美味牛肝菌色素大孔樹脂純化工藝及抗氧化活性研究

郭 磊 資璐熙 崔 琦 周 宇 邱蕙婷 闞 歡

(西南林業大學生命科學學院，云南 昆明 650224)

美味牛肝菌(BoletusedulisBull.:Fr.)是一種可食用的大型真菌，具有較高的食用藥用價值[1-2]，是人們最喜歡的野生食用菌之一[3]，主要分布在中國的云南、貴州、四川、西藏、吉林、遼寧等森林資源豐富的省份[4]。

天然食用色素是從動物、植物、微生物或微生物代謝產物中提取出來的食品添加劑，因其資源豐富、種類繁多、顏色鮮艷且具有良好的著色性能，一直是食品呈色劑研究的熱點[5]。另外，天然食用色素含有很多不飽和雙鍵，是較好的單線態氧淬滅劑，對人體的多種疾病具有治療、預防作用[6]。目前，微生物包括細菌、真菌和藻類，已經被證明是天然色素的一個極好的替代來源，和其他來源色素相比，真菌色素具有性質穩定、來源廣泛、不受季節限制、易在培養基中快速生長等優點，是化學合成色素的良好替代品[7-8]。真菌色素作為潛在藥物的來源，已經吸引了制藥行業的巨大興趣，以對抗許多威脅生命的疾病，如心血管疾病、阿爾茨海默氏癥、人類癌癥(肝癌、乳腺癌、肺癌、結腸直腸癌、胃癌、胰腺癌、白血病、造血、腎細胞和其他癌癥)、傳染病和瘧疾等寄生蟲病[9]。

目前，關于美味牛肝菌的研究主要集中在營養成分分析及多糖、多酚等化合物的提取與生物活性方面，但是對美味牛肝菌中天然色素的純化及抗氧化活性研究還未見報道。試驗擬以美味牛肝菌色素為研究對象，通過比較7種不同極性大孔樹脂的靜態吸附與解吸性能篩選出適合純化美味牛肝菌色素的大孔樹脂，在此基礎上分析得出動態吸附與解吸條件下大孔樹脂的吸附曲線及吸附解吸能力，并對純化后色素的紅外光譜及體外抗氧化活性進行分析，以期為美味牛肝菌綜合開發利用及食品添加劑研發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

新鮮美味牛肝菌子實體：云南昆明木水花食用菌交易市場；

1，1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、2，2-聯氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(TBTS)：分析純，北京酷來搏科技有限公司；

無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸亞鐵、水楊酸、抗壞血酸、過硫酸鉀及過氧化氫：分析純；

AB-8、NKA-9、XDA-7、D-101、S-8、X-5、HP-20大孔樹脂：天津浩聚樹脂科技有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

傅里葉紅外光譜儀：Nicolet IS50型，賽默飛世爾科技公司；

恒溫鼓風干燥箱：DHG-9240A型，上海齊欣科學儀器有限公司；

紫外分光光度計：UV-VIS 300型，美國Thermo Fisher公司；

電子天平：BAS2245型，德國Strtorius集團；

數顯電子恒溫水浴鍋：HH-2型，金壇市丹瑞電器廠；

離心機：5805ZR361607型，德國艾本德股份公司；

多功能粉碎機：JSP-200型，浙江永康金穗機械制造廠。

1.2 方法

1.2.1 美味牛肝菌色素的制備 參考課題組前期的研究成果，經干燥過篩后的美味牛肝菌粉在液料比(V乙醇∶m美味牛肝菌粉)為38∶1 (mL/g)、乙醇體積分數55%、超聲時間42 min、超聲功率450 W條件下提取色素，提取液減壓濃縮后凍干備用[10]。

1.2.2 大孔樹脂靜態吸附與解吸

(1) 大孔樹脂預處理：參照文獻[11]，將AB-8、NKA-9、XDA-7等7種大孔樹脂用無水乙醇浸泡24 h，除去漂浮物及雜質后濕法裝柱。裝柱后先用去離子水沖洗至中性，直至無乙醇殘留。再用體積分數5%的HCl溶液浸泡樹脂12 h，以去離子水沖洗至中性，用質量分數2% NaOH溶液浸泡12 h，用去離子水沖洗至中性，濾去水分備用。

(2) 吸附率與解吸率的測定：稱取預處理好的7種大孔樹脂各1.0 g于100 mL錐形瓶中，加入0.5 mg/mL色素粗提液20 mL，在25 ℃下振蕩(110 r/min)吸附24 h后過濾，并記錄濾液的體積及其吸光值(297 nm)。然后，將樹脂倒回原錐形瓶并加入20 mL乙醇(體積分數70%)，同樣置于恒溫振蕩器(25 ℃，110 r/min)中解吸24 h后過濾。分別按式(1)和式(2)計算大孔樹脂吸附率和解吸率。

(1)

(2)

式中：

R1——大孔樹脂對色素的吸附率，%；

R2——大孔樹脂對色素的解吸率，%；

A0、A1、A2——色素提取液、吸附后色素溶液及解吸后色素溶液的吸光值；

V0、V1、V2——色素提取液、吸附后色素溶液及解吸后色素溶液的體積，mL。

1.2.3 動態吸附與解吸

(1) 動態吸附：將20.0 g AB-8填充于樹脂層析柱(1.6 cm×50 cm)后，分別采用不同質量濃度色素、不同初始pH及不同上樣流速進行吸附工藝研究，具體如下：固定初始pH 5、上樣流速1.0 mL/min，研究色素質量濃度(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 mg/mL)對AB-8樹脂吸附率的影響；固定色素質量濃度1.5 mg/mL、上樣流速1.0 mL/min，研究初始pH(1，2，3，4，5)對AB-8樹脂吸附率的影響；固定色素質量濃度1.5 mg/mL、初始pH 2，研究上樣流速(1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 mL/min)對AB-8樹脂吸附率的影響。流出液每5 mL接1管，測定每管流出液的吸光值，直至吸光值接近于0時，吸附試驗結束，繪制動態吸附曲線，并根據式(3)計算大孔樹脂的吸附率。

(3)

式中：

R1——大孔樹脂對色素的吸附率，%；

A0、Ai、V0——上柱前色素溶液、吸附后第i管流出液及上柱前色素溶液的體積，mL。

(2) 動態解吸：選擇最佳動態吸附條件吸附美味牛肝菌色素后，選擇不同體積分數乙醇(50%，60%，70%，80%，90%)及不同洗脫流速(1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 mL/min)對大孔樹脂進行解吸工藝研究，同樣，選擇流出液每5 mL接1管，測定每管流出液的吸光值，直至吸光值接近于0時，解吸試驗結束，繪制動態解吸曲線，并根據式(4)計算大孔樹脂的解吸率。

(4)

式中：

R2——大孔樹脂對色素的解吸率，%；

A0、Ai、Aj——上柱前色素溶液、吸附后第i管流出液及解吸后第j管流出液的吸光值；

V0——上柱前色素溶液的體積，mL。

1.2.4 色素純化效率測定 參照文獻[12]。美味牛肝菌色素提取液經減壓蒸餾與冷凍干燥后得到色素粗粉，將粗粉溶解并按最優動態吸附與解吸條件收集美味牛肝菌純化后色素溶液，并經減壓蒸餾和冷凍干燥后得到純色素精粉。將色素粗粉和精粉分別溶于去離子水配制成1 mg/mL，在297 nm下測定兩組溶液的吸光度值，各測定3次，根據式(5)計算美味牛肝菌色素的純化效率。

(5)

式中：

P——美味牛肝菌色素的純化效率，%；

A1、A2——純化前及純化后色素溶液的吸光值。

1.2.5 紅外光譜分析 參照文獻[13]，取1 mg經大孔樹脂純化、凍干成粉的美味牛肝菌色素與100 mg KBr粉末混勻并壓制成片，然后進行紅外光譜分析，光譜掃描范圍為4 000～400 cm-1。

1.2.6 抗氧化活性測定 將純化后美味牛肝菌色素凍干粉用蒸餾水配制成質量濃度分別為0.05，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mg/mL的樣品，研究不同樣品對不同自由基的清除能力，并以維生素C作為對照，IC50值表示自由基清除率達到50%時色素溶液的濃度。

(1) 清除DPPH·能力：參照田文慧等[14]的方法并略作修改。2 mL樣品與2 mL DPPH-無水乙醇混勻后在避光處放置30 min，在517 nm處測定吸光值(A1)。以2 mL 無水乙醇溶液代替DPPH-無水乙醇溶液作為對照組(A2)。以無水乙醇溶液代替色素溶液作為空白組(A0)。以等體積去離子水調零。按式(6)計算DPPH·清除率。

(6)

式中：

Q——清除率，%。

(2) 清除ABTS+·能力：參照Chuyen等[15]的方法略做修改。將7 mmol/L ABTS與2.45 mmol/L過硫酸鉀溶液等體積混合后，室溫避光放置16 h，即得到ABTS儲備液，用無水乙醇將ABTS儲備液稀釋使其在734 nm下吸光值為0.70±0.02的工作液。取0.3 mL色素溶液與3 mL工作液混勻后在室溫下反應6 min，然后迅速在734 nm處測定吸光值(A1)；3 mL蒸餾水代替儲備液作為對照組測定吸光值(A2)。以蒸餾水代替樣品為空白對照并測其吸光值(A0)，用去離子水調零。按式(6)計算ABTS+·清除率。

(3) 清除·OH能力：參照Cai等[16]的方法略做修改。在2 mL不同質量濃度色素溶液中先后加入FeSO4·7H2O(3 mmol/L，0.2 mL)、水楊酸—乙醇溶液(6 mmol/L，0.2 mL)和H2O2(4 mmol/L，0.2 mL)，混勻后置于室溫下靜置1 h，然后在510 nm 處測定吸光值(A1)。以蒸餾水代替水楊酸溶液作為對照組測定吸光值(A2)。用蒸餾水代替樣品為空白對照并測其吸光值(A0)，用離子水調零。按式(6)計算·OH清除率。

1.2.7 數據分析 試驗數據采用Microsoft Excel 2010、Origin 2017及SPSS 20.0軟件進行統計分析，每次測定重復3次。

2 結果與分析

2.1 靜態吸附與解吸

樹脂對色素的吸附性能受到很多自身物理性能參數的影響，如極性、含水率、比表面積、孔徑大小及粒度等[17]。由圖1可知，7種大孔樹脂對美味牛肝菌色素的吸附率與解吸率都差異顯著(P<0.05)，7種樹脂對美味牛肝菌色素的靜態吸附能力依次為：S-8>D-101>XDA-7>HP-20>AB-8>NKA-9>X-5，S-8的吸附能力遠優于其他大孔樹脂，吸附率達到(83.23±0.06)%。從解吸效果來看，AB-8大孔樹脂的解吸率達到(66.82±0.19)%，遠高于其他類型的大孔樹脂，可以推測美味牛肝菌色素屬于弱極性化合物，且AB-8大孔樹脂具有較大的孔徑。另外，由于靜態吸附率受樣液濃度、震蕩時間等因素的影響，導致AB-8樹脂吸附率略低于解吸率。結果表明，受到極性和平均孔徑的影響，7種大孔樹脂的吸附與解吸能力存在較大差異，而有著弱極性和大孔徑的AB-8樹脂是最適合純化美味牛肝菌色素的大孔樹脂。

小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.2 動態吸附與解吸

2.2.1 上樣質量濃度對AB-8大孔樹脂吸附效果的影響

圖2顯示了不同上樣質量濃度的動態吸附平衡曲線，質量濃度越高，吸光值越大，之后緩慢上升趨于平衡，達到吸附平衡。這可能是因為剛開始吸附時(1～10管)，AB-8大孔樹脂表面有較大的表面積，吸附速率較快。隨著樣液吸附時間的延長，樹脂的吸附能力趨于飽和。

圖2 不同上樣質量濃度下美味牛肝菌色素的動態吸附曲線

由圖3可知，AB-8大孔樹脂對美味牛肝菌色素的吸附率隨上樣流速的增加呈先增大后減少的趨勢。當上樣質量濃度達到1.5 mg/mL時，AB-8樹脂對色素的吸附率達到飽和，樹脂的吸附率達到最大，為(46.58±0.04)%。繼續增加樣液質量濃度，與色素競爭吸附的雜質逐漸增多，會阻礙色素在大孔樹脂內部的擴散，導致吸附率降低[18]。因此，美味牛肝菌色素的最佳吸附質量濃度為1.5 mg/mL。

圖3 上樣質量濃度對AB-8大孔樹脂吸附率的影響

2.2.2 pH對AB-8大孔樹脂吸附效果的影響 pH能夠通過影響樣品分子的電離程度來影響色素與大孔樹脂之間的親和力[11]。由圖4可知，樣液pH在從1升高到5的過程中，流出液吸光值變大，說明樹脂吸附率呈下降趨勢，可見，弱酸環境會影響樹脂對美味牛肝菌色素的吸附。

圖4 不同pH下美味牛肝菌色素的動態吸附曲線

美味牛肝菌色素在不同酸堿溶液中的穩定性有著較大的差異，在酸性溶液中相對比較穩定[10]。如圖5所示，隨著pH值增大，AB-8大孔樹脂的吸附率先緩慢上升后快速下降，可能與美味牛肝菌色素的結構變化有關，因為較高pH值會導致美味牛肝菌色素結構發生變化而不易吸附在樹脂上。因此，美味牛肝菌色素溶液在pH 2時，AB-8大孔樹脂的吸附率最佳。

圖5 pH對AB-8大孔樹脂吸附率的影響

2.2.3 上樣流速對AB-8大孔樹脂吸附效果的影響 不同上樣流速時，美味牛肝菌色素經AB-8大孔樹脂的動態吸附曲線見圖6。上樣流速較小時，AB-8大孔樹脂與美味牛肝菌色素能夠充分接觸，對色素的吸附量較大，使得流出液的吸光值較小。但是，當上樣流速過大時，美味牛肝菌色素溶液未與AB-8大孔樹脂充分接觸便快速流出，致使流出液吸光值增大，吸附效率低下。

圖6 不同上樣流速下美味牛肝菌色素的動態吸附曲線

圖7顯示了不同上樣流速對AB-8大孔樹脂吸附率的影響。隨著上樣流速的增大，吸附率先緩慢增加后急劇減小，這是因為上樣流速越大，美味牛肝菌色素溶液在樹脂中停留時間越短，色素未及時被樹脂吸附便流出柱體。當流速為3.0 mL/min時，吸附率達到(73.77±0.10)%。因此，選擇3.0 mL/min作為美味牛肝菌色素溶液的上樣流速。

圖7 上樣流速對AB-8大孔樹脂吸附率的影響

2.2.4 乙醇體積分數對AB-8大孔樹脂解吸效果的影響

由圖8可知，乙醇體積分數為70%時，解吸曲線不僅峰形窄，對美味牛肝菌色素的富集效果好，而且無拖尾現象。乙醇體積分數過高，雖然會對色素的解吸能力有提高，但也會將非色素成分解吸下來[19]，影響色素純度。

圖8 不同體積分數乙醇下美味牛肝菌色素的動態解吸曲線

如圖9所示，乙醇體積分數不斷增加時，大孔樹脂的吸附率先增加后急劇減小。乙醇體積分數為60%時的解吸率略低于50%，可能是由于洗脫液與色素溶液的極性差異和較快的流速造成的。當乙醇體積分數為70%時，解吸率達到最大(73.55±0.37)%，而后解吸率急劇降低，可能是因為低體積分數乙醇無法使得色素物質充分溶出，洗脫不充分，而高體積分數乙醇的極性與色素相差較大，不利于洗脫[20]。因此，選擇體積分數70%乙醇較為適宜。

圖9 乙醇體積分數對AB-8大孔樹脂解吸率的影響

2.2.5 洗脫流速對AB-8大孔樹脂解吸效果的影響 由圖10可知，隨著洗脫的不斷進行，流出液中美味牛肝菌色素的質量濃度升高到最大后又迅速降低，此時已收集到大部分色素，當流出液為無色時，說明洗脫已完成。當洗脫流速為2.0 mL/min時，洗脫液的吸光值達到最大。

圖10 不同洗脫流速下美味牛肝菌色素的動態解吸曲線

如圖11所示，隨著洗脫流速的增大，洗脫率逐漸下降，這歸因于洗脫流速較快時，乙醇溶液不能與樹脂進行充分接觸，而流速過低則會延長洗脫過程，均導致洗脫效果降低。因此確定洗脫流速2.0 mL/min較為適宜。

圖11 洗脫流速對AB-8大孔樹脂解吸率的影響

2.3 紅外光譜

由圖12可知，3 343 cm-1左右有羥基的很強的伸縮振動，證明有酚羥基或碳上的羥基存在；2 922.11 cm-1處吸收峰極強，可能是—OCH3的伸縮振動，說明分子中存在—OCH3取代[21]。在1 654.14 cm-1處有羰基的伸縮振動，1 557，1 541.81 cm-1處有芳環骨架振動引起較強的吸收峰[22]。1 467.08，1 413.08 cm-1是苯環和雜環碳骨架的振動吸收，是苯環的特征吸收峰，只是峰形較窄，可能是由于苯環上取代較多芳香性下降的緣故[21,23]。1 078 cm-1可能是由于C—O—C不對稱伸縮振動或者是C—CH3的彎曲和骨架振動[23-24]。綜上所述，美味牛肝菌色素組分主要吸收為羥基、苯環和含氧雜環類物質，可推斷為花色苷類物質。

圖12 美味牛肝菌色素的紅外光譜圖

2.4 色素抗氧化能力分析

2.4.1 DPPH·清除能力 由圖13可知，美味牛肝菌色素溶液質量濃度為0.05～0.30 mg/mL時，對DPPH·的清除能力急劇增加；當質量濃度超過0.30 mg/mL時，對DPPH·的清除能力呈緩慢增長的趨勢；當質量濃度達到0.50 mg/mL時，美味牛肝菌色素及維生素C清除DPPH· 能力分別達到了(91.64±0.08)%，(96.88±0.08)%。相同質量濃度條件下，美味牛肝菌色素對DPPH·的清除能力低于維生素C。美味牛肝菌色素和維生素C清除DPPH·的IC50值分別為(0.081±0.001)，(0.017±0.003) mg/mL。

圖13 美味牛肝菌色素對DPPH·的清除能力

2.4.2 ABTS+·清除能力 由圖14可知，美味牛肝菌色素對ABTS+·清除能力在質量濃度為0.05～0.10 mg/mL范圍內呈良好的量效關系，且同質量濃度條件下色素對ABTS+·清除能力明顯低于維生素C。之后，隨著質量濃度的增加，色素對ABTS+·清除能力增長緩慢，且與維生素C的相當。當質量濃度達到0.5 mg/mL時，美味牛肝菌色素及維生素C清除ABTS+·能力分別達到了(99.77±0.16)%，(99.89±0.15)%。美味牛肝菌色素和維生素C清除ABTS+·的IC50值分別為(0.017±0.011)，(0.007±0.006) mg/mL，二者相當。

圖14 美味牛肝菌色素對ABTS+·的清除能力

2.4.3 ·OH清除能力 由圖15可知，樣品質量濃度從0.05 mg/mL增加到0.50 mg/mL時，美味牛肝菌色素對·OH的清除能力也隨之增加。當質量濃度為0.10～0.50 mg/mL時，美味牛肝菌色素對·OH的清除能力高于同濃度下的維生素C，并隨著質量濃度的增加，兩者清除率的差距也越來越大。當質量濃度為0.50 mg/mL時，美味牛肝菌色素對·OH的清除率為(93.04±0.73)%，而此時維生素C的清除率僅有(69.36±1.84)%。美味牛肝菌色素清除·OH的IC50值為(0.119±0.001) mg/mL，高于維生素C的IC50(0.168±0.004) mg/mL。

圖15 美味牛肝菌色素對·OH的清除能力

3 結論

通過7種大孔樹脂靜態吸附—解吸試驗，確定了AB-8 大孔樹脂是適合分離純化美味牛肝菌色素的樹脂，純化后美味牛肝菌色素的純化效率是269%，可見，美味牛肝菌色素經過AB-8樹脂純化后確實提高了含量。體外抗氧化性試驗結果得出純化后的美味牛肝菌色素清除DPPH·、ABTS+·及·OH能力較強，特別是相同質量濃度下清除·OH能力超過維生素C。綜上所述，經過AB-8樹脂純化后的美味牛肝菌色素具有良好的體外抗氧化活性。然而，試驗僅對美味牛肝菌色素的富集及體外抗氧化活性進行了初步研究，尚未分析純化后色素的化學成分及其體內抗氧化活性，因此，后續研究應著重放在化學成分分析及體內抗氧化活性方面。