張倩如,吳啟賜, ,薛 鈺,林志超,黃家福,呂昊坤,彭 偉,潘裕添,林進妹
(1.閩南師范大學菌物產業福建省高校工程研究中心,福建漳州 363000;2.閩南師范大學化學化工與環境學院,福建漳州 363000)
D-氨基葡萄糖鹽酸鹽(D-glucosamine hydrochloride,GAH)是甲殼素或殼聚糖的重要衍生物[1-3],是人體及動物體內關節組織中糖蛋白的天然成分,分布于人體所有組織,由葡萄糖氨基化內源性生物合成[4]。GAH 具有消炎、解毒、抗菌、防腐等作用,亦可作為治療骨關節疼痛的藥物[5-9],在醫學、化妝品、食品等領域都有著廣泛的應用前景。GAH 的制備方法包括酸水解法、酶解法及微生物發酵法[10]。其中酸解法操作簡單,成本較低,適合工業化生產,但其生產易受原料的季節和產地的限制;酶解法綠色環保,但生產工藝復雜,酶制劑作用時間普遍較長,生產成本較高,較難實現工業化;微生物發酵法條件溫和,原材料不受資源限制,但微生物工程代謝改造困難,代謝副產物多,從而抑制產物積累。針對當前應用最廣的酸解法,廢棄蝦蟹殼中甲殼素是制備GAH 的主要原料[10],也有一些其他來源,如蟬蛻[11]、桑蠶蛹[12]、檸檬酸發酵廢渣[13]、糙皮側耳固體發酵料[14]等,但這些原料因為來源或產品質量問題而限制其規?;a。蝦蟹殼酸解制備的GAH 產品質量較差,通常伴有魚腥味,重金屬、砷和灰分含量也容易超標,生產高純度GAH 的成本很高。因此,尋找新原料新工藝生產高品質的GAH 產品具有重要意義。
杏鮑菇(Pleurotus eryngii)是目前中國繼雙孢蘑菇之后栽培規模最大的食用菌之一,產品主要用于鮮售,而鮮售的商品菇僅占子實體總重量的70%左右,尚有30%的杏鮑菇子實體剩余物被丟棄或低價出售[15]。這些杏鮑菇子實體剩余物含有大量菌絲體和其他營養物質,同樣具有可深度開發的價值[10]。在食用菌精深加工研究中,人們尤其關注占據細胞干重20%以上的細胞壁物質[16-17],包括研究其物質組成與結構,以及其是否具備特殊可應用于人類健康或疾病治療的生物學功能,因此杏鮑菇菌絲體細胞壁中的主要結構物質“甲殼素-β-葡聚糖(Chitin-β-Glucan)”也成為GAH 制備的重要研究對象之一,目前已引起產業的高度關注。
本文針對杏鮑菇產業發展過程中的廢棄菌渣(主要為子實體剩余物)去向問題,研究了來源于杏鮑菇廢棄菌渣的GAH 制備工藝、產品質量及其對斑馬魚胚胎發育的影響,旨在為GAH 生產提供新原料和新制備工藝,同時也為提高杏鮑菇產業剩余物的綜合利用價值提供理論依據。
杏鮑菇廢棄菌渣 杏鮑菇鮮品產自福建漳州(2022 年7 月采收),由福建科人生物科技有限公司采購,切除70%的子實體用于鮮銷或制備罐頭,剩余的子實體部分即為廢棄菌渣;D-氨基葡萄糖鹽酸鹽標準品(純度≥99%) 美國Sigma 公司;活性炭廣東汕頭市西隴化工廠;乙酰丙酮和對二甲氨基苯甲醛 分析純,上海瑞碩化工有限公司;野生型TU 品系斑馬魚 清華大學孟安明課題組;地高辛標記的tgfβ1a、tgfβ2探針采用體外合成的方法,所采用的相關試劑購自Roche 公司;其余試劑均為市售分析純。
Senco R1002B 旋轉蒸發儀 上海申生科技有限公司;Centrifuge 5810R 高速冷凍離心機 Eppenddorf;LG-0.2 型真空冷凍干燥機 沈陽航天新陽速凍設備制造有限公司;EV322 旋轉蒸發儀 北京萊伯泰科儀器股份有限公司;UV-2102PCS 型紫外可見分光光度計 Unico 公司;WXG-4 圓盤旋光儀 上海浦東光學儀器廠;360 型傅里葉紅外光譜儀 美國Nicolet 儀器公司;Agilent 1200 高效液相色譜儀和XCT 液相色譜-質譜聯用儀HPLC-MS 美國Agilent公司;JM-L65 膠體磨 溫州強忠機械科技有限公司;板框過濾器 廊坊市頂天輕工機械有限公司;BS124S 電子分析天平 德國賽多利斯;SMZ18 體視顯微鏡 日本Nikon 公司。
1.2.1 原料預處理 原料預處理過程如下:杏鮑菇廢棄菌渣切碎后用膠體磨粉碎,在100 ℃下水煮2 h,冷卻后經板框過濾;濾液用于提取杏鮑菇多糖,殘渣用2%的NaOH 回流煮沸2 h(液固比為4 mL/g)以除去蛋白質,冷卻壓濾,殘渣水洗至中性;再用1%的HAc 煮沸2 h(液固比為4 mL/g),冷卻壓濾,殘渣水洗至中性,干燥粉碎,即得預處理殘渣。
1.2.2 酸水解制備GAH 工藝 準確稱取0.5 g 預處理殘渣,加入一定濃度的鹽酸溶液,控制液固比、溫度和時間進行冷凝回流提取,冷卻抽濾得濾液,并加入適量純水洗滌濾渣,合并濾液與洗滌液,經旋轉蒸發濃縮至三分之一體積,以去除大部分鹽酸,再定容至100 mL 測定GAH 含量。
1.2.3 單因素實驗
1.2.3.1 鹽酸濃度對GAH 得率的影響 設置水解時間3 h,水解溫度95 ℃,液固比4 mL/g,考察鹽酸濃度(質量百分濃度分別為12%、18%、24%、30%和36%)對GAH 得率的影響。
1.2.3.2 水解時間對GAH 得率的影響 設置鹽酸濃度36%,水解溫度95 ℃,液固比4 mL/g,考察水解時間(分別為2、3、4、5 和6 h)對GAH 得率的影響。
1.2.3.3 水解溫度對GAH 得率的影響 設置鹽酸濃度36%,水解時間3 h,液固比4 mL/g,考察水解溫度(分別為60、70、80、90 和100 ℃)對GAH 得率的影響。
1.2.3.4 液固比對GAH 得率的影響 設置鹽酸濃度36%,水解時間3 h,水解溫度95 ℃,考察液固比(分別為3、4、5、6 和7 mL/g)對GAH 得率的影響。
1.2.4 響應面試驗 根據單因素實驗得到的最優參數,以GAH 得率(Y)為考察指標,鹽酸濃度(A),水解時間(B)、水解溫度(C)及液固比(D)為自變量,應用Box-Behnken Design 進行響應面法優化,試驗設計見表1。

表1 Box-Behnken 設計響應面法優化GAH制備工藝的因素水平Table 1 Factors and levels of GAH preparation process by Box-Behnken design-response surface method
1.2.5 GAH 純化
1.2.5.1 活性炭脫色 準確稱取20 g 預處理原料,按1.2.2 方法的最優參數進行水解。水解液中加入2%活性炭,在80 ℃脫色2 h,冷卻抽濾,除去活性炭,得到澄清GAH 脫色液。
1.2.5.2 粗結晶 將GAH 脫色液進行真空旋轉蒸發濃縮,待濃縮瓶內出現大量晶體時停止濃縮,將濃縮液與晶體轉移至燒杯,加入過量95%乙醇并冷卻至4 ℃,過濾的濾渣為GAH 粗結晶。
1.2.5.3 重結晶 將GAH 粗結晶溶解于少量熱水中,趁熱過濾,并加入無水乙醇,持續攪拌1 h,冷卻至4 ℃,過濾得GAH 晶體,凍干得白色結晶粉末,即為GAH 純化樣品。
1.2.6 GAH 得率測定 參照文獻[18]中的Elson-Morgan 法進行GAH 含量測定,標準曲線為:y=0.0129x+0.1002;R2=0.9935,并按照下列公式計算GAH 得率。
式中:m 為樣品中GAH 質量,g;m0為預處理殘渣質量,g。
1.2.7 HPLC-MS 分析 HPLC 色譜條件:精確配制5.0 mg/mL 的GAH 標準品和純化樣品,HPLC 檢測方法參照美國藥典方法略做修改[19],即采用Stable Bond C18色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),以乙腈-0.05%磷酸溶液(調pH3.0)(40/60)為流動相,檢測波長195 nm,柱溫30 ℃,流速1.0 mL/min,進樣量20 μL。
MS 條件:采用電噴霧負離子模式(ESI-),毛細管電壓為3.0 kV,離子源溫度為120 ℃,脫溶劑氣為N2,脫溶劑溫度為350 ℃,脫溶劑氣流速為750 L/h,碰撞氣為高純Ar,離子檢測模式為多反應離子監測,質荷比(m/z)掃描范圍為90~620。
1.2.8 FT-IR 分析 采用KBr 壓片法對樣品進行傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)分析[20],將10 mg 該樣品置于瑪瑙缽中,以1/100 的比例加入干燥的KBr 粉末,研磨均勻,經壓片機2 t 壓力壓成透明薄片,在波數4000~400 cm-1范圍內進行16 次紅外光譜掃描,觀察譜峰情況。
1.2.9 GAH 產品的理化指標分析 GAH 純化樣品的理化指標分析參照美國藥典43-國家處方集38(USP43-NF38)中Glucosamine hydrochloride 的雜質限量檢測方法執行[19]。其中Cl-和SO42-含量測定參照USP43-NF38 通則(221)執行;pH 測定參照通則(791);比旋光度測定參照通則(781S);灰分測定參照通則(281);As 含量測定參照通則(211)。
1.2.10 GAH 純化樣品對斑馬魚胚胎發育的影響收集受精后0.75 h 以內(單細胞時期)的胚胎,按60 枚/組分為六組,分別用濃度為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%(w/v)的GAH 純化樣品溶液持續處理72 h。每12 h 更換一次培養液,同時挑出死亡胚胎或畸形嚴重導致發育停滯的胚胎。收集72 h時期的幼魚,觀察其整體發育情況,重點觀察胚胎的心臟是否有畸形水腫或充血,以及黑色素、黃色素的堆積情況。根據實驗中出現的不同表型進行分類,如正常型即野生型,較輕微的異常表型I 型,明顯的異常表型II 型,每個實驗組根據這三種表型的比例進行統計分析得出百分比圖堆積圖。
1.2.11 原位雜交試驗 收集受精后0.75 h 以內(單細胞時期)的胚胎,分別用濃度為0、0.05%、0.1%和0.3%(w/v)的GAH 純化樣品溶液處理胚胎24 h,每一組的胚胎數不少于12 枚。待胚胎發育至24 h,采用蛋白酶脫膜,再用4%多聚甲醛固定過夜,次日將固定的胚胎用甲醇進行梯度脫水,直至換成100%的甲醇。本研究通過原位雜交檢測tgfβ1a和tgfβ2的時空表達,整胚原位雜交方案是在標準實驗步驟的基礎上進行了修改[21-22],在雜交溫度、雜交時間進行了微調,如雜交溫度改為60 ℃,雜交時間延長至16 h。染色之后的胚胎泡在甘油中4 ℃保存待拍照。原位雜交的胚胎用帶有數碼攝頭的尼康SMZ18 體式顯微鏡拍照,圖像使用Photoshop 軟件處理。
所有實驗做3 次平行,所有數據均用平均值表示。采用GraphPad Prism 8 軟件進行統計學分析,利用One-Way ANOVA 對數據進行檢驗,顯著性水平設為0.05。利用Design-Expert 13 軟件做響應面優化設計及分析。
2.1.1 鹽酸濃度對GAH 得率的影響 如圖1A 所示,鹽酸濃度對杏鮑菇殘渣的水解影響很大。隨著鹽酸濃度的增加,GAH 得率呈現先增加后下降的趨勢,在鹽酸濃度為30%時,GAH 得率最高為19.40%。適宜濃度的鹽酸有利于杏鮑菇甲殼素酰胺鍵的破壞,進而釋放出GAH。當鹽酸濃度較低時,酰胺鍵難以被打開,導致水解不完全[12],隨著鹽酸濃度的增加,水解效果越加明顯。然而,當鹽酸濃度過高時,水解溶液的粘壁炭化現象也更加顯著,影響了水解效率,因此GAH 得率反而沒有提升。

圖1 不同提取因素對GAH 得率的影響Fig.1 Effects of different extraction factors on the yields of GAH
2.1.2 水解時間對GAH 得率的影響 如圖1B 所示,水解時間對于GAH 得率有一定的影響。在一定的溫度下,隨著反應時間的延長,杏鮑菇殘渣被逐步水解,GAH 含量逐漸增加,在反應4 h 時GAH 得率達到最大值為22.37%。隨著時間的繼續延長,得率開始逐步下降,可能是因為反應時間過長使得GAH又發生復合與再分解反應[23]。因此,4 h 為水解的最佳時間。
2.1.3 水解溫度對GAH 得率的影響 如圖1C 所示,溫度對GAH 得率有顯著影響。隨著溫度的升高,GAH 得率明顯提高,在溫度達到80 ℃時,GAH 得率最高為23.11%,進一步提高溫度,GAH 得率反而下降。溫度是影響水解反應的重要因素,反應溫度越高,越有利于水解反應的發生。但是試驗過程發現,溫度過高,水解得到的樣品溶液顏色加深,可能是氧化和焦化等副反應導致副產物增多[24]。另一方面,溫度越高,鹽酸的揮發性越強,也可能導致GAH 得率下降。
2.1.4 液固比對GAH 得率的影響 如圖1D 所示,液固比對水解反應影響較小,隨著液固比的增大,GAH 得率變化范圍較小。當液固比為5 mL/g 時GAH 得率最高達21.71%。鹽酸作為水解催化劑[12],用量過少,則水解反應不充分,且水解速率慢,產率低;但鹽酸用量過高,既增加成本和能耗,產率也沒明顯提高。
根據單因素實驗結果,采用Box-Behnken Design進行響應面優化設計,結果見表2。

表2 Box-Behnken 試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken design and results
2.2.1 模型的建立和顯著性檢驗 利用Design-Expert 13 軟件對表2 數據進行二次回歸擬合分析,得到鹽酸濃度(A)、水解時間(B)、水解溫度(C)及液固比(D)與GAH 得率(Y)之間的回歸方程為:
回歸模型的方差分析及顯著性分析見表3。

表3 回歸模型的方差分析及顯著性檢驗Table 3 Variance analysis and significance test of the regression model
F值越大和P值越小越能代表相關系數的顯著性[25-26]。由表3 可知,該回歸模型的F值102.94,P值<0.0001,表明回歸模型極顯著;失擬項P>0.05,說明差異不顯著;變異系數C.V.為2.36%(<10%),表明實驗的可信度和精確度高。模型相關系數R2為0.9904,說明該模型擬合度高,可預測實際試驗中99.04%的結果。校正決定系數R2Adj=0.9808 和預測決定系數R2Pred=0.9477 比較高且數值相近,即差值低于0.2,表明回歸模型能充分解釋本工藝過程[26-27]。精密度(Adeq Precision=38.7477)是有效信號與噪聲的比值,大于4 視為合理。因此,可以用此模型來解釋和預測杏鮑菇下腳料酸解制備工藝的各影響因素對GAH 得率的影響。
根據P值可以看出模型中一次項中A 和C 對響應值影響極顯著(P<0.0001),B 對響應值影響顯著(P<0.05),D 對響應值影響不顯著(P>0.05)。交互項中BC 對響應值影響極顯著(P<0.001),AC 對響應值影響較顯著(P<0.01),其余四組交互項對GAH 的得率無顯著影響。二次項中A2、B2、C2和D2對響應值影響均極顯著(P<0.0001)。因此,影響GAH 得率的因素依次為鹽酸濃度(A)>水解溫度(C)>水解時間(B)>液固比(D)。
2.2.2 響應面分析 響應面曲面的坡度和等高線圖的性狀可反映該因素交互作用對GAH 得率影響的強弱程度[28-29]。鹽酸濃度、水解時間、水解溫度及液固比對GAH 得率的影響如圖2 所示。

圖2 各因素對GAH 得率的交互作用響應面圖Fig.2 Response surface diagrams of the interaction of different factors to the GAH yields
由圖2B 可知,鹽酸濃度和水解溫度交互項響應面坡度較陡,對應的等高線比較密集,且呈橢圓形,說明兩者交互作用對GAH 得率有顯著影響,并且當鹽酸濃度較低時,GAH 得率隨著溫度的升高先上升后下降;當鹽酸濃度較高時,GAH 得率隨著溫度的升高而呈現先升后降的趨勢。此外,水解溫度和水解時間的交互作用(圖2D)也呈現類似的變化趨勢,對GAH 得率影響顯著。
鹽酸濃度和水解時間/液固比交互響應面坡度較平緩(圖2A 和圖2C),雖然等高線呈橢圓形,但是在鹽酸濃度一定時,隨著水解時間/液固比的增加GAH 得率變化不大,說明其交互作用對GAH 得率無顯著影響。液固比和水解時間交互響應面坡度更加平緩(圖2E),而且等高線呈圓形,說明兩者交互作用對GAH 得率無顯著影響。水解溫度和液固比交互響應面坡度平緩(圖2F),等高線也呈橢圓形,但是比較稀疏,而且在水解溫度一定時,隨著液固比的增加GAH 得率變化不大,說明液固比對GAH 得率的影響相對較小。
2.2.3 最佳工藝的確定及驗證 根據回歸模型可得酸水解制備GAH 的最佳工藝條件為:鹽酸濃度31.17%、時間4.05 h、溫度82.07 ℃、液固比5 mL/g,在此條件下GAH 得率最高,理論值為23.78%。為驗證上述回歸模型的準確性,本文根據實際試驗情況對理論最佳工藝條件進行調整:鹽酸濃度31%、時間4 h、溫度82 ℃、液固比5 mL/g。經3 次重復試驗后,得到的GAH 得率為23.61%,與理論值差異不顯著。由此證明試驗模型合理有效,并且GAH 得率顯著高于文獻報道的5.23%[23]。
2.3.1 HPLC 分析 由圖3 可知,GAH 純化樣品與標準品的出峰時間(分別為1.192 min 和1.185 min)基本相同,而且峰形對稱,無其他雜質峰。并且,在濃度相同情況下,GAH 純化樣品和標準品的主峰峰面積占比分別為97.83%和95.96%,意味著GAH 純化樣品的純度是標準品的101.9%。

圖3 GAH 純化樣品HPLC 圖Fig.3 HPLC chromatogram of GAH-purified sample
2.3.2 MS 分析 圖4 為GAH 標準品和純化樣品的MS 譜圖,經比較發現,二者有極高的相似度,均在低質譜區出現了豐度最大的碎片離子(質荷比m/z為214.1),可能是GAH 失去一個H+的[M-H+]碎片離子,因此,推測該化合物的分子量為215.1,結果與文獻報道一致[30]。

圖4 GAH 純化樣品MS 圖Fig.4 Mass spectrogram of GAH-purified sample
據文獻[24,30]報道顯示,3292 cm-1是N-H 鍵的伸縮振動,2943 cm-1是C-H 鍵的伸縮振動,1616 cm-1是N-H 鍵的面內彎曲振動、1065 cm-1是C-N 鍵的伸縮振動,912 cm-1N-H 鍵的面外彎曲振動。GAH純化樣品與標準品的紅外光譜圖如圖5 所示,二者均在3292、2943、1616、1065 和912 cm-1附近存在特征吸收峰,說明本工藝制備的GAH 純化樣品與標準品紅外圖譜基本吻合。

圖5 GAH 純化樣品紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectrum of GAH-purified sample
GAH 純化樣品各種理化指標如表4 所示,pH為4.1,比旋光度為+72.0°,符合美國藥典USP43-NF38 的要求。并且,重金屬砷僅為0.21 μg/g,明顯低于藥典的限量標準。此外,Cl-含量為16.42%,SO42-含量低于0.002%;灰分和干燥失重分別為0.04%和0.89%。因此,GAH 純化樣品的各項指標均符合甚至優于USP43-NF38 的規定,尤其在砷含量方面具有更明顯的優勢。

表4 GAH 純化樣品主要理化指標Table 4 Main physical and chemical indexes of GAH-purified sample
斑馬魚由于基因背景與哺乳動物相似、胚胎體表透明便于觀察、繁殖量大、發育快速等特點,被廣泛應用于疾病模型構建和高通量藥物篩選研究,近年來斑馬魚胚胎常被用于環境毒理測試中,是優良的模式動物。利用這個模式動物,我們前期的研究表明,雙孢蘑菇來源的GAH 對斑馬魚骨骼發育及損傷修復有良好的治療效果,效果甚至優于臨床常見的抗骨質疏松藥物阿侖膦酸鈉[31-32]。因此,本文同樣利用斑馬魚動物模型來初步探索杏鮑菇來源GAH 的毒性及生物活性。首先采用1.2.10 的給藥方法進行處理,檢測了不同GAH 濃度對斑馬魚胚胎發育的影響,結果表明,不同濃度下的GAH 能導致胚胎心臟發育出現不同程度的異常,不僅如此,GAH 對斑馬魚胚胎黑色素和黃色素的發育都有明顯的抑制作用。依據表型的嚴重程度將其分為三類,其中正常表型為野生型;較輕微的異常表型I 型表現為心包腫大,背部及卵黃處的色素堆積有輕微減少;嚴重的異常表型II 型表型為心包腫大、輕微出血,體表色素堆積明顯減少(圖6A)。隨著GAH 濃度升高,收集的斑馬魚數量逐漸減少,可能是因為高濃度會導致胚胎死亡,通過對每一組中不同表型的胚胎數量進行統計分析發現,中高濃度下(0.3~0.5%)的GAH 引發的胚胎發育異常比例都超過50%以上(圖6B)。


圖6 GAH 純化樣品對斑馬魚胚胎發育的影響Fig.6 Effects of GAH-purified sample on embryonic development of zebrafish
TGF-β信號通路幾乎存在于所有多細胞動物中且在進化上高度保守,對生物體胚胎發育、成熟及疾病進展都具有重要的功能。斑馬魚中存在4 個tgfβ配體,即tgfβ1a、tgfβ1b、tgfβ2 和tgfβ3。斑馬魚胚胎在0.05%、0.1%和0.3%的GAH 純化樣品浸泡24 h 后,通過整胚原位雜交檢測tgfβ1a 和tgfβ2 的mRNA 時空分布(圖6C),結果表明:與對照組(Ctr)相比,處理組中60%以上的胚胎tgfβ1a、tgfβ2mRNA的表達水平明顯上調,尤其是0.3%濃度下,上述基因在端腦、前端神經系統、脊索以及尾部的表達強度明顯增加,初步提示GAH 對TGF-β信號通路及調控的生理過程可能具有促進作用。
綜上,GAH 可能通過影響Tgf-β信號通路成員的mRNA 表達影響斑馬魚胚胎的早期發育,揭示以杏鮑菇為原料制備的GAH 具有值得探究的生物活性。
本文研究了以杏鮑菇廢棄菌渣為原料的GAH制備工藝、質量指標及其對斑馬魚胚胎發育的影響。酸解制備GAH 的最優工藝參數為:鹽酸濃度31%、時間4 h、溫度82 ℃、液固比5 mL/g,在此條件下GAH 得率為23.61%。HPLC-MS、FT-IR 和相關理化指標分析結果顯示,GAH 純化樣品純度為標準品的101.9%,分子量為215.1,紅外譜圖與標準品基本吻合,各項質量指標均符合甚至優于USP43-NF38 質量標準,其中砷含量僅0.21 μg/g。斑馬魚實驗結果表明,不同濃度GAH 會引起斑馬魚胚胎不同程度的發育異常,中高濃度(0.3%~0.5 %)的GAH 引發的斑馬魚胚胎發育異常比例超過50%,且0.3%的GAH 對TGF-β信號通路具有明顯的促進作用。
本研究充分利用杏鮑菇廢棄菌渣制備GAH,既為GAH 生產提供了一種高效制備方法,也為傳統的GAH 制備開辟新的原材料來源,還為中國杏鮑菇產業占據30%的剩余物開拓了其他應用途徑。本研究的研究方法對促進杏鮑菇產業多元化良性發展具有重要的參考價值,但在研究中仍存在因使用鹽酸的而帶來的環境問題,后期研究將集中于鹽酸替代試劑的研究,或通過構建連續制備工藝以減少鹽酸用量。