陳飛平，周家華，曾凡坤，常 虹

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展研究所，北京100097; 2.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶400715)

大孔樹脂是一類非離子型高分子吸附劑，主要是通過物理作用力有選擇地吸附有機(jī)物，同時由于樹脂顆粒具有一定的孔徑，使得它們對通過孔徑的化合物根據(jù)其相對分子量的不同而具有一定的選擇性，從而達(dá)到分離純化的目的。在實際應(yīng)用中大孔樹脂對一些與其骨架結(jié)構(gòu)相近的分子如芳香族苯環(huán)化合物尤具很強(qiáng)的吸附能力［1］。由于其操作方便、設(shè)備簡單、成本低、可重復(fù)利用等優(yōu)點，近年來大孔樹脂在分離純化領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，常被用于黃酮［2－4］、多糖［5］、皂苷［6－8］、生物堿［9］、活性肽［10－11］等物質(zhì)的分離純化中。籽粒莧是一種糧、菜、飼兼具的多用型作物，在我國已有2000多年的栽培歷史，其籽實營養(yǎng)價值高，必需氨基酸含量高于一般谷物。目前國內(nèi)對莧籽蛋白的研究鮮見報道，而國外對其研究稍多。研究結(jié)果表明莧籽蛋白中含有降壓［12－13］、抗癌［14］、抗氧化［15］、抗菌［16］等肽片段。為了保持體系pH的恒定，在酶解制備莧籽ACE抑制肽的過程中需要加入氫氧化鈉溶液，致使莧籽ACE抑制肽粗提物中存在一定量的鹽分(主要為氯化鈉)，這些鹽分的存在不僅會影響產(chǎn)品的風(fēng)味，還會對人體健康產(chǎn)生不利影響，如加重腎臟負(fù)擔(dān)、導(dǎo)致高血壓等，因此需要對酶解產(chǎn)物進(jìn)行脫鹽處理。同時粗提物中還含有大分子的蛋白以及其他雜質(zhì)，需要進(jìn)行分離純化。有研究發(fā)現(xiàn)，大孔樹脂在純化ACE抑制肽方面的效果較好［17－20］，因此本實驗采用大孔樹脂對莧籽ACE抑制肽進(jìn)行分離純化研究，以期為ACE抑制肽的工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

籽粒莧莧籽(雜交K112) 北京市密云縣太師屯鎮(zhèn)流河溝村;DA201－C、DA201－E 江蘇蘇青水處理集團(tuán)有限公司;D101、HPD600、HPD826 滄州寶恩化工有限公司;NKA－9 南開大學(xué)化工廠;血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(ACE)、馬尿酰－組氨酰－亮氨酸(HHL) Sigma公司;乙腈 色譜純;堿性蛋白酶(Alcalase 2.4L FG) 諾維信公司;其他試劑 均為分析純。

表1 大孔樹脂的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Physical configuration parameters of the macroporous absorbed resins

高效液相色譜儀 沃特世(Waters)科技有限公司;H2050R臺式高速冷凍離心機(jī) 湘儀離心機(jī)儀器有限公司;PHS－3C酸度計 上海理達(dá)儀器廠; FD－80真空冷凍干燥機(jī) 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司;CP225D電子天平 德國賽多利斯股份公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 莧籽蛋白粉制備 稱取一定量的脫脂莧籽粉按料液比1∶35加入一定體積的0.018%質(zhì)量濃度的NaOH溶液，置于35℃恒溫震蕩培養(yǎng)箱中震蕩保溫提取30min，取出靜置10min，將上清液倒入離心管中，4℃、6000r/min離心20min，過濾得上清液。上清液用2mol/L HCl調(diào)節(jié)pH至4.6，在4℃下靜置6h，然后4℃、3000r/min離心15min，取沉淀用適量的水進(jìn)行溶解并調(diào)節(jié)pH至中性，進(jìn)行冷凍干燥得到莧籽蛋白粉。

1.2.2 莧籽ACE抑制肽制備 稱取適量莧籽蛋白粉，用蒸餾水將其溶解為底物質(zhì)量濃度為4%的水解底物，在90℃恒溫水浴中預(yù)處理10min，取出冷卻至54.4℃，用1mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH8.78，加入質(zhì)量為底物質(zhì)量5%的堿性蛋白酶，在54.4℃恒溫水浴震蕩搖床中水解3h，水解過程中保持pH和溫度恒定，用1mol/L NaOH調(diào)節(jié)維持pH8.78±0.05之間。酶解結(jié)束后在沸水浴中加熱10min滅酶，迅速冷卻，4℃、10000r/min離心20min，取上清液冷凍干燥得莧籽ACE抑制肽。

1.2.3 大孔樹脂的預(yù)處理 采用2倍體積無水乙醇浸泡24h，使其充分溶脹，用無水乙醇洗至洗脫液加適量蒸餾水無白色混濁出現(xiàn)，隨后用蒸餾水洗至無乙醇味;接著用2倍體積的質(zhì)量濃度為5%鹽酸浸泡3h，再用蒸餾水洗至中性;最后用2倍體積的質(zhì)量濃度5%氫氧化鈉溶液浸泡3h，再用蒸餾水洗至中性，備用。

1.2.4 大孔樹脂型號的篩選 為了富集莧籽蛋白酶解物中的多肽，脫去無機(jī)鹽，本實驗以吸附率和解吸率為指標(biāo)，比較DA201－C、DA201－E、D101、HPD600、NKA－9和HPD826等6種大孔樹脂對莧籽ACE抑制肽的分離純化效果。

稱取10g預(yù)處理樹脂置于150mL錐形瓶中，向其中加入質(zhì)量濃度10mg/mL的水解液30mL，在25℃，160r/min條件下震蕩12h，使樹脂與料液充分接觸，震蕩結(jié)束后取出抽濾，測定濾液的蛋白含量，大孔樹脂吸附能力的計算如公式(1)。再將過濾后的大孔樹脂置于150mL錐形瓶中，加入體積分?jǐn)?shù)75%的乙醇30mL，在25℃，160r/min條件震蕩12h，取出抽濾，測定濾液中的蛋白含量。大孔樹脂解吸能力的計算如公式(2)。

1.2.5 DA201－C大孔樹脂靜態(tài)吸附能力的測定 稱取10g預(yù)處理樹脂置于150mL錐形瓶中，向其中加入質(zhì)量濃度 10mg/mL的水解液 30mL，在 25℃，160r/min震蕩7h使樹脂與料液充分接觸，每0.5h取樣1次，測定其蛋白質(zhì)含量，計算吸附率，作DA201－C大孔樹脂靜態(tài)吸附曲線。

1.2.6 DA201－C大孔樹脂靜態(tài)解吸能力的測定 稱取10g預(yù)處理樹脂置于150mL錐形瓶中，向其中加入質(zhì)量濃度 10mg/mL的水解液 30mL，在 25℃，160r/min震蕩6h，待其充分吸附后取出抽濾，再將吸附后的大孔樹脂重新置于150mL錐形瓶中，加入體積分?jǐn)?shù)75%的乙醇30mL，每0.5h取樣1次，測定其蛋白質(zhì)含量，計算解吸率，作DA201－C大孔樹脂靜態(tài)解吸曲線。

1.2.7 DA201－C大孔樹脂靜態(tài)純化莧籽ACE抑制肽工藝 稱取一定量的預(yù)處理樹脂于錐形瓶中，加入一定量的水解液，在25℃，160r/min震蕩6h，待其充分吸附后取出抽濾，測定其濾液的蛋白質(zhì)含量，計算吸附率，分別考察水解液質(zhì)量濃度6、8、10、12、14、16mg/mL和pH2、3、4、5、6、7、8、9對樹脂吸附性能的影響。

稱取一定量水解液吸附后的大孔樹脂于錐形瓶中，加入一定量的洗脫劑，在25℃，160r/min條件震蕩2h，抽濾，測定濾液中的蛋白質(zhì)含量，計算解吸率。收集洗脫液并濃縮，冷凍干燥后分別用等體積的去離子水復(fù)溶，測定氯化物含量和ACE抑制效果，計算其脫氯率和ACE抑制率，考察不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液對樹脂解吸性能的影響。

1.2.8 DA201－C大孔樹脂動態(tài)純化莧籽ACE抑制肽工藝 在層析柱(3.2cm×100cm)中裝入預(yù)處理好的樹脂，濕法上柱，讓其自然沉淀得高約87cm，床體積(BV)約700mL的樹脂固定床。將一定量的水解液流經(jīng)層析柱，吸附完成后用1BV的蒸餾水將未吸附的蛋白以及粘附在樹脂上的雜質(zhì)沖洗干凈，再將一定量的體積分?jǐn)?shù)75%的乙醇溶液流經(jīng)層析柱進(jìn)行洗脫，以A280nm≤0.05時停止洗脫，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮后冷凍干燥，得到莧籽ACE抑制肽。

在靜態(tài)純化實驗確定的最適水解液質(zhì)量濃度和pH以及洗脫劑的基礎(chǔ)上，以吸附率或解吸率為指標(biāo)，分別考察上樣流速 2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0mL/min、上樣量0.2、0.4、1.0BV、洗脫流速1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0mL/min、和洗脫體積0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0BV對樹脂動態(tài)吸附－解吸的影響。

1.2.9 成分分析 蛋白質(zhì)含量測定:Folin－酚法;短肽含量測定:三氯乙酸法［21］;氯含量測定:鉻酸鉀指示劑法GB/T11896－89;ACE抑制率測定:高效液相色譜法［22］。

1.2.10 數(shù)據(jù)處理 實驗數(shù)據(jù)均為3次平行實驗的平均值，用Sigma Plot和Excel軟件進(jìn)行圖表處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 分離純化莧籽ACE抑制肽最適大孔樹脂篩選結(jié)果

從圖1中可知，6種樹脂對莧籽ACE抑制肽的吸附和解吸性能呈現(xiàn)一定的趨勢，即非極性樹脂對莧籽ACE抑制肽的吸附和解吸能力較強(qiáng)，說明莧籽ACE抑制肽的疏水性較高。6種大孔樹脂的吸附率差異不是很大，相比之下，DA201－C的吸附效果稍高于其他型號，達(dá)到73.42%，可能是由于DA201－C樹脂是一種比表面積較大、非極性樹脂，其對疏水性多肽有較強(qiáng)的吸附性，同時其平均孔徑相對較小，對分子量較大的蛋白吸附力差，可以初步達(dá)到分離純化小分子莧籽ACE抑制肽的目的。在體積分?jǐn)?shù)75%的乙醇為洗脫劑的條件下，DA201－E的解吸率最高，達(dá)71.77%，DA201－C次之。盡管DA201－E有較高的解吸率，但其在吸附的過程中會產(chǎn)生難聞的化學(xué)氣味，因此本實驗篩選DA201－C為分離純化莧籽ACE抑制肽的最適大孔樹脂。

圖1 6種大孔樹脂對莧籽ACE抑制肽的吸附率和解吸率比較結(jié)果Fig.1 Comparison of adsorption rates and desorption rates of 6 types of macroporous resins

2.2 DA201－C大孔樹脂對莧籽ACE抑制肽的靜態(tài)吸附曲線

DA201－C是一種非極性樹脂，在吸附過程中，吸附質(zhì)分子的疏水性部分通過范德華力或氫鍵作用優(yōu)先被吸附在樹脂的疏水聚合物表面，由于樹脂表面的結(jié)合位點有限，樹脂的吸附會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。從圖2中可以看出，在前3h內(nèi)DA201－C大孔樹脂對莧籽ACE抑制肽的吸附率隨著時間的增加迅速增加，之后增加率變緩，6h后吸附率趨于穩(wěn)定，這與劉志東［23］報道的結(jié)果相符。因此選擇6h為后續(xù)靜態(tài)吸附的時間。

圖2 DA201－C大孔樹脂靜態(tài)吸附曲線Fig.2 Static adsorption curves of DA201－C resin

2.3 DA201－C大孔樹脂對莧籽ACE抑制肽的靜態(tài)解吸曲線

有研究表明，大孔樹脂在吸附過程中，吸附質(zhì)通常并不進(jìn)入微球相(凝膠相)，而是被吸附在微球相表面，因此洗脫過程一般較快［1］。如圖3所示，相對于吸附來說，解吸達(dá)到平衡所需的時間較短，屬于快速平衡型。體積分?jǐn)?shù)75%的乙醇可以比較集中的在大約1h內(nèi)將大部分吸附的多肽洗脫下來。因此，DA201－C大孔樹脂對莧籽ACE抑制肽具有良好的吸附和解吸性能。

圖3 DA201－C大孔樹脂靜態(tài)解吸曲線Fig.3 Static elution curves of DA201－C resin

2.4 DA201－C大孔樹脂靜態(tài)純化莧籽ACE抑制肽工藝

2.4.1 水解液質(zhì)量濃度對樹脂靜態(tài)吸附效果的影響如圖4所示，水解液質(zhì)量濃度較低時，隨著質(zhì)量濃度的增加，樹脂吸附率增加;水解液的質(zhì)量濃度達(dá)到10mg/mL時，樹脂的吸附率達(dá)到最大(64.84%);水解液質(zhì)量濃度大于10mg/mL時，樹脂的吸附率反而降低?？赡苁怯捎跐舛冗^高，樣品中肽分子多，在擴(kuò)散過程中相互碰撞，阻礙了其向樹脂的擴(kuò)散速度，導(dǎo)致吸附率下降。因此，水解液的質(zhì)量濃度控制在10mg/mL左右為宜。

2.4.2 水解液pH對樹脂靜態(tài)吸附效果的影響 從圖5中可見，pH偏酸性時樹脂的吸附效果較好，這可能是由于莧籽ACE抑制肽中疏水性氨基酸的含量較多，而疏水性氨基酸多為酸性氨基酸，因此在酸性環(huán)境下樹脂的吸附性能更佳。同時莧籽ACE抑制肽是一類兩性分子，pH可以影響其電離狀態(tài)，從而改變其靜電引力和形成氫鍵的能力，致使樹脂的吸附率發(fā)生改變。當(dāng)pH為3～5時，大孔樹脂的吸附率達(dá)到最大，可能是因為pH3～5為莧籽ACE抑制肽的等電點，在這個條件下，ACE抑制肽以分子狀態(tài)存在，能與樹脂間通過氫鍵作用結(jié)合，樹脂對其吸附作用強(qiáng)［24］，并且此時肽的溶解度最低，最容易被吸附［1］。由于酶解過程是在堿性條件下完成的，莧籽ACE抑制肽粗提物的pH偏堿性，為了減少調(diào)節(jié)pH而加入的鹽酸的用量，本實驗選擇 pH5為最適的酶解液pH。

圖4 水解液質(zhì)量濃度對樹脂靜態(tài)吸附性能的影響Fig.4 Effect of sample concentration on static adsorption of DA201－C resin

圖5 水解液pH對樹脂靜態(tài)吸附性能的影響Fig.5 Effect of sample pH on static adsorption of DA201－C resin

2.4.3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對脂靜態(tài)解吸效果的影響 大孔樹脂對有機(jī)物的吸附作用主要是基于有機(jī)物的疏水基團(tuán)與吸附劑之間的物理作用力，因此大孔樹脂對物質(zhì)的吸附力微弱，只要改變體系的親水與疏水平衡，就可以引起被吸附物質(zhì)的解吸。DA201－C是一種非極性樹脂，根據(jù)“相似相溶”原理，洗脫劑的極性越低，其對吸附質(zhì)的洗脫能力越強(qiáng)。如圖6所示，不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇對莧籽ACE抑制肽的解吸效果差異顯著，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，解吸率增加，體積分?jǐn)?shù)75%的乙醇溶液的解吸率最高，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)到100%時，解吸率較75%時有所下降，這可能是由于ACE抑制肽中疏水性氨基酸含量較高，其在蒸餾水中溶解性小，而部分相對分子質(zhì)量較大的多肽在無水乙醇中的溶解性不好。由于溶液呈電中性，而酶解液中的鹽分主要為氯化鈉，因此可以用脫氯率來大致反映酶解液的脫鹽效果。從圖6中可以看出5種乙醇溶液均有較高的脫氯率，其中體積分?jǐn)?shù)75%時脫氯率最高，說明DA201－C大孔樹脂具有降低莧籽ACE抑制肽中鹽分的作用。

圖6 不同體積分?jǐn)?shù)乙醇對樹脂靜態(tài)解吸率和脫氯率的影響Fig.6 Effect of ethanol concentration on the static desorption and dechlorination of DA201－C resin

不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液的極性不同，它們與疏水性的肽段的親和力也不同，從而可以得到疏水性不同的肽段，而肽段的降壓活性與其疏水性密切相關(guān)［25－27］。如圖7所示，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，產(chǎn)物的ACE抑制率呈現(xiàn)先升高后降低的變化，在體積分?jǐn)?shù)為75%時達(dá)到最大，為53.59%，比未純化的酶解液的ACE抑制率提高了9.13%。因此選擇體積分?jǐn)?shù)75%的乙醇溶液為最適的洗脫劑。

圖7 不同體積分?jǐn)?shù)乙醇對洗脫產(chǎn)物ACE抑制率的影響Fig.7 Effect of ethanol concentration on the ACE inhibition ratio of elute of DA201－C resin

2.5 DA201－C大孔樹脂動態(tài)純化莧籽ACE抑制肽工藝

2.5.1 上樣流速和上樣量對樹脂動態(tài)吸附效果的影響 上樣流速會影響溶質(zhì)向樹脂表面擴(kuò)散，從而影響樹脂固定床動態(tài)吸附效率，如圖8所示，隨著上樣流速的增加，樹脂吸附率下降，可能是由于流速過快，溶液在樹脂內(nèi)停留時間縮短，固定相和流動相沒有充分接觸，導(dǎo)致流動相中的肽分子還未與樹脂內(nèi)表面接觸就已提前穿透流出，致使吸附率降低。當(dāng)上樣量為0.2BV時，莧籽ACE抑制肽幾乎完全被吸附，吸附率達(dá)95%左右，隨著上樣量的增加，吸附率下降，但是考慮到充分利用樹脂、提高純化效率，本實驗選擇上樣量1BV，上樣流速6mL/min。

2.5.2 洗脫流速對樹脂動態(tài)解吸效果的影響 不同的洗脫流速對解吸效果有一定的影響(見圖9)，以5mL/min的流速進(jìn)行洗脫得到的解吸率最高，所以，本實驗采用5mL/min的洗脫流速。

圖8 流速和上樣量對樹脂動態(tài)吸附性能的影響Fig.8 Effect of flow rate and hydrolysate quantity on the dynamic adsorption of DA201－C resin

圖9 洗脫流速對樹脂動態(tài)解吸性能的影響Fig.9 Effect of elution flow rate on dynamic desorption of DA201－C resin

2.5.3 洗脫體積對樹脂動態(tài)解吸效果的影響 從圖10可見，體積分?jǐn)?shù)75%乙醇的洗脫能力與其用量呈正相關(guān)，用量越大，解吸率越大，在前2.5BV時，解吸率隨著洗脫體積的增加，迅速增加，4.5BV后解吸率的變化緩慢。從節(jié)約成本方面考慮，洗脫體積以4.5～5.0BV為宜。

圖10 洗脫體積對樹脂動態(tài)解吸性能的影響Fig.10 Effect of the effluent volume on dynamic desorption of DA201－C resin

2.6 DA201－C大孔樹脂對莧籽ACE抑制肽的分離效果

由表2可以得出，經(jīng)過樹脂純化后，莧籽ACE抑制肽的蛋白純度為89.47%(含水量9.33%)，脫鹽率為88.86%，短肽含量提高了20.96%，ACE抑制活性提高了27.91%。

表2 DA201－C大孔樹脂分離效果(%)Table 2 The purified effect of DA201－C resin

3 結(jié)論

本實驗采用大孔樹脂對莧籽ACE抑制肽進(jìn)行吸附－解吸實驗，選出性能最佳的樹脂，并對其純化工藝進(jìn)行優(yōu)化。采用靜態(tài)吸附－解吸實驗，對6種不同極性的樹脂進(jìn)行篩選，確定DA201－C樹脂為純化莧籽ACE抑制肽的理想樹脂，并考慮水解液質(zhì)量濃度和pH對DA201－C樹脂靜態(tài)吸附性能的影響以及不同體積分?jǐn)?shù)乙醇對該樹脂解吸性能的影響，確定水解液質(zhì)量濃度10mg/mL，pH5時，樹脂的靜態(tài)吸附率最大，體積分?jǐn)?shù)75%的乙醇對樹脂的解吸率最高，洗脫產(chǎn)物的脫氯率和ACE抑制率均為最大。在此基礎(chǔ)上，采用動態(tài)吸附－解吸實驗，考察上樣流速、上樣量、洗脫流速和洗脫體積對樹脂純化莧籽ACE抑制肽工藝的影響，確定最優(yōu)的條件為:上樣流速6mL/min，上樣量1BV，洗脫流速5mL/min，洗脫體積5BV，此時DA201－C樹脂的吸附率為83.69%，解吸率為98.69%。實驗結(jié)果表明，莧籽ACE抑制肽經(jīng)DA201－C大孔樹脂純化后，蛋白純度含量由85.5%提高到89.47%(含水量9.33%)，脫鹽率為88.86%，短肽含量提高了20.96%，ACE抑制活性提高了27.91%，因此DA201－C大孔樹脂可以較好的脫除莧籽ACE抑制肽中無機(jī)鹽等雜質(zhì)，提高其純度和生理活性。

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