蒼耳子多糖的理化性質與生物學活性研究

施 洋, 熊善強, 胡曉波, 張競成, 劉 詠, 王軍輝,

(1.合肥工業大學 農產品生物化工教育部工程研究中心,安徽 合肥 230601; 2.合肥工業大學 食品與生物工程學院,安徽 合肥 230601; 3.合肥工業大學 分析測試中心,安徽 合肥 230009)

多糖是一種廣泛存在于動物、植物以及微生物中的天然生物大分子[1]。文獻[2]從不同材料中分離出的多糖皆具有多種生物學活性,包括抗氧化、抗炎、抗腫瘤以及免疫調節活性等。植物多糖具有多種藥理活性且無毒性的特點引起了廣泛關注,近年來有關植物多糖結構和活性鑒定的研究較多，如具有免疫調節活性的人參多糖[3]、具有抗炎活性的辣木根多糖等[4]。研究表明,植物多糖可作為潛在的功能性食品或藥物成分以替代具有明顯副作用的化學合成藥物。

蒼耳子(FructusXanthii)為草本菊科植物蒼耳(XanthiumsibiricumPatrinexWidder)的帶總苞果實,含有豐富的營養成分,如多糖、亞油酸、蒼耳苷以及醇、酯、酸等多種揮發油[5]。作為一種常見中草藥,具有抗炎、抗病毒、抗氧化以及抗菌等多種藥理作用[6],但由于對蒼耳子現有研究較少,其應用與推廣受到限制,大大降低了蒼耳子的藥用價值,造成了資源浪費與經濟損失。因此,有必要通過理化性質和生物學活性方面的探索,綜合利用蒼耳子多糖,以開發保健品和藥品。

我國蒼耳子分布極其廣泛,但目前對蒼耳子的研究主要集中于提取優化和化學成分分析[7-8],有關提取方法對多糖理化性質和生物學活性影響的報道并不多。本文旨在以蒼耳子作為原材料,通過清除自由基、氣相色譜(gas chromatography,GC)以及傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)等方法探究不同方法提取的多糖理化性質和生物學活性的差異,該研究為蒼耳子多糖的研究和開發提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蒼耳子購自于安徽省亳州市弘揚中藥店,并經合肥工業大學王軍輝教授鑒定屬菊科植物蒼耳帶總苞果實。

主要試劑有牛血清蛋白、考馬斯亮藍G-250、無水乙醇、正丁醇、三氯甲烷、甲醇、硼氫化鈉、水楊酸、氯仿、冰醋酸等，均為分析純。購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 蒼耳子多糖的提取

1.2.1 蒼耳子原料預處理

將干燥的蒼耳子經高速藥物粉碎機粉碎,過80目篩,置于索氏提取器中用丙酮溶液脫色脫脂后烘干備用。

1.2.2 順序提取蒼耳子多糖

將1 g蒼耳子粉末與20 mL去離子水混合,沸水提取2 h,過濾獲得濾液和濾渣,重復提取2次,再將濾液濃縮、離心、Sevag法脫蛋白、80%乙醇醇沉24 h、透析和凍干,獲得多糖WXP。然后將濾渣用2 000 mL濃度為0.05 mol/L的EDTA、醋酸鈉和草酸鈉溶液在70 ℃下恒溫水浴2 h,過濾后重復上述步驟獲得螯合劑提多糖CXP。隨后,再依次使用0.05、1.00 mol/L的NaOH溶液在4 ℃下浸提濾渣2 h,過濾獲得濾液,使用乙酸中和濾液至pH=7,重復提取2次,再將濾液濃縮、離心、Sevag法脫蛋白、80%乙醇醇沉24 h、透析和凍干,獲得多糖BXP、AXP。

1.3 蒼耳子多糖的理化性質研究

1.3.1 化學成分測定

采用苯酚-硫酸法測多糖質量分數[9],考馬斯亮藍法測定蛋白質質量分數[10],咔唑比色法測定糖醛酸質量分數[11]。

1.3.2 單糖組成分析

根據文獻[12]的方法并加以修改,稱取5 mg樣品于安瓿瓶中,加入4 mL TFA(3 mL TFA和16.5 mL水),封管,110 ℃水解4 h,使用甲醇共蒸除去TFA,再加入3 mL超純水將水解后的多糖完全溶解,加入30 mg硼氫化鈉室溫還原3 h后,將過量的硼氫化鈉通過25%乙酸中和,使用甲醇共蒸后,放于120 ℃烘箱中30 min以除去水分,再加入4 mL乙酸酐與3 mL吡啶于100 ℃下反應1 h,通過甲苯共蒸以除去乙酸酐,使用3 mL氯仿萃取乙?；a物,并數次加入等量蒸餾水洗滌氯仿層直至水層澄清,加入適量無水Na2SO4以除盡水分,取1 mL過有機濾膜(孔徑為0.22 μm)后移到進樣瓶,通過氣相色譜(gas chromatography,GC)分析測定蒼耳子多糖的單糖組分。

1.3.3 FTIR分析

根據文獻[13]的方法并加以修改,采用壓片法,使用Nicolet Nexus 67 FTIR光譜儀在 400～4 000 cm-1區內進行紅外光譜掃描。

1.4 生物學活性研究

1.4.1 DPPH自由基清除能力

分別配制1 mL的 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mg/mL樣品溶液,與2 mL 0.02 mg/mL的DPPH-乙醇溶液混合均勻,放于暗處靜置反應30 min。在517 nm處測定吸光度,以蒸餾水為空白對照,以Vc為陽性對照。清除率計算公式為:

清除率=[1-(Ai-Aj)/A0]×100%,

其中:Ai為蒼耳子多糖溶液與DPPH溶液的吸光度;Aj為蒼耳子多糖溶液與乙醇溶液的吸光度;A0為蒸餾水與DPPH溶液的吸光度。

1.4.2 羥基自由基清除能力

分別配制1 mL的 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mg/mL樣品溶液,依次加入1 mL 9 mmol/L的FeSO4溶液、1 mL 9 mmol/L的水楊酸-乙醇溶液以及0.05 mL質量分數0.024%的H2O2溶液,37 ℃水浴30 min,在510 nm處測定吸光度。蒸餾水為空白對照,Vc作為陽性對照。清除率計算公式如下:

清除率=[1-(Am-An)/A1]×100%,

其中:Am為蒼耳子多糖溶液與反應試劑的吸光度;An為蒼耳子多糖溶液與蒸餾水的吸光度;A1為蒸餾水與反應試劑的吸光度。

1.4.3 ABTS自由基清除能力

取10 mL 7 mmol/L的ABTS水溶液與10 mL 2.45 mmol/L的過硫酸鉀水溶液混合后避光反應12 h,再使用蒸餾水稀釋,至734 nm處吸光度為0.7,得ABTS工作液。分別配制200 μL的1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mg/mL樣品溶液,各加入4 mL ABTS工作液,避光反應10 min,在734 nm處測定吸光度。以蒸餾水為空白對照,以Vc為陽性對照。清除率計算公式為:

清除率=[1-(As-At)/A2]×100%,

其中:As為蒼耳子多糖溶液與ABTS工作液的吸光度;At為蒼耳子多糖溶液與蒸餾水的吸光度;A2為蒸餾水與ABTS工作液的吸光度。

1.4.4 細胞培養

在37 ℃、5% CO2的恒溫培養箱中,在含有體積分數10%FBS和100 U/mL青霉素的DMEM中培養RAW264.7巨噬細胞,更換細胞液2 d/次。將細胞密度調整至1×105個/mL進行實驗。

1.4.5 細胞活力的測定

將細胞以每孔90 μL接種于96孔板中,孵育24 h后,將終質量濃度為12.5、25.0、50.0、100.0、200.0、400.0 μg/mL的樣品溶液添加到每個孔中(10 μL),繼續培養24 h。培養基作為空白對照。分別加入20 μL的MTT試劑(5 μg/mL)混勻并繼續培養4 h,吸除孔板中液體后快速加入200 μL DMSO溶液并避光振動10 min。在570 nm處測定吸光度,并計算增殖指數。

1.4.6 NO的測定

細胞接種方法與1.4.5節相同。接種后培養24 h,將終質量濃度為12.5、25.0、50.0、100.0、200.0、400.0 μg/mL的樣品溶液添加到每個孔中(10 μL),孵育2 h后加入1 μL終質量濃度為1 μg/mL的LPS,繼續培養24 h后收集上清液。使用Griess試劑進行檢測,在540 nm處測定吸光度。本實驗中，選用未加LPS的DMEM組為空白對照組，LPS組為陽性對照組。

1.5 統計分析方法

所有實驗均重復3次以上,采用Origin 8.0軟件作圖并進行分析,數據以(平均值±標準差)表示。不同組之間的差異通過單向方差分析(ANOVA)進行評估。統計結果中,*P<0.05表示存在差異，**P<0.01表示差異顯著。

2 結果與討論

2.1 蒼耳子多糖化學組成分析

4種多糖組分的化學成分分析結果見表1所列。從表1可以看出，4種多糖組分WXP、CXP、BXP、AXP的總糖質量分數分別為54.2%、68.3%、53.9%、45.9%,蛋白質質量分數分別為12.7%、7.3%、15.4%、21.5%,糖醛酸質量分數分別為9.3%、12.0%、10.3%、5.3%。順序提取法按提取極性由弱到強的順序提取蒼耳子多糖,因為提取極性的不同,4種提取方法提取多糖的部位也有區別,所以成分上的差異可能是由不同提取方法導致的。

通過GC測定4種蒼耳子多糖的單糖組成,可以看出WXP、CXP、BXP、AXP均為雜多糖,WXP、BXP、AXP由鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖以及半乳糖組成,CXP由鼠李糖、阿拉伯糖、木糖及葡萄糖組成,其單糖比例均不相同。已有研究表明,單糖組成及其比例與提取方法密切相關[14]。

通過比較可以發現,WXP中含有大量的木糖,這可能是由于熱水提取時,高溫使連接于細胞膜表面的糖蛋白脫離,其所含有的木糖被大量釋放。堿提多糖BXP、AXP中木糖質量分數均顯著降低,但半乳糖質量分數明顯增加。半乳糖是細胞壁的主要組成成分,其半乳糖比例的增加可能是由于堿溶液對細胞壁的降解。4種蒼耳子多糖均含有高比例的阿拉伯糖,表明阿拉伯糖是構成4種多糖組分主要結構的重要成分。

表1 4種多糖組分的化學組成及其質量分數 單位:%

2.2 FTIR分析

4種多糖的FTIR如圖1所示。

圖1 4種多糖組分的FTIR譜圖

從圖1可以看出,4種多糖組分表現出相似的吸收峰,均有顯著的多糖結構。4種組分在3 410 cm-1和2 925 cm-1處均有強吸收峰,這主要是由于O—H的伸縮振動和C—H的伸縮振動引起的,這說明蒼耳子多糖中均含有大量的羥基[15]。1 650 cm-1附近為C=O的伸縮振動峰,推測多糖中可能含有—CHO。1 420 cm-1處的吸收峰歸因于糖環上的O—H變形振動,1 000～1 100 cm-1范圍內的存在吸收峰表明存在吡喃糖,860 cm-1附近的信號對應于β-糖苷鍵。

2.3 生物學活性

2.3.1 抗氧化活性研究

蒼耳子多糖的抗氧化結果如圖2所示。

圖2 DPPH自由基、羥基自由基和ABTS自由基清除率

從圖2可以看出,在質量濃度在1.0～5.0 mg/mL范圍內,隨著多糖質量濃度的增加,4種組分的抗氧化活性呈劑量依賴性提高,當質量濃度為5.0 mg/mL時達到最大。通過比較4種組分在DPPH自由基清除率、羥基自由基清除率、ABTS自由基清除率上的表現,可以看出在質量濃度范圍內AXP均表現出優良的抗氧化活性,最高自由基清除率可達到92.7%、77.5%、99.9%。

WXP和BXP除DPPH自由基清除能力略差于AXP外,在羥基自由基和ABTS自由基的清除能力上與AXP相似。而CXP的清除能力明顯弱于其他3種多糖。

據報道,糖醛酸質量分數對多糖的抗氧化活性有很大影響[16],然而CXP的潛在抗氧化活性顯著低于AXP,已有研究表明抗氧化活性還與半乳糖有關[17],因此這一現象可能是由于CXP缺少半乳糖導致的。而糖醛酸質量分數較低的AXP由于具有高質量分數的半乳糖表現出優良的抗氧化活性。結果表明,半乳糖在抗氧化中起著更為重要的作用。

2.3.2 抗炎活性

4種多糖組分對RAW264.7細胞活性和NO生成的影響如圖3所示。

圖3 多糖組分對RAW264.7細胞活性和NO生成的影響

從圖3a可以看出,與空白對照組相比,4種蒼耳子多糖對巨噬細胞均未表現出細胞毒性。在多糖質量濃度較低時(12.5～50.0 μg/mL),CXP與BXP顯著促進RAW264.7細胞的增殖;當質量濃度較高時(100.0～400.0 μg/mL),WXP的促進作用明顯優于其他多糖。據此,確定蒼耳子多糖質量濃度范圍25.0～400.0 μg/mL用于后續實驗。

從圖3b可以看出,加入蒼耳子多糖后,NO的產生量明顯減少。在質量濃度范圍內,4種組分對NO的抑制能力具有明顯的質量濃度依賴性,當質量濃度為400.0 μg/mL時,NO的釋放量減少近50%。

已有研究發現β-糖苷鍵是多糖中的主要活性成分[18],FTIR表明CXP具有β-糖苷鍵,這可能是CXP在缺少半乳糖的情況下依然具有優良抗炎活性的原因。結果表明,蒼耳子多糖能有效抑制LPS誘導的巨噬細胞產生NO,達到抗炎的效果。

3 結 論

本文采用順序提取法提取出4種蒼耳子多糖WXP、CXP、BXP、AXP,并研究了提取方法對其理化性質以及生物學活性的影響。結果表明,4種多糖組分的總糖質量分數、蛋白質質量分數以及糖醛酸質量分數存在明顯差別。受提取方法影響,4種多糖組分的單糖組成比例均不相同。通過評估蒼耳子多糖的生物學活性,發現抗氧化活性與半乳糖質量分數有關,半乳糖質量分數較高的WXP、AXP、BXP展現出較高的抗氧化活性,而缺少半乳糖的CXP的抗氧化活性明顯弱于其他3個組分。

在抗炎活性的研究中,4種多糖組分對NO的抑制能力具有明顯的質量濃度依賴性,當質量濃度達到400.0 μg/mL時,NO的釋放量減少近50%。

研究結果表明,不同提取方法對蒼耳子多糖的理化性質與生物學活性產生影響,有必要在分子水平上進一步研究。