摘要:硫代葡萄糖苷是衡量油菜子粒品質(zhì)的一個(gè)主要指標(biāo),油菜品質(zhì)育種依賴(lài)于檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。作者對(duì)硫代葡萄糖苷的測(cè)定方法進(jìn)行了分類(lèi)與分析,并提出了現(xiàn)有技術(shù)所存在問(wèn)題與改進(jìn)設(shè)想。
關(guān)鍵詞:硫代葡萄糖苷;檢測(cè)技術(shù);測(cè)定
中圖分類(lèi)號(hào):S565.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2011)07-1301-04
Review on Analytical Methods for Glucosinolates in Rapeseed
LIU Nian,MENG Da-qing,TANG Tian-ze,LI Zhi-fan,XU Lan
(Mianyang Institute of Agricultural Science, Mianyang 621023,Sichuan,China)
Abstract: The content of glueosinolates is a key indicator of rape seed quality, the analytical methods of which are the bases of quality breeding. The development and comparasion of the analytical techniques for glucosionolates determination were presented. Then the existing technical problems and the vision of improvement was pointed out.
Key words: glueosinolates; analytical technique; determination
我國(guó)油菜播種的總面積和總產(chǎn)量都位于世界首位,約占世界油菜的30%[1]。油菜子加工食用植物油后可獲得菜子餅粕,菜子餅粕富含氨基酸且組成合理,其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、消化率等都高于大豆蛋白,是優(yōu)質(zhì)飼料蛋白資源。但是由于菜子餅粕中含有硫代葡萄糖苷(Glucosinolate,以下簡(jiǎn)稱(chēng)硫苷),它在水解酶作用下會(huì)分解產(chǎn)生異硫氰酸酯(ITC)、惡唑烷硫酮(OZT)及腈等有毒物質(zhì),影響動(dòng)物健康,使得器官組織形態(tài)發(fā)生改變,更為嚴(yán)重者甚至可能造成牲畜中毒死亡,影響餅粕的飼用效果和價(jià)值[2]。因此,在油菜品質(zhì)育種過(guò)程中需降低硫苷含量。為降低硫苷,首先需要精確測(cè)定其在油菜子中的含量。所以,發(fā)展先進(jìn)實(shí)用的硫苷檢測(cè)技術(shù)意義重大[3]。
硫苷由磺酸肟部分(Sulfonated oxime)、β-硫代葡萄糖(β-thio-glucose)和一個(gè)可變的側(cè)鏈(R,Side-chains)三部分構(gòu)成。R基團(tuán)是硫苷的可變部分,R基團(tuán)不同,硫苷的種類(lèi)和性質(zhì)也就不同[4]。由于硫苷結(jié)構(gòu)的多樣化和降解產(chǎn)物的多變性使得對(duì)其精確分析很難。但是經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的研究和改進(jìn),已經(jīng)逐步形成了多種可行的硫苷測(cè)定技術(shù)。
根據(jù)被分析的對(duì)象,硫苷的分析測(cè)定方法可分為間接測(cè)定和直接測(cè)定。間接測(cè)定是測(cè)定硫苷降解產(chǎn)物從而計(jì)算硫苷的含量;直接測(cè)定是測(cè)定完整硫苷的含量[5]。常用的方法有:重量法、葡萄糖試紙法、麝香草酚法、紫外分光光度法、比色法、氣相色譜、高壓液相色譜等[6]。
1間接測(cè)定硫苷含量
硫苷在酶的作用下解離得到一分子葡萄糖,一分子硫酸鹽和一分子有害化合物,通過(guò)測(cè)定降解產(chǎn)物或衍生物的量,即可獲得硫苷總量[7]。
1.1測(cè)定解離產(chǎn)物葡萄糖
1.1.1葡萄糖試紙法利用醫(yī)用尿糖測(cè)試試紙,檢查油菜子中的葡萄糖。具體做法為:將10粒左右菜子碾碎后加少量蒸餾水,取1 cm左右長(zhǎng)度的試紙浸入,根據(jù)試紙變色程度粗略確定葡萄糖的含量。該方法具有操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)快速等特點(diǎn),適用于育種早期世代低硫材料的篩選[8]。在該方法的基礎(chǔ)上,日本學(xué)者山守城進(jìn)行了改進(jìn),將雙面膠帶貼在有機(jī)玻璃板上并形成“井”字狀,測(cè)定時(shí)放上油菜子1~5粒,用小錘砸碎,然后加適量蒸餾水,再浸入大約0.7 cm的試紙,每個(gè)材料做適當(dāng)重復(fù),比較變色的程度[15]。
1.1.2麝香草酚法由波蘭學(xué)者Brzeninski和Mendelewsi于1984年建立,利用DEAE葡聚糖A25層析微柱提純硫苷。麝香草酚在濃硫酸作用下,與硫苷中的β-硫代葡萄糖殘基發(fā)生顏色反應(yīng),用葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)工作曲線,當(dāng)測(cè)出未知樣品生成的顏色在最大吸收波長(zhǎng)下的吸光度,就可以由葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線求得硫苷的含量。1987年戈蘭英[9]提出采用丙烯基硫苷或已知硫苷含量的餅粕在與樣品處理相同的操作條件下制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,避免了用葡萄糖作標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí),不經(jīng)吸附和洗脫帶來(lái)的誤差。此方法測(cè)定所需試劑較普通,操作簡(jiǎn)單,結(jié)果較為準(zhǔn)確,但麝香草酚與硫酸溶液中碳水化合物、DEAE離子交換樹(shù)脂也能起顯色反應(yīng),因此,測(cè)定過(guò)程中對(duì)實(shí)驗(yàn)用具的清潔度要求特別嚴(yán)格,如有極微量的樹(shù)脂漏出便會(huì)引起較大的測(cè)定誤差;濃硫酸廢液處理不當(dāng)會(huì)危害人體,污染環(huán)境;該方法所需試劑如葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液、硫酸溶液均需新鮮配制。
1.1.3蒽酮比色法油菜子中硫苷在內(nèi)源酶作用下產(chǎn)生葡萄糖,采用蒽酮葡萄糖比色法間接計(jì)算硫苷的總量。該方法操作簡(jiǎn)便、快速、節(jié)約樣品,適合于育種中低世代材料的分析[10]。
1.1.43,5-二硝基水楊酸比色法以3,5-二硝基水楊酸作為顯色劑,測(cè)定硫苷在內(nèi)源酶的作用下產(chǎn)生的葡萄糖含量,間接計(jì)算硫苷的總量。該方法操作簡(jiǎn)便,試劑和儀器設(shè)備簡(jiǎn)單,不需要脫脂處理。但該方法選用的試劑有毒性,酶解時(shí)間是關(guān)鍵,是否徹底酶解將直接影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)硫苷含量較低的材料靈敏度較差,且測(cè)定時(shí)需要的試劑每次均需新鮮配制。
1.2測(cè)定解離產(chǎn)物硫酸根
用鹽酸處理硫苷,或用強(qiáng)氧化劑氧化硫苷或樣品中的總硫等,將硫轉(zhuǎn)化為硫酸根,測(cè)出硫酸根含量。這類(lèi)方法中最突出的問(wèn)題就是非硫苷的硫酸根影響分析結(jié)果。
1.2.1重量法將硫苷在內(nèi)源酶作用下降解,得到葡萄糖、硫酸鹽和有害化合物各一分子,然后在高溫下灼燒,測(cè)定硫酸鹽含量,間接計(jì)算出硫苷含量。
1.2.2EDTA容量法用70%甲醇溶液提取油萊子中硫苷,并將提取液蒸干,加HNO3-KNO3在蒸汽浴中和高溫爐550℃ 消化,用過(guò)量BaCl2完全沉淀酶解菜子提取液中的SO42-,再用EDTA標(biāo)準(zhǔn)液滴定殘留的Ba2+,通過(guò)SO42-的量,得到硫苷的總量。這種方法只需要普通儀器和常規(guī)藥品,計(jì)算簡(jiǎn)單,但是操作繁瑣,所需時(shí)間較長(zhǎng),滴定終點(diǎn)較難掌握,不適合批量材料的篩選,適用于高世代材料的定量分析[11]。
1.2.3電位滴定法這是我國(guó)20世紀(jì)80年代初期主要使用的方法。樣品在高酸和高氯錳酸鉀的作用下分解氧化或直接燃燒油菜子(餅),把樣品中有機(jī)硫變成硫的氧化物,并轉(zhuǎn)化為SO42-,用電位滴定法測(cè)定出SO42-的總量,同時(shí)扣除蛋白質(zhì)中含硫量(約0.16%)后,得到硫苷含量。該方法計(jì)算出的硫苷含量很粗略,可靠性較差[12]。
1.3測(cè)定解離產(chǎn)物異硫氰酸酯及其衍生物、脫硫硫苷
1.3.1硫脲紫外光譜法由加拿大Wetter和Youngs提出,1983年成為硫苷測(cè)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方法。硫苷在芥子酶(白芥脫脂后的產(chǎn)品)作用下酶解后產(chǎn)生的不穩(wěn)定中間體,在pH值為7的條件下生成異硫氰酸酯(ITC)。ITC不穩(wěn)定,在極性溶劑(氨乙醇)中能自動(dòng)環(huán)化成唑烷硫酮(OZT)。OZT以及ITC與氨作用生成的硫脲形成一定的共軛體系,在紫外區(qū)245nm有最大吸收峰,根據(jù)OZT和ITC的含量計(jì)算出硫苷的含量。由于芥子酶的制取需要昂貴的造價(jià),戈蘭英等[13]將此方法改良,不經(jīng)過(guò)種子殺活過(guò)程,就可保持種子內(nèi)芥子酶的活性從而完成酶促反應(yīng)。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所品質(zhì)育種組也對(duì)硫脲紫外光譜法進(jìn)行改進(jìn),用氣相色譜法直接測(cè)定具揮發(fā)性的ITC,而OZT依然用紫外色譜法。但此方法只能對(duì)硫苷降解產(chǎn)物中3-丁烯基異硫氰酸酯、4-戊烯基異硫氰酸酯和2-羥基-3-丁烯基異硫氰酸酯轉(zhuǎn)化的OZT進(jìn)行定量分析,而酚基硫苷、吲哚類(lèi)硫苷、芐基硫苷等因不產(chǎn)生ITC和OZT而不能被測(cè)出,結(jié)果偏低。此方法適合加工后菜子餅粕質(zhì)量評(píng)價(jià)及脫毒技術(shù)評(píng)價(jià),以及配合飼料的ITC、OZT含量的測(cè)定[14]。
1.3.2國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法①GB13089-1991《(餅粕)飼料中惡唑烷硫酮的測(cè)定方法》。該方法參照ISO5504-1983《含油種子及其去油后餅粕中異硫氰酸鹽和惡唑烷硫酮的測(cè)定》編制。用乙醚萃取硫苷在芥子酶作用下的水解產(chǎn)物,取OZT用UV測(cè)定。②GB13087-1991《(餅粕)飼料中異硫氰酸鹽酯的測(cè)定方法》。該標(biāo)準(zhǔn)包含了兩種檢測(cè)方法:一是用二氯甲烷提取硫苷在芥子酶作用下生成的ITC,然后用氣相色譜測(cè)定;二是銀量法,將硫苷酶解后生成的ITC用水汽蒸出,再用硝酸銀—?dú)溲趸@溶液吸收,過(guò)量的硝酸銀在酸性條件下用硫氰酸銨回滴,并采用硫酸鐵銨為指示劑,計(jì)算出ITC的含量,最后得到硫苷的含量。此方法操作步驟多[15]。
2直接測(cè)定硫苷含量
2.1氯化鈀目測(cè)法
氯化鈀目測(cè)法由德國(guó)哥廷根大學(xué)Thies提出。硫苷提取物在酸性條件下與氯化鈀生成顏色復(fù)合體,依硫苷含量多到少,分別呈現(xiàn)黑、褐、橘黃、黃4種顏色,顏色越深,硫苷含量越高。該方法所需設(shè)備簡(jiǎn)單,操作方便,檢測(cè)速度快,但受環(huán)境條件影響較大,重復(fù)性較差,此方法曾用于20世紀(jì)80年代油菜育種早期世代材料的篩選[16]。
2.2氯化鈀定量測(cè)定法
1983年吳謀成等[17]改良氯化鈀目測(cè)法,在實(shí)驗(yàn)中加入一定量的分散劑甲基纖維素鈉溶液時(shí),沉淀消失,溶液變得清亮,用比色法測(cè)定,在540 nm和420 nm處均具有較大的消光值。該方法不需要特殊試劑,測(cè)定用具清洗容易,測(cè)定所需的時(shí)間短,操作技術(shù)容易掌握。不足之處在于對(duì)硫苷含量較低和較高的材料存在一定的偏差。
2.3紙色譜法
紙色譜法是早期研究硫苷成分的方法之一。采用紙層析將完整硫苷組分分離,通過(guò)斑點(diǎn)的數(shù)目及大小變化估測(cè)出油菜子中硫苷分量。該方法是一種半定量、簡(jiǎn)便、低成本的方法[18]。
2.4TMS氣相色譜法
用三甲基硅烷化試劑(TMS)與脫硫硫苷反應(yīng),生成具有揮發(fā)性的三甲基甲硅烷脫硫衍生物,利用氣相色譜法測(cè)定,根據(jù)內(nèi)標(biāo)法可以測(cè)出各硫苷分量,分量之和即為硫苷總量。由于該法對(duì)易于熱解的吲哚類(lèi)硫苷分解的規(guī)律性難以掌握,不能正確定量,因此得到的各硫苷分量之和并不能代表油菜子中的硫苷總量[19]。1983年巴黎國(guó)際分析化學(xué)會(huì)議上,專(zhuān)家指出TMS法重現(xiàn)性差,對(duì)同一樣品測(cè)定結(jié)果差異大。
2.5近紅外反射譜測(cè)量法
近紅外反射譜測(cè)量法是Velasco等[20]提出的一種可以同時(shí)測(cè)定菜子硫苷總量、含油量、蛋白質(zhì)含量以及脂肪酸組成的對(duì)材料無(wú)損傷、快速、準(zhǔn)確的分析方法。樣品測(cè)試隨模型的優(yōu)化和數(shù)據(jù)的累積,精確度可以不斷提高,其測(cè)試的范圍也可以不斷增加。但要建立近紅外分析模型必需有大批量已知標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)值的樣品,且樣品要有代表性,建立的模型需要不斷優(yōu)化完善。樣品標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)值的準(zhǔn)確性和樣品的代表性都直接影響模型的質(zhì)量;此外模型的地域性強(qiáng),模型傳遞困難。
2.6高效液相色譜法(HPLC法)
1980年Helboe率先提出用高效液相色譜儀分析完整的硫苷[21],雖然當(dāng)時(shí)的分離效果并不好,但是隨著近幾年來(lái)的不斷發(fā)展,表明高效液相色譜儀分析是比較理想的分析手段,是自1990年代以來(lái)國(guó)際上普遍采用的硫苷定量測(cè)定方法。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1992年頒布了HPLC測(cè)定油菜子中硫苷測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)[標(biāo)準(zhǔn)號(hào)ISO9167-1:1992(E)]。
HPLC技術(shù)包括離子對(duì)技術(shù)和反相HPLC技術(shù)。離子對(duì)技術(shù)可直接測(cè)定整個(gè)硫苷分子,速度快、簡(jiǎn)便,但其使用的緩沖液和平衡液對(duì)HPLC儀器非常不利,對(duì)分辨某些主要硫苷效果不好。反相HPLC技術(shù)是通過(guò)測(cè)定脫硫硫苷而測(cè)出硫苷的含量。該方法原理是用甲醇溶液從油菜子粒中提取完整硫苷,接著在陰離子交換樹(shù)脂上純化,用硫酸酯酶脫去硫苷的SO42-后,使與N原子相連的SO42-被-OH所取代,然后再用反相高效液相色譜法進(jìn)行分離分析。由于各硫苷分量的相對(duì)校正因子在各實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了固定,使得實(shí)驗(yàn)誤差大幅度地減少。此方法能測(cè)定包括主要硫苷在內(nèi)的10多種硫苷成分[22,23]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是既可準(zhǔn)確測(cè)定硫苷分量,又可測(cè)定總量,適于硫苷的精確測(cè)定。多應(yīng)用于國(guó)家及部級(jí)質(zhì)檢中心出具檢測(cè)報(bào)告,品種審定、區(qū)域試驗(yàn)材料硫苷含量的測(cè)定。缺點(diǎn)是硫苷脫硫預(yù)處理的過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)(一般為16 h),脫硫產(chǎn)物受pH值、酶解時(shí)間、酶活性等因素的影響,HPLC相關(guān)儀器設(shè)備昂貴、測(cè)試費(fèi)用高、條件嚴(yán)格,硫酸酯酶等大部分試劑及消耗品均需進(jìn)口[24]。
2.7高效毛細(xì)管電泳技術(shù)(HPCE法)
高效毛細(xì)管電泳技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的高效分離技術(shù),根據(jù)不同硫苷成分帶電量及極性差異,采用高效毛細(xì)管電泳直接測(cè)定完整硫苷含量。Bringmann等[25]利用膠束電動(dòng)毛細(xì)管色譜法,并在緩沖液中加入表面活性劑成功地分離檢測(cè)了硫苷。李培武等[26]優(yōu)化了膠束電動(dòng)色譜法中分離完整硫苷的緩沖液濃度、pH值、表面活性劑濃度、電壓、溫度等條件,成功地建立了油菜完整硫苷膠束電動(dòng)毛細(xì)管電泳檢測(cè)技術(shù)。這種方法可以省去脫硫處理的過(guò)程,但由于硫苷分子的電荷密度較低,分離所需的時(shí)間較長(zhǎng),硫苷的定性分析也需要硫苷標(biāo)準(zhǔn)品。相對(duì)于高效液相色譜法,毛細(xì)管電泳法具有以下優(yōu)點(diǎn):試劑、儀器價(jià)格低,電泳分離干擾因素少,分離條件容易控制,柱效高。高效液相色譜法所采用的試劑大多數(shù)是對(duì)環(huán)境有污染的,而毛細(xì)管電泳法是高效低成本環(huán)境友好型檢測(cè)技術(shù),現(xiàn)在已開(kāi)始在國(guó)內(nèi)外一些專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用[27]。
3小結(jié)
現(xiàn)有的各種硫苷測(cè)試方法,每種都各有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)以及不足,目前尚無(wú)某一種方法占有絕對(duì)的主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。如何在種類(lèi)繁多的測(cè)試方法中選取一項(xiàng)合適的方法進(jìn)行測(cè)試,對(duì)提高工作效率具有非常重要的意義。檢測(cè)方法應(yīng)根據(jù)對(duì)硫苷研究目的意義的不同來(lái)選取,如對(duì)油菜育種材料簡(jiǎn)單篩選,可選用一些分析速度快,操作簡(jiǎn)易和花費(fèi)少的方法,如葡萄糖比色法、氯化鈀法以及紫外光譜法等;對(duì)油菜新品種區(qū)域試驗(yàn)、新品種審定和育種高世代材料篩選,需要精確測(cè)定技術(shù),可以采用高效液相色譜檢測(cè)技術(shù)和高效毛細(xì)管電泳法;對(duì)硫苷結(jié)構(gòu)研究則需要紅外光譜和核磁共振技術(shù)等。
在選擇不同檢測(cè)方法的同時(shí),我們還要對(duì)傳統(tǒng)測(cè)定方法進(jìn)行改進(jìn),并不斷地開(kāi)發(fā)新的高效檢測(cè)技術(shù)。如在利用硫酸根間接測(cè)硫苷時(shí)盡可能地消除非硫苷硫酸根影響,提高準(zhǔn)確性;用反相HPLC法測(cè)硫苷時(shí),應(yīng)盡量減少脫硫時(shí)間,加快速度,同時(shí)也要加快實(shí)驗(yàn)儀器與試劑的研制,降低測(cè)定成本,使得硫苷的定量測(cè)定越來(lái)越準(zhǔn)確,為育種和科研提供有力的支持。
在油菜品質(zhì)育種中,硫苷的含量是油菜品質(zhì)的重要指標(biāo)之一,因此硫苷的檢測(cè)技術(shù)顯得尤為重要。隨著現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)的快速發(fā)展,硫苷檢測(cè)技術(shù)多元化、無(wú)損傷化、定量、準(zhǔn)確、快速、低成本、多成分聯(lián)合測(cè)定是今后發(fā)展的方向。
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