于磊,李文釗,姜化彬,韓紅超,阮美娟
(天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院,天津300457)
番木瓜籽是番木瓜加工過程中的廢料,目前沒有得到充分利用,番木瓜籽占番木瓜重量的7%,將番木瓜籽綜合開發(fā)利用,對提高番木瓜產(chǎn)業(yè)的附加值具有重要意義[1]。目前對番木瓜籽已開展了較多的研究,主要集中在以下幾個方面:番木瓜籽營養(yǎng)成分分析、番木瓜籽油的提取及成分分析和功能評價、番木瓜籽中活性成分的相關(guān)研究、番木瓜籽中異硫氰酸酯的研究[2-4]等。異硫氰酸酯是一類具有-N=C=S基團的化合物,是硫代葡萄糖苷的酶解產(chǎn)物[5],在自然界中主要以硫代葡萄糖苷的形式廣泛存在于十字花科[6]、番木瓜科、柏樂樹科、白花菜科、旱金蓮科、多籽果科等雙子葉植物中[7]。異硫氰酸酯是一種具有特殊風(fēng)味的物質(zhì),其抗癌活性已經(jīng)得到了確認(rèn),對于其抑菌活性、提高細(xì)胞的抗氧化能力的研究還正在進行[8]。硫代葡萄糖苷(Glucosinolates,簡稱GS)是一類廣泛存在于植物界的次生代謝產(chǎn)物,其降解產(chǎn)物具有多種活躍的化學(xué)和生物活性[9-10]。GS種類繁多,根據(jù)其側(cè)鏈R基團來源不同可以分為脂肪族、芳香族和吲哚族3大類[6,11]。GS降解過程受多種因素影響而難以控制:不同種類的GS在硫苷酶作用下產(chǎn)生異硫氰酸酯類、腈類、硫氰酸酯類、環(huán)腈類、惡唑烷酮類化合物等,在較高溫度下能發(fā)生自降解,在強酸、強堿以及某些化學(xué)物質(zhì)的作用下也不穩(wěn)定,也能在微生物作用下有效降解[9,12]。硫代葡萄糖苷的降解方式共包含4種方式,酶降解、熱降解、化學(xué)降解、微生物降解[11,13]。本文在酶降解基礎(chǔ)上,對番木瓜籽中的硫代葡萄糖苷進行超聲輔助降解,優(yōu)化超聲波輔助降解工藝,使異硫氰酸芐酯(Benzylisothiocyanate,簡稱BITC)得率達(dá)到最大,為提高GS的轉(zhuǎn)化率提供理論基礎(chǔ)。
番木瓜籽:海南斯坦德生物科技有限公司;異硫氰酸芐酯(98%):西格馬奧格里奇(上海)貿(mào)易有限公司。
752E紫外可見分光光度計:天津市普瑞斯儀器有限公司;KA2200DE超聲波清洗機:昆山超聲儀器有限公司;VARIAN4000MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀:美國瓦里安技術(shù)有限公司;FT-IR傅立葉變換紅外光譜儀:賽默飛世爾科技公司
硫代葡萄糖苷的檢測采用3,5-二硝基水楊酸(3,5-Dinitrosalicylic acid,DNS)比色法,制作葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線,并對硫代葡萄糖苷進行測定[14]。
1.2.1.1 樣品的降解
樣品超聲輔助降解:準(zhǔn)確稱取番木瓜籽粉末樣品0.500 g兩份,分別置于兩支25 mL刻度試管中。在一支試管中加入35℃~38℃蒸餾水15 mL,置37℃水浴中恒溫酶解48 min,使硫代葡萄糖苷在芥子酶作用下完全水解,完成酶解后加熱至沸并保持10 min。在一支試管中加沸水15 mL,立即加熱至沸并保持10 min。隨后進行超聲輔助降解。
1.2.1.2 硫代葡萄糖苷的檢測
在兩支試管中分別加入2 mL三氯乙酸,以沉淀其中的蛋白質(zhì)等物質(zhì),靜置后在4 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心除去殘渣(殘渣體積約2 mL),將上清液移至25 mL刻度試管,加1.5 mL濃度為1 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至中性,最后加蒸餾水定容至25 mL,濾紙過濾,取濾液各0.5 mL,按葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制方法,分別測定其吸光度。
1.2.1.3 硫代葡萄糖苷含量的計算
硫代葡萄糖苷含量按公式(1)計:
式中:C1為滅酶管葡萄糖量,mg;C2為酶解管葡萄糖量,mg;m為樣品質(zhì)量,mg;2.167為硫代葡萄糖轉(zhuǎn)化為硫代葡萄糖苷的系數(shù)(以芐基硫代葡萄糖苷計算)。
在NY/T 1596-2008《油菜餅粕中異硫氰酸酯的測定(硫脲比色法)》的基礎(chǔ)上進行改進,利用內(nèi)源酶進行酶解代替在樣品前處理中加芥子酶[15]。
1.2.2.1 樣品的處理
1)樣品熱降解處理:將番木瓜籽用萬能粉碎機粉碎,過100目標(biāo)準(zhǔn)篩,準(zhǔn)確稱取0.200 0 g番木瓜籽粉末放入圓底燒瓶中,加入5.0 mL水混合,接冷凝器,于集熱式恒溫磁力攪拌器中油欲,在適當(dāng)溫度下恒溫油浴1 h,熱降解完成后,轉(zhuǎn)移至具塞試管中備用。
2)將番木瓜籽用萬能粉碎機粉碎,過100篩,準(zhǔn)確稱取0.200 0 g番木瓜籽粉末放入具塞試管中,加入2.0 mL pH值為7.0的緩沖溶液充分混合并在35℃下恒溫水浴2 h,水浴酶解完成后,樣品備用。
往具塞試管中加2.5 mL二氯甲烷,用旋渦混合器混合均勻,在室溫下震蕩0.5 h,4 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心20 min,取6.0 mL體積分?jǐn)?shù)為80%的氨乙醇于具塞試管,用微量進樣器取離心管下層有機相50 μL,加入到裝有80%氨乙醇具塞試管中,蓋上塞。漩渦混合均勻,將具塞試管放入水浴鍋,50℃下加熱0.5 h后取出,冷卻至室溫,用紫外分光光度計,10 mm石英比色皿測定光密度值,測定波長分別為 235、245、255 nm。同時測定試樣空白溶液。
1.2.2.2 異硫氰酸芐酯含量的計算
試樣中異硫氰酸芐酯的含量(ω)以每克樣品中異硫氰酸芐酯的毫克數(shù)(mg/g)表示,按公式(2)計算:
式中:O.D235為試樣235 nm處的光密度值;O.D245為試樣245 nm處的光密度值;O.D255為試樣255 nm處的光密度值;28.55為異硫氰酸芐酯的換算系數(shù)。
1.2.3.1 番木瓜籽硫苷超聲輔助降解產(chǎn)物的制備方法
番木瓜籽用萬能粉碎機粉碎,過100目標(biāo)準(zhǔn)篩,準(zhǔn)確稱取0.2 g木瓜籽粉末于10 mL刻度試管中,加入配制好pH值為7.0的緩沖液4 mL,旋渦混合器充分混勻,于35℃酶解反應(yīng)48 min,隨后進行超聲輔助降解。
降解樣品加入5 mL正己烷,用旋渦混合器充分混合均勻,將混合均勻的樣品移至15 mL離心管中,在4 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心10 min,將下層有機相移至具塞試管中,加入過量無水硫酸鈉除水,并置于冰箱冷凍過夜,將上清液取出作為待測樣品。
1.2.3.2 GC-MS分析條件
色譜條件:在此基礎(chǔ)上進行改進,DB-5石英毛細(xì)管柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm);升溫程序:100℃保持3 min,以10℃/min升至310℃,保持5 min;載氣為He,流速1.4 mL/min;進樣口溫度250℃,分流比 10 ∶1,進樣量 1 μL。
質(zhì)譜條件:電子轟擊離子源;電子能量70 eV;傳輸線溫度200℃;離子源溫度200℃;質(zhì)量掃描范圍 m/z 40~600。
1.2.3.3 紅外光譜儀分析條件
紅外光譜儀條件:背景掃描次數(shù),32;樣品掃描次數(shù),32;采樣增益,4.0;分辨率,4.000;光闌,100.00;分束器,KBr;動鏡速度,0.474 7;檢測器,DTGS ART;光源,紅外光源IR。
探究超聲波對硫代葡萄糖苷降解的影響,在內(nèi)源酶降解基礎(chǔ)上進行超聲輔助降解。酶解條件為:緩沖液 pH4.8,料液比 1∶20(g/mL),酶解時間 48min,酶解溫度27℃。
1.2.4.1 超聲時間對硫代葡萄糖苷可控降解的影響
探究超聲時間對硫代葡萄糖苷降解的影響,超聲功率60 W,水溫30℃,超聲時間分別為0、5、10、15、20、25、30 min。分別測定 GS 降解率、BITC 得率。
1.2.4.2 超聲溫度對硫代葡萄糖苷可控降解的影響
探究超聲溫度對硫代葡萄糖苷降解的影響,超聲功率60 W,超聲時間25 min,超聲溫度分別為20、35、50、65、80 ℃。分別測定 GS 降解率、BITC得率。
1.2.4.3 超聲功率對硫代葡萄糖苷可控降解的影響
探究超聲功率對硫代葡萄糖苷降解的影響,超聲溫度35℃,超聲時間25 min,超聲溫度功率為40、60、80、100 W。分別測定 GS降解率、BITC 得率。
1.2.4.4 超聲波輔助番木瓜籽中硫代葡萄糖苷降解的優(yōu)化試驗
在單因素試驗基礎(chǔ)上,進行影響面優(yōu)化,根據(jù)Box-Behnken模型的試驗設(shè)計原理[16],用Design-Expert軟件安排試驗組合。分別測定異硫強酸芐酯得率及硫代葡萄糖苷降解率。
1.2.4.5 超聲輔助硫代葡萄糖苷降解產(chǎn)物分析
利用GC-MS,分別對最優(yōu)條件下(異硫強酸芐酯得率最高、硫代葡萄糖苷降解率最高)的降解產(chǎn)物進行測定。
葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作:經(jīng)試驗獲得的葡萄糖濃度與吸光度關(guān)系,葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1所示。
圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of glucose
吸光度Y與葡萄糖濃度X(mg/mL)的關(guān)系為:
此標(biāo)準(zhǔn)曲線可用于溶液中葡萄糖含量的測定,進而計算出溶液中硫代葡萄糖苷的含量。
原料粒徑100目,按照酶解條件料液比1∶20(g/mL),緩沖液pH=4.8,酶解時間48 min進行酶解,隨后進行超聲輔助降解,因素為時間、功率、溫度。以GS降解率、BITC得率為指標(biāo)分別進行單因素試驗,并進行響應(yīng)面優(yōu)化。
2.2.1 超聲時間對硫代葡萄糖苷降解的影響
探究超聲時間對硫代葡萄糖苷降解的影響,超聲功率60 W,超聲溫度30℃,超聲時間分別為:0、5、10、15、20、25、30 min。原料粒徑 80 目,酶解條件:27 ℃、料液比 1 ∶20(g/mL),pH=4.8,酶解 48 min 輔助條件:超聲功率60 W,溫度30℃。分別測定GS降解率、BITC得率。結(jié)果如圖2。
圖2 超聲時間對GS降解的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on degradation of GS
由圖2可知,隨著超聲時間延長,GS降解率呈增大趨勢,當(dāng)超聲時間達(dá)到25 min時,GS降解率最大,為74.68%±1.24%,當(dāng)輔助時間繼續(xù)延長時,GS降解率不再增加。隨著超聲時間延長,BITC得率逐漸增大,在超聲時間為15 min時,BITC得率最高,達(dá)到(0.531±0.008)%,當(dāng)輔助時間繼續(xù)延長時,BITC得率不再增加。
探究超聲溫度對硫代葡萄糖苷降解的影響,超聲功率60 W,測定GS降解率時超聲時間為25 min(測定BITC得率時超聲時間15 min),超聲溫度分別為:20、35、50、65、80℃。分別測定 GS降解率、BITC得率。結(jié)果如圖3。
圖3 超聲溫度對GS降解的影響Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on degradation of GS
由圖3可知,隨著超聲溫度升高,GS降解率呈增大趨勢,當(dāng)超聲溫度達(dá)到35℃時,GS降解率最大,為(77.25±1.12)%,當(dāng)超聲溫度繼續(xù)增大時,GS降解率不再增加。隨著超聲溫度升高,BITC得率逐漸增大,在超聲溫度為35℃時,BITC得率最高,達(dá)到(0.554±0.004)%,當(dāng)輔助溫度繼續(xù)升高時,BITC得率不再增加。
探究超聲功率對硫代葡萄糖苷降解的影響,超聲溫度35℃,測定GS降解率時超聲時間為25 min(測定BITC得率超聲時間15 min),超聲功率為40、60、80、100 W。分別測定GS降解率、BITC得率。結(jié)果如圖4。
圖4 超聲功率對GS降解的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on degradation of GS
由圖4可知,隨著超聲溫度升高,GS降解率呈增大趨勢,當(dāng)超聲功率達(dá)到60 W時,GS降解率最大,為77.187%±1.3%,當(dāng)超聲溫度繼續(xù)增大時,GS降解率不再增加。隨著超聲溫度升高,BITC得率逐漸增大,在超聲功率為60 W時,BITC得率最高,達(dá)到(0.554±0.005)%,當(dāng)輔助功率繼續(xù)增大時,BITC得率不再增加。
結(jié)合單因素試驗結(jié)果以BITC得率為優(yōu)化指標(biāo),設(shè)計響應(yīng)面優(yōu)化試驗,超聲波輔助BITC得率響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計見表1。
應(yīng)用Design-Expert軟件對上述試驗結(jié)果進行響應(yīng)面分析,可以得到該模型的二階擬合方程:
表1 超聲波輔助GS降解響B(tài)ITC得率響應(yīng)面優(yōu)化試驗Table 1 Response surface optimization experiment of ultrasonic assisted GS degradation BITC yield
該模型的方差分析結(jié)果見表2所示。
表2 響應(yīng)面設(shè)計二階回歸模型方差分析Table 2 Analysis of variance for the second-order regression model
從表2可以看出,該回歸模型P值<0.000 1,說明了該方程模型極顯著,模型失擬項P值>0.05,說明失擬不顯著,可以利用該模型預(yù)測異硫氰酸芐酯的最高得率;從分差分析結(jié)果來看,超聲時間,超聲功率對輔助酶解得率影響極顯著,超聲溫度對輔助酶解得率影響顯著;超聲時間與超聲功率的交互相應(yīng)對酶解得率有顯著影響,超聲時間與超聲溫度,超聲功率與超聲溫度的交互相應(yīng)對酶解得率有極顯著影響,說明超聲時間(A)、超聲功率(B)、超聲溫度(C)3個因素對酶解得率的影響不只是簡單的線性關(guān)系,交互項、二次項也有一定的影響。
應(yīng)用Design-Expert軟件對上述試驗結(jié)果進行響應(yīng)面分析,可以得到該模型的響應(yīng)面圖和等高線圖,見圖5。
從圖5響應(yīng)面及等高線圖來看,超聲時間、超聲功率、超聲溫度之間具有一定的交互效應(yīng)。通過Design Expert軟件對試驗?zāi)P瓦M行優(yōu)化,以異硫氰酸芐酯得率最高為優(yōu)化目標(biāo),得到的最優(yōu)超聲時間16.17 min、超聲功率56.82 W、超聲溫度37.72℃,預(yù)期BITC得率0.56%。實際操作過程中選擇超聲時間16.17 min、超聲功率60 W、超聲溫度38℃,此時異硫氰酸芐酯的得率為0.558%,硫代葡萄糖苷的降解率為(63.62±1.17)%。
圖5 響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.5 Response surface map and contour map
2.2.5.1 酶解超聲輔助降解BITC提取分離
番木瓜籽粉碎過100目篩,按照酶解條件(料液比 1 ∶20 g/mL,緩沖液 pH=4.8,酶解時間 48 min)進行酶解,在超聲時間16.17 min、超聲功率60 W、超聲溫度38℃條件下進行輔助降解。隨后將降解產(chǎn)物進行同時蒸餾萃取,萃取目標(biāo)產(chǎn)物BITC。收集粗提物約1 g進行硅膠柱層析,獲得BITC純品。隨后進行GC-MS分析,見圖6。
圖6 番木瓜籽提取物的GC-MS分析譜圖Fig.6 GC-MS analysis spectra of papaya seed extract
如表3,初步判定出硫代葡萄糖苷可能的酶解產(chǎn)物,分別為苯甲醛(RT3.41min)、氯化芐(RT3.615min)、異氰酸芐酯(RT5.085min)、硫氰酸芐酯(RT8.533 min)、異硫氰酸芐酯(RT8.834 min),通過分析可以發(fā)現(xiàn),酶解產(chǎn)物中有芐基,由此推測番木瓜籽中含有芐基硫代葡萄糖苷;由于在氣質(zhì)分析結(jié)果中并沒有發(fā)現(xiàn)其他類別的異硫氰酸酯,所以可以認(rèn)為番木瓜籽中只有芐基硫代葡萄糖苷這一種硫苷,這與文獻(xiàn)報道的結(jié)果相一致。另外純化后番木瓜籽提取物中異硫氰酸芐酯純度達(dá)到98.81%,純度很高。
表3 番木瓜籽提取物GC-MS結(jié)果分析Table 3 Analysis of papaya seed extract GC-MS
2.2.5.2 番木瓜籽提取物的鑒定
經(jīng)過GC-MS結(jié)果可以看出,番木瓜籽酶解產(chǎn)物主要為異硫氰酸芐酯,其對應(yīng)的主要前提物質(zhì)為芐基硫苷,為了進一步確定提取物為異硫氰酸芐酯,通過紅外光譜的方法對純化后的提取物進行鑒定。
用毛細(xì)管吸取少量的異硫氰酸芐酯提取物和異硫氰酸芐酯標(biāo)品分別涂抹樣品去,進行400 cm-1~4 000 cm-1的紅外光譜掃描。
紅外條件:背景掃描次數(shù),32;樣品掃描次數(shù),32;采樣增益,4.0;分辨率,4.000;光闌,100.00;分束器,KBr;動鏡速度,0.474 7;檢測器,DTGS ART;光源,紅外光源IR。
圖7 番木瓜籽異硫氰酸芐酯純化物和異硫氰酸芐酯標(biāo)品紅外光譜Fig.7 Infrared spectroscopy of purified benzyl isothiocyanate from papaya seed and benzyl isothiocyanate standard substance
由圖7,3 032 cm-1為苯環(huán)上=C-H的伸縮振動(ν=C-H),2 924 cm-1為亞甲基的不對稱伸縮振動(ν-CH2),2 860 cm-1為亞甲基的對稱伸縮振動(ν-CH2),2 175、2 093 cm-1為-N=C=S 的特征吸收峰,1 604、1 496、1 454、1 439 cm-1為苯環(huán)骨架振動吸收帶(ν骨架),732、699 cm-1芳?xì)涞拿嫱鈴澢駝樱é?C-H),454 cm-1環(huán)上C=C面外彎曲振動。經(jīng)過對比,番木瓜籽異硫氰酸芐酯純化物和異硫氰酸芐酯標(biāo)品的紅外光譜一致。
超聲波輔助番木瓜籽中硫代葡萄糖苷的降解試驗中,在內(nèi)源酶水解硫代葡萄糖苷的基礎(chǔ)上進行超聲波輔助。在單因素基礎(chǔ)上,對超聲時間、超聲功率、超聲溫度3個因素進行優(yōu)化。以異硫氰酸芐酯得率最高為優(yōu)化目標(biāo),發(fā)現(xiàn)超聲時間、超聲功率、超聲溫度之間具有一定的交互效應(yīng)。得到的最優(yōu)超聲時間16.17 min、超聲功率60 W、超聲溫度38℃,異硫氰酸芐酯的得率為0.558%,此時硫代葡萄糖苷的酶解率為63.62%。純化后經(jīng)氣相色譜及紅外光譜分析,發(fā)現(xiàn)純化物為異硫氰酸芐酯,且純度較高,達(dá)到98.81%。
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