張洪濤,趙小亮,范尊曉,羅宸,朱莉,毛江川,詹曉北,毛延卿
1(江南大學(xué)生物工程學(xué)院糖化學(xué)與生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫,214122)
2(中國(guó)海洋大學(xué)醫(yī)藥學(xué)院海洋藥物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島,266003)
3(江蘇瑞光生物科技有限公司,江蘇無(wú)錫214000)
4(杭州眾芝康菇生物技術(shù)有限公司,浙江杭州,310015)
香菇多糖(lentinan,簡(jiǎn)稱LNT)最初是由Chihara等人從香菇中分離得到β-1,3/6葡聚糖,因其生物活性強(qiáng)、安全性高、來(lái)源廣泛而引起人們的重視,近年來(lái)更是在國(guó)內(nèi)外形成了一股開發(fā)香菇多糖的熱潮[1-3]。武漢大學(xué)的張俐娜教授在國(guó)內(nèi)較早開展了香菇多糖的結(jié)構(gòu)與流變學(xué)特性的研究,通過(guò)采用不同的溶劑實(shí)現(xiàn)了水溶性多糖和水不溶性多糖的分離與分級(jí)制備,并對(duì)不同組分的單糖組成進(jìn)行了分析[4],對(duì)水不溶性多糖中α-1,3葡聚糖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征[5],但是對(duì)水溶性多糖組分進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征方面的研究至今仍鮮有報(bào)道。
在闡明食品中功能因子的量效與構(gòu)效關(guān)系研究日益強(qiáng)化的今天,對(duì)香菇子實(shí)體中水溶性多糖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征將有助于深入地挖掘其功能,理解其功效機(jī)制。ZHANG等對(duì)純熱水提取的水溶性多糖進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征[6],將其鑒定為含有 β-1,3/6 和 α-1,4/6 鍵的葡聚糖;WANG等用水提法對(duì)香菇子實(shí)體進(jìn)行提取,獲得的多糖為β-1,3/6葡聚糖[7];Jeff等在水提的基礎(chǔ)上,用DEAE-Celluose柱子依次用水,0.5 mol/L和1 mol/L NaCl溶液進(jìn)行洗脫,結(jié)果表明:水洗脫液中多糖為含有葡萄糖、半乳糖和甘露糖組成的α-雜多糖[8],NaCl流動(dòng)相中的多糖則為含有葡萄糖、半乳糖和甘露糖組成的β-雜多糖[9]。大量研究表明,不同提取流程獲得的多糖,其組成有差別[3]。因此,對(duì)不同的提取流程,仍需要進(jìn)行多糖的結(jié)構(gòu)分析與表征。
課題組在進(jìn)行香菇多糖組分與組成分析過(guò)程中,主要采用了張俐娜教授所用的分離提取方法,如圖1所示。但是到目前為止,對(duì)水提取部分多糖LFI和LFII的結(jié)構(gòu)、組成進(jìn)行表征的工作仍然沒(méi)有進(jìn)行。針對(duì)這一問(wèn)題,本文主要利用IR,甲基化分析(GC-MS)和NMR技術(shù)對(duì)LFI和LFII的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征與分析。此外,考慮多糖提取液中有色素、蛋白質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽、低分子量物質(zhì)等雜質(zhì),針對(duì)這一問(wèn)題,本文也對(duì)利用不同樹脂來(lái)除去香菇中提取多糖的色素方法進(jìn)行了探索。本研究將為香菇子實(shí)體中可溶性多糖的提取、質(zhì)量控制、功能挖掘與構(gòu)效關(guān)系分析提供有用的信息與數(shù)據(jù)。
將香菇子實(shí)體真空干燥2.5 h,然后再在常溫下進(jìn)行干燥,直到水分低于7%,用氣流粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎,粉碎物直接過(guò)120目振動(dòng)篩,收集備用。水溶性多糖的提取參照Z(yǔ)HANG[5]等的方法,(1)稱取香菇多糖粉末 100 g,按 1∶20(g∶mL)溶于 0.9%NaCl水溶液中,60℃溶解12 h后8 000 r/min離心10 min,得到上清液LFⅠ;(2)沉淀按1∶20(g∶mL)比例加入到80℃水中,處理10 h后8 000 r/min離心10 min得到上清液LFⅡ。具體流程如圖1所示。
圖1 水溶性多糖的分級(jí)提取流程Fig.1 The procedure of water-soluble polysaccharides extracted from Lentinus
樹脂的預(yù)處理。AB-8和DA201:按1∶1.5將樹脂浸泡在95%乙醇中,24 h后裝柱水洗至無(wú)醇味。JK008:先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HCl浸泡,12 h后裝柱洗脫至中性;再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH浸泡,12 h后洗脫至中性。
樹脂的選擇。分別量取20 mL上清液LFI和LFII,每份上清液中各加入 3 mL AB-8、DA201、JK008三種樹脂,確定了對(duì)提取液LFⅠ用6 mL AB-8樹脂/10 mL提取液,LFⅡ用2 mL AB-8樹脂/10 mL提取液進(jìn)行色素脫除。
使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的方法濃縮脫色素的上清液LFI和LFII。將濃縮液置于磁力攪拌器上,分別緩慢加入95%的乙醇至乙醇終體積分?jǐn)?shù)為75%,混合均勻后于4℃冰箱隔夜,4 500 r/min離心10 min,收集沉淀。將沉淀溶于水后,置于截流量為7 000 Da的透析袋中,用離子水透析,每12 h更換1次水,透析2天。將透析液減壓冷凍干燥后備用。
凍干后的LFI和 LFII溶于水中,配成1 mg/mL(含0.2 mol/L NaCl)溶液,經(jīng)過(guò)0.45 μm醋酸纖維素膜過(guò)濾(Whatman,Maidstone,UK),然后用于高效凝膠色譜(HPSEC)-多角度光散射聯(lián)用 (MALLS)(DAWN HELEOSII,Wyatt Technology,USA),SHODEX OHpak SB-803-HQ(8 mm×300 mm,Showa Denko K.K.,Tokyo,Japan)柱(SB-804-HQ 作為保護(hù)柱)于25℃進(jìn)行分離。激光光源為He-Ne laser,658 nm線性偏振激光,檢測(cè)角度18個(gè)。0.1 mol/L NaNO3(含有0.02% 的疊氮化鈉)作為流動(dòng)相,流速為0.5 mL/min。數(shù)據(jù)處理用Wyatt Astra software軟件。Mw(weight-average molecular weight)表示質(zhì)均分子質(zhì)量,Mn(number average molecular weight)表示數(shù)均分子量,分子質(zhì)量分布指數(shù)(polydispersity index,PDI)用Mw/Mn來(lái)計(jì)算。
采用KBr圓盤法處理[10]:在紅外燈照射下,取少許多糖和3~4勺KBr(多糖∶KBr質(zhì)量比約為1∶50)于研缽中研細(xì),取適量壓成透光薄片,上樣,使用Nicolet Nexus 470 FT-IR紅外光譜儀在4 000~400 cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)分析,分辨率設(shè)置為32 scans/4 cm-1,分析軟件為 Omnic software(version 7.0)。
NMR分析樣品的準(zhǔn)備:將50 mg多糖LFI和LFII分別在P2O5真空干燥箱中充分干燥后溶解于0.5 mL D2O中,真空冷凍干燥,重復(fù)3次,最后將樣品用0.5 mL DMSO-d6溶解轉(zhuǎn)移至核磁管中,在25℃下進(jìn)行一維1H-NMR分析和13C譜NMR分析,采用MestReNova軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)輔助解析。
甲基化:充分干燥的LFI和 LFII多糖樣品2 mg置于微量反應(yīng)管中,加入攪拌子,N2保護(hù)下加入1 mL無(wú)水DMSO,超聲波助溶5 min,攪拌使其充分溶解。隨后加入處理后NaH約50 mg,室溫?cái)嚢璺磻?yīng)1 h,緩慢滴加0.5 mL CH3I反應(yīng)1 h,加入1 mL ddH2O終止反應(yīng)。向反應(yīng)混合物中加入1 mL氯仿萃取,4 500 r/min離心10 min收集氯仿層,經(jīng)減壓濃縮至干,用少量氯仿溶解轉(zhuǎn)移至安瓿瓶中干燥后中加入2 mol/L三氟乙酸振蕩溶解后于110℃水解4 h。將水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至微量反應(yīng)瓶,加入0.5 mL dd H2O完全溶解后,加入0.5 mL 0.1 mol/L NaOH溶液(含0.48 mol/L NaBD4)室溫反應(yīng)4 h。反應(yīng)結(jié)束后加入20%的醋酸水溶液(約100 μL)至反應(yīng)液pH呈中性。反應(yīng)物經(jīng)減壓濃縮至干后于真空減壓干燥箱中干燥。再加入0.5 mL無(wú)水吡啶溶解,攪拌溶解后,加入0.5 mL乙酸酐反應(yīng)1h后,加入1 mL ddH2O淬滅,反應(yīng)物加入二氯甲烷萃取3次,合并萃取液后再用2 mL ddH2O萃取4次,棄去水相,收集二氯甲烷層,減壓濃縮至干后于真空干燥箱中干燥后備用。
GC-MS分析:樣品用適量二氯甲烷溶解后進(jìn)樣GC-MS分析。參照 CCRC(complex carbohydrate research center,http://www.ccrc.uga.edu/specdb/ms/pmaa/pframe.html)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
AB-8、DA201兩種樹脂的用量對(duì)香菇多糖提取液脫色率和多糖保留率的影響如圖2所示(由于JK008脫色效果極弱,數(shù)據(jù)未展示)。從圖2可以看出,與DA201樹脂相比,AB-8樹脂對(duì)提取液LFⅠ、LFⅡ中的色素吸附效果較好,AB-8對(duì)多糖的吸附率也高于DA201樹脂。優(yōu)化結(jié)果為:對(duì)提取液LFI用6 mL AB-8樹脂/10 mL提取液,LFII用2 mL AB-8樹脂/10 mL提取液進(jìn)行色素脫除,此條件下色素脫除率分別為72%和53%,多糖保留率分別為43%和62%。AB-8有著較好的脫色和脫蛋白效果。
圖2 AB-8和DA201樹脂用量不同對(duì)LFI(LF1)和LFII(LF2)中色素脫出和多糖保留的影響Fig.2 The effect of amount used AB-8 and DA201 on pigments removing and polysaccharides keeping
LFI和LFII分子質(zhì)量如表1所示。從表1可以看出,LFI的Mw是1.350×106g/mol,LFII的 Mw 是2.771×106g/mol。LFII的分子質(zhì)量比LFI大,這是由于LFII的提取溫度較高造成的,因?yàn)闇囟仍礁?,多糖的溶解性越好。Mw/Mn是衡量分子均一的指標(biāo),比值接近1支鏈越少,支鏈比較多的甚至高達(dá)20~50。LFI和 LFII的Mw/Mn分別是1.010和1.029。
LFI和LFII的紅外光譜如圖3所示。圖3中在2 931 cm-1和1 362 cm-1處有2組吸收峰,該吸收峰分別代表了糖類化合物C—H伸縮振動(dòng)和變角振動(dòng),而在3 390~3 420 cm-1吸收峰則代表了糖類化合物O—H 伸縮振動(dòng)[11],為多糖特征吸收峰[12],1 249 和1 643 cm-1處也為多糖的特征吸收峰,這些峰在LFI和LFII的IR圖中均可以看到,這說(shuō)明兩者均為多糖。950~1 250 cm-1有強(qiáng)吸收峰,表示其為呋喃單體,在LFI和 LFII中均可以看到,說(shuō)明LFI和LFII的單糖組成為呋喃單體類型。
表1 LFI和LFII分子量Table 1 Experimental results of the Mw and Mn of LFI and LFII at 25℃
圖3 LFI和 LFII紅外光譜Fig.3 IR spectra of LFI and LFII
1 732 cm-1處為-COOH中 C=O的特征吸收峰和1213 cm-1處-COOH中OH變角振動(dòng)吸收峰,LFI和LFII的紅外光譜中均沒(méi)有觀察的該吸收峰,這表明LFI和LFII均不含葡萄糖醛酸。810 cm-1是甘露糖特征吸收峰[12],LFI和 LFII的IR圖譜觀察到810 cm-1,表明LFI和 LFII均含有甘露糖。
在926 cm-1、844 cm-1和822 cm-1處有吸收峰為α-(1→3)-D-葡聚糖的特征吸收[5]。920 cm-1是 α-D-葡聚糖的特征吸收峰,LFI的紅外光譜圖中觀察到927 cm-1吸收峰,這表明LFI含有α-D-葡聚糖單元。
890 cm-1處吸收是 β-吡喃糖苷鍵的特征峰[11,13-14],從 LFII的 IR 圖中可以看到,在 889 cm-1有吸收峰,則表示LFII分子中有β-D-Glc的C—H差相異構(gòu)吸收峰,即LFII中含有β呋喃構(gòu)型糖單元。β型葡聚糖C—H直立鍵在(891±7)cm-1有弱吸收,LFII的IR圖中可以看到在921 cm-1有吸收峰表明LFII含有β-D-Glc單元。
LFI和 LFII樣品在 DMSO/D2O中的600 MHz1H-NMR圖譜如圖4所示。在1H-NMR圖譜中,β-鍵在4.1~4.9 ppm范圍內(nèi)有峰,而α-鍵在5.0~5.6 ppm范圍內(nèi)有峰出現(xiàn)[15]。由圖4知,LFI和 LFII均既含有β-鍵也含有α-鍵。對(duì)于13CNMR分析,C1的信號(hào)峰一般在100~104 ppm C2,C3,C4,C5和 C6的在60~80 ppm,如果含有糖蛋白則會(huì)在20~40 ppm 出現(xiàn)信號(hào)峰[16]。δ(C3)(86.7/86.8/86.9 ppm)和δ(C6)(68.8/68.9 ppm)表明多糖存在1,3-和1,6-鍵型的糖單元[17-18],LFI 和 LFII的均含有這 2 個(gè)特征峰,這表明LFI和 LFII均含有1,3-和1,6-鍵型。
圖4LFI(a)和LFII(b)的1H-NMR圖譜Fig.4 1H-NMR chemical shifts of LFI(a)and LFII(b)
LFI和 LFII的1H-NMR譜圖如圖4所示,δ4.96 ppm為α-1Xyl的H1信號(hào)峰,δ4.72 ppm為β-1Xyl的H1信號(hào)峰,δ4.53 ppm 為β-1Glc6的H1信號(hào)峰 (參考http://cell.ccrc.uga.edu/world/xgnmr/)。
圖5LFI(a)和LFII(b)的13C-NMRFig.5 13C-NMR chemical shifts of LFI(a)and LFII(b)
LFI和LFII的13CNMR分析如圖5所示。從圖5中可以看出,LFI和LFII均含有δ103.4的信號(hào)峰,這表明兩者均含 β-鍵糖單元[19]。LFI的1H-NMR含有的 δ4.52為 β-1,3,6鍵連接的 Glc的1H 信號(hào)峰,δ4.68為β-1,3鍵連接的Glc的1H信號(hào)峰,δ4.96為α-1,6 鍵連接的 Glc的1H 信號(hào)峰[20],δ5.22 為 α-1Glc的1H 信號(hào)峰,δ5.47 為 α-1Glc4-鍵的1H 信號(hào)峰[21]。LFII的1H-NMR 含有的 δ4.53為 β-1,3,6鍵連接的Glc的1H信號(hào)峰,δ4.68為β-1,3鍵連接的Glc的1H信號(hào)峰,δ4.96為α-1,6鍵連接的Glc的1H信號(hào)峰,δ5.22 為 α-1Glc的1H 信號(hào)峰[7]。
利用改良的Hakomori方法,樣品LFI和LFII依次經(jīng)甲基化、水解、還原、乙?;筮M(jìn)行GC-MS分析所得的GC-MS圖譜如圖3所示。參照CRCC(complex carbohydrate research center,http://www.ccrc.uga.edu/specdb/ms/pmaa/pframe.html)數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。香菇中多糖成分主要由葡萄糖、木糖、甘露糖和半乳糖組成[4,8-9],結(jié)合 IR 和NMR數(shù)據(jù),樣品LFI的各單糖衍生物質(zhì)譜數(shù)據(jù)如表2所示,樣品LFⅡ的各單糖衍生物質(zhì)譜數(shù)據(jù)如表3所示。1,6-Man和1,4,6-Man主要根據(jù)已經(jīng)報(bào)道的香菇多糖水提取多糖中Man的鍵型為α,因而將其歸為α-1,6-Man 和 α-1,4,6-Man[9,22-23]。
與WANG等[7]利用水提法從香菇子實(shí)體中獲得的多糖為β-1,3/6-葡聚糖不同,本研究中的所提取、獲得的水溶性多糖組份為由葡萄糖,半乳糖和甘露糖組成的雜多糖,這一結(jié)果與Jeff等的研究中關(guān)于水溶性多糖的單糖組成分析相一致[8-9],但是在Jeff等的報(bào)道中,純水提取的多糖為 α型多糖,0.5 mol/L NaCl提取的多糖為α和β混合型多糖,本研究所獲得的LFI和LFII均為α和β混合鍵型多糖;LFI多糖組分由 α-1Man,β-1Glc,α-1Gal,β-1,3-Glc-,α-1,6-Glc-,α-1,4-Glc-和 α-1,4,6-Man-糖單元組成。LFII多糖組分由 α-1Xyl,α-1Gal,β-1Glc,β-1,3-Glc-,β-1,6-Glc-,α-1,6-Man-,β-1,3,6-Glc,α-1,4,6-Man-和 α-1,2,6-Gal-糖單元組成。
表2 基于GC-MS技術(shù)的LFI甲基化分析Table 2 GC-MS analysis of alditol acetates of LFI
表3 基于GC-MS技術(shù)的LFII甲基化分析Table 3 GC-MS analysis of alditol acetates of LFII
[1] Chihara G,Maeda Y,Hamuro J,et al.Inhibition of mouse sarcoma 180 by polysaccharides from Lentinus edodes(Berk.)sing[J].Nature,1969,222(5194):687-688.
[2] Shen J,Yao J-f,Tanida M,et al.An evidence-based perspective of Lentinus edodes(Shiitake mushroom)for cancer patients[M].Springer:Evidence-based Anticancer Materia Medica,2011:303-317.
[3] Xu X,Yan H,Tang J,et al.Polysaccharides in Lentinus edodes:Isolation,Structure,Immunomodulating activity and future prospective[J].Crit Rev Food Sci Nutr,2014,54(4):474-487.
[4] 張俐娜,張平義,李翔,等.香菇多糖的成分及其分子量研究[J].高等學(xué)?;瘜W(xué)學(xué)報(bào),1998,19(9):1 513-1 517.
[5] Zhang P,Zhang L,Cheng S.Chemical Structure and Molecular Weights of α-(1→3)-D-Glucan from Lentinus edodes[J].Biosci Biotechnol Biochem,1999,63(7):1 197-1 202.
[6] Yu Z,Ming G,Kaiping W,et al.Structure,chain conformation and antitumor activity of a novel polysaccharide from Lentinus edodes[J].Fitoterapia,2010,81(8):1 163-1 170.
[7] WANG Kai-ping,WANG Jun,LI Qiang,et al.Structural differences and conformational characterization of five bioactive polysaccharides from Lentinus edodes[J].Food Res Int,2014,62:223 -232.
[8] Jeff I B,Yuan X,Sun L,et al.Purification and in vitro anti-proliferative effect of novel neutral polysaccharides from Lentinus edodes[J].Int J Biol Macromol,2013,52:99-106.
[9] Jeff I B,Li S,Peng X,et al.Purification,structural elucidation and antitumor activity of a novel mannogalactoglucan from the fruiting bodies of Lentinus edodes[J].Fitoterapia,2013,84:338-346.
[10] 劉美琴,李建中.香菇菌絲體多糖的分離鑒定與免疫功能研究[J].生物化學(xué)與生物物理學(xué)報(bào):英文版,1999,31(1):46-50.
[11] 于廣利,王瑩,趙峽,等.一種堿溶性灰樹花菌絲體多糖GFM2A的制備和結(jié)構(gòu)表征[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào),2007,28(1):87-91.
[12] 孫玉軍,陳彥,王洵,等.蜜環(huán)菌胞外多糖的分離純化及其性質(zhì)研究[J].安徽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,29(5):87-91.
[13] Cael J J,Koenig J L,Blackwell J.Infrared and Raman spectroscopy of carbohydrates:Part IV.Identification of configuration-and conformation-sensitive modes for d-glucose by normal coordinate analysis[J].Carbohydr Res,1974,32(1):79-91.
[14] Gonzaga M L C,Menezes T M,de Souza J R R,et al.Structural characterization of β glucans isolated from Agaricus blazei Murill using NMR and FTIR spectroscopy[J].Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre,2013,2(2):152-156.
[15] Bluhm T L,Sarko A.The triple helical structure of lentinan,a linear β-(1→ 3)-D-glucan[J].Can J Chem,1977,55(2):293-299.
[16] Gonzaga M L C,Ricardo N M,Heatley F,et al.Isolation and characterization of polysaccharides from Agaricus blazei Murill[J].Carbohydr Polym,2005,60(1):43 -49.
[17] Agrawal P K.NMR spectroscopy in the structural elucidation of oligosaccharides and glycosides[J].Phytochemistry,1992,31(10):3 307-3 330.
[18] Ogawa K,Ikeda Y,Umemura K.NMR analyses of oligosaccharides from a new water-absorbing polysaccharide produced by the family oxalobacteraceae[J].Yakugaku zasshi:Journal of the Pharmaceutical Society of Japan,2009,129(4):503-512.
[19] Spies T,Praznik W,Hofinger A,et al.The structure of the fructan sinistrin from Urginea maritima[J].Carbohydr Res,1992,235:221-230.
[20] Maity K,Maity S,Gantait S K,et al.Structural characterization and study of immunoenhancing and antioxidant property of a novel polysaccharide isolated from the aqueous extract of a somatic hybrid mushroom of Pleurotus florida and Calocybe indica variety APK2[J].Int J Biol Macromol,2011,48(2):304 -310.
[21] Mizuno T,Hagiwara T,Nakamura T,et al.Antitumor activity and some properties of water-soluble polysaccharides from"Himematsutake",the fruiting body of Agaricus blazei Murill[J].Agric Biol Chem,1990,54(11):2 889-2 896.
[22] Allerhand A,Berman E.Systematic approach to the analysis of carbon-13NMR spectra of complex carbohydrates.I..alpha.-D-Mannopyranosyl residues in oligosaccharides and their implications for studies of glycoproteins and glycopeptides[J].J Am Chem Soc,1984,106(8):2 400-2 412.
[23] Allerhand A,Berman E.Systematic approach to the analysis of carbon-13NMR spectra of complex carbohydrates.2.Application to the high mannose glycopeptides of hen ovalbumin[J].J Am Chem Soc,1984,106(8):2 412-2 420.