,2,3,*,2,3,2,3,2,3,2,3
(1.武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430023;2.湖北省農(nóng)產(chǎn)品加工與轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430023;3.大宗糧油精深加工省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430023)
磷脂是生命的重要物質(zhì)和細(xì)胞膜的組成成分之一,具有調(diào)節(jié)機(jī)體代謝,降血脂,預(yù)防血栓等生理活性功能[1-2]。從結(jié)構(gòu)來(lái)看,磷脂屬兩親結(jié)構(gòu),磷脂中的磷脂酰膽堿(Phosphatidylcholine,PC)和磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanilamine,PE)將細(xì)胞膜上的過(guò)氧化脂質(zhì)運(yùn)送出細(xì)胞膜,防止細(xì)胞膜表面積累較多的脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物,避免細(xì)胞膜的損傷,從而實(shí)現(xiàn)磷脂的抗氧化作用[3-5]。
草魚(yú)(Ctenopharyngodonidellus)是我國(guó)具有本土特色且大量養(yǎng)殖的一種常見(jiàn)魚(yú)類,養(yǎng)殖周期短,食用口感好,受到水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)和市場(chǎng)的喜愛(ài),草魚(yú)加工產(chǎn)品主要有魚(yú)肉的冷凍制品、生鮮調(diào)味品、魚(yú)糜以及干腌制品4種類型,但魚(yú)頭一般作為副產(chǎn)物沒(méi)有很好的加工利用途徑[6]。國(guó)內(nèi)有研究者對(duì)草魚(yú)肌肉中磷脂進(jìn)行了提取優(yōu)化和分析測(cè)定,并對(duì)草魚(yú)各部位脂質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析研究,但基于草魚(yú)頭來(lái)源磷脂的制備工藝優(yōu)化并分析其抗氧化性能的課題鮮見(jiàn)報(bào)道[7]。目前磷脂的制備方法主要為溶劑萃取法[8-10]、柱層析法[11]、CO2超臨界萃取法[12]和膜分離法[13]等。
本研究以草魚(yú)加工副產(chǎn)物中的魚(yú)頭為原料,基于成本和工業(yè)化生產(chǎn)可行性考慮,選擇溶劑法來(lái)提取草魚(yú)頭磷脂,并檢測(cè)草魚(yú)頭磷脂的體外抗氧化性能,其可為磷脂在水產(chǎn)品加工副產(chǎn)物領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
鮮活草魚(yú) 產(chǎn)地武漢,購(gòu)買于武漢市常青花園武商量販店,每條重量(1000±100) g;大豆磷脂(純度≥65%) 美國(guó)Sigma公司;氯仿、正己烷、甲醇 色譜純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;BF3-甲醇 上海Aladdin公司;GF254薄層色譜硅膠板、GF254柱層析硅膠(100~200目) 青島海洋化工廠;所有分離用有機(jī)溶劑 均為國(guó)產(chǎn)分析純。
RE-52CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、YH-500隔膜真空泵 上海亞榮生化儀器廠;HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋 上海維誠(chéng)儀器有限公司;CP214電子分析天平 奧豪斯國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司;7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國(guó)Agilent公司。
1.2.1 草魚(yú)頭磷脂提取工藝流程 鮮活草魚(yú)→宰殺→魚(yú)頭→破壁機(jī)破碎→真空冷凍干燥→粉碎后過(guò)200目篩→加乙醇混勻后于水浴鍋靜置提取→抽濾→取濾液于0.08 MPa真空,80 ℃條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除溶劑→磷脂
1.2.1.1 乙醇濃度對(duì)草魚(yú)頭磷脂得率及純度的影響 取粉碎后的草魚(yú)頭粉25 g左右,設(shè)置乙醇濃度為50%、60%、70%、80%、90%、100%,固定條件為:料液比1∶10 g/mL,55 ℃條件下提取1.5 h,抽濾后旋蒸除去乙醇,用磷脂純度來(lái)確定最優(yōu)乙醇濃度。
1.2.1.2 料液比對(duì)草魚(yú)頭磷脂得率及純度的影響 取粉碎后的草魚(yú)頭粉25 g左右,設(shè)置料液比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12 g/mL,固定條件為:乙醇濃度70%,55 ℃條件下提取時(shí)間1.5 h,抽濾后旋蒸除去乙醇,用磷脂純度來(lái)確定最優(yōu)料液比。
1.2.1.3 提取溫度對(duì)草魚(yú)頭磷脂提取率及純度的影響 取粉碎后的草魚(yú)頭粉25 g左右,設(shè)置提取溫度為25、35、45、55、65、75 ℃,固定條件為:乙醇濃度70%,料液比1∶8 g/mL,提取時(shí)間1.5 h,抽濾后旋蒸除去乙醇,用磷脂純度來(lái)確定最優(yōu)提取溫度。
1.2.1.4 提取時(shí)間對(duì)草魚(yú)頭磷脂提取率及純度的影響 取粉碎后的草魚(yú)頭粉25 g左右,設(shè)置提取時(shí)間為1.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0 h,固定條件為:乙醇濃度70%,料液比1∶8 g/mL,提取溫度55 ℃,抽濾后旋蒸除去乙醇,用磷脂純度來(lái)確定最優(yōu)提取時(shí)間。
1.2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 分別考察乙醇濃度、料液比、提取溫度、提取時(shí)間四個(gè)單因素對(duì)草魚(yú)頭磷脂得率及純度的影響。根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,每個(gè)因素選取3個(gè)較佳水平,按照L9(34)進(jìn)行正交試驗(yàn),以磷脂純度為考核指標(biāo)來(lái)優(yōu)化草魚(yú)頭磷脂制備工藝,見(jiàn)表1[14]。
表1 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test
1.2.3 磷脂純度檢測(cè) 磷脂產(chǎn)物中所含純磷脂的質(zhì)量檢測(cè)參考SN/T 3851-2014[15]。
1.2.4 草魚(yú)頭磷脂的純化 準(zhǔn)確稱取0.2 g最優(yōu)工藝條件下乙醇提取的草魚(yú)頭磷脂進(jìn)行硅膠柱分離,先后用220 mL氯仿、120 mL丙酮、220 mL甲醇洗脫,收集甲醇洗脫液后旋蒸去除甲醇,即為純化后磷脂。純化后的磷脂-20 ℃條件下保存,用于磷脂脂肪酸組成分析。
1.2.5 草魚(yú)頭磷脂薄層色譜分析 將上述所純化的磷脂加入氯仿溶解,配制成100 mg/mL的溶液進(jìn)行薄層色譜分離,展開(kāi)劑為氯仿∶甲醇∶水=65∶25∶4 (V/V/V),采用Ditmmer-Leser試劑作為顯色劑,顯色后掃描薄層結(jié)果,采用比移值Rf=溶質(zhì)移動(dòng)的距離/溶液移動(dòng)的距離,并使用Scion Image軟件處理圖像后分析不同磷脂種類的含量。
1.2.6 草魚(yú)頭磷脂的脂肪酸組成分析
1.2.6.1 脂肪酸甲酯化 稱取草魚(yú)頭磷脂50 mg于10 mL容量瓶中,加入2 mL 0.5 mol/L的NaOH/甲醇溶液,在65 ℃皂化30 min,后加入2 mL的BF3-甲醇(1∶3,V/V)溶液,加熱反應(yīng)3 min后,冷卻至室溫,加入2 mL正己烷進(jìn)行萃取,搖勻后靜置分層,取上層有機(jī)相,離心備用。
1.2.6.2 GC條件 色譜柱:HP-FFAP石英毛細(xì)柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);升溫程序:140 ℃保持1 min,以5 ℃/min升至190 ℃,再以3 ℃/min升至220 ℃,保持10 min;載氣(He)流速1.0 mL/min,壓力88 kPa,進(jìn)樣量1 μL;分流比10∶1。
1.2.6.3 MS條件 電子轟擊離子源;電子能量70 eV;傳輸線溫度250 ℃;離子源溫度230 ℃;掃描周期3.21次/s;質(zhì)量掃描范圍m/z 10~460。
1.2.6.4 GC-MS數(shù)據(jù)分析 用氣相色譜-質(zhì)譜進(jìn)行全離子掃描分析。用化學(xué)工作站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖庫(kù)NIST11進(jìn)行解析,確認(rèn)草魚(yú)頭磷脂中各種脂肪酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)。根據(jù)化合物色譜峰響應(yīng),利用面積歸一化法計(jì)算各脂肪酸組分的相對(duì)百分含量。
1.2.7 外抗氧化能力測(cè)定
1.2.7.1 羥自由基(·OH)清除能力測(cè)定 參照文獻(xiàn)[16],將脂質(zhì)樣品配成5、10、15、20、25 mg/mL的五種樣品溶液,進(jìn)行羥自由基(·OH)清除能力測(cè)定。與樣品同濃度的大豆卵磷脂重復(fù)上述步驟,并與草魚(yú)頭磷脂比較。
1.2.7.2 還原力的測(cè)定 參照文獻(xiàn)[17],樣品用蒸餾水超聲溶解,配制成10、20、30、40、50 mg/mL的五種樣品溶液,進(jìn)行還原力測(cè)定。與樣品同濃度的大豆卵磷脂重復(fù)上述步驟,并與草魚(yú)頭磷脂比較。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)整理后,采用SPSS Statistics 19對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性方差分析,多重比較采用最小顯著法,差異顯著水平為α=0.05,試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示。
為了保證提取得到的草魚(yú)頭磷脂的品質(zhì),在工藝優(yōu)化時(shí)以磷脂的純度作為主要檢測(cè)指標(biāo),同時(shí)測(cè)定得率作為參考。從圖1可以看到,提取的草魚(yú)頭磷脂純度隨著乙醇濃度的升高先增大后減小,而磷脂得率呈現(xiàn)與之相反的先下降后升高的趨勢(shì),當(dāng)乙醇濃度為70%時(shí),磷脂純度最高,達(dá)64.34%,確定為最佳乙醇濃度,此時(shí)得率為4.74%。當(dāng)乙醇濃度在50%時(shí),提取液水含量較高,I/O值(無(wú)機(jī)性值/有機(jī)性值)偏無(wú)機(jī)性方向,水溶性雜質(zhì)提取較多,故其中磷脂純度較低;隨著乙醇濃度升高,提取液的無(wú)機(jī)性逐漸減弱,有機(jī)性升高,逐漸接近磷脂的I/O值,提取得到的磷脂純度升高,水溶性成分明顯減少,磷脂得率降低;當(dāng)乙醇濃度進(jìn)一步升高時(shí),提取液極性開(kāi)始下降,I/O值偏向有機(jī)性質(zhì),作為極性脂的磷脂的溶解度降低[18],而同時(shí)提取到的非極性脂質(zhì)的增加,導(dǎo)致磷脂得率上升但純度下降。陳文娟等[19]發(fā)現(xiàn)使用乙醇溶液提取大黃魚(yú)魚(yú)卵時(shí)提取物中磷脂含量(純度)隨著乙醇含量的增大逐漸增大,當(dāng)乙醇含量為95%時(shí),磷脂純度為24%,提取率最大,直到使用乙醇濃度100%,磷脂純度提取率開(kāi)始下降,與本研究結(jié)果類似,只是最優(yōu)的乙醇濃度偏高,這可能與原料不同有關(guān),包括其中的磷脂含量、磷脂結(jié)合狀態(tài)等因素都會(huì)對(duì)提取工藝產(chǎn)生影響,故確定最佳乙醇濃度為70%。
圖1 乙醇濃度對(duì)磷脂得率及純度的影響Fig.1 Effects of ethanol concentrationon yield and purity of phospholipids
圖2結(jié)果表明,隨著料液比中提取液的比例增加,提取的草魚(yú)頭磷脂純度先升高后下降,在料液比1∶8和1∶10 g/mL時(shí)達(dá)到最高,兩者都在65%附近,差別不明顯;而磷脂得率呈現(xiàn)先明顯降低再上升的變化,料液比在1∶8和1∶10 g/mL時(shí),提取率偏低,都在3.4%附近,區(qū)別不顯著。在指標(biāo)相同的情況下,更低的料液比可以降低成本,故確定1∶8 g/mL為最佳料液比。
圖2 料液比對(duì)磷脂得率及純度的影響Fig.2 Effect of material to liquid ratioon yield and purity of phospholipids
料液比1∶4 g/mL時(shí)提取液的量偏少,草魚(yú)頭粉末吸收了乙醇溶液的水分會(huì)導(dǎo)致乙醇濃度增加,從而導(dǎo)致提取的磷脂純度不高但提取率偏高(參見(jiàn)2.1中乙醇濃度高的情況),隨著提取液的比例增加,草魚(yú)頭粉末對(duì)乙醇溶液的影響逐漸減小,磷脂提取的純度增加,得率保持穩(wěn)定,磷脂在乙醇溶液中濃度適宜,達(dá)到提取的動(dòng)態(tài)平衡,但當(dāng)提取液比例進(jìn)一步增大時(shí),平衡被打破,過(guò)多的乙醇溶液會(huì)在提取磷脂后繼續(xù)溶解中性脂,從而導(dǎo)致純度下降而得率上升。
從圖3可以看到,草魚(yú)頭磷脂純度隨著提取溫度的升高先上升后下降,當(dāng)提取溫度為55 ℃時(shí),磷脂純度最高,達(dá)76.75%。而磷脂得率隨著提取溫度的升高,在2.5%~3.5%附近呈現(xiàn)波動(dòng)變化,當(dāng)提取溫度為55 ℃時(shí),磷脂產(chǎn)物得率2.65%,確定55 ℃為最佳提取溫度。提取溫度的升高可加快溶質(zhì)的傳質(zhì)速率,對(duì)于極性磷脂的選擇性更強(qiáng),因此可以獲得較高純度的磷脂;但隨著溫度逐漸升高,乙醇揮發(fā)加快,導(dǎo)致提取液中乙醇濃度降低,因而磷脂純度又開(kāi)始下降(參見(jiàn)2.1)。過(guò)高的溫度還會(huì)使磷脂氧化降解,影響磷脂的品質(zhì)[20]。因此提取溫度不宜過(guò)高。得率的波動(dòng)變化,推測(cè)與提取的磷脂中混有的中性脂比例有關(guān)。
圖3 提取溫度對(duì)磷脂得率及純度的影響Fig.3 Effect of temperature on yieldand purity of phospholipids
分析圖4中的結(jié)果可以看到,草魚(yú)頭磷脂純度在提取時(shí)間從1.5 h增加到3 h時(shí)略有上升,達(dá)到最高值,之后再延長(zhǎng)提取時(shí)間,純度連續(xù)下降。磷脂提取率隨著提取時(shí)間的增加,在1.88%~3.15%之間呈現(xiàn)波動(dòng),在提取時(shí)間為4.5 h時(shí),得率達(dá)到最高,但3 h時(shí)得率已經(jīng)達(dá)到3%,與之相差不大。確定3 h為最佳提取時(shí)間。草魚(yú)頭粉末所含的磷脂的被乙醇溶液充分提取出來(lái)需要一定時(shí)間,適當(dāng)?shù)奶崛r(shí)間有利于得到純度和得率都較高的磷脂,但是過(guò)長(zhǎng)的提取時(shí)間會(huì)由于偏高的提取溫度(55 ℃)引起乙醇揮發(fā)從而降低乙醇濃度,使提取的磷脂純度下降,同時(shí)非磷脂成分的增加導(dǎo)致得率降低后又上升。
圖4 提取時(shí)間對(duì)磷脂得率及純度的影響Fig.4 Effect of time on yield and purity of phospholipids
從表2可知,影響草魚(yú)頭磷脂制備的主次因素為A>B>C>D,即乙醇濃度>料液比>提取溫度>提取時(shí)間。從表3可知,通過(guò)進(jìn)一步的方差分析表明,乙醇濃度對(duì)草魚(yú)頭磷脂的提取影響非常顯著,提取時(shí)間對(duì)草魚(yú)頭磷脂的提取影響顯著,而料液比和提取溫度對(duì)草魚(yú)頭磷脂的提取影響不顯著。
優(yōu)方案為A3B2C2D2(乙醇濃度80%,料液比1∶8 g/mL,提取溫度55 ℃,提取時(shí)間3 h)。經(jīng)驗(yàn)證,按照A3B2C2D2條件提取的脂質(zhì)樣品中磷脂純度為79.52%±1.48%,略低于正交試驗(yàn)A3B1C3D2的純度(84.20%±0.65%),最終確定A3B1C3D2為最優(yōu)工藝條件,此時(shí)磷脂得率為3.03%±0.06%。綜上所述,根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果,確認(rèn)最佳工藝條件為:乙醇濃度80%,料液比1∶6 g/mL,提取溫度65 ℃,提取時(shí)間3 h。
表2 正交試驗(yàn)方案和結(jié)果Table 2 Program and results of orthogonal test
表3 草魚(yú)頭磷脂提取方差分析Table 3 Analysis of variance of extraction ofgrass carp head phospholipids
注:“*”表示影響顯著,P<0.05;“**”表示影響極顯著,P<0.01。
表4 磷脂各組分的比移值Table 4 Transfer values and composition of phospholipids component
注:不同字母表示具有顯著性差異,P<0.05。
草魚(yú)頭磷脂薄層分析結(jié)果見(jiàn)圖5和表4。從結(jié)果中可看到,草魚(yú)頭磷脂主要含有磷脂酰膽堿(Phosphatidylcholine,PC)、磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanilamine,PE)、鞘磷脂(Sphingomyelin,SM)和溶血磷脂酰膽堿(Lysophosphatidylcholine,LPC)四種磷脂,PC在魚(yú)頭磷脂中含量最高,達(dá)60%,PE其次,達(dá)20%。
圖5 磷脂的薄層色譜圖Fig.5 Thin layer chromatography of phospholipid
PC是人體生長(zhǎng)發(fā)育所需的重要磷脂,是人體獲得膽堿及生長(zhǎng)代謝的物質(zhì)來(lái)源[21]。PE是神經(jīng)細(xì)胞膜的重要構(gòu)成,能顯著改善大腦發(fā)育及功能[22]。Judde等[23]發(fā)現(xiàn)大豆卵磷脂的抗氧化能力與磷脂中的PC和PE的含量有關(guān)。SM對(duì)于抑制癌癥具有潛在的作用效果,其代謝產(chǎn)物神經(jīng)酰胺和鞘氨醇維持體內(nèi)細(xì)胞的正常生長(zhǎng)[24]。
草魚(yú)頭磷脂脂肪酸組成見(jiàn)表5。草魚(yú)頭磷脂中的脂肪酸組成以PUFA為主,含量達(dá)到52.09%±0.59%。草魚(yú)頭磷脂中EPA含量占10.34%±0.03%,DHA含量占17.83%±0.48%。作為n-3系列PUFA,DHA和EPA具有獨(dú)特的生理活性。DHA是人體必需的多不飽和脂肪酸,對(duì)人體視網(wǎng)膜的發(fā)育起著關(guān)鍵作用。EPA對(duì)視網(wǎng)膜和大腦的結(jié)構(gòu)膜起重要作用,并可預(yù)防心腦血管疾病的發(fā)生[25]。
表5 草魚(yú)頭磷脂脂肪酸組成Table 5 Fatty acid composition ofphospholipids from grass carp head
結(jié)合有DHA和EPA的磷脂在擁有磷脂和PUFA各自的生理功能外,更容易被人體接受并消化吸收效果更佳,而當(dāng)它們作為單獨(dú)脂肪酸或者甘油酯等形式時(shí),其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,不易被人體吸收[26]。
2.9.1 ·OH清除能力測(cè)定 ·OH是人體內(nèi)最活潑的自由基之一,能夠氧化細(xì)胞膜上的不飽和脂肪酸,其氧化產(chǎn)物能夠與蛋白質(zhì)等生物大分子反應(yīng),引起細(xì)胞膜損傷[27]。由圖6可知,草魚(yú)頭磷脂和大豆卵磷脂對(duì)·OH都有清除能力,且·OH清除率隨著濃度的增加而增長(zhǎng)。在檢測(cè)的磷脂濃度范圍內(nèi),草魚(yú)頭磷脂·OH清除率全都顯著高于大豆卵磷脂(P<0.05),兩者的·OH清除率在濃度為25 mg/mL時(shí)達(dá)最大值,分別為94.4%、84.2%。Saito等[28]發(fā)現(xiàn),PC和PE的極性頭部側(cè)鏈具有清除氫過(guò)氧化物的活性氨基。Cortie等[29]研究發(fā)現(xiàn),磷脂中SFA和MUFA的含量越高,其磷脂的氧化穩(wěn)定性越好。草魚(yú)頭磷脂中PC和PE含量比大豆磷脂含量高,草魚(yú)頭磷脂比大豆磷脂結(jié)合了更多的SFA和MUFA,因此,草魚(yú)頭磷脂比大豆磷脂清除自由基的活性更好[30]。
圖6 磷脂對(duì)·OH清除能力Fig.6 ·OH scavenging ability of phospholipids
2.9.2 還原力的測(cè)定 還原力是衡量物質(zhì)抗氧化能力的指標(biāo)之一[31]。由圖7可知,吸光度隨著磷脂濃度的增加而增大,即還原力隨磷脂濃度增加而增強(qiáng)。在10~50 mg/mL范圍內(nèi),草魚(yú)頭磷脂的還原力顯著高于大豆卵磷脂(P<0.05),大豆磷脂和草魚(yú)頭磷脂都具有PC和PE,二者在還原力之間的差異可能是草魚(yú)頭磷脂中PC和PE含量比大豆磷脂含量高所導(dǎo)致,還可能與草魚(yú)頭SFA的含量高有關(guān)[28-29]。
圖7 磷脂的還原能力Fig.7 Reducing capacity of phospholipids
通過(guò)單因素正交試驗(yàn)確定乙醇提取冷凍干燥草魚(yú)頭粉磷脂的最優(yōu)工藝方案為:乙醇濃度80%,料液比1∶6,提取溫度65 ℃,提取時(shí)間3 h,在此條件下,磷脂純度84.20%±0.65%,磷脂得率為3.03%±0.06%。草魚(yú)頭磷脂以PC為主,脂肪酸組成以PUFA為主,特別是含有一定量的DHA和EPA。體外抗氧化能力測(cè)定中,草魚(yú)頭磷脂的·OH清除能力和還原力都優(yōu)于大豆磷脂。通過(guò)本文中醇提法制備的草魚(yú)頭磷脂營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高,具有一定開(kāi)發(fā)前景,或可將其應(yīng)用在磷脂補(bǔ)充劑、抗衰老保健品等方面。