水不溶性條斑紫菜多糖酸水解的研究

王靈昭，周曉婉，汪維喜，王紀豐，呂玲玲，舒留泉，姚興存，吳勝軍，焦宇，王玉良

1(淮海工學院 江蘇省海洋生物技術重點實驗室/海洋生命與水產學院,江蘇 連云港,222005) 2 (連云港西墅物產有限責任公司,江蘇 連云港,222042)

水不溶性條斑紫菜多糖酸水解的研究

王靈昭1,2*，周曉婉1，汪維喜2，王紀豐1，呂玲玲1，舒留泉1，姚興存1，吳勝軍1，焦宇1，王玉良1

1(淮海工學院 江蘇省海洋生物技術重點實驗室/海洋生命與水產學院,江蘇 連云港,222005) 2 (連云港西墅物產有限責任公司,江蘇 連云港,222042)

小分子多糖水解產物能夠克服大分子多糖溶解性差、生物利用率低的不足。文中對水不溶性條斑紫菜多糖的鹽酸水解進行研究。結果表明，鹽酸水解多糖的最適條件為，酸濃度0.050 mol/L，溫度80 ℃，時間2.0 h。水解產物中還原糖占總糖的0.24%，低聚糖產物可能為二糖或三糖。產物的紅外光譜分析表明粉狀樣品是含硫酸基的β-糖苷鍵連接的吡喃型低聚糖，其具有糖環內醚結構。產物的紫外光譜分析表明粉狀樣品含有蛋白質，進一步分析表明樣品含有蛋白質6.88%、總糖88.92%。

條斑紫菜；水不溶性多糖；酸水解；紅外光譜；紫外光譜

干紫菜含25%～50%的蛋白質(藻膽蛋白占紫菜干重的4%左右)，20～40%的糖類[1-2]。藻膽蛋白具有抗腫瘤、增強免疫力、抗氧化、抗衰老等生物活性，在食品、藥品和化妝品領域具有廣闊的潛在市場[3]。紫菜多糖具有免疫調節、降血脂、降血糖、抗凝血、消炎、抗疲勞、抗衰老、抗輻射、抗流感病毒、抗癌等生物學功能，在食品、藥品和化妝品領域具有廣闊的應用前景[3-5]。因此，從含量及應用價值來看，紫菜的高值化利用應重點關注藻膽蛋白和多糖。

目前，對紫菜藻膽蛋白和多糖的開發，普遍以干紫菜為原料或將鮮紫菜干燥后進一步研究[6-10]。這種作法存在弊端：一是干燥可能會導致蛋白質變性而降低藻膽蛋白的活性；二是10～13 kg的鮮紫菜干燥后僅能得到1 kg干紫菜，且干燥過程會消耗大量熱能。因此，研究以鮮紫菜為原料制備藻膽蛋白和多糖的技術具有實際意義和價值。筆者提出了一種以鮮紫菜為原料，同時制備藻膽蛋白和多糖的新技術，但該技術體系產生水不溶性紫菜多糖[11]。多糖水解產物具有增強免疫、抗腫瘤、降血糖、降血壓、增強機體免疫等生理作用[12]，尤其是其水解產物分子質量小的優點能夠克服大分子多糖溶解性差、生物利用率低的不足[13]。因此，本文重點研究水不溶性紫菜多糖的酸水解，以開發條斑紫菜中的水不溶性多糖。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

條斑紫菜(Porphyrayezoensis)：由連云港西墅物產有限責任公司提供。試劑純度為分析級或更高級。

1.2儀器與設備

PS100型平板式離心機，張家港市樂余潤捷機械廠；MTK 662型斬拌機，馬多(北京)機械制造有限公司；CMD2000/4高剪切研磨分散機，切可(上海)機械設備有限公司；MS1001L2K高壓均質機，意大利GEA Nliro Soavi公司；CR-22N流體離心機，日本日立儀器有限公司；多用途臺式高速冷凍離心機，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；Agileng1200高效液液相色譜儀，安捷倫科技有有限公司；Alltech3300蒸發光散射檢測器，美國格瑞斯公司；Nexus-870傅立葉變換紅外光譜儀，美國NICOLET公司；769YP-15A壓片機，北京天創尚邦儀器有限公司；Lambda35紫外/可見分光光度計，美國Perkin Elmer公司。

1.3實驗方法

1.3.1 水不溶性條斑紫菜多糖的制備

以鮮條斑紫菜為原料制備藻膽蛋白和多糖的技術路線參照前期研究[11]，做如圖1所示的改動。如圖1所示，將采收的條斑紫菜離心脫水后于-20 ℃下凍藏備用。將凍藏紫菜斬拌，加入pH 8.0的KH2PO4-NOH緩沖液(緩沖液/紫菜質量比=1/1)于40 ℃下溶脹9 h，用高剪切研磨分散機超微粉碎后加水稀釋(物料/水(質量比)=1/1)，然后于80 MPa下高壓均質。將均質后的物料用流體離心機離心，獲得的沉淀物即為水不溶性紫菜多糖，用于酸水解研究。

圖1 制備藻膽蛋白和多糖的技術路線Fig.1 Technical route for preparingphycobiliproteins and polysaccharides

1.3.2 紫菜多糖酸水解的影響因素

1.3.2.1 酸濃度對多糖水解的影響

加水稀釋不溶性紫菜多糖的干物質含量至3%，然后加入HCl使體系的酸濃度分別達到0.010、0.025、0.050、0.075、0.100 mol/L。體系在75 ℃下反應1 h，冷卻至室溫，用NaOH溶液調節至pH值7.0，離心得上清液，分析上清液中的總糖含量。

1.3.2.2 溫度對多糖水解的影響

加水稀釋不溶性紫菜多糖的干物質含量至3%，然后加入HCl使體系的酸濃度達到0.050 mol/L。體系分別在65、70、75、80、85 ℃下反應1 h，冷卻至室溫，用NaOH溶液調節至pH 7.0，離心得上清液，分析上清液中的總糖含量。

1.3.2.3 時間對多糖水解的影響

加水稀釋不溶性紫菜多糖的干物質含量至3%，然后加入HCl使體系的酸濃度達到0.050 mol/L。體系在80 ℃下分別反應0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h，冷卻至室溫，用NaOH溶液調節至pH 7.0，離心得上清液，測定上清液中的總糖含量。

以溶出率為指標衡量水不溶性紫菜多糖的酸水解，其定義為上清液中總糖含量占所消耗的水不溶性紫菜多糖中干物質含量的百分比。

1.3.3 水解率及產物中低聚糖組分分析

測定最適酸水解條件下上清液的還原糖含量，分析水解率。水解率定義為上清液中還原糖含量占總糖含量的百分比。

將上清液樣品真空旋轉蒸發至原體積的1/5，用4倍體積的95%乙醇醇沉12 h，離心處理去除上清液。添加少量丙酮搖勻后重復上述操作，再加無水乙醇重復上述操作。然后，樣品置通風櫥中通風30 min，于45～55 ℃下干燥后將粉狀樣品置于干燥器中備用。采用高效液相色譜-蒸發光散射法分析粉狀樣品中低聚糖分子質量分布，取麥芽糖(Mr=342.30)，葡萄糖(Mr=180.16)作為對照品。色譜條件：ZORBAX NH2色譜柱，柱溫30 ℃；進樣量10 μL；流動相：V(乙腈)∶V(水)=70∶30，流速1 mL/min； 蒸發光散射器參數：漂移管溫度80 ℃，N2流速2.0 L/min。

1.3.4 產物的紅外光譜分析

粉狀樣品的紅外光譜分析采用KBr壓片法，薄片放入紅外光譜儀中進行4 000～400 cm-1范圍的掃描。

1.3.5 產物的紫外光譜、蛋白質含量及總糖含量分析

將粉狀樣品配成0.05 g/L樣液，然后用紫外掃描儀進行200～400 nm的掃描。采用Bradford法測定粉狀樣品的蛋白質含量。此外，分析粉狀樣品的總糖含量。

1.3.6 化學及統計分析

2 結果與討論

2.1紫菜多糖酸水解的影響因素研究

2.2.1 酸濃度對多糖水解的影響

由圖2可知，酸濃度為0.050 mol/L時溶出率最大，酸濃度為0.075 mol/L時溶出率次之，但兩者的差異不顯著(p>0.05)。但是，酸濃度為0.025或0.100 mol/L時，溶出率均比0.050 mol/L酸濃度時的溶出率顯著降低(p<0.05)。糖類化合物在酸和熱的作用下，能夠發生復合和分解反應而生成一些非糖類化合物。根據苯酚硫酸法測總糖的原理，這些反應會降低總糖的測定值，因此酸濃度過高會導致溶出率降低。綜合考慮，最適酸濃度為0.050 mol/L。

圖2 酸濃度對多糖水解的影響Fig.2 Effect of acid concentration on polysaccharide hydrolysis注：標有不同字母的指標值具有顯著性差異(p<0.05)。圖3、圖4同。

2.2.2 溫度對多糖水解的影響

由圖3可知，不超過80 ℃時，溶出率隨著溫度的增加而顯著增加(p<0.05)；85 ℃比80 ℃的溶出率有所增加，但不顯著(p>0.05)。多糖酸水解的溫度過高，反而會導致糖類化合物發生脫水反應，生成糠醛、羥甲基糠醛和酚類等副產物，使總糖收率下降，且溫度過高耗費能量大。綜合考慮，最適溫度為80 ℃。

圖3 溫度對多糖水解的影響Fig.3 Effect of temperature on polysaccharide hydrolysis

2.2.3 時間對多糖水解的影響

由圖4可知，不超過2.0 h時，溶出率隨著時間的增加而顯著增加(p<0.05)；2.5 h比2.0 h的溶出率有所增加，但不顯著(p>0.05)。時間過長，水解液會產生一些非糖類化合物，且糖類化合物容易碳化而導致總糖收率降低。綜合考慮，最適時間為2.0 h。

圖4 時間對多糖水解的影響Fig.4 Effect of time on polysaccharide hydrolysis

2.2水解率及產物中低聚糖組分分析

水解率的分析結果為(0.24±0.11)%。根據水解率的定義可知，水解產物的上清液中還原糖含量占總糖含量的百分比為0.24%，還原糖含量較低。水解率較低的原因可能在于水解過程中糖類物質的自由醛基或酮基易被氧化所致，也可能在于水解產物多為非還原糖，相關解釋需要深入研究。

采用高效液相色譜法分析產物中低聚糖組分。如圖5所示，圖5-A和5-B分別是對照品(葡萄糖、麥芽糖)和水解物樣品的色譜圖。由圖5-A可知，葡萄糖和麥芽糖的保留時間分別為10.597 min和12.874 min；由圖5-B可知，水解物樣品僅在13.817 min處出峰，說明產物中低聚糖組分單一。氨基柱已成功地用于低分子糖的分析，乙睛-水作為流動相時的出峰順序為單糖、雙糖和較高聚合度的低聚糖[14]。植物多糖的鹽酸水解得到的寡糖主要為單糖和雙糖，四糖以上的寡糖含量非常低[12]。因此，由圖5中的保留時間可知，產物中低聚糖可能是雙糖或三糖，其結構信息需要深入研究。

圖5 對照品(A)和水解物樣品(B)的高效液相色譜Fig.5 High performance liquid chromatography of control samples (A) and hydrolysate sample (B)

2.3產物的紅外光譜分析

圖6 紅外光譜Fig.6 Infrared spectrum

2.4產物的紫外光譜、蛋白質含量及總糖含量分析

由圖7可知，在260～280 nm附近有明顯吸收峰，說明樣品含有蛋白質。采用Bradford法測定樣品的蛋白質含量，結果表明粉狀樣品含有蛋白質(6.88±0.07)%，該結果驗證了紅外光譜1 655 cm-1處吸收峰表明的是酰胺鍵中N—H鍵的變角振動，其強吸收峰說明了樣品含有較高的蛋白質。此外，粉狀樣品含有總糖(88.92±0.49)%。

圖7 紫外光譜Fig.7 Ultraviolet spectrum

3 結論

采用鹽酸水解水不溶性紫菜多糖，研究了多糖酸水解的影響因素、水解率、低聚糖組成，以及產物的紅外光譜、紫外光譜和蛋白質含量等問題。結果表明，多糖酸水解的最適條件為：酸濃度0.050 mol/L，溫度80 ℃，時間2.0 h。水解產物中還原糖占總糖的0.24%，產物為低聚合度的二糖或三糖。產物的紅外光譜分析表明粉狀樣品是含硫酸基的β-糖苷鍵連接的吡喃型低聚糖，其具有糖環內醚結構。產物的紫外光譜分析表明粉狀樣品中含有蛋白質，進一步分析表明樣品含有蛋白質6.88%、總糖88.92%。研究工作對高值化開發條斑紫菜時產生的水不溶性多糖的再利用具有重要價值。

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Investigationofacidhydrolysisofwater-insolublepolysaccharidefromPorphyrayezoensis

WANG Ling-zhao1,2*,ZHOU Xiao-wan1,WANG Wei-xi2, WANG Ji-feng1,LYU Ling-ling1,SHU Liu-quan1,YAO Xing-cun1, WU Sheng-jun1,JIAO Yu1,WANG Yu-liang1

1(Jiangsu Key Laboratory of Marine Biotechnology/College of Marine Life and Fisheries, Huaihai Institute of Technology,Lianyungang 222005,China) 2(Lianyungang Xishu Material Co.,Ltd.,Lianyungang 222042,China)

Small molecular weight hydrolysates from polysaccharide hydrolysis are better than big molecular weight polysaccharides on the solubility and bioavailability. In this work, the hydrolysis of water-insoluble polysaccharides fromPorphyrayezoensiswas investigated using hydrochloric acid method. The optimal conditions for hydrolyzing polysaccharides were determined as: acid concentration 0.050 mol/L, 80 ℃ reacted for 2.0 hours. In the hydrolysates, the ratio of reducing sugar to total sugar was 0.24%, and the oligosaccharide product could be disaccharide or trisaccharide. The infrared spectrum of powder hydrolysates showed they were pyranoses with sulphuric groups, β-glucosidic bonds and cyclic ether structure. The ultraviolet spectrum of powder hydrolysates showed they contained proteins, and further analysis demonstrated the powder hydrolysates contained 6.88% protein, and 88.92% total sugar.

Porphyrayezoensis; water-insoluble polysaccharide; acid hydrolysis; infrared spectrum; ultraviolet spectrum

博士，副教授(本文通訊作者，E-mail：wanglz@hhit.edu.cn)。

連云港市科技項目(CXY1419)；連云港市科技項目(CN1503)

2017-04-13，改回日期：2017-05-23

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.014521