4 種大型紅藻類菌胞素氨基酸的提取工藝優化與分離鑒定

韓 秀，錢亮亮，程同杰，沈彥，鄧小群，朱文軒，孫穎穎,

（1.江蘇海洋大學，江蘇省海洋生物技術重點實驗室，江蘇連云港 222005；2.連云港市質量技術綜合檢驗檢測中心，江蘇連云港 222006）

類菌胞素氨基酸（Mycosporine-like amino acids，MAAs）廣泛分布于水生生物中，在大型紅藻中含量豐富。MAAs 是一類小分子次級代謝產物，骨架為氨基環己烯酮或氨基環己烯胺的環狀結構（圖1），最大吸收波長在310～360 nm，是一種天然高效紫外線吸收劑。目前，已鑒定結構的MAAs 接近30 種，主要包括asterina-330、mycosporine-glycine、porphyra-334 和palythine 等。研究表明，MAAs 具有明顯的抗氧化作用，能抑制過氧化脂質生成、清除自由基、保護皮膚細胞不受氧自由基過度氧化的影響，還具有調節滲透等多種生理活性。

圖1 MAAs 基本結構Fig.1 Basic structure of MAAs

大型海藻是MAAs 的主要來源之一，usujirene、palythenic acid 等MAAs 僅存在于藻類。大型紅藻是MAAs 的理想來源，不僅含量高，且種類豐富，已探明的MAAs 種類超過22 種，prasiolin和bostrychines A～F等MAAs 僅在大型紅藻中發現。此外，大型紅藻還含有很多未知MAAs。目前，國內外對大型海藻MAAs 研究尚處于初級階段，多數集中在分布、環境因子誘導、活性等，大型紅藻MAAs 的提取和分離研究非常少。近10年，僅見、、麒麟菜（sp.）、海蘿藻（）、弓江蘺（）、張氏江蘺（）和條斑紫菜（）等MAAs 提取和分離的相關研究。我國大型紅藻種類高達600 多種，絕大多數的MAAs提取和分離為研究空白，有必要進行深入研究。

本文整理了2001～2021 年期間發表在Web of Science、Springer、Google Scholar 和CNKI 數據庫收錄的有關大型海藻MAAs 研究，發現MAAs 含量高于3 mg/g 的大型紅藻主要集中在頭發菜目（Bangiales）和仙菜目（Ceramiales），龍須菜目（Gracilariales）也有少數大型海藻MAAs 含量較高（圖2）。本文選定紅毛苔（）、石花菜（）、菊花江蘺（）和江蘺（sp.）4 種大型紅藻，它們分別歸屬于頭發菜目、仙菜目和龍須菜目。目前，國內外尚未見此4 種MAAs 的提取和分離研究。基于此，本實驗研究了提取溫度、時間、次數和料液比對4 種大型紅藻MAAs 提取物得率的影響，建立優化提取工藝。根據MAAs 提取物得率和薄層層析檢測結果，發現紅毛苔和江蘺中MAAs 含量較高；進一步，采用硅膠柱層析對此2 種大型紅藻MAAs 提取物進行分離。最后，通過紫外光譜（Ultraviolet spectrum，UV）、高效液相色譜（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）和質譜（Mass Spectrometry,MS）測定，并與已有文獻比較，鑒定4 種大型紅藻MAAs 組成；以期為大型海藻源MAAs 的分離研究奠定實驗基礎和提供理論參考。

圖2 MAAs 含量>3 mg/g 的大型紅藻的目類分布Fig.2 Ordered distribution of MAAs contents present at >3 mg/g in red macroalgae

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅毛苔（）、石花菜（）、菊花江蘺（）、江蘺（sp.）、甲醇、乙醇 分析純，江蘇碧藍海洋生物科技有限公司；甲醇、甲酸 色譜純，DIKMA PURE 色譜溶劑；硅膠粉200～300 目 青島海洋化工有限公司。

CPA224S 電子天平德國 賽多利斯股份公司；DKZ-2 電熱恒溫振蕩槽 上海精宏實驗設備有限公司；R-210 真空旋轉蒸發器 瑞士步琦；T9CS 雙光束紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；QTUM0001X 超純水機 法國MILLIPORE；TSQ Quantum Access 液質聯用儀 賽默飛世爾科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料處理 大型紅藻干品經清洗、冷凍干燥、超微粉碎機粉碎后，過40 目篩備用。

1.2.2 MAAs 提取工藝 稱取大型紅藻干粉末10 g加入到一定體積的25%甲醇溶液中，攪拌后密封放入恒溫水浴搖床中，在設定溫度下振蕩浸提一定時間。提取結束后，取出冷卻至室溫，倒出浸提液。重新加入相同體積的25%甲醇溶液，按照上述條件重復浸提設定提取次數。浸提液合并、過濾和減壓蒸發后，加入無水乙醇（含量為80%），?20 ℃下沉淀6 h。4 ℃下，9000 r/min 離心20 min，移出上清液，沉淀保留。用蒸餾水洗滌沉淀2～3 次，洗滌液和先前的上清液合并，45 ℃下減壓濃縮后（除去有機溶劑），冷凍干燥，制備到MAAs 提取物。

1.2.3 單因素實驗

1.2.3.1 提取溫度對MAAs 提取物得率的影響 提取溫度設定為35、40、45、50 和55 ℃，提取時間、次數和料液比分別為2 h、2 次和1:20 g/mL。每個實驗設定3 個平行樣，MAAs 提取同1.2.2。

1.2.3.2 提取時間對MAAs 提取物得率的影響 提取時間依次為1、2、3 和4 h，提取溫度、次數和料液比設定為45 ℃、2 次和1:20 g/mL。每個實驗設定3 個平行樣，MAAs 提取同 1.2.2。

1.2.3.3 提取次數對MAAs 提取物得率的影響 設定提取次數為1、2、3 和4 次，提取溫度、時間和料液比設定為45 ℃、2 h 和1:20 g/mL。每個實驗設定 3 個平行樣，MAAs 提取同 1.2.2。

1.2.3.4 料液比對MAAs 提取物得率的影響 料液比分別為1:10、1:15、1:20 和1:25 g/mL，提取溫度、時間和次數設定為45 ℃、2 h 和2 次。每個實驗設定 3 個平行樣，MAAs 提取同 1.2.2。

1.2.4 正交試驗 在上述單因素實驗基礎上，選定L（3）正交試驗表，考察提取提取溫度、提取時間、提取次數和料液比等4 個因素對4 種大型紅藻MAAs提取物得率的影響（表1），實驗中不設定平行樣。

表1 正交試驗因素及水平設計Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments

1.2.5 MAAs 提取物得率的計算

式中：W 為MAAs 粗提物得率，mg/g；m 為粗提物質量，g；M 為紅藻粉末質量，g。

1.2.6 MAAs 分離 參照文獻[1,7]，并對分離方法進行了主要改進。取1.0 g MAAs 提取物加載在硅膠柱層析（3.0 cm×25 cm，200～300 目）上，洗脫劑為甲醇/乙醇/蒸餾水（8:10:0.5），洗脫速度為1.0 BV/h，洗脫2.5 倍柱體積（BV），每管50 mL 洗脫餾分。餾分減壓濃縮后，采用薄層層析和紫外光譜檢測MAAs。

1.2.7 MAAs 檢測

1.2.7.1 薄層層析定性檢測 參照前期研究建立的薄層層析法，并稍加改進。待測樣品溶解于蒸餾水中，配制濃度為1.6 g/L，點樣在硅膠G 板上，以甲醇/乙醇/蒸餾水（8:10:0.5，體積比）為展開劑。展開結束后，吹干G 板，噴灑碘化秘鉀試劑（7.3 g 碘化鉍鉀，冰醋酸10 mL，蒸餾水60 mL），靜置15～20 min，呈現黃或橙色斑點為含氮化合物的陽性反應，可初步確定為目標提取物或目標組分。

1.2.7.2 紫外光譜檢測 取1 mL 上述薄層層析檢測確定的目標提取物或目標組分，進行200～400 nm 波長掃描。在310～360 nm 范圍內有吸收的待測樣品，可確定為含有MAAs。

1.2.7.3 高效液相色譜和質譜檢測 MAAs 提取物0.005 g 溶于10 mL 蒸餾水，微孔濾膜過濾后，進行高效液相色譜（HPLC）和質譜（ESI-MS）檢測。HPLC分析：柱溫為25 ℃，色譜柱為Waters HSS T3（4.6 mm×150 mm，3.5 μm）。流動相A 為0.2%甲酸水溶液，流動相B 為0.2%甲酸甲醇溶液。洗脫梯度：0～20 min，B%：0～70%；流速1.0 mL/min，波長330 nm；進樣量100 μL。ESI-MS 測定：噴霧氣壓45 psi，氮氣流速10.0 L/min，干燥溫度350 ℃，破碎電壓100 V，毛細管電壓4500 V，全掃描（Scan），參比離子質荷比：121.0509，922.0098，為參比離子對測定結果進行實時矯正，分辨率m/z 在922.0098 處全掃描響應為11300，質荷比（m/z）范圍在120～1000。

1.2.8 大型紅藻理化指標測定 采用GB 5009.3-2016、GB 5009.4-2016、GB 5009.5-2016、GB 5009.6-2016 標準方法，測定大型紅藻中水分、蛋白質、脂肪、碳水化合物等成分。

1.3 數據處理

實驗數據采用SPSS11.5 軟件包進行獨立樣本檢驗統計分析，<0.05 為顯著性差異，<0.01 為極顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 4 種大型紅藻MAAs 提取工藝的優化

2.1.1 單因素實驗結果

2.1.1.1 提取溫度對4 種大型紅藻MAAs 提取物得率的影響 由圖3 可知，4 種大型紅藻MAAs 提取物得率隨提取溫度的升高而增大，在40～45 ℃時，MAAs 提取物得率達到最大值。當提取溫度繼續增加時，4 種大型紅藻MAAs 提取物得率開始下降，尤其紅毛苔和江蘺MAAs 提取物得率顯著（<0.05）降低。可能由于溫度升高，多糖等水溶性物質更易溶出，在去除這些物質的過程中造成了更多的MAAs損失；也可能是MAAs 中某些MAA 發生降解，具體原因還需要進一步研究。在MAAs 提取過程中，提取溫度是一個容易被忽視的影響因素，常見的提取溫度在4～45 ℃范圍內。本文研究表明，提取溫度是一個明顯影響紅毛苔等4 種大型紅藻MAAs 提取物得率的因素，45 ℃是較適宜的提取溫度。

圖3 提取溫度對4 種大型紅藻MAAs 提取的影響Fig.3 Effects of extraction temperature on MAAs extraction from four species of red macroalgaes

2.1.1.2 提取時間對4 種大型紅藻MAAs 提取物得率的影響 在圖4 中，隨提取時間的增加，4 種大型紅藻MAAs 提取物得率增大。提取時間為2 h 時，MAAs 提取物得率均達到最大值。當提取時間繼續增加時，4 種大型紅藻MAAs 提取物得率呈現下降趨勢。這可能是提取時間過長，水溶性物質溶出更多，導致后續去除這些物質時MAAs 損失量增大或者MAAs 提取物出現熱分解現象。不同大型海藻MAAs 提取時間從幾分鐘到十幾小時不等，推測這可能與MAAs 在藻體中位置有關，目前國內外尚未見大型海藻中MAAs 位置研究。除紅毛苔外，提取時間對其余3 種大型紅藻MAAs 提取物得率有顯著影響（<0.05）。綜上所述，2 h 是4 種紅藻較適宜的提取時間。

圖4 提取時間對4 種大型紅藻MAAs 提取的影響Fig.4 Effects of extraction time on MAAs extraction from four species of red macroalgaes

2.1.1.3 提取次數對4 種大型紅藻MAAs 提取物得率的影響 圖5 表明，提取次數不超過2 次（或3 次），菊花江蘺和石花菜（或紅毛苔和江蘺）MAAs 提取物得率隨提取次數增加而增大。當提取次數繼續增加時，除紅毛苔外，其它3 種大型紅藻MAAs 提取物得率顯著（<0.05）下降。提取次數過多會促使更多水溶性雜質被提取出來，導致在去除雜質過程中MAAs損失增加，從而導致提取次數增加而MAAs 提取物得率下降的現象。在海蘿和江蘺等大型海藻MAAs提取過程中，提取次數也是2 次或3 次。綜上所述，本文選擇的提取次數為3 次。

圖5 提取次數對4 種大型紅藻MAAs 提取的影響Fig.5 Effects of times on MAAs extraction from four species of red macroalgaes

2.1.1.4 料液比對4 種大型紅藻MAAs 提取物得率的影響 在1:10～1:20 g/mL 范圍內，隨料液比增加，4 種大型紅藻MAAs 提取物得率增大，在1:20 g/mL時，MAAs 提取物得率達到最大值（圖6）。料液比繼續增加，MAAs 提取物得率開始下降，特別是紅毛苔和江蘺MAAs 提取物得率下降顯著（<0.05），可能是越大的料液比溶出了越多水溶性雜質，在除去其過程中導致了更多的MAAs 損失。不同大型海藻MAAs提取時，料液比相差甚遠。例如，紫菜、角石花菜（）和等大型紅藻MAAs 提取時，料液比設定為1:100 g/mL；海蘿MAAs 提取料液比為1:67 g/mL；麒麟菜和張氏江蘺MAAs 提取時的料液比與本文的研究結果接近，為1:30 g/mL。綜上所述，1:20 g/mL 是4 種紅藻較適宜的提取料液比。

圖6 料液比對4 種大型紅藻MAAs 提取的影響Fig.6 Effects of solid-liquid ratio on MAAs extraction from four species of red macroalgaes

在前期研究基礎上，本文選取25%甲醇為提取溶劑，從紅毛苔等4 種大型紅藻中提取MAAs。在已有報道中，MAAs 常用提取溶劑為15%～75%甲醇溶液，還有其它溶劑，例如，乙腈、0.2%醋酸水溶液（加入0.5%甲醇）和-辛基十二醇等。通過上述單因素實驗，發現適當增大提取溫度、時間、次數和料液比有利于4 種大型紅藻MAAs 的提取。

2.1.2 正交試驗結果 在單因素實驗基礎上，采用正交試驗，進一步分析提取溫度、時間、次數和料液比對4 種大型紅藻MAAs 提取物得率的影響，結果見表2。通過對正交試驗結果進行直觀分析（計算過程略），可得到紅毛苔、石花菜、菊花江蘺和江蘺MAAs 優化提取工藝，即分別為：45 ℃、3 h、4 次、1:25 g/mL；45 ℃、1 h、4 次、1:20 g/mL；45 ℃、2 h、3 次、1:15 g/mL；40 ℃、1 h、3 次、1:20 g/mL。

表2 正交試驗結果Table 2 Results of the orthogonal experiment

應用上述優化提取工藝，制備到紅毛苔、石花菜、菊花江蘺和江蘺MAAs 提取物，提取物得率依次為249.3、197.9、146.4 和449.5 mg/g。Lee 等采用50%乙醇提取大型紅藻海蘿和馬澤藻（sp.），提取物得率依次為10.32%和11.77%，本文中4 種大型紅藻提取物得率明顯高于它們。在4 種大型紅藻MAAs 提取過程中，還發現紅毛苔MAAs 提取液經過處理后，仍然非常混濁，而其它3 種大型紅藻MAAs 提取液澄清透明，本文認為很可能是大型紅藻成分含量不同所致。采用國標方法，測定了4 種大型紅藻營養成分（表3）。表3 表明，紅毛苔蛋白質含量明顯高于其它大型紅藻。在后續研究中，可對紅毛苔MAAs 提取液進行更有效的蛋白質去除。

表3 4 種大型紅藻營養成分測定結果Table 3 Detection results of nutrient content from four red macroalgaes

2.2 4 種大型紅藻MAAs 的檢測

將4 種大型紅藻MAAs 提取物進行薄層層析檢測（圖7）、紫外波長掃描（未列出）和高效液相色譜-質譜分析（圖8）。從圖7 可以看出，它們在硅膠板上均呈現了一個或幾個黃色斑點（含氮化合物的陽性反應），這表明提取物中可能含有MAAs 成分。紫外光譜掃描顯示出此4 種大型紅藻MAAs 提取物在310～360 nm 范圍內有吸收，符合MAAs 特征吸收。至此，在沒有MAAs 標準品作為參照情況下，仍能確定提取物中存在MAAs。由此可見，硅膠薄層層析檢測和紫外波長掃描結合可用于大型海藻MAAs 檢測。此外，圖7 中斑點面積大小可反映待測樣品中MAAs 含量高低，這對于篩選高含量MAAs 的大型海藻而言非常直觀。

圖7 4 種大型紅藻MAAs 薄層層析檢測結果Fig.7 TLC detection results of MAAs from four red macroalgaes

圖8 4 種大型紅藻MAAs 提取物的高效液相色譜圖Fig.8 HPLC detection of MAA extracts from four red macroalgae

HPLC 是MAAs 常用分析和分離方法，本文也采用HPLC 來分析4 種大型紅藻MAAs 組成。從圖8 能夠清晰地看出，紅毛苔MAAs 提取物出現了8 個吸收峰，停留時間4.8 min 處吸收峰最明顯；菊花江蘺MAAs 提取物在停留時間2.7 和4.8 min處吸收峰較明顯；石花菜MAAs 提取物分別在停留時間2.8、3.1、3.7 和6.5 min 處出現了較明顯的吸收峰；江蘺MAAs 提取物則在停留時間2.4、2.7、3.3 和4.8 min 處有較明顯的吸收峰。由此表明，4 種大型紅藻MAAs 提取物中MAAs 組成可能有所差異。

2.3 硅膠柱層析分離和質譜測定

上述實驗表明，紅毛苔和江蘺MAAs 提取物得率較高，故將它們進行硅膠柱層析分離。紅毛苔MAAs 提取物經分離獲得1 個組分H1（第5 管～第8 管）；江蘺MAAs 提取物經分離獲得2 個組分J1（第5 管）和J2（第9 管～第11 管）（圖9）。隨后，測定此3 個組分的HPLC 和MS。根據HPLC 和MS信息，并參考文獻[23?24]，能鑒定出組分H1、J1 和J2 中MAAs 組成（表4），即組分H1 中有4 種MAA，shinorine、palythine、porphyra-334 和palythenic acid；組分J1 中有4 種MAA，shinorine、palythine、porphyra-334 和palythenic acid；組分J2 為palythine 單體。硅膠柱層析、離子交換柱層析、高效液相色譜、C固相萃取小柱和HILIC等被用于大型海藻MAAs 分離，其中，采用硅膠柱層析分離MAAs 報道較少。上述結果表明，經硅膠柱層析分離，紅毛苔和江蘺MAAs 提取物能獲得較好的初步分離。此外，也測定了石花菜和菊花江蘺MAAs提取物的高效液相色譜和質譜。同樣地，也得到它們中可能的MAAs 組成。

表4 MAAs 提取物硅膠柱層析分離組分的最大吸收波長、質譜、相對峰面積和MAAs 組成Table 4 Maximum absorption wavelength,MS values,relative peak area and composition of the isolated fractions of MAA extracts by silica gel column chromatography

圖9 江蘺MAAs 提取物的硅膠柱層析分離Fig.9 Isolation of MAA extracts from through Gracilaria sp.through silica gel column chromatography

Shinorine、palythine 和porphyra-334 是大型紅藻中常見MAA，palythenic acid 目前僅在大型紅藻中發現，該MAA 在浮游植物和微藻中較為常見。石花菜和菊花江蘺中存在palythinol、gadusol 和未知MAA（M-328 和M-330），這些未知MAA 需要后續繼續進行研究。

3 結論

本文優化了紅毛苔、石花菜、菊花江蘺和江蘺MAAs 的提取工藝，發現當提取溫度、時間、次數和料液比依次為45 ℃、3 h、4 次、1:25 g/mL；45 ℃、1 h、4 次、1:20 g/mL；45 ℃、2 h、3 次、1:15 g/mL；40 ℃、1 h、3 次、1:20 g/mL 時，能獲得最大的MAAs 提取物得率，提取物得率依次為249.3、197.9、146.4 和449.5 mg/g。將紫外光譜和薄層層析檢測結合，對4 種大型紅藻MAAs 提取物進行定性檢測的同時還能粗略比較提取物中MAAs 含量高低，可作為大型海藻MAAs 的快速篩選方法。硅膠柱層析可用于紅毛苔和江蘺MAAs 提取物的分離，能獲得較好的初步分離效果。經紫外光譜掃描、高效液相色譜和質譜分析，并與已有文獻比較，確定了紅毛苔和江蘺中MAAs 為shinorine、palythine、porphyra-334 和palythenic acid；石花菜和菊花江蘺MAAs 主要由shinorine、palythine、porphyra-334、palythenic acid 和palythinol 組成，還有少量未知MAAs。

本文建立了紅毛苔、石花菜、菊花江蘺和江蘺的提取和初步分離工藝，并明確了其MAAs 組成，為大型海藻源MAAs 提取和分離鑒定提供了技術和理論支撐。然而，目前尚未獲得較高純度MAAs，并且對此4 種大型紅藻中特定MAA 缺乏針對性分離純化方法。在后續工作中，需要繼續開展MAAs 純化制備研究。