朱怡霖, 張海生, 趙鑫帥, 薛煥煥, 薛 菁, 孫鈺涵
(陜西師范大學(xué) 食品工程與營(yíng)養(yǎng)科學(xué)學(xué)院,陜西 西安 710119)
黑豆是植物中營(yíng)養(yǎng)豐富的保健佳品,具有延緩衰老等生物活性,酚類物質(zhì)是重要的生理活性物質(zhì)[1-6]。橫山老黑豆是榆林地區(qū)重點(diǎn)培育的黑豆品種之一,分析橫山老黑豆中的多酚及其組成成分,并用大孔樹脂分離純化橫山老黑豆生物活性物質(zhì)[3]。黑豆中含有較高的酚類化合物[7-8],主要分布于種皮中,黑豆中的酚類化合物遠(yuǎn)高于黃豆,鑒定出黑豆中含有沒食子酸、原兒茶酸、咖啡酸、香豆酸、綠原酸等酚酸類物質(zhì)和大豆苷、大豆苷元、黃豆黃苷、染料木苷和染料木素等12種異黃酮[7,9-10]。已有研究表明黑豆多酚具有較高的抗氧化、抗腫瘤和抑制前列腺增生等生物活性,但黑豆多酚的分離純化和鑒定方面的研究鮮見報(bào)道[11-14]。大孔吸附樹脂具有物理化學(xué)穩(wěn)定性高、吸附容量大、選擇性好、再生處理方便、節(jié)省費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn),是一種常用有效的分離純化多酚物質(zhì)的方法[14-16]。不同物質(zhì)的多酚物質(zhì)種類及含量差異較大,不同種類的大孔樹脂對(duì)酚類物質(zhì)的分離純化效果也存在較大的差異[17-18]。作者以橫山老黑豆為原料,通過比較8種大孔樹脂對(duì)橫山老黑豆酚類化合物的吸附和解吸特性,篩選出對(duì)橫山老黑豆酚類化合物具有較好的吸附和解吸性能的樹脂,建立橫山老黑豆多酚物質(zhì)分離純化工藝。
橫山老黑豆:橫山種子公司提供。
大孔樹脂:AB-8、D101、NKA-9 和 NKA-Ⅱ,西安藍(lán)曉科技有限公司產(chǎn)品;大孔樹脂:X-5、LSA-21、XDA-1、HPD-700:陜西藍(lán)深特種樹脂有限公司產(chǎn)品。
沒食子酸、原兒茶酸、綠原酸、對(duì)羥基苯甲酸、咖啡酸、對(duì)香豆酸、阿魏酸和肉桂酸:購(gòu)自Sigma公司;大豆苷、大豆苷元、黃豆黃苷、染料木苷和染料木素購(gòu)于上海源葉生物科技有限公司。
U-3000高效液相色譜儀-Thermo:美國(guó)熱電公司產(chǎn)品;KQ3200DE型數(shù)控超聲波清洗器:昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品;Multiskan Go全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀:美國(guó)熱電公司產(chǎn)品;SHZ-B水浴恒溫振蕩器:上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司產(chǎn)品。
1.2.1 樣品處理取一定量橫山老黑豆粉碎過60目篩,準(zhǔn)確稱取90 g,加入900 mL石油醚振蕩脫脂24 h,揮干溶劑,用體積分?jǐn)?shù)80%的甲醇以料液體積比1 g∶15 mL于超聲提取儀40℃提取30 min后,3 000 r/min離心15 min后收集上清液,殘?jiān)酝瑯臃椒ㄖ貜?fù)提取2次,合并3次提取液,40℃下真空濃縮得橫山老黑豆多酚粗提液。置于-20℃保存,備用。
1.2.2 多酚的測(cè)定方法采用Folin-Ciocalteau法測(cè)定多酚含量[19],準(zhǔn)確移取提取液0.1 mL,分別加入0.5 mL蒸餾水和 0.1 mL Folin-Ciocalteu試劑,3 min后加入7.5 g/dL碳酸鈉溶液0.3 mL,于漩渦混合器中混合,置于25℃水浴避光反應(yīng)2 h,以0.1 mL蒸餾水代替樣品做空白,在760 nm波長(zhǎng)處用酶標(biāo)儀測(cè)定吸光度A。以沒食子酸作標(biāo)準(zhǔn)品代替樣品作標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到回歸方程y=0.005 1x+0.003,R2=0.999 3。多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)以沒食子酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(GAE)表示,單位為 mg/g。
1.2.3 大孔樹脂的預(yù)處理將各樹脂用無水乙醇室溫下密封浸泡24 h,用蒸餾水洗至無醇味,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%鹽酸溶液浸泡8 h,蒸餾水洗至中性,再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%氫氧化鈉溶液浸泡8 h,蒸餾水洗至中性,備用。
1.2.4 大孔樹脂的篩選準(zhǔn)確稱取各處理好的濕樹脂 AB-8、D101、NKA-9、NKA-Ⅱ、X-5、LSA-21、XDA-1和HPD-700各1 g,置于50 mL錐形瓶中,各加入0.11 mg/mL橫山老黑豆樣品提取物10 mL,置于25℃恒溫?fù)u床中振蕩吸附24 h,抽濾,取濾液測(cè)定樹脂對(duì)總酚的吸附量。取上述吸附飽和樹脂,再分別置于50 mL錐形瓶中,加入10 mL體積分?jǐn)?shù)70%乙醇,置于25℃恒溫?fù)u床振蕩解吸24 h,使樹脂被充分洗脫后,取洗脫液測(cè)定吸光度并計(jì)算解吸率,選取吸附量、吸附率及解吸率(洗脫率)較高的樹脂。樹脂吸附量、吸附率與洗脫率按如下公式計(jì)算[20]:
式中:Q吸附量 (mg/g);C0吸附前酚類質(zhì)量濃度;C1吸附后平衡液中酚類質(zhì)量濃度;V1吸附溶液體積;W樹脂質(zhì)量 (g);A吸附率 (%);D洗脫率(%);C2洗脫液中酚類濃度;V2洗脫液體積。
1.2.5 大孔樹脂靜態(tài)吸附、解吸試驗(yàn)乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)靜態(tài)解吸率的影響:準(zhǔn)確稱取篩選出來的經(jīng)處理的濕樹脂5份各1 g,分別置于50 mL錐形瓶中,均加入10 mL橫山老黑豆多酚粗提液,放于25℃恒溫?fù)u床中振蕩24 h,然后將吸附平衡的樹脂取出,過濾,再分別置于50 mL錐形瓶中,加入不同體積分?jǐn)?shù) (25%、40%、60%、70%和80%)的乙醇溶液10 mL,置于25℃恒溫?fù)u床振蕩解吸24 h,取洗脫液測(cè)定吸光度并計(jì)算解吸率。
靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)曲線:準(zhǔn)確稱取經(jīng)處理的濕樹脂1 g,置于50 mL錐形瓶中,加入10 mL橫山老黑豆多酚粗提液,放于25℃恒溫?fù)u床中靜置,每隔30 min振蕩2 min并取100 μL上清液,按照1.2.2的方法測(cè)定多酚含量,繪制吸附動(dòng)力學(xué)曲線。
1.2.6 大孔樹脂動(dòng)態(tài)吸附和解吸試驗(yàn)將篩選出來的樹脂濕法裝柱(柱長(zhǎng)50 cm,D3 cm)。用蒸餾水平衡后,將不同質(zhì)量濃度(0.49、0.98、1.96 mg/mL)和不同流量(1.50、2.14、3.00 BV/h)的多酚樣品進(jìn)行上樣,收集流出液并測(cè)定不同體積流出液的多酚質(zhì)量濃度,每20 mL流出液為一管收集并采用Folin-Ciocalteau法測(cè)定多酚質(zhì)量濃度。當(dāng)流出液中多酚濃度達(dá)到上樣液質(zhì)量濃度的10%時(shí)即為泄漏點(diǎn)。吸附平衡后用大量的蒸餾水沖洗,去除水溶性蛋白、還原糖和多糖等雜質(zhì),再用體積分?jǐn)?shù)70%乙醇溶液以一定流速洗脫,按照1.2.2的方法測(cè)定多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
1.2.7 橫山老黑豆酚酸及異黃酮的HPLC分析采用HPLC法測(cè)定經(jīng)篩選的大孔吸附樹脂分離純化后的橫山老黑豆酚酸及異黃酮的組成和含量變化[21-22]。取上述處理過的樣品1 mL,0.45 μm濾膜過濾。采用 Thermo U-3000 HPLC系統(tǒng),Diamonsil C 18(2)色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm)。 酚酸的 HPLC條件:流動(dòng)相乙腈(A)和體積分?jǐn)?shù)1%冰乙酸(B)溶液,檢測(cè)波長(zhǎng) 280 nm,柱溫30℃,流量1.0 mL/min,進(jìn)樣量20 μL,HPLC的總運(yùn)行時(shí)間為50 min。梯度洗脫條件:0~5 min,5%~15%A;5~35 min,15%~35%A;35~40 min,35%~45%A;40~50 min,45%~5%A。異黃酮的HPLC條件:流動(dòng)相乙腈(A)和體積分?jǐn)?shù)0.1%冰乙酸(B)溶液,檢測(cè)波長(zhǎng) 260 nm,柱溫20 ℃,流量 1.0 mL/min ,進(jìn)樣量 20 μL,HPLC 的總運(yùn)行時(shí)間為50 min。梯度洗脫條件:0~5 min,5%~15%A;5~35 min,15%~35%A;35~40 min,35%~45%A;40~50 min,45%~5%A。 樣品的定性與定量通過與標(biāo)品的出峰時(shí)間和峰面積來確定。
1.2.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用 SPSS 17.0軟件(SPSSInc,Chicago,IL,USA)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)結(jié)果以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)表示,采用Duncan多元回歸方法分析0.05水平上均值的顯著性差異。
由圖1表明,8種所選樹脂對(duì)橫山老黑豆多酚的吸附量存在顯著性差異,NKA-Ⅱ的吸附量最高為 0.73 mg/g,其次為 NKA-9和 HPD-700(吸附量分別為0.67 mg/g和0.65 mg/g),其余5種樹脂的吸附量較低并與以上3種樹脂存在顯著性差異。圖2表明,NKA-9和LSA-21多酚解吸率均較大 (解析率分別為83.52%和85.03%),兩者之間無顯著性差異,NKA-Ⅱ的多酚解吸率最低(58.46%)。綜合考慮大孔樹脂對(duì)橫山老黑豆多酚的吸附量和解吸率,NKA-9型大孔樹脂不僅具有較強(qiáng)的吸附性,而且也具有較強(qiáng)的解吸能力,因此選用NKA-9型大孔樹脂進(jìn)行橫山老黑豆多酚的分離純化研究。
圖1 不同的大孔樹脂對(duì)橫山老黑豆多酚的靜態(tài)吸附量比較Fig.1 Comparison ofstaticadsorption capacity of different macroporous resins to polyphenols in Hengshan black soybean
乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)NKA-9樹脂靜態(tài)解吸率的影響如圖3所示,隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加,橫山老黑豆多酚的解析率在70%之前逐漸增加,70%以后下降,乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%時(shí),多酚解析率最大,因此,選用70%乙醇溶液作為多酚的解吸劑。
NKA-9型大孔樹脂吸附橫山老黑豆多酚的動(dòng)力學(xué)曲線如圖4所示,NKA-9對(duì)橫山老黑豆多酚的吸附量在2 h內(nèi)快速上升,在4 h其吸附多酚的量達(dá)到平衡。
圖2 不同的大孔樹脂對(duì)橫山老黑豆多酚的靜態(tài)解析率比較Fig.2 Comparison ofstaticdesorption capacity of different macroporous resins to polyphenols in Hengshan black soybean
圖3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)靜態(tài)解吸率的影響Fig.3 Influence of ethanol volume fraction on static desorption percentage
圖4 NKA-9樹脂的靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.4 Adsorption kinetics of NKA-9 macroporous resin
上樣流量為2.14 BV/h時(shí),樣品質(zhì)量濃度對(duì)NKA-9吸附性能的影響如圖5所示,上樣質(zhì)量濃度越大泄漏點(diǎn)出現(xiàn)的越早。上樣濃度為0.49 mg/mL時(shí),在12BV體積出現(xiàn)泄漏點(diǎn),上樣時(shí)間過長(zhǎng),工作效率低。上樣質(zhì)量濃度為0.98 mg/mL和1.96 mg/mL時(shí),泄漏點(diǎn)分別在10 BV和7 BV出現(xiàn),樹脂吸附量分別為2 744.0 mg和3 841.6 mg。在泄漏點(diǎn)處,上樣質(zhì)量濃度為1.96 mg/mL時(shí),NKA-9大孔樹脂對(duì)橫山老黑豆多酚提取物的吸附量最大,上樣時(shí)間短。提取物上樣質(zhì)量濃度達(dá)到2.55 mg/mL時(shí)樣品黏度較大容易堵塞層析柱。因此,選取1.96 mg/mL為上樣質(zhì)量濃度。
圖5 樣品質(zhì)量濃度對(duì)NKA-9樹脂吸附性能的影響Fig.5 Impact of sample concentration on the adsorption properties of NKA-9 resin
上樣流量對(duì)NKA-9吸附性能的影響如圖6所示,上樣流量越大泄漏點(diǎn)出現(xiàn)越早,上樣流量為3.00、2.14、1.50 BV/h 時(shí), 泄漏點(diǎn)分別在 4、7、11 BV附近出現(xiàn),樹脂對(duì)橫山老黑豆多酚的吸附量分別為1 097.6、1 920.8和 2 744.0 mg??梢缘贸?,上樣流量為1.50 BV/h時(shí),泄漏點(diǎn)出現(xiàn)最遲,樹脂吸附量最高,但上樣時(shí)間太長(zhǎng),不利于實(shí)際應(yīng)用。上樣流量為3.00BV/h時(shí),泄漏點(diǎn)出現(xiàn)較早,但樹脂吸附量較低。上樣流量為2.14 BV/h時(shí),泄漏點(diǎn)出現(xiàn)相對(duì)較早,吸附量相對(duì)較高。因此,選取2.14 BV/h為最佳的上樣速度。
圖6 樣品質(zhì)量濃度對(duì)NKA-9樹脂吸附性能的影響Fig.6 Impact of sample rate on the adsorption properties of NKA-9 resin
NKA-9大孔樹脂純化橫山老黑豆酚酸的前后HPLC色譜圖如圖7所示,橫山老黑豆酚酸純化前保留時(shí)間5min前的雜峰經(jīng)NKA-9樹脂純化后雜峰被有效去除,純化前保留時(shí)間大于5 min的峰變化不大,所測(cè)的8種酚酸(沒食子酸、原兒茶酸、綠原酸、對(duì)羥基苯甲酸、咖啡酸、對(duì)香豆酸、阿魏酸和肉桂酸)均被保留,表明NKA-9大孔樹脂適于分離純化橫山老黑豆酚酸。橫山老黑豆中所檢測(cè)的8種單體酚酸種類及純化前后的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1,其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的是原兒茶酸,占8種酚酸的65.82%,其次是綠原酸和咖啡酸,兩者酚酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占8種酚酸的26.60%,以上3種酚酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占所測(cè)8種酚酸的92.43%。
NKA-9大孔樹脂純化橫山老黑豆異黃酮的前后HPLC色譜圖如圖8所示,橫山老黑豆異黃酮純化前保留時(shí)間2~10 min之間存在許多雜峰,經(jīng)NKA-9純化后雜峰被去除,且所檢測(cè)的5種異黃酮(大豆苷、黃豆黃苷、染料木苷、大豆苷元和染料木素)均得到很好的保留,表明NKA-9大孔樹脂適于分離純化所檢測(cè)的5種橫山老黑豆異黃酮,但色譜峰中有兩種相對(duì)較高的峰在分離純化前后有較大的變化,還有待進(jìn)一步研究。5種異黃酮種類及純化前后的含量見表2,大豆苷和染料木苷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,占所測(cè)5種異黃酮總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的88.87%,保留率也較高均在90%以上。其次是黃豆黃苷,占5種異黃酮的10.55%,保留率為85.26%。
圖7 NKA-9大孔樹脂純化前和后的橫山老黑豆酚酸HPLC譜Fig.7 Chromatograms of phenolic acids of Hengshan black soybean before and after NKA-9 macroporous resin purification
大孔吸附樹脂的吸附性能是由于范德華引力或生成氫鍵的結(jié)果。同時(shí)由于大孔吸附樹脂的多孔結(jié)構(gòu)使其對(duì)分子大小不同的物質(zhì)具有篩選作用。大孔樹脂對(duì)橫山老黑豆多酚類物質(zhì)的吸附存在一定的選擇性。作者考察了8種不同極性和特性的大孔樹脂,以篩選出吸附量和解析率均較好的大孔樹脂用于分離橫山老黑豆酚類物質(zhì)。8種樹脂的篩選結(jié)果表明,極性的NKA-9和非極性的NKA-Ⅱ都具有較高的吸附性能。由此可見,橫山老黑豆多酚類物質(zhì)中既具有極性較大的酚類物質(zhì)也存在非極性的酚類物質(zhì)。解析率結(jié)果表明,非極性的NKA-Ⅱ樹脂的解析性能較低,而極性的NKA-9樹脂卻具有較好的解吸性能,這表明橫山老黑豆酚類物質(zhì)可能與樹脂的比表面積及平均孔徑關(guān)系較大。陶莎等[23]研究了 5種不同型號(hào)的大孔樹脂 (S-8、HPD600、D4020、AB-8和NKA-9)對(duì)紅小豆多酚的吸附分離效果,結(jié)果表明,極性的HPD 600樹脂效果較好。甘芝霖等[17]比較了4種大孔樹脂 (ADS-17、AB-8、NKA-9和D101)對(duì)玫瑰果多酚的吸附分離效果,篩選出弱極性的AB-8為最佳的吸附樹脂類型。由此表明,不同物質(zhì)所含的酚類物質(zhì)不同,用于酚類物質(zhì)分離純化的最佳的大孔樹脂的類型差異也較大。
圖8 NKA-9大孔樹脂純化前和后的橫山老黑豆異黃酮HPLC譜Fig.8 Chromatograms of isoflavone of Hengshan black soybean before and after NKA-9 macroporous resin purification
表1 NKA-9樹脂分離純化前后橫山老黑豆酚酸種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較Table 1 Composition and content of phenolic acids of Hengshan black soybean before and after NKA-9 macroporous resin purification
表2 NKA-9樹脂分離純化前后橫山老黑豆異黃酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比較Table2 Composition and contentof?isoflavoneof Hengshan black soybean beforeand after NKA-9 macroporous resin purification
樣品濃度及上樣流量也對(duì)樹脂的吸附性能產(chǎn)生影響。蘇東曉等[16]研究了樣品質(zhì)量濃度(3.2、1.6、0.8 和 0.4 mg/mL)和上樣流量(4.5、3.0、1.5 BV/h)對(duì)HPD-826吸附荔枝果肉多酚泄漏點(diǎn)和吸附量的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)樣品質(zhì)量濃度和上樣流量分別為0.8 mg/mL和3.0 BV/h時(shí),吸附效率較高。李瓊等[24]考察了核桃青皮多酚質(zhì)量濃度(1.0、3.0、5.0、7.0、9.0 mg/mL)和上樣流量(2、3、4 mL/min)對(duì) AB-8 大孔樹脂吸附泄漏曲線的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)樣品質(zhì)量濃度和上樣速量分別為3、2 mL/min時(shí),AB-8樹脂具有較高的吸附性能。作者分析樣品濃度和上樣流量對(duì)NKA-9樹脂分離橫山老黑豆多酚發(fā)現(xiàn),樣品質(zhì)量濃度越大泄漏點(diǎn)出現(xiàn)越早,樹脂吸附量越大,這種現(xiàn)象可能是樣品中多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大與樹脂的接觸機(jī)率越高,樹脂對(duì)多酚的吸附越多。樣品質(zhì)量濃度過低會(huì)導(dǎo)致上樣時(shí)間過長(zhǎng)不利于實(shí)際應(yīng)用,質(zhì)量濃度過大則有可能導(dǎo)致柱子阻塞。上樣流量對(duì)NKA-9樹脂分離純化橫山老黑豆多酚也具有很大影響,上樣流量越大泄漏點(diǎn)出現(xiàn)越早,但樹脂吸附量較少。上樣流量過小泄漏點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間過長(zhǎng)不利于操作,因此選取中等流量進(jìn)行上樣。
利用HPLC方法對(duì)橫山老黑豆中酚酸的組成進(jìn)行了研究,檢測(cè)出8種酚酸化合物,其中原兒茶酸是橫山老黑豆的主要酚酸組成物質(zhì),占所檢的8種酚類質(zhì)量分?jǐn)?shù)的50%以上,其次綠原酸和咖啡酸在橫山老黑豆中含量也相對(duì)較高。Bi-Ni Wang等[25]對(duì)紅棗中的酚酸化合物組成進(jìn)行了分析,但對(duì)黑豆中的酚酸化合物的組成的分析鮮見報(bào)道。經(jīng)NKA-9大孔樹脂純化前后的酚酸的組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過HPLC色譜進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過大孔樹脂吸附橫山老黑豆酚酸不會(huì)造成單體酚酸組成減少,各種酚酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低也較少。大豆苷和染料木苷是所測(cè)的5種異黃酮中質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的兩種成分。NKA-9大孔樹脂對(duì)所測(cè)的5種橫山老黑豆異黃酮的分離純化具有良好的效果,質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低也較少。因此,NKA-9樹脂適于分離純化橫山老黑豆酚類物質(zhì)。
1)通過靜態(tài)吸附和解吸試驗(yàn)篩選出適用于橫山老黑豆酚類化合物分離純化的大孔樹脂NKA-9。NKA-9樹脂對(duì)橫山老黑豆酚類化合物具有良好的吸附和解吸性能。
2)通過動(dòng)態(tài)吸附試試驗(yàn)確定了NKA-9大孔樹脂分離純化橫山老黑豆酚類化合物的最佳條件:橫山老黑豆酚類化合物的樣品上樣質(zhì)量濃度為1.96 mg/mL,上樣流量為2.14 BV/h,乙醇洗脫劑體積分?jǐn)?shù)為70%,洗脫流量為2.14 BV/h。
3)橫山老黑豆中原兒茶酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,大豆苷和染料木苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高。NKA-9大孔樹脂分離純化橫山老黑豆酚酸和異黃酮不會(huì)導(dǎo)致單體組成的變化,而且質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低很少。