何傳波，魏好程，熊何健*，吳國宏

（集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

枇杷葉多糖酶法提取工藝優(yōu)化及其離子交換層析純化

何傳波，魏好程，熊何健*，吳國宏

（集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

單因素試驗和響應(yīng)面試驗得到酶法提取枇杷葉多糖最佳條件為提取時間2.95 h、提取溫度41 ℃、酶用量15.6 mg/g，多糖提取率為8.03%。研究枇杷葉多糖在離子交換填料DEAE Sepharose CL-6B上的吸附行為，考察緩沖液pH值和離子強度對吸附等溫線的影響。結(jié)果表明，在實驗范圍內(nèi)，吸附平衡數(shù)據(jù)符合單分子層吸附的Langmuir方程，枇杷葉多糖在DEAE-Sepharose CL-6B上的吸附量隨著緩沖液pH值的上升而增加，低離子強度的緩沖液有利于多糖的吸附。實驗確定枇杷葉多糖離子交換柱層析進量條件為pH 8.0條件下，選取不含NaCl的緩沖液，通過離子交換柱層析后枇杷葉多糖被分為3 個組分，得率分別為32.66%、1.22%和3.12%。

枇杷葉多糖；酶解輔助；提??；離子交換層析

何傳波， 魏好程， 熊何健， 等. 枇杷葉多糖酶法提取工藝優(yōu)化及其離子交換層析純化［J］. 食品科學(xué)， 2016， 37（8）: 45-50.

HE Chuanbo， WEI Haocheng， XIONG Hejian， et al. Optimization of enzymatic extraction of polysaccharides from loquat leaves and purification by ion exchange chromatography［J］. Food Science， 2016， 37（8）: 45-50. （in Chinese with English abstract） DOI:10.7506/spkx1002-6630-201608008. http://www.spkx.net.cn

枇杷葉又名巴葉、蘆橘葉，具有平咳祛痰的功效，對慢性支氣管炎具有一定的治療作用。有多篇報道［1-3］證實，枇杷葉中的枇杷苷、烏蘇酸、總?cè)扑峋苊黠@延長二氧化硫氣體及枸櫞酸噴霧所致豚鼠咳嗽的潛伏期，并明顯減少咳嗽次數(shù)。目前對枇杷葉的利用較為粗放，主要是曬干后作為藥用或食用原料，如枇杷露、枇杷酒、枇杷蜜等［4］，有針對性地對枇杷葉中活性成分的研究相對較少，如果不能確定其藥理活性的物質(zhì)基礎(chǔ)，對于今后枇杷葉的應(yīng)用具有很大的盲目性。由于枇杷葉的平咳祛痰功效可能與其機體免疫調(diào)節(jié)功能密切相關(guān)，而多糖物質(zhì)的一個主要活性便是免疫調(diào)節(jié)［5-8］，因此，有必要對枇杷葉中多糖組分進行研究，以期對枇杷葉多糖藥用價值的開發(fā)提供相關(guān)的理論依據(jù)。

常規(guī)多糖提取采用水提醇沉的方法，具有能耗高、提取率低等缺點，酶工程技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新型破壁提取方法，與傳統(tǒng)方法相比具有節(jié)能、快速、條件溫和、提取效率高等優(yōu)點，已廣泛用于植物有效成分的提?。?-11］。本研究以枇杷葉為原料，采用纖維素酶法輔助提取其中的多糖組分，并通過離子交換柱層析對提取的多糖成分進行初步純化，研究結(jié)果不僅可以為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析及構(gòu)效關(guān)系研究提供數(shù)據(jù)支持，而且對枇杷葉多糖在食品、醫(yī)藥領(lǐng)域中的深層次開發(fā)利用具有一定的現(xiàn)實意義。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

枇杷葉摘于福建莆田，鮮葉干燥后備用；纖維素酶（酶活力＞15 IU/mg） 廣州酶制品廠；二乙氨基乙基（diethylaminoethyl，DEAE）-瓊脂糖凝膠（Sepharose CL-6B）填料 美國GE公司；Tris（進口分裝）上海伯奧生物技術(shù)有限公司；苯酚、硫酸、3，5-二硝基水楊酸、乙醇、氯仿等均為國產(chǎn)分析純。

1.2儀器與設(shè)備

ZD-85氣浴恒溫振蕩器 常州市國立試驗設(shè)備研究所；WK-200B高速藥物粉碎機 青州市精誠機械有限公司；UV-8000紫外-可見分光光度計 上海元析儀器有限公司；BS/BT電子天平 德國賽多利斯股份公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；JDG-0.2T真空凍干機 蘭州科近真空凍干技術(shù)有限公司；TDL-5離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠；3K3D高速冷凍離心機 德國Sigma公司；MSI微型漩渦振蕩器 廣州科技實驗室技術(shù)有限公司；pH211臺式酸度測定儀 北京哈納科技有限公司；BTi-100蠕動泵、BSZ-100-LCD自動部份收集器 上海琪特分析儀器有限公司；TH-1000A梯度混合器 上海滬西分析儀器廠。

1.3方法

1.3.1枇杷葉多糖的制備

枇杷葉粉碎過篩，經(jīng)乙醚回流脫酯后，使用纖維素酶法浸提2 次，于90 ℃水浴加熱10 min滅酶，抽濾，合并濾液，減壓濃縮，加入5 倍體積的95%乙醇溶液沉淀，離心，按一定的體積比加入Sevag試劑脫蛋白5 次，活性炭脫色，濃縮，冷凍干燥，得到枇杷葉粗多糖量品，將多糖量品溶解，進行離子交換柱層析，收集不同洗脫組分，濃縮，透析，凍干，得到純化的枇杷葉多糖量品［12-13］。

1.3.2多糖提取率的計算

總糖含量測定采用苯酚-硫酸法；還原糖含量的測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法［14］；多糖提取率以1 g干品（粉末或者片狀原料）中提取出多糖總量的百分含量表示，計算公式如下：

式中：0.9為單糖折算為葡萄糖的換算系數(shù)。

1.3.3枇杷葉多糖提取單因素試驗

為確定枇杷葉多糖的酶法提取工藝，通過單因素試驗研究酶用量、提取溫度、提取時間、料液比、顆粒度和pH值對枇杷葉多糖提取率的影響。

1.3.4枇杷葉多糖提取的響應(yīng)面試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，選取枇杷葉多糖的提取溫度、提取時間、酶用量3 個因素，以枇杷葉多糖提取率為指標(biāo)進行響應(yīng)面試驗，優(yōu)化枇杷葉多糖提取工藝，通過Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析。其響應(yīng)面因素與水平如表1所示。

表1　酶法提取響應(yīng)面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels used in response surface design for the optimization of enzymatic extraction of polysaccharides

1.3.5吸附等溫線繪制

以不同pH值和NaCl濃度的緩沖液分別配制質(zhì)量濃度為0.0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0 mg/mL的枇杷葉多糖溶液，取2 mL加0.2 g填料，振蕩24 h后離心，測定上清液多糖含量。以多糖質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，填料的平衡吸附量為縱坐標(biāo)繪制吸附等溫線［15-16］。

2　結(jié)果與分析

2.1酶法提取枇杷葉多糖的單因素試驗結(jié)果

2.1.1酶用量對枇杷葉多糖提取率的影響

圖1　酶用量對枇杷葉多糖提取率的影響Fig.1 Effects of enzyme amount on the yield of crude polysaccharides

稱取過40 目篩的枇杷葉1 g，料液比1∶20，纖維素酶用量分別為0.0、3.0、6.0、9.0、12.0、15.0、20.0、25.0 mg/g，在50 ℃恒溫水浴浸提2 h后，高溫滅酶、離心過濾，測定吸光度，計算枇杷葉多糖提取率。從圖1可看出，當(dāng)加酶量為15 mg/g時，枇杷葉多糖提取率較高。這是因為隨著酶用量的增加，酶與纖維素分子的接觸機會增加，在同一時間內(nèi)，纖維素水解速率提高，致使多糖更快地分離出來［17］。當(dāng)?shù)孜镏饾u被酶分子飽和時，纖維素水解速率達到最大值，多糖提取率也達到最大。繼續(xù)提高酶用量，可能會由于纖維降解物大量存在，使多糖的溶解變得困難，離心時沉降下來，導(dǎo)致上清液中的多糖提取率降低［18］。

2.1.2料液比對枇杷葉多糖提取率的影響

圖2　料液比對枇杷葉多糖提取率的影響Fig.2 Effects of solid to solvent ratio on the yield of crude polysaccharides

纖維素酶用量15 mg/g，固定其他條件不變，改變料液比，如圖2所示，在料液比為1∶30時，有最大提取率，之后隨著溶劑用量增大，提取率呈下降趨勢。多糖從植物細(xì)胞壁到溶劑中是一個質(zhì)量濃度差推動的擴散過程，溶劑越多，細(xì)胞內(nèi)外的多糖質(zhì)量濃度差越大，推動力就越大，擴散到溶劑里的多糖越多。但是從細(xì)胞中提取多糖的過程除了簡單的擴散過程外，還有受細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)影響的阻滯擴散過程，并且后一過程是控制整個擴散速率的關(guān)?。?9-20］。增加溶劑用量會使得酶質(zhì)量濃度降低，進而影響到細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，這可能就是當(dāng)溶劑用量增加到一定程度時，再增加溶劑也不會提高溶劑中多糖含量的原因。

2.1.3顆粒度對枇杷葉多糖提取率的影響

將粉碎后的枇杷葉分別過20、40、60、80、100、 200 目篩，固定其他條件不變，酶解提取，如圖3所示，當(dāng)量品顆粒度較大時，細(xì)胞壁破碎不夠充分，多糖的溶解受到限制，導(dǎo)致提取率較低。但顆粒過小，由于多糖對量品顆粒的吸附效應(yīng)增加，離心時與粉末一起沉降下來，導(dǎo)致溶液中的多糖含量也會減少［21］，多糖溶出量與吸附效應(yīng)的最適結(jié)合點應(yīng)在量品顆粒度60 目。

圖3　顆粒度對枇杷葉多糖提取率的影響Fig.3 Effect of particle size of loquat leaf powder on the yield of crude polysaccharides

2.1.4提取溫度對枇杷葉多糖提取率的影響

圖4　提取溫度對枇杷葉多糖提取率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on the yield of crude polysaccharides

如圖4所示，固定其他條件不變，多糖提取率隨著溫度的升高呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢。酶解反應(yīng)是一種化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)均以分子運動為基礎(chǔ)，纖維素酶水解以酶分子與底物分子的吸附、絡(luò)合、解離為基礎(chǔ)，分子動能與溫度直接相關(guān)。因此隨著溫度的升高，酶解反應(yīng)速率不斷提高，多糖提取率增加。但如果溫度超過酶反應(yīng)的最適溫度，酶蛋白容易變性，導(dǎo)致纖維素酶失活，使反應(yīng)速率減慢，故選擇提取溫度40 ℃為宜。

2.1.5pH值對枇杷葉多糖提取率的影響

圖5　pH值對枇杷葉多糖提取率的影響Fig.5 Effect of initial hydrolysis pH on the yield of crude polysaccharides

如圖5所示，固定其他條件不變，多糖提取率隨pH值的升高先升后降。纖維素酶是一種蛋白質(zhì)，它在水解體系中的解離狀態(tài)和行為都受到pH值的影響。過高或過低的pH值會影響酶蛋白構(gòu)象，使酶本身變性或失活；另外，pH值也會影響酶分子側(cè)鏈上極性基團的解離，改變它們的帶電狀態(tài)，使酶活性中心的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響酶活［22］；再次，pH值還會影響底物分子的解離，從而影響反應(yīng)速率。本實驗選用纖維素酶的適宜pH 4.0。

2.1.6提取時間對多糖提取率的影響

圖6　提取時間對枇杷葉多糖提取率的影響Fig.6 Effect of hydrolysis time on the yield of crude polysaccharides

如圖6所示，固定其他條件不變，酶解反應(yīng)時間和酶解進行程度有著密切的關(guān)系，提取時間太短，酶解不充分，而當(dāng)酶質(zhì)量濃度達一定值時，酶促反應(yīng)時間的延長并不能顯著增加浸提率。在初期階段，隨酶解時間的延長，多糖提取率上升較快，到3 h以后多糖提取率反而下降。這可能是由于酶解時間過長引起糖結(jié)構(gòu)變化甚至使大分子多糖的碳環(huán)裂解，導(dǎo)致多糖含量降低［17］，因此酶解作用時間選擇在3 h較合適。

2.2酶法提取枇杷葉多糖的響應(yīng)面試驗結(jié)果

在單因素試驗基礎(chǔ)上，選取提取溫度（X1）、提取時間（X2）和酶用量（X3）3 個因素，以多糖提取率（Y）為指標(biāo)進行枇杷葉多糖提取的響應(yīng)面試驗。根據(jù)響應(yīng)面Box-Behnken試驗設(shè)計原理，得到試驗方案和結(jié)果如表2所示。

通過Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸量合及對模型進行方差分析，得到的回歸方程為

在該方程中，負(fù)的二次項系數(shù)表明會有極大值點的出現(xiàn)，可以對所建立的模型進行優(yōu)化。對該模型進行方差分析，以找出對多糖提取率有顯著影響的因素。由表3可知，回歸模型F檢驗極顯著（P＜0.01），其失量項在α=0.05水平上不顯著（P＞0.05），相關(guān)系數(shù)R2=0.980 0，表明此模型量合程度良好，其響應(yīng)值的變化有98.00%來源于所選變量，即提取溫度、提取時間和酶用量，回歸方程能很好地描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系。一次項中只有X2對響應(yīng)值沒有顯著影響；二次項對響應(yīng)值均有極顯著影響（P＜0.01），但3 個因素之間的交互項X1X2、X1X3和X2X3對響應(yīng)值均沒有顯著影響（P＞0.05）。

表2　枇杷葉多糖提取的響應(yīng)面試驗方案與結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表3　回歸模型方差分析表Table 3 Analysis of variance of the regression equation

由軟件對試驗結(jié)果進行分析處理，結(jié)合實際情況，得出酶法提取的最優(yōu)條件為：提取時間2.95 h、提取溫度41 ℃、酶用量15.6 mg/g。模型預(yù)測的最大提取率為8.13%。在此最優(yōu)條件下進行3 次重復(fù)實驗，平均提取率為8.03%，達到理論預(yù)測值的98.77%，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.008 3%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.003 1，說明驗證實驗的重復(fù)性和精密度良好。而實驗平均值與模型預(yù)測值相差較小，也證實了模型具有良好的量合性，能較好地預(yù)測實際提取率。

2.3枇杷葉多糖的離子交換柱層析純化

2.3.1pH值對吸附等溫線的影響

圖7　不同pH值條件下枇杷葉多糖在DEAE- Sepharose CL-6B上的吸附等溫線Fig.7 Adsorption isotherms of LLP on DEAE-Sepharose CL-6B at different pH values

表4　不同pH值條件下枇杷葉多糖在DEAE-Sepharose CL-6B上的吸附平衡參數(shù)Table 4 Parameters for LLP adsorption equilibrium on DEAE-Sepharose CL-6B at different pH values

由圖7可以看出，平衡吸附量隨多糖質(zhì)量濃度的增加而增加，低質(zhì)量濃度時增加較快，與Langmuir吸附等溫線的變化類似。Langmuir模型是描述吸附過程最常用的單分子層吸附模型，它形式簡單，對于各種類型的吸附，能和實驗數(shù)據(jù)很好吻合，因此受到普遍采用［23］。量合得到的填料最大吸附量和表觀解離常數(shù)數(shù)據(jù)列于表4中，較高的相關(guān)系數(shù)R2再次驗證了枇杷葉多糖在填料上的吸附行為符合Langmuir吸附模型。圖7和表4中的數(shù)據(jù)都反映出，隨著pH值的升高，填料的吸附量有明顯增加，而表觀解離常數(shù)則呈下降趨勢，這表明pH值的升高有利于多糖在填料上的吸附。這主要是由于緩沖液pH值會同時影響到多糖電離及填料上荷電基團的解離。pH值較高時，有利于填料上的荷電基團DEAE在水溶液中釋放出OH-，使交換容量變??；另一方面，pH值升高，會使多糖所帶的負(fù)電荷增加，與填料上電荷基團的結(jié)合作用增強，使吸附量增加［24］。本實驗中，可能是pH值對多糖電離的影響超過了其對填料本身的影響，因此導(dǎo)致了枇杷葉多糖在填料上的吸附量隨pH值升高而明顯上升。

2.3.2離子強度對吸附等溫線的影響

如圖8所示，不同多糖質(zhì)量濃度的平衡吸附量均隨NaCl濃度增加而下降，表5中的數(shù)據(jù)也顯示，最大吸附量隨著NaCl濃度的增加而下降，表觀解離常數(shù)則呈上升趨勢，表明NaCl濃度的增加不利于枇杷葉多糖的吸附。R2隨NaCl濃度增加逐步下降，說明Langmuir模型的預(yù)測精度逐漸降低。實驗用的離子交換填料以DEAE為功能基，主要是通過離子鍵結(jié)合在基質(zhì)的表面和孔隙內(nèi)，緩沖液中的陰離子會使荷電基團與填料基質(zhì)結(jié)合更緊密，降低了與多糖分子結(jié)合的荷電基團數(shù)目，導(dǎo)致吸附量降低［25］。

圖8　不同NaCl濃度條件下枇杷葉多糖在DEAE-Sepharose CL-6B上的吸附等溫線Fig.8 Adsorption isotherms of LLP on DEAE-Sepharose CL-6B at different NaCl concentrations

表5　不同NaCl濃度條件下枇杷葉多糖在DEAE-Sepharose CL-6B上的吸附平衡參數(shù)Table 5 Parameters for LLP adsorption equilibrium on DEAE-Sepharose CL-6B at different NaCl concentrations

2.3.3離子交換柱層析條件的建立

圖9　枇杷葉多糖在DEAE-Sepharose CL-6B上的洗脫曲線Fig.9 Elution profile of LLP on DEAE Sepharose CL-6B column

比較離子強度線性梯度洗脫（NaCl濃度0～2 mol/L梯度變化）和階段梯度洗脫（分別配制不同NaCl濃度的緩沖液洗脫）兩種方式對枇杷葉多糖的分離效果。結(jié)果表明，線性梯度洗脫曲線只能得到一個多糖峰，無法進行有效分離，而在階段梯度洗脫時，枇杷葉多糖被分為3 個組分。在高離子強度（＞1 mol/L）的情況下，沒有多糖被洗脫下來，這與靜態(tài)脫附實驗結(jié)果一致，因此只要使用中低離子強度的洗脫液即可。據(jù)此進行洗脫條件優(yōu)化實驗，配制NaCl濃度為0、0.1、0.5、1.0 mol/L的Tris-HCl緩沖液，分別進行洗脫，層析條件為：Ф26 mm×400 mm層析柱（填料高300 mm），流速1.5 mL/min，收集器以5 min/管收集流出液。苯酚-硫酸法檢測，得到最終的洗脫曲線圖9。由圖9可以看到，使用不含Cl-的Tris-HCl緩沖液獲得洗脫組分1，從出峰時間判斷，該組分與填料結(jié)合最弱，隨緩沖液直接流出；在緩沖液Cl-強度分別為0.1、0.5 mol/L時，獲得了洗脫組分2和3。按照上述層析條件，進行重復(fù)層析操作，得到各組分占初始進量量（1 g）的百分比分別為75.14%、12.56%、1.62%（以多糖含量計算），多糖總回收率為89.33%，然后進行透析、凍干后3 組分的最后得率分別為32.66%、1.22%和3.12%。

3　結(jié) 論

單因素試驗和響應(yīng)面試驗確定枇杷葉多糖酶法提取的最佳條件為提取時間2.95 h、提取溫度41 ℃、酶用量15.6 mg/g，在此條件下，多糖提取率為8.03%。

枇杷葉多糖在離子交換填料上的吸附量隨著緩沖液pH值的升高而增大，隨著離子強度的增加而減?。辉趯嶒炠|(zhì)量濃度范圍內(nèi)，吸附平衡數(shù)據(jù)符合Langmuir方程。pH值的升高有利于多糖在DEAE-Sepharose CL-6B填料上吸附，填料的最大吸附量明顯增加；NaCl濃度的增加不利于枇杷葉多糖的吸附，填料的最大吸附量下降，并且隨NaCl濃度增加，Langmuir方程的預(yù)測精度逐漸降低。

采用階段梯度洗脫的方式對枇杷葉多糖進行柱層析分級純化，確定進量條件為pH 8.0、緩沖液NaCl濃度0，通過離子交換柱層析后枇杷葉多糖被分為3 個組分，得率分別為32.66%、1.22%和3.12%。

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Optimization of Enzymatic Extraction of Polysaccharides from Loquat Leaves and Purification by Ion Exchange Chromatography

HE Chuanbo， WEI Haocheng， XIONG Hejian*， WU Guohong
（College of Food and Biological Engineering， Jimei University， Xiamen 361021， China）

Using one-factor-at-a-time method and response surface methodology （RSM）， the optimal conditions for enzymatic extraction of polysaccharides from loquat leaves with cellulase were determined as follows: temperature， 41 ℃； time， 2.95 h；and cellulase amount， 15.6 mg/g. Under these optimal conditions， the extraction yield of polysaccharides was 8.03%. The adsorption properties of loquat leaf polysaccharides （LLP） on the ion exchange adsorbent DEAE Sepharose CL-6B were studied. Effects of pH and ion strength on isotherms were examined through static adsorption experiments. The results showed that equilibrium sorption data could be described by the Langmuir isotherm equation with high correlation coefficients， implying the existence of the monomolecular sorption in these systems. After fitting the experimental data with Langmuir equation， several adsorption parameters， which directly reflected the influences of pH and ion strength， were obtained. The adsorbent exhibited better adsorption performance for LLP at higher pH and lower ion strength of buffer solution. The suitable conditions for ion chromatography were obtained with pH 8.0 of buffer solution without NaCl. Three fractions named as LLPS-1， LLPS-2 and LLPS-3 were obtained through ion chromatography， and their yields were 32.66%，1.22% and 3.12%， respectively.

loquat leaf polysaccharides； enzyme hydrolysis； extraction； ion exchange chromatography

10.7506/spkx1002-6630-201608008

TS218

A

1002-6630（2016）08-0045-06

10.7506/spkx1002-6630-201608008. http://www.spkx.net.cn

2015-07-21

福建省自然科學(xué)基金項目（2013J01134；2015J01141）；福建省教育廳（面上）項目（JA13177）

何傳波（1978—），男，副教授，博士，研究方向為多糖物質(zhì)及其綜合利用。E-mail：hcbcc@jmu.edu.cn

熊何?。?968—），男，研究員，碩士，研究方向為食品化學(xué)與營養(yǎng)學(xué)。E-mail：hjxiong@jmu.edu.cn

引文格式：