α-1,3-葡聚糖的精制、鉴定及其系列寡糖的制备与序列表征

张洪涛，范尊晓，朱 莉，赵小亮，詹晓北,*

（1.江南大学生物工程学院，糖化学与生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡 214122；2.江苏瑞光生物科技有限公司，江苏 无锡 214000；3.中国海洋大学医药学院，海洋药物教育部重点实验室，山东 青岛 266003）

α-1,3-葡聚糖的精制、鉴定及其系列寡糖的制备与序列表征

张洪涛1，范尊晓1，朱 莉2，赵小亮3，詹晓北1,*

（1.江南大学生物工程学院，糖化学与生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡 214122；2.江苏瑞光生物科技有限公司，江苏 无锡 214000；3.中国海洋大学医药学院，海洋药物教育部重点实验室，山东 青岛 266003）

目的：提取α-1,3-葡聚糖并获得系列α-1,3-葡聚寡糖。方法：以香菇子实体粗提粉为原材料，依次经生理盐水（0.9% NaCl）和水溶解提取，然后用质量分数5% NaOH和质量分数0.05% NaBH4溶解，调节pH值至中性再分离提取的分级沉淀策略，获得了依次命名为LFⅠ、LFⅡ、LFⅣ、PⅢ和PⅣ的5个不同组分，再利用红外光谱（infrared spectroscopy，IR）和核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）对PⅣ结构进行鉴定，然后利用酸解法对PⅣ进行寡聚化，并利用常压色谱Bio-Gel P4柱进行分离，同时对每个组分利用基质辅助激光解吸-电离质谱（matrix assisted laser desorption ionization mass spectrometry，MALDI-MS）或电喷雾离子化质谱法（electrospray ionization mass spectrometry，ESI-MS）进行表征。结果：结构分析表明PⅣ为线性α-1,3-葡聚糖，10 mmol/L三氟乙酸（trifluoroacetic acid，TFA）中，100 ℃处理2 h为较佳的水解条件，经过Bio-Gel P4柱分离获得的各个组分被依次鉴定为α-1,3-2～α-1,3-13糖。结论：实现α-1,3-葡聚糖的分级精制与结构鉴定，成功获得结构确定的系列α-1,3-葡聚寡糖。

α-1,3-葡聚糖；结构鉴定；核磁共振；α-1,3-葡聚寡糖；基质辅助激光解吸-电离质谱

α-1,3-葡聚糖是存在于多种微生物细胞壁的多糖[1-3]，一方面其衍生物具有抗肿瘤等生物活性[4]，另一方面在致病菌入侵机体过程中具有重要作用，如α-1,3-葡聚糖通过阻断Dectin-1识别致病菌，加速了致病菌入侵机体[5]；同样α-1,3-葡聚糖促进了致病菌侵入稻谷植株，含有α-1,3-葡聚糖水解酶的转基因稻谷能明显增强其对Magnaporthe oryzae的抗性[6]。此外，α-1,3-葡聚糖诱导曲霉菌的分生孢子聚合[7]。在加强功能因子的构效、量效关系及其作用机理的研究已经成为寻找与发现新型功能糖的主流趋势下，如何探寻α-1,3-葡聚糖的功效机制成为成功对α-1,3-葡聚糖进行“构-效”关系研究的核心。

多糖在生物体内的活性体现在与功能蛋白受体相互识别、相互作用的过程中[8-9]，多糖通过与功能靶标蛋白结合来激活机体内相应细胞信号途径，进而实现其功能。因此筛选获得能够识别α-1,3-葡聚糖的功能蛋白成为阐明α-1,3-葡聚糖功效机制的关键。

根据蛋白序列、识别糖链的特异性以及结构的不同，目前将糖-蛋白识别模型（carbohydrate-binding modules，CBMs）归为69 个不同类型（www.cazy. org）。根据结构和功能的相似性又将CBMs分为3 个大类型：1）A-型（表面识别类型），糖链主要与靶标CBMs蛋白的表面部位识别；2）B-型（糖链识别型），该型CBMs主要通过与聚合度大于3的寡糖识别；3）C-型（小糖识别类型），该类型CBMs主要与低聚合度的寡糖进行识别[10]。这表明：糖链与靶标蛋白受体结合时，主要是通过糖链中的活性中心——寡糖片段与受体蛋白真正相结合[11]。因此，从多糖的活性中心——寡糖的角度筛选功能蛋白成为一条有效的捷径。

由于没有商业化的α-1,3-葡聚糖或α-1,3-葡聚寡糖可以购买，本研究根据香菇中可以提取α-1,3-葡聚糖的报道[12]，主要关注于：1）首先利用香菇子实体粗提多糖进行分级提取获得α-1,3-葡聚糖并利用红外光谱（infrared spectroscopy，IR）和核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）对提取的多糖结构进行了鉴定与验证；2）利用酸解技术对获得的α-1,3-葡聚糖进行寡聚化并进行凝胶色谱分离，同时对获得组分进行电喷雾质谱（electrospray ionization mass spectrometry，ESI-MS）和基质辅助激光解吸-电离质谱（matrix assisted laser desorption ionization mass spectrometry，MALDI-MS）分析，最终获得了聚合度从α-1,3-2～α-1,3-13糖的系列寡糖。本研究为进一步基于糖芯片技术筛选获得能够识别α-1,3-葡聚寡糖的功能蛋白配体奠定了寡糖资源物质基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

香菇子实体粗提多糖粉 杭州众芝康菇生物技术有限公司；Dextran多糖水解混合物 Imperial College London；高效薄层层析（high performance thin layer chromatography，HPTLC）板 德国Meker公司。

1.2 仪器与设备

Nicolet Nexus 470 FT-IR红外光谱仪 美国Nicolet公司；Micromass Q-Tof Mass Spectrometer 英国Waters公司；Micromass Tof Spec 2E-TOF 英国Waters公司；JNM-ECP600核磁共振波谱仪 日本理光公司；ICS-5000离子色谱仪（脉冲安培检测器） 美国Dionex公司。

1.3 方法

1.3.1 α-1,3-葡聚糖的分级拆分

α-1,3-葡聚糖的提取参照Zhang Pingyi等[12]的方法。香菇子实体粗提多糖粉依次经质量分数0.9%NaCl、水、5%NaOH/0.05%NaBH4溶解、调节pH值至中性后得到上清液LFⅠ、LFⅡ、LFⅢ和沉淀PⅢ、PⅣ，具体流程见图1。

图1 1α-1,3-葡聚糖的提取流程Fig.1 Flowchart for the extraction of α-1,3-glucan from shiitake

1.3.2 PⅣ多糖的单糖组成分析

精确称取0.100 0 g葡萄糖、木糖、岩藻糖、氨基葡萄糖、鼠李糖、阿拉伯糖、氨基半乳糖、半乳糖、甘露糖、果糖、核糖，分别以体积分数80%的乙腈-水溶液定容至10 mL。再分别移取1.00 mL置于同一容量瓶中，摇匀，定容至10 mL，得到单糖标准溶液。

用热凝胶多糖（β-1,3-glucan，单糖组成仅为葡萄糖）作为对照，称取热凝胶和PⅣ多糖各15 mg，分别加入2 mol/L CF3COOH 2 mL，封管后在100 ℃下反应8 h，水解产物加入甲醇，用氮吹仪吹干，反复3 次（用于除去CF3COOH）。然后用ICS-5000离子色谱仪进行色谱分析。采用CarboPac PA20（3 mm×150 mm，5 μm）色谱柱，梯度洗脱，流动相：A去离子水，B 250 mmol/L NaOH，C 1 mol/L CH3COONa，0～21 min：V（A）∶V（B）∶V（C）=97.4∶2.6∶0；21～21.1 min：V（A）∶V（B）∶V（C）=92.4∶2.6∶5.0；21.1～30 min：V（A）∶V（B）∶V（C）=77.4∶2.6∶20；30～30.1 min：V（A）∶V（B）∶V（C）=20∶80∶0；30～50 min：V（A）∶V（B）∶V（C）=20∶80∶0。流速为0.5 mL/min。

1.3.3 多糖PⅣ的红外光谱分析

采用KBr圆盘法处理[13]：在红外灯照射下，取少许多糖和3～4 勺KBr（多糖-KBr质量比约为1∶50）于研钵中研细，取适量压成透光薄片上样，使用Nicolet Nexus 470 FT-IR红外光谱仪在4 000～500 cm－1范围内进行检测分析。

1.3.4 多糖PⅣ的核磁共振分析

NMR分析样品准备[14]：将50 mg多糖PⅣ在P2O5真空干燥箱中充分干燥后溶解于0.5 mL D2O中，真空冷冻干燥，重复3 次，最后将样品用0.5 mL D2O溶解转移至核磁管中，丙酮作为内参，在25 ℃下进行一维1H-NMR分析，采用MestReNova软件进行数据辅助解析。

1.3.5 α-1,3-葡聚糖（多糖PⅣ）水解与常压色谱分离

Dextran水解产物用Bio-Gel P4（1.6 cm×90 cm，90～180 μm）凝胶柱子进行凝胶色谱分离，用于评估Bio-Gel P4柱子的分离效果。α-1,3-葡聚糖在10 mmol/L三氟乙酸（trifluoroacetic acid，TFA）中（按照1 mg多糖∶200 μL 10 mmol/L TFA）100 ℃处理2 h，取出后立即放置冰上，等待降为室温后，加入2 mL的甲醇，用氮气吹干，反复3 次用于除去TFA。定容于1 mL的水中，用Bio-Gel P4凝胶柱进行色谱分离。

对于分离峰形独立良好的寡糖组分，根据出峰时间与峰形直接归类收集，对于分离效果不是很理想的大片段寡糖，先用MALDI-MS分析分子质量，然后再进行归类收集。获得的从2糖到13糖组分分别单独收集并冷冻干燥，对每一组分，分别取出约2 μg寡糖用HPTLC板来进行分析，展开剂采用正丙醇-水（8∶3，V/V）。Orcinal做染色剂，在105 ℃下处理90 s用于显色[15]。

1.3.6 寡糖序列质谱表征

寡糖分子质量分析[16]：ESI-MS主要用于小分子物质的分析，用ESI-MS分析大分子质量的寡糖时，则会使其裂解成大量的碎片，无法获得大分子寡糖的分子质量，而MALDI-MS则不会破坏分子结构，因而可以用于大分子寡糖的分析，由于MALDI-MS需要基质辅助才能完成分子质量的分析，基质分子质量较小，小分子质量寡糖用MALDI-MS进行分析时则很容易被基质峰掩盖掉。因此，在本实验对于聚合度低于4的寡糖，用负离子ESI-MS方法测定寡糖分子质量，仪器为Micromass Q-Tof Mass Spectrometer，氮气作为去溶剂化和雾化气体，流速分别为250 L/h和15 L/h。源温度为80 ℃，去溶剂温度为150 ℃。毛细管电压为3 kV，寡糖溶解在甲醇-水（1∶1，V/V）溶液中，寡糖浓度为5～10 pmol/μL，每次取5 μL注射入进样口用于分析，乙腈：1 mmol/L碳酸氢铵（1∶1，V/V）作为流动相，由注射器进样泵控制流速为10 μL/min，主要产生[M-H]－的离子碎片峰。对于聚合度高于4的寡糖，其分子质量用Waters的Micromass Tof Spec 2E-TOF仪器进行表征，寡糖首先溶解于水中，浓度为10～20 pmol/μL，取0.25 μL样品和2-（4-羟基苯唑）苯甲酸一起加到样品板上，室温下等样品板上的液体全部挥发后，样品和助剂的混合物用乙醇重新结晶。对于中性糖，MLADI源主要产生[M+Na]+的离子碎片峰。

2 结果与分析

2.1 PⅣ的提取与结构鉴定

图2 多糖PⅣ的单糖组成HPLC图Fig.2 HPLC profile of monosaccharides compositions in polysaccharide PⅣ

从香菇子实体中提取α-1,3-葡聚糖已有相关报道[4]。由于所使用的材料是香菇粗提多糖，而α-1,3-葡聚糖是水不溶性多糖，在粗提过程中有可能造成α-1,3-葡聚糖的丢失，因此有必要对提取的多糖结构进行鉴定与验证。PⅣ的单糖组成分析结果如图2所示。因为热凝胶的单糖组成为葡萄糖，本实验将热凝胶作为对照来进行分析，结果如图2b所示，通过与单糖标准品的出峰时间进行比对，可以判断热凝胶的单糖组成为葡萄糖。PⅣ的单糖组成分析结果如图2c所示，PⅣ组分中的单糖组成主要为葡萄糖，也含有少量的木糖与甘露糖。该分析结果与Zhang Pingyi等[4]的结果相一致，木糖与甘露糖应该是少量来自于LFⅣ的组分。单糖组成分析表明：PⅣ的单糖组成主要为葡萄糖。

图3 多糖PⅣ的红外光谱Fig.3 Infrared spectrum of PⅣ

由图3可知，在2 931 cm－1和1 362 cm－1处有两组吸收峰，该吸收峰分别代表了糖类化合物C—H伸缩振动和变角振动，而在3 420 cm－1处吸收峰则代表了糖类化合物O—H伸缩振动[17]，为多糖特征吸收峰[18]。950～1 250 cm－1范围内有强吸收峰，表示其为呋喃单体。无810 cm－1和875 cm－1处吸收峰则表示不含甘露糖[18]。847 cm－1为α-D-Glc呋喃构型的特征吸收峰[17]，在890 cm－1处有吸收峰则表示分子中有β-D-Glc的C—H差相异构吸收峰，在图3中只观察到844 cm－1处有吸收峰，而890 cm－1处没有观察到吸收峰，表明PⅣ不含β-D-Glc单元，PⅣ的葡萄糖单元均为α-D-Glc呋喃构型。在822 cm－1处有吸收峰表示该多糖为α-（1→3）-键型[19]。有研究表明926、844、822 cm－1为α-（1→3）-D-葡聚糖的特征吸收峰[12]，本实验可明显地在929、844、821 cm－1处观察到吸收峰，说明PⅣ为α-（1→3）-D-葡聚糖。

为进一步确定PⅣ的键型，对PⅣ进行了1H-NMR分析。H1化学位移在4.4～4.9范围之内为β-型，而在4.9～5.9范围之内为a-型[20]。PⅣ的1H-NMR分析图谱如图4a所示，PⅣ的H1化学位移为5.11，在5.0～5.5之间，该结果进一步表明多糖PⅣ为α-型多糖。在13C-NMR谱图中，异头碳信号在90～110范围之内，非异头碳信号在60～85范围之内。通过α键型连接的多糖其异头碳（C1）信号在97～101左右，通过β键型连接的多糖其异头碳（C1）信号在103～105左右[21]。PⅣ的13C-NMR分析图谱如图4b所示，从图中可以看出C1的化学位移为101.61，这进一步表明PⅣ为α-型多糖。83.3是葡萄糖单元通过α-（1→3）连接的C-3化学位移信号[22]，在图4b中可以观察到83.92的化学位移信号，这表明PⅣ多糖中含有α-（1→3）-D-葡聚糖。

图4 PⅣ的1H-NMR（a）和13C-NMR（b）图谱Fig.4 1H-NMR (a) and1133C-NMR (b) of PⅣ

2.2 α-1,3-葡聚糖水解混合物的分离与寡糖结构质谱表征

α-1,3-葡聚寡糖混合物的分离选用Bio-Gel P4凝胶柱来进行。但是在进行分离前需要对水解混合物进行脱盐，在用G10脱盐过程中，由于葡萄糖极容易与盐混合为一个峰，从而造成多糖水解产物脱盐后的Bio-Gel P4图谱中1糖峰位置的缺失，因此需要确定葡萄糖经Bio-Gel P4柱的出峰时间，此外也要评估Bio-Gel P4柱的分离效果。Dextran是α-1,6-葡聚糖，Dextran的水解产物是包含了从1糖到不同聚合度寡塘的混合物。因此首先用Dextran水解产物对Bio-Gel P4柱效进行了评估，同时确定葡萄糖单糖的出峰时间，分离效果图如图5a所示，1糖到10糖所在的出峰位置与出峰时间并且各个峰形相对独立，这表明Bio-Gel P4柱对Dextran水解产物具有较好的分离效果。

α-1,3-葡聚糖水解混合物的Bio-Gel P4凝胶色谱分离谱图如图5b所示。最后一个峰的位置与图5a中的1糖相对应，这表明最后一个峰所含主要组分为葡萄糖。在多糖寡聚化时，除用酶解外，用硫酸和盐酸对多糖进行寡聚化也是主流的寡聚化方法，用硫酸寡聚化的条件下，一般通过形成硫酸钡来除去硫酸根离子，由于硫酸钡会对多糖和寡糖产生吸附，提高了产品的成本；盐酸作为水解酸时，酸解结束后需要通过G10柱等进行脱盐，增加了工序与成本。但是使用三氟乙酸酸解结束后，只需要用氮气吹干即可，大大降低了成本与损耗。鉴于结构为线性α-1,6-葡聚糖的Dextran水解产物，其经过Bio-Gel P4柱分离后依次出现α-1,6-2糖、α-1,6-3糖等不同聚合度的寡糖，因此根据分离谱图上峰形良好的组分依据峰形进行收集，每个独立峰形归为一个组分，依次命名为F2～F10，对于剩余不能根据峰形确定的组分则是在对每一样品收集管进行MALDI-MS分析后根据分析的结果将聚合度分布相同的收集管进行合并得到F11～F13。

图5 多糖水解产物的Bio-Gel P4柱分离图谱Fig.5 Separation profile of gluco-oligosaccharides from hydrolysates

12 个寡糖片段（F2～F13）的纯度分析初步用HPTLC来进行，结果如图6所示，每个寡糖片段主要成分含量占很大比重。为了对所收集的每个片段的结构进行表征，本实验采用MALDI-MS来进行：由于PⅣ为线性α-1,3-葡聚寡糖，因此，只要知道获得寡糖的聚合度，就可以得到寡糖的结构。不同寡糖组分的MALDI-MS结果如表1所示，在每个寡糖组分中，其所含主要寡糖的聚合度与预期大小完全一致。此外，结果同时表明在10 mmol/L TFA中，100 ℃处理2 h为较好的α-1,3-葡聚糖水解条件。

图6 12个寡糖片段的HPTLC分析Fig.6 HPTLC profile of oligosaccharides F2 through F13

表1 Bio-Gel P4柱分离获得寡糖组分的MALDI-MS和ESI-MSTable1 MALDI-MS and ESI-MS analysis of oligosaccharides present in Bio-Gel P4 fraction

3 结 论

基于IR图谱和1H-NMR对分离获得的PⅣ组分进行分析，结合已经报道的α-1,3-葡聚糖数据，将PⅣ鉴定为线性α-1,3-葡聚糖。在10 mmol/L TFA中，100 ℃处理2 h为较好的α-1,3-葡聚糖水解条件。然后通过色谱分离与MALDI-MS或ESI-MS分析成功获得了聚合度从2到13的系列线性α-1,3-葡聚寡糖。系列线性α-1,3-葡聚寡糖的成功获得为进一步基于糖芯片技术获得与α-1,3-葡聚寡糖具有特异作用关系的功能蛋白奠定寡糖基础。

目前在对寡糖进行分离时，利用常规的凝胶色谱只能实现低聚糖的有效分离（聚合度＜7）。对聚合度相对较大的寡糖，虽然可以采用高效液相色谱（配RI检测器）进行分析，但是分离的灵敏度相对较低，并且不能使用梯度洗脱法来进行更为有效的分离。为解决梯度洗脱问题，科研工作者建立了柱前衍生，柱后脱衍生的方法：通过将寡糖衍生化获得荧光基团来实现在紫外检测器检测情况下的有效分析，但随之而来的问题是分离获得的寡糖如何高效除去衍生化荧光基团问题。在今后工作中，如何获得有效的柱前衍生和柱后脱衍生方法是亟待解决的问题。

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Structural Identification of α-1,3-Glucan Refined from Mushroom, and Preparation and Characterization of Its Oligomerization Products

ZHANG Hong-tao1, FAN Zun-xiao1, ZHU Li2, ZHAO Xiao-liang3, ZHAN Xiao-bei1,*
(1. Key Laboratory of Carbohydrate Chemistry and Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China; 2. Jiangsu Rayguang Biotech Co. Ltd., Wuxi 214000, China; 3. Key Laboratory of Marine Drugs, Ministry of Education, School of Medicine and Pharmacy, Ocean University of China, Qingdao 266003, China)

Purpose: To refine α-1,3-glucan and acquire a series of α-1,3-gluco-oligosaccharides. Methods: Crude polysaccharides from Lentinula edodes fruit bodies was extracted sequentially with 0.9% NaCl, water, and 5% NaOH/0.05% NaBH4, and then fractional preciptitation was conducted by adjustment of the pH to neutrality with 1 mol/L acetic acid . Five fractions were acquired as LFⅠ, LFⅡ, LFⅣ, PⅢ and PⅣ. The structural identification of PⅣ was carried out using HPLC, IR and NMR methods, and then PⅣ was hydrolyzed with 10 mmol/L TFA and separated with FPLC using Bio-Gel P4 column for obtaining a series of oligosaccharides. Each fraction of PⅣ was characterized by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-MS) and electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS). Results: PⅣ was a linear α-1,3-glucan, and 12 kinds of α-1,3-gluco-oligosaccharides were acquired. Conclusion: A library of α-1,3-gluco-oligosaccharides had been established.

α-1,3-glucan; structural identification; nuclear magnetic resonance (NMR); α-1,3-gluco-oligosaccharide; matrix assisted laser desorption ionization mass spectrometry (MALDI-MS)

O629.1

A

1002-6630（2014）23-0001-06

10.7506/spkx1002-6630-201423001

2014-08-13

国家自然科学基金青年科学基金项目（31201384）；国家自然科学基金面上项目（3117164）；国家博士后特别资助项目（2014T70472）；国家博士后基金项目（2012M20996）；江苏博士后基金和江苏省资助博士后基金项目（1301011B）；国家留学基金委国家建设高水平大学公派研究生项目（2008679005）；111引智计划项目（111-2-06）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（JUSRP1007）

张洪涛（1979—），男，讲师，博士，研究方向为功能寡糖的筛选与生物合成。E-mail：htzhang@jiangnan.edu.cn

*通信作者：詹晓北（1962—），男，教授，博士，研究方向为高黏度发酵技术、微生物多糖生物合成、功能性寡糖制备、生物反应器和传统发酵食品。E-mail：xbzhan@yahoo.com