天山冷水藻油多不饱和脂肪酸纯化及其体外抗氧化活性研究

艾合买提江·艾海提,艾斯卡尔·吐尔逊,古丽菲热·伊力哈木,肖移聪,秦新政,艾买提·买买提明,祖丽胡玛尔·亚库普,茹先古丽·买买提依明*,刘军*

1(新疆大学 生命科学与技术学院,新疆 乌鲁木齐,830046)2(新疆农业科学院微生物应用研究所,新疆 乌鲁木齐,830000)3(新疆新光生物科技有限公司,新疆 乌鲁木齐,830000)

天山冷水藻(Tianshan cold water algae)是绿藻门(green algae)、小球藻属(Chlorellavulgaris)的一种生长在新疆赛里木湖中的球形单细胞淡水藻类[1-3]。天山冷水藻粉(Tianshan cold water algae powder,TAP)是野生型冷水藻通过大量液体培养后喷雾干燥而获得,含水量为6.4%,粉的粒径为165 μm。先前课题组实验探究已证实其含有丰富的蛋白质、油脂、多不饱和脂肪酸、多糖、维生素和其他活性物质[4-5]。随着高血脂、高血糖、高血压等一系列心血管疾病逐渐成为人体健康的危机[6],找出食物治疗的材料已成为研究热题。多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFAs)对心血管疾病等代谢疾病具有良好的缓解作用[7],已广泛用于神经系统及心血管疾病预防功能领域[8];张雁凌等[9]在血清游离脂肪酸与心血管疾病相关性研究进展中总结脂肪酸与心血管疾病密切相连。叶平[10]在ω-3多不饱和脂肪酸降低动脉粥样硬化性心血管疾病风险机制探讨过程中发现高剂量ω-3多不饱和脂肪酸具有降低甘油三酯含量、预防动脉粥样硬化性心血管疾病的作用。目前,水产品当中PUFAs的含量较丰富,能抑制心血管疾病[11],大众普遍认为吃水产品是补充PUFAs最好的方式。天山冷水藻油(Tianshan cold water algae oil,TAO)中二十二碳六烯酸等n-3多不饱和脂肪酸(Tianshan cold water algae oil polyunsaturated fatty acids,TAOP)含量丰富达到总脂肪酸的66.54%,本次研究利用的天山冷水藻生长在持续低温状态下的新疆赛里木湖湖底,该条件使其能保留完整且丰富的多酚、三萜类、黄酮、总酸、维生素C等活性成分,可改善PUFAs相对不稳定,容易氧化等缺点[12]。普通的食用油或油脂品已不能满足人们对其改善代谢疾病等方面的需求,因此许多专家学者不断地探索新的制油原材料和方法。现阶段普遍采用水蒸气蒸馏法、有机溶剂萃取法、挤压提取法、吸附法来提取藻油,但这些传统方法提取效果不佳,具有溶剂残留,油品质差的缺点。因此本研究采取超临界CO2萃取法,在保证TAO的品质的同时提高其产率。

目前关于TAO的研究鲜有报道,对其他油脂品的研究主要集中于PUFAs的提取和纯化方面。本研究利用高效液相色谱法对TAP进行成分分析,利用超临界CO2萃取法提取TAO,并对其进行纯化工艺优化,确定TAOP富集纯化的最佳工艺条件,并对其进行理化指标测定;测定TAP、TAO、TAOP中的活性成分,并其进行体外抗氧化能力测定研究;对以上活性成分与体外抗氧化能力进行相关性分析,为后期TAO对抗氧化方面的研究与多不饱和脂肪酸对心血管疾病研究提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

TAP,新疆新光生物科技有限公司提供的喷雾干燥粉;CO2气体(纯度99.9%);尿素(分析纯99%)、韦氏试剂Wijs、硫代硫酸钠(无水级)、碱性蓝6B指示剂、没食子酸、福林酚、芦丁,上海源叶生物科技有限公司;石油醚、无水乙醇、冰乙酸、氢氧化钠、高氯酸、冰醋酸、硝酸铝、醋酸钾均为分析纯,天津市北联精细化学品开发有限公司;环己烷(分析纯),天津市鑫铂特化工有限公司;碘化钾(分析纯)天津市盛奥化学试剂有限公司;氯仿(分析纯),四川西陇科学有限公司。

1.2 仪器与设备

超临界CO2萃取装置,杭州浙香生物科技有限公司;BSD-YX3200智能精密型摇床,上海博讯实业有限公司;智能冰箱,海尔智家股份有限公司;F-200旋转蒸发仪;DZKW-S-4电热恒温水浴锅,北京市永光明医疗仪器有限公司;H2-16K台式高速冷冻离心机,湖南可成仪器设备有限公司;LC-40高效液相色谱仪,日本岛津仪器设备有限公司;SPECORD-210-PLUS紫外可见分光光度计,德国耶拿分析仪器股份公司;JP96-II超声波细胞破碎仪,无锡久平仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 TAO和混合脂肪酸的制备

1.3.1.1 TAO的制备

超临界CO2萃取法:将一定量的TAP放入超临界CO2萃取装置中,控制设定条件(前温30 ℃,前压35 MPa;中温35 ℃,中压38 MPa;后温41 ℃,后压40 MPa),分离压力控制在12 MPa,分离温度控制在50 ℃,分离时间为153 min。把CO2通入萃取器中,通过TAO溶于超临界状态的CO2流体,在设定条件下,溶解在超临界CO2中的TAO在低压高温条件下解析出来,在分离器中与CO2以气态形式分离出去,被萃取的TAO留在分离器中。打开萃取器的阀门,即可得到TAO[13]。

1.3.1.2 混合脂肪酸的制备

参照胡力等[14]的方法,进一步进行调整。取5 g TAO加入25 mL、10%(体积分数)的NaOH-乙醇溶液在85 ℃回流1 h,将皂化液进行旋转蒸发后加入50～100 mL热纯水完全溶解皂化物,利用石油醚萃取除去不皂化物,加入20 mL、10%(体积分数)的硫酸溶解酸解(pH 2～3),石油醚萃取3次合并有机相。有机相水洗到中性,3 000 r/min离心10 min去除水层,有机相层旋转蒸发除去石油醚,得混合脂肪酸。

1.3.2 不同因素对TAOP纯化工艺的影响

1.3.2.1 TAOP的纯化

称1 g混合脂肪酸,加入不同比例的尿素乙醇溶液(需要85 ℃回流溶解,现配现用)85 ℃回流一定时间后结晶,回收乙醇溶液后快速抽滤,用100 g/L的NaCl溶液清洗3遍,水洗透明无尿素为止。用10 mL注射器吸取下层氯化钠溶液,干燥后得到高纯度的TAOP纯化物。得率计算如公式(1)所示:

(1)

式中:R,得率,%;m1,干燥后的质量,g;m2,样品称取质量,g。

1.3.2.2 单因素试验设计

TAOP的得率和碘值为指标,对其分别设置尿素与95%乙醇料液比(1：2,1：3,1：4,1：5,1：6),脂肪与酸尿素质量比(1：1,1：2,1：3,1：4,1：5),结晶温度(-15、5、15、25、35 ℃),包合时间(4、8、12、16、20 h)回流时间(10、20、30、40、50 min)进行工艺优化单因素试验,确定某一项参数时,其他参数保持不变。分别考察尿素与乙醇体积质量比、混合脂肪酸与尿素质量比、结晶温度、包合时间对TAOP的得率及碘值的影响。通过单因素试验选择Box-Behnken实验的影响因素。

1.3.2.3 Box-Behnken响应面试验

根据单因素试验的结果,选择TAOP得率和碘值影响显著的因素为实验因素,以TAOP的碘值和得率为响应值,采用Design-Expert 8.0.6软件设计4因素3水平Box-Behnken响应面试验。对TAOP的碘值和得率进行二次多元回归方程拟合,得到各因素与响应值之间函数关系的回归方程[15],根据试验生成的等高线和响应面图确定最佳的纯化工艺的条件[16]。具体如表1所示。

表1 响应面试验因素水平设计Table 1 Response surface test factor level design

1.3.3 理化指标及活性成分的测定

1.3.3.1 理化指标测定

TAO和TAOP分别参照李冠文等[17]方法测定碘值、酸价、过氧化值、皂化值等理化指标。

1.3.3.2 活性成分测定

维生素C:按照GB 5009.86—2016《食品安全国家标准-食品中抗坏血酸的测定》方法测定。

单双糖:按照GB 5009.8—2016《食品安全国家标准-食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖的测定》方法测定;

多酚:按照LS/T 6119—2017《粮油检验 植物油中多酚的测定 分光光度法》测定。

三萜:按照NY/T 3676—2020《灵芝中总三萜含量的测定 分光光度法》测定。

黄酮:按照NY/T 3903—2021《枸杞中黄酮类化合物的测定》测定。

总酸:按照GB/T 12456—2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定》第一法测定。

1.3.4 活性成分对体外抗氧化能力的影响

1.3.4.1 样品前处理

TAP:按照料液比1：25加纯水(或无水乙醇),温度50 ℃、功率200 W超声20 min,收集上清液,重复3次提取。上清液60 ℃烘干18 h,获取天山冷水藻粉水提物(Tianshan cold algae powder water extract,TAPs)和天山冷水藻粉乙醇提取物(Tianshan cold water algae powder ethanol extract,TAPq)。称取一定提取物,分别加入纯水和无水乙醇配制质量浓度为2、4、6、8、10 mg/mL测定液,维生素C为阳性对照。

TAO和TAOP:称取一定量样品加入无水乙醇(TAOq、TAOPq)混匀配制成质量浓度为2、4、6、8、10 mg/mL的测定液,维生素C为阳性对照。

1.3.4.2 体外抗氧化能力测定

总还原力的测定:参照王凯等[18]方法的基础上稍有调整。称取2 mL样品,加入2 mL、pH 6.6磷酸缓冲液和2 mL、10 g/L的铁氰化钾溶液50 ℃水浴20 min,然后加入100 g/L三氯乙酸的TCA溶液混匀后8 000 r/min离心5 min,取上清液2.5 mL加入2.5 mL 纯水与0.5 mL、1 g/L的氯化铁溶液,在700 nm 检测吸光度。

DPPH自由基清除能力的测定:称取2 mL、2×10-4mol/L、DPPH乙醇溶液和2 mL待测样品,振荡混匀后避光反应30 min,在517 nm测定吸光度,记为A1。同时做无水乙醇与DPPH溶液、无水乙醇与待测样品在517 nm处的吸光度分别记A2、A3。DPPH自由基清除率计算如公式(2)所示:

(2)

ABTS阳离子自由基清除能力的测定:配制7 mmol/L的ABTS溶液,用无水乙醇稀释至0.7±0.05吸光度范围备用。吸取300 μL待测样品和300 μL ABTS溶液,在734 nm处测定吸光度,记为A1。同时做无水乙醇与ABTS溶液、无水乙醇与待测样品在734 nm处的吸光度分别记A2、A3。ABTS阳离子自由基清除率计算如公式(3)所示:

(3)

超氧阴离子自由基清除能力的测定:按照超氧阴离子自由基清除能力试剂盒说明书要求测定。

1.4 数据处理

数据采用Microsoft Excel 2019进行统计分析;利用OriginPro 2021软件和Graphpad Prism8绘图;采用SPSS 25.0软件进行差异显著性分析(P<0.05)。运用Design-Expert 8.0.6软件Box-Behnken设计响应面试验并进行响应面分析[19]。采用Pearson correlation test进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

TAOP纯化单因素试验结果如图1所示,当尿素与乙醇料液比1：5的时TAOP的得率最高(73.55%),料液比1：3的时TAOP的碘值最高135.57(g/100 g),差异显著,是没有纯化处理样品的2倍(图1-a)。当混合脂肪酸质量保持不变时,随着溶解在95%乙醇中的尿素的增加,TAOP的得率和碘值逐渐上升后稳定,比例为1：3时得率最高(94.76%);比例为1：4和1：5时碘值基本一致(111.46 g/100 g和115.05 g/100 g),差异不显著(图1-b)。结晶温度的升高使碘值先上升后下降,TAOP的得率呈逐渐上升的趋势,结晶温度5 ℃时碘值最高,为94.33 g/100 g,得率为79.56%(图1-c)。当回流时间为20 min时,碘值和得率都具有显著差异(P<0.05),随着回流时间的延长,碘值先上升后下降,20 min时碘值最高97.50 g/100 g,得率为47.05%(图1-d)。随着包合时间的延长,碘值和TAOP的得率呈逐渐上升后稳定的趋势;从16 h开始,碘值和得率再无变化,无显著差异。16 h的碘值最高为92.64 g/100 g,得率为36.29%(图1-e)。由于碘值是决定油脂不饱和程度的重要指标,因此,本实验以碘值为主要指标,得率为次要的辅助指标;碘值和得率的占比是9：1的比例选择最佳实验条件。通过单因素实验确定,在尿素与乙醇料液比为1：3、混合脂肪酸与尿素溶剂质量比例1：4、结晶温度5 ℃、回流时间20 min、包合时间16 h为最佳条件,并进一步进行响应面试验。

a-尿素与乙醇料液比;b-脂肪酸与尿素质量比;c-结晶温度;d-回流时间;e-包合时间图1 单因素试验结果图Fig.1 The result of the single factor experiment

2.2 响应面Box-Behnken 实验结果

2.2.1 Box-Behnken模型建立及方差分析

响应面实验方案及结果如表2所示。将实验数据进行多元回归拟合,得到以碘值(g/100 g)为目标函数的二次回归方程模型:Y=141.44-3.33A+8.80B+6.76C+5.95D-1.39AB-0.53AC-9.69AD+7.57BC+8.37BD+4.51CD-29.03A2-23.80B2-19.63C2-8.73D2。对该数学模型进行方差分析(检验方程的有效性和各因子的偏回归系数)结果见表3。

表2 响应面实验设计方案及结果Table 2 Response surface experiment design scheme and results

表3 碘值为指标方差分析结果Table 3 Variance analysis table of indicators for iodine value

碘值是确定脂肪酸不饱和程度的重要指标之一。以碘值为指标的响应面实验方差分析结果见表3,模型极显著(P<0.000 1),决定系数R2=0.997 4,表明使用此模式能够预测碘值(Y)对脂肪酸尿素质量比(A),结晶温度(B),包合时间(C)和回流时间(D)4个因素的响应值。所选择的回归模式的值<0.000 1,说明整体模式对实验结果具有显著性影响,并具备可靠性;该失拟项的P值为0.068 0,大于0.05,失拟项不显著差异,模型选择比较合理;该模式的决定系数为0.997 4,说明模式可靠性较高。由此看出,各因素对碘值的影响大小依次为:脂肪酸尿素质量比(A)> 结晶温度(B)> 包合时间(C)>回流时间(D)。具体如图2所示。

根据回归模型分析,通过Design-Expert软件得到的TAOP纯化工艺最佳条件为:脂肪酸尿素质量比1：3.98,结晶温度10.71 ℃,包合时间16.31 h,和回流时间27.67 min,在此条件下的综合评价值为133.44。以回归模型最佳纯化工艺优化条件进行验证实验,测定出的综合评价值为132.74。平时多不饱和脂肪酸很容易氧化,测定的碘值一般情况下较小,由于TAO中的抗氧化活性成分可有效抑制TAOP的氧化酸败,最后测定的碘值和综合评价值比较接近预测值,则说明本次TAOP纯化工艺优化的方法及模型可行。

2.2.2 理化指标测定结果

TAO和TAOP的理化指标测定结果如表4所示。由表4可看出各项理化指标都符合国家标准要求(LS/T 3243—2015)。TAO和TAOP的酸价和皂化值都呈下降趋势,并具有显著性差异(P<0.05);由于酸价下降但是差距不大,说明纯化工艺条件对TAOP的影响较小,TAO和TAOP品质高。TAOP的碘值上升,说明不饱和脂肪酸双键含量增高;虽不饱和脂肪酸容易氧化,TAOP的过氧化值呈上升趋势,但仍符合国标要求。

表4 理化指标测定结果Table 4 Determination results of physical and chemical indexes

2.2.3 活性成分测定结果

TAP、TAO、TAOP中的活性成分含量如表5所示。TAP中的维生素C含量为 6.38 mg/100 g(图3-a);果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖5种单双糖含量分别3.29、1.38、1.54、0、2.55 g/100 g(图3-b)。

a-维生素C;b-5种单双糖图3 高效液相色谱图Fig.3 High performance liquid chromatogram

表5 活性成分测定结果 单位:mg/gTable 5 Determination results of active ingredients

2.2.4 体外抗氧化能力的测定

TAP和TAOP的抗氧化能力测定结果图4所显示。总还原能力是TAPs质量浓度为10 mg/mL时最好,吸光值为1.89A(图4-a)。DPPH自由基清除能力是TAPs和TAPq没有显著差异,TAPq质量浓度为6 mg/mL时清除能力最高,为95.28%(图4-b)。超氧阴离子自由基清除能力是样品质量浓度为6 mg/mL时TAPs、TAPq、TAOq、TAOPq分别为71.96%、76.18%、34.25%、48.59%(图4-c)。各样品质量浓度为8 mg/mL时候具有较高的ABTS阳离子自由基清除能力;TAPs、TAPq、TAOq、TAOPq的ABTS阳离子自由基清除率分别为92.93%、95.38%、50.94%、57.86%;TAPq 的ABTS阳离子自由基清除能力最高(图4-d)。

a-总还原能力;b-DPPH自由基清除能力;c-超氧阴离子自由基清除能力;d-ABTS阳离子自由基清除能力图4 体外抗氧化能力变化图Fig.4 Changes in antioxidant capacity in vitro注:天山冷水藻粉水提物-TAPs;天山冷水藻粉醇提物-TAPq;天山冷水藻油醇提物-TAOq;天山冷水藻多不饱和脂肪酸醇提物-TAOPq。

2.2.5 活性成分与体外抗氧化能力相关性分析

由图5所见,在TAP加工过程和TAO纯化过程中,相对而言,TAP的活性成分含量较高,对应的总抗氧化能力,DPPH自由基清除能力,超氧阴离子自由基清除能力,ABTS阳离子自由基清除能力也较高。Pearson correlation test 进行相关性分析结果表明,多酚含量、三萜含量、黄酮含量、总酸含量与各抗氧化能力指标之间具有正相关性关系,说明TAP、TAO、TAOP具有一定的抗氧化能力。

图5 活性成分与抗氧化能力相关性分析Fig.5 Correlation analysis of active ingredients and antioxidant capacity注:*,P≤0.05;**,P<0.01,***,P<0.001。

3 讨论与结论

本研究利用超临界CO2萃取获得TAO,并通过单因素实验确定影响TAOP纯化工艺的4个影响因素,对其进一步进行响应面试验,确定了TAOP纯化的最佳工艺条件,并对理化指标以及活性成分含量进行测定,研究了活性成分和总抗氧化能力,DPPH自由基清除能力,超氧阴离子自由基清除能力,ABTS阳离子自由基清除能力之间的相关性关系。

在单因素实验中发现,当尿素含量保持不变的时,随着乙醇体积的增加,尿素在乙醇中的溶解能力逐渐增加,从而增加包合效果,TAOP的得率和碘值呈现出先上升后稳定的趋势,是未纯化处理样品的2倍,说明纯化后体系中饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸被尿素包裹起来,从而得到纯度较高的多不饱和脂肪酸[20],并使碘值上升(图1-a)。结晶温度对TAOP纯化的影响是多方面的:一方面随着结晶温度的升高包合反应速度较快,从而导致TAOP的得率上升;另一方面在一定范围内随着结晶温度的升高有利于TAOP的纯化,但是温度太高会导致多不饱和脂肪酸的氧化速率,从而出现碘值下降(图1-c)。

在响应面实验中发现,响应面图的坡度陡峭程度和等高线图的圆形或者椭圆形状可以明显地反映出2个因素之间交互作用的强弱程度[21]。如果响应面图的坡度相对平缓说明2个因素间的交互作用较弱,坡度较陡峭则说明交互作用强;如果等高线图越接近于椭圆形状则说明2个因素之间的交互作用较强,反之,接近于圆形则交互作用弱。本研究通过响应面图和相应的等高线(图2)可以看出,脂肪酸尿素质量比和结晶温度、包合时间,结晶温度和包合时间等因素之间的交互作用较强,说明脂肪酸尿素质量比、结晶温度、包合时间对TAOP纯化工艺的影响比较大,因此本次工艺优化研究具有一定价值。

通过活性成分测定中发现,由高效液相色谱(图3)中可见,TAP当中的果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖等5种单双糖和维生素C含量较丰富、所以这些成分对TAP通过超临界CO2萃取出来的TAO、TAOP对光,氧,热条件下的氧化酸败具有一定的抑制效果。李蕊[22]在茶多酚与维生素协同作用对食用油脂抗氧化活性的影响研究中发现维生素C可以抑制由于使用油对光、热、氧气、金属离子接触发生的氧化酸败变质。贺瑞坤等[23]小麦胚芽油维生素E软胶囊抗氧化功效研究中发现,小麦胚芽油维生素E软胶囊对动物具有抗氧化功效。

通过TAP、TAO、TAOP活性成分测定发现,随着加工程度的增加活性成分含量反而降低(表4);在抗氧化能力的测定中,随着样品浓度的增加,总抗氧化能力,DPPH自由基清除能力质量,超氧阴离子自由基清除能力,ABTS阳离子自由基清除能力逐渐增加的趋势,但TAO和TAOP的抗氧化能力始终比天山冷水藻粉的抗氧化能力低(图4),并且相关性分析结果也表明,多酚,三萜,黄酮,总酸等成分含量与抗氧化活性具有正相关关系,说明TAP、TAO、TAOP的抗氧化能力随着多酚,三萜,黄酮,总酸等成分含量的降低而下降,这与孙纯勇等[24]、张方艳等[25]报道的结果相一致。

本文研究确定了TAOP的纯化工艺条件,提供了一种易于操作,方便检测TAO、TAOP提取及理化性质的新方法。通过尿素包合法单因素实验基础上设计4因素3水平响应面工艺优化试验最佳条件为:脂肪酸尿素质量比1：3.98,结晶温度10.71 ℃,包合时间16.31 h,和回流时间27.67 min,在此条件下的综合评价值为132.74。此时TAOP的碘值从61.57提升到142.30,说明TAOP纯度以及多不饱和脂肪酸含量提升;进一步测定理化性质及感官性质对天山冷水藻油品质进行综合评价。TAP、TAO、TAOP提取物里面的多酚、三萜、黄酮、总酸等活性成分含量和总抗氧化能力、DPPH自由基清除能力、超氧阴离子自由基清除能力、ABTS阳离子自由基清除能力之间进行相关性分析,这些活性成分对抗氧化活性领域的开发及应用提供了科学依据,TAOP对心血管疾病的细胞和动物水平进行深入研究奠定一定的数据参考基础。

本次研究虽然TAP、TAO、TAOP提取物的活性成分进行体外抗氧化活性研究以及相关性分析,但TAP、TAO、TAOP提取物对细胞抗氧化损伤效果以及相关动物实验还没有进行深入研究,未来仍需进一步探讨。