嚴(yán)尚隆，潘創(chuàng)，楊賢慶*，陳勝軍，戚勃，黃卉

1(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海，201306)2(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心，廣東 廣州，510300)

海藻是海洋生物的重要組成部分，形態(tài)多樣，種類繁多。近年來，海藻作為功能性和生物活性化合物的優(yōu)良來源越來越多地受到了科研工作者的關(guān)注。海藻多糖營養(yǎng)價值高，具有抗病毒、抗氧化、抗腫瘤等多種生理活性[1]，現(xiàn)已成為食品、醫(yī)藥以及化妝品行業(yè)的研究重點(diǎn)。

長松藻(CodiumcylindricumHolmes)，綠藻門松藻目松藻科松藻屬，別名柱海松，廣泛分布于我國南海區(qū)域[2]。長松藻富含多糖、蛋白質(zhì)和粗纖維等營養(yǎng)物質(zhì)，是一種可食用大型綠藻[3]。但由于口感較差，長松藻至今未得到深入應(yīng)用，僅用作于飼料和餌料[4]。事實(shí)上，研究表明長松藻含有抗凝血、抗血管的多糖類活性化合物，具有很好的開發(fā)價值和應(yīng)用前景[5]。然而，天然多糖具有分子質(zhì)量大，溶解性差的缺點(diǎn)[6]，不利于精深加工與高值化利用。因此，對多糖進(jìn)行適度降解處理，是目前國內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)。

多糖降解方法包括生物降解、物理降解及化學(xué)降解方法。生物降解法主要通過特異性酶解處理，條件溫和且高效節(jié)能，但酶制劑價格昂貴，且特異性酶篩選具有難度[7]。常見的物理降解法有超聲波降解、微波降解和輻射降解等，物理降解法高效環(huán)保，但有降解回收率低，設(shè)備成本高的缺點(diǎn)[8]?；瘜W(xué)降解方法包括酸堿降解法、氧化降解法等，其中H2O2聯(lián)合降解法操作簡單，已受到廣泛關(guān)注，目前主要有H2O2-維生素C及H2O2-Fe2+法，但同時也存在降解效率不高的問題[9]。ZHI等[10]采用超聲輔助H2O2-Fe2+法制備低分子質(zhì)量肝素，結(jié)果表明該復(fù)合降解法能在短時間內(nèi)降低肝素的分子質(zhì)量，釋放羥基基團(tuán)，顯著增強(qiáng)肝素的抗凝血能力。姜慧等[11]研究發(fā)現(xiàn)超聲輔助H2O2-維生素C法能夠有效降解條斑紫菜多糖；降解處理后，條斑紫菜多糖分子質(zhì)量顯著降低，基本結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，而體外抗氧化、膽酸鹽結(jié)合以及細(xì)胞免疫活性提高。

隨著生活節(jié)奏和飲食習(xí)慣的變化，糖尿病患病率日益提高，多糖作為具有降血糖功效的天然活性物質(zhì)愈發(fā)受到關(guān)注[12]。降血糖功效是多糖的重要活性，與相對分子質(zhì)量、單糖組成、高級結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)[13]。因此，本文以長松藻多糖(Codiumcylindricumpolysaccharides，CCP)為原料，采用復(fù)合降解方法，通過超聲輔助H2O2-維生素C以及H2O2-Fe2+降解法，制備長松藻降解多糖，并探究多糖的理化性質(zhì)、高級結(jié)構(gòu)以及降血糖活性，以期為CCP的開發(fā)應(yīng)用提供理論支持，促進(jìn)長松藻資源的充分利用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

長松藻，汕頭南澳島；α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶，合肥市博美生物科技有限責(zé)任公司；木瓜蛋白酶，廣州市齊云生物技術(shù)有限公司；透析袋(Mw1 000、Mw7 000)，廣州華嶼欣實(shí)驗(yàn)器材有限公司；抗壞血酸、三氟乙酸(trifluoroacetic acid，TFA)、1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮(1-phenyl-3-methyl-5-pyrazolinone，PMP)、甲醇、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、二硝基水楊酸(dinitrosalicylic acid，DNS)等其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

BS224S分析天平，美國Sartorius公司；XT-500A型粉碎機(jī)，金華永康紅太陽機(jī)電有限公司；Milli-Q超純水機(jī)，美國Millipore公司；HWS24熱恒溫水浴鍋，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；Alpha1-4冷凍干燥機(jī)，德國Christ有限公司；ISI26 pH計(jì)，上海儀邁儀器科技有限公司；IRE-5220A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；G-100S(800 W、40 kHz)超聲波清洗機(jī)，深圳市歌能清洗設(shè)備有限公司；AvantiJ26XP高速離心機(jī)，德國Sigma公司；Synergy全功能酶標(biāo)儀，美國BioTek公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 多糖提取

CCP的提取參考熊皓平等[4]的方法，并略作修改。稱取10.0 g預(yù)處理后的長松藻粉末，加入500 mL無水乙醇浸泡脫脂2 h，過濾，濾渣于60 ℃烘干。以1∶100(g∶mL)加入蒸餾水，攪拌10 min，在95 ℃下浸提2 h，冷卻至室溫。加入木瓜蛋白酶(3 000 U/mL)，60 ℃水浴振蕩孵化2 h后，沸水浴處理5 min使木瓜蛋白酶變性。冷卻至室溫后，4 ℃、8 000 r/min 離心15 min，保留上清液，旋蒸濃縮至原體積1/3。濃縮液經(jīng)7 000 Da透析袋去離子水透析48 h后，加入4倍體積的無水乙醇，醇沉過夜。4 ℃、10 000 r/min離心20 min并收集沉淀，冷凍干燥得到CCP。

1.3.2 CCP降解

1.3.2.1 超聲輔助H2O2-維生素C降解

根據(jù)CHEN等[14]的方法，略加修改，對CCP進(jìn)行降解處理。稱取2.0 g CCP，加蒸餾水溶解，配制5 mg/mL CCP溶液，使用1.0 mol/L HCl調(diào)節(jié)CCP溶液pH至3.0，加入0.14 mL 30%(體積分?jǐn)?shù))H2O2與0.21 g維生素C，搖勻。將混合溶液超聲處理30 min并調(diào)節(jié)至中性。經(jīng)4 ℃、10 000 r/min離心20 min后收集上清液，1 000 Da透析袋透析48 h，旋蒸濃縮并冷凍干燥，得到超聲輔助H2O2-維生素C降解多糖(維生素C-CCP)。

1.3.2.2 超聲輔助H2O2-Fe2+降解

采用黃海潮等[8]的降解方法，稍作改動，對CCP進(jìn)行降解處理。稱取2.0 g CCP，加蒸餾水溶解，配制5 mg/mL CCP溶液，用1.0 mol/L HCl調(diào)節(jié)CCP溶液pH至3.0，加入4.53 mL 30% H2O2與0.17 g硫酸亞鐵，搖勻。將混合溶液超聲處理30 min并調(diào)節(jié)至中性，經(jīng)4 ℃、10 000 r/min離心20 min后收集上清液，1 000 Da透析袋透析48 h，旋蒸濃縮并冷凍干燥，制得超聲輔助H2O2-Fe2+降解多糖(Fe-CCP)。

1.3.3 多糖理化性質(zhì)測定

1.3.3.1 溶解度

稱取0.1 g CCP，加入100 mL蒸餾水，在不同溫度(20、40、60、80、100 ℃)條件下磁力攪拌至完全溶解，記錄CCP從開始到完全溶解所需要的時間[15]。

1.3.3.2 粒徑分布與Zeta電位

準(zhǔn)確稱取1.0 mg的樣品，加入1 mL超純水，超聲處理5 min，使樣品完全分散后，通過納米粒度電位儀測定CCP、維生素C-CCP及Fe-CCP的粒徑分布及電位，連續(xù)測定3次。

1.3.4 多糖結(jié)構(gòu)解析

1.3.4.1 單糖組成

稱取10 mg(精確到0.1 mg)多糖樣品于20 mL的鉗口瓶中，加入5 mL濃度為2 mol/L的TFA，充N2封管，100 ℃烘箱中水解2 h。取1 mL水解液，加入1 mL甲醇后，70 ℃水浴下用N2吹干，重復(fù)2次，以去除TFA。加入1 mL 0.3 mol/L NaOH溶液充分溶解殘?jiān)?，做一定稀釋后衍生測定。

分別取400 μL的混合單糖標(biāo)準(zhǔn)液或多糖水解液于5 mL的具塞試管中，加400 μL PMP甲醇溶液，漩渦混勻。70 ℃水浴反應(yīng)2 h，加入400 μL 0.3 mol/L 的HCl中和(pH 6～7)，加水1 200 μL，再加等體積的氯仿，渦旋混勻振搖，靜置，棄去氯仿相，如此萃取2次，0.45 μm微孔膜過濾后供LC-MS進(jìn)樣分析。流動相為乙腈與乙酸銨緩沖液(pH 7.0)，流速為0.4 mL/min，柱溫35 ℃，進(jìn)樣量2 μL。

1.3.4.2 原子力顯微鏡

取一定量的多糖粉末，溶解使樣品稀釋分散均勻后，滴到干凈的云母片上，晾干后進(jìn)行測試。通過原子力顯微鏡掃描，安裝好探針，調(diào)整激光，移動樣品臺以及探頭的位置，使樣品位于探頭正下方，直到看清樣品表面為止，運(yùn)行Nanoscope軟件進(jìn)行測定。

1.3.4.3 核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)氫譜

稱取50 mg樣品，加入至核磁管，移取0.5 mL重水，振蕩使樣品完全溶解后進(jìn)行測試，1H共振頻率600 MHz，采樣次數(shù)64次，弛豫時間2 s；13C為150.87 MHz，采樣次數(shù)10 240次，弛豫時間2 s。布魯克600 MHz AVANCE III測定。

1.3.5 多糖降血糖活性

1.3.5.1 α-淀粉酶抑制活性

根據(jù)周笑犁等[16]的方法測定α-淀粉酶抑制活性。移取不同濃度的多糖溶液0.3 mL至試管，加入1 mL PBS和1 mL α-淀粉酶溶液。37 ℃水浴加熱10 min后，加入1 mL淀粉溶液。繼續(xù)37 ℃水浴20 min，加入5 mL DNS溶液終止反應(yīng)。冷卻至室溫，在540 nm處測得吸光值A(chǔ)1。將酶液替換為水，測得A2。把樣品溶液換成水，測定對照組A3。樣品溶液與酶液都替換為水，作空白對照A4。抑制率計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

1.3.5.2 α-葡萄糖苷酶抑制活性

參考DUO等[17]的方法測定α-葡萄糖苷酶抑制活性。移取不同濃度的多糖溶液0.3 mL至試管，加入1.2 mL PBS和0.25 mL α-葡萄糖苷酶溶液。37 ℃ 水浴加熱15 min后，加入0.25 mL對硝基苯酚吡喃葡萄糖苷(p-nitrophenol glucopyranoside，PNPG)溶液。繼續(xù)37 ℃水浴25 min，加入1 mL碳酸鈉溶液終止反應(yīng)。冷卻至室溫，在405 nm處測得吸光值A(chǔ)1。將酶液替換為水，測得A2。樣品溶液換成水，作空白對照A0。抑制率計(jì)算如公式(2)所示：

(2)

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x±SD)表示，采用SPSS 26統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 多糖得率與溶解度

實(shí)驗(yàn)所得CCP的提取率為(8.21±0.57)%。超聲輔助H2O2-Fe2+和H2O2-維生素C法降解多糖的回收率分別為(82.46±1.02)%與(76.39±1.43)%。經(jīng)測定得到CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP的總糖含量分別為68.51%、88.12%、71.75%，分子質(zhì)量依次為50 745、15 072、8 474 Da。

通過多糖樣品在不同溫度條件下，完全溶解所需的時間來測定多糖的溶解性,結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，20～60 ℃時，隨著溫度上升，CCP的溶解時間顯著降低，而維生素C-CCP與Fe-CCP變化不大。在20 ℃條件下，CCP的溶解時間分別為維生素C-CCP、Fe-CCP的11和13倍。經(jīng)過降解處理后，多糖分子質(zhì)量減小，溶解時間顯著降低(P<0.01)。降解多糖在水中快速溶解，溶解性明顯改善。在降解過程中，超聲處理促進(jìn)維生素C、Fe2+催化H2O2破壞多糖分子鏈間的氫鍵，導(dǎo)致短聚合鏈數(shù)量增加以及水合趨勢增強(qiáng)，更易于溶解，有助于多糖發(fā)揮生物活性[7,10,18]。

圖1 不同溫度條件下多糖溶解度的比較Fig.1 The comparisons in solubility of polysaccharides at different temperatures

2.2 粒徑與Zeta電位

圖2-a、圖2-b、圖2-c分別為CCP、維生素C-CCP以及Fe-CCP溶液的粒徑分布圖。由圖2可看出，CCP主要集中在100～400 nm。而維生素C-CCP和Fe-CCP的粒徑大小主要分布在10～100 nm，少部分分布在100～500 nm。經(jīng)計(jì)算所得3個多糖樣品的平均粒徑分別為175.68、108.11、78.73 nm。2種降解多糖平均粒徑小于CCP，此結(jié)果與上述分子質(zhì)量分析結(jié)果一致。

Zeta電位可用于測定樣品溶液表面所帶靜電荷的電位，反映溶液的穩(wěn)定性[19]。圖3-a、3-b、3-c分別為CCP、維生素C-CCP及Fe-CCP的Zeta電位分布圖。3種多糖溶液表面均以負(fù)電荷為主，都是陰離子多糖。經(jīng)計(jì)算所得CCP、維生素C-CCP及Fe-CCP的Zeta電位分別為-33.1、-23.5、-24.0 mV，3種多糖溶液都具有較好的物理穩(wěn)定性。CCP的電位絕對值高于維生素C-CCP及Fe-CCP，說明降解處理后，多糖溶液從聚集趨向分散。降解處理產(chǎn)生的強(qiáng)剪切力使多糖發(fā)生分子電離[9]，顆粒間靜電斥力增強(qiáng)，導(dǎo)致粒徑與Zeta電位降低，使多糖在水溶液中的聚集效應(yīng)減弱，更易于被吸收利用[19-20]。

a-CCP；b-維生素C-CCP；c-Fe-CCP圖2 不同多糖的粒徑分布Fig.2 The Particle size distribution of different polysaccharides

a-CCP；b-維生素C-CCP；c-Fe-CCP圖3 不同多糖的Zeta電位Fig.3 The Zeta potential of different polysaccharides

2.3 單糖組成

多糖樣品經(jīng)PMP衍生化處理后，通過LC-MS分析其單糖組成，結(jié)果如圖4與表1所示。結(jié)果表明，CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP均為雜多糖，單糖組成相似，說明降解處理沒有改變多糖的單糖類型。3種多糖都主要由甘露糖(40.59%、35.84%、36.42%)、半乳糖(38.74%、37.9%、38.34%)、阿拉伯糖(11.60%、15.63%、13.87%)以及葡萄糖(8.08%、9.12%、10.09%)組成，單糖組成無明顯變化，但單糖摩爾比不同。降解處理后，甘露糖和半乳糖含量最高，仍為主要單糖組分，但百分比有所下降，而阿拉伯糖、葡萄糖含量增加。說明超聲輔助H2O2-Fe2+和H2O2-維生素C降解反應(yīng)，優(yōu)先作用于甘露糖、半乳糖附近的糖苷鍵，而在阿拉伯糖和葡萄糖附近的糖苷鍵較為穩(wěn)定[21]。結(jié)果表明，超聲輔助H2O2-Fe2+和H2O2-維生素C降解體系反應(yīng)溫和，主要作用于糖苷鍵上的氫鍵，多糖聚合度降低，而多糖的結(jié)構(gòu)單元保持不變，這與CHEN等[14]的研究結(jié)果相一致。多糖基本結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對于其生物活性的維持具有重要意義。

表1 CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP的單糖摩爾百分比 單位：%

2.4 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡是觀察多糖表面結(jié)構(gòu)形貌的有效方法，具有操作簡便，環(huán)境要求低、分辨率高的優(yōu)勢，適用于生物大分子的可視化和功能化研究分析[22]。

圖5-a、5-b、5-c分別為CCP、維生素C-CCP和Fe-CCP的原子力顯微鏡掃描結(jié)果。由圖5-a可看出，粗多糖分子相互纏繞，分子鏈高度分布為6.3～16.8 nm。從3D圖像看出，多糖分子出現(xiàn)聚集，這是由于分子間的氫鍵締合作用強(qiáng)，多糖聚合較緊密[23]。

如圖5-b所示，維生素C-CCP的分子高度為4.9～14.1 nm，分子聚集程度降低，分子散亂分布，僅有少量分子聚集。由圖5-c可看出，F(xiàn)e-CCP在溶液中的微觀形態(tài)與維生素C-CCP類似，分子聚集程度較低，而分子高度有所不同(2.8～7.9 nm)。因此，2個降解多糖的分子聚集程度與分子高度均低于原始多糖，這與降解過程中多糖氫鍵斷裂，分子間的締合作用減弱有關(guān)[22,24]。多糖的聚合程度降低，可一定程度上影響多糖粒徑與溶解度。

a-標(biāo)準(zhǔn)品；b-CCP；c-維生素C-CCP；d-Fe-CCP圖4 單糖標(biāo)準(zhǔn)品、CCP、維生素C-CCP及Fe-CCP的LC-MS色譜圖Fig.4 The LC-MS chromatogram of monosaccharides standard samples, CCP, vitamin C-CCP and Fe-CCP

a-CCP；b-維生素C-CCP；c-Fe-CCP圖5 原子力顯微鏡圖譜Fig.5 The atomic force microscope images

2.5 核磁共振波譜

不同多糖的核磁共振波譜圖如圖6所示。圖6-a、圖6-c、圖6-e分別為CCP、維生素C-CCP和Fe-CCP的核磁共振氫譜圖。1H-NMR可用于解析多糖結(jié)構(gòu)的糖苷鍵構(gòu)型。通常，多糖的異頭氫質(zhì)子信號集中出現(xiàn)在δH 4.5～5.5[25]，同時β-構(gòu)型糖苷的異頭氫化學(xué)位移一般小于5.0[26]。而CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP在4.69左右存在一個異頭氫信號，說明3種多糖均含有β糖苷構(gòu)型。根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[27]，δH 4.69可能是甘露糖端基氫信號，這與單糖組成分析結(jié)果相符合。

2.6 降血糖活性

α-淀粉酶可以將淀粉等碳水化合物分解為寡糖，而α-葡萄糖苷酶催化糖苷鍵水解，將寡糖水解為葡萄糖，導(dǎo)致血糖水平上升。因此，抑制α-淀粉酶以及α-葡萄糖苷酶活性，能夠有效延緩葡萄糖的釋放，降低餐后的血糖水平，起到降血糖作用[12,16]。

如圖7所示，3種多糖均對α-淀粉酶有一定的抑制作用，在2～10 mg/mL時呈劑量依賴性變化。在多糖濃度為10 mg/mL時，CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP對α-淀粉酶最大抑制率分別為17.42%、19.84%、37.50%，低于陽性對照。與CCP相對比，F(xiàn)e-CCP的抑制活性顯著提高(P<0.05)，而維生素C-CCP提高幅度相對較小(P>0.05)，這可能與Fe-CCP分子質(zhì)量更小有關(guān)。

圖7 不同多糖的α-淀粉酶抑制活性Fig.7 The α-amylase inhibitory activity of different polysaccharides

如圖8所示，CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP對α-葡萄糖苷酶抑制活性呈線性變化。3種多糖樣品對α-葡萄糖苷酶有較明顯的抑制作用，降解處理后α-葡萄糖苷酶抑制能力明顯提升(P<0.05)，與α-淀粉酶抑制活性結(jié)果相吻合。多糖樣品對α-葡萄糖苷酶的抑制力強(qiáng)弱依次為Fe-CCP>維生素C-CCP>CCP，在10 mg/mL，達(dá)到最大抑制活性47.74%、55.41%、60.07%，略低于陽性對照。

圖8 不同多糖的α-葡萄糖苷酶抑制活性Fig.8 The α-glucosidase inhibitory activity of different polysaccharides

DOU等[17]研究表明，一定程度的降解處理可以有效降低黑莓多糖的分子質(zhì)量，提高α-葡萄糖苷酶抑制活性，這與長松藻降解多糖的結(jié)果一致。楊玉潔等[13]研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)具有降血糖活性的多糖均含有半乳糖、阿拉伯糖、葡萄糖等單糖類型，CCP、維生素C-CCP、Fe-CCP的單糖組成與這相符合。超聲輔助H2O2-Fe2+和H2O2-維生素C降解體系能夠有效降解CCP，促進(jìn)多糖糖苷鍵斷裂，暴露更多羥基基團(tuán)，可與消化酶中的氨基酸殘基相結(jié)合，起到抑制酶活性，降低血糖水平的作用[6]。

3 結(jié)論

采用超聲輔助H2O2-維生素C和H2O2-Fe2+復(fù)合法降解CCP后，溶解性顯著提升，粒徑和Zeta電位減??；多糖表面構(gòu)象發(fā)生變化，分子聚集程度降低；單糖組成和糖苷鍵構(gòu)型等結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，為降解多糖的活性應(yīng)用提供保證。降解反應(yīng)破壞多糖糖苷鍵上的氫鍵，使更多的活性基團(tuán)暴露。體外降血糖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CCP具有一定的α-淀粉酶抑制活性，降解處理后小幅提升，而α-葡萄糖苷酶抑制活性相對較強(qiáng)，降解處理后顯著提升，最大抑制活性分別為47.74%、55.41%、60.07%。CCP經(jīng)超聲輔助H2O2-維生素C和H2O2-Fe2+法處理后理化性質(zhì)改善，基本結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，生物活性顯著提高。該研究結(jié)果為長松藻降解多糖在食品、藥品和化妝品的開發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù)。