甘蔗葉多糖提取工藝優(yōu)化及生物活性研究

陳遠菲，嚴德林，莫雪婷，楊梅，蘇佳月，韋巧艷

（廣西科技師范學院食品與生化工程學院，廣西 來賓 546199）

多糖是生命體的關鍵元素，廣泛分布在植物、藻類、動物和真菌、細菌等微生物中。近年來，植物多糖因其具有免疫調節(jié)、抗腫瘤、抗氧化、抗菌、降血脂等特殊的理化性質和較高的生物學功能而備受關注[1-3]。由于天然多糖的得率、生物活性和化學結構受提取方法的影響較大，因此，開發(fā)一種高效提取天然植物多糖的方法以提高產率、增強生物活性、降低結構損傷具有重要的意義。熱水提取是提取天然多糖的傳統(tǒng)方法，但該法存在萃取時間長、萃取溫度高、萃取率低、溶劑消耗率高、污染環(huán)境等缺點[4]。與傳統(tǒng)的提取方法相比，超聲輔助提取具有節(jié)約溶劑、提高提取率、縮短提取時間、提高多糖質量等優(yōu)點，已被應用于植物多糖的提取[5-7]。球磨能夠破壞植物細胞壁、增加顆粒破碎程度，促進細胞內有效成分的溶出，結合超聲作用能夠加速反應的進行[8-9]。目前球磨預處理結合超聲輔助提取甘蔗葉多糖的研究鮮見報道。本文采用機械球磨法對甘蔗葉進行預處理并結合超聲從甘蔗葉中提取水溶性多糖，通過紅外光譜探究球磨預處理對甘蔗葉粉末結構的影響以及甘蔗葉多糖的化學結構，并對甘蔗葉多糖進行體外抑菌及抗氧化活性研究，以期為甘蔗葉多糖的生物活性研究和產品開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘蔗葉：采集于來賓市周邊蔗田，洗凈、烘干、粉碎，過60目篩，裝袋備用；葡萄糖標準品、1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-dip-henyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）、水楊酸、硫酸亞鐵（均為分析純）、ZTC-II天然澄清劑：天津歐博凱化工有限公司；濃硫酸、苯酚、30%過氧化氫溶液（均為分析純）：西隴科學有限公司；無水乙醇、抗壞血酸（均為分析純）：成都市科隆化妝品有限公司；大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、營養(yǎng)瓊脂干粉培養(yǎng)基：廣東環(huán)凱微生物有限公司。

1.2 主要儀器

KQ-300DB型超聲波清洗儀：昆山市超聲儀器有限公司；H3-20K臺式高速離心機：力可成儀器設備有限公司；UV1050紫外可見分光光度計：上海天美科學儀器有限公司；FW177中草藥粉碎機：天津市泰斯特儀器有限公司；HH-S數顯恒溫水浴鍋：江蘇常州金壇醫(yī)療儀器廠；IRTracer-100傅里葉變換紅外光譜儀：島津企業(yè)管理（中國）有限公司；LM-SJ-5立式球磨機：無錫新洋設備科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 標準曲線的測定

稱取葡萄糖0.100 g于100 mL容量瓶中，蒸餾水定容；分別吸取 0、0.25、0.50、1.00、1.25、1.50 mL 于 25 mL容量瓶中，蒸餾水定容，再分別吸取上述溶液各1 mL于10 mL比色管中，用蒸餾水補至2 mL，制得0、0.01、0.02、0.04、0.60、0.80 mg/mL濃度的溶液。加入 2%苯酚1.0 mL和濃硫酸5.0 mL搖勻，沸水浴15 min后取出，冷卻至室溫（25±5）℃，在波長490 nm處測定吸光度[10]。以吸光度A為縱坐標，葡萄糖的質量濃度C（μg/mL）為橫坐標，繪制標準曲線，得葡萄糖回歸方程為y=10.448 0x+0.006 6（R2=0.999 1）。

1.3.2 甘蔗葉多糖提取量的測定

準確稱取2.00 g甘蔗葉粉末，加入適量蒸餾水搖勻，按照設定的試驗條件進行提取，提取結束后，離心（3 000 r/min、30 min）、真空抽濾，上清液濃縮后加入3倍體積無水乙醇搖勻，靜置1 h，離心（5 000 r/min、5 min），沉淀用40 mL蒸餾水溶解并定容，置于30℃水浴鍋中加入ZTC-II型澄清劑（先加入B組分3 mL，反應1 h后加入A組分，每隔30 min攪拌1次）反應2 h后，離心（6 000 r/min、6 min），取上清液 1 mL 加入1 mL蒸餾水、1 mL 2%苯酚及5 mL濃硫酸，搖勻后沸水浴加熱15 min，冷卻至室溫（25±5）℃，在490 nm的波長處測定吸光度。甘蔗葉多糖提取量根據下列公式進行計算[11-12]。

式中：C為按標準曲線方程得到的多糖溶液濃度，mg/mL；V為多糖溶液體積，mL；W 為原料質量，g；D為稀釋倍數。

1.3.3 球磨預處理

稱取甘蔗葉粉末 80 g，在球磨時間 30、50、70、90、110、130 min，球磨頻率 5、10、15、20、25、30 Hz和球料比35 ∶1、40 ∶1、45 ∶1、50 ∶1、55 ∶1、60 ∶1（g/g）條件下進行研磨處理，稱取球磨處理后甘蔗葉粉末2.00 g，在液料比 25∶1（mL/g）、45℃下反應 30 min，以甘蔗葉多糖提取量為考察指標，確定最適的預處理條件。

1.3.4 超聲輔助提取甘蔗葉多糖的優(yōu)化試驗

準確稱取最優(yōu)預處理的甘蔗葉粉末2.00g到錐形瓶中，置于設定好超聲時間（30、50、70、90、110、130 min）、超聲功率（120、150、180、210、240、270 W）、超聲溫度（25、35、45、55、65、75 ℃）的超聲反應器中，在液料比為 15 ∶1、20 ∶1、25 ∶1、30 ∶1、35∶1、40 ∶1（mL/g）的條件下進行單因素試驗。

1.3.5 響應面優(yōu)化試驗設計

根據Box-Behnken設計原理優(yōu)化超聲輔助提取甘蔗葉多糖的工藝條件，并進行驗證試驗。試驗因素及水平見表1。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Factor level and codes of response surface test design

1.3.6 甘蔗葉多糖的抑菌性能測定

采用紙片擴散法[13]測定甘蔗葉多糖的抑菌活性，濾紙片直徑為6 mm，考察多糖濃度為0.08、0.10、0.12、0.14、0.16、0.18 mg/mL時對大腸桿菌及金黃色葡萄球菌的抑菌性能，以無菌生理鹽水做空白對照，37℃條件下培養(yǎng)24 h，測量抑菌圈直徑大小，抑菌圈直徑越大，抑菌能力越強。

1.3.7 體外抗氧化活性測定

將 VC和多糖樣品分別配制成 0.20、0.40、0.60、0.80、1.00、1.20 mg/mL 6個濃度梯度溶液，備用。

1.3.7.1 DPPH自由基清除性能測定

參照Yan等[14]方法略作修改，移取2 mL樣品溶液與4 mL 0.05 mg/mL DPPH-乙醇溶液充分混勻后，避光反應30 min，以無水乙醇為參比溶液，VC做陽性對照，在517 nm處測其吸光度，結果按下列公式計算。

式中：A1為樣品清除DPPH自由基后的吸光度；A2為樣品本身吸光度（DPPH溶液換成乙醇）；A0為空白組的吸光度（樣品溶液換成乙醇）。

1.3.7.2 羥基自由基清除試驗

參考楊電增等[15]的方法，移取2 mL樣品溶液與等體積的9.0 mmol/L水楊酸-乙醇溶液、9.0 mmol/L硫酸亞鐵溶液、9.0 mmol/L過氧化氫溶液充分混勻，37℃水浴30 min，以蒸餾水為參照溶液，VC做陽性對照，于510 nm處測其吸光度，結果按下列公式計算。

式中：A1為樣品清除羥自由基后的吸光度；A2為樣品本身吸光度（過氧化氫溶液換成蒸餾水）；A0為空白組的吸光度（樣品溶液換成蒸餾水）。

1.3.8 紅外光譜分析

將樣品（原料甘蔗葉粉和球磨預處理甘蔗葉粉、甘蔗葉多糖）與KBr混勻壓片后放入傅里葉紅外線光譜分析（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）儀中于4 000 cm-1～500 cm-1進行掃描。

1.3.9 數據分析

每組試驗均進行3組平行試驗，試驗結果由平均值±標準差表示。采用Origin9.1和響應面軟件進行數據處理及分析。

2 結果與分析

2.1 甘蔗葉球磨活化處理試驗結果

2.1.1 球磨時間對甘蔗葉多糖提取量的影響

球磨時間對甘蔗葉多糖提取量的影響見圖1。

圖1 球磨時間對甘蔗葉多糖提取量的影響Fig.1 The influence of the ball milling time on the extraction amount of sugarcane leaf polysaccharide

由圖1可知，甘蔗葉多糖的提取量隨球磨時間的延長呈現先增后減的趨勢，30 min～70 min時，隨著球磨時間延長，多糖提取量增加，這可能是因為甘蔗葉粉末顆粒變小，其細胞破裂程度增加[16]，70 min時提取量最大為8.52 mg/g；但球磨時間繼續(xù)延長，提取量減少，可能是由甘蔗葉粉末磨細過程中粉末出現團聚[17]導致。

2.1.2 球磨頻率對甘蔗葉多糖提取量的影響

球磨頻率對甘蔗葉多糖提取量的影響見圖2。

圖2 球磨頻率對甘蔗葉多糖提取量的影響Fig.2 The influence of the ball milling frequency on the extraction amount of sugarcane leaf polysaccharide

由圖2可知，在5 Hz～20 Hz范圍內甘蔗葉多糖的提取量隨頻率的增加而增加，20 Hz時達到最高提取量為8.52 mg/g，其原因可能是隨著頻率的增加粉末細胞破碎度增加[18]，甘蔗葉多糖提取量上升；20 Hz之后，因為轉速過大，球磨機內鋼珠相互研磨時間過長，導致溫度增加，多糖結構發(fā)生變化，多糖得率下降[19]。

2.1.3 球料比對甘蔗葉多糖提取量的影響

球料比對甘蔗葉多糖提取量的影響見圖3。

圖3 球料比對甘蔗葉多糖提取量的影響Fig.3 The influence of ball-to-material ratio on the extraction amount of sugarcane leaf polysaccharide

由圖3可知，在球料比 35∶1（g/g）～45∶1（g/g）內，甘蔗葉多糖的提取量隨球料比增大而增加，在球料比為45∶1（g/g）時多糖提取量達到最大值?？赡苁且驗殡S著球料比的增大鋼球與甘蔗葉粉末之間的碰撞頻率增大，體系的機械能也增大，甘蔗葉粉末的結構受到破壞，其反應活性增強，從而促進多糖的溶出[20]。但當球料比過大時，磨料被擠壓在磨球的下方，不能對磨料進行有效研磨[21]，從而導致提取量少。

綜上可知，機械活化預處理的最佳工藝條件為研磨時間 70 min，研磨功率 20 Hz，球料比 45 ∶1（g/g）。

2.2 超聲輔助提取甘蔗葉多糖的單因素試驗結果

2.2.1 超聲時間對甘蔗葉多糖提取量的影響

超聲時間對甘蔗葉多糖提取量的影響見圖4。

圖4 超聲時間對甘蔗葉多糖提取量的影響Fig.4 Effects of ultrasonic time on the extraction amount of polysaccharide from sugarcane leaves

由圖4可知，在超聲時間30 min～70 min時，甘蔗葉多糖提取量隨超聲時間延長而增加，然而，在超過70 min之后，甘蔗葉多糖提取量下降。這可能是時間太短，水的提取效率降低導致多糖未能充分溶出，而時間太長，雜質的溶出增加導致多糖的提取量下降[22]。

2.2.2 超聲功率對甘蔗葉多糖提取量的影響

超聲功率對甘蔗葉多糖提取量的影響見圖5。

圖5 超聲功率對甘蔗葉多糖提取量的影響Fig.5 Effects of ultrasonic power on the extraction amount of polysaccharide from sugarcane leaves

由圖5可知，在超聲功率120 W～270 W時，甘蔗葉多糖提取量先增后減，在210 W時達到最大值為9.09 mg/g；在超聲功率超過210 W后，功率越高，提取量越低，這可能是由非糖物質的溶解造成的[23]。

2.2.3 超聲溫度對甘蔗葉多糖提取量的影響

提取溫度對甘蔗葉多糖提取量的影響見圖6。

圖6 超聲溫度對甘蔗葉多糖提取量的影響Fig.6 Effects of ultrasonic temperature on extraction amount of polysaccharide from sugarcane leaves

由圖6可知，在超聲溫度25℃～55℃時，甘蔗葉多糖提取量隨超聲溫度升高而增大，至55℃時達到最高值為9.83 mg/g，之后隨著超聲溫度的升高，提取量反而下降，可能是因為溫度過高破壞了甘蔗葉多糖的糖苷結構，多糖降解，從而提取量下降[24]。

2.2.4 液料比對甘蔗葉多糖提取量的影響

液料比對甘蔗葉多糖提取量的影響見圖7。

圖7 液料比對甘蔗葉多糖提取量的影響Fig.7 Effects of liquid-material ratio on extraction amount of polysaccharide from sugarcane leaves

由圖7可知，甘蔗葉多糖提取量在液料比從15 ∶1（mL/g）到 25∶1（mL/g）時明顯增大，液料比從25 ∶1（mL/g）到 40∶1（mL/g）時逐漸下降。這可能是提取劑較少時甘蔗葉粉末團聚在一起，水分子不易進入，導致提取量減少[25]；但過量的提取劑使超聲能量更易于被提取劑吸收，相應的空化氣泡對能量的吸收減少，導致細胞壁破裂不完全，降低了甘蔗葉多糖的提取量[26]。

2.3 響應面結果與分析

2.3.1 響應面結果

基于單因素分析，利用響應面優(yōu)化軟件的試驗設計原理得到獨立變量（液料比、超聲溫度、超聲功率、超聲時間）對多糖提取率的影響結果如表2所示。

表2 響應面試驗設計及響應值Table 2 The Box-Behnken response surface design and corresponding response values

用Design-Expert 8.0.6軟件對所得的結果與輸入變量之間的試驗關系進行擬合，得到回歸方程為Y=9.83+0.045A+0.32B+0.083C+0.21D-0.11AB-0.030AC+0.048AD+0.045BC+0.16BD+0.055CD-0.70A2-0.27B2-0.11C2-0.33D2。采用方差分析（ANOVA）來確認預測模型、各參數的顯著性以及它們之間相互作用的影響。方差分析結果如表3所示。

表3 方差分析Table 3 ANOVA analysis of response surface test

續(xù)表3 方差分析Continue table 3 ANOVA analysis of response surface test

由表 3 可知，回歸模型 F=118.60，P＜0.000 1，表明該模型出現誤差的概率小于0.01%，回歸方程可用于預測甘蔗葉多糖的提取過程；同時該模型的失擬項P=0.060 0＞0.05，不顯著。模型決定系數R2=0.991 6，R2Adj=0.983 3，表明試驗響應值與預測值的相關度高。此外，變異系數（C.V.%=0.63）低顯示了高度的可靠性和準確性。因此，可用該回歸模型對甘蔗葉多糖的吸光度進行分析和預測。通過各項方差分析的F值判斷各因素對響應值的影響程度，F值越大，各因素對甘蔗葉粗多糖提取量的影響越大，反之越小。由方差分析結果可知，4個因素對響應值影響的程度大小為B（超聲溫度）＞D（超聲時間）＞C（超聲功率）＞A（液料比）。模型中的一次項（B、C、D）、二次項（A2、B2、C2、D2）以及交互項（AB、BD）的P值均小于0.01為極顯著，一次項（A）的P值小于0.05影響顯著，其余項影響均不顯著。

2.3.2 交互作用分析

響應面圖和等高線圖見圖8～圖13。

圖8 液料比與超聲溫度的交互影響圖Fig.8 Interaction diagram of liquid-material ratio and reaction temperature

圖9 超聲溫度與超聲時間的交互影響圖Fig.9 Interaction diagram of ultrasonic temperature and the ultrasonic time

圖10 超聲功率與液料比的交互影響圖Fig.10 Interaction diagram of ultrasonic power and liquid-material ratio

圖11 超聲時間與液料比的交互影響圖Fig.11 Interaction diagram of ultrasonic time and liquid-material ratio

圖12 超聲功率與超聲溫度的交互影響圖Fig.12 Interaction diagram of ultrasonic power and ultrasonic temperature

圖13 超聲時間與超聲功率的交互影響圖Fig.13 Interaction diagram of ultrasonic time and ultrasonic power

響應面中各因素的影響是交互的，其交互影響程度可以通過等高線的密集度和響應面的坡度來判斷，等高線越密集、響應面越陡峭，交互作用越大；等高線間的間距越大，表示交互越小[27]。

由圖8～圖13可知，液料比與超聲溫度、超聲溫度與超聲時間等高線呈橢圓形，說明各兩因素之間有著極其顯著的交互作用。

2.3.3 響應面優(yōu)化及驗證

根據回歸方程和響應面分析，最佳提取條件為液料比 24.86 ∶1（mL/g）、超聲功率 231.36 W、超聲時間65.74 min、超聲溫度65.31℃，此時甘蔗葉多糖提取量為10.05 mg/g。為了驗證模型方程的有效性，在調整后的條件下[液料比 25 ∶1（mL/g）、超聲功率 230 W、超聲時間66 min、超聲溫度65℃]進行了驗證試驗，甘蔗葉多糖的平均提取量為10.10 mg/g，與模型預測值相對誤差僅為0.50%，證明該模型可靠，可用于優(yōu)化甘蔗葉多糖的提取工藝。

2.4 甘蔗葉多糖的抑菌效果

不同濃度的甘蔗葉多糖對2種菌株的抑制效果如圖14所示。

圖14 甘蔗葉多糖對2種供試菌的抑菌效果Fig.14 Antimicrobial effect of polysaccharide from sugarcane leaves on 2 tested bacteria

抑菌圈直徑越大抑菌效果越強，由圖14可知，甘蔗葉多糖對2種供試菌（大腸桿菌和金黃色葡萄球菌）的抑菌圈直徑均＞6.0 mm，且同濃度的多糖溶液對大腸桿菌的抑菌圈直徑小于金黃色葡萄球菌，表明甘蔗葉多糖對2種供試菌均具有抑制作用，其抑菌效果隨著多糖濃度的增大而增強，且對金黃色葡萄球菌的抑制效果優(yōu)于大腸桿菌。

圖15是甘蔗葉多糖濃度為0.14 mg/mL時對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌效果圖。

圖15 2種供試菌的抑菌效果圖Fig.15 Antibacterial effect of 2 tested bacteria

由圖15可知，甘蔗葉多糖溶液對2種供試菌均具有較好的抑制作用，抑菌圈直徑分別是9.27 mm和12.41 mm。

2.5 甘蔗葉多糖的自由基清除效果

甘蔗葉多糖對DPPH·和·OH的清除能力分別如圖16、圖17所示。

圖16 甘蔗葉多糖對DPPH自由基的清除能力Fig.16 DPPH free radical scavenging ability of polysaccharide from sugarcane leaves

圖17 甘蔗葉多糖對羥基自由基的清除能力Fig.17 The hydroxyl radical scavenging ability of polysaccharide from sugarcane leaves

由圖16～圖17可知，0.2 mg/mL～1.2 mg/mL 質量濃度范圍內，甘蔗葉多糖和VC對DPPH·和·OH的清除率均隨著濃度的增大而增強，呈良好的劑量依賴效應。當濃度為1.2 mg/mL時，甘蔗葉多糖對DPPH·和·OH的清除率達到最大值，分別為95.20%和93.46%，與VC的清除效率接近，表明其具有做抗氧化劑的潛力。

2.6 FT-IR分析

圖18為甘蔗葉粉末經機械球磨預處理前后的紅外光譜圖。

圖18 甘蔗葉粉末球磨預處理前后的紅外光譜圖Fig.18 FT-IR spectra of sugarcane leaves before and after ball milling pretreatment

球磨處理前后甘蔗葉粉末的主要吸收峰基本一致，說明球磨處理后甘蔗葉粉末的主要官能團未發(fā)生改變。3 600 cm-1～3 000 cm-1處是分子內O-H的伸縮振動吸收峰[28]，由圖18可知，球磨預處理原料在此處的吸收峰的譜峰變寬，表明此處形成氫鍵的羥基增多，部分糖苷鍵發(fā)生了斷裂[29]。

圖19為甘蔗葉多糖的紅外光譜圖。

圖19 甘蔗葉多糖的紅外光譜圖Fig.19 FTIR spectra of polysaccharide from sugarcane leaves

由圖19可知，3 480 cm-1處為多糖O-H伸縮振動特征峰，1 638 cm-1和1 405 cm-1附近的吸收峰是甘蔗葉多糖結構中C=O的非對稱伸縮振動和C-H的邊角振動產生[30]。1 070 cm-1和1 241 cm-1的吸收峰表明甘蔗葉多糖中含有吡喃糖環(huán)，886 cm-1處出現吸收峰說明甘蔗葉多糖中含有β-糖苷鍵[31]。

3 結論

本文采用機械活化預處理結合超聲輔助提取甘蔗葉粗多糖，研究研磨時間、研磨頻率和球料比對甘蔗葉多糖提取量的影響，發(fā)現在球磨時間70 min、球磨頻率20 Hz、球料比45∶1（g/g）條件下甘蔗葉多糖提取量最大。響應面優(yōu)化超聲法提取甘蔗葉多糖的最佳提取條件為液料比25∶1（mL/g）、超聲功率230 W、超聲時間66 min、超聲溫度65℃，此時多糖提取量為10.10 mg/g，較未超聲處理提高18.54%，證明超聲波能有效提高多糖的提取量。提取的甘蔗葉多糖具有良好的清除DPPH自由基、羥基自由基的能力，但略低于VC；體外抑菌實驗結果表明，甘蔗葉多糖對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有抑制作用，對金黃色葡萄球菌的抑制效果優(yōu)于大腸桿菌；紅外譜圖結果顯示，甘蔗葉粉末經球磨處理后其化學結構基本未發(fā)生改變，提取的甘蔗葉多糖具有多糖類物質的特征吸收峰。