乌梅(Prunus mume Sieb.&Zucc.),药食同源,俗称黄仔、酸梅、干枝梅等,为蔷薇科植物梅的近成熟果实,《中国药典》2020 版述其归肺、大肠经,具有敛肺涩肠的功效,主治肺虚久咳、久泻久痢[1],近年来,研究发现其具有抗氧化[2]、抗炎[3]、抗肿瘤[4]、调节肠道菌群[5]、减轻溃疡性结肠炎[6]等作用。
多糖是由单糖分子脱水和缩合形成的,每个单糖分子由糖苷键连接。多糖存在于几乎所有的植物、微生物、动物和其他生物中。多糖也应用在化妆品[7]、食品[8]、药品[9]、功能性保健品[10]行业。研究表明,多糖具有良好的抗氧化[11]、抗肿瘤[12]、免疫调节[13]、降血糖[14]、降血脂[15]、抗病毒[16]等生物活性。当前对于乌梅的研究主要集中在中药制剂,鲜有关于乌梅多糖的研究。本文采用响应面法优化超声波辅助提取工艺,得出最佳提取工艺参数,并对乌梅多糖生物活性进行研究,探讨其体外抗氧化、降血脂活性,以期为乌梅多糖的开发提供参考。
乌梅:合肥格宁大药房连锁有限公司;葡萄糖、苯酚(均为分析纯):天津天泰精细化学品有限公司;浓硫酸(分析纯):北京化工厂;95%乙醇(分析纯):吉林省金泰化玻有限公司;三羟甲基氨基甲烷[tris-(hydroxymethyl)-aminomethane,Tris]、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)、邻苯三酚、刚果红、牛磺胆酸钠、甘氨胆酸钠(均为分析纯):上海麦克林生化科技有限公司;L-抗坏血酸(分析纯):上海阿拉丁生化科技股份有限公司;胰蛋白酶(牛胰,250 U/g)、胃蛋白酶(猪胃黏膜,3 000 U/g):上海源叶生物科技有限公司。
FD-1A-50 型真空冷冻干燥机:博医康(北京)仪器有限公司;JA 型电子天平:上海湘续实业有限公司;HH4 型数显恒温水浴锅:常州天瑞仪器有限公司;UVT5500TC 紫外可见分光光度计:上海元析仪器有限公司;FW135 型粉碎机:常州润华电器有限公司;THZ-98AB 恒温振荡器、TG16G 台式高速离心机:湖南凯达科学仪器有限公司;RE5298A 旋转蒸发仪:上海沛殴分析仪器有限公司;DHG-9070A 电热恒温鼓风干燥箱:上海精宏实验设备有限公司;KQ5200DE 型数控超声波清洗器:昆山市超声仪器有限公司;300 型扫描电子显微镜:德国蔡司公司。
1.3.1 乌梅多糖的制备
预处理:将乌梅洗净,放置于60 ℃电热恒温鼓风干燥箱中干燥至恒重,粉碎机粉碎,过80 目筛备用。准确称取乌梅粉末进行索氏提取脱脂处理,使用石油醚浸泡,60 ℃回流提取2 次,之后用无水乙醇80 ℃回流提取两次,除去乌梅中的单糖、低聚糖等物质,脱脂后的粉末60 ℃烘干至恒重。
用天平称取预处理后的乌梅粉末,加水搅匀,置于超声波清洗器中,调整超声功率、提取温度、提取时间、料液比进行提取,待提取结束后,抽滤,将滤液浓缩到原体积1/4,加入80% 乙醇过夜,4 500 r/min 离心15 min 取沉淀,将沉淀冷冻干燥后得乌梅多糖粉末。
1.3.2 葡萄糖标准曲线的绘制
参考张雯[17]的方法绘制葡萄糖标准曲线,回归方程为y=10.128x-0.005 8,R2=0.999 0。
1.3.3 乌梅多糖含量的测定
采用苯酚-硫酸法[18]测定乌梅多糖含量,准确取乌梅多糖粉末用水定容在适量容量瓶中,摇匀,测定其在490 nm 处的吸光度,根据回归方程计算乌梅多糖得率(R,%),其计算公式如下。
式中:C 为样品质量浓度,mg/mL;V 为样品溶液体积,mL;M 为乌梅粉末质量,mg。
1.3.4 单因素试验
考察不同料液比[1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30(g/mL)]、提取时间(30、60、90、120、150 min)、提取温度(20、30、40、50、60 ℃)、超声功率(50、100、150、200、250 W)对乌梅多糖得率的影响。
1.3.5 响应面优化乌梅多糖提取试验
在单因素试验的基础上,设计四因素三水平响应面试验,以乌梅多糖得率为响应值,对乌梅多糖的提取工艺进行优化,响应面因素水平见表1。
表1 响应面设计因素水平
Table 1 Factors and levels of response surface design
水平-1 01因素A 超声功率/W 100 150 200 B 料液比/(g/mL)1∶15 1∶20 1∶25 C 提取时间/min 30 60 90 D 提取温度/℃30 40 50
1.3.6 多糖脱蛋白
在响应面试验的基础上提取乌梅粗多糖,采用sevage 法脱蛋白[19],重复多次直至无明显蛋白质层出现为止。然后将上清液置于旋蒸瓶中,50 ℃条件下旋蒸,放入3 500 Da 的透析袋中流水透析48 h,冷冻干燥,得到乌梅多糖。
1.3.7 理化性质测定
1.3.7.1 化学成分含量测定
采用苯酚硫酸法测定总糖含量,考马斯亮蓝法测定蛋白质含量[20],采用间羟基联苯法测定醣醛酸含量[21]。
1.3.7.2 扫描电子显微镜观察
取适量乌梅多糖粉末黏附在显微镜样品盘上,将多余粉末吹走,观察结构。
1.3.7.3 红外光谱测定将乌梅多糖和溴化钾混合后研磨,在4 000~500 cm-1 的条件下,测定有机官能团。
1.3.7.4 紫外光谱测定将乌梅多糖配制成1 mg/mL 溶液,在200~800 nm下对乌梅多糖溶液进行全波长扫描。
1.3.7.5 刚果红试验
使用紫外可见分光光度计在400~600 nm 波长处扫描,刚果红作为对照,测定乌梅多糖溶液在碱性条件下的最大吸收波长。
1.3.8 乌梅多糖抗氧化活性测定
1.3.8.1 乌梅多糖对DPPH 自由基清除率
参考Ma 等[22]的方法并加以修改,用DPPH 配制为浓度为2×10-4 mol/L 的乙醇溶液,避光保存备用。取2 mL 不同浓度的乌梅多糖溶液(0.1~1.0 mg/mL)和2 mL 的DPPH 乙醇溶液混匀,室温静置30 min,于517 nm 处测定吸光度(A1)。按照上述方法测定不同浓度的乌梅多糖样品液+乙醇溶液的吸光度(A2)、DPPH溶液+蒸馏水的吸光度(A3)。同时配制同样浓度的VC溶液作为对照。乌梅多糖对DPPH 自由基的清除率(D,%)计算公式如下。
1.3.8.2 乌梅多糖对超氧阴离子自由基清除率
参照李媛媛等[23]、Liang 等[24]的方法,稍作修改,对乌梅多糖超氧阴离子自由基清除率进行测定。取1 mL 不同浓度的样品溶液(2~10 mg/mL)加入3 mL、pH8.2 的Tris-HCl 缓冲液,在30 ℃条件下孵育20 min,加入7 mmol/L 邻苯三酚(3 mL)反应10 min,最后加入1 mL 浓HCl 终止反应。在420 nm 测吸光度,同时配制同浓度的VC 溶液作为对照。超氧阴离子自由基清除率(O,%)的计算公式如下。
式中:A0 为空白对照组的吸光度;As 为样品的吸光度;A1 为以蒸馏水代替邻苯三酚溶液在相同条件下样品的吸光度。
1.3.9 乌梅多糖体外降血脂活性测定
1.3.9.1 胆酸盐标准曲线的绘制
参考古丽米热·祖努纳等[25]的方法绘制胆酸盐标准曲线。
1.3.9.2 胆酸盐结合能力测定
参照冯丹丹等[26]的方法,对胆酸盐结合能力进行测定。胆酸盐结合率(C,%)的计算公式如下。
式中:m1 为结合前胆酸盐质量,mg;m2 为结合后胆酸盐质量,mg。
1.3.9.3 胰脂肪酶活性测定
参照褚盼盼等[27]的方法,对胰脂肪酶的活性进行检测。抑制率(Y,%)的计算公式如下。
式中:Ab 为抑制前的酶活力,IU;Ac 为抑制后的酶活力,IU。
所有试验均重复3 次,数据以平均值±标准差表示,利用Design-Expert V8.0.6.1 软件对乌梅多糖提取工艺进行优化。
2.1.1 不同料液比对乌梅多糖得率的影响
料液比对乌梅多糖得率的影响见图1。
图1 料液比对乌梅多糖得率的影响
Fig.1 Effect of solid-to-liquid ratio on the yield of Fructus mume polysaccharide
由图1 可知,不同料液比对乌梅多糖得率存在明显影响。随溶剂添加量的增加,乌梅多糖得率呈现先升高后降低的趋势,在料液比为1∶10~1∶20(g/mL)时,乌梅多糖得率呈上升趋势,在1∶20(g/mL)时达到最大值,而后呈下降趋势。出现此现象的原因可能是溶剂添加量的不断增加,增大了乌梅粉末与水的接触面积,也加大了溶液之间的浓度差。溶剂增加后导致植物细胞内部和外部溶剂之间存在很大的浓度差,从而减少分子之间的相互作用,使得多糖得率下降[28]。因此,选择料液比1∶15、1∶20、1∶25(g/mL)进行后续试验。
2.1.2 不同提取时间对乌梅多糖得率的影响
提取时间对乌梅多糖得率的影响见图2。
图2 提取时间对乌梅多糖得率的影响
Fig.2 Effect of extraction time on the yield of Fructus mume polysaccharide
由图2 可知,在30~60 min 时,随提取时间延长,乌梅多糖得率呈上升趋势,提取时间继续延长,乌梅多糖得率呈下降趋势,提取时间为60 min 时乌梅多糖得率最高,出现该趋势的原因可能是超声作用下乌梅多糖不断析出使得率升高,而当提取时间超过60 min后,多糖得率下降,这可能是由于提取时间过长导致提取液中的多糖被分解[29]。因此,选择提取时间30、60、90 min 进行后续响应面试验。
2.1.3 不同提取温度对乌梅多糖得率的影响
提取温度对乌梅多糖得率的影响见图3。
图3 提取温度对乌梅多糖得率的影响
Fig.3 Effect of extraction temperature on the yield of Fructus mume polysaccharide
由图3 可知,随着提取温度的升高,乌梅多糖得率呈先升高后降低的趋势,在40 ℃时乌梅多糖得率最高,呈现这种趋势的原因可能是随着提取温度升高,溶剂黏度降低、分子运动加快,利于多糖的溶出分散,而提取温度过高导致多糖结构破坏,多糖渗出量减少[30]。因此,选择提取温度30、40、50 ℃进行后续响应面试验。
2.1.4 不同超声功率对乌梅多糖得率的影响
超声功率对乌梅多糖得率的影响见图4。
图4 超声功率对乌梅多糖得率的影响
Fig.4 Effect of ultrasonic power on the yield of Fructus mume polysaccharide
由图4 可知,随着超声功率的增加,乌梅多糖得率先升高后下降,在超声功率为150 W 时乌梅多糖得率最高,而后随着超声功率增加,得率开始下降,可能是在一定超声功率范围内,提高超声功率有助于促进细胞结构破碎,有利于多糖的溶解和扩散,但超声功率过大时,其空化作用加大、机械力增强,导致多糖结构破坏,进而导致多糖得率降低[31]。因此,选择超声功率100、150、200 W 进行后续响应面试验。
以乌梅多糖得率为指标,选定四因素三水平对乌梅多糖提取试验进行响应面优化设计,结果见表2。
表2 响应面优化设计结果
Table 2 Results of response surface design
试验号1234567891 0 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 A 超声功率/W 200 100 150 200 150 150 150 100 150 200 100 100 100 150 150 150 100 100 100 200 200 200 200 200 150 150 150 200 150 B 料液比/(g/mL)1∶25 1∶15 1∶20 1∶15 1∶20 1∶25 1∶20 1∶15 1∶20 1∶15 1∶15 1∶25 1∶25 1∶20 1∶20 1∶20 1∶15 1∶25 1∶25 1∶15 1∶20 1∶25 1∶15 1∶25 1∶20 1∶20 1∶20 1∶25 1∶15 C 提取时间/min 90 30 60 90 60 60 60 90 60 30 90 30 30 60 90 60 30 90 90 90 60 30 30 30 60 60 60 90 60 D 提取温度/℃30 50 40 50 40 40 40 50 50 50 30 50 30 40 40 30 30 30 50 30 40 30 30 50 40 40 40 50 40乌梅多糖得率/%7.98 5.56 9.40 6.30 6.56 7.52 9.63 6.55 6.88 5.39 6.43 6.95 7.48 9.66 8.62 7.88 6.50 6.85 7.83 7.02 8.26 8.34 6.77 7.59 9.65 9.22 9.54 8.70 5.46
对表2 试验数据进行回归分析,得到拟合方程:乌梅多糖得率=9.52+0.31A+0.64B+0.24C-0.19D+0.19AB+0.046AC-0.11AD-0.067BC+0.21BD+0.29CD-0.58A2-0.81B2-0.44C2-0.58D2。方差分析结果见表3。
表3 回归模型方差分析结果
Table 3 Analysis of variance of the regression model
注:*表示影响显著,P<0.05;**表示影响极显著,P<0.01。
方差来源模型A 超声功率B 料液比C 提取时间D 提取温度AB AC AD BC BD CD A2 B2 C2 D2残差失拟项纯误差总和平方和47.05 2.24 9.78 1 0.84 0.59 0.034 0.19 0.073 0.7 1.38 8.82 17.29 3.12 9.05 1.28 1.13 0.15 48.33自由度14 111111111111111 4952 8均方3.36 2.24 9.78 1 0.84 0.59 0.034 0.19 0.073 0.7 1.38 8.82 17.29 3.12 9.05 0.092 0.13 0.031 F 值36.72 24.53 106.85 10.88 9.22 6.39 0.37 2.12 0.8 7.62 15.08 96.39 188.89 34.1 98.92 4.09 P 值<0.000 1 0.000 2<0.000 1 0.005 3 0.008 9 0.024 1 0.550 7 0.167 9 0.387 2 0.015 3 0.001 7<0.000 1<0.000 1<0.000 1<0.000 1 0.067 7<0.000 1显著性************************
由表3 可看出,模型P<0.000 1,表明该模型极显著;失拟项P=0.067 7>0.05,不显著,说明该模型不存在失拟因素;由方差分析得到模型的确定系数R2 为0.973 5,调整后的确定系数R2Adj 良好,综上表明该模型预测值与试验值的差异很小,因此在可变化的范围内可用该模型指导试验。交互项AB、BD 对乌梅多糖得率的影响显著;一次项A、B、C、D,交互项CD 与二次项A2、B2、C2、D2 对乌梅多糖得率的影响极显著。
各因素间相互作用的响应面图见图5。
图5 各因素间相互作用的响应面
Fig.5 Response surface of interactions between various factors
响应面分析得出最佳提取条件为超声功率167.89 W、料液比1∶22.12(g/mL)、提取时间67.29 min、提取温度39.41 ℃,乌梅多糖得率为9.73%;考虑到试验的可操作性和方便性,将提取工艺修正为料液比1∶22(g/mL)、提取温度39 ℃、提取时间67 min、超声功率160 W,进行3 次平行验证试验,乌梅多糖得率为9.7%,与理论预测值相符。
2.4.1 化学成分含量分析
表4 为乌梅多糖化学成分含量。
表4 乌梅多糖化学成分含量
Table 4 Chemical composition of Fructus mume polysaccharide
总糖含量/%86.73±0.20蛋白质含量/%0.02±0.01糖醛酸含量/%7.65±0.10
由表4 可以得出,乌梅多糖总糖含量为(86.73±0.20)%,蛋白质含量为(0.02±0.01)%,糖醛酸含量为(7.65±0.10)%。
2.4.2 扫描电子显微镜分析
图6 为乌梅多糖的扫描电子显微镜图。
图6 乌梅多糖扫描电子显微镜图
Fig.6 Scanning electron microscopy images of polysaccharide from Fructus mume
由图6 可以看出,乌梅多糖在低倍镜下为不规则碎片的片状结构,高倍镜下片状结构较为紧凑,紧密堆叠在一起,片状光滑,与绿豆多糖电子显微镜观察结果相似,可能是由于多糖中含有半乳糖醛酸使分子间相对作用力增大[32]。
2.4.3 红外光谱分析
图7 为乌梅多糖的红外光谱图。
图7 乌梅多糖红外光谱
Fig.7 Infrared spectrum of polysaccharide from Fructus mume
由图7 可看出,在3 600~3 200、3 000~2 800、1 500~1 200、1 200~800 cm-1 均有多糖的特征吸收峰,其中3 432 cm-1 处的吸收峰为—OH 的伸缩振动,表明分子间或分子内存在氢键;2 925 cm-1 处的吸收峰为C—H键的伸缩振动;1 619 cm-1 左右的吸收峰为糖酮类的伸缩振动;1 404 cm-1 处为COO—对称伸缩振动峰;1 229 cm-1 处为磷氧基吸收峰;1 100 cm-1 处的吸收峰为C—O—C 中的C—O 键的伸缩振动推测为呲喃糖。在594 cm-1 存在吸收峰,表明存在α-糖苷键,乌梅多糖可能为α-构型吡喃糖[33]。
2.4.4 紫外光谱分析
图8 为乌梅多糖的紫外光谱图。
图8 紫外光谱
Fig.8 UV spectrogram
由图8 可知,在260~280 nm 处没有吸收峰,说明乌梅多糖中没有蛋白质或者核酸的存在,620 nm 处没有吸收峰可以说明没有色素类物质存在。
2.4.5 刚果红分析
图9 为刚果红试验结果。
图9 刚果红试验结果
Fig.9 Results of Congo red test
刚果红试剂可与三股螺旋结构的多糖形成复合物,复合物未接触碱液时紫外扫描会出现红移,接触碱液后随着碱液浓度增加而逐渐蓝移至稳定。由图9 可知,乌梅多糖与刚果红形成络合物的λmax 与对照(刚果红+水)相比,并无明显变化,未出现λmax 红移的现象,说明乌梅多糖不具有三股螺旋结构,呈无规则卷曲线团形式存在[34]。
2.5.1 乌梅多糖对DPPH 自由基清除率的影响
乌梅多糖对DPPH 自由基清除率的影响见图10。
图10 乌梅多糖对DPPH 自由基清除率的影响
Fig.10 DPPH free radical scavenging activity of Fructus mume polysaccharide
由图10 可知,乌梅多糖对清除DPPH 自由基产生了积极影响,在乌梅多糖浓度为0.1~1.0 mg/mL 时,DPPH 自由基清除率随乌梅多糖浓度的增加呈上升趋势,而后稳定在94.12%,说明乌梅多糖具有良好的DPPH 自由基清除能力。可能是由于乌梅多糖可以作为自由基清除剂与其单电子配对使其吸收逐渐消失,从而达到清除DPPH 自由基的效果。
2.5.2 乌梅多糖对超氧阴离子自由基清除率的影响
乌梅多糖对超氧阴离子自由基清除率的影响见图11。
图11 乌梅多糖对超氧阴离子自由基清除率的影响
Fig.11 Superoxide anion free radical scavenging activity of Fructus mume polysaccharide
如图11 可见,随着乌梅多糖溶液浓度的提高,乌梅多糖溶液对O2-·的清除率不断提高,当乌梅多糖溶液浓度达到10 mg/mL 时,超氧阴离子自由基清除率达到最大值(56.49%),说明乌梅多糖对超氧阴离子自由基有良好的清除能力。可能是由于乌梅多糖中的半缩醛羟基与O2-·发生氧化还原反应,达到清除O2-·的目的。
2.6.1 胆酸盐标准曲线
胆酸盐标准曲线见图12。
图12 标准曲线
Fig.12 Standard curve
如图12 所示,牛磺胆酸钠标准曲线回归方程为y=2.379 6x-0.011 9,R2=0.999 1,线性关系良好;甘氨胆酸钠标准曲线回归方程为y=2.954 4x+0.002 2,R2=0.999 3,线性关系良好。
2.6.2 乌梅多糖对胆酸盐的结合能力结果分析
乌梅多糖对胆酸盐的结合能力见图13。
图13 乌梅多糖对胆酸盐的结合能力
Fig.13 Binding capacity of polysaccharide from Fructus mume to cholate
如图13 所示,乌梅多糖与两种胆酸盐的结合率都随着乌梅多糖浓度的增大而增加,乌梅多糖浓度为5 mg/mL 时,对甘氨胆酸钠的结合率最高可达45.73%,对于牛磺胆酸钠的结合率最高可达32.50%。表明乌梅多糖对胆酸盐有良好的结合能力。推测乌梅多糖可能通过将胆酸盐结合,不在肠道内进行吸收,最终将胆酸盐排出,从而促使更多的胆固醇在体内代谢转化成为胆汁酸,降低血液中的胆固醇,最终使血脂降低。
2.6.3 乌梅多糖对胰脂肪酶抑制作用
乌梅多糖对胰脂肪酶抑制作用见图14。
图14 乌梅多糖对胰脂肪酶抑制作用
Fig.14 Inhibitory effect of Fructus mume polysaccharide on pancreatic lipase
如图14 所示,随着乌梅多糖浓度增加,胰脂肪酶抑制率增加,对胰脂肪酶抑制率最高可达49.7%,脂肪酶能水解脂肪形成脂肪酸和甘油,抑制脂肪酶活性是治疗肥胖、预防其并发症的有效途径之一,可减少人体对脂肪的吸收[35]。
本文通过响应面优化超声波辅助水提醇沉的方法提取乌梅多糖,得出最优提取工艺为料液比1∶22(g/mL)、提取温度39 ℃、提取时间67 min、超声功率160 W,在上述提取工艺条件下进行3 次平行试验,得出乌梅多糖平均得率为9.7%,与预测值相近。对乌梅多糖进行理化性质分析得出,乌梅多糖总糖含量为(86.73±0.20)%、蛋白质含量为(0.02±0.01)%、糖醛酸含量为(7.65±0.10)%,扫描电镜发现乌梅多糖具有片层状结构,且结构紧凑、表面光滑,红外光谱分析为α-构型吡喃糖,紫外光谱得出乌梅多糖中不含有核酸、蛋白质、色素等,刚果红试验表明乌梅多糖不具有三股螺旋结构,同时对DPPH 自由基和超氧阴离子自由基的清除效果良好,表明乌梅多糖具有良好的抗氧化能力,乌梅多糖对胆酸盐的结合能力良好,乌梅多糖浓度为5 mg/mL 时,对牛磺胆酸钠的结合率为32.50%,对甘氨胆酸钠的结合率为45.73%;乌梅多糖浓度为10 mg/mL时,对胰脂肪酶抑制率为49.7%,表明乌梅多糖具有良好的降血脂能力,为后续对乌梅多糖的研究提供参考。
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Extraction Process,Physicochemical Properties,and in vitro Functional Activity of Polysaccharide from Fructus mume
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