林華娟,田曉春,秦小明,路 垚,楊基柱
(1.廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院,廣東 湛江 524088;2.廣西桂人堂金花茶產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司,廣西 防城港 538021)
金花茶(Camellia chrysantha(Hu)Tuyama),山茶科、山茶屬、金花茶組植物,是廣西防城港一帶的珍貴茶葉之一,2010年被批準(zhǔn)為新資源食品。由于其獨特的金黃花色和生理活性功能,近年來受到許多學(xué)者和消費者的關(guān)注,并被譽為植物界“大熊貓”。許多研究結(jié)果表明金花茶提取物具有抗氧化[1]、降血脂[2-3]、抑制腫瘤生長[4-6]等多種生理功能,但是其功效關(guān)系尚不清楚,其中金花茶多糖被認(rèn)為是重要的功能因子之一。動物實驗[3]研究結(jié)果顯示,金花茶粗多糖具有明顯的降血脂作用。講述研究對金花茶多糖的理化性質(zhì)進行了初步研究,并采用Cellulose DE-52離子交換柱層析對金花茶多糖進行分離純化,分別得到了TPS0、TPS1、TPS2、TPS3、TPS4和TPS5等6個多糖組分。前3個組分以中性糖為主,后3個組分以半乳糖醛酸為主。另外,前3個組分中未檢測出鼠李糖,而后3個組分則含有約11%的鼠李糖,由此推測后3個組分的糖分子很可能是由以鼠李糖-半乳糖醛酸交替連接而成的毛發(fā)區(qū)域和由n個半乳糖醛酸連接而成的平滑區(qū)域等兩大片段組成。但是其化學(xué)結(jié)構(gòu)尚不清楚[7]。
對于果膠物質(zhì),目前比較公認(rèn)其分子主要是由毛發(fā)區(qū)域和由平滑區(qū)域等兩大區(qū)域組成。對于毛發(fā)區(qū)域,其主鏈?zhǔn)怯伞?)-α-D-GalpA-(1→2)-α-L-Rhap-(1→為基本單位的重復(fù)交替分子鏈,主鏈上的鼠李糖往往會連接以阿拉伯糖、半乳糖為主的中性糖支鏈,分子形狀像毛發(fā)一樣因此得名毛發(fā)區(qū)域。對于平滑區(qū)域,其主鏈?zhǔn)怯蒼個半乳糖醛酸通過α-1,4鍵結(jié)合而成的半乳糖醛酸聚糖。另外,果膠物質(zhì)分子上的半乳糖醛酸往往會有不同程度的甲酯或乙酯化。果膠物質(zhì)之間的化學(xué)結(jié)構(gòu)差異主要體現(xiàn)在毛發(fā)區(qū)域的微細(xì)化學(xué)結(jié)構(gòu)、平滑區(qū)域分子片段的大小以及酯化程度[8]。為了進一步研究金花茶多糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征,本研究以得率最高的TPS3為對象,對其進行進一步分離純化獲得均一性好的多糖單一成分,然后通過紅外光譜分析、核磁共振分析以及階梯式部分酸水解分析等手段對其毛發(fā)區(qū)域的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征進行深入分析,旨在為金花茶多糖的構(gòu)效關(guān)系研究提供參考。
本研究所用的TPS3多糖組分是以金花茶提取濃縮液(廣西桂人堂金花茶產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司產(chǎn)品)為材料,按照參考文獻[2],經(jīng)過乙醇沉淀、透析以及離子交換層析柱等方法分離而成。
葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖、鼠李糖、半乳糖醛酸 日本和光純藥公司;凝膠柱層析樹脂Sephacryl S-200以及Dextran系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(T-500:4.87×105u;T-40:4.35×104u;T-20:2.00×104u;T-10,1.05×104u) 瑞典Pharmacia Fine Chemicals公司;牛血清蛋白 美國Sigma公司。
GC-14C氣相色譜(GC)儀、LC-20AT高效液相色譜儀、RID-10A示差檢測器 日本島津公司;Spectrun GX FT-IR紅外光譜分析系統(tǒng) 美國Perkin Elmer公司;AVANCE Digital 400MHz 核磁共振系統(tǒng) 德國Bruker公司。
總糖、半乳糖醛酸、甲氧基和蛋白質(zhì)含量分別采用苯酚-硫酸法[9]、咔唑-硫酸法[10]、Wood法[11]和考馬斯亮藍(lán)法[12]測定,分別以葡萄糖、半乳糖醛酸、甲醇和牛血清蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),在同樣的條件下測定并制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,計算樣品中各成分含量。
糖樣品經(jīng)過酸加熱完全水解(0.25mol/L H2SO4,100℃,16h),或者不經(jīng)過水解處理,按照Blakeney等[13]制備成各單糖的全乙?;谴佳苌?,然后進行氣相色譜(GC)分析(島津GC-14C,柱溫210℃,N2流速30mL/min),分離柱為島津公司的毛細(xì)管柱DB-1(0.25mm× 30m)。
采用Sephacryl S-200凝膠柱層析對多糖進行進一步分離純化和純度鑒定[14]。用0.1mol/L NaCl溶液充分平衡Sephacryl S-200(1.6cm×100cm)層析柱后,用相同溶劑溶解多糖組分并加到層析柱上,然后以相同溶劑,以0.5mL/min的流速進行洗脫,以每管3mL收集洗脫液,并采用苯酚-硫酸法和/或咔唑-硫酸法對洗脫液進行跟蹤檢測,繪制洗脫曲線圖。
多糖的平均分子質(zhì)量估算采用SE-HPLC進行分析。以系列Dextran (T-500:4.87×105u;T-40:4.35×104u;T-20:2.00×104u;T-10:1.05×104u) 為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),在同等條件下進行分析,以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分子質(zhì)量的對數(shù)為縱坐標(biāo),以其在柱層析的分配系數(shù)為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線推算多糖的平均分子質(zhì)量。HPLC系統(tǒng)由島津LC-20AT,RID-10A示差檢測器組成。色譜柱:Shodex SugarKS-804(8mm×300mm);流動相:0.1mol/L NaCl溶液;流速:1mL/min;柱溫:常溫。
多糖的IR分析儀采用Perkin Elmer公司的Spectrun GX FT-IR紅外光譜分析系統(tǒng)。樣品采用KBr壓片法進行測定。
多糖的NMR分析采用AVANCE Digital 400MHz NMR系統(tǒng)進行分析。以水溶性TMS(3-trimethylsilyl-propionic-2,2,3,3-D4 acid, sodium salt)作為內(nèi)標(biāo),多糖樣品60mg用重水充分溶解,再以重水為溶劑在室溫條件下進行1H-NMR和13C-NMR波譜分析。1H-NMR分析條件,外部靜磁場:400.133MHz,波譜寬幅8012.82Hz;13C-NMR分析條件,外部靜磁場:100.625MHz,波譜寬幅27100.27Hz。
采用階梯式部分酸水解對多糖的毛發(fā)區(qū)域化學(xué)結(jié)構(gòu)特征進行分析[14]。即先用低濃度的三氟乙酸溶液(0.01mol/L)溶解定量的多糖樣品,置于90℃條件下水解2h,水解結(jié)束后冷卻、加入兩倍量的冷卻乙醇進行分離沉淀,離心(4000r/min,10min),得到上清液和沉淀多糖(即未被水解多糖)。以此類推,依次用更高濃度的三氟乙酸溶液(0.05、0.5、2mol/L)對前一個酸濃度水解得到的沉淀多糖在相同條件下進行水解。各酸濃度水解得到的上清液用于總糖含量測定和構(gòu)成糖分析。
如前所述,金花茶多糖經(jīng)過Cellulose DE-52離子交換柱層析得到TPS0、TPS1、TPS2、TPS3、TPS4和TPS5等6個多糖組分[7]。本實驗以得率最高的TPS3為對象,采用Sephacryl S-200凝膠層析對其進行進一步分離純化。
圖1 TPS3及其分離組分TPS3-1和TPS3-2在Sephacryl S-200凝膠層析柱上的洗脫曲線Fig.1 Elution prof ile of TPS3 and its fractions such as TPS3-1 and TPS3-2 on Sephacryl S-200 column
圖1 a顯示了多糖TPS3在Sephacryl S-200凝膠層析柱上的洗脫曲線。洗脫曲線形成了兩個有交叉的糖峰(TPS3-1和TPS3-2)。從中性糖和半乳糖醛酸的檢測曲線看,兩組分的半乳糖醛酸比例也有明顯差異,TPS3-1的半乳糖醛酸與中性糖比例明顯低于TPS3-2,表明TPS3是由分子質(zhì)量和糖組成均有明顯差異的兩個多糖組分組成。由此可見采用反復(fù)Sephacryl S-200凝膠柱層析的方法可以將TPS3-1和TPS3-2分離。因此本研究采用凝膠柱層析方法收集兩個組分,然后對其進行分子均一性鑒定。圖1b和圖1c分別為TPS3-1和TPS3-2在同樣凝膠柱上的洗脫曲線。TPS3-1峰對稱而且尖銳,表明TPS3-1分子的均一性較好,可視為多糖單一成分。相比之下,TPS3-2的峰比較寬,而且對稱性不好,表明其仍為一些分子質(zhì)量有差異的糖組成。
表1 TPS3及其分離組分TPS3-1和TPS3-2的主要化學(xué)成分含量Table 1 Contents of chemical compositions of TPS3 and its fractions including TPS3-1 and TPS3-2
表1列出了TPS3及其分離組分TPS3-1和TPS3-2的主要化學(xué)成分含量。TPS3-1和TPS3-2的中性糖含量分別為53.60%和45.91%,半乳糖醛酸的含量分別為24.00%和35.98%。兩糖組分的中性糖和半乳糖醛酸的質(zhì)量比分別為2.2(53.6/24)和1.3(45.91/35.98),TPS3-1的中性糖含量明顯高于TPS3-2。從中性構(gòu)成糖組成來看,TPS3含有少量的甘露糖,但是TPS3-1和TPS3-2已經(jīng)檢測不出,表明經(jīng)過凝膠柱層析的進一步純化后,除了TPS3-1和TPS3-2,還有其他少量的多糖雜質(zhì)。對于TPS3、TPS3-1和TPS3-2,鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖的質(zhì)量比分別為:1∶3.7∶2.8∶0.6、1∶4.2∶3.0∶0.4和1∶2.2∶2.0∶3.5。TPS3-1和TPS3-2的構(gòu)成糖組成比例有明顯差異,TPS3-1中的阿拉伯糖和半乳糖分別為TPS3-2的2倍和1.5倍,而TPS3-2中的葡萄糖則為TPS3-2的8.8倍。由此可見TPS3-1和TPS3-2不管在中性構(gòu)成糖組成比例,還是在半乳糖醛酸比例上均有明顯差異。以上結(jié)果表明,TPS3-1和TPS3-2是兩種化學(xué)結(jié)構(gòu)各異的多糖。從甲氧基比例來看,TPS3、TPS3-1和TPS3-2中半乳糖醛酸的甲氧基酯化程度分別為43.84%、62.58%和47.83%。TPS3-1的甲氧基酯化程度明顯高于TPS3-2。根據(jù)酯化程度對果膠分類,將半乳糖醛酸的酯化程度高于50%的果膠稱之為高甲氧基果膠,相反則稱之為低甲氧基果膠。由此可以看出,TPS3-1屬于高甲氧基果膠物質(zhì)。從蛋白質(zhì)含量比例看,TPS3、TPS3-1和TPS3-2的蛋白質(zhì)含量分別為0.95%、0.28%和0.60%,表明TPS3-1和TPS3-2分子上連接有少量蛋白質(zhì)。以上結(jié)果表明,TPS3-1為阿拉伯糖和半乳糖比例較高,聚半乳糖醛酸被高度酯化且含有少量蛋白質(zhì)的果膠單一成分。TPS3-2為葡萄糖比例高,部分半乳糖醛酸被酯化,含有少量蛋白質(zhì),由分子質(zhì)量各異的糖成分組成的果膠物質(zhì)。鑒于以上結(jié)果,以下對TPS3-1的化學(xué)結(jié)構(gòu)進行進一步分析。
圖2 估算多糖平均分子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard curve for the estimation of average molecular weight of polysaccharide
圖2 為根據(jù)排阻高效液相色譜(SE-HPLC)分析得到的估算多糖平均分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)曲線圖,可以估算TPS3-1的相對分子質(zhì)量為4.15×105u。
圖3 TPS3-1的IR圖譜Fig.3 Infrared spectra of TPS3-1
由于多糖化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以從紅外光譜中獲取較多的有用信息,但是在低于1000cm-1領(lǐng)域,構(gòu)成糖殘基及其異頭氫的的立體結(jié)構(gòu)與變角振動吸收峰有密切相關(guān)。圖3為TPS3-1的紅外光掃描圖譜,圖譜中893.1cm-1和776.98cm-1處出現(xiàn)了兩個吸收峰(圖中a和b箭頭所示),前一個為β-構(gòu)型的典型指紋吸收峰,后一個為半乳糖或甘露糖的典型指紋吸收峰[15]。鑒于前面的構(gòu)成糖分析結(jié)果TPS3-1中未檢出甘露糖,因此此吸收峰歸屬為半乳糖的指紋吸收峰。綜合以上IR分析結(jié)果,推測TPS3-1分子中的半乳糖為β-構(gòu)型糖。
圖4為TPS3-1的1H-NMR和13C-NMR圖譜。對于1H-NMR圖譜,在低磁場領(lǐng)域,5.17~5.23δ及5.01~5.03δ處有明顯的信號峰,前面的信號區(qū)域歸屬于中性糖殘基的異頭氫原子信號,后一個信號區(qū)域歸屬于半乳糖醛酸的異頭氫信號[16-17]。在高磁場領(lǐng)域,1.18~1.23δ處出現(xiàn)了非常明顯的信號,該區(qū)域信號可歸屬于甲氧基中的烷氫,表明TPS3-1中有較高比例的甲氧基,這個結(jié)果和化學(xué)測定結(jié)果非常一致。對于13C-NMR圖譜,在92.73~119.02δ的低磁場領(lǐng)域,出現(xiàn)了多個異頭碳信號峰,說明TPS3-1中的糖鏈比較復(fù)雜。在16.01~17.15δ的高磁場領(lǐng)域,同樣出現(xiàn)了明顯的信號峰,這個區(qū)域的信號歸屬于甲氧基中的碳信號,此結(jié)果進一步支持1H-NMR和化學(xué)分析結(jié)果。
圖4 TPS3-1的1H-NMR和13C-NMR圖譜Fig.4 1H-NMR and 13C-NMR spectra of TPS3-1
表2 TPS3-1的階梯式部分酸水解中各酸濃度上清液中游離中性糖的含量Table 2 Contents of neutral carbohydrates in acidic supernatant of partial acidic hydrolysis of TPS3-1
多糖在酸性條件下可以被水解,但是不同結(jié)構(gòu)的單糖殘基對酸水解的敏感度有明顯差異。中性糖苷鍵對酸的敏感度明顯高于半乳糖醛酸等酸性糖,中性糖與糖醛酸結(jié)合的糖苷鍵又較酸性糖之間的糖苷鍵容易水解。對于中性糖,不同結(jié)構(gòu)的單糖殘基的糖苷鍵同樣對酸水解的敏感度有明顯差異,對酸水解最敏感的中性糖殘基依次為呋喃型五碳糖、呋喃型六碳糖、吡喃型五碳糖、吡喃型六碳糖[18]。果膠毛發(fā)區(qū)域由阿拉伯糖(有呋喃型和吡喃型結(jié)構(gòu))、半乳糖、葡萄糖和鼠李糖等構(gòu)成糖組成,因此可以通過階梯式部分酸水解方法分析果膠毛發(fā)區(qū)域中的中性糖化學(xué)結(jié)構(gòu)[19]。因此本研究采用階梯式部分酸濃度水解方法對TPS3-1毛發(fā)區(qū)域的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征進行分析。表2列出了TPS3-1經(jīng)過階梯式部分酸濃度水解后,各酸濃度的水解上清液中中性糖占TPS3-1總中性糖質(zhì)量的比。從表2可以看出,在0.01、0.05、0.5、2mol/L三氟乙酸的水解上清液中,各上清液中的中性糖含量分別為72.6%、4.8%、12.7%和9.6%,相當(dāng)一部分的中性糖在第一個酸濃度溶液中水解游離出來。
對各酸濃度的水解上清液采用直接構(gòu)成糖分析和先完全水解后進行構(gòu)成糖分析等兩種處理方式。直接構(gòu)成半倍分析即上清液不經(jīng)過酸完全水解階段,直接按照Blakeney[7]法制備成糖的全乙?;谴佳苌?,此法只能分析上清液中的游離單糖,而不能分析寡糖或低分子多糖。相反,上清液先經(jīng)過酸完全水解后進行乙?;幚恚瑒t可以分析上清液中包括游離單糖、寡糖和低分子多糖。因此采用以上兩種構(gòu)成糖分析方法很容易獲得降解糖的存在形式。
表3 TPS3-1的階梯式部分酸水解中各酸濃度上清液的中性構(gòu)成糖比Table 3 Neutral carbohydrate compositions in acidic supernatant of partial acidic hydrolysis of TPS3-1
從表3可以看出,在0.01mol/L三氟乙酸水解上清液的游離單糖中,未檢出鼠李糖,阿拉伯糖、葡萄糖和半乳糖的物質(zhì)的量比為39∶1∶1,表明絕大部分游離單糖為阿拉伯糖。水解上清液經(jīng)過完全水解后,鼠李糖、阿拉伯糖、葡萄糖和半乳糖的物質(zhì)的量比為13∶39∶52∶39。這個結(jié)果表明水解上清液中除了游離單糖外,還有相當(dāng)一部分的鼠李糖、葡萄糖和半乳糖以寡糖和低分子多糖的形式降解出來。從以上構(gòu)成糖分析結(jié)果,可以推測此條件下降解出來的分子片段可能為圖5A所示,主要由葡萄糖支鏈、阿拉伯糖支鏈和半乳糖醛酸支鏈組成。此分子片段中以鼠李-半乳糖醛酸為基本重復(fù)單位的主鏈比較長,但是離聚半乳糖醛酸平滑區(qū)域片段比較遠(yuǎn),因此最容易被水解游離出來。這個分子片段在毛發(fā)區(qū)域中所占的比例約為73%左右。
在0.05mol/L三氟乙酸水解上清液的游離單糖中,未檢出鼠李糖和葡萄糖,阿拉伯糖和半乳糖物質(zhì)的量之比為40∶5,游離單糖中仍然以阿拉伯糖為主,只有約11%為半乳糖單糖。水解上清液經(jīng)過完全水解后,鼠李糖、阿拉伯糖、葡萄糖和半乳糖的物質(zhì)的量比上升為8∶40∶8∶24。從以上構(gòu)成糖分析結(jié)果,可以推測此條件下降解出來的分子片段為圖5B所示,主要由葡萄糖或半乳糖與阿拉伯糖交替連接的寡糖支鏈組成。此分子片段中以鼠李-半乳糖醛酸為基本重復(fù)單位的主鏈比較靠近聚半乳糖醛酸片段,因此相對比較穩(wěn)定。這個分子片段在毛發(fā)區(qū)域中所占的比例約為5%左右。
對于0.5mol/L三氟乙酸水解上清液,由于大部分糖已在前兩個水解階段降解,導(dǎo)致此階段的糖樣品量不足。因此此階段對上清液全部進行完全水解后進行構(gòu)成糖分析。從表中可以看出,水解上清液中未檢出葡萄糖,鼠李糖、阿拉伯糖和半乳糖的物質(zhì)的量比為1∶16∶12。從這個結(jié)果可以推測此條件下降解出來的分子片段為圖5C所示,主要由半乳糖和阿拉伯糖交替連接的寡糖支鏈和分散在聚半乳糖醛酸上的阿拉伯糖殘基組成。此分子片段中以鼠李-半乳糖醛酸為基本重復(fù)單位的主鏈與聚半乳糖醛酸片段相鄰,因此對酸最穩(wěn)定。這個分子片段在毛發(fā)區(qū)域中所占的比例約為13%左右。
圖5 TPS3-1毛發(fā)區(qū)域分子片段的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of molecular fragments from hairy region of TPS3-1
以上研究結(jié)果表明,TPS3-1分子質(zhì)量為4.15×106u,含有少量蛋白質(zhì),由富含阿拉伯糖和半乳糖以及少量葡萄糖為支鏈的毛發(fā)區(qū)域和被高度酯化的平滑區(qū)域組成的果膠糖蛋白。對于毛發(fā)區(qū)域,根據(jù)其中性糖殘基對酸水解的敏感度將其分為3類分子片段,第一類分子片段主要由葡萄糖支鏈、阿拉伯糖支鏈和半乳糖醛酸支鏈組成。此分子片段中以鼠李-半乳糖醛酸為基本重復(fù)單位的主鏈離聚半乳糖醛酸片段最遠(yuǎn),因此最容易被水解游離出來。這個分子片段在毛發(fā)區(qū)域中的質(zhì)量百分比約占73%左右。第二類分子片段主要由葡萄糖或半乳糖與阿拉伯糖交替連接的寡糖支鏈組成。此分子片段中以鼠李-半乳糖醛酸為基本重復(fù)單位的主鏈比較靠近聚半乳糖醛酸片段,因此相對比較穩(wěn)定。這個分子片段在毛發(fā)區(qū)域中的質(zhì)量百分比約為5%左右。第三類分子片段主要由半乳糖和阿拉伯糖交替連接的寡糖支鏈和分散在聚半乳糖醛酸上的阿拉伯糖殘基組成。此分子片段中以鼠李-半乳糖醛酸為基本重復(fù)單位的主鏈與聚半乳糖醛酸片段相鄰,因此對酸最穩(wěn)定。這個分子片段在毛發(fā)區(qū)域中的質(zhì)量百分比約為13%左右。另外IR分析結(jié)果推測半乳糖主要以β-構(gòu)型形式存在于分子中。
目前一些研究結(jié)果表明,果膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其生理活性有密切相關(guān)。比如分子質(zhì)量為2.0×105u,含有β-聚半乳糖支鏈和聚阿拉伯糖支鏈的pH-修飾檸檬果膠,阿拉伯糖苷酶處理與否,對腫瘤標(biāo)志物,半乳凝集素-3(galectin-3)的抑制效果有明顯差異,酶處理后的抑制率達(dá)未處理的5倍以上[20]。從植物Vernonia kotschyana中提取得到的果膠對T細(xì)胞和B細(xì)胞的增殖沒有明顯的促進效果,因為果膠物質(zhì)中的聚半乳糖醛酸沒有功效作用,但是其中的阿拉伯半乳聚糖果膠物質(zhì)有明顯的細(xì)胞增殖促進效果[21]。Gunning等[22]比較了聚半乳糖、鼠李-半乳糖醛酸聚糖(RGⅠ)和聚半乳糖醛酸3種不同的果膠物質(zhì)對galectin-3的識別效果。研究結(jié)果表明,只有聚半乳糖對galectin-3有識別效果,而兩外兩種果膠物質(zhì)幾乎沒有任何效果,表明果膠物質(zhì)中的半乳糖支鏈在識別galectin-3時起到重要的作用。TPS3-1的中性糖約為半乳糖醛酸的2倍,其中鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖的質(zhì)量比為1∶4.2∶3.0∶0.4,毛發(fā)區(qū)域中含有阿拉伯糖支鏈、半乳糖支鏈以及少量的葡聚糖支鏈。如前所述,金花茶粗多糖具有明顯的降血脂功能,而TPS3是金花茶的主要組成多糖,TPS3-1的化學(xué)結(jié)構(gòu)是否與降血脂功能有密切相關(guān)有待進一步研究。
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