL)的岩藻黄素样品待测溶液各2 mL,加入0.1 mmol/L 的DPPH 乙醇溶液2 mL 后迅速混匀,并用水定容至10 mL,混匀后放置于室温暗处反应30 min 后,以相应的溶剂作为空白对照,在517 nm 处测定吸光度,并计算清除率IC50 值。
1.2.6.3 羟自由基(·OH)的清除作用测定
参照谭曜等[18]的方法并稍作修改进行羟自由基清除率的测定,主要过程如下:分别配制5 mmol/L 邻二氮菲溶液(以无水乙醇为溶剂)、0.2 mol/L 磷酸盐缓冲液(pH7.4)、5 mmol/L FeSO4溶液和0.1% H2O2溶液,岩藻黄素样品配制成0.01、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 mg/mL,依次取1.2 mL 邻二氮菲溶液、0.8 mL 磷酸盐缓冲液溶液、2.0 mL 去离子水,混匀后加入1.2 mL FeSO4 溶液,再次混匀后加入1.6 mL H2O2 溶液,以水定容至10 mL,混匀后置于37 ℃下保温1 h,在536 nm 测其吸光度,记为A1,未损伤组以水代替H2O2 溶液,测得A2,以样品代替损伤组中的2 mL 去离子水,得A3。通过下列公式计算清除率(S,%)并得出IC50 值。
S =(A3 - A1)/(A2 - A1)× 100
1.2.7 细胞实验
1.2.7.1 细胞培养
将BV-2 细胞接种在1% 双抗(100 U/L 青霉素和100 mg/L 链霉素)和10% 小牛血清的DMEM 高糖培养基中,37 ℃、5% CO2 条件下培养,每天更换培养基,2 d 进行一次传代。
1.2.7.2 MTT 法测定岩藻黄素对细胞活力的影响
参照韦黎平等[19]的方法测定岩藻黄素对BV-2 细胞活力的影响。主要过程如下:将BV-2 细胞接种于96 孔板(1×104/孔),培养4 h 后加入岩藻黄素,浓度设置为10、50、100 μg/mL,继续孵育24 h 后,加入5 mg/mL MTT 试剂(20 μL/孔),继续孵育4 h 后,用移液枪小心吸掉上清液,加入150 μL DMSO,避光低速振荡约10 min,酶标仪在490 nm 波长测定。
1.2.7.3 细胞上清液NO 和IL-6 含量测定
将BV-2 细胞接种于96 孔板(1×105/孔),培养8 h,加入岩藻黄素预处理24 h,岩藻黄素浓度设置为20、40、60、80 μg/mL,再加入1 μg/mL 的LPS,继续孵育18 h 后,按照Griess 试剂盒说明书检测NO 的含量,ELISA 试剂盒检测IL-6 的含量。
试验数据采用统计学软件SPSS 22.0 分析。
岩藻黄素提取液稳性分析结果见图1。
图1 储藏时间对4 ℃存放岩藻黄素提取液稳定性的影响
Fig.1 Effects of storage time on the stability of fucoxanthin stored at 4 ℃
由图1 可知,4 ℃避光储藏的岩藻黄素提取物在25 d 内OD 值随着时间的延长而降低,但无明显差异,说明在该储藏条件下,岩藻黄素较稳定。乔子纯等[20]对岩藻黄素在食品加工中的稳定性进行了研究,结果表明使用氮气驱走空气然后避光保存6 d 岩藻黄素较稳定,与本研究的结果一致,但由于目的不同,其具体的测定条件不同,本研究的测定条件主要为岩藻黄素的提取分离以及一些特定生产过程中储存条件的确定提供参考。
2.2.1 马尾藻预处理方式对岩藻黄素提取率的影响
马尾藻预处理方式对岩藻黄素提取率的影响见表2。
表2 马尾藻预处理方式对岩藻黄素提取率的影响
Table 2 Effects of different pretreatments of Sargassum on the yield of fucoxanthin
注:同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
提取率/(mg/g 海藻湿重)0.630±0.021a 0.346±0.033b 0.284±0.018c马尾藻预处理方式新鲜-20 ℃冷冻贮藏40 ℃烘干1 h 40 ℃烘干2 h
由表2 可知,马尾藻原料不同预处理方式对岩藻黄素的提取率有显著影响(p<0.05),新鲜-20 ℃冷冻贮藏的马尾藻提取率最高,随着烘干时间从1 h 延长至2 h,岩藻黄素提取率显著降低,跟最高提取率相比,最低提取率下降了约55%,表明原料预处理方式对岩藻黄素提取率的影响非常重要。
2.2.2 提取溶剂对岩藻黄素提取率的影响
提取溶剂对马尾藻岩藻黄素提取率的影响结果见表3。
表3 提取溶剂对岩藻黄素提取率的影响
Table 3 Effects of solvents on the yield of fucoxanthin
注:不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
提取率/(mg/g 海藻湿重)0.428±0.002a 0.420±0.002b 0.409±0.003c 0.308±0.005d溶剂90%乙醇∶丙酮=3∶1(体积比)乙醇∶丙酮=3∶1(体积比)无水乙醇80%甲醇水溶液(体积比)
由表3 可知,4 种不同溶剂对马尾藻岩藻黄素提取率液具有显著影响(p<0.05),90% 乙醇∶丙酮=3∶1溶剂提取得到的岩藻黄素含量最高,乙醇-丙酮3∶1 溶剂次之,80%甲醇水溶液的提取效果最差,提取率仅为(0.308±0.005)mg/g 海藻湿重。因此,添加丙酮可能促进了溶剂渗透进入海藻细胞壁,从而提高提取率。
2.2.3 提取温度对岩藻黄素提取率的影响
提取温度对马尾藻岩藻黄素提取率的影响见图2。
图2 提取温度对马尾藻岩藻黄素提取率的影响
Fig.2 Effects of extraction temperatures on the yield of fucoxanthin from Sargassum
不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
如图2 所示,在提取温度为30~60 ℃时,岩藻黄素提取率先随着温度上升而增加,在50 ℃时提取率最高,60 ℃时开始显著下降,其中较低温度(30 ℃)和较高温度(60 ℃)的提取率差异不显著,表明提取温度对岩藻黄素的提取率具有显著影响,低温不利于提取溶剂的渗透,适当的提高温度有利于岩藻黄素从藻体中浸出,而高温容易导致岩藻黄素发生几何异构发生或氧化变性等结构异化现象,从其中而导致提取率降低。
2.2.4 提取时间对岩藻黄素提取率的影响
提取时间对马尾藻岩藻黄素提取率的影响见图3。
图3 提取时间对马尾藻岩藻黄素提取率的影响
Fig.3 Effects of extraction time on the yield of fucoxanthin from Sargassum
不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
由图3 可知,提取时间对岩藻黄素提取率具有较大的影响,8 h 提取率最高,但与6 h 无显著性差异,随着提取时间的延长,提取率开始显著下降,可能是因为长时间在50 ℃条件下浸提,会导致岩藻黄素的稳定性降低[11]。
2.2.5 料液比对岩藻黄素提取率的影响
料液比对岩藻黄素提取率的影响见表4。
表4 料液比对岩藻黄素提取率的影响
Table 4 Effects of solid-to-liquid ratios on the yield of fucoxanthin
注:不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
料液比/(g/mL)1∶25 1∶20 1∶15 1∶10 1∶5提取率/(mg/g 海藻湿重)0.421±0.003a 0.419±0.003a 0.417±0.002a 0.406±0.001b 0.393±0.005c
由表4 可知,不同料液比能够影响海藻岩藻黄素的提取率,随着提取剂的增加,岩藻黄素提取率明显增加,当料液比达到1∶25(g/mL)时,提取率最高(0.421±0.003 mg/g 海藻湿重),但1∶25、1∶20、1∶15(g/mL)这3 种料液比之间的提取率无显著性差异。合适的料液比通常还与提取方式有关,如金旭东等[11]使用循环超声提取,1∶25(g/mL)的料液比效果最好,因此,料液比的选择要综合考虑提取方式、提取时间以及溶剂的损耗。
2.2.6 超声辅助的影响
超声波辅助对马尾藻岩藻黄素提取率的影响见表5。
表5 超声辅助对马尾藻岩藻黄素提取率的影响
Table 5 Effects of ultrasonic conditions on the yield of fucoxanthin
注:不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
超声条件振荡提取后超声15 min振荡提取前后各超声15 min振荡提取前超声15 min无超声振荡提取率/(mg/g 海藻湿重)0.663±0.008a 0.648±0.089ab 0.541±0.248b 0.425±0.004b
由表5 可知,超声辅助均能明显提高岩藻黄素的提取率,其中在振荡提取后超声以及振荡提取前后均超声15 min 的辅助提取效果较好,但两者没有显著差异性(p<0.05),跟无超声振荡相比,提取率增加约36%,说明提取剂扩散进入海藻细胞后再进行超声的提取效果更好。考虑到节省时间和能源的问题,选择振荡提取后超声15 min 作为超声辅助提取方法。
正交试验结果见表6,方差分析结果见表7。
表6 正交试验结果
Table 6 Results of orthogonal test
试验号A 提取温度B 提取时间C 料液比空列1 2 3 4 5 6 7 8 9 k1 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 2 3 1 3 1 2 1 2 3 3 1 2 2 3 1提取率/(mg/g 海藻湿重)0.571 0.545 0.518 0.694 0.661 0.611 0.805 0.758 0.728 k2 k3 R 0.545 0.655 0.763 0.218 0.690 0.655 0.619 0.071 0.647 0.656 0.661 0.014 0.654 0.654 0.656 0.002
表7 方差分析结果
Table 7 Results of analysis of variance
注:*表示影响显著(p<0.05);**表示影响极显著(p<0.01)。
方差来源自由度A B C F 值12 686.243 4**1 331.275 8**55.555 6*D(空列)总计平方和0.071 9 0.007 5 0.000 3 0.000 005 7 0.079 8 2 2 2 2 8均方0.036 0 0.003 8 0.000 16 0.000 002 8
由表6、表7 可知,最佳提取条件组合为A3B1C3,提取温度和提取时间对提取率的影响极显著(p<0.01),料液比对提取率的影响显著(p<0.05),因此确定的最佳提取条件为提取溶剂90% 乙醇-丙酮(3∶1,体积比)、料液比1∶15(g/mL)、提取温度50 ℃、100 r/min振荡提取6 h 后超声15 min。最佳条件的验证试验结果表明,在此条件下获得的马尾藻岩藻黄素提取率为0.816 mg/g 海藻湿重,经薄层色谱和高效液相色谱法分离纯化后,纯度可达68.4%。
2.4.1 岩藻黄素的ORAC 值测定结果
Trolox 的荧光淬灭动力学结果见图4,马尾藻岩藻黄素荧光淬灭动力学曲线见图5,Trolox 的浓度-net-AUC 曲线见图6。
图4 Trolox 的荧光淬灭动力学曲线
Fig.4 Fluorescence quenching kinetics curve of Trolox
图5 不同浓度的马尾藻岩藻黄素荧光淬灭动力学曲线
Fig.5 Fluorescence quenching kinetics curve of different concentrations of Sargassum fucoxanthin
图6 Trolox 的浓度-net-AUC 曲线
Fig.6 Trolox concentration-net-AUC curve
如图4 所示,抗氧化标准物质Trolox 对自由基导致的荧光淬灭动力学曲线线性良好,可作为本试验的参照标准。由图5 可知,随着浓度的增加,马尾藻岩藻黄素延缓荧光淬灭效果增加,在120 min 时,0.08 mg/mL 的样品依然能够保持反应体系产生较强的荧光,表明其具有明显的抗自由基能力。根据图6 中Trolox 的浓度-net-AUC 曲线,岩藻黄素的ORAC 值为1 761 μmol TE/g,远高于段海霞[21]研究的铜藻岩藻黄素提取液的乙酸乙酯萃取馏分ORAC 值(590 μmol TE/g)。
2.4.2 岩藻黄素对DPPH 自由基的清除能力
马尾藻岩藻黄素对DPPH 自由基的清除率变化见图7。
图7 马尾藻岩藻黄素对DPPH 自由基的清除能力
Fig.7 DPPH radical scavenging ability of Sargassum fucoxanthin
从图7 可知,随着浓度的增加,马尾藻岩藻黄素对DPPH 自由基清除率增加,并在0.10~0.22 mg/mL 浓度范围内呈浓度依赖关系,在0.22 mg/mL 时,其清除率达到最大,为95.51%,IC50 值为0.102 mg/mL。
2.4.3 岩藻黄素对羟自由基的清除作用
马尾藻岩藻黄素对羟自由基的清除率变化见图8。
图8 马尾藻岩藻黄素对羟自由基的清除能力
Fig.8 Hydroxyl radical scavenging ability of Sargassum fucoxanthin
如图8 所示,马尾藻岩藻黄素随着浓度的增大对羟自由基清除作用增强,在0.5 mg/mL 时清除率最高,达到91.94%,其IC50 值为0.146 mg/mL。
马尾藻岩藻黄素对BV-2 细胞活力的影响见表8。
表8 马尾藻岩藻黄素对BV-2 细胞活力的影响
Table 8 Effects of different concentrations of Sargassum fucoxanthin on the vitality of BV-2 cells
组别空白对照组DMSO 组岩藻黄素(10 μg/mL)岩藻黄素(50 μg/mL)岩藻黄素(100 μg/mL)OD 值0.808±0.021 0.789±0.018 0.800±0.022 0.801±0.033 0.791±0.016
如表8 所示,与空白对照组相比,10~100 μg/mL马尾藻岩藻黄素对BV-2 细胞生长和活性无明显影响,表明其对BV-2 细胞无明显毒性。
马尾藻岩藻黄素对LPS 诱导的BV-2 细胞上清液中NO 和IL-6 含量的影响结果见表9。
表9 马尾藻岩藻黄素对LPS 诱导的BV-2 细胞上清中NO 和IL-6 含量的影响
Table 9 Effects of Sargassum fucoxanthin on nitric oxide(NO)and interleukin(IL)-6 levels in the supernatant of BV-2 cells exposed to lipopolysaccharide(LPS)
注:同列不同小写字母表示差异极显著(p<0.001)。
组别空白对照组LPS 处理组LPS+岩藻黄素(60 μg/mL)NO 含量/(μmol/L)0.006±0.195a 32.650±3.263c 7.030±1.301b IL-6 含量/(pg/mL)27.45±1.01a 20 206.06±1 036.96c 1 288.64±80.73b
由表9 可知,与空白对照组相比,经LPS 处理后的BV-2 细胞上清液中NO 含量和IL-6 含量升高极显著(p<0.001),而经60 μg/mL 马尾藻岩藻黄素预处理后,NO 和IL-6 含量下降均极显著(p<0.001),抑制率分别达78.5% 和93.6%,说明马尾藻岩藻黄素具有潜在的抗炎作用。
本研究对马尾藻中岩藻黄素在提取过程中的稳定性进行了分析,表明在4 ℃避光条件下贮藏25 d 稳定性较好。通过单因素和正交试验优化的最佳提取条件如下:新鲜冷冻保存的马尾藻为原料、提取溶剂为90%乙醇:丙酮3∶1、料液比为1∶15(g/mL)、100 r/min 振荡提取,提取温度为50 ℃、提取时间为6 h、振荡提取后超声15 min,提取率最高。通过测定马尾藻岩藻黄素的ORAC 值以及对DPPH 自由基清除率和羟自由基清除率的作用,表明其具有强抗氧化能力,进一步的细胞实验结果表明其能够显著抑制LPS 诱导的BV-2 细胞上清液中NO 和IL-6 含量,说明马尾藻岩藻黄素具有潜在的抗炎作用。本研究为马尾藻岩藻黄素的开发利用提供了参考价值。
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