唐敏敏 陳華 李瑞
摘? 要:采用響應(yīng)面組合設(shè)計(jì)優(yōu)化超聲波提取未成熟的檳榔籽多糖的工藝。結(jié)果表明,提取功率、提取液料比和提取時(shí)間均能顯著影響檳榔多糖的得率,且在預(yù)測(cè)的最佳工藝參數(shù)(提取功率630 W,提取液料比20.76 mL/g,提取時(shí)間501s)條件下,檳榔多糖的實(shí)際提取率為(3.3206±0.0099)%。另外,檳榔多糖可以抑制脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞(RAW 264.7)內(nèi)一氧化氮的生成,其IC50為85.64 μg/mL,說(shuō)明檳榔多糖具有一定的抗炎潛力。
關(guān)鍵詞:檳榔多糖;超聲波提取;抗炎
中圖分類(lèi)號(hào) R284.1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? ?文章編號(hào) 1007-7731(2019)09-0021-5
Abstract:This study determined the optimal conditions for ultrasound-assisted extraction of a polysaccharide,Areca nut polysaccharide,from the seed of Areca nut using response surface methodology.The optimal extraction ultrasonic power,ratio of liquid to raw material,and extraction time were 630W,20.76 mL/g and 503s,respectively,giving a yield of (3.3206±0.0099)%.The result showed that Areca nut polysaccharide inhibited NO production in lipopolysaccharide (LPS) treated RAW 264.7 cells with a dose-dependent manner.The IC50 value was 85.64 μg/mL,which indicated that areca nut polysaccharide had anti-inflammatory potential.
Key words:Areca nut polysaccharide;Ultrasound-assisted extraction;Anti-inflammatory activity
檳榔是棕櫚科植物檳榔(Arecacatechu L.)的果實(shí),可食用、亦可藥用。檳榔作為海南省第一大熱作經(jīng)濟(jì)作物[1],其產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的95%以上,且絕大部分用作食用檳榔產(chǎn)業(yè)的原料。然而,2003年8月7日國(guó)際癌癥研究中心(International Agency for Research on Cancer,IARC)在其特別刊物第85卷中認(rèn)定檳榔為一級(jí)致癌物,指出常嚼檳榔會(huì)造成口腔黏膜下纖維化,這是導(dǎo)致口腔癌病變的主要原因。從此,海南檳榔種植產(chǎn)業(yè)經(jīng)常被“致癌”風(fēng)波嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益。
檳榔為我國(guó)“四大南藥”之首,在我國(guó)中醫(yī)藥中的應(yīng)用已超過(guò)1000年。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)外共有225個(gè)藥品采用檳榔作為原料,其中,2015年版《中華人民共和國(guó)藥典》錄入了檳榔、焦檳榔、大腹殼等3味檳榔藥材,外加木香檳榔丸、檳榔四消丸(大蜜丸和水丸)等3味以檳榔為主要原料的成方制劑[2]?,F(xiàn)代研究表明,檳榔含有多種活性成分,如檳榔油、生物堿、多酚、鞣質(zhì)等物質(zhì),具有抗氧化、緩解疲勞[3]、改善腸胃功能[4]、治療糖尿病[5,6]、促進(jìn)神經(jīng)興奮[7]、預(yù)防癌癥[8]、保護(hù)血管[9]、抑制破骨基因表達(dá)[10]等多種生理活性。因此,檳榔具有較高的保健和藥用價(jià)值。但目前,我國(guó)檳榔加工技術(shù)水平仍處于初級(jí)加工階段,缺乏高附加值產(chǎn)品,嚴(yán)重影響了檳榔產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。
多糖是廣泛存在于動(dòng)物、植物、微生物中的一類(lèi)碳水化合物,因其具有獨(dú)特的物理化學(xué)特性和生物活性,越來(lái)越受到人們的關(guān)注和重視。迄今為止,大量研究結(jié)果表明,多糖具有廣泛的藥理活性[11]。
目前,有關(guān)檳榔活性成分的研究主要集中于生物堿、多酚、色素等方面,而多糖方面則鮮見(jiàn)報(bào)道。本課題組前期研究結(jié)果表明,檳榔多糖粗提物(ASP)具有良好的體外的抗氧化活性,并可以抑制人皮膚成纖維細(xì)胞(HSF)內(nèi)氧化損傷[12]。本研究擬通過(guò)響應(yīng)面法確定了檳榔多糖的最佳提取工藝,了解其對(duì)脂多糖誘導(dǎo)的小鼠腹腔巨噬細(xì)胞(RAW 264.7)產(chǎn)生一氧化氮(NO)的抑制作用,以期為檳榔的精深加工和海南檳榔產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型繼續(xù)提供理論支撐。
1 材料
1.1 原料 5月齡左右的檳榔鮮果,采自中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院椰子研究所科研基地。清洗后晾干,取種子冷凍干燥,粉碎備用。
1.2 細(xì)胞系 小鼠單核巨噬細(xì)胞白血病細(xì)胞(RAW 264.7)細(xì)胞購(gòu)于中國(guó)科學(xué)院上海細(xì)胞庫(kù)。
1.3 培養(yǎng)基 高糖DMEM培養(yǎng)基:含4500mg/L D-葡萄糖、584mg/L L-谷氨酰胺、3700mg/L碳酸氫鈉、10%胎牛血清和1%青霉素-鏈霉素,pH值7.0~7.4。
2 實(shí)驗(yàn)方法
2.1 檳榔多糖的超聲波提取 工藝流程如下:新鮮檳榔→去殼→冷凍干燥→粉碎→石油醚浸泡→過(guò)濾,揮干有機(jī)溶劑→蒸餾水浸泡→冰浴超聲波提取→離心→乙醇沉淀→水復(fù)溶→冷凍干燥→檳榔粗多糖。分別稱(chēng)取2.00g檳榔籽粉末,以水作為溶劑,按照不同的提取超聲功率、不同提取時(shí)間以及不同液料比進(jìn)行冰浴-超聲波提取,將提取液離心,其殘?jiān)凑胀瑯拥某曁崛l件重復(fù)提取1次,合并提取液。將提取液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮,向濃縮后的多糖溶液中加入4倍體積的95%乙醇,靜置過(guò)夜,離心得到析出的多糖,然后將沉淀加水復(fù)溶得到多糖提取物的水溶液。向提取物水溶液中加入1/5體積的sevage試劑,混合震蕩,除去有機(jī)層,重復(fù)3~4次,直至水相和有機(jī)相之間沒(méi)有白色乳狀層為止。待水相冷凍干燥,即得檳榔粗多糖,稱(chēng)重后,溶解到一定體積的蒸餾水中,備用。
2.2 苯酚-硫酸法檢測(cè)多糖含量 精確移取系列濃度標(biāo)準(zhǔn)無(wú)水葡萄糖溶液(0、8、16、24、32、40、48μg/mL)各2mL,分別加入6%苯酚溶液1.00mL,搖勻后迅速加入5.00mL濃硫酸,混勻,1~2min后于沸水液中加熱 15min,取出放入冰水浴冷卻15min,于485nm下測(cè)定吸光度。以吸光度為縱坐標(biāo),對(duì)應(yīng)葡萄糖溶液濃度為橫坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
2.3 檳榔多糖樣品含量及得率的計(jì)算 取一定的檳榔多糖溶液,按照2.2中的操作方法于485nm出測(cè)定其吸光值,代入回歸方程及以下公式,即可算出檳榔中多糖的提取率。
多糖得率(%)=C×N×V/106/W×100
式中:C為多糖溶液的濃度(μg/mL);V為多糖溶液體積(mL);N為測(cè)定時(shí)多糖溶液的稀釋倍數(shù);W為檳榔粉末質(zhì)量(g)。
2.4 超聲波輔助提取法提取檳榔多糖單因素實(shí)驗(yàn)
2.4.1 超聲波功率 準(zhǔn)確稱(chēng)取干燥的檳榔粉末2.00g于100mL燒杯中,分別加入40mL蒸餾水后,依次采用270W、360W、450W、540W、630W提取多糖,提取360s。得到粗多糖溶液,去除蛋白,冷凍干燥,復(fù)溶,測(cè)定多糖含量,計(jì)算得率。
2.4.2 液料比 準(zhǔn)確稱(chēng)取干燥的檳榔粉末2.00g于10mL燒杯中,分別加入20mL、30mL、40mL、50mL、60mL的蒸餾水后,采用540W的提取功率,提取多糖360s,得到粗多糖溶液,去除蛋白,冷凍干燥,復(fù)溶,測(cè)定多糖含量,計(jì)算得率。
2.4.3 提取時(shí)間 準(zhǔn)確稱(chēng)取干燥的檳榔粉末2.00g于100mL燒杯中,分別加入40mL蒸餾水后,采用540W的提取功率,依次提取多糖120、240、360、480、600s。得到粗多糖溶液,去除蛋白,冷凍干燥,復(fù)溶,測(cè)定多糖含量,計(jì)算得率
2.4.4 響應(yīng)面設(shè)計(jì) 以單因素試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ),每個(gè)因素選擇3個(gè)影響較大的水平,以檳榔多糖提取量為響應(yīng)值,建立3因素3水平中心組合試驗(yàn),各因素3個(gè)水平采用-1,0,1進(jìn)行編碼。超聲波破碎法提取檳榔多糖因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。
2.5 檳榔多糖的抗炎作用研究
2.5.1 細(xì)胞培養(yǎng) RAW264.7細(xì)胞復(fù)蘇后,采用含10%胎牛血清、1%的青霉素-鏈霉素雙抗的DMEM培養(yǎng)液,置于37℃,5%CO2的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。換液后待細(xì)胞生長(zhǎng)融合度達(dá)到70%~80%即可進(jìn)行傳代。根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)要求,將單細(xì)胞懸液稀釋至需要的濃度接種至孔板中,或分裝到培養(yǎng)皿中繼續(xù)培養(yǎng)傳代。
2.5.2 RAW264.7細(xì)胞存活率 將100μL密度為5×104個(gè)/mL的細(xì)胞接種于96孔板中,37℃,5%二氧化碳濃度,培養(yǎng)過(guò)夜,加入不同濃度的檳榔多糖,每個(gè)濃度至少3個(gè)平行。放回細(xì)胞培養(yǎng)箱中孵育24h后,每孔加入5mg/mL的MTT溶液20μL,繼續(xù)孵育2h后,取出96孔板。吸出上清,每孔加入200μLDMSO,待甲臜結(jié)晶充分溶解后,用酶標(biāo)儀于495nm波長(zhǎng)測(cè)量吸光度。計(jì)算公式如下:
存活率(%)=加藥孔OD值/對(duì)照孔OD值×100
2.5.3 LPS誘導(dǎo)的RAW264.7細(xì)胞產(chǎn)生的一氧化氮含量 將100μL密度為5×105個(gè)/mL的細(xì)胞接種于96孔板中,過(guò)夜培養(yǎng),實(shí)驗(yàn)組加入LPS(終濃度為1μg/mL)培養(yǎng)1h后,繼續(xù)加入不同濃度的檳榔多糖溶液,正常組不做任何處理,只加LPS的用作陰性對(duì)照。孵育24h后,取出96孔板,然后從96孔板各孔中分別取出各組細(xì)胞上清液50μL,轉(zhuǎn)移至新的96孔板并向所有孔中分別加入50μL Griess試劑(25g/L),室溫下反應(yīng)10min,用酶標(biāo)儀于570nm波長(zhǎng)測(cè)量吸光度。計(jì)算公式如下:
NO抑制率(%)=加藥孔OD值/陰性對(duì)照孔OD值×100
3 結(jié)果與分析
3.1 檳榔多糖的含量 采用苯酚—硫酸法檢測(cè)檳榔多糖的含量,其葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。由圖1可知,在該試驗(yàn)和儀器條件下,吸光度和質(zhì)量濃度的關(guān)系為Y=0.0088X+0.0251,R2=0.9951(Y為吸光度,X為標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度,mg/L)。
3.2 超聲波輔助提取法工藝條件對(duì)提取檳榔多糖得率的影響 目前,超聲波提取技術(shù)已廣泛應(yīng)用于對(duì)各種食品和中藥等原料中的有效成分的提取中[13]。超聲功率、溫度、時(shí)間、溶劑類(lèi)型、溶液濃度、料液比、顆粒大小等工藝條件是超聲波提取工藝過(guò)程中主要考察的因素[14]。本試驗(yàn)考察了超聲功率、時(shí)間和液料比對(duì)檳榔多糖得率的影響,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知:當(dāng)提取功率為270~540W時(shí),檳榔多糖的提取率逐漸增加,并達(dá)到最大值。因?yàn)槌暡óa(chǎn)生的物理效應(yīng),促使細(xì)胞壁破碎,加快多糖的溶出。在提取超聲功率達(dá)到540W時(shí),檳榔多糖的提取率達(dá)到最大,之后功率進(jìn)一步增加,但是提取率卻減少,這可能是由于隨著超聲波功率的加大,空化作用和機(jī)械作用加大,引起了多糖物質(zhì)的結(jié)構(gòu)破壞。因此,選定540W為最優(yōu)提取超聲功率。液料比也是影響活性物質(zhì)提取率的重要因素。當(dāng)液料比從15mL/g增加到20mL/g時(shí),檳榔多糖提取率逐漸升高,原因可能是溶劑過(guò)少時(shí),不利于多糖的溶出。當(dāng)液料比從20mL/g增加到35mL/g時(shí),檳榔多糖提取率基本無(wú)變化,說(shuō)明多糖的溶出與損耗已經(jīng)達(dá)到一定的平衡。綜合考慮濃縮時(shí)間和耗費(fèi)的成本,最適宜的料液比為20mL/g。提取時(shí)間方面,隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng),檳榔多糖提取率呈先增大后降低的趨勢(shì),當(dāng)提取時(shí)間達(dá)到480s時(shí),檳榔多糖的得率達(dá)到最大值;當(dāng)提取時(shí)間超過(guò)480s時(shí),檳榔多糖的提取率開(kāi)始降低。因此,最適提取時(shí)間為480s。
3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果
3.3.1 響應(yīng)值結(jié)果及其擬合模型 依據(jù)Box-Behnken 中心組合設(shè)計(jì)原理,在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,以超聲時(shí)間X1,超聲溫度X2,液料比X33個(gè)因素為自變量,檳榔多糖得率Y(%)為響應(yīng)值,采用Design Expert 8.0.6軟件做3因素3水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì),共17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn),響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果如表2。對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到了可以描述檳榔多糖得率Y與3個(gè)自變量的數(shù)學(xué)模型方程,如下所示:
由表3可知,回歸模型極顯著(P<0.0001)、失擬不顯著(P=0.3691),說(shuō)明未知因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很小,預(yù)測(cè)的回歸模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得較好。而且預(yù)測(cè)模型的 R2=0.9951,說(shuō)明多糖提取率的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之間一致性較好,該模型的變異系數(shù)CV=0.49%<5%,校正系數(shù) R2Adj=0.9887,說(shuō)明預(yù)測(cè)的模型能反映98.87%響應(yīng)值的變化,因此通過(guò)回歸方程能夠預(yù)測(cè)并分析實(shí)驗(yàn)真實(shí)數(shù)據(jù)。通過(guò)表3中的方差分析結(jié)果可知,各單因素對(duì)檳榔提取率影響顯著,其影響大小順序?yàn)樘崛」β?提取時(shí)間>液料比,而單因素之間的交互作用對(duì)提取率的影響不顯著(P>0.05)。
3.3.2 響應(yīng)面圖形 通過(guò)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)得到的多元回歸模型所作的響應(yīng)曲面圖見(jiàn)圖3,響應(yīng)面圖能夠直觀地反映各因素之間的交互關(guān)系,曲面越陡峭,說(shuō)明該因素對(duì)響應(yīng)值的影響越顯著,從圖中的等高線密集程度可看出對(duì)產(chǎn)率的影響,越密集說(shuō)明影響越顯著,越稀疏表明影響越小??梢?jiàn),提取功率所對(duì)應(yīng)的曲面最為陡峭,提取時(shí)間所對(duì)應(yīng)的曲面最為平滑,這說(shuō)明提取功率對(duì)檳榔多糖提取率的影響最顯著,提取液料比的影響最小。
3.3.3 最優(yōu)提取條件的預(yù)測(cè)及結(jié)果合理性驗(yàn)證 對(duì)進(jìn)一步分析,得到超聲波提取檳榔多糖的最優(yōu)參數(shù)是:提取功率630W,提取液料比20.76mL/g,提取時(shí)間501.34s,預(yù)測(cè)檳榔多糖提取率為3.3147%。為了實(shí)際操作方便,理論優(yōu)化條件優(yōu)化為提取功率630W,提取液料比20.76mL/g,提取時(shí)間501s,在此條件下,進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn),檳榔多糖實(shí)際提取率為(3.3206±0.0099)%,說(shuō)明響應(yīng)面法優(yōu)化得到的工藝參數(shù)是可靠的。
3.4 檳榔多糖對(duì)RAW264.7細(xì)胞存活率的影響 如圖4所示,檳榔多糖在20、40、60、80、100μg/mL5個(gè)濃度劑量下,單獨(dú)作用處理24h后,與正常對(duì)照組相比,對(duì)小鼠腹腔巨噬細(xì)胞RAW264.7存活率無(wú)顯著影響(P<0.05),這表明在此濃度范圍內(nèi),檳榔多糖對(duì)細(xì)胞無(wú)毒性作用。
3.5 檳榔多糖對(duì)LPS誘導(dǎo)的RAW264.7細(xì)胞產(chǎn)生的一氧化氮含量的影響 炎癥是機(jī)體對(duì)致炎物質(zhì)的刺激產(chǎn)生的防御性反應(yīng)[15]。脂多糖誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞RAW264.7已被廣泛用于各種物質(zhì)的抗炎作用評(píng)價(jià)[16]。由圖5可知,在20~100μg/mL濃度范圍內(nèi),檳榔多糖有較好的抑制小鼠腹腔巨噬細(xì)胞RAW264.7產(chǎn)生NO的作用,并隨多糖濃度升高,其抑制NO分泌作用增強(qiáng),即在實(shí)驗(yàn)測(cè)定范圍內(nèi),檳榔多糖對(duì)細(xì)胞模型內(nèi)NO的抑制作用具有濃度依賴(lài)性;繪制質(zhì)量濃度-抑制率曲線,經(jīng)計(jì)算得半數(shù)抑制濃度(IC50)為85.64μg/mL。
4 結(jié)論
超聲波在多糖提取過(guò)程中,利用空化作用和機(jī)械效應(yīng)破壞生物細(xì)胞壁,加速浸提物的溶出,從而提高了多糖得率[17]。本試驗(yàn)得到了超聲波提取檳榔多糖的最佳工藝條件,即提取功率630W,提取液料比20.76mL/g,提取時(shí)間501s。在此條件下,檳榔多糖實(shí)際提取率為(3.3206±0.0099)%。并且對(duì)檳榔多糖的抗炎活性進(jìn)行了初步篩選,結(jié)果表明,在20~100μg/mL,檳榔多糖對(duì)RAW264.7無(wú)毒副作用,且對(duì)LPS誘導(dǎo)的NO產(chǎn)生具有一定的抑制作用。
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(責(zé)編:張宏民)
基金項(xiàng)目:海南省自然科學(xué)資金項(xiàng)目(20163154);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(1630152017017)。
作者簡(jiǎn)介:唐敏敏(1984—),女,山東泰安人,碩士,副研究員,研究方向:功能性食品。? ? 收稿日期:2019-03-25