劉伯洋,李利軍,程 昊,黃文藝,馮 軍,孔紅星,*
分子印跡固相萃取技術(shù)對(duì)六堡茶中表兒茶素的分離特性
劉伯洋1,李利軍1,程 昊1,黃文藝1,馮 軍2,孔紅星1,*
(1.廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院,廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 柳州 545006;2.廣西科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院,廣西 柳州 545005)
以表兒茶素為模板分子,丙烯酰胺為功能單體,偶氮二異丁腈作為引發(fā)劑,乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑,通過(guò)原位聚合法制備分子印跡聚合物。首先考察不同模板分子、功能單體、交聯(lián)劑比例條件下表兒茶素分子印跡聚合物的特異性吸附能力。結(jié)果表明表兒茶素與丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯物質(zhì)的量比為1∶6∶40時(shí),分子印跡聚合物的吸附效果最佳,其模板分子回收率KMIPs為84.62%,特異性識(shí)別因子Q為4.55;然后利用掃描電子顯微鏡和紅外光譜技術(shù)對(duì)制備的印跡聚合材料進(jìn)行表征;最后在毛細(xì)管電泳最優(yōu)條件下對(duì)加載過(guò)固相萃取柱的過(guò)柱液與洗脫液進(jìn)行檢測(cè),建立分子印跡固相萃取-毛細(xì)管電泳聯(lián)用檢測(cè)表兒茶素的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,分子印跡聚合物成功聚合,形貌良好且具有專(zhuān)一吸附特性。該方法適用于六堡茶中表兒茶素的檢測(cè)。
分子印跡;表兒茶素;固相萃?。幻?xì)管電泳
六堡茶是中國(guó)千年名茶,屬黑茶類(lèi),因原產(chǎn)于廣西壯族自治區(qū)梧州市蒼梧縣六堡鄉(xiāng)而得名。表兒茶素是六堡茶葉中主要活性成分之一,約占兒茶素含量的40%~50%。研究表明,表兒茶素具有防治心血管疾病[1]、預(yù)防癌癥、抗氧化[2-3]等生物活性作用。尋找合適方法分離與測(cè)定六堡茶中表兒茶素,已經(jīng)成為廣西本地茶資源推廣的重要考量依據(jù)。目前檢測(cè)表兒茶素的方法主要有高效液相色譜法[4-5]、毛細(xì)管電泳(capillary electrophoresis,CE)法[6]等,但這些方法普遍存在預(yù)處理步驟復(fù)雜、檢測(cè)出樣品峰受雜質(zhì)峰干擾嚴(yán)重或無(wú)法檢測(cè)出峰等缺點(diǎn)。
分子印跡固相萃?。╩olecularly imprinted solidphase extraction,MISPE)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型SPE技術(shù)。通過(guò)化學(xué)方法合成分子印跡聚合物(molecularly imprinted polymers,MIPs),利用印跡分子對(duì)實(shí)際樣品中某一特定分子具有特異性識(shí)別機(jī)理的特性,對(duì)待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行選擇性分離。在MISPE過(guò)程中,模板分子會(huì)與MIPs中特定大小與形狀的空穴相結(jié)合,從而將目標(biāo)分子保留在SPE柱內(nèi),然后將其洗脫下來(lái),此時(shí)洗脫液中僅含有模板分子,從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)分子純化的效果。與傳統(tǒng)SPE法相比,MIPs對(duì)模板分子擁有較好的吸附性與選擇性,可以在復(fù)雜體系中選擇性吸附目標(biāo)分子并將其更穩(wěn)定的保存至柱內(nèi),只有使用較強(qiáng)洗脫效果的洗脫溶液才能將目標(biāo)分子從MIPs上洗脫下來(lái)。這種選擇性吸附特性在天然活性物質(zhì)分離領(lǐng)域內(nèi)顯示出良好的應(yīng)用前景[7-13]。本實(shí)驗(yàn)采用原位聚合法制備表兒茶素MIPs,建立一種新的MISPE-CE聯(lián)用檢測(cè)方法以降低雜質(zhì)峰干擾,從而更好的對(duì)六堡茶中表兒茶素進(jìn)行分離與測(cè)定。
1.1 材料與試劑
六堡茶 市購(gòu);表兒茶素、表兒茶素沒(méi)食子酸酯標(biāo)準(zhǔn)品、乙二醇二甲基丙烯酸酯(ethylene glycol dimethacrylate,EGDMA)(用前重結(jié)晶除阻聚劑)、偶氮二異丁腈(azobisisobutyronitrile,AIBN) 上海阿拉丁試劑有限公司;丙烯酰胺(azobisisobutyronitrile,AM),甲醇、乙醇、冰乙酸、正丙醇、1,4-丁二醇(均為分析純) 西隴化工股份有限公司;十六烷基三甲基溴化銨(cetyltrimethylammonium bromide,CTAB)、磷酸二氫鉀、磷酸二氫鈉 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;水為實(shí)驗(yàn)室自制去離子雙蒸水。
1.2 儀器與設(shè)備
ACS2000型高效CE儀(正、負(fù)電源,電壓0~30 kV可調(diào),未涂層熔融石英毛細(xì)管(50 cm×75 μm,有效長(zhǎng)度36 cm)) 北京彩陸科學(xué)儀器有限公司;UV-2102PC型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 尤尼柯(上海)儀器有限公司;AR124CN電子天平 上海奧豪斯有限公司;RE-5203旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠;DL-60D超聲波清洗器 上海之信儀器有限公司;傅里葉變換紅外分光光度計(jì) 上海珀金埃爾默儀器有限公司;HV 04-55場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 德國(guó)蔡司公司;ZFD-A5040A全自動(dòng)新型鼓風(fēng)干燥箱 上海智城分析儀器制造有限公司。
1.3 方法
1.3.1 表兒茶素MIPs的制備
采用原位聚合法合成表兒茶素MIPs:以表兒茶素為模板分子,AM為功能單體,EGDMA為交聯(lián)劑,AIBN為引發(fā)劑,正丙醇與1,4-丁二醇混合溶液為致孔劑,分別按不同比例制備MIPs,如表1所示。
表1 制備表兒茶素MIPs的物料組成Table1 Chemicals used for making L-epicatechin MIPPss
以P3為例,稱取0.007 23 g(0.002 5 mmol)表兒茶素溶于正丙醇與1,4-丁二醇混合溶液中,加入0.010 8 g(0.15 mmol)AM,將混合溶液置于振蕩器中振蕩0.5 h,使AM與表兒茶素在溶劑中充分混合溶解,然后加入189 μL(1 mmol)EGDMA與1 mg(0.6 mmol)AIBN,將混合溶液放入超聲波清洗器中,在30 ℃條件下超聲脫氣20 min,然后用移液槍取80 μL混合溶液至200 μL移液槍槍頭中,充氮除氧10 min,密封槍頭兩端。將處理好的槍頭放入55 ℃恒溫水浴鍋中加熱24 h,加熱結(jié)束后取出槍頭得到圖1A所示的MISPE小柱,槍頭前端白色固體即為MIPs。將注射器與SPE小柱相連接如圖1B所示,用甲醇-冰乙酸(9∶1,V/V)混合溶液沖洗聚合物以去除MIPs中的模板分子,至洗脫液中檢測(cè)不到模板分子時(shí)停止洗脫。再用甲醇溶液對(duì)其進(jìn)行二次洗脫,以除去殘留在萃取柱上的冰乙酸。最后將其放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)60 ℃真空干燥24 h,將得到的聚合物槍頭放入干燥器中備用。
圖1 SPE柱效果圖Fig. 1 Solid phase extraction column
作為對(duì)照實(shí)驗(yàn),非印跡聚合物(non-molecularly imprinted polymers,NMIP)在無(wú)模板分子存在條件下利用相同條件制備。
1.3.2 MIPs與NMIP模板分子回收率實(shí)驗(yàn)
采用SPE-CE法評(píng)價(jià)聚合物對(duì)模板分子的回收率。取制備好的P1、P2、P3、P4與NP1、NP2、NP3、NP4(NP為與聚合物P相對(duì)應(yīng)的非印記聚合物)8 根SPE柱,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將相同體積與物質(zhì)的量的表兒茶素溶液加載至各組SPE柱上端,使用甲醇與冰乙酸對(duì)SPE柱進(jìn)行洗脫,最終得到8 組洗脫液。將各組洗脫液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中濃縮至干,然后用甲醇定容至初始體積,最后利用CE技術(shù)檢測(cè)8 組洗脫液中表兒茶素的物質(zhì)的量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)前后溶液中表兒茶素物質(zhì)的量的變化可計(jì)算聚合物模板分子回收率與特異性識(shí)別因子(Q)。
模板分子回收率按公式(1)計(jì)算:
式中:K為模板分子回收率/%;Cp為經(jīng)過(guò)萃取柱后洗脫溶液中所含表兒茶素的物質(zhì)的量/mol;Cc為表兒茶素在溶液中的物質(zhì)的量/mol。
特異性識(shí)別因子(Q)按公式(2)計(jì)算:
式中:Q為特異性識(shí)別因子;KMIPs為MIPs對(duì)模板分子的回收率/%;KNMIP為NMIP對(duì)模板分子的回收率/%。
電泳條件:將相關(guān)文獻(xiàn)[14-16]與實(shí)際效果結(jié)合分析,得到CE檢測(cè)最佳條件。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度25 ℃,重力進(jìn)樣,進(jìn)樣高度15 cm,進(jìn)樣時(shí)間25 s,分離電壓-20 kV,于波長(zhǎng)230 nm處直接檢測(cè)。背景緩沖液為30 mmol/L磷酸鹽的混合體系+0.05 mmol/L CTAB+12.5%乙腈混合溶液,pH值為10.0。
1.3.3 聚合物結(jié)構(gòu)與形貌表征
利用傅里葉變換紅外分光光度計(jì)對(duì)表兒茶素MIPs結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。取1 mg待測(cè)物質(zhì)與100 mg KBr混合壓片,在500~4 000 cm-1光譜范圍內(nèi)分別對(duì)MIPs、NMIP與AM 3 種物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)對(duì)槍頭狀的MISPE柱水平切面,經(jīng)噴金處理后進(jìn)行電子顯微鏡掃描,以考察柱內(nèi)聚合物的形貌。
1.3.4 MIPs選擇性能實(shí)驗(yàn)
配制甲醇為溶劑,濃度為0.1 mmol/L的表兒茶素和表兒茶素沒(méi)食子酸酯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)混合溶液,置于5 mL的離心管中,通過(guò)超聲除氣裝置將其混勻并脫氣。將混合溶液加載至SPE柱上端,收集過(guò)柱液,然后用甲醇淋洗萃取柱并收集淋洗液,再用甲醇-乙酸(9∶1,V/V)混合溶液對(duì)萃取柱進(jìn)行洗脫,收集洗脫液。過(guò)柱液、淋洗液與洗脫液分別在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中濃縮至干,最后用甲醇定容至相同容積,再在電泳最優(yōu)條件下分別對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。
1.3.5 樣品處理
將六堡茶干茶葉放入中藥材粉碎機(jī)粉碎至粉末。取出適量茶葉粉末溶于乙醇溶劑,在85 ℃水浴條件下索氏提取4 h,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將提取液倒入蒸發(fā)皿中,放入烘箱烘干備用。
2.1 聚合條件優(yōu)化
圖2 表兒茶素分子印跡過(guò)程示意圖Fig. 2 Schematic illustration of molecularly imprinting of L-epicatechin
表兒茶素MISPE柱的特異性吸附性能與聚合物的組成、比例等條件密切相關(guān)。對(duì)模板分子而言,選擇合適功能單體是直接影響SPE柱吸附性能的關(guān)鍵。如圖2所示,由于表兒茶素分子中4 個(gè)羥基基團(tuán)都可以形成氫鍵位點(diǎn),而AM中含有的羰基基團(tuán),易與表兒茶素分子中的多個(gè)羥基基團(tuán)以氫鍵相結(jié)合,因此選用表兒茶素作為模板分子,AM作為功能單體,并對(duì)模板分子、功能單體與交聯(lián)劑之間的配比進(jìn)行優(yōu)化與考察,以改善聚合物吸附及選擇性能。有文獻(xiàn)[17-25]報(bào)道,模板分子和功能單體比例一般為1∶4或1∶6,因?yàn)樵诖吮壤龡l件下模板分子和功能單體的結(jié)合量最大。為了考察模板分子、功能單體、交聯(lián)劑間配比對(duì)模板分子回收率的影響,對(duì)制備的8 種聚合物進(jìn)行回收率分析,如表2所示。由于表兒茶素含有多個(gè)羥基,即單個(gè)分子能與功能單體作用的識(shí)別位點(diǎn)較多,所以需要功能單體的量也比較多,但是功能單體量太大則會(huì)增加聚合物非特異性吸附能力,降低SPE柱選擇吸附性能。表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,按P3比例制備的MIPs回收率最高,且特異性識(shí)別因子P3的值最大,說(shuō)明聚合物特異性吸附作用力最強(qiáng),非特異性吸附的影響最小。因此本實(shí)驗(yàn)選用模板分子、功能單體與交聯(lián)劑物質(zhì)的量比例為1∶6∶40作為MIPs制備最優(yōu)條件。
表2 不同比例對(duì)聚合物模板分子回收率的影響Table2 Effect of template to functional monomer to cross-linking agent ratio on template recovery
2.2 MIPs形態(tài)結(jié)構(gòu)表征
圖3 聚合物紅外光譜圖Fig. 3 IR spectra of molecularly imprinted and non-imprinted polymers
如圖3所示,AM特征峰在3 351.67、1 692.94 cm-1和1 612.68 cm-1處,這3 個(gè)吸收峰分別代表AM中N—H、C=O和C=C基團(tuán)。由圖3a可知,MIPs的C=O基團(tuán)特征峰在1 730.31 cm-1處,說(shuō)明該聚合物已通過(guò)EGDMA與AM成功聚合。NMIP的C=O基團(tuán)特征峰在1 632.93 cm-1處,比MIPs特征峰值低,這是因?yàn)镸IPs中的C=O基團(tuán)受到了模板分子與功能單體之間氫健作用的影響。圖3a中3 451.95 cm-1處寬峰代表功能單體AM中N—H基團(tuán)不對(duì)稱伸縮振動(dòng),而1 454.54 cm-1處的吸收峰則是不對(duì)稱酯中C—O基團(tuán)。這些結(jié)果都可以表明MIPs已經(jīng)成功制備。
圖4 MIPs掃描電鏡圖Fig. 4 Scanning electron micrographs of the molecularly imprinted polymer
在最優(yōu)比例條件下所制備聚合物,通過(guò)掃描電鏡對(duì)聚合物的形貌進(jìn)行表征,如圖4所示。聚合物呈顆粒狀疊加在一起,且擁有疏松多孔、分散性均一的特點(diǎn),這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使MIPs在SPE過(guò)程中具有較大比表面積與較低流動(dòng)阻力,這些優(yōu)點(diǎn)有助于增強(qiáng)其在樣品中特異性吸附性能。
2.3 MIPs選擇性吸附實(shí)驗(yàn)
為近一步研究MIPs在SPE過(guò)程中選擇特性,本實(shí)驗(yàn)選用濃度0.1 mmol/L表兒茶素與表兒茶素沒(méi)食子酸酯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)混合溶液,其結(jié)構(gòu)式如圖5所示。對(duì)該混合溶液進(jìn)行SPE實(shí)驗(yàn),如圖6所示。
圖5 表兒茶素(A)與表兒茶素沒(méi)食子酸酯(B)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig. 5 Structures of L-epicatechin (A) and epicatechin-gallate (B)
圖6 MISPE過(guò)程中物混合溶液的CCEE圖Fig. 6 Capillary electropherograms of mixed solutions obtained during molecularly imprinted solid phase extraction
圖6 a表明,在最優(yōu)電泳條件下混合溶液中表兒茶素與表兒茶素沒(méi)食子酸酯完全分離,峰形良好;在圖6b中,經(jīng)過(guò)MISPE柱后過(guò)柱液僅檢測(cè)出小部分表兒茶素沒(méi)食子酸酯,這是因?yàn)楸韮翰杷嘏c大部分表兒茶素沒(méi)食子酸酯已經(jīng)吸附在MIPs上,沒(méi)有隨過(guò)柱液流出;SPE柱經(jīng)甲醇淋洗后,淋洗液中僅能檢測(cè)到表兒茶素沒(méi)食子酸酯(圖6c);采用更強(qiáng)洗脫能力的甲醇-乙酸(9∶1,V/V)溶液對(duì)SPE柱進(jìn)行洗脫后,表兒茶素成功被洗脫下來(lái)如圖6d所示,模板分子在該洗脫溶劑條件下的回收率達(dá)到84.62%。比較混合溶液中2 種物質(zhì)結(jié)構(gòu)式(圖5)不難發(fā)現(xiàn),表兒茶素沒(méi)食子酸酯空間體積遠(yuǎn)大于表兒茶素,所以不容易進(jìn)入以表兒茶素為模板分子合成的MIPs孔穴中。而由圖6b可知,部分表兒茶素沒(méi)食子酸酯吸附在MIPs上,這是因?yàn)镾PE柱本身具有非特異性吸附作用,但這種弱吸附作用很容易被淋洗下來(lái)。因?yàn)楸韮翰杷厥俏皆谔囟ㄐ蚊才c大小的印跡孔穴內(nèi),所以只有采用更強(qiáng)效果洗脫液才能將其洗脫下來(lái)。MIPs對(duì)不同分子具有不同的吸附能力,這種吸附特性使得表兒茶素分子在MISPE過(guò)程中被特異性吸附在SPE柱上,再經(jīng)洗脫液流出,從而達(dá)到對(duì)復(fù)雜樣品中目標(biāo)分子的純化作用。
2.4 實(shí)際樣品檢測(cè)
圖7 六堡茶樣品過(guò)柱前后CE圖Fig. 7 CE chromatogram of L-picatechin before and after MISPE
為了驗(yàn)證表兒茶素MISPE柱在實(shí)際樣品中選擇特性,對(duì)六堡茶樣品進(jìn)行CE檢測(cè)。配制甲醇作溶劑0.1 mmol/L樣品溶液在最優(yōu)電泳條件下檢測(cè),如圖7所示。由于六堡茶成分復(fù)雜,所以在圖7a中表兒茶素色譜峰周?chē)嬖诤芏嚯s峰。而在過(guò)柱洗脫液中這些雜峰在很大程度上減弱甚至消失(圖7b)。這說(shuō)明表兒茶素MISPE柱特異性吸附能力較強(qiáng),有效分離出表兒茶素分子,從而較好避免實(shí)際樣品中雜質(zhì)峰的干擾,且具備較高模板分子回收率。
本實(shí)驗(yàn)采用原位聚合法在移液槍頭中制備表兒茶素MIPs。對(duì)不同組成比例MIPs與NMIP的模板分子回收率進(jìn)行了對(duì)比分析。并對(duì)聚合物的結(jié)構(gòu)與形貌進(jìn)行表征,同時(shí)對(duì)多種溶質(zhì)混合物與實(shí)際樣品進(jìn)行SPE實(shí)驗(yàn),所得到的過(guò)柱液、淋洗液與洗脫液利用CE技術(shù)進(jìn)行分析檢測(cè)。結(jié)果表明MISPE柱對(duì)表兒茶素具有專(zhuān)一吸附特性。本實(shí)驗(yàn)制備方法操作簡(jiǎn)單,使用原位聚合技術(shù)免去了傳統(tǒng)本體聚合技術(shù)中研磨聚合物與裝填萃取柱步驟,保證了聚合物形貌不被破壞,所制備的SPE柱可以多次重復(fù)使用,同時(shí)也為六堡茶中表兒茶素的檢測(cè)提供了一種新方法。
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Separation of L-Epicatechin in Liubao Tea by Molecularly Imprinted Solid Phase Extraction
LIU Boyang1, LI Lijun1, CHENG Hao1, HUANG Wenyi1, FENG Jun2, KONG Hongxing1,*
(1. Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources, College of Biological and Chemical Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China; 2. College of Medical, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545005, China)
Molecularly imprinted polymers (MIPs) were synthesized by in situ polymerization using L-epicatechin as the template molecule, acrylamide (AM) as the functional monomer, azobisisobutyronitrile (AIBN) as the initiator, and ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) as the cross-linking agent. Firstly, the specific adsorption capacity of L-epicatechin MIPs was evaluated as a function of the proportions of template molecule, functional monomer, and cross-linking agent. The results showed that when the molar ratio of L-epicatechin to acrylamide to ethylene glycol dimethacrylate was 1:6:40, MIPs exhibited the best adsorption capacity, with template molecule recovery (KMIPs) of 84.62% and specific recognition factor (Q) of 4.55. Scanning electron microscope (SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) were used to characterize the MIPs. Finally, we used capillary electrophoresis to detect the effluent and the eluate under optimum conditions. As a result, a molecularly imprinted solid phase extraction-capillary electrophoresis (MISPE-CE) method for the determination of L-epicatechin was developed. The experimental results showed that molecularly imprinted polymers were successfully synthesized with good morphology and specific adsorption characteristics. This method is feasible for the analysis of L-epicatechin in Liubao tea.
molecular imprinting; L-epicatechin; solid phase extraction; capillary electrophoresis
10.7506/spkx1002-6630-201702027
O658
A
1002-6630(2017)02-0164-06
劉伯洋, 李利軍, 程昊, 等. 分子印跡固相萃取技術(shù)對(duì)六堡茶中表兒茶素的分離特性[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(2): 164-169. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201702027. http://www.spkx.net.cn
LIU Boyang, LI Lijun, CHENG Hao, et al. Separation of L-epicatechin in Liubao tea by molecularly imprinted solid phase extraction[J]. Food Science, 2017, 38(2): 164-169. (in Chinese with English abstract)
10.7506/spkx1002-6630-201702027. http://www.spkx.net.cn
2016-03-30
廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014GXNSFAA118402);廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)及卓越學(xué)者計(jì)劃資助項(xiàng)目
劉伯洋(1991—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榉肿佑≯E技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。E-mail:www.lby746129579@qq.com
*通信作者:孔紅星(1967—),男,研究員,碩士,研究方向?yàn)榉治鰷y(cè)試技術(shù)與糖資源綜合利用。E-mail:khx100@sina.com