β-葡萄糖苷酶對甜菊糖苷的水解作用條件

童紅梅，宋巧*，張敏，郭敏，何丹

甘肅醫學院（平涼 744000）

甜葉菊（Steviarebaudiana）原產南美洲的菊科（Asteraceae）甜菊屬（Stevia）多年生草本植物，因其葉片含有高甜度低熱量的甜菊糖苷（steviolglycosides）而聞名[1]，甜菊糖苷是甜葉菊體內的一種次生代謝產物，其甜度高達蔗糖的250～450倍，熱量卻低至蔗糖的1/300，作為天然低熱量甜味劑被譽為“世界第三糖源”[2]，廣泛應用于食品、飲料、醫藥、化工等領域。并具有預防和治療肥胖癥、糖尿病、高血壓、抗氧化、抗菌抗癌和增強免疫力等藥用價值[3-5]。

β-葡萄糖苷酶又稱β-D-葡萄糖苷水解酶，可有效調節甜菊糖苷的合成與分解、糖基化與去糖基化的動態平衡，促進甜菊糖苷的水解[6-7]，這在甜菊糖苷提取研究中尚未見相關報道。為此，試驗通過添加β-葡萄糖苷酶水解甜菊糖苷，對β-葡萄糖苷酶的生物學特性進行研究，以期明確β-葡萄糖苷酶對甜菊糖苷產量、品質指標影響的內在作用機制，為甜菊糖苷成品高品質奠定理論與試驗基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗以甘肅省平涼產甜葉菊品種“普6”為試驗材料，于2021年9月甜菊旺盛生長期采集植株中上部的新鮮莖稈、葉片，稱重10.000 g分裝，液氮速凍后于冰箱-80 ℃保存，由平涼市農科院專家鑒別，冷藏于0 ℃備用。

1.2 試驗儀器

島津LC-16型液相色譜儀，色譜檢測工作站、二元陣列高壓電子梯度色譜泵、二極管陣列色譜檢測[島津儀器（蘇州）有限公司]；鼓風干燥箱（山東博科科學儀器公司）；SY-500型數控超聲波清洗儀（250 W、40 kHz，合肥恒泰超聲波設備有限公司）；FA2004型分析天平（濟南鑫宇鑫醫療設備有限公司）；SHB-III型循環水式多用真空泵（河南省艾瑞德儀器設備有限公司）；JY-33型手持糖度計（西安測維光電）。

1.3 試驗試劑

75%乙醇（分析純，無錫源之泉化工產品有限公司）；乙腈（色譜純，山東瑞港化工有限公司）；甲醇（色譜純，東莞市南箭精細化工有限公司）；磷酸（分析純，山東振華工業股份有限公司）；萊鮑迪苷A（生產批號21041011，規格1 g/支，純度≥98%）；斯替夫苷（生產批號21034008，規格1 g/支，純度≥98%）；甜菊苷（生產批號21082603，500 mg/支，純度≥98%）；超純水。

1.4 試驗方法

1.4.1β-葡萄糖苷酶活性測定與計算

試管中取600 μL酶液、200 μL pH 7.0的磷酸緩沖液和200 μL 10 mmol/L的對硝基苯酚-β-D-葡萄糖苷（4-nitrophenylβ-D-glucopyranoside，pNPG），混勻后置于37 ℃恒溫水浴鍋內反應1 h。反應結束后，加入2 mL 1 mol/L Na2CO3終止反應。反應液以5 000 r/min離心1 min后，取上清液于410 nm波長進行比色，以加熱失活的酶液同樣處理為空白對照[8]。

1.4.2β-葡萄糖苷酶酶活力

β-葡萄糖苷酶活力國際單位定義為以pNPG為底物，每分鐘釋放出1 μmol對硝基苯酚（pNP）所需要的酶量。β-葡萄糖苷酶能水解pNPG中的糖苷鍵生成pNP，pNP在堿性溶液中呈現黃色，在410 nm波長下有最高吸收峰，故用分光光度法測定波長410 nm處的吸光度，繪制標準曲線，根據標準曲線計算β-葡萄糖苷酶的活力[9]。

1.4.2.1 對硝基苯酚標準曲線的繪制

準確稱量pNP 139.0 mg，用蒸餾水溶解并定容至1 000 mL。分別吸取該溶液1，2，3，4，5和6 mL至100 mL容量瓶中，用1 mol/L Na2CO3溶液定容并將其混勻，使pNP濃度分別為0.01，0.02，0.03，0.04，0.05和0.06 μmol/L。以蒸餾水為空白對照，在410 nm波長處測定吸光度，吸光度為縱坐標，pNP的濃度為橫坐標，繪制pNP標準曲線。

1.4.2.2 酶活性計算

酶活性=Y×V2×V/K×V1×M×T（1）式中：酶活性單位為U/g；Y為酶促反應的吸光度；V2為總反應液量，mL；V為酶液的提取總量，mL；K為對硝基苯酚標準曲線斜率；V1為反應體系中酶液量，mL；M為試樣質量，g；T為反應時間，min。

1.4.3β-葡萄糖苷酶作用條件研究

1.4.3.1β-葡萄糖苷酶最適酶濃度確定

天平精確稱取10 g干燥的甜菊莖稈、葉片，研成粉末，以1∶50（g/mL）比例加入75%乙醇，44.7 Hz、60 ℃超聲提取60 min，加入500，600，700，800和900 U的β-葡萄糖苷酶；重復3次，將樣本置于40 ℃水浴鍋中，反應2 h后，按10 000 r/min 30 s離心取上清液并經0.45 μm微孔濾膜過濾備用。測定可溶性固形物、萊孢迪苷、斯替夫苷 的含量。

1.4.3.2β-葡萄糖苷酶最適溫度確定

天平精確稱取10 g干燥的甜菊莖稈、葉片，研成粉末，以1∶50（g/mL）比例加入75%乙醇，44.7 Hz、60 ℃超聲提取，加入500 Uβ-葡萄糖苷酶；重復3次，將樣本置于30，40，50，60 和70 ℃水浴鍋中，2 h后按10 000 r/min，30 s離心取上清液并經0.45 μm微孔濾膜過濾備用。測定可溶性固形物、萊孢迪苷、斯替夫苷 的含量。

1.4.3.3β-葡萄糖苷酶最適pH確定

天平精確稱取10 g干燥的甜菊莖稈、葉片，研成粉末，以1∶50（g/mL）比例加入75%乙醇，按44.7 Hz、60 ℃超聲提取60 min，加入500 Uβ-葡萄糖苷酶；重復3次；滴加pH 5.0，6.8，7.0，8.0和9.0的磷酸鹽溶液20滴，將樣本置于40 ℃水浴鍋中，反應2 h后，按10 000 r/min，30 s離心取上清液并經0.45 μm微孔濾膜過濾備用。測定可溶性固形物、萊孢迪苷、斯替夫苷的含量。

1.4.4 HPLC法測定甜菊糖苷含量

1.4.4.1 色譜條件

色譜柱為Agilent Zorbax SB-C18柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），流動相為乙腈（A）-水（B），梯度洗脫（0～20 min，10%～90%，20～30 min，90%～100%），流速0.8 mL/min，檢測波長210 nm，柱溫30℃，進樣量10 μL。

1.4.4.2 標準品溶液制備

甜菊苷含量（質量分數，以干基計）≥99.0%。萊鮑迪苷A與斯替夫苷（St）標準品：質量分數，以干基計≥99.0%。將甜菊糖苷標準品置于105 ℃干燥箱中烘2 h，精密稱取5 mg，溶液溶解并定容至10 mL，搖勻置于棕色瓶中。即配成質量濃度0.5 mg/mL的標準品溶液，經0.45 μm微孔濾膜過濾，備用。吸取10 μL標液進樣，并記錄。

1.4.4.3 甜菊糖苷供試樣品溶液的制備

按照1.4.3方法制備樣品。

1.4.4.4 結果計算取上述供試樣品溶液連續進樣3次，進樣量10 μL，記錄峰面積，計算甜菊苷、萊孢迪苷、斯替夫苷 的含量。

1.4.5 數據處理

試驗結果采用SPSS 22.0和Excel 2010進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 對硝基苯酚標準曲線的繪制

按照1.4.2.1的方法繪制對硝基苯酚標準曲線，結果如圖1所示。橫軸X為對硝基苯酚的濃度（μmol/L），縱軸Y為吸光度，得到對硝基苯酚標準曲線的回歸方程。后續試驗將根據該標準曲線通過吸光度計算酶活力。

圖1 對硝基苯酚標準曲線

2.2 β-葡萄糖苷酶水解甜菊糖苷作用條件研究

2.2.1β-葡萄糖苷酶最適酶濃度確定

取甜菊糖苷莖稈、葉片超聲提取液10 mL，添加β-葡萄糖苷酶量500，600，700，800和900 U/g，反應溫度為40 ℃、反應時間為2 h，測定可溶性固形物含量，結果如表1所示。隨著β-葡萄糖苷酶量的增加，莖稈與葉片中可溶性固形物含量呈現增加趨勢，β-葡萄糖苷酶量700 U/g時莖稈中可溶性固形物含量最高，β-葡萄糖苷酶量600 U/g時葉片中可溶性固形物含量最高，隨著酶濃度繼續增加，莖稈中可溶性固形物含量增幅變慢；考慮到成本建議β-葡萄糖苷酶最適酶濃度確定為600 U/g適宜。

表1 不同酶濃度對β-葡萄糖苷酶水解甜菊糖苷作用的影響（±S）

表1 不同酶濃度對β-葡萄糖苷酶水解甜菊糖苷作用的影響（±S）

β-葡糖糖苷酶酶濃度/(U·g-1)葉片可溶性固形/%500 8.01 8.89 600 12.33 12.87 700 12.77 11.37 800 12.10 11.51 900 12.33 11.62莖稈可溶性固形物/%

2.2.2β-葡萄糖苷酶最適溫度確定

取10 mL甜菊糖苷莖稈、葉片超聲提取液，添加β-葡萄糖苷酶量600 U/g，反應溫度分別為30，40，50，60和70 ℃，反應時間為2 h，測定可溶性固形物的含量，結果如表2所示。40 ℃時莖稈、葉片中的可溶性固形物含量最高，說明β-葡萄糖苷酶40 ℃時酶活性最高，水解甜葉菊莖稈、葉片中甜菊糖苷物質效果最好，隨著溫度升高酶活性受到抑制，水解作用變弱。由此可見β-葡萄糖苷酶水解甜菊糖苷作用的最適溫度為40 ℃。

表2 不同溫度對β-葡萄糖苷酶水解甜菊糖苷作用的影響（±S）

表2 不同溫度對β-葡萄糖苷酶水解甜菊糖苷作用的影響（±S）

反應溫度/℃ 莖稈可溶性固形物/% 葉片可溶性固形/%30 10.01 10.89 40 12.27 13.57 50 8.53 9.41 60 8.31 7.41 70 7.24 7.22

2.2.3β-葡萄糖苷酶最適pH確定

取甜菊糖苷莖稈、葉片超聲水提取液10 mL，添加β-葡萄糖苷酶量600 U/g，反應溫度40 ℃、反應時間2 h，pH分別為5.0，6.8，7.0，8.0和9.0，進行水解反應，測定可溶性固形物含量，結果如表3所示。pH 7.0時，該酶活性最強，莖稈葉片中可溶性固形物含量最高，偏酸偏堿都不利于甜菊糖苷水解。

表3 不同pH對β-葡萄糖苷酶水解甜菊糖苷作用的影響（±S）

表3 不同pH對β-葡萄糖苷酶水解甜菊糖苷作用的影響（±S）

pH 莖稈可溶性固形物/% 葉片可溶性固形物/%5.0 6.80 7.42 6.8 9.75 10.44 7.0 9.87 10.89 8.0 5.54 5.21 9.0 5.11 5.14

2.2.4 HPLC法測定甜菊糖苷含量

取10 mL甜菊糖苷莖稈、葉片超聲提取液，在β-葡萄糖苷酶添加量600 U/g、反應溫度40 ℃、反應時間2 h、pH 7.0條件下制備反應液，未添加β-葡萄糖苷酶的做對照（CK），HPLC條件為C18反相色譜柱（250.0 mm×4.6 mm），流動相為乙腈-磷酸鈉緩沖液（30∶70，體積比），梯度洗脫，流速1 mL/min，柱溫40 ℃，測定波長210 nm，進樣量10 μL，計算峰面積。結果如表4所示。

表4 HPLC法測定β-葡萄糖苷酶量水解甜菊糖苷含量單位：mg/g

甜葉菊“普六”品種的莖稈中甜菊糖苷含量為0.167 mg/g，萊鮑迪苷A含量為0.125 mg/g，斯替夫苷含量為0.022 mg/g；葉片中的甜菊糖苷含量為0.184 mg/g，萊鮑迪苷A含量為0.153 mg/g，斯替夫苷 含量為0.035 mg/g，葉片甜菊糖苷含量高于莖稈；與對照相比，甜葉菊莖稈中甜菊糖苷含量提高28.7%，萊孢迪苷A含量提高23.7%，斯替夫苷 含量提高15.8%；葉片中甜菊糖苷含量提高19.9%，萊孢迪苷A含量提高25.7%，斯替夫苷含量提高21.9%；由此可見，β-葡萄糖苷酶可有效水解甜葉菊莖稈與葉片中的糖苷類物質，可以提高甜菊糖苷得率。

3 結論

β-葡萄糖苷酶在自然界中廣泛存在，其生物學功能多種多樣[10]，可以是植物醇系香氣產生的一種關鍵酶，在橡膠[12]、葡萄[13]、茶樹等植物中已有大量研究報道，同時該酶在人參皂苷、大豆異黃酮苷等萜類糖苷降解中的關鍵作用也有研究[14-15]。甜菊糖苷是以甜菊醇為苷元的四環二萜類糖苷，β-葡萄糖苷酶理應對甜菊糖苷的分解轉化起作用[16]。

以甜葉菊莖稈和葉片為試驗材料，結果表明pH 7.0、β-葡萄糖苷酶添加量600 U/g、40 ℃條件下水解、超聲（60 ℃、44.7 Hz、2 h）乙醇提取的甜菊糖苷、甜葉菊莖稈中甜菊糖苷含量為0.167 mg/g，萊鮑迪苷A含量為0.125 mg/g，斯替夫苷 含量為0.022 mg/g；葉片中甜菊糖苷含量為0.184 mg/g，萊鮑迪苷A含量為0.153 mg/g，斯替夫苷含量為0.035 mg/g，葉片甜菊糖苷含量高于莖稈。與未經β-葡萄糖苷酶處理對照相比，甜葉菊莖稈中甜菊糖苷含量提高28.7%，萊孢迪苷A含量提高23.7%，斯替夫苷含量提高15.8%。葉片中甜菊糖苷含量提高19.9%，萊孢迪苷A含量提高25.9%，斯替夫苷含量提高21.9%。由此可見，β-葡萄糖苷酶可有效水解甜葉菊莖稈與葉片中的糖苷類物質，提高甜菊糖苷得率，莖稈中的甜菊糖苷也得以被利用。