張喜峰,程雯慧,張春梅*
(1.河西學(xué)院 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,甘肅 張掖 734000;2.甘肅省河西走廊特色資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 張掖 734000)
黃參(Sphallerocarpusgracilis)為多年生傘形科迷果芹屬植物,在國內(nèi)主要分布于新疆、甘肅等西北地區(qū),具有食用歷史較長、營養(yǎng)成分豐富等特點(diǎn),其中多糖、蛋白質(zhì)含量較高,與世界衛(wèi)生組織推薦的參照蛋白模式基本吻合,屬于優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì);應(yīng)用前景廣闊[1];目前,國內(nèi)外研究主要集中在黃參多糖、多酚和黃參食品開發(fā)等方面[2-5];而有關(guān)黃參蛋白質(zhì)(Sphallerocarpus gracilis protein,SGP)的應(yīng)用研究相對較少;蛋白質(zhì)采用初級分離鹽析沉淀后,采用柱層析進(jìn)行后續(xù)純化步驟,雖純度高,但步驟繁瑣,周期較長,不利于工業(yè)化生產(chǎn)[6]。
三相萃?。╰hree phase-partitioning extraction,TPPE)是基于一種液-固-液形成三相基礎(chǔ)上非色譜分離技術(shù),具有簡單、快速、成本低、回收率高等特點(diǎn)[7];其主要由一定量無機(jī)鹽(通常為硫酸銨)、蛋白質(zhì)粗提液和小分子親水性有機(jī)溶劑(通常為叔丁醇)充分混合,靜置一段時(shí)間后,即可形成多酚類成分主要富集在上相即叔丁醇相,中間相為分離的蛋白質(zhì),下相主要為多糖和其他親水物質(zhì);三相的形成與鹽的濃度、表面張力和滲透作用密切相關(guān)[8]。羅磊等[9]采用叔丁醇/硫酸銨三相體系萃取金銀花過氧化物酶,并對其酶學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析;GAGAOUA M等[10]采用三相萃取分離甜瓜汁中甜瓜蛋白酶,獲得了最佳萃取條件;AVHADDN等[11]對纖溶酶超聲輔助三相萃取條件進(jìn)行了優(yōu)化;其溫和的分離環(huán)境在天然產(chǎn)物活性成分分離和純化過程中具有重要作用,已廣泛應(yīng)用于金屬、油脂、酶等有效成分的分離[12-14]。
本研究擬對黃參中蛋白質(zhì)進(jìn)行三相萃取研究,通過單因素和正交試驗(yàn)優(yōu)化其萃取條件,采1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)、2,2'-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(2,2'-azinobis-(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate,ABTS)自由基清除率、鐵離子還原能力(ferric ion reducing antioxidantpower,F(xiàn)RAP)值和氧自由基吸收能力(oxygen radicalabsorbance capacity,ORAC)對黃參中蛋白組分抗氧化性進(jìn)行研究,以期為黃參中蛋白質(zhì)的深度開發(fā)和工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
黃參:采自甘肅山丹縣,經(jīng)張春梅副教授鑒定為迷果芹屬(Sphallerocarpus)傘形目傘形屬;經(jīng)清洗、陰干、粉碎后過60目篩,低溫保存?zhèn)溆?。叔丁醇、硫酸銨、氫氧化鈉、鹽酸(均為分析純):天津永晟精細(xì)化工有限公司;維生素C(vitamin C,VC)(分析純):上海源葉生物科技有限公司。
DFY-1000C小型粉碎機(jī):溫嶺市林大機(jī)械有限公司;恒溫磁力攪拌器;陜西環(huán)宇儀器設(shè)備公司;PHS-25/25C精密臺式pH計(jì);遼寧賽亞斯科技有限公司;L6S紫外可見分光光度計(jì);上海重逢科學(xué)儀器有限公司;GDXL-16D低速低溫離心機(jī):常州市凱航儀器有限公司。
1.3.1 黃參蛋白質(zhì)提取液制備
稱取一定量黃參粉末按照料液比1∶50(g∶m L)加入0.2 mol/L的磷酸鹽緩沖溶液(pH 7),在25℃振蕩處理30m in后,在4 000 r/min離心10m in,上清液為黃參蛋白質(zhì)提取液。
1.3.2 黃參蛋白質(zhì)三相萃取技術(shù)
取100m L已制備的黃參蛋白質(zhì)提取液,加入固體硫酸銨使其飽和度為20%~60%,采用1mol/LHCl或1mol/L NaOH調(diào)節(jié)體系pH為3.5~5.5,按照提取液∶叔丁醇體積比(1.0∶0.1~1.0∶2.5)加入一定量的叔丁醇后,充分混勻,在20~40℃水浴處理15~35m in,在4 000 r/m in離心10m in,收集含黃參蛋白質(zhì)的中間相,經(jīng)冷凍干燥(-45℃干燥24 h,真空度10 Pa)后得黃參蛋白質(zhì)組分,命名為SGP-1。
1.3.3 傳統(tǒng)鹽析沉淀黃參蛋白質(zhì)
取100m L已制備的黃參蛋白質(zhì)提取液,加入31.3 g固體硫酸銨,對其進(jìn)行分級沉淀,經(jīng)離心、透析除鹽、冷凍干燥(-45℃干燥24 h,真空度10 Pa)得黃參蛋白質(zhì)組分,命名為SGP-2。
1.3.4 黃參蛋白質(zhì)含量測定及提取率計(jì)算
采用凱氏定氮法測定黃參蛋白質(zhì)含量[15],蛋白質(zhì)提取率計(jì)算公式如下:
1.3.5 黃參蛋白質(zhì)體外抗氧化活性測定
(1)DPPH·清除能力測定
SRP-1、SRP-2的抗氧化性測定參考文獻(xiàn)DPPH自由基清除法[16],略作修改;分別取不同質(zhì)量濃度(0.2~1.0mg/mL)SGP-1和SGP-2各2m L,加入0.2mmol/LDPPH溶液2.0m L,在室溫避光反應(yīng)30min后在波長519 nm處測定其吸光度值,以VC為陽性對照,DPPH·清除率計(jì)算公式如下:
(2)ABTS+自由基清除能力測定
參照文獻(xiàn)[17]方法略作改動:將4.9mmol/L過硫酸鉀和7mmol/L ABTS+溶液等體積混合后,室溫避光反應(yīng)12 h后,采用0.45μm有機(jī)相針式濾器對青綠色ABTS+溶液進(jìn)行過濾后,采用甲醇稀釋,其波長734 nm處的吸光度值為0.70±0.02。分別取不同質(zhì)量濃度(0.2~1.0mg/m L)SRP-1和SRP-2各150μL,加入ABTS+溶液2.85m L,混合均勻,室溫反應(yīng)2 h后,在波長734 nm處測定其吸光度值,VC為陽性對照,ABTS+自由基清除率計(jì)算公式如下:
式中:A0為不含樣品吸光度值;A1為含樣品和ABTS+吸光度值;A2為不含ABTS+樣品吸光度值。
(3)還原力的測定
按照VASCO C等[18]文獻(xiàn),測定樣品FRAP值。取不同質(zhì)量濃度(0.2~1.0mg/m L)SRP-1和SRP-2各150m L,均加入4.5m LFRAP工作液,在37℃加熱反應(yīng)40m in,在波長593 nm處測定其吸光度值,根據(jù)吸光度值,求得FeSO4相應(yīng)濃度,定義為FRAP值。
(4)抗氧化能力指數(shù)的測定
參照文獻(xiàn)[19]方法測定ORAC值(抗氧化能力指數(shù)),ORAC值以Trolox當(dāng)量(Troloxequivalent,TE)(μmolTE/mg)表示。
3×0+8+3×9+6+3×0+0+3×1+2+3×4+5+3×6=8+27+3+6+2+12+5+18=81,于是在這個(gè)加權(quán)和的方式下,若想讓UPC的每位數(shù)字和被10整除,則校驗(yàn)碼應(yīng)為9,即81+9=90被10整除.因此,正確的UPC應(yīng)是 0 8 9 6 0 0 1 2 4 5 6 9.
1.3.5 數(shù)據(jù)處理
所有試驗(yàn)均重復(fù)3次,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差形式表示;數(shù)據(jù)采用Origin2016軟件作圖。
2.1.1 硫酸銨飽和度對黃參蛋白分離效果的影響
蛋白質(zhì)鹽析效果不僅與鹽的種類有關(guān),而且與鹽的濃度密切相關(guān)。硫酸銨飽和度是影響三相萃取體系主要因素之一;不同飽和度條件下三相體系對黃參蛋白質(zhì)分離具有不同提取效果。固定黃參蛋白粗提液與叔丁醇體積比為1.0∶1.0,改變硫酸銨飽和度分別為20%、30%、40%、50%、60%,研究硫酸銨飽和度對黃參蛋白質(zhì)三相萃取效果的影響,結(jié)果見圖1。
圖1 硫酸銨飽和度對黃參蛋白質(zhì)三相萃取效果的影響Fig.1 Effect of ammonium sulfate saturation on three phasepartitioning extraction of Sphallerocarpus gracilis protein
硫酸銨的鹽析作用可有效促進(jìn)蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀作用;NH4+和SO42-由于霍夫密斯特效應(yīng)在蛋白質(zhì)、酶等生物大分子的分子間相互作用的兩端具有重要作用。叔丁醇與蛋白質(zhì)粗提液互溶,一定量硫酸銨加入溶解后,出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象;即上相為叔丁醇相,下相主要含鹽,鹽析作用結(jié)果出現(xiàn)中間蛋白質(zhì)沉淀固體相,形成液-固-液三相體系。由圖1可知,隨著硫酸銨飽和度逐漸增加,黃參蛋白質(zhì)提取率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當(dāng)飽和度為50%時(shí),提取率達(dá)到最大值;與其他梯度下硫酸銨飽和度相比,其提取率差異顯著(P<0.05);繼續(xù)增加飽和度,蛋白質(zhì)提取率逐漸下降;原因可能是硫酸銨在低飽和時(shí),硫酸銨與叔丁醇協(xié)同效果較弱,導(dǎo)致部分蛋白質(zhì)停留在下相;當(dāng)飽和度過高時(shí),可能促使其他雜蛋白被沉淀于中間相,影響其提取效果。因此,確定硫酸銨飽和度為50%。
2.1.2 叔丁醇加入量對黃參蛋白分離效果的影響
叔丁醇與其他醇類有機(jī)溶劑相比,是一種獨(dú)特一元醇,不僅具有溶解非極性成分外,還有醇沉和浮選劑作用,與一定量硫酸銨協(xié)同作用可有效純化目標(biāo)產(chǎn)物。本試驗(yàn)中,固定硫酸銨飽和度為50%,改變蛋白質(zhì)提取液與叔丁醇體積比分別為1.0∶0.5、1.0∶1.0、1.0∶1.5、1.0∶2.0、1.0∶2.5,分析叔丁醇加入量對黃參蛋白分離效果的影響,結(jié)果見圖2。
圖2 叔丁醇加入量對黃參蛋白質(zhì)三相萃取效果的影響Fig.2 Effect of tert-butanoladdition on three phase-partitioning extraction of Sphallerocarpus gracilis protein
由圖2可知,當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)提取液和叔丁醇體積比在1.0∶0.5~1.0∶1.0范圍內(nèi)時(shí),黃參蛋白質(zhì)提取率逐漸增加,當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)提取液和叔丁醇體積比為1.0∶1.0時(shí),提取率達(dá)到最大值,為(86.51±0.21)%;與蛋白質(zhì)提取液和叔丁醇體積比1.0∶0.5相比,提取率差異顯著(P<0.05);當(dāng)上述二者體積比在1.0∶1.0~1∶2.5內(nèi),提取率之間差異均不顯著(P>0.05);叔丁醇加入量較小時(shí),其與硫酸銨協(xié)同效果較弱,導(dǎo)致黃參蛋白質(zhì)沉淀效果較差;當(dāng)叔丁醇加入量過高時(shí),蛋白質(zhì)提取率趨于穩(wěn)定,基本不變。因此,從節(jié)約成本角度考慮,確定蛋白質(zhì)提取液和叔丁醇體積比為1.0∶1.0。
2.1.3 體系pH對黃參蛋白分離效果的影響
目標(biāo)蛋白的帶電情況在一定意義上決定了鹽析作用效果,目標(biāo)蛋白所帶靜電荷主要是由體系pH決定的,在確定叔丁醇加入量和硫酸銨飽和度基礎(chǔ)上,采用1mol/LHCl或1mol/L NaOH改變體系pH分別為3.5、4.0、4.5、5.0、5.5,研究體系pH對黃參蛋白分離效果的影響,結(jié)果見圖3。
圖3 體系pH值對黃參蛋白質(zhì)三相萃取效果的影響Fig.3 Effect of system pH on three phase-partitioning extraction of Sphallerocarpus gracilis protein
在目標(biāo)蛋白質(zhì)等電點(diǎn)與三相體系pH接近時(shí),硫酸銨與目標(biāo)蛋白質(zhì)之間的相互作用最小,影響目標(biāo)蛋白質(zhì)分離效果。當(dāng)體系pH大于目標(biāo)蛋白質(zhì)等電點(diǎn)時(shí),蛋白質(zhì)帶有負(fù)電荷,主要有富集于三相體系下相趨勢;當(dāng)體系pH小于目標(biāo)蛋白質(zhì)等電點(diǎn)時(shí),蛋白質(zhì)帶有正電荷,利于蛋白質(zhì)在中間相形成固相沉淀物;由圖3可知,當(dāng)體系pH值為4.5時(shí),蛋白質(zhì)提取率達(dá)到最大值,為(87.1±0.119)%;與其他不同體系pH獲得的蛋白提取率進(jìn)行比較,差異顯著(P<0.05);體系pH偏高或偏低,均會影響其提取效果。因此,確定體系pH值為4.5。
2.1.4 萃取溫度對黃參蛋白分離效果的影響
溫度是影響三相萃取目標(biāo)產(chǎn)物因素之一,研究體系萃取溫度對黃參蛋白分離效果的影響,結(jié)果見圖4。由圖4可知,當(dāng)溫度為25℃時(shí),提取率達(dá)到最高,為(87.43±0.136)%;分別與萃取溫度為20℃和30℃蛋白質(zhì)提取率進(jìn)行比較,差異顯著(P<0.05);繼續(xù)增加萃取溫度時(shí),蛋白質(zhì)提取率基本不變,且差異不顯著(P>0.05);原因可能是在較低溫度條件下進(jìn)行萃取時(shí),會影響目標(biāo)產(chǎn)物傳質(zhì)效果,導(dǎo)致三相形成較慢,且目標(biāo)蛋白質(zhì)與有機(jī)溶劑叔丁醇接觸時(shí)間長,會影響蛋白質(zhì)生物活性;溫度較高時(shí),在提高傳質(zhì)效果的同時(shí),可能會促使部分蛋白質(zhì)在固液界面發(fā)生溶解,導(dǎo)致中間相目標(biāo)物質(zhì)減少,影響其提取效果。因此,確定萃取溫度為25℃。
圖4 萃取溫度對黃參蛋白質(zhì)三相萃取效果的影響Fig.4 Effectof extraction temperature on three phase-partitioning extraction of Sphallerocarpus gracilis protein
2.1.5 萃取時(shí)間對黃參蛋白分離效果的影響
萃取時(shí)間是影響目標(biāo)成分萃取效果另一因素;其不僅影響目標(biāo)產(chǎn)物得率,在工業(yè)化生產(chǎn)中極大影響著生產(chǎn)成本,研究體系萃取時(shí)間對黃參蛋白分離效果的影響,結(jié)果見圖5。由圖5可知,萃取時(shí)間對黃參蛋白質(zhì)提取率影響得率差異不顯著(P>0.05),當(dāng)萃取時(shí)間為15m in后,黃參蛋白質(zhì)提取率隨萃取時(shí)間變化趨勢不明顯。因此,確定萃取時(shí)間為15min。
圖5 萃取時(shí)間對黃參蛋白質(zhì)三相萃取效果的影響Fig.5 Effect of extraction time on three phase-partitioning extraction of Sphallerocarpus gracilis protein
在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,對硫酸銨飽和度、蛋白質(zhì)提取液與叔丁醇體積比、體系pH值、萃取溫度進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),正交試驗(yàn)結(jié)果與分析見表1。
表1 三相萃取條件優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 1 Results and analysis of orthogonalexperiments for three phase-partitioning extraction conditions optim ization
由表1可知,各個(gè)因素對蛋白質(zhì)提取率影響大小順序?yàn)轶w系pH值>硫酸銨飽和度>蛋白質(zhì)提取液與叔丁醇體積比>萃取溫度;獲得三相萃取黃參蛋白質(zhì)最佳萃取條件為A2B2C2D1,即硫酸銨飽和度為50%,蛋白質(zhì)提取液和叔丁醇體積比為1.0∶1.0,萃取體系pH值為4.5,萃取溫度為20℃。在此優(yōu)化條件下,進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),蛋白質(zhì)平均提取率為(88.71±0.54)%。由表2可知,硫酸銨飽和度、蛋白質(zhì)提取液和叔丁醇體積比、體系pH值對蛋白質(zhì)提取影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。
表2 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 2 Variance analysis of orthogonalexperiments results
將黃參蛋白質(zhì)提取液分別采用三相萃取和鹽析沉淀,蛋白質(zhì)提取率分別為(88.71±0.54)%和(76.49±0.70)%。結(jié)果表明,三相萃取法要優(yōu)于硫酸銨沉淀法,經(jīng)萃取后中間相為固體,不需經(jīng)過脫鹽處理,操作簡單易得。
將上述兩種方法制備的黃參蛋白質(zhì)組分SRP-1和SRP-2進(jìn)行了體外抗氧化研究,分析其DPPH、ABTS+自由基清除率、FRAP值和ORAC指數(shù)的影響,結(jié)果見圖6。
圖6 黃參蛋白質(zhì)清除DPPH自由基(a)、ABTS+自由基(b)、鐵還原力(c)及氧自由基吸收能力指數(shù)(d)檢測結(jié)果Fig.6 Determ ination results of DPPH radical(a),ABTS+radical(b)scavenging activities,ferric reducing activity powers(c)and oxygen radicalabsorbance capacity index(d)of Sphallerocarpus gracilis protein
由圖6a可知,在樣品質(zhì)量濃度為0.2~1.0mg/m L范圍內(nèi),蛋白組分SGP-1、SGP-2和VC對DPPH自由基清除效果呈現(xiàn)濃度依賴性,且蛋白組分SGP-1對DPPH自由基清除能力高于SGP-2;當(dāng)樣品質(zhì)量濃度為0.4mg/m L時(shí),蛋白組分SGP-1和SGP-2對DPPH自由基效果分別為(61.25±1.51)%和(51.2±1.40)%;蛋白組分SGP-2對DPPH自由基清除效果均低于陽性對照VC;相反,當(dāng)質(zhì)量濃度≥0.6mg/m L之后,蛋白組分SGP-1對DPPH自由基清除效果強(qiáng)于陽性對照VC;可能是由于制備的兩個(gè)蛋白質(zhì)樣品中化學(xué)組成差異造成的。
由圖6b可知,蛋白組分SGP-1、SGP-2和VC對ABTS+自由基清除效果隨著質(zhì)量濃度在0.2~1.0mg/m L范圍內(nèi)逐漸增加呈現(xiàn)濃度依賴性,且蛋白組分SGP-1、SGP-2對ABTS+自由基清除效果均小于VC;當(dāng)質(zhì)量濃度為1mg/m L時(shí),蛋白組分SGP-1和SGP-2具有相似的ABTS+自由基清除效果,清除率分別為(89.2±1.46)%和(89.1±1.39)%;蛋白組分SGP-1質(zhì)量濃度為0.2mg/m L時(shí),對ABTS+自由基清除率為(55.36±1.32)%;蛋白組分SGP-2質(zhì)量濃度為0.4mg/m L時(shí),對ABTS+自由基清除率為(59.2±1.26)%;可能是蛋白質(zhì)樣品中其他成分在一定程度上影響其抗氧化強(qiáng)弱;因此,樣品對ABTS+自由基清除效果不同歸因于樣品中蛋白質(zhì)及其成分含量差異。
由圖6c可知,不同樣品抗氧化能力強(qiáng)弱呈現(xiàn)濃度依賴性,且均小于陽性對照VC;這種趨勢與圖6b具有顯著相似性;蛋白組分SGP-1具有最大的還原力;當(dāng)樣品質(zhì)量濃度為1mg/m L時(shí),蛋白組分SGP-1和SGP-2的FRAP值分別為0.99mmol/L和0.59mmol/L;結(jié)果表明,蛋白組分SGP-1具有更強(qiáng)給Fe3+提供電子的能力;蛋白組分SGP-1比SGP-2具有結(jié)合Fe3+穩(wěn)定性更高,其具有更高FRAP值;說明其樣品組成中蛋白質(zhì)含量多少顯著影響其抗氧化能力。
由圖6d可知,蛋白組分SGP-1和SGP-2兩個(gè)樣品ORAC指數(shù)分別為(109±1.56)μmolTE/mg和(65±1.42)μmolTE/mg;與蛋白組分SGP-2相比,蛋白組分SGP-1具有顯著的ORAC指數(shù)(P<0.05),其抑制自由基的抗氧化能力就越強(qiáng)。說明兩個(gè)樣品均可作為抗氧化劑清除2,2'-鹽酸脒基丙烷(2,2'-azobis(2-amidinopropane)dinydrochloride,AAPH)形 成的自由基;曹亞蘭等[20]報(bào)道大豆抗氧化肽與ORAC指數(shù)有直接相關(guān)性;結(jié)合以上數(shù)據(jù)可推斷,SGP-1和SGP-2的ORAC指數(shù)差異主要受兩個(gè)樣品中化學(xué)成分影響;因此,ORAC指數(shù)已成為衡量中藥材或功能食品總抗氧化能力非常重要指標(biāo)之一。
本研究采用三相萃取黃參蛋白質(zhì),對其萃取條件優(yōu)化基礎(chǔ)上,并與傳統(tǒng)鹽析沉淀方法進(jìn)行了比較,表明三相萃取制備的黃參蛋白質(zhì)具有較高蛋白質(zhì)提取率;對兩種方法制備的蛋白質(zhì)分別命名為SGP-1和SGP-2,并對兩個(gè)樣品體外抗氧化活性進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明,當(dāng)硫酸銨飽和度為50%,蛋白質(zhì)提取液和叔丁醇體積比為1.0∶1.0,萃取體系pH值為4.5,萃取溫度為20℃。在此優(yōu)化條件下,進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),蛋白質(zhì)平均提取率為(88.71±0.54)%。蛋白組分SGP-1和SGP-2對DPPH、ABTS自由基最大清除率分別為(61.25±1.51)%、(51.2±1.40)%和(89.2±1.46)%、(89.1±1.39)%;蛋白組分SGP-1和SGP-2的FRAP值、ORAC指數(shù)分別為0.99mmol/L、(109±1.56)μmol TE/mg和0.59mmol/L、(65±1.42)μmol TE/mg。兩個(gè)樣品在一定質(zhì)量濃度范圍內(nèi)抗氧化活性均呈現(xiàn)濃度依賴性;與SGP-2相比,SGP-1具有較高抗氧化活性,可能與樣品中蛋白質(zhì)含量及其他成分或結(jié)構(gòu)有關(guān),然后,抗氧化性與樣品之間復(fù)雜關(guān)系受多種因素的影響,后續(xù)工作進(jìn)一步闡明蛋白質(zhì)抗氧化活性機(jī)制,為黃參蛋白質(zhì)深入研究提供科學(xué)依據(jù)。