胡皓程，李文利，張嘉寧，劉宇博

（大連理工大學(xué)生命科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,盤錦 124221）

黑木耳（Auriculariaheimuer）作為我國重要的栽培真菌之一，已有1000多年栽培歷史［1，2］.除了具有重要的食用價值，黑木耳還具有清腸清肺、涼血活血及益氣強身等多種藥用功能［3］.我國東北地區(qū)具有優(yōu)質(zhì)的黑木耳資源，對其中3個主要品種的測序研究結(jié)果顯示，黑木耳基因組中存在可編碼表達抗腫瘤及抗衰老產(chǎn)物的基因［4］.進一步研究表明，多糖和黑色素等黑木耳成分具有抗腫瘤、抗炎癥、抗凝血及免疫調(diào)節(jié)功能［5～10］.雖然，黑木耳多糖具有較好的生物活性，但由于其黏度高［11］、分子量大、水溶性差［12］，且化學(xué)結(jié)構(gòu)和主要功能基團尚不明確［13］，導(dǎo)致其應(yīng)用受到了限制.研究表明，通過化學(xué)或物理方法降解多糖，獲得低聚糖或寡糖，可明顯增加其水溶性或生物活性［14］.有關(guān)黑木耳來源多糖的相關(guān)研究較多，但聚合度在10以下的黑木耳寡糖鮮見報道.

本文以黑龍江地區(qū)的黑木耳為原料提取了黑木耳寡糖.采用熱水浸提法，經(jīng)熱爆處理制備黑木耳發(fā)酵原漿，再提取黑木耳多糖；通過H2O2氧化降解和超聲波物理降解，經(jīng)離子交換層析和凝膠過濾層析分離純化，獲得黑木耳寡糖組分；采用質(zhì)譜、紅外光譜、核磁共振氫譜和高效液相色譜表征了其結(jié)構(gòu)，并對其抗氧化和抗菌活性進行了評價，為黑木耳資源的開發(fā)利用提供依據(jù).

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

黑木耳，采自黑龍江伊春；大腸桿菌DH5α、金黃色葡萄球菌ATCC6538和帶氨芐抗性的基因工程菌DH5α/pGEX-6P-1均為實驗室保存；HepG2肝癌細胞購自中國科學(xué)院典型培養(yǎng)物保藏委員會細胞庫（上海）；弱陰離子瓊脂糖凝膠（DEAE Sepharose Fast Flow）購自美國GE公司；Bio-Gel P6（Fine）凝膠購自美國Bio-Rad公司；2，2-聯(lián)氮基雙（3-乙基并噻唑啉-6-磺酸）二銨鹽（ABTS）和氨芐西林（Ampicillin，AMP）購自北京Solarbio公司；1，1-二苯基-2-苦基肼（DPPH）購自日本TCI公司；單糖標(biāo)準(zhǔn)品甘露糖（Man）、葡萄糖胺（GlcN）、鼠李糖（Rha）、葡萄糖醛酸（GlcA）、半乳糖醛酸（GalA）、半乳糖胺（GalN）、葡萄糖（Glc）、半乳糖（Gal）、木糖（Xyl）和巖藻糖（Fuc）及1-苯基-3-甲基-5吡唑啉酮（PMP）購自美國Sigma公司；乙腈和醋酸銨（色譜純）購自德國Merck公司；CCK-8試劑盒購自上海Beyotime公司；其它試劑均為分析純.

Q-Exactive型四極桿軌道離子阱高分辨質(zhì)譜儀（ESI-MS）和Nicolet iS50型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），美國Thermo Fisher Scientific公司；AVANCEⅢ400 MHz型核磁共振波譜儀（1H NMR），瑞士Bruker公司；Synergy H1型全功能熒光酶標(biāo)儀，美國BioTek公司；Agilent 1260型LC UPLC系統(tǒng)，美國Agilent公司；AKTA Pure M蛋白純化系統(tǒng)，美國GE公司.

1.2 實驗過程

1.2.1 黑木耳發(fā)酵液原漿的制備及黑木耳多糖提取 參照文獻［15］方法制備黑木耳發(fā)酵原漿.將黑木耳發(fā)酵原漿與蒸餾水按體積比1∶10在90℃恒溫水浴中浸提2 h，以13000 r/min轉(zhuǎn)速離心15 min，取出上清液；將沉淀重復(fù)提取3次后合并上清液，采用Sevage法除去粗蛋白；將上清液置于截留分子量為8000～14000的透析袋中透析2～3 d；將透析液濃縮凍干，得到黑木耳粗多糖（crudeAuricularia heimuerpolysaccharide，CAHP）凍干粉；分別用苯酚-硫酸法、3，5-二硝基水楊酸法和考馬斯亮藍G-250法對黑木耳發(fā)酵原漿和CAHP中的總糖、還原糖和蛋白質(zhì)含量進行測定.

1.2.2 黑木耳多糖降解單因素實驗 將0.04 g CAHP凍干粉復(fù)溶于10 mL蒸餾水中，加入一定體積和濃度的H2O2溶液反應(yīng)不同時間（見表1）；將反應(yīng)液置于不同功率超聲條件下進行物理降解；降解全程在冰浴中進行，維持反應(yīng)體系溫度為（25±0.5）℃［16］；降解完成后使用蒸餾水透析去除H2O2.

Table 1 Single factor design for the degradation of Auricularia heimuer polysaccharides

參照文獻［11］方法，以處理后的溶液黏度為評價指標(biāo)，計算不同處理方法的CAHP降解率，以選擇最佳降解條件.

1.2.3 黑木耳寡糖的分離純化 將CAHP凍干粉加蒸餾水復(fù)溶，終濃度為4 g/L；用H2O2和超聲協(xié)同處理，其中H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，超聲功率為60 W，處理時間為30 min；將處理后的CAHP溶液經(jīng)DEAE Sepharose Fast Flow陰離子交換柱層析（?1.25 cm×15 cm）純化；采用0～1 mol/L的NaCl溶液進行線性梯度洗脫，使用苯酚-硫酸法對洗脫液進行總糖檢測，合并洗脫液并濃縮，得到CAHP組分AHP1.

將組分AHP1采用Bio-Gel P6凝膠過濾柱層析（?16 cm×100 cm）進一步分離；以蒸餾水為洗脫液，流速為0.4 mL/min，利用苯酚-硫酸法對洗脫液進行總糖檢測；將洗脫組分置于截留分子量為100的透析袋中透析2～3 d，濃縮后凍干，得到黑木耳寡糖1（Auricularia heimueroligosaccharide 1，AHO1）組分.

1.2.4 AHO1的結(jié)構(gòu)表征 參照文獻［17］方法，采用三氟乙酸封管水解方法對AHO1進行降解；用1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮（PMP）柱前衍生高效液相色譜法測定單糖組成；根據(jù)出峰時間及峰面積確定和計算樣品的單糖組成及其摩爾比.

將1 mg AHO1溶于1 mL蒸餾水中，用0.22μm膜過濾除去雜質(zhì)，使用四極桿軌道離子阱高分辨質(zhì)譜儀進樣檢測；質(zhì)譜分析由Qualitative Analysis of Mass Hunter Acquisition軟件完成.

1.2.5 AHO1的抗氧化活性檢測 采用ABTS和DPPH清除法檢測AHO1的抗氧化活性；參照文獻［18］方法，建立HepG2細胞氧化應(yīng)激模型，通過CCK-8法檢測AHO1對細胞的保護作用.

1.2.6 AHO1的抑菌活性檢測 參照文獻［19］方法，采用杯碟法測定AHO1的抑菌活性；參照文獻［20］方法，測定AHO1的最小抑菌濃度（Minimal inhibit concentration，MIC）.

2 結(jié)果與討論

2.1 AHO1的提取分離流程

AHO1的提取分離工藝流程如圖1（A）所示，黑木耳發(fā)酵原漿經(jīng)熱水浸提2 h后，離心得上清液；上清液經(jīng)濃縮、脫蛋白、透析后凍干，得到CAHP凍干粉；CAHP經(jīng)H2O2氧化與超聲波物理聯(lián)合水解條件下處理后，再將其用DEAE Sepharose FF陰離子交換柱脫蛋白［圖1（B）］；取產(chǎn)率較高的組分AHP1（產(chǎn)率80%）進行下一步研究，經(jīng)Bio Gel P6凝膠過濾柱層析［圖1（C）］后，得到AHO1（產(chǎn)率30%）.

Fig.1 Preparation,separation and purification of oligosaccharides from Auricularia heimuer(A)Scheme of the procedure for extraction and isolation of oligosaccharide from Auriculariaheimuer;(B)elution graph of oligosaccharide on anion exchange chromatography;(C)elution graph of oligosaccharide on gel filtration chromatography.

進一步測定了黑木耳發(fā)酵原漿和CAHP溶液中總糖、還原糖和蛋白質(zhì)的含量，以比較CAHP提取前后發(fā)酵原漿中的成分變化（圖2）.經(jīng)多次重復(fù)提取與測定，測得黑木耳發(fā)酵原漿中的總糖、還原糖和蛋白質(zhì)含量的平均值分別為5.326，4.911和5.669μg/mL，而CAHP凍干粉中的總糖、還原糖和蛋白質(zhì)含量的平均值分別為4.845，4.710和0.453μg/mL.從黑木耳發(fā)酵原漿到CAHP凍干粉，總糖收率為91%，還原糖收率為96%，脫蛋白率為96%.以上結(jié)果表明，CAHP制備工藝的重復(fù)性良好，提取純化步驟保留了大部分的多糖而去除了大部分的黑木耳蛋白雜質(zhì).

Fig.2 Changes in the composition of fermentation broth(A)Total sugar content;(B)reducing sugar content;(C)protein content.

2.2 CAHP降解條件的優(yōu)化

使用熱爆預(yù)處理方法將黑木耳原料制成黑木耳發(fā)酵原漿，再采用熱水浸提法，從發(fā)酵原漿中提取CAHP.去除蛋白質(zhì)后透析凍干（收率2.6%），便于后續(xù)CAHP降解條件的優(yōu)化.

將CAHP復(fù)溶，采用H2O2氧化和超聲波物理降解協(xié)同的方法降解CAHP.首先，探討了H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對CAHP氧化降解效率的影響.無超聲條件下處理15 min，梯度增加H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，CAHP的降解率隨H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高.當(dāng)H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.6%時，多糖降解率趨于平緩［圖3（A）］.推測適量H2O2可使CAHP的三螺旋結(jié)構(gòu)解旋［21］，有利于氧化降解反應(yīng)的發(fā)生.當(dāng)H2O2過量時，可能導(dǎo)致多糖羥基末端氧化，產(chǎn)生較多的副產(chǎn)物，因此選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%作為H2O2最適用量.

Fig.3 Effects of H2O2 mass fraction(A),ultrasound power(B)and reaction time(C)on the degradation of Auricularia heimuer polysaccharide

進一步對CAHP超聲降解功率進行了優(yōu)化.無H2O2條件下處理15 min，以30 W梯度增加超聲功率，結(jié)果表明隨超聲功率增大，CAHP的降解率升高.當(dāng)功率超過60 W時，降解率開始趨于平緩［圖3（B）］.超聲波的氣穴效應(yīng)和熱效應(yīng)導(dǎo)致多糖鏈間糖苷鍵發(fā)生斷裂［22］，過高的超聲功率可能引起過熱等副反應(yīng)，因此選擇60 W作為CAHP降解的超聲最適功率.

最后，考察了聯(lián)合H2O2氧化與超聲波物理降解的反應(yīng)時間對降解效率的影響.由圖3（C）可見，在H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%及60 W超聲條件下，隨著反應(yīng)時間的延長，CAHP的降解率逐漸升高.當(dāng)降解時間達到25 min時，降解率可以達到90%，而25～30 min之間降解率趨于平緩.推測聯(lián)合降解方法可能存在一定降解限度，因此最終選擇25 min作為聯(lián)合H2O2氧化與超聲波物理降解CAHP的最適處理時間.

綜上，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的H2O2，60 W超聲25 min作為黑木耳多糖降解的最適條件.

2.3 AHO1的結(jié)構(gòu)表征

采用PMP柱前衍生高效液相色譜對CAHP和AHO1的單糖組成進行了分析［圖4（A）］.結(jié)果表明，CAHP和AHO1均主要由甘露糖、葡萄糖醛酸、葡萄糖和木糖組成，各單糖組成的摩爾分?jǐn)?shù)見表2.

Table 2 Molar fraction(%)of the monosaccharides in CAHP and AHO1

采用ESI-MS對AHO1進行了高分辨質(zhì)譜檢測，其分子量及聚合度分布見圖4（B）.由單糖組成分析結(jié)果可知，AHO1由6種單糖組成，其分子量在300～2000之間，因此可以推斷AHO1的聚合度為2～10.

進一步利用紅外光譜分析了AHO1的官能團組成.由圖4（C）可見，3429 cm-1附近寬而強的吸收峰是由O—H伸縮振動引起的糖類分子間氫鍵的典型吸收峰；2938 cm-1處為次甲基（—CH2）中C—H的伸縮振動峰；1730 cm-1處為羧基—COO的伸縮振動峰，1618 cm-1處為C=O的非對稱伸縮振動峰，1424 cm-1處為C=O的對稱伸縮振動峰，均為糖醛酸中質(zhì)子化羧基特征峰，與AHO1的單糖組成結(jié)果相吻合；1378和1253 cm-1處的峰歸屬為C—H鍵的變角振動；在1059 cm-1處的典型吸收峰為吡喃糖環(huán)中C—O—C的伸縮振動峰；920和835 cm-1處的吸收峰表明AHO1中存在α-糖苷鍵；799 cm-1處的區(qū)域特征峰對應(yīng)于D-吡喃葡萄糖的形式，與文獻［23］報道的黑木耳多糖AAP-4的紅外光譜結(jié)果類似［23］.

Fig.4 HPLC(A),ESI-MS(B),FTIR(C)and 1H NMR(D)spectra of AHO1

圖4（D）為AHO1的1H NMR譜圖.1H NMR常被用于鑒定多糖結(jié)構(gòu)中糖苷鍵構(gòu)型及結(jié)構(gòu)中氫的個數(shù)比，但由于非異頭質(zhì)子的化學(xué)位移相近，且有部分重疊現(xiàn)象，使多數(shù)質(zhì)子信號較難解析，通常認為，4.00＜δ＜5.00時為β型異頭質(zhì)子，5.00＜δ＜6.00時為α型異頭質(zhì)子.AHO1的1H NMR譜圖中存在δ5.06的吸收峰，表明存在α-糖苷構(gòu)型異頭氫.圖4（D）中δ3.2～4.5之間的信號峰主要是糖殘基上C2-H到C6-H的信號位移峰，δ2.12附近的信號峰表明AHO1中可能含有乙?；?

通過以上單糖組成分析、高分辨質(zhì)譜檢測、紅外光譜和核磁共振氫譜對AHO1進行了初步的結(jié)構(gòu)表征，尚未對AHO1中端基碳與側(cè)鏈羥基相連位點進行研究.許淑琴［24］發(fā)現(xiàn)，從黑木耳中提取出的雜多糖（wAF）由4種單糖組成，并含有少量的乙?；?，且wAF的主鏈為α-（1→3）-D-甘露聚糖，在C6和C2位置上連接的是D-葡萄糖，D-木糖和D-葡萄糖醛殘基，與本文結(jié)果一致.本文研究結(jié)果表明，AHO1主要由甘露糖、葡萄糖醛酸、葡萄糖和木糖4種單糖組成，以甘露糖為主，各糖殘基之間通過α-糖苷鍵連接，聚合度為2～10，推測AHO1與wAF的結(jié)構(gòu)特征相似.

2.4 AHO1的抗氧化活性

為研究CAHP的生物活性，檢測了其抗氧化和抑菌活性.圖5示出了AHO1對ABTS和DPPH自由基的清除結(jié)果.陽性對照組維生素C（VC）在實驗濃度為1.2 mg/mL時，對2種自由基的清除能力均約為80%.與陽性對照組相比，不同濃度的AHO1對ABTS和DPPH自由基均有較好的清除作用，且呈劑量依賴性.該結(jié)果與文獻［25］報道的低分子量果膠的抗氧化活性結(jié)果相似.當(dāng)AHO1濃度達到1.2 mg/mL時，ABTS和DPPH自由基清除率分別為24.61%和30.46%.

圖6示出AHO1對H2O2誘導(dǎo)的HepG2細胞氧化應(yīng)激損傷的保護作用.使用0～200μg/mL的AHO1干預(yù)HepG2細胞12 h，CCK-8法檢測細胞存活率無顯著變化［圖6（A）］.進一步選取AHO1的濃度為10，25和50μg/mL進行實驗.使用H2O2處理HepG2細胞建立氧化損傷模型，隨著H2O2濃度的升高，細胞存活率逐漸降低［圖6（B）］.H2O2對HepG2細胞的IC50值為665μmol/L，本文選擇600μmol/L作為建模濃度.與未經(jīng)600μmol/L H2O2處理的對照組相比，經(jīng)H2O2處理過的細胞生存率顯著降低（P＜0.001），而經(jīng)過10，25和50μg/mL 3個濃度的AHO1預(yù)處理HepG2細胞12 h后，細胞生存率顯著增高［P＜0.05，圖6（C）］.

Fig.5 Antioxidant activity determined by ABTs assays(A)and DPPH assays(B)

Fig.6 Protective effect of AHO1 on H2O2-induced oxidative stress damage in HepG2 cells(A)The effect of AHO1 on proliferation of HepG2 cells;(B)the effect of H2O2 on proliferation of HepG2 cells;(C)the effect of AHO1 on the proliferation of HepG2 cells induced by H2O2.

綜上所述，AHO1對ABTS和DPPH自由基有一定的清除作用，對HepG2氧化應(yīng)激損傷具有保護作用，證明AHO1具有良好的抗氧化性.研究表明，CAHP體外水解物的抗氧化性是通過提高過氧化氫酶及谷胱甘肽還原酶等抗氧化酶活性與谷胱甘肽水平實現(xiàn)的［26］.本文推測AHO1的抗氧化作用具有類似的途徑.

2.5 AHO1的抑菌活性

以大腸桿菌DH5α、金黃色葡萄球菌ATCC6538和帶氨芐抗性的基因工程菌DH5α/pGEX-6P-1為抑菌對象，以AMP為陽性對照，采用杯碟法測試了AHO1的抑菌活性.圖7（A）和（B）為大腸桿菌組的陰性對照圖和實驗處理圖，圖7（C）和（D）為金黃色葡萄球菌組的陰性對照圖和實驗處理圖，圖7（E）和（F）為帶氨芐抗性的基因工程菌組的陰性對照圖和實驗處理圖.實驗處理圖中，中間孔均為25 mg/mL的AMP陽性對照組，四周孔均為25，50，100和200 mg/mL的AHO1處理實驗組.

實驗結(jié)果表明，不同濃度的AHO1對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和帶氨芐抗性的基因工程菌均有較強的抑制作用，且抑菌圈直徑隨著AHO1濃度的增加而增大（圖7和表3）.其中，AHO1對大腸桿菌的抑制作用最顯著.當(dāng)AHO1濃度為200 mg/mL時，抑菌圈直徑達22.76 mm.可見，AHO1與AMP具有近似的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑制活性.

AHO1對大腸桿菌DH5α、金黃色葡萄球菌ATCC6538和帶氨芐抗性的基因工程菌DH5α/pGEX-6P-1的最小抑菌濃度列于表4.可見，AHO1對ATCC6538的MIC為2.5 mg/mL，對DH5α和DH5α/pGEX-6P-1的MIC均為1.25 mg/mL.

Fig.7 Antibacterial effects of AHO1 on DH5α,ATCC6538 and DH5α/pGEX-6P-1(A)DH5αcontrol group;(B)DH5αexperimental group;(C)ATCC6538 control group;(D)ATCC6538 experimental group;(E)DH5α/pGEX-6P-1 control group;(F)DH5α/pGEX-6P-1 experimental group.

Table 3 Inhibition areas of oligosaccharide with different concentrations

Table 4 MIC of AHO1 against bacteria

綜合以上實驗結(jié)果，AHO1對大腸桿菌DH5α、金黃色葡萄球菌ATCC6538及帶氨芐抗性的基因工程菌DH5α/pGEX-6P-1均有良好的抑制作用，可作為天然抗菌劑.殼寡糖衍生物可以增加細菌細胞膜通透性和影響細菌細胞內(nèi)部分子合成等途徑使細胞功能異常，導(dǎo)致細菌細胞死亡［27］.研究發(fā)現(xiàn)，AHO1對帶氨芐抗性的基因工程菌具有較好的抑制活性，證明AHO1的抑菌機制與抗生素類藥物不同，但其具體機制還需進一步分析.

3 結(jié) 論

采用熱水浸提法，以熱爆預(yù)處理的黑木耳發(fā)酵原漿為原料提取CAHP.進一步使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的H2O2與60 W超聲協(xié)同降解25 min，經(jīng)陰離子交換柱層析和凝膠過濾柱層析分離純化，得到AHO1.采用單糖組成分析、高分辨質(zhì)譜、紅外光譜和核磁共振氫譜表征了其結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，AHO1是以甘露糖為主，由6種單糖組成，各糖殘基通過α-糖苷鍵連接，分子量低于2000，聚合度為2～10的低聚糖.抗氧化活性研究表明，AHO1對ABTS和DPPH自由基具有較明顯的清除效果.經(jīng)AHO1預(yù)處理可有效減少H2O2對HepG2細胞的氧化應(yīng)激損傷，證明AHO1具有良好的抗氧化活性.抑菌實驗發(fā)現(xiàn)，AHO1對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和帶氨芐抗性的基因工程菌均具有不同程度的抑制作用，抑制效果呈濃度依賴性.MIC實驗表明，AHO1對金黃色葡萄球菌的MIC為2.5 mg/mL，大于對大腸桿菌和帶氨芐抗性的基因工程菌的MIC（1.25 mg/mL）.綜上所述，本文獲得了低聚合度黑木耳寡糖AHO1的制備方法，初步表征了其結(jié)構(gòu)和生物活性，為低分子量黑木耳寡糖的研究和商業(yè)應(yīng)用提供了新方法和實驗基礎(chǔ).