鄭洪亮,何 飛,騰 飛,王 萍,王振宇,2,*,馬思慧
(1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,黑龍江哈爾濱150040;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150086)
近年來,人們對(duì)自身健康越來越關(guān)注,掀起了天然產(chǎn)物開發(fā)熱潮。尤其是具有強(qiáng)抗氧化活性的植物源原花青素,來源豐富,廣泛分布于植物界,有多樣的生理功效。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記載,葡萄籽中提取的原花青素具有抗腫瘤、抗氧化、抗動(dòng)脈硬化、防治冠心病與中風(fēng)等心腦血管疾病以及抗菌等作用[1]。以蘋果、茶、葡萄、柑橘等為原料已經(jīng)成功開發(fā)出原花青素[2],原花青素的獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu)與其獨(dú)特化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān),在食品、醫(yī)藥、化妝品等許多行業(yè)已經(jīng)開發(fā)利用[3]。
紅皮云杉是常綠喬木,松科云杉屬,學(xué)名Picea koraiensis Nakai,在吉林山區(qū)海拔1400~1800m地帶、東北小興安嶺地區(qū)分布比較豐富,球果呈卵狀圓柱形或圓柱狀矩圓形,是我國(guó)重要的生物資源。近年來,對(duì)松科植物原花青素的提取國(guó)內(nèi)外研究不多。Duncan[4]以松樹皮為原料,在脫氧熱水中浸提(1min~20h)得到原花青素粗提物;黃啟亮等[5]以松針為原料提取原花青素,并對(duì)其主要生物活性進(jìn)行研究;李童等[6]以云南思茅松樹皮為原料,研究思茅松原花青素的降度提取工藝。秦永劍等[7-8]研究了云南松多聚原花青素降解產(chǎn)物抗氧化活性和低聚原花青素抗氧化活性。
本研究考察了溫度、料液比、溶劑濃度和提取時(shí)間對(duì)原花青素得率的影響,再通過響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn),確定提取最優(yōu)條件。利用D4020大孔樹脂對(duì)紅皮云杉原花青素粗提物進(jìn)行純化,然后對(duì)紅皮云杉原花青素精制物進(jìn)行抗氧化活性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn),較系統(tǒng)的分析了原花青素的提取優(yōu)化工藝及抗氧化能力。
紅皮云杉球果 黑龍江省葦河林業(yè)局提供,采集時(shí)間為2011年9月,將球果鱗片(去掉中間木質(zhì)軸)低溫干燥后粉碎過80目篩后-20℃密封冷凍,備用;1,1-二苯基苦基苯肼(DPPH)、ABTS、5,6-聯(lián)苯基-3-(2-吡啶基)-1,2,4-三吖嗪(Ferrozine)、維生素E 美國(guó)Sigma公司;兒茶素 色譜級(jí),上海源葉公司;FRAP試劑盒 碧云天試劑公司;抗壞血酸、濃硫酸、甲醇、硫酸亞鐵、30%過氧化氫、三氯乙酸(TCA)、濃鹽酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、檸檬酸、硫酸亞鐵、氯化亞鐵、無水乙醇 國(guó)產(chǎn)分析純;蒸餾水。
RT-6000酶標(biāo)儀 深圳雷社生命科技股份有限公司;TDL-5臺(tái)式離心機(jī) 上??婆d儀器有限公司;T6紫外可見分光光度計(jì) 北京普析通用公司;旋轉(zhuǎn)R-205B蒸發(fā)儀 上海申勝儀器公司;NDJ-1電熱恒溫水浴鍋 北京醫(yī)療電子儀器廠;FJ-200高速萬能粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器公司;DHG-9240電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司;YP200lN電子天平 上海精天電子儀器廠;XW-80A漩渦混合器 江蘇海門市其林貝爾儀器制造有限公司。
1.2.1 兒茶素標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立 采用香草醛-硫酸法[9]。
配制兒茶素不同濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液:0.03、0.06、0.09、0.12、0.15、0.18、0.21、0.24、0.27、0.30mg/mL。精確移取1.0mL分別置于10支10mL相同規(guī)格試管中,然后分別加入2.5mL、4%香草醛-甲醇溶液和2.5mL、30%濃硫酸-甲醇溶液,混合均勻,于30℃水浴中避光靜置15min,以甲醇代替顯色劑為空白對(duì)照,在500nm波長(zhǎng)下測(cè)定溶液吸光值,平行測(cè)樣三次。以標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo),吸光值為縱坐標(biāo),建立標(biāo)準(zhǔn)曲線并擬合回歸方程。根據(jù)方程計(jì)算提取物中花青素濃度,然后根據(jù)樣品質(zhì)量進(jìn)一步換算成得率。
1.2.2 紅皮云杉球果原花青素提取優(yōu)化實(shí)驗(yàn)
1.2.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
a.乙醇濃度對(duì)提取效果的影響:固定提取時(shí)間4h,料液比1∶20(g/mL),提取溫度為60℃,分別以乙醇濃度0%、20%、40%、60%、80%、100%提取,并計(jì)算原花青素得率。
b.提取溫度對(duì)提取效果的影響:固定提取時(shí)間4h,乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%,料液比1∶20(g/mL),分別以提取溫度30、40、50、60、70、80℃提取,并計(jì)算原花青素得率。
c.料液比對(duì)提取效果的影響:固定提取時(shí)間4h,提取溫度50℃,乙醇體積分?jǐn)?shù)60%,分別以料液比1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60(g/mL)提取,并計(jì)算原花青素得率。
d.提取時(shí)間對(duì)提取效果的影響:固定提取溫度50℃,料液比1∶40(g/mL),乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%,分別以提取時(shí)間1、2、3、4、5、6h提取,并計(jì)算原花青素得率。
1.2.2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,以料液比(X1)、提取時(shí)間(X2)、提取溫度(X3)、乙醇濃度(X4)4個(gè)因素為自變量,以原花青素得率為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)見表1,原花青素得率公式如下。
式中,ω為原花青素得率(mg/g);C為原花青素的質(zhì)量濃度(mg/mL);V為提取液體積(mL);N為稀釋倍數(shù);M為樣品質(zhì)量(g)。
表1 紅皮云杉球果原花青素提取響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼Table 1 Coded values and corresponding actual values of factors in BBD design
1.2.3 紅皮云杉球果原花青素粗提物的純化[10]原花青素提取物2.5mg/mL,作為上樣液。在處理好的D4020型大孔吸附樹脂柱加入上樣液,徑高比1∶25,以2.0BV/h的流速上樣,吸附4h,將大孔樹脂柱用蒸餾水洗至流出液呈無色后,用70%、4BV的乙醇對(duì)大孔樹脂吸附柱洗脫,洗脫流速1.5BV/h,將70%乙醇洗脫液收集,減壓濃縮至無醇味后,備用。
1.2.4 原花青素的抗氧化能力評(píng)價(jià)
1.2.4.1 DPPH·清除作用 紅皮云杉球果原花青素提取物精制后,配制成濃度為10、20、30、40、50、60、70、80、90μg/mL的溶液。分別在10.0mL試管中加入2.0mL上述不同濃度樣品溶液,之后加入2.0mL 1×10-3mol/L DPPH·溶液(用95%乙醇配制),混合均勻,暗處反應(yīng)30min,在517nm處測(cè)定其吸光值,用2.0mL無水乙醇替代2.0mL樣品液作參比,測(cè)定吸光值A(chǔ),同時(shí)以乙醇溶液為參比測(cè)定DPPH空白溶液吸光度值A(chǔ)0,用Trolox作陽(yáng)性對(duì)照,同時(shí)做平行實(shí)驗(yàn)[11]。計(jì)算DPPH·清除率RSA:
以清除率RSA對(duì)樣品濃度進(jìn)行回歸處理,計(jì)算提取物的半數(shù)抑制濃度(IC50)數(shù)值。
1.2.4.2 ABTS+·清除作用 在96孔板的樣品檢測(cè)孔和對(duì)照孔中依次加入45μL不同濃度的樣液;空白對(duì)照孔中加入45μL PBS緩沖液;然后檢測(cè)孔和空白孔中依次加入300μL ABTS+·自由基工作液,對(duì)照空中加入等量的PBS緩沖液,避光反應(yīng)6min,于734nm波長(zhǎng)下測(cè)吸光值[12]。
其中:A1為加測(cè)定溶液后ABTS+·的吸光值;A2為測(cè)定溶液在測(cè)定波長(zhǎng)下的吸光值;A3為未加測(cè)定溶液時(shí)ABTS+·的吸光值。
1.2.4.3 總抗氧化能力的測(cè)定 采用FRAP法[13]。
a.FeSO4標(biāo)準(zhǔn)曲線的準(zhǔn)備:稱取27.8mg FRAP試劑盒提供的FeSO4·7H2O,溶解并定容到1mL,此時(shí)濃度即為100mmol/L。取適量100mmol/L FeSO4溶液稀釋至0、100、200、300、400、500μg/L??梢允褂谜麴s水或樣品配制溶液配制標(biāo)準(zhǔn)品。FeSO4溶液宜新鮮配制使用。
b.總抗氧化能力的測(cè)定:96孔板的檢測(cè)孔中加入180μL FRAP工作液(現(xiàn)用現(xiàn)配)??瞻讓?duì)照孔中加入40μL蒸餾水;樣品檢測(cè)孔內(nèi)加入40μL各種濃度的樣品或Trolox作為陽(yáng)性對(duì)照,輕輕混勻。37℃孵育3~ 5min后測(cè)定A593。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出樣品的總抗氧化能力[13]。
原花青素質(zhì)量濃度與吸光度曲線的回歸方程如圖1所示?;貧w方程y=2.1658x+0.0178,R2≈0.9995,式中:y—溶液在500nm處的吸光度;x—溶液中的原花青素質(zhì)量濃度(mg/mL)。
圖1 兒茶素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Catechin standard curve
2.2.1 乙醇濃度對(duì)提取效果的影響 乙醇濃度對(duì)原花青素提取效果的影響如圖2所示。
圖2 乙醇濃度對(duì)原花青素提取得率的影響Fig.2 Effect of different ethanol concentrations on extraction rate
濃度小于60%時(shí),隨著乙醇濃度增大,溶劑中原花青素含量也增加;大于60%時(shí),隨著乙醇濃度增大,溶劑中原花青素含量有所降低,可能是由于乙醇濃度繼續(xù)增加會(huì)加大醇溶性雜質(zhì)、色素、親脂性等成分的溶出,這些成分與原花青素競(jìng)爭(zhēng),同乙醇水分子結(jié)合,同時(shí)組織的通透性下降,從而導(dǎo)致原花青素的溶解度下降[14],因此乙醇濃度選為60%。
2.2.2 提取溫度對(duì)提取效果的影響 溫度對(duì)原花青素提取效果的影響如圖3所示。
圖3 提取溫度對(duì)原花青素提取得率的影響Fig.3 Effect of different temperature on extraction rate
溫度升高,分子熱運(yùn)動(dòng)加快,有利于傳質(zhì)過程的進(jìn)行。小于50℃時(shí),隨著溫度增加,紅皮云杉原花青素大量溶出,從而溶劑中其含量增加;溫度超過50℃而小于70℃時(shí),原花青素的含量開始下降,是由于溫度升高導(dǎo)致原花青素開始降解,其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[15];當(dāng)溫度超過70℃時(shí),原花青素溶解量又開始略有增加,是因?yàn)榭赡芘c較高溫度下,其他雜質(zhì)物質(zhì)大量溶出有關(guān)[16],故50℃為原花青素最佳提取溫度。
2.2.3 料液比對(duì)提取效果的影響 料液比對(duì)原花青素提取效果的影響圖4所示。
由圖4可知料液比對(duì)得率影響較大。當(dāng)料液比大于1∶10(g/mL)時(shí),隨著料液比增加,原花青素得率明顯增加,這是因?yàn)橛袡C(jī)溶劑能抑制原花青素與植物中的蛋白、多糖等物質(zhì)結(jié)合,增加料液比有利于原花青素更大限度的浸出[17],但料液比繼續(xù)增大又會(huì)增加原花青素與空氣接觸的機(jī)會(huì),而原花青素容易氧化降解,所以得率有所降低,同時(shí)料液比增加還會(huì)造成原料的浪費(fèi)[18],因此選擇料液比為1∶40(g/mL)。
2.2.4 提取時(shí)間對(duì)提取效果的影響 提取時(shí)間對(duì)原花青素提取效果的影響如圖5所示。
在提取時(shí)間低于2h時(shí),原花青素濃度隨時(shí)間增長(zhǎng)而增大,溶劑中原花青素濃度低,紅皮云杉球果粉末原花青素含量高,兩個(gè)體系有高濃度差,傳質(zhì)動(dòng)力大,原花青素浸出速率快[19]。2h后,原花青素濃度隨時(shí)間變化的得率減小,是由于隨著時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng),可能是由于原花青素對(duì)熱敏感,時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)造成其被氧化變性,考慮到縮短工藝時(shí)間,提高效率,最佳提取時(shí)間為2h。
表2 響應(yīng)面分析及結(jié)果Table 2 Experiment design and results of response surface method
2.3.1 響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了乙醇濃度、溫度、時(shí)間、料液比的4因素3水平響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),其因素水平見表1,所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。
選用中心復(fù)合模型,做四因素三水平共29個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)(5個(gè)中心點(diǎn))的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)。這29個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分為兩類:其一是析因點(diǎn),自變量取值在各因素所構(gòu)成的三維頂點(diǎn),共有24個(gè)析因點(diǎn);其二是零點(diǎn),為區(qū)域的中心點(diǎn),零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次,用以估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。紅皮云杉球果原花青素提取率為響應(yīng)值(指標(biāo)值)。使用響應(yīng)曲面法分析軟件對(duì)表2中原花青素得率大小的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分析后得出的回歸方程為:y= 142.63+1.65A+2.55B-3.53C+8.79D+0.49AB+1.50AC+ 1.07AD+1.33BC+1.12BD+2.86CD-24.14A2-16.14B2-16.90C2-10.95D2。
采用響應(yīng)面法軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,其結(jié)果見表3。
模型誤差p<0.0001,顯著;失擬項(xiàng)p=0.2120>0.05,差異不顯著,說明了方程對(duì)實(shí)驗(yàn)擬合的情況好,實(shí)驗(yàn)誤差?。蛔儺愊禂?shù)值為3.47,說明了實(shí)驗(yàn)可靠;模型的校正系數(shù)R2adj=0.9366,說明該模型能解釋93.66%響應(yīng)值的變化,僅有總變異大約6%不能用此模型來解釋。
時(shí)間、料液比的一次項(xiàng),乙醇濃度、溫度、時(shí)間、料液比的二次項(xiàng)對(duì)得率的影響極顯著;溫度的一次項(xiàng)影響為顯著;乙醇濃度及4因子的交互的影響不顯著。通過F值還能看出,實(shí)驗(yàn)中各因素對(duì)原花青素得率的影響大小順序?yàn)椋毫弦罕龋紩r(shí)間<溫度<乙醇濃度。此回歸模型得出BBD實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)提取條件為:乙醇濃度為60.42%,溫度50.91℃、時(shí)間1.97h、料液比為1∶44(g/mL),此時(shí)原花青素得率為72.46mg/g。
2.3.2 響應(yīng)面結(jié)果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 為檢驗(yàn)響應(yīng)面法優(yōu)化紅皮云杉球果原花青素提取工藝的可靠性,采用優(yōu)化后提取工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),參考實(shí)際操作,將優(yōu)化后工藝參數(shù)調(diào)整為:乙醇濃度為60%,溫度51℃、時(shí)間2h、料液比為1∶44(g/mL),在此最佳條件下,提取紅皮云杉球果原花青素得率為(71.23±0.25)mg/g,與模型預(yù)測(cè)值的比較誤差為1.70%。
紅皮云杉球果原花青素經(jīng)D4020的純化,純化前原花青素純度為29.45%±1.33%,純化后純度為68.57% ±1.78%,回收率為88.27%±3.18%。
2.5.1 紅皮云杉球果原花青素精制物對(duì)DPPH·的清除作用 如圖6所示,紅皮云杉球果原花青素精制物對(duì)DPPH·自由基具有顯著的清除作用。以Trolox做陽(yáng)性對(duì)照,在90μg/mL時(shí)清除率分別為90.7%±2.07%和69.58%±1.56%。紅皮云杉球果原花青素精制物和Trolox在實(shí)驗(yàn)濃度的IC50值分別為(41.04±1.12)μg/mL、(16.62±0.98)μg/mL。從總體上看,紅皮云杉球果原花青素精制物清除DPPH·自由基能力較強(qiáng),但低于Trolox。
2.5.2 紅皮云杉球果原花青素精制物對(duì)ABTS+·的清除作用 如圖7所示,不同濃度紅皮云杉球果原花青素精制物對(duì)ABTS+·自由基均具有很顯著的清除作用。以Trolox做陽(yáng)性對(duì)照,在相同濃度條件下,陽(yáng)性對(duì)照Trolox的清除率均超過紅皮云杉球果原花青素精制物。紅皮云杉球果原花青素精制物和Trolox在實(shí)驗(yàn)濃度的IC50值分別為(20.45±1.08)μg/mL、(32.94± 0.65)μg/mL。從總體上看,紅皮云杉球果原花青素精制物具有很強(qiáng)的清除ABTS+·自由基能力,接近于陽(yáng)性對(duì)照Trolox。
2.5.3 紅皮云杉球果原花青素精制物的還原能力(FRAP) 用FeSO4做標(biāo)準(zhǔn)品,標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=0.123x-0.007,R2=0.9982。
表3 回歸模型方差分析表Table 3 ANOVA for Response Surface Quadratic Model
圖6 紅皮云杉球果原花青素對(duì)DPPH·清除作用Fig.6 DPPH radical scavenging activity of proanthocyanidins from Picea koraiensis Nakai’s cones
圖7 紅皮云杉球果原花青素對(duì)ABTS+·清除作用Fig.7 ABTS radical scavenging activity of proanthocyanidins from Picea koraiensis Nakai’s cones
圖8 FeSO4標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.8 FeSO4standard curve
研究表明,植物提取物的抗氧化能力與還原能力之間具有很好的相關(guān)性,還原能力可以作為一種衡量抗氧化能力的指標(biāo)[20]。具有還原能力的物質(zhì)可以通過提供氫質(zhì)子將體系中鐵離子還原,從而抑制自由基的產(chǎn)生[21]。由圖9可以看出,紅皮云杉球果原花青素、Trolox的還原能力與濃度之間呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R2分別為:0.9959、0.9907。紅皮云杉球果原花青素還原能力略高于Trolox。紅皮云杉球果原花青素、Trolox還原力的半效濃度值(EC50值)依次為(34.95±0.55)、(39.31±0.98)μg/mL。
圖9 紅皮云杉球果原花青素精制物的還原能力Fig.9 Reducing power of proanthocyanidins from Picea koraiensis Nakai’s cones
本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)紅皮云杉球果原花青素的提取工藝研究,獲得最佳條件為:乙醇濃度為60%、溫度51℃、時(shí)間2h、料液比為1∶44(g/mL),此時(shí)原花青素得率為(71.23±0.25)mg/g。紅皮云杉球果原花青素精制物的體外抗氧化活性研究結(jié)果表明紅皮云杉球果原花青素精制物具有較強(qiáng)的清除自由基能力和還原能力,并且在實(shí)驗(yàn)濃度范圍時(shí),清除ABTS+·能力和還原能力高于陽(yáng)性對(duì)照Trolox。這說明紅皮云杉球果原花青素具有較強(qiáng)的抗氧化能力,有待進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。
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