高坤鵬,孫建安,毛相朝,
1. 中國(guó)海洋大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266003
2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋藥物與生物制品功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266237
維生素A參與機(jī)體的多種代謝活動(dòng),具有改善皮膚[1]、抗氧化[2]、增強(qiáng)免疫力[3]、維持正常視力[4]等多種生理功能。維生素A也被應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域,有研究表明在養(yǎng)殖前期添加維生素A可以促進(jìn)凡納濱對(duì)蝦 (Litopenaeus vannamei) 的生長(zhǎng),還能夠提高其血清中溶菌酶和酚氧化酶的活力,增強(qiáng)其非特異性免疫反應(yīng)[5]。建鯉 (Cyprinus carpio var. Jian) 飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明維生素A缺乏可能會(huì)導(dǎo)致幼建鯉飼料利用率下降,從而降低其生長(zhǎng)速度,還會(huì)使其血液中的白細(xì)胞數(shù)量和溶菌酶活力下降,導(dǎo)致免疫功能受損[6]??梢?,保證維生素A的攝入對(duì)機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育以及維持正常免疫力非常必要。然而,維生素A對(duì)光、熱、氧不穩(wěn)定,容易被氧化分解,而且過量的維生素A還會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生一定的刺激作用。針對(duì)上述問題,目前已有大量研究通過化學(xué)法或酶法將維生素A轉(zhuǎn)化為維生素酯來改善其不穩(wěn)定性和刺激性[7-8]。與化學(xué)法相比,酶催化合成法更環(huán)保,副產(chǎn)物的積累也更少[9];但卻存在酶法催化處理量較小,成本較高的問題。針對(duì)這些問題,可以通過無溶劑體系反應(yīng)、固定化酶等策略進(jìn)行改善。已有研究通過脂肪酶催化合成了維生素A月桂酸酯[10]、維生素A棕櫚酸酯[11-12]、維生素A乳酸酯[13]等不同種類的維生素A酯。由于這些維生素A酯的?;w不同,它們的理化性質(zhì)和功能活性也表現(xiàn)出一定的差異。維生素A琥珀酸單酯由于暴露出一個(gè)羧基而表現(xiàn)出更好的親水性[14],而維生素A乳酸酯則由于乳酸的作用[15]而對(duì)改善皮膚表現(xiàn)出更好的活性。
二十二碳六烯酸 (Docosahexaenoic acid, DHA,22:6n-3) 是一種被廣泛報(bào)道的ω-3多不飽和脂肪酸,能夠促進(jìn)大腦[16]和視網(wǎng)膜[17]的發(fā)育,同時(shí)還具有抗衰老[18]、抗菌[19]、抗氧化和抗炎[20]等多種生理活性。天然的DHA主要存在于海洋魚類和藻類中,是最具代表性的海洋脂質(zhì),也是目前最風(fēng)靡的海洋來源保健品之一。然而天然魚油及藻油中DHA的濃度均較低[21],需要進(jìn)一步提高濃度才能更好地發(fā)揮其作用。DHA乙酯 (Ethyl docosahexaenoate, EDHE) 是最常見的富含DHA的產(chǎn)品 (其相對(duì)含量甚至可達(dá)90%),但是其生物利用度明顯低于甘油酯和游離脂肪酸[22]。已有研究利用脂肪酶或磷脂酶A1催化酯交換反應(yīng)將EDHE轉(zhuǎn)化為甘油酯[23]或磷脂[24]的形式,從而提高DHA的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和生物利用度。李金章等[25]利用脂肪酶催化富含多不飽和脂肪酸的乙酯型魚油與甘油酯發(fā)生酯交換反應(yīng),合成了多不飽和脂肪酸含量大于45%的甘油酯。孫兆敏等[26]則使用磷脂酶A1催化合成了含8.0% EPA和17.8% DHA的磷脂。
實(shí)際上,維生素A也可以作為DHA的?;荏w,它與DHA形成的酯化產(chǎn)物還可能兼具兩者的生理活性。為了改善維生素A的穩(wěn)定性,同時(shí)提高EDHE的生物利用度,本研究利用脂肪酶催化維生素A醋酸酯 (Vitamin A acetate, VAAE) 與EDHE發(fā)生轉(zhuǎn)酯反應(yīng)合成維生素A二十二碳六烯酸酯(Vitamin A docosahexaenoate, VADHE)。在液相和質(zhì)譜鑒定基礎(chǔ)上,利用硅膠柱層析法對(duì)合成產(chǎn)物進(jìn)行了純化,并對(duì)其全波長(zhǎng)吸收和核磁共振碳譜進(jìn)行了表征。最后分別對(duì)有機(jī)溶劑反應(yīng)體系和無溶劑反應(yīng)體系中的轉(zhuǎn)酯反應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化,使其在較短時(shí)間便可達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率,為VADHE的大批量制備和后期功能活性研究奠定了基礎(chǔ)。同時(shí),本研究還可為一些具有特定性質(zhì)的新型脂質(zhì)的設(shè)計(jì)和合成提供參考。
VAAE購(gòu)自麥克林,純度高于95.5%;乙酯型藻油購(gòu)自西安仁邦生物科技有限公司,DHA相對(duì)含量88.9%;脂肪酶Novozyme435購(gòu)自諾維信公司;C18填料 (Copure? C18 SPE Cartridges) 購(gòu)自深圳逗點(diǎn)生物技術(shù)有限公司;色譜級(jí)甲醇用于液相檢測(cè);其余試劑如石油醚、正己烷等均為分析純。
1.2.1 有機(jī)溶劑體系中 VADHE 的合成
稱取0.100 mmol VAAE于棕色反應(yīng)瓶中,加入20 μL藻油和20 mg固定化酶Novozyme435,再加入2 mL有機(jī)溶劑溶解底物。反應(yīng)體系充氮后立即密封,將反應(yīng)瓶置于37 ℃水浴搖床上開始反應(yīng)。反應(yīng)6 h后離心除去固定化脂肪酶,用甲醇將上層反應(yīng)液稀釋50倍,稀釋液過膜后用于液相檢測(cè)。本環(huán)節(jié)依次對(duì)有機(jī)溶劑 (石油醚、正己烷、異辛烷、環(huán)己烷、乙腈、異丙醇、二甲亞砜)、VAAE添加量 (0.050、0.075、0.100、0.125、0.150 mmol)、反應(yīng)溫度 (25、30、35、40、45、50、55、60 ℃)、加酶量 (10、15、20、25、30、35 mg)、反應(yīng)時(shí)間(1、3、6、9、12、24 h) 及含水量 (0、4、8、12、16、20 μL) 進(jìn)行了優(yōu)化。
1.2.2 無溶劑體系中 VADHE 的合成
稱取1.000 mmol VAAE于棕色反應(yīng)瓶中,再加入一定體積的藻油和50 mg固定化酶Novozyme-435。反應(yīng)體系充氮后立即密封,將反應(yīng)瓶置于37 ℃水浴搖床開始反應(yīng)。反應(yīng)6 h后離心除去固定化脂肪酶,用甲醇將上層反應(yīng)液梯度稀釋1 000倍,稀釋液過膜后用于液相檢測(cè)。本環(huán)節(jié)依次對(duì)藻油添加量 (500、600、700、800、900、1 000 μL)、反應(yīng)溫度 (25、30、35、40、45、50、 55、 60 ℃)、加酶量 (25、50、75、100、125、150 mg) 及反應(yīng)時(shí)間 (30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h) 進(jìn)行了優(yōu)化。
1.2.3 反應(yīng)體系中 VADHE 的純化
用甲醇充分浸泡C18填料2 h,攪拌均勻后吸取硅膠粉末懸液裝柱 (60 mm×10 mm),再使用甲醇充分沖洗,保證填料均勻且致密。將無溶劑體系反應(yīng)后的反應(yīng)液與4倍體積的甲醇混合,吹打均勻后吸取500 μL混合液上樣,以甲醇為流動(dòng)相 (流速2 mL·min-1) 進(jìn)行洗脫。舍棄前30 mL洗脫液,之后用10 mL離心管接取洗脫液,每管收集8 mL。每管吸取洗脫液200 μL至96孔板,用全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀(Thermo Scientific Multiskan FC) 測(cè)定其在327 nm處的吸光度。初步確定樣品的保留時(shí)間。將可能含有目標(biāo)化合物的樣品用于液相檢測(cè),間隔5管測(cè)定。將純度較高的幾管樣品合并后用液相檢測(cè)其純度,剩余樣品旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去甲醇,用氘代氯仿復(fù)溶后用于核磁表征。
1.2.4 VADHE的分析檢測(cè)
1) 參考高澤鑫[27]方法對(duì)反應(yīng)體系中的各組分進(jìn)行液相檢測(cè)。使用日本島津高效液相色譜儀,甲醇作為流動(dòng)相,流速1 mL·min-1,C18液相色譜柱(150 mm×4.6 mm,粒徑 5 μm),柱溫箱 35 ℃,紫外檢測(cè)波長(zhǎng)為327 nm。反應(yīng)轉(zhuǎn)化率 (%) 計(jì)算公式如下:
式中:RC為反應(yīng)轉(zhuǎn)化率;S1為液相檢測(cè)中VADHE的峰面積;S2為底物VAAE的峰面積;S3為水解產(chǎn)物游離維生素A的峰面積。
2) 液相-質(zhì)譜聯(lián)用鑒定。液相條件和上文一致,質(zhì)譜分析采用正離子模式,掃描范圍為50~700 eV。
3) 核磁共振碳譜表征。使用安捷倫Pro pulse 500 MHz核磁共振波譜儀,在室溫條件下掃描6 h。
反應(yīng)體系中各組分的液相檢測(cè)結(jié)果見圖1-a,按照出峰順序,3.154 min為VAAE的水解產(chǎn)物維生素A,3.967 min為底物VAAE,4~8 min可能是維生素A降解產(chǎn)物,14~21 min為藻油中脂肪酸乙酯與VAAE發(fā)生酯交換反應(yīng)獲得的產(chǎn)物,其中,16.333 min出峰為目的產(chǎn)物VADHE。采用高分辨液相-質(zhì)譜聯(lián)用 (安捷倫) 技術(shù)進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行鑒定,圖1-b展示了產(chǎn)物的質(zhì)譜鑒定結(jié)果,其中,614.481 9是目的產(chǎn)物[M+NH4]+的分子量,635.424 3則是目的產(chǎn)物[M+K]+的分子量。
圖1 維生素A-DHA酯 (VADHE) 的液相 (a) 和質(zhì)譜 (b) 鑒定Fig. 1 Identification of vitamin A docosahexaenoate(VADHE) by HPLC (a) and MS (b)
利用柱層析法進(jìn)行目標(biāo)化合物的分離,參照液相檢測(cè)時(shí)的洗脫條件,獲得的洗脫曲線見圖2-a,從圖中可以清楚地看到兩組峰。液相檢測(cè)結(jié)果表明第一組化合物 (第0—第15管) 主要是VAAE以及水解副產(chǎn)物維生素A,兩者不能被很好地分離,目的化合物VADHE主要在第二組 (20管之后)中。對(duì)第二組化合物進(jìn)行間隔取樣檢測(cè),測(cè)定了第21、第26、第31、第36和第41管樣品的組分,發(fā)現(xiàn)第26—第36管樣品純度較高,第36管樣品往后出現(xiàn)了較多其他脂肪酸與維生素A形成的酯。利用第31管樣品 (純度>93%) 測(cè)定了目標(biāo)化合物在不同波長(zhǎng)下的吸光度,結(jié)果表明其最大吸收波長(zhǎng)為325 nm (圖2-b) 。將第26—第36管樣品混合均勻后液相檢測(cè)其組分。結(jié)果表明,其純度可以達(dá)到90%以上,可以用于核磁表征及后期的生理活性實(shí)驗(yàn)。
圖2 VADHE的純化洗脫曲線 (a) 、全波長(zhǎng)掃描 (b) 和核磁共振碳譜 (c) 結(jié)果Fig. 2 Elution curve (a), full wavelength scanning (b) and 13C NMR (c) of VADHE
核磁共振碳譜結(jié)果見圖2-c,參照維生素A棕櫚酸酯[28-29]和EDHE[30]的13C NMR結(jié)果,可以推斷出不同化學(xué)位移出峰所對(duì)應(yīng)的碳原子?;瘜W(xué)位移從高到低分別是173.18 (C20), 139.22 (C12), 137.96(C5), 137.72 (C16), 136.74 (C4), 135.94 (C15),132.2~125.9 (C10、C11、C13、C14、C17、C26、C27、C29、C30、C32、C33、C35、C37、C39、C41、C42),77.16 (CDCl3), 61.42 (C18), 39.77 (C1), 34.40 (C3),33.22 (C21), 29.85 (C6), 29.11 (C2), 25.75 (C28、C31、C34、C37、C40), 22.98 (C7、C8), 21.88 (C43),20.71 (C9), 19.42 (C23), 14.43 (C24), 12.90 (C44)。
針對(duì)有機(jī)溶劑體系中的合成反應(yīng),本研究首先對(duì)有機(jī)溶劑的種類進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率隨有機(jī)溶劑的logP增大而增加,石油醚體系最有利于產(chǎn)物的生成 (圖3-a)。Novozyme435在正己烷、環(huán)己烷和異辛烷這類非極性較強(qiáng)的溶劑中也能較好地發(fā)揮作用,而在異丙醇和二甲基亞砜中轉(zhuǎn)化率極低。VAAE添加量的優(yōu)化結(jié)果表明,隨著VAAE添加量的提高,VADHE產(chǎn)量逐漸升高,但VAAE的轉(zhuǎn)化率呈下降趨勢(shì) (圖3-b)。從VADHE的產(chǎn)量變化曲線也可以看出,在VAAE添加量從0.050 mmol升至0.100 mmol的過程中,VADHE產(chǎn)量增長(zhǎng)幅度較大,而當(dāng)VAAE添加量繼續(xù)升高時(shí),VADHE產(chǎn)量的增長(zhǎng)幅度變小。為節(jié)約成本,選擇添加0.100 mmol VAAE進(jìn)行后續(xù)研究。反應(yīng)溫度優(yōu)化的結(jié)果表明 (圖3-c),從25 ℃到40 ℃,隨著溫度升高,目的產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率也有所提高,可能因?yàn)闇囟壬呒涌炝朔肿舆\(yùn)動(dòng),從而更有利于酶分子與底物分子的接觸。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí),較高的溫度加速了酶的失活,因此轉(zhuǎn)化率出現(xiàn)明顯下降,最終以40 ℃作為最佳反應(yīng)溫度。另外,從圖3-c中也能觀察到,當(dāng)溫度從25 ℃升至40 ℃時(shí),反應(yīng)轉(zhuǎn)化率只是緩慢增加,因此,即使不控制溫度,在室溫條件下也可獲得較高的產(chǎn)量,有利于節(jié)約能源。
圖3 VADHE在有機(jī)溶劑體系中合成反應(yīng)條件的優(yōu)化Fig. 3 Optimization of synthetic reaction conditions in organic solvent systems of VADHE
本研究測(cè)定了不同酶添加量條件下反應(yīng)體系中目的產(chǎn)物的含量,結(jié)果表明,從10 mg到25 mg反應(yīng)轉(zhuǎn)化率有比較明顯的提高;當(dāng)加酶量繼續(xù)增加時(shí),轉(zhuǎn)化率提升幅度較小,因此選擇添加25 mg固定化酶來進(jìn)行后續(xù)研究 (圖3-d)。反應(yīng)時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響見圖3-e,前6 h由于底物VAAE含量較高,脂肪酶能夠較快地催化轉(zhuǎn)酯反應(yīng),產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率隨著時(shí)間延長(zhǎng)明顯提高。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí) (6~24 h),由于反應(yīng)體系中VAAE濃度大大降低,轉(zhuǎn)化率的提高幅度明顯變小,趨于穩(wěn)定,因此選用6 h作為最適反應(yīng)時(shí)間。最后,含水量對(duì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率影響的實(shí)驗(yàn)表明,含水量對(duì)Novozyme435催化產(chǎn)物生成的效率影響不是很大,并沒有呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性(圖3-f)。Jahangiri等[31]同樣利用脂肪酶Novozyme-435催化轉(zhuǎn)酯反應(yīng),水分活度與轉(zhuǎn)酯反應(yīng)效率呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)水分活度為0時(shí),脂肪酶可以比較好地催化胭脂素和山梨醇發(fā)生轉(zhuǎn)酯反應(yīng),合成降胭脂樹素山梨醇酯。而當(dāng)水分活度逐漸升高時(shí),脂肪酶轉(zhuǎn)酯反應(yīng)效率大大降低,轉(zhuǎn)而催化水解反應(yīng)生成降胭脂樹素。從這個(gè)角度來看,當(dāng)用Novozyme435催化VADHE的合成時(shí),反應(yīng)體系中的微量水 (1%以下) 不會(huì)很明顯地抑制轉(zhuǎn)酯反應(yīng)的進(jìn)行,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率更加穩(wěn)定。
相較于有機(jī)溶劑體系,無溶劑體系可以減少有機(jī)溶劑的使用,有利于保護(hù)環(huán)境,消除有機(jī)溶劑殘留的風(fēng)險(xiǎn),減弱有機(jī)溶劑對(duì)酶的毒害作用,還可以大量制備目的產(chǎn)物。反應(yīng)優(yōu)化的結(jié)果表明不同藻油添加量對(duì)于轉(zhuǎn)化率的影響不是很大,最高值和最低值的差值還不到2%,700 μL的藻油更有利于反應(yīng)的進(jìn)行 (圖4-a)。藻油添加量較小時(shí)會(huì)導(dǎo)致體系流動(dòng)性不佳,不利于反應(yīng)的進(jìn)行,而當(dāng)藻油添加量較大時(shí),一方面降低了體系中VAAE的濃度,另一方面,藻油本身含有微量的水,大量添加藻油時(shí),體系中的含水量也會(huì)增加,部分脂肪酶可能會(huì)被用于EDHE的水解,也不利于合成反應(yīng)的進(jìn)行。無溶劑體系中的溫度梯度實(shí)驗(yàn)表明,在55 ℃下進(jìn)行反應(yīng)更有利于底物轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物 (圖4-b),這與有機(jī)溶劑體系中的優(yōu)化結(jié)果相差較大。推測(cè)可能是在較低的溫度下,體系比較黏稠,不利于傳質(zhì),而在更高的溫度時(shí),反應(yīng)體系具備更好的流動(dòng)性,從而增加了傳質(zhì)效率,有利于兩種底物和酶的接觸。
圖4 VADHE在無溶劑體系中合成反應(yīng)條件的優(yōu)化Fig. 4 Optimization of synthetic reaction conditions in solvent-free systems of VADHE
無溶劑體系中加酶量的優(yōu)化結(jié)果見圖4-c,轉(zhuǎn)化率隨著加酶量的增加呈現(xiàn)出一個(gè)先升高再平緩的變化趨勢(shì)。當(dāng)加酶量由25 mg增加至50 mg時(shí),反應(yīng)轉(zhuǎn)化率明顯提高,當(dāng)加酶量繼續(xù)提升到100 mg時(shí),轉(zhuǎn)化率也出現(xiàn)一定程度的提升,隨著加酶量的繼續(xù)增加,變化趨勢(shì)趨于平緩。考慮到酶的成本,選擇100 mg固定化酶添加量繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化。反應(yīng)轉(zhuǎn)化率隨著時(shí)間呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì) (圖4-d),反應(yīng)2 h已經(jīng)能夠達(dá)到40%,4 和8 h的轉(zhuǎn)化率幾乎一樣,均為56%左右,12 h的轉(zhuǎn)化率降低至51.25%。因此選擇4 h作為最佳反應(yīng)時(shí)間,此時(shí)的轉(zhuǎn)化率為56.39%。可以看出,無溶劑體系的轉(zhuǎn)化率明顯高于有機(jī)溶劑反應(yīng)體系,且相較于有機(jī)溶劑體系,用4倍的酶量就可以處理10倍的底物 (以VAAE的添加量計(jì)),這對(duì)于節(jié)約成本也具有重要意義。Nurshakila等[32]同樣分別在有機(jī)溶劑體系和無溶劑體系中嘗試了己酸乙酯的酶促合成,在兩種體系中的轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到68%和48%;結(jié)果與本文相反,可能是脂肪酶本身的性質(zhì)以及反應(yīng)底物的種類不同,導(dǎo)致Novozyme435更適合于在無溶劑體系中催化VAAE與EDHE的轉(zhuǎn)酯。然而值得注意的是,無溶劑體系需要添加較多的藻油來維持體系的流動(dòng)性,因此在一定程度上造成了EDHE的浪費(fèi),后期有必要嘗試將反應(yīng)體系中未反應(yīng)的EDHE 分離回收,日后用來繼續(xù)反應(yīng)以減少浪費(fèi)。
本研究立足于維生素A的不穩(wěn)定性以及EDHE的低生物利用度,設(shè)計(jì)了VADHE這種新型化合物,繼而利用脂肪酶Novozyme435催化乙酯型藻油中的EDHE與VAAE發(fā)生轉(zhuǎn)酯反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了VADHE的合成。此外,還利用柱層析法對(duì)反應(yīng)體系中的VADHE進(jìn)行了純化,并對(duì)其全波長(zhǎng)吸收和核磁共振碳譜進(jìn)行了表征。同時(shí),經(jīng)液相檢測(cè),純化后目的產(chǎn)物的純度可以達(dá)到90%以上。為了提高目的化合物得率,本研究進(jìn)一步對(duì)有機(jī)溶劑體系和無溶劑體系中的轉(zhuǎn)酯反應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化。在有機(jī)溶劑體系中,以石油醚作為反應(yīng)溶劑,藻油用量20 μL,VAAE用量0.100 mmol,反應(yīng)溫度40 ℃時(shí),25 mg脂肪酶可在6 h內(nèi)催化40.61%的VAAE轉(zhuǎn)化為VADHE;在無溶劑體系中,100 mg脂肪酶在4 h內(nèi)即可催化56%以上的VAAE 轉(zhuǎn)化為VADHE (VAAE用量為1.000 mmol)。本文首次報(bào)道了VADHE的合成,且能夠通過比較簡(jiǎn)單的純化方式獲得純度較高的樣品,這也為對(duì)該化合物進(jìn)行更進(jìn)一步的功能活性研究打下了基礎(chǔ)。由于維生素A和DHA均有利于維持視力,且均具有抗衰老、抗氧化的生理活性,兩者的酯化產(chǎn)物可能會(huì)表現(xiàn)出更強(qiáng)的生理活性。另一方面,VADHE可能是一種同時(shí)具有維生素A和DHA生物活性的雙功能分子,使其有可能應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。后期還需要更多的實(shí)驗(yàn)對(duì)合成產(chǎn)物的穩(wěn)定性、功能活性等進(jìn)行研究,從而評(píng)估該化合物的應(yīng)用潛力。