李 衛(wèi)，房雷雷，張彥青, ，解軍波

（1.天津商業(yè)大學生物技術與食品科學學院，天津 300134；2.天津中醫(yī)藥大學中藥學院，天津 301617）

桔梗，又名土人參，是屬于雙子葉植物綱、桔梗科、桔梗屬的多年生草本植物[1]，廣泛分布于我國的四川、廣西、貴州、陜西等地。桔梗味苦、性平，具有豐富的食用和藥用價值，其主要成分有多糖、皂苷、黃酮、揮發(fā)油等[2]，其根可入藥，有宣肺排膿、止咳祛痰等作用[3]。桔梗多糖富集于桔梗根部細胞中[4]，作為桔梗中重要的生物活性物質之一[5]，桔梗多糖在抗腫瘤[6]、抗氧化[7]、增強免疫[8]以及降血糖[9]等方面都發(fā)揮著重要作用。

桔梗根部細胞及木質層主要由纖維素、木質素構成[10]，細胞內層和細胞壁中還含有大量果膠[11]，傳統的回流提取方法難以剔除其中粗纖維、蛋白質和膠質等雜質[12]，不利于多糖高效提取。復合酶法提取作為一種新型提取工藝，其提取條件溫和，提取效率高，將相應的生物酶混合使用能有效破壞植物細胞壁[13]，分解纖維素、蛋白質和果膠等雜質，從而提高多糖溶出率。針對桔梗根結構特點，本實驗選用纖維素酶、果膠酶和木瓜蛋白酶進行配比組合，通過單因素實驗和響應面法優(yōu)化建立了一種新型復合酶法提取桔梗多糖的工藝。在此基礎上，對所提取的桔梗粗多糖分離純化，并對純化后的多糖組分進行結構和抗氧化活性的初步分析，以期為桔梗多糖的高效提取及其進一步深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

桔梗根 河北安國中藥材交易專業(yè)市場；1,1-二苯基-2-三硝基肼（DPPH）、2,2-聯氮-二（3-乙基-苯并噻唑啉-6-磺酸）二銨鹽（ABTS）、磷酸鈉、鉬酸銨分析純，天津市鼎盛鑫化工有限公司；纖維素酶（50 U/mg）、果膠酶（500 U/mg）、木瓜蛋白酶（800 U/mg）分析純，上海源葉生物科技有限公司。

TDA-8002 型恒溫水浴鍋 天津市中環(huán)實驗電爐有限公司；Heraeus Megafuge 8R 型離心機 賽默飛世爾科技（中國）有限公司；SpectraMax-M5 型多功能讀板機 美國Molecular Devices 公司；Agilent 1100 Series 高效液相色譜儀 美國Agilent 公司；Alltech 3300 ELSD 檢測器 美國Grace 公司；HT7700 透射電子顯微鏡 日本Hitachi 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 桔梗預處理 將購買的新鮮桔梗根在陽光下晾曬三日，粉碎過60 目篩后，以石油醚為提取劑，80 ℃水浴下回流3 h，干燥濾渣得脫脂桔梗粉末，收集進行后續(xù)多糖提取。

1.2.2 單一酶的最適添加量實驗 固定酶解溫度50 ℃，時間60 min，料液比1:25 g/mL，以多糖得率為指標，選擇木瓜蛋白酶、纖維素酶以及果膠酶按照質量比為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%進行實驗。

1.2.3 復合酶配比正交試驗 根據單一酶實驗結果，以多糖得率為指標，進行正交試驗篩選最佳復合酶配比，因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平設計Table 1 Orthogonal experimental factor horizontal design

1.2.4 復合酶提取工藝單因素實驗 結合篩選出最佳的復合酶比例，從影響多糖得率的因素中選取酶解溫度（30、40、50、60、70 ℃）、料液比（1:20、1:25、1:30、1:35、1:40 g/mL）、酶解時間（30、60、90、120、150 min），對復合酶法提取桔梗多糖進行單因素優(yōu)化實驗，其中各因素固定水平為酶解溫度50 ℃，酶解時間60 min，料液比1:25 g/mL。

1.2.5 復合酶提取工藝響應面優(yōu)化試驗 為了繼續(xù)優(yōu)化桔梗多糖的復合酶法提取工藝，結合單因素實驗的結果，選取酶解溫度（A）、料液比（B）、酶解時間（C）為影響因素，以多糖得率為指標進行三因素三水平的響應面試驗設計，因素水平如表2。

表2 響應面試驗因素水平設計Table 2 Experimental factor level of response surface

1.2.6 桔梗多糖的含量及得率計算 多糖的含量測定采用苯酚-硫酸比色法[14]。以葡萄糖標準液濃度為橫坐標，OD620nm為縱坐標，得到葡萄糖標準曲線：y=0.0438x-0.0052，R2=0.9993。桔梗多糖得率計算公式為：

式中：M1為桔梗多糖質量，g；M2為桔梗多糖含量，%；M3為桔梗粉末質量，g。

1.2.7 桔梗多糖的分離純化 配制使用5 mg/mL 的多糖溶液，經0.22 μm 微孔濾膜過濾后，采用DEAESepharose Fast Flow 和Sephacryl S-300 層析柱對桔梗粗多糖進行分離純化，苯酚-硫酸比色法監(jiān)測多糖含量，繪制洗脫曲線。合并主峰洗脫液，透析凍干后即得純化多糖組分。

1.2.8 桔梗多糖分子量測定 通過HPLC-ELSD 法計算桔梗多糖分子量[15]。色譜條件：Agilent 1100Series 高效液相色譜儀，Alltech 3300 ELSD 檢測器；色譜柱：Agilent PL aquael-OH Mixed-H 柱（4.60 mm×150 mm, 8 μm）；流動相為超純水；進樣量20 μL。

1.2.9 桔梗多糖單糖組成測定 采用PMP 柱前衍生化法結合HPLC 測定單糖組成[16]。具體步驟為：取200 μL 質量濃度為4 mg/mL 的多糖溶液，加入100 μL 三氟乙酸（4 mol/L）溶液，N2封管，于110 ℃烘箱中水解2 h。水解完成后，加入400 μL 甲醇于70 ℃條件下用N2吹干，重復3 次以去除三氟乙酸。加入100 μL NaOH（0.3 mol/L）溶解殘渣，再加入100 μL 的0.5 mol/L PMP-甲醇溶液于70 ℃孵育60 min。冷卻至室溫后，加入100 μL 的0.3 mol/L HCl 溶液調節(jié)pH。使用超純水定容至2 mL，再加入2 mL 氯仿進行萃取，保留上層水相，經0.22 μm濾膜過濾后進樣分析。色譜條件：Agilent 1100 Series高效液相色譜儀，DAD 檢測器；色譜柱：Hypersl OD 25 柱（4.60 mm×250 mm，5 μm）；柱溫27 ℃；流速0.9 mL/min；流動相：0.05 mol/L 磷酸二氫鉀溶液（pH6.8）-乙腈（84:16）；檢測波長250 nm；進樣量20 μL。比較樣品與混合標準單糖圖譜，確定單糖組成和含量。

1.2.10 桔梗多糖核磁共振分析 25 mg 桔梗多糖溶解于0.6 mL D2O 中，然后用Bruker AscendTM600 NMR核磁共振儀記錄1H 和13C 光譜。MestNova 軟件用于數據分析。

1.2.11 桔梗多糖的掃描電鏡觀察 取少量干燥多糖，經電流鍍金后使用HT7700 透射電子顯微鏡測定并拍照，在1000、2000 和5000 倍下觀察其表面形態(tài)。

1.2.12 桔梗多糖體外抗氧化活性分析

1.2.12.1 總還原力測定 根據Chen 等[17]的方法稍作修改。取pH 6.6 濃度為0.2 mol/L 的H3PO4鹽緩沖液2.5 mL，與1 mL 濃度為10 mg/mL 的K3[Fe（CN）6]混合。在混合液加入不同濃度的桔梗多糖溶液，50 ℃下反應20 min 后，加入1.0 mL 10%的Cl3CCOOH溶液，離心分離。取上層清液2.5 mL，加入2.5 mL去離子水和2.5 mL 0.1%的FeCl3，混合后，測定吸光度A（700 nm）。維生素C 為陽性對照組，蒸餾水為空白對照組。

1.2.12.2 DPPH 自由基清除能力 根據Wang 等[18]的方法稍作修改。取2.0 mL 桔梗多糖溶液與3.0 mL DPPH-乙醇溶液（7 mmol/L）混合。混合液在黑暗條件下靜置30 min，然后在517 nm 處測定吸光度，記為A1；以乙醇替代多糖溶液測得的吸光度記為A0；蒸餾水代替DPPH-乙醇溶液測得吸光度為A2；維生素C 作為陽性對照組，桔梗多糖的DPPH 自由基清除能力為：

1.2.12.3 ABTS+自由基清除能力 根據施利奇等[19]的方法稍作修改。將5 mmol/L 過硫酸鉀溶液與7 mmol/L ABTS 溶液等體積比例混合，并在室溫靜置過夜。使用蒸餾水稀釋混合液，直至734 nm 波長下吸光度達到0.70±0.02。將桔梗多糖溶液與4 mL配制好的ABTS 溶液混合，反應6 min 后，測量反應后的吸光度A1（734 nm）。以蒸餾水替代多糖溶液測得的吸光度記為A0。以蒸餾水替代ABTS 溶液測得的吸光度記為A2。維生素C 作為陽性對照組，桔梗多糖的ABTS+自由基清除能力計算公式為：

1.2.12.4 羥基自由基清除能力 根據孫艷等[20]的方法稍作修改。取1.0 mL 濃度為9 mmol/L 的FeSO4溶液與1.0 mL 濃度為9 mmol/L 的水楊酸CH3CH2OH溶液混合，然后加入1.0 mL 桔梗多糖溶液。加入1.0 mL 濃度為8.8 mmol/L 的H2O2后，將混合溶液于室溫孵育30 min，然后在510 nm 處測量吸光度，記為A1。蒸餾水混合多糖溶液的吸光度記為A2。蒸餾水代替多糖溶液反應的吸光度記為A0。維生素C 作為陽性對照組，桔梗多糖的OH 自由基清除能力計算公式為：

1.3 數據處理

通過GraphPad 5.0 軟件進行處理，測定結果以平均值±標準差（n=3）表示，組間比較采用單因素方差分析。P＜0.05 表示差異具有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 單一酶的多糖提取效果

單一酶輔助提取結果如圖1，木瓜蛋白酶提取桔梗多糖得率最佳，纖維素酶提取桔梗多糖得率最低。單一酶提取桔梗多糖的最佳加入量為纖維素酶2%、果膠酶為2%、木瓜蛋白酶為1.5%。

圖1 單一酶提取對多糖得率的影響Fig.1 Effect of single enzyme extraction on the yield of polysaccharides

2.2 復合酶配比對多糖提取效果的影響

復合酶法提取桔梗多糖的正交試驗結果如表3所示。由極差分析可知，改變纖維素酶的用量對多糖得率影響最大，果膠酶次之，木瓜蛋白酶影響最小。根據多糖得率進行篩選，可得到最佳復合酶配比為：纖維素酶2%、果膠酶2%、木瓜蛋白酶2%，此條件下的多糖得率達到8.251%。

表3 復合酶配比正交試驗結果Table 3 Orthogonal experimental results of compound enzyme ratio

2.3 復合酶提取單因素實驗結果

2.3.1 料液比對桔梗多糖得率的影響 根據圖2可以看出，隨著溶劑的增加，當料液比達到1:30 g/mL時桔梗多糖得率達到頂峰，可能是由于溶劑增多擴大了復合酶和桔梗粉末的接觸面積[21]，使多糖更容易提取；隨后出現下降趨勢，可能由于隨著溶劑的進一步增加，溶劑中的酶濃度逐漸被稀釋[22]，導致得率降低。選擇料液比為1:25、1:30、1:35 g/mL 進行后續(xù)響應面試驗。

圖2 料液比對多糖得率的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on polysaccharide yield

2.3.2 酶解時間對桔梗多糖得率的影響 根據圖3可以看出，當酶解時間達到90 min 時桔梗多糖得率達到頂峰，此時復合酶和桔梗粉末充分反應。隨著時間的進一步增加，得率出現下降趨勢，這是因為酶解時間過長，酶催化活性減弱，反而不利于多糖提取[23]。選擇酶解時間為60、90、120 min 進行后續(xù)響應面試驗。

圖3 酶解時間對多糖提取率的影響Fig.3 Effect of enzymolysis time on polysaccharide yield

2.3.3 酶解溫度對桔梗多糖得率的影響 根據圖4可以看出，在酶解溫度30～50 ℃內，隨著溫度的增加，多糖得率逐步上升。當酶解溫度達到50 ℃時桔梗多糖得率達到頂峰，該溫度可能是復合酶在實驗條件下的最適溫度。當酶解溫度繼續(xù)超過50 ℃，多糖得率出現下降趨勢，這是由于過高的溫度導致酶失活[24]。因此選擇酶解溫度為40、50、60 ℃進行后續(xù)響應面試驗。

圖4 酶解溫度對多糖得率的影響Fig.4 Effect of enzymolysis temperature on polysaccharide yield

2.4 復合酶提取工藝響應面試驗優(yōu)化結果

2.4.1 響應面優(yōu)化試驗結果 采用Design-Expert.8.0.6 軟件對數據進行回歸擬合，得桔梗多糖得率Y對各因素的多項回歸方程為：Y=9.49+0.29A+0.37B-0.041C-0.38AB-0.14AC-0.32BC-1.07A2-0.92B2-1.41C2，實驗結果如表4。

表4 響應面試驗設計及結果Table 4 Response surface experimental design and results

2.4.2 擬合模型的建立和數據分析 對模型進行方差分析，二項式回歸方程系數顯著性檢驗的結果見表5。整體模型的P＜0.0001，表明該二次方程模型極顯著，說明該模型具有統計學意義。A、B、AB、BC、A2、B2、C2的P值均小于0.05，表示模擬項顯著。失擬項P值不顯著（P＞0.05），模型相關系數R2=0.9234＞0.9，說明該模型擬合度較好，預測值與實測值之間有較好的相關性。各因素對多糖得率的影響大小依次為：料液比（B）＞酶解溫度（A）＞酶解時間（C）。

表5 二項式回歸方程系數顯著性檢驗Table 5 Significance of coefficients in second order regression equation

2.4.3 響應曲線分析及最佳工藝條件確定 以Design-Expert 8.0.6 的三維響應曲面來找出最佳優(yōu)化工藝，并判定料液比、酶解溫度和酶解時間對桔梗多糖得率的影響。如圖5 所示，響應曲面坡度的陡峭程度表示隨著影響因素的變化，各因素對桔梗多糖得率的交互作用程度和影響[25]，結合表5 的實驗結果可知，A 和B、B 和C 交互作用對得率影響顯著（P＜0.05），A 與C 交互作用對得率影響不顯著（P＞0.05）。

圖5 各因素交互作用的響應曲面3D 圖Fig.5 Response surface 3D diagram of various factors interacting

通過回歸模型的分析，以多糖得率為評價指標，確定復合酶法提取桔梗多糖的最佳工藝參數為：酶解時間88.78 min，料液比1:30.94 mL/g，酶解溫度51.04 ℃，桔梗多糖得率的最大預測值為9.53%。為操作簡便，將工藝修正為酶解時間90 min，料液比1:30 g/mL，酶解溫度50 ℃。在上述條件下，多糖實際得率為9.01%，預測值與實際值相對誤差較小，具有一定的實用價值。

2.5 桔梗多糖的分離純化

從桔梗根中提取的粗多糖經DEAE-Sepharose Fast Flow 離子柱層析洗脫，得到三個組分，按洗脫液濃度命名為：PGP-W、PGP-0.3、PGP-0.5。由圖6 可看出，0.3 和0.5 mol/L NaCl 洗脫得到的峰形較低，表明桔梗多糖主要由中性多糖構成。

圖6 桔梗粗多糖的DEAE-Sepharose Fast Flow 洗脫曲線Fig.6 Elution profiles of crude polysaccharide by DEAESepharose Fast Flow

將超純水洗脫的組分命名為PGP-W，繼續(xù)以Sephacryl S-300 凝膠柱純化。由圖7 可看出，洗脫曲線表現出近似尖銳的對稱峰，表明此時得到的桔梗多糖組分較純。合并峰對應的洗脫液，濃縮干燥后得到桔梗純化多糖PGP-W-1，進行后續(xù)研究。

圖7 PGP-W 的Sephacryl S-300 洗脫曲線Fig.7 Elution profiles of crude polysaccharide by Sephacryl S-300

2.6 PGP-W-1 純度鑒定及分子量測定

經測定PGP-W-1 的總糖含量為96.8%，蛋白質含量為1.92%，表明PGP-W-1 具有很高的純度。紫外-可見光譜顯示PGP-W-1 在260 和280 nm 波長均未觀察到明顯的吸收峰（圖8），進一步說明PGPW-1 的純度較高，與上述結果一致。

圖8 PGP-W-1 的紫外光譜圖Fig.8 Ultraviolet spectrum of PGP-W-1

使用HPLC-ELSD 系統檢測PGP-W-1 的均一性和分子量，如圖9 所示，單一對稱的峰表示PGPW-1 分子量分布均一。以葡聚糖標準品的保留時間為橫坐標，分子量對數值為縱坐標繪制標準曲線：lgMw=-1.0279t+13.69（R2=0.9998）。根據PGP-W-1 保留時間（9.779 min）計算出桔梗多糖分子量為6.2 kDa。

圖9 PGP-W-1 的分子量Fig.9 Molecular weight distribution of PGP-W-1

2.7 桔梗多糖單糖組成分析

如圖10 所示，通過與單糖標準品曲線對比得出，PGP-W-1 由甘露糖（Man），鼠李糖（Rha），葡萄糖（Glc），半乳糖（Gal），木糖（Xyl），阿拉伯糖（Ara）六種單糖組成，對應摩爾比為4.9:4.3:7.9:7.8:4.8:18.6。

圖10 PGP-W-1 的單糖組成Fig.10 Monosaccharide composition of PGP-W-1

2.8 桔梗多糖NMR 圖譜

核磁共振圖譜提供了碳水化合物的詳細結構信息，包括糖苷鍵的構型和連接方式。圖11 和圖12展示了PGP-W-1 在δH3.0～5.5 ppm 和δC60～110 ppm處的典型多糖信號，可看出PGP-W-1 同時具有α型糖苷鍵和β型糖苷鍵[26]。

圖11 PGP-W-1 的1H-NMR 圖譜Fig.11 1H-NMR spectra of PGP-W-1

圖12 PGP-W-1 的13C-NMR 圖譜Fig.12 13C-NMR spectra of PGP-W-1

1H-NMR 圖譜中，δH4.80 ppm 處的強信號峰是D2O 溶劑峰，δH3.2～4.3 ppm 范圍內出現的重疊信號為糖苷鍵上H-2～H-6 的質子信號積累。δH1.23 ppm為鼠李糖殘基的甲級質子信號峰[27]；δH5.45 ppm為α-1,4-Glcp 的H-1 信號；δH5.25 ppm 為α-1,3-Araf的H-1 信號；δH5.17 ppm 為T-α-Araf 的H-1 信號；δH4.68 ppm 為β-1,4-Glcp 的H-1 信號；δH4.52 ppm為β-1,3,4-Xylp 的H-1 信號[28]。

13C-NMR 圖譜中異頭碳區(qū)域存在6 個較為明顯的信號峰，分別為：δC103.36 ppm、δC103.03 ppm、

δC102.93 ppm、δC102.88 ppm、δC101.13 ppm、δC96.53 ppm，表明多糖中至少存在六種多糖殘基，這與單糖組成的結果一致，其中，δC60～90 ppm 范圍內出現的重疊信號為糖苷鍵上C-2～C-6 的質子信號積累[29]，其中，δC103.03 ppm 的C-1 信號與δC74.05 ppm的C-2 信號相結合歸屬于β-1,6-Glcp，δC96.53 ppm的C-1 信號與δC75.12 ppm 的C-6 信號相結合歸屬于α-1,4-Manp[30]。此外，在δC170～180 ppm 間未檢測到信號峰，表明PGP-W-1 不含糖醛酸，是一種中性多糖。PGP-W-1 在δC90 ppm 處無明顯信號，表明糖殘基為吡喃型糖環(huán)。

2.9 桔梗多糖的形貌特征

通過掃描電鏡在1000、2000、5000 倍下觀察了桔梗多糖的表面形貌。如圖13 所示，放大1000 倍時，多糖呈無規(guī)律的碎片狀，且形狀大小不一。放大2000 倍時，多糖表面邊緣褶皺且不規(guī)律。放大5000 倍時，可看出多糖呈光滑、層狀、片狀形貌，表面有邊緣褶皺。

2.10 桔梗多糖體外抗氧化活性

由圖14 可知，在相同濃度條件下，PGP-W-1 總還原力弱于維生素C。在0.125～4 mg/mL 范圍內，PGP-W-1 和維生素C 對DPPH 自由基、ABTS+自由基及羥基自由基的清除能力表現出劑量依賴性，其中，PGP-W-1 清除DPPH 自由基、ABTS+自由基以及羥基自由基的IC50值分別為2.14、2.25、0.78 mg/mL。在濃度為4 mg/mL 時，PGP-W-1 清除DPPH 自由基、ABTS+自由基及羥基自由基的能力達到維生素C 組的63.42%，66.99%，93.45%，表明PGP-W-1具有一定的抗氧化能力。

圖14 桔梗多糖的體外抗氧化能力Fig.14 In vitro antioxidant capacities of Platycodon grandiflorum polysaccharides

3 結論

在單因素實驗基礎上，通過響應面法優(yōu)化得到了復合酶提取桔梗多糖的最佳工藝，纖維素酶、果膠酶、木瓜蛋白酶的添加量為2%，酶解時間90 min，料液比1:30 mL/g，酶解溫度50 ℃，在此條件下，多糖實際提取率為9.01%±0.07%，多糖含量達92%±0.76%。該工藝提取技術簡易，產品純度高，是一種提取桔梗多糖的高效方法，適合用于工業(yè)化生產。

桔梗粗多糖經DEAE-Sepharose Fast Flow 和Sephacryl S-300 層析柱純化后，得到均一組分PGPW-1，紫外光譜顯示其純度較高，基本不含核酸和蛋白質等雜質。PGP-W-1 是分子量為6.2 kDa 的中性多糖，由甘露糖、鼠李糖、葡萄糖、半乳糖、木糖和阿拉伯糖組成。核磁共振圖譜顯示PGP-W-1 為吡喃糖環(huán)，同時具有α型糖苷鍵和β型糖苷鍵。體外抗氧化試驗顯示PGP-W-1 對DPPH 自由基、ABTS+自由基和羥基自由基清除率IC50值分別為2.14、2.25、0.78 mg/mL，表明桔梗多糖具有作為天然抗氧化劑的潛力。該研究為復合酶法在桔梗多糖提取中的應用提供了理論基礎，同時為桔梗在工業(yè)生產中的資源利用提供了重要參考。