中国农业科学院蔬菜花卉研究所质量与安全课题组研究构建十字花科蔬菜中萝卜硫素识别分离新方法

展源 2023-09-25

中国农业科学院蔬菜花卉研究所质量与安全课题组研究构建十字花科蔬菜中萝卜硫素识别分离新方法 Food Chemistry

●近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所质量与安全课题组在十字花科蔬菜活性物质萝卜硫素的高效富集和分离提取领域取得新进展。该研究研制了一种新型仿生矿化材料，系统阐明了其微观结构特征、萝卜硫素吸附性能和识别分离机理，并成功应用于实际样品中萝卜硫素的快速富集。相关内容以“Facile preparation of biomimetic mineralized COFs based on magnetic silk fibroin and its effective extraction of sulforaphane from cruciferous vegetables”为题在线发表于Food Chemistry上（IF=8.8 Q1）。

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成果介绍

硫代葡萄糖苷是一类十字花科蔬菜中特有且含量丰富的含硫次生代谢产物，可通过植物内源水解酶的作用代谢降解生成具有抗癌、抗氧化、抑菌等多种功效的生物活性物质。其中，萝卜硫素是目前蔬菜中发现的抗癌效果最强的硫代葡萄糖苷水解活性物质，作为药品或功能食品的有效成分，具有较高的研究价值和广阔的应用前景，十字花科蔬菜萝卜硫素的提取及利用是国内外研究的热点之一。传统的萝卜硫素提取技术主要是基于大量有机溶剂的液液萃取法，提取效率低，耗时长，溶剂消耗大，易产生环境污染。为了探索建立更为高效、环保的提取技术，本研究制备了一种提取效率高、可多次循环利用的新型复合多孔仿生矿化磁性吸附材料，结合磁性分散固相萃取技术（MSPE），构建萝卜硫素的特异识别和快速富集分离方法。

自然界许多生物如鲍鱼、贻贝等会制造出用于软组织保护和支撑的分子结构，生成坚硬的外骨骼，帮助它们有效抵御外部的伤害，这种生物诱导的自组装过程被称为生物矿化。仿生矿化材料是利用蛋白质、多糖等有机基质调控无机矿物如碳酸钙、二氧化硅等成核生长为固态矿物，通过仿生矿化定向组装的具有特定有序结构和先进功能的有机-无机杂化材料。丝素蛋白（silk fibroin）是一种从蚕丝中提取的天然高分子材料，富含氨基、羟基、羧基等多种活性基团，可以与金属络合进行原位矿化，可作为有机物基质应用于仿生矿化材料的合成策略中。受生物矿化过程的启发，本研究通过金属配位使丝素蛋白表面的活性基团结合铁离子，共沉淀后原位矿化沉积纳米颗粒，得到仿生矿化丝素蛋白。利用界面定向生长技术引导COFs层在Fe₃O₄@silk fibroin表面进行原位自组装，成功制备了仿生矿化COFs。结果表明该仿生矿化COFs具有多层结构，具有较大的比表面积（63.74 m²/g）和孔容（0.2261 cm³/g）、超顺磁性（40.8 emu/g）、高提取率（＞96%）、低有机溶剂消耗（4 mL）和良好的重复利用性（至少重复9次），并具有较强的抗盐离子干扰能力和对萝卜硫素具有较高的选择吸附性。利用静态、动态吸附模型计算深入探究了萝卜硫素在复合材料上的吸附传质过程，揭示了静态吸附符合Freundlich模型，主要由多分子吸附主导；动力学拟合符合拟二阶模型，主要由化学吸附控制吸附过程。XRD及红外光谱表征结果显示，该复合材料与萝卜硫素之间的相互作用可能存在静电作用、 π-π堆积作用以及氢键作用。最后，该复合材料成功用于青花菜、紫甘蓝、卷心菜等十字花科蔬菜酶解液样品中萝卜硫素的识别分离。本研究解决了十字花科蔬菜样品中萝卜硫素提取效率低和有机溶剂消耗大等问题，为新型复合多孔仿生矿化磁性吸附材料的设计制备提供了新的研究路径，并为十字花科蔬菜中萝卜硫素的高效富集分离领域的应用奠定了基础，为实现蔬菜等园艺产品资源多梯次高值利用、实现产品多元化开发利用提供了新思路。

中国农业科学院蔬菜花卉研究所为论文第一完成单位，蔬菜花卉所研究员刘广洋和河北北方学院已毕业客座硕士张璇为共同第一作者，徐东辉研究员、河北北方学院刘媛教授和刘广洋研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家大宗蔬菜产业技术体系、中国农业科学院农业科技创新工程等项目的资助和蔬菜生物育种全国重点实验室、农业农村部蔬菜质量安全控制重点实验室的支持。