俞喜娜 陳 康 張燕平 崔益瑋 汪 藝 戴志遠(yuǎn) 王萍亞 趙巧靈 沈 清*
(1 浙江省水產(chǎn)品加工技術(shù)聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江工商大學(xué)海洋食品研究院 杭州310012 2 舟山市食品藥品檢測(cè)檢驗(yàn)研究院 浙江舟山316000)
南極磷蝦是一種主要生活在南極洲水域的甲殼類動(dòng)物,生物資源豐富[1]。雖然其體積較小,但是含有豐富的蛋白質(zhì)及磷脂,磷脂中含大量Ω-3 系列多不飽和脂肪酸鏈,尤其是 EPA(二十碳五烯酸)和DHA(二十二碳六烯酸)。EPA 可降低膽固醇的含量和血液的黏稠度,促進(jìn)血液的循環(huán)[2]。DHA 可預(yù)防心血管疾病和癌癥[3],健腦明目[4]。相對(duì)于傳統(tǒng)魚油中脂質(zhì)來說,南極磷蝦中的脂質(zhì)吸收性較高,且無毒副作用,因此具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)磷脂的原料主要為蛋黃和大豆,開發(fā)南極磷蝦資源有利于緩解資源緊缺的問題,研究南極磷蝦磷脂的提取和應(yīng)用不僅具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值,還具有一定的社會(huì)價(jià)值[5]。
現(xiàn)階段研究多集中于油脂類(魚油、蝦油)研究,而從海洋生物中提取磷脂的報(bào)道較少。傳統(tǒng)磷脂提取方法主要有超臨界萃取法[6]、超聲波[7]和微波酶輔助提取法[8]、有機(jī)溶劑萃取法[9]、酶水解結(jié)合溶劑法[10]等。如邊晶晶等[11]用正己烷和異丙醇溶劑提取南美白對(duì)蝦蝦頭中的磷脂;崔益瑋等[12]用氯仿和甲醇提取南極磷蝦粗脂,并用丙酮純化。雖然溶劑提取法分離的效率較高,便于連續(xù)操作,但磷脂提取率較低[13],操作步驟繁瑣,而且磷脂中殘留的有機(jī)溶劑的含量易超標(biāo),有些有機(jī)溶劑具有較高毒性,這些原因都使此方法的使用受到限制。超臨界萃取法和超聲波酶輔助提取法等具有操作溫度低,提取成分不易被破壞的優(yōu)點(diǎn),然而這些方法的設(shè)備昂貴,生產(chǎn)成本較高。陳文娟等[14]采用蛋白酶水解結(jié)合溶劑法提取大黃魚的卵磷脂,并對(duì)酶解的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明酶水解法的提取率比溶劑法和超聲波法高。
脂質(zhì)組學(xué)是在大范圍的分子水平上對(duì)細(xì)胞脂質(zhì)組進(jìn)行研究,其內(nèi)容主要包括脂質(zhì)的提取、分離及分析鑒定,進(jìn)而了解脂質(zhì)相關(guān)的結(jié)構(gòu)信息。目前脂質(zhì)組學(xué)的研究方法有很多,如核磁共振法、軟電離質(zhì)譜技術(shù)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法等,隨著這些技術(shù)的快速發(fā)展,提高了微量脂質(zhì)分析檢測(cè)的準(zhǔn)確性和快速性,其在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)及藥學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,而在食品科學(xué)領(lǐng)域的研究相對(duì)較少[15]。對(duì)于南極磷蝦脂質(zhì)組學(xué)的研究有助于開發(fā)和利用南極磷蝦磷脂,提高相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用價(jià)值。
本試驗(yàn)中采用酶輔助提取法提取南極磷蝦中的磷脂,確定最佳的工藝條件,并對(duì)磷脂的脂質(zhì)組學(xué)進(jìn)行研究。
原料:南極磷蝦肉糜凍品,遼寧省大連海洋漁業(yè)集團(tuán)公司。將南極磷蝦肉糜凍結(jié)后于-18 ℃運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室,-30 ℃凍藏備用。
胃蛋白酶(來自豬胃黏膜,800~2 500 U/mg 蛋白質(zhì),鱈魚蛋白P700)和胰蛋白酶(來自豬胰腺,活性相當(dāng)于4 IU,cod P1750),美國(guó)Sigama-Aldrich 公司;色譜級(jí)乙腈、甲醇和二氯甲烷,美國(guó)Fisher Scientific 公司;PC 28:0 (14:0/14:0)、PE 30:0(15:0/15:0)和PI 32:0(16:0/16:0) 3 種磷脂標(biāo)準(zhǔn)品,美國(guó)Avanti Polar Lipids 公司;鹽酸、氫氧化鈉、1,2-二氯乙烷、甲醇鈉、三氟化硼-甲醇配合物、正己烷、均為分析純級(jí)試劑,國(guó)藥試劑公司。
4000 QTRAP 串聯(lián)四極桿質(zhì)譜配ESI 離子源,美國(guó)AB Sciex 公司;Agilent 1100 高效液相色譜儀,美國(guó)Agilent 公司;7890A 氣相色譜儀,美國(guó)Agilent 公司;METTLER-AL204 電子天平,美國(guó)Mettler 公司;超純水系統(tǒng),法國(guó)Milli-Q 公司。其余為實(shí)驗(yàn)室常用的儀器與設(shè)備。
1.3.1 磷脂提取 將南極磷蝦脂質(zhì)的提取率作為考察提取效果的指標(biāo),以提取溫度、pH 值、提取時(shí)間作為影響提取效果的因素,對(duì)胃蛋白酶和胰蛋白酶兩種輔助提取磷脂的方法進(jìn)行比較。磷脂的提取方法如下:
1)胃蛋白酶法 定量稱取5 g 磷蝦蝦糜,放入250 mL 燒杯中,加入50 mL 胃蛋白酶溶液(0.2%胃蛋白酶溶于0.075 mol/L 鹽酸中),用0.1 mol/L 鹽酸溶液調(diào)整pH 值為2.6~2.8。在42 ℃的恒溫室中用磁力攪拌器攪拌過夜。室溫下冷卻后,用1 mol/L 氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)提取液的pH 值至7.4±0.2,磷脂的提取采用1,2-二氯乙烷替換氯仿后的Bligh & Dyer 法[16]。
2)胰酶法 定量稱取5 g 磷蝦蝦糜,與50 mL 胰酶溶液(1%胰酶溶于0.2 mol/L 磷酸緩沖液)于250 mL 燒杯中混合。將混合物置37 ℃恒溫室攪拌過夜,冷卻至室溫,用1 mol/L 鹽酸溶液調(diào)節(jié)提取物的pH 值至7.4±0.2。磷脂的提取采用1,2-二氯乙烷替換氯仿后的Bligh & Dyer 法[16]。
1.3.2 南極磷蝦脂質(zhì)的脂肪酸組成分析
1.3.2.1 脂肪酸甲酯化 將2 mL 甲醇鈉溶液(2 g 氫氧化鈉加到100 mL 甲醇溶液中)與0.1 g 磷蝦油混合、振蕩均勻,在65 ℃水浴條件下酯交換30 min,加入2 mL 三氟化硼-甲醇配合物混勻后繼續(xù)在65 ℃水浴中加熱3 min。冷卻后加入2 mL 正己烷和2 mL 飽和氯化鈉溶液。在上清液中加入適量的無水硫酸鈉后,用0.22 μmol/L 有機(jī)膜過濾。
1.3.2.2 氣相色譜分析[17]色譜柱:HP-88 毛細(xì)管柱 (100%氰丙基聚硅氧烷,30 m×0.25 mm,0.25 μm 膜,美國(guó)Agilent 公司);載氣:氮?dú)?;流速?.65 mL/min;火焰離子化檢測(cè)(FID)溫度:250 ℃;升溫程序:設(shè)定初始溫度70 ℃并保持5 min,然后以15℃/min 速率升至120 ℃并保持1 min,接著以5 ℃/min 速率升至175 ℃并保持5 min,最后5 min 內(nèi)升至220 ℃。
1.3.3 HILIC-QTOF/MS 法分析 用二氯甲烷和甲醇(2:1,V/V)混合溶液溶解提取的磷脂,過0.22 μmol/L 有機(jī)膜后用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用設(shè)備分析。色譜和質(zhì)譜條件如下:
1)色譜條件 用Agilent 1100 高效液相色譜儀進(jìn)行色譜分離。色譜柱:YMC Triart diol HILIC 柱(4.6 mm×250 mm,3 μm);柱溫:40 ℃;流速:0.2 mL/min;進(jìn)樣量:2 μL;流動(dòng)相組成:流動(dòng)相A(乙腈中添加53 mmol/L 甲酸,pH 4.0~4.5)和流動(dòng)相B(添加60 mmol/L 甲酸胺和53 mmol/L 甲酸的超純水溶液,pH 3.6);梯度洗脫條件:0~3 min,A維持在95%;3~13 min,A 從95%降至70%;13~18 min,A 持續(xù)下降至50%。
2)質(zhì)譜條件 用4000 QTRAP 串聯(lián)四極桿質(zhì)譜配ESI 離子源設(shè)備進(jìn)行質(zhì)譜分析。正/負(fù)離子模式:負(fù)離子模式;離子噴霧電壓:4 500 V;溫度:500 ℃;干燥氣壓力:344.76 kPa;霧化氣壓力:413.80 kPa;氣簾氣壓力:172.38 kPa;質(zhì)譜測(cè)量范圍:m/z 450~950;儀器控制和數(shù)據(jù)采集軟件:Analyst 1.5.1。
1.3.4 數(shù)據(jù)處理分析 用Origin 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)算數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及顯著性水平。P<0.05,具有顯著性差異。
蛋白酶對(duì)磷脂含量的影響見圖1??梢钥闯?,添加任意兩種酶都可提高磷蝦糜中磷脂的提取率。隨著胰蛋白酶濃度的增加,磷脂提取率顯著增加,在胰蛋白酶添加量為0.02%時(shí)達(dá)到最高值;繼續(xù)添加胰蛋白酶,磷脂提取率快速下降,并在酶添加量0.03%時(shí)開始緩慢減少,由于胰蛋白酶自身為蛋白質(zhì),過量的酶會(huì)引起蛋白酶水解,因此導(dǎo)致磷脂的提取率降低[18]。隨著胃蛋白酶的添加量的增加,磷脂提取率緩慢增加,在胃蛋白酶添加量為0.025%時(shí)達(dá)到最高值1.7%,并保持穩(wěn)定。這是因?yàn)橛擅负偷孜锝Y(jié)合而成的中間產(chǎn)物飽和,當(dāng)?shù)孜餄舛炔辉俑淖兊臅r(shí)候,磷脂提取量保持在平衡范圍。不同的蛋白酶對(duì)南極磷蝦磷脂提取率的影響差異比較顯著,這是因?yàn)椴煌N類的蛋白酶與蛋白質(zhì)的結(jié)合位點(diǎn)不同[19]。當(dāng)酶添加量相同時(shí),用胰蛋白酶提取磷脂的含量較高。當(dāng)磷脂提取率達(dá)到最大值3.5%時(shí),所需酶添加量為0.02%。而胃蛋白酶最適酶添加量為0.025%,此時(shí)磷脂提取率為1.74%,遠(yuǎn)低于胰蛋白酶最高的磷脂提取量,因此選取胰蛋白酶作為最優(yōu)提取酶[20]。
2.2.1 溫度對(duì)南極磷蝦磷脂提取率的影響 溫度對(duì)磷脂提取率的影響見圖2??梢钥闯?,在一定溫度范圍,隨著溫度的升高,磷脂提取率先逐漸增加,40 ℃時(shí)達(dá)到最大值,提取率為(2.51±0.05)%;溫度超過40 ℃后,磷脂提取率逐漸降低。這是因?yàn)槊糠N酶都有其最適的溫度范圍,在這一范圍內(nèi),溫度升高酶活性增強(qiáng),溫度過高則會(huì)導(dǎo)致酶失活[21]。溫度升高也易導(dǎo)致磷脂自身氧化,胰蛋白酶的最適溫度約為40 ℃[22]。
圖1 酶含量對(duì)磷脂提取率的影響Fig.1 The effect of enzyme concentration on the extraction rate of phosphatide
圖2 溫度對(duì)磷脂提取率的影響Fig.2 The effect of temperature on the extraction rate of phosphatide
2.2.2 pH 值對(duì)南極磷蝦磷脂提取率的影響 pH值對(duì)磷脂提取率的影響見圖3。可以看出,當(dāng)pH9時(shí),磷脂提取率最高,為(3.35±0.07)%。隨著pH值的增加,提取率呈顯著下降趨勢(shì)。這是由于酶活性中心的分子構(gòu)型隨pH 值的變化而變化,使底物和酶的結(jié)合受到一定的影響,從而影響酶的活性[23]。本試驗(yàn)中選取的胰蛋白酶在堿性條件下活性較強(qiáng),據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道胰蛋白酶的最適pH 值為8左右[24-25],而圖中胰蛋白酶活性最強(qiáng)時(shí)的pH 值為9 左右,這可能是因?yàn)椴煌课惶崛〉囊鹊鞍酌傅淖钸mpH 不同[26]。
2.2.3 時(shí)間對(duì)南極磷蝦磷脂提取率的影響 時(shí)間對(duì)磷脂提取率的影響見圖4??梢钥闯鲭S著時(shí)間的增加,磷脂提取率顯著增加,在3 h 附近磷脂的提取率達(dá)到最大值(3.01±0.08)%。之后,隨著時(shí)間的增加,磷脂提取率下降。這是由于長(zhǎng)時(shí)間的酶解導(dǎo)致南極磷蝦中富含的多不飽和脂肪酸發(fā)生氧化分解,因此南極磷蝦磷脂的提取率降低[27]。
圖3 pH 值對(duì)磷脂提取率的影響Fig.3 The effect of pH on the extraction rate of phosphatide
圖4 時(shí)間對(duì)磷脂提取率的影響Fig.4 The effect of hydrolysis time on the extraction rate of phosphatide
由單因素試驗(yàn)得知,溫度、pH 值和時(shí)間對(duì)南極磷蝦磷脂的提取都有影響。采用響應(yīng)面法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化,確定反應(yīng)的最佳工藝條件。由單因素試驗(yàn)可知,在溫度40 ℃,pH10,時(shí)間3 h 時(shí)得到最佳的磷脂提取率。根據(jù)Box-Benhnken 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,選取溫度、pH 值和時(shí)間作為自變量,每個(gè)因素選取3 個(gè)水平,以磷脂提取率為響應(yīng)值。試驗(yàn)因素與水平編碼表見表1。表2為17 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的結(jié)果。采用Design-Expert 8.0.6 Trial 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析。
表1 響應(yīng)面因素水平表Table 1 Levels and factors of response surface methodology(RSM)
表2 響應(yīng)面方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The program of RSM and experiment result
以南極磷蝦磷脂的提取率為響應(yīng)值進(jìn)行二次多元回歸擬合,得到南極磷蝦磷脂提取率對(duì)溫度、pH 值、時(shí)間3 個(gè)因素的回歸方程為:
Y=3.73+0.058A+0.026B+0.051C-0.43AB-0.27AC+0.015BC-0.23A2-0.76B2-0.41C2
對(duì)該二次多元回歸擬合模型進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn),結(jié)果見表3。
表3 回歸方程參數(shù)方差分析表Table 3 Analysis of variance table of regression equation parameters
由方差分析表3可以看出,模型P<0.0001,表明模型極其顯著,失擬項(xiàng)P=0.0507>0.05 不顯著,表明模型擬合較好。影響磷脂提取率的因素排序?yàn)椋簻囟龋緋H 值>時(shí)間,即溫度對(duì)南極磷蝦磷脂提取率的影響最大,pH 值次之,時(shí)間的影響最小。溫度、pH 值、時(shí)間的二次項(xiàng)對(duì)磷脂的提取率的影響極其顯著(P<0.05),交互項(xiàng)中AB 和AC 相互影響極其顯著,BC 影響不顯著。據(jù)文獻(xiàn)[20]可知,酶最適溫度受pH 值、底物種類等因素影響,而時(shí)間對(duì)pH 值影響不大。3 個(gè)因素間相互作用的響應(yīng)面與等高線圖見圖5。
為確定最佳工藝條件,在因素水平內(nèi)以磷脂提取率為指標(biāo),對(duì)響應(yīng)面進(jìn)行分析,得到最佳工藝組合為:溫度40.7 ℃,pH 8.98,時(shí)間3.02 h,提取率的預(yù)測(cè)值為3.73%。為了便于實(shí)際操作,將工藝條件調(diào)整為溫度41 ℃,pH 9,時(shí)間3 h。在最佳優(yōu)化工藝條件下做5 次重復(fù)試驗(yàn),提取率為(3.66 ±0.03)%。
對(duì)提取到的南極磷蝦磷脂進(jìn)行甲酯化衍生處理,用氣相色譜法[28]分析。對(duì)比37 種脂肪酸甲酯混標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)氣相色譜圖與試驗(yàn)所得氣相色譜圖,按照面積歸一化進(jìn)行定量處理,結(jié)果見表4。從南極磷蝦磷脂樣品中共鑒定出16 種脂肪酸,其中多不飽和脂肪酸含量占比最高。飽和脂肪酸(Saturated fatty acid,SFA)的含量占33.91%,以棕櫚酸酯為主,含量達(dá)31.58%,肉豆蔻酸甲酯次之,含量為2.33%。不飽和脂肪酸 (Unsaturated fatty acid,UFA)占68.42%,以多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acid,PUFA)含量為主,占59.52%,單不飽和脂肪酸 (Monounsaturated fatty acid,MUFA)含量占8.90%。不飽和脂肪酸中,以EPA和DHA 為主,其含量分別達(dá)31.94%和20.64%,說明南極磷蝦磷脂中含豐富的Ω-3 多不飽和脂肪酸,EPA 和DHA 總和達(dá)52.58%。
表4 南極磷蝦脂肪酸化學(xué)組分及含量Table 4 The chemical constituent and content of fatty acids in Antarctic krill
利用HILIC-QTOF/MS 對(duì)南極磷蝦磷脂進(jìn)行脂質(zhì)組學(xué)鑒定,南極磷蝦樣品的PC,PE 和PI 的HILIC-MS/MS 色譜圖如圖6所示。在此實(shí)驗(yàn)樣品未檢出磷脂酰絲氨酸(PS),這是因?yàn)槠湓谀蠘O磷蝦蝦肉中屬于豐度較低的磷脂。根據(jù)磷脂標(biāo)準(zhǔn)品PC 28:0(14:0/14:0),PE 30:0(15:0/15:0)和32:0(16:0/16:0) 的洗脫順序得到PC、PE 和PI 的保留時(shí)間分別為10.42,11.3 min 和17.09 min。由于在流動(dòng)相中添加了甲酸,PC 分子易被電離為[M+HCOO]-,共檢測(cè)到39 種PC 分子,大多集中在m/z 750~950 區(qū)域,其中m/z 824.9 離子豐度最大,根據(jù)其MS 信息及先前發(fā)表的文獻(xiàn)[2],可初步鑒定其結(jié)構(gòu)可能為[PC 16:0/20:5+HCOO]-。另外m/z 850.9 和m/z 906.9 的豐度也較大,結(jié)構(gòu)分別被鑒定為[PC 16:0/22:6 + HCOO]-和[PC 20:0/22:6+HCOO]-。PE 分子被脫質(zhì)為[M-H]-,共檢測(cè)到16 種PE 分子,響應(yīng)值最大的為m/z 836.8,其結(jié)構(gòu)為[PE 22:5/22:6-H]-,其次為m/z 854。PI 的光譜與前兩者相比較為簡(jiǎn)單,出峰較少,因此其分子種類較少。共檢測(cè)到4 種,其中m/z 881.9 的豐度最大,其結(jié)構(gòu)可能為[PI 16:0/22:6-H]-。
由于不同的共價(jià)化合物的離子化效率主要依賴于其偶極電位,磷脂的偶極矩集中在極性頭上,而疏水尾的偶極矩則可忽略不計(jì),因此根據(jù)提取離子色譜圖得到各磷脂分子物種的峰面積,并對(duì)其相對(duì)含量進(jìn)行歸一化處理,結(jié)果見表5。磷脂的C 原子總數(shù)為30~44,雙鍵數(shù)為1~12。從表5中可以看出南極磷蝦磷脂種類較多,EPA 和DHA 鏈的磷脂含量相對(duì)較高。例如在PC、PE 和PI 中都存在含C16:0/C22:6脂肪酸鏈的磷脂分子,其豐度分別為7.71%,11.32%和41.78%;在PC 和PI 中都存在含C16:0/C20:5脂肪酸鏈的磷脂分子,其豐度分別為8.21%和31.93%;從PC 和PE 中檢測(cè)出含C20:0/C22:6脂肪酸鏈的磷脂分子,豐度分別為6.79%和2.10%。從表5中還可以發(fā)現(xiàn)PC、PE 和PI 的脂肪酸鏈中不飽和度高的脂肪酸鏈含量很高。例如PC中存在含有o-16:1/18:4、16:1/18:4、o-14:0/22:5、14:0/22:5、o-16:0/22:6、o-16:0/22:5、16:0/22:6、16:0/22:5、o-18:0/22:6、18:0/22:6、20:0/22:6、20:0/22:5、22:6/22:6、20:3/24:4、20:2/24:4、20:1/24:4 等脂肪酸鏈的磷脂分子;PE 中存在含有16:0/20:5、o-16:0/22:6、o-16:0/22:5、16:0/22:6、16:0/22:5、20:5/22:6、20:0/22:6、22:6/22:5、22:6/22:4 等脂肪酸鏈的磷脂分子;PI 中存在含有16:0/20:5、16:0/22:6、16:0/22:5 等脂肪酸鏈的磷脂分子。
圖6 南極磷蝦樣品的(a)PC,(b)PE 和(c)PI 的HILIC-MS/MS 色譜圖Fig.6 HILIC-MS/MS chromatograms of(a) PC,(b) PE and (c) PI from Antarctic krill sample
本研究發(fā)現(xiàn)胰蛋白酶水解后用1,2-二氯乙烷改進(jìn)的Bligh & Dyer 法提取,可顯著提高南極磷蝦中磷脂的提取率,其受酶解溫度、pH 值、時(shí)間的影響。為獲得最佳提取條件,采用響應(yīng)面優(yōu)化提取工藝,獲得最佳工藝條件為溫度41 ℃,pH 9,時(shí)間3 h。在最佳工藝條件下磷脂提取率為(3.66±0.03)%。采用優(yōu)化的南極磷蝦磷脂的酶輔助Bligh & Dyer 法提取的南極磷蝦磷脂中共檢出8種脂肪酸,不飽和脂肪酸含量為8.90%,其中多不飽和脂肪酸占總脂肪酸含量的59.52%,富含EPA和DHA;飽和脂肪酸為31.58%,其中棕櫚酸甲酯和肉豆蔻酸甲酯含量較高。采用HILIC-QTOF/MS方法對(duì)磷脂進(jìn)行定量分析、鑒定,共測(cè)定出磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇3 類59 種磷脂分子,其中很多磷脂分子中含有EPA 和DHA 鏈。與其它方法相比,酶輔助提取南極磷蝦中的磷脂得到的脂肪酸種類多,不飽和脂肪酸含量高,磷脂營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較好。
表5 南極磷蝦中磷脂分子的種類和數(shù)量Table 5 The identity and quantity of phospholipid molecular species in Antarctic krill
(續(xù)表5)