6種大型海藻甘油糖脂的吸濕保濕活性*

龍正康,易儷慧,李宇翔,孫穎穎,b,c

(江蘇海洋大學 a.江蘇省海洋生物資源與生態環境重點實驗室; b.江蘇省海洋生物產業技術協同創新中心; c.江蘇省海洋生物技術重點實驗室,江蘇 連云港 222005)

0 引言

甘油糖脂是一類由親水性糖基和親脂性甘油?；ㄟ^糖苷鍵連接而成的糖復合物[1],普遍存在于植物的類囊體薄膜中[2-3]。因具有獨特的兩親性結構(見圖1)[4],甘油糖脂具備了抗腫瘤[5]、抗氧化[6]、抗病毒[7]、抗炎[8]、抗菌[9]和促凝血[10]等多種不同的生物活性。甘油糖脂可作為食品添加劑用于食品的防腐保鮮,也可作為保濕劑用于提升化妝品性能,還可進一步應用于醫藥行業開發為抗腫瘤、抗病毒等藥物,在醫藥、食品和化妝品等領域有著良好的應用前景。

圖1 甘油糖脂結構Fig.1 Structure of glycerol glycolipids

目前,以山梨醇、丙三醇、丁二醇和聚乙二醇等為主要成分的保濕劑被廣泛應用于化妝品[11]、食品[12]和醫藥[13]領域,給人們的生活帶來了諸多便利。這類保濕劑大多為人工合成[14],對于合成保濕劑長時間使用的安全性目前仍有不少研究者和消費者持懷疑態度。隨著人們健康和環保意識的增強,天然來源保濕劑的開發越來越受到關注[15]。有研究表明,某些植物提取物可作為天然保濕類活性物質加入到食品和化妝品中,且取得了相對較好的保濕效果,如山藥多糖[16]和竹葉黃酮[17]。植物天然保濕劑主要包括植物多糖類,植物皂苷、黃酮和多酚類,植物氨基酸和肽類,以及植物油等4類保濕活性物質[18]。大型海藻資源豐富,是挖掘海洋活性化合物的理想來源[19]。從海藻中篩選出天然、高效和安全的保濕活性組分,用它們來代替合成的保濕劑成為食品、化妝品和醫藥行業發展的趨勢。

甘油糖脂作為大型海藻中普遍存在的一類多功能化合物[20],其具有的親水性糖基使甘油糖脂擁有吸濕保濕活性。然而,到目前為止國內外對甘油糖脂吸濕保濕活性的研究報道還很少?；诖?本文選用海水紅毛菜、菊花江蘺、江蘺、條斑紫菜、海蘿和石花菜等6種常見的大型海藻,采用甲醇浸提和液液萃取分離制備得到甘油糖脂組分,通過與常用吸濕保濕劑丙三醇[21]、山梨醇[22]和海藻酸鈉[23]進行比較,研究這些組分的吸濕保濕活性及其對鮮切蘋果的保濕作用,以期為該類甘油糖脂在食品和化妝品等領域的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

海水紅毛菜、石花菜、海蘿、菊花江蘺、江蘺和條斑紫菜干品均由江蘇碧藍海洋生物科技有限公司提供;變色硅膠,國藥集團化學試劑有限公司;碳酸鈉、無水硫酸銨、丙三醇,分析純,國藥集團化學試劑有限公司;甲醇、正己烷、乙酸乙酯和正丁醇,分析純,南京化學試劑股份有限公司;二氯甲烷,分析純,江蘇碧藍海洋生物科技有限公司;山梨醇、海藻酸鈉,分析純,阿拉丁生化試劑公司;硅膠板,青島海洋化工廠分廠。

BS323S型電子天平,賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;SK-1快速混勻器,金壇區西城新瑞儀器廠;DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱,上海一恒科技有限公司;XO-3200DTD超聲波清洗器,南京先歐儀器制造有限公司;R5D28旋轉蒸發儀,上海亞榮生化儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 海藻甘油糖脂組分的制備 依照文獻[24]方法并進行適當修改來制備甘油糖脂。海藻干品經清洗、干燥、超微粉碎后,過40目篩備用。稱取海藻干粉末10 g,加入到體積分數85%甲醇溶液中,搖勻后密封放入恒溫超聲波清洗儀器中,在料液比1∶30、溫度55 ℃、功率350 W的條件下提取2 h。提取結束后,取出抽濾,45 ℃旋轉蒸發除去甲醇,烘箱45 ℃下干燥12 h后得浸膏,產物稱量質量。將所得浸膏用pH為2的緩沖液[25]溶解(pH=2緩沖液配制:分別稱取25.000 0 g NaCl和3.727 5 g KCl,加入6.5 mL 2 mol/L鹽酸,蒸餾水定容至1 000 mL),充分振蕩,獲得浸膏溶液。將浸膏溶液倒入分液漏斗,按照浸膏溶液與有機溶劑體積比2∶1先后加入正己烷萃取3次。正己烷相合并收集,減壓蒸干,獲得正己烷萃取相;萃余相減壓蒸發除去正己烷后,采用相同方法,依次加入二氯甲烷、乙酸乙酯和正丁醇進行分部萃取,將所得萃取相進行硅膠薄層層析檢測(取硅膠板分別距上下底0.5～1 cm畫線,毛細管每間隔1 cm進行點樣,于層析杠中以V(氯仿)∶V(甲醇)∶V(水)=65∶15∶2展開,與標準品SQDG(硫代異鼠李糖甘油二酯)、DGDG(雙半乳糖甘油二酯)和MGDG(單半乳糖二酰甘油)比較。將含有甘油糖脂的萃取相旋轉蒸發濃縮后,得到甘油糖脂組分。

1.2.2 海藻甘油糖脂組分的吸濕活性檢測 采用文獻[26-28]方法,進行適當修改后測定吸濕活性。取直徑3 cm、潔凈恒重的稱量瓶若干,做好標記后用天平稱質量并記錄為m0。再分別稱取適量(0.03～0.05 g)海藻甘油糖脂組分以及丙三醇、山梨醇和海藻酸鈉于稱量瓶中,記錄稱量瓶和樣品的質量m1。稱量后立即蓋上瓶蓋,將稱量瓶分別放置于兩個預飽和12 h的干燥器中,其中一個干燥器放飽和碳酸鈉溶液(相對濕度RH=43%),另一個放飽和硫酸銨溶液(相對濕度RH=81%)。將稱量瓶蓋打開,蓋上干燥器蓋子,樣品于干燥器中放置4,8,12,24,36,48,60,72 h后分別稱質量,并記錄下各時間點稱量瓶和樣品的質量m2。環境溫度保持25 ℃,每組樣品設3個平行。吸濕率計算公式為

式中:P1為吸濕率,%;m0為稱量瓶質量,g;m1為稱量瓶+樣品質量,g;m2為放置在干燥器中不同時間段后的稱量瓶+樣品質量,g。

1.2.3 海藻甘油糖脂組分的保濕活性檢測 參照文獻[26-28]方法,進行適當修改后用于測定保濕活性。取直徑為3 cm、潔凈恒重的稱量瓶若干,做好標記后用天平稱質量并記錄為m′0。再分別稱取海藻甘油糖脂組分以及丙三醇、山梨醇和海藻酸鈉(0.03～0.07 g),加入適量蒸餾水配制成質量分數10%的水溶液,記錄下稱量瓶和樣品的質量m′1。稱完立即蓋上瓶蓋,將稱量瓶放置于硅膠干燥器中。將稱量瓶蓋打開,蓋上干燥器蓋子,樣品于干燥器中放置2,4,8,20,30,42,54,66,72 h后分別稱質量,并記錄各時間點稱量瓶和樣品的整體質量m′2。環境溫度保持在25 ℃,每組樣品設3個平行。保濕率計算公式為

式中:P2為保濕率,%;m′0為稱量瓶質量,g;m′1為稱量瓶+樣品質量,g;m′2為放置在干燥器中各時間段后稱量瓶+樣品質量,g。

1.2.4 鮮切蘋果保濕活性檢測 取90 mm潔凈恒重的培養皿,做好標記后稱量質量并記錄M0;再稱取海藻甘油糖脂組分(0.52～0.54 g),加入適量蒸餾水超聲溶解,分別配制成質量分數10%的水溶液,將新鮮切塊蘋果放入浸泡1 min后,記錄培養皿和樣品的質量M1;稱好后室溫條件下放置4,8,20,36,48,60,72 h后分別稱量質量,記錄下各時間點培養皿和樣品的質量My,每個實驗設3個平行。保濕活性計算公式為

式中:W為保濕率,%;M0為培養皿質量,g;M1為培養皿+樣品質量,g;My為放置在干燥器中各時間段后培養皿+樣品質量,g。

1.2.5 數據處理

實驗數據采用SPSS 27.0.1和OriginPro 2022進行獨立樣本檢驗統計分析,P<0.05為顯著差異,P<0.01為極顯著性差異。

2 結果分析

2.1 海藻甘油糖脂組分的制備與檢測

海水紅毛菜等6種海藻經甲醇超聲波浸提、液液萃取后,獲得6種甘油糖脂提取物。其中,海水紅毛菜、石花菜和菊花江蘺的正己烷萃取物及正丁醇萃取物得率明顯(P<0.05)高于其他溶劑的萃取物得率;海蘿二氯甲烷萃取物和正丁醇萃取物得率較高,江蘺和條斑紫菜正丁醇萃取物得率明顯(P<0.05)高于其他溶劑的萃取物得率(見表1)。據表2方差分析結果可知,各海藻甘油糖脂萃取物得率間有顯著差異(P<0.01)。薄層層析檢測表明,6種海藻的液液萃取物均含有甘油糖脂組分(見圖2)。綜合分析,選取正丁醇萃取物(甘油糖脂組分)進行后續吸濕保濕活性研究。

表1 6種海藻液液萃取物得率Table 1 Yields of liquid-liquid extracts of six macroalgae

表2 液液萃取物得率方差分析Table 2 Variance analysis of the yields of liquid-liquid extracts

圖2 海藻提取物甘油糖脂檢測Fig.2 Detection of glycerol glycolipids of methanol extracts

2.2 海藻甘油糖脂的吸濕活性

由圖3和表3可知,丙三醇、山梨醇和海藻酸鈉吸濕能力順序為丙三醇>山梨醇>海藻酸鈉。對于6種海藻而言,除石花菜和菊花江蘺甘油糖脂組分吸濕活性隨時間變化不明顯外(P>0.05),其余4種海藻甘油糖脂的吸濕活性隨時間延長而明顯增大(P<0.05),尤其是江蘺。相對濕度為43%時,江蘺甘油糖脂吸濕活性明顯(P<0.05)高于山梨醇;海水紅毛菜和菊花江蘺甘油糖脂吸濕活性明顯(P<0.05)高于海藻酸鈉;條斑紫菜甘油糖脂則顯示出與海藻酸鈉非常接近(P>0.05)的吸濕活性。

a 相對濕度43%

b 相對濕度81%圖3 6種海藻甘油糖脂及常見吸濕劑的吸濕活性比較Fig.3 Comparison of hygroscopic activities of glycerol glycolipids of six macroalgae and common hygroscopic agents

從圖3和表4中6種海藻甘油糖脂及常見吸濕劑吸濕活性的結果可以看出,石花菜甘油糖脂組分的吸濕活性隨時間延長明顯(P<0.01)增加。在24 h后,石花菜甘油糖脂的吸濕活性明顯(P<0.05)高于丙三醇。從圖中可以看出,石花菜甘油糖脂組分各平行試驗間存在一定誤差,其原因可能是稱量瓶前后擺放過于密集或位置的不同,造成了其中一組平行數據過大,但對整體吸濕率逐漸上升的試驗結果影響不大,可忽略不計。結合表4方差分析可知,海水紅毛菜和江蘺甘油糖脂組分的吸濕活性與山梨醇甘油糖脂組分的吸濕活性非常接近(P>0.05);條斑紫菜和菊花江蘺甘油糖脂組分的吸濕活性明顯優于(P<0.01)海藻酸鈉。在樣品放置72 h時,石花菜甘油糖脂組分的吸濕率達到155.95%,海水紅毛菜、菊花江蘺、條斑紫菜和江蘺甘油糖脂組分的吸濕率分別為55.42%,32.70%,29.09%和46.99%。從相關文獻結果看,在相同環境濕度下纖細裸藻多糖的吸濕率僅為19.07%[29];在60 h時,羊棲菜巖藻多糖的吸濕率為45%左右[30],均低于本文中江蘺甘油糖脂組分吸濕率。

表4 6種海藻甘油糖脂及常見吸濕劑吸濕活性的方差分析(相對濕度81%)Table 4 Variance analysis for the hygroscopic activities of glycerol glycolipids of six macroalgae and common hygroscopic agents at RH 81%

從上述6種大型海藻甘油糖脂組分與常見吸濕劑吸濕活性的比較可以看出,江蘺、石花菜、海水紅毛菜、條斑紫菜和菊花江蘺等5種大型海藻甘油糖脂組分的吸濕活性優于海藻酸鈉,江蘺和石花菜甘油糖脂組分的吸濕活性優于山梨醇,石花菜甘油糖脂組分的吸濕活性甚至優于丙三醇(相對濕度為81%時)。

2.3 海藻甘油糖脂的保濕活性

圖4表明,三種常見保濕劑的保濕能力為丙三醇>山梨醇>海藻酸鈉。石花菜和江蘺甘油糖脂組分表現出與山梨醇和海藻酸鈉非常接近(P<0.05)的保濕活性,其余海藻甘油糖脂組分的保濕活性均低于丙三醇和山梨醇,且據表5可知,各海藻不同時間段的保濕活性存在極顯著差異(P<0.01)。滸苔多糖24 h時的保濕率為60.0%[31]。本文6種海藻甘油糖脂組分在30 h時的保濕率均在60.0%之上,顯示出比滸苔多糖更優越的保濕效果。

圖4 6種海藻甘油糖脂及常見保濕劑的保濕活性Fig.4 Moisturizing activities of glycerol glycolipids of six macroalgae and common hygroscopic agents

表5 6種海藻甘油糖脂及常見保濕劑保濕活性的方差分析Table 5 Variance analysis for the moisturizing activities of glycerol glycolipids of six macroalgae and common hygroscopic agents

2.4 海藻甘油糖脂對鮮切蘋果的保濕作用

隨著時間的延長,鮮切蘋果中的水分含量不斷下降(見圖5)。浸泡海水紅毛菜、石花菜、海蘿和江蘺等4種海藻甘油糖脂的鮮切蘋果水分含量下降趨勢明顯(P<0.05)緩于空白組(見表6)。在4～72 h,空白組鮮切蘋果保濕率從95.0%下降至42.0%,水分損失53.0%;實驗組鮮切蘋果水分損失率在41.9%～51.7%。由表6可知,各海藻甘油糖脂組分在不同時間段對鮮切蘋果的保濕活性間存在顯著差異。海水紅毛菜等4種海藻甘油糖脂組分對鮮切蘋果顯示出一定的保濕作用。

a 浸泡效果

b 保濕率圖5 6種海藻甘油糖脂對鮮切蘋果保濕效果Fig.5 Moisturizing effects of glycerol glycolipids of six macroalgae on fresh-cut apples

表6 6種海藻甘油糖脂對鮮切蘋果保濕效果的方差分析Table 6 Variance analysis of the moisturizing effect of glycerol glycolipids of six macroalgae on fresh-cut apples

此外,實驗中還發現浸泡過海水紅毛菜、石花菜、江蘺和海蘿等甘油糖脂組分的鮮切蘋果的褐變明顯弱于空白組,推測這可能與甘油糖脂具有的抗氧化作用有關。后續將對其作進一步實驗分析。

整體而言,6種海藻甘油糖脂組分對鮮切蘋果均具有一定的保濕效果,相較于槐糖脂的Pickering 0.3%乳液組對完整蘋果具有較好的保鮮防腐效果(63 d)而言[32],本實驗能在短時間內檢測出甘油糖脂組分是否具有保濕效果,不足之處是未進行毒理實驗?；诒疚难芯拷Y果,大型海藻甘油糖脂具有開發為食品保濕劑的潛力,后續可進行深入研究。

3 討論

甘油糖脂是大型海藻中廣泛存在的一類具有兩親性結構的代謝物。已有研究指出,甘油糖脂可被用于制備化妝品用的微乳液載體[33],也可被作為復合材料的原料,用于吸附大米粉中的鎘金屬[34]。本文通過研究海水紅毛菜等6種大型海藻甘油糖脂的吸濕保濕活性,探討了它們在食品和化妝品中的應用潛力。

在對6種海藻甘油糖脂萃取中得出,正己烷和正丁醇萃取物得率總體優于二氯甲烷和乙酸乙酯萃取物(見表1和圖2)。實驗前期,對甘油糖脂提取物直接用蒸餾水[24]溶解和用pH=2的緩沖液[25]溶解進行了比較,結果表明用pH=2的溶液溶解后,正己烷、二氯甲烷和乙酸乙酯所得萃取相的得率要大于用蒸餾水溶解得率;而用正丁醇萃取時,蒸餾水溶解所得萃取相得率要大于緩沖液溶解的得率(見表1),原因可能是正丁醇的沸點較高,不易濃縮,難以干燥至恒重,導致結果存在誤差,因此選取pH=2的溶液作為溶劑。實驗發現,在萃取過程中適當縮短萃取時間,少量多次萃取,也能很好地進行分離,且海水紅毛菜等海藻的萃取物得率相較于孔令明等[25]從螺旋藻中所得萃取物得率要好。

研究表明,在相對濕度為43%和81%的環境條件下,海水紅毛菜、石花菜、海蘿、江蘺、條斑紫菜和菊花江蘺等6種海藻的甘油糖脂組分均具有一定的吸濕活性。丙三醇、山梨醇和海藻酸鈉為常用食品工業用加工助劑[35-37],在本實驗中,它們的吸濕活性順序為丙三醇>山梨醇>海藻酸鈉。除海蘿外的5種海藻的甘油糖脂吸濕活性優于海藻酸鈉,江蘺和石花菜甘油糖脂組分的吸濕活性還高于山梨醇,石花菜在81%相對濕度下的吸濕率高達155.9%,為丙三醇吸濕率的1.7倍。相對濕度40%條件下,劉新歌[38]添加了槐糖脂的煙絲在48 h時的吸濕率為25.0%;而本文在43%濕度條件下,江蘺、海水紅毛菜和菊花江蘺在48 h時的吸濕率分別為72.7%,43.5%和36.8%。胡佩紅等[39]在相對濕度為43%和81%條件下得出褐藻糖膠純品的吸濕率分別為10.99%和16.96%。本文各海藻甘油糖脂組分在相對濕度43%下的吸濕率均優于褐藻糖膠,在濕度81%下,除海蘿外,其余吸濕率也均優于褐藻糖膠。

在干燥硅膠環境中,6種海藻甘油糖脂組分均具有一定的保濕活性(見圖4和表5)。其中石花菜和江蘺甘油糖脂組分的保濕活性要優于山梨醇和海藻酸鈉,72 h時石花菜保濕率維持在20.8%。日常保濕劑的使用一般不會超過24 h(如化妝品),相較于景永帥等[40]得到的螺旋藻、昆布和石花菜粗多糖在24 h時的保濕率為9.50%,5.75%和0,本論文6種海藻甘油糖脂在30 h時的保濕率均大于60%。

在室溫條件下,對6種海藻甘油糖脂組分進行的鮮切蘋果保濕試驗,結果表明海水紅毛菜和石花菜等試驗組的水分損失要小于空白組(見圖5和表6)。該結果為浸泡樣品1 min后得出,若在此基礎上延長鮮切蘋果的浸泡時間,可能會達到更好的保濕效果,這有待于進一步探索。目前已有研究發現槐糖脂對蘋果和西紅柿等具有一定的保鮮效果[41]?？傮w而言,海藻甘油糖脂組分的吸濕保濕活性介于丙三醇和海藻酸鈉之間,符合保濕劑的選擇標準。

4 結論

本文對海水紅毛菜等6種大型海藻甘油糖脂的吸濕保濕活性進行了初步研究,并與常用的吸濕保濕劑丙三醇、山梨醇和海藻酸鈉進行了比較,以明確該6種大型海藻甘油糖脂是否具有開發為吸濕保濕劑的潛力,為其在食品和化妝品等領域的應用提供實驗參考。

丙三醇、山梨醇和海藻酸鈉的吸濕能力順序為丙三醇>山梨醇>海藻酸鈉。江蘺、石花菜、海水紅毛菜、條斑紫菜和菊花江蘺甘油糖脂的吸濕活性優于海藻酸鈉;江蘺和石花菜甘油糖脂的吸濕活性均高于山梨醇;石花菜甘油糖脂在81%相對濕度時吸濕率甚至強于丙三醇,為丙三醇吸濕率的1.7倍。

丙三醇、山梨醇和海藻酸鈉的保濕能力順序為丙三醇>山梨醇>海藻酸鈉。石花菜和江蘺甘油糖脂的保濕活性比山梨醇和海藻酸鈉更好。在72 h時,石花菜和江蘺甘油糖脂的保濕效果與丙三醇接近,石花菜和江蘺甘油糖脂、丙三醇的保濕率分別為20.8%,19.3%和23.8%。

海水紅毛菜、石花菜、海蘿和江蘺甘油糖脂對鮮切蘋果表現出一定的保濕作用,蘋果水分損失率低于空白對照組。