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    響應(yīng)曲面法優(yōu)化枸骨總皂苷的提取工藝及抗氧化活性

    2018-01-06 08:18:00趙玲艷張紅芳陳崇蓮陳曄
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年22期
    關(guān)鍵詞:抗氧化活性超聲

    趙玲艷+張紅芳+陳崇蓮+陳曄

    摘要: 為優(yōu)化枸骨總皂苷的提取工藝,研究枸骨總皂苷的抗氧化活性。用超聲-微波協(xié)同萃取法,以提取時(shí)間、提取功率、料液比為考察因素,在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)曲面法(response surface methodology,簡稱RSM)Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì),優(yōu)化枸骨總皂苷的提取工藝;采用清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picryylhydrazyl,簡稱DPPH)自由基能力分析枸骨總皂苷的抗氧化活性。結(jié)果表明,采用超聲-微波協(xié)同萃取法,在提取時(shí)間180 s、提取功率 100 W、料液比1 g ∶ 30 mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)80%的條件下,枸骨總皂苷的提取率為 3.739 3%;抗氧化試驗(yàn)結(jié)果表明,枸骨總皂苷濃度為62.24 μg/mL時(shí),對DPPH自由基的清除率為 24.22%,表明響應(yīng)曲面法優(yōu)化了枸骨總皂苷的提取工藝,枸骨總皂苷具有一定的抗氧化活性。

    關(guān)鍵詞: 枸骨總皂苷提取工藝;超聲-微波協(xié)同萃取法;響應(yīng)曲面法;抗氧化活性;DPPH自由基

    中圖分類號: R284.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

    文章編號:1002-1302(2017)22-0205-05

    枸骨(Ilex cornuta)為冬青科冬青屬常綠植物,主要分布于長江流域、秦嶺山脈的局部及以南各地,是苦丁茶的主要植物來源之一 。枸骨葉中含有多種對人體有益的成分包括氨基酸、維生素、苦味素、脂多糖和多種微量元素[3]。其根、枝、葉和果實(shí)均可入藥,具有清火解毒、止渴生津的功效,主要的活性成分是三萜皂苷:枸骨葉含有冬青苷Ⅰ甲酯(ilexosideⅠ methy lester)、冬青苷Ⅱ(ilexoside Ⅱ)、苦丁茶苷等皂苷類化合物[4-6]。皂苷廣泛存在于植物體內(nèi),具有廣泛的生物活性和功能,如抗菌消炎、抗腫瘤、抗病毒、抗生育、免疫調(diào)節(jié)、降血脂、保肝活性等作用[3,6-7]。

    超聲-微波協(xié)同萃取是近年來發(fā)展的一門新技術(shù),用于枸骨總皂苷的提取,不但操作簡便、副產(chǎn)物少,而且能縮短提取時(shí)間、增加提取率,還能降低操作費(fèi)用,符合環(huán)境保護(hù)的要求[8]。響應(yīng)曲面法(response surface methodology,簡稱RSM)可以采用二次回歸方程擬合多個(gè)因素與多個(gè)響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,通過回歸方程分析尋求最佳工藝參數(shù)。響應(yīng)曲面法具有周期短、回歸方程精度高、能研究多種因素間交互作用等優(yōu)點(diǎn)[8]。

    關(guān)于枸骨葉皂苷提取的研究還很少[9-10],本研究擬通過超聲-微波的提取方法和響應(yīng)曲面法確定枸骨葉中皂苷提取的最佳工藝條件,并對其抗氧化作用進(jìn)行探討,為進(jìn)一步開發(fā)利用枸骨葉提供依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 材料與試劑

    材料:2016年7月于江西省九江市南湖公園采集枸骨葉片,烘干,粉碎,過60目篩,備用。

    試劑:齊墩果酸標(biāo)準(zhǔn)品(上海如吉生物科技公司);維生素C對照品(BTH,德國進(jìn)口);1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picryylhydrazyl,簡稱DPPH,南京奧多福尼生物科技有限公司);無水乙醇、正丁醇、過氧化氫(30%)、香草醛、冰醋酸、高氯酸,均為分析純。

    1.2 儀器與設(shè)備

    超聲-微波協(xié)同萃取儀(CW-2000,新拓分析儀器科技有限公司);電子天平(BSA124S,賽多利斯科學(xué)儀器有限公司);低速臺式大容量離心機(jī)(TDL-40B,上海安亭科學(xué)儀器廠);可見分光光度計(jì)(721,天津普瑞斯儀器有限公司);水浴鍋等。

    1.3 試驗(yàn)方法

    1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備 精確稱量齊墩果酸0.005 g,用無水乙醇溶解定容至10 mL;精準(zhǔn)移取濃度為0.5 mg/mL的齊墩果酸樣品0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL標(biāo)準(zhǔn)溶液于6支10 mL的試管中,水浴蒸干后分別加入0.3 mL新配置的5%香草醛-冰醋酸溶液及1.0 mL高氯酸溶液,將它們置于 60 ℃ 水浴鍋中加熱20 min,取出后用流水冷卻至室溫后在試管中分別加入5.0 mL冰醋酸,搖勻。在560 nm波長處測吸光度[10-11]。以吸光度為縱坐標(biāo)、齊墩果酸濃度為橫坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,求得回歸方程為y=0.262x+0.131 4(r2=0.998 6)。

    1.3.2 枸骨葉皂苷提取流程 提取流程:枸骨葉烘干—粉碎—過60目篩—超聲-微波協(xié)同萃取儀提取枸骨中的皂苷(2次)—抽濾、合并提取液—水浴旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)—加入正丁醇—水浴旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)—加入過氧化氫—水浴加熱(99 ℃)—定容至10 mL得樣品溶液[12-15]。取樣品溶液0.2 mL,采用“1.3.1”節(jié)的方法測定吸光度,按上述回歸方程,計(jì)算總皂苷的含量。

    提取率=m2/m1×100%。

    式中:m2為提取到的枸骨總皂苷的質(zhì)量(g);m1為枸骨葉粉末的質(zhì)量(g)。

    1.3.3 單因素試驗(yàn)

    在開啟超聲波的條件下,以乙醇體積分?jǐn)?shù)80%為溶劑[9]、固定提取時(shí)間為240 s、提取功率為 180 W,分析料液比分別為1 ∶ 20、1 ∶ 30、1 ∶ 40、1 ∶ 50、1 ∶ 60(g ∶ mL)對枸骨總皂苷提取率的影響;固定提取時(shí)間為 240 s、料液比為 1 g ∶ 30 mL,考察微波功率分別為60、120、180、240、300 W對枸骨總皂苷提取率的影響;固定提取功率為120 W、料液比為 1 g ∶ 30 mL,考察提取時(shí)間分別為120、180、240、300、360 s對枸骨總皂苷提取率的影響。

    1.3.4 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù) Box-benhnken Design中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,以提取時(shí)間、提取功率、料液比為自變量,以枸骨總皂苷提取率為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)3個(gè)因素3個(gè)水平的響應(yīng)曲面分析試驗(yàn),建立枸骨總皂苷提取工藝條件的二次模型。因素水平見表1。endprint

    1.3.5 抗氧化試驗(yàn)

    本試驗(yàn)采用的方法是通過測定皂苷清除DPPH自由基的能力判斷枸骨總皂苷的抗氧化能力[12-20]。

    溶液的制備:(1)DPPH溶液的制備:取0.002 0 g DPPH固體,用95%乙醇溶液溶解,定容至25 mL搖勻,現(xiàn)配現(xiàn)用;維生素C對照品(BTH)溶液的制備:取0.002 2 g BTH固體,用95%乙醇溶液溶解,定容至50 mL,現(xiàn)配現(xiàn)用。

    枸骨總皂苷抗氧化性試驗(yàn):吸取2 mL DPPH溶液于試管中,加入2 mL樣品溶液,搖勻,常溫下避光反應(yīng)45 min,在517 nm波長處測定其吸光度,記為樣品吸光度DA1;取樣品溶液2 mL,加入80%乙醇溶液,搖勻,常溫下避光反應(yīng)45 min,測其吸光度;記為干擾吸光度DA2;取2 mL 80%乙醇溶液,再加入2 mL DPPH溶液,搖勻,常溫下避光反應(yīng)45 min,測定其吸光度,記為對照吸光度DA0。樣品設(shè)有6組濃度梯度,每組3個(gè)平行。清除率=1-(DA1-DA2)/DA0×100%。

    維生素C標(biāo)準(zhǔn)品對照試驗(yàn):分別吸取BTH溶液2.5、33、5.0、6.6、8.3、9.1、10.0 mL用95%乙醇溶液定容至 25.0 mL,搖勻。分別取2.0 mL于具塞試管中,加入2.0 mL DPPH溶液,搖勻,避光反應(yīng)45 min,測其吸光度,記為樣品吸光度DB1;取稀釋液各2.0 mL于具塞試管中,分別加入 2.0 mL DPPH溶液,搖勻,避光反應(yīng)45 min,測其吸光度,記為干擾吸光度DB2;取 2.0 mL 95%乙醇溶液,再加入2.0 mL DPPH溶液,搖勻,常溫下避光反應(yīng)45 min,測定其吸光度,記為對照吸光度DB0。清除率=1-(DB1-DB2)/DB0×100%。

    1.3.6 數(shù)據(jù)處理 采用Origin 8.0軟件作圖,Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行方差分析。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 單因素試驗(yàn)

    2.1.1 料液比對枸骨總皂苷提取率的影響

    在微波功率 180 W、提取時(shí)間240 s的條件下,分析不同料液比對枸骨總皂苷提取率的影響。如圖1所示,當(dāng)料液比小于1 g ∶ 30 mL時(shí),隨著料液比的增加,枸骨總皂苷含量呈上升趨勢。提取劑的增加,更有利于枸骨總皂苷的溶出,這是因?yàn)槿軇┖驮祥g的濃度差越大,其提取效率就越高,目標(biāo)物質(zhì)就越容易溶出,當(dāng)料液比超過1 g ∶ 30 mL時(shí),枸骨總皂苷含量有下降的趨勢,可能是由于溶劑過大,超聲波協(xié)同微波的能量在相同時(shí)間提供的熱量被提取劑吸收的比例增加以及空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等效應(yīng)的強(qiáng)度減弱等影響了提取效率。因此選擇液料比 1 g ∶ 30 mL于后面的試驗(yàn)繼續(xù)考察。

    2.1.2 微波功率對枸骨總皂苷提取率的影響

    由圖2可知,在微波功率為120 W之前,枸骨總皂苷提取率呈上升趨勢,隨后就開始下降??赡苡捎陔S著微波功率的增加,物質(zhì)的加熱程度也隨之增加,使枸骨總皂苷更容易被提取出來,即皂苷提取效率增加。在微波功率達(dá)到120 W之后,枸骨總皂苷提取率有減少趨勢,這可能是由于高微波功率導(dǎo)致的熱效應(yīng)使枸骨總皂苷分解。因此,120 W為最佳微波功率。

    2.1.3 超聲-微波協(xié)同提取時(shí)間對枸骨總皂苷提取率的影響

    由圖3可知,在超聲-微波協(xié)同提取時(shí)間為180 s之前,枸骨總皂苷不能充分地轉(zhuǎn)移到溶液中,隨著提取時(shí)間的延長,枸骨總皂苷的提取率增加,在180 s時(shí)達(dá)到峰值,提取時(shí)間繼續(xù)延長,枸骨總皂苷提取率明顯下降,這可能是因?yàn)殡S著微波時(shí)間的延長,溫度急劇升高,導(dǎo)致皂苷分解。因此,180 s為最佳提取時(shí)間。

    2.2 響應(yīng)曲面法分析枸骨總皂苷的提取工藝

    2.2.1 響應(yīng)曲面法分析枸骨總皂苷的提取工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

    根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,以提取時(shí)間、微波功率和液料比為自變量,按表1中的因素、水平,利用Design-Expert 8.0.6軟件,采用Box-Behnken設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面試驗(yàn)方案。如表2所示,共17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),其中12個(gè)為析因點(diǎn),5個(gè)為零點(diǎn),析因點(diǎn)為自變量取值在A、B、C所構(gòu)成的三維頂點(diǎn);零點(diǎn)為區(qū)域的中心點(diǎn),其中零點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)5次,用以估算試驗(yàn)誤差。

    2.2.2 響應(yīng)曲面法分析枸骨總皂苷提取工藝模型的建立及顯著性檢驗(yàn)

    利用Design Expert 8.0.6軟件通過逐步回歸對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得到枸骨總皂苷提取率對提取 時(shí)間、提取功率、料液比的回歸方程為

    Y(%)=3.67-0038A- 0.42B+0.19C+0.006A×B-0.24A×C+0.12B×C-113A2-0.59B2-0.71C2。

    對模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表3。由表3可知,該模型具有高度顯著性(P<0.01),失擬項(xiàng)不顯著(P=0.73),R2adj=0.912 6,R2=0.938 7,信噪比為11.910,遠(yuǎn)大于4,可知回歸方程擬合度和可信度均較高,說明這種試驗(yàn)方法是準(zhǔn)確可靠的,使用該方程模擬真實(shí)的3個(gè)因素3個(gè)水平的分析是可行的。在所選的各因素水平范圍內(nèi),對結(jié)果的影響排序?yàn)槲⒉ㄌ幚砉β?液料比>提取時(shí)間。模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為93.87%,大于90%,說明模型擬合程度良好,試驗(yàn)誤差小,該模型是合適的。因此可以用該模型方程來分析和預(yù)測不同提取條件下枸骨總皂苷提取率的變化。由表3的P值可知,方程中B、A2、B2、C2對枸骨總皂苷提取率Y值的影響極顯著,表明試驗(yàn)因素對響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系,二次項(xiàng)對響應(yīng)值也有很大的影響,交互項(xiàng)作用的影響較小。這與模擬回歸中線性和二次項(xiàng)影響顯著相對應(yīng)。

    2.2.3 枸骨總皂苷提取工藝的響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化

    根據(jù)二次模型得到的等高線及響應(yīng)曲面可以評價(jià)試驗(yàn)因素之間的endprint

    交互作用強(qiáng)度,確定各因素的最佳水平范圍。從圖4至圖9中的響應(yīng)曲面最高點(diǎn)及其等高線可知,在所選范圍內(nèi)存在極值,即響應(yīng)曲面最高點(diǎn),同時(shí)也是等高線最小橢圓的中心點(diǎn)。

    由圖4、圖5可知,當(dāng)料液比為1 g ∶ 30 mL時(shí),在提取時(shí)間 120~180 s的范圍內(nèi)皂苷提取率先迅速增加,在180 s之后皂苷提取率有下降的趨勢。在微波處理功率60~120 W范圍內(nèi),皂苷提取率不斷增加,之后隨著提取時(shí)間的延長,皂苷提取率有下降的趨勢。隨著提取時(shí)間和微波功率的增加,皂苷提取率先迅速增加,達(dá)到最高點(diǎn)之后略有下降的趨勢。

    從圖6、圖7可以看出,當(dāng)微波處理功率為120 W時(shí),隨時(shí)間的延長、液料比的增大,皂苷提取率逐漸升高,達(dá)到最高點(diǎn)之后有下降的趨勢。

    由圖8、圖9可知,當(dāng)提取時(shí)間為180 s時(shí),在料液比 1 g ∶ (20~30) mL范圍內(nèi),皂苷提取率不斷增加,之后隨著微波功率的增大,皂苷提取率有下降趨勢。微波處理功率在60~120 W范圍內(nèi),提取率不斷增加,之后隨著液料比的增大,皂苷提取率有下降趨勢。

    從圖4至圖9中的響應(yīng)曲面及其等高線可以看出,等高線呈橢圓,說明提取時(shí)間和微波功率、微波功率和液料比、料液比和提取時(shí)間之間交互影響明顯,響應(yīng)曲面陡峭說明枸骨總皂苷提取率受提取時(shí)間、微波功率和料液比的變化敏感,也表明各因素對枸骨總皂苷的影響不是簡單的線性關(guān)系。

    通過軟件分析,得到皂苷提取的最佳條件為提取時(shí)間179.96 s,微波處理功率98.84 W,料液比1 ∶ 30(g ∶ mL),在此條件下皂苷提取率的理論值為3.7429%。為檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法所得結(jié)果的可靠性,采用上述優(yōu)化提取條件進(jìn)行皂苷提取率提取,考慮到實(shí)際操作的便利,將提取工藝參數(shù)修正為提取時(shí)間180 s、微波處理功率100 W、料液比1 ∶ 30(g ∶ mL),5次平行試驗(yàn)皂苷提取率分別為3.731 2%、3.740 8%、3.741 3%、3.744 1%、3.739 2%,平均皂苷提取率為 3.739 3%,數(shù)據(jù)重現(xiàn)性良好,偏差不大,吸光度測量值穩(wěn)定,說明每次測定的皂苷含量穩(wěn)定,證明該結(jié)果是合理可靠的。

    2.3 抗氧化活性試驗(yàn)

    由圖10可知,枸骨總皂苷在10~65 μg/mL濃度范圍內(nèi),隨著枸骨總皂苷濃度的升高,對DPPH清除率增強(qiáng),當(dāng)枸骨總皂苷濃度為65 μg/mL時(shí)清除率達(dá)最大值,為25%;之后隨著枸[CM(25]骨總皂苷濃度的升高,對DPPH清除效果有下降趨勢。從

    圖11可知,維生素C在低濃度的條件下即可對DPPH表現(xiàn)出很強(qiáng)的清除能力,當(dāng)維生素C濃度超過16 μg/mL時(shí)隨濃度的升高清除率下降。

    總之,枸骨總皂苷具有較強(qiáng)的抗氧化能力,但它對DPPH的清除效果要小于維生素C的作用效果,這可能是因?yàn)槭褂描酃强傇碥沾痔嵛镞M(jìn)行抗氧化試驗(yàn),含有較多的其他化合物,從而影響了其對DPPH的清除效果。

    3 結(jié)論與討論

    在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用響應(yīng)曲面法對枸骨總皂苷超聲-微波協(xié)同提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究,選擇超聲-微波協(xié)同提取時(shí)間、微波功率以及料液比為自變量,總皂苷提取率為響應(yīng)值,采用Box-Behnken設(shè)計(jì)方法,研究各自變量及其交互作用對總皂苷提取率的影響。利用Design Expert軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到二次多項(xiàng)式回歸方程的預(yù)測模型。結(jié)[CM(25]果表明, 枸骨總皂苷超聲-微波協(xié)同提取的優(yōu)化工藝條件

    為超聲-微波協(xié)同提取時(shí)間180 s、微波功率100 W、料液比 1 ∶ 30(g ∶ mL)。在此工藝條件下枸骨總皂苷理論提取率為3.742 9%,實(shí)測提取率為3.739 3%。張風(fēng)禮等利用浸提法,通過乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、提取溫度、提取時(shí)間等單因素和正交試驗(yàn)法優(yōu)化枸骨葉總皂苷的提取工藝,結(jié)果以80%乙醇水溶液為溶劑,料液比1 g ∶ 10 mL,65 ℃浸提取1.5 h時(shí)總皂苷提取率高提取率達(dá)4.51%[10]。雖然利用該工藝提取枸骨葉總皂苷提取率達(dá)4.51%,但該工藝提取時(shí)間長,耗能較高,而本試驗(yàn)利用超聲-微波協(xié)同提取枸骨葉總皂苷的方法具有操作簡便、提取時(shí)間短、耗能較少等特點(diǎn)。

    枸骨葉是苦丁茶的主要源植物之一,作為日常保健飲品,具有減肥、強(qiáng)身健體的功效,近年來多數(shù)學(xué)者對枸骨葉藥理學(xué)進(jìn)行了研究[3,6]。結(jié)果表明,枸骨葉具有抗心肌缺血、降血脂、抗菌、免疫、抑制抗生育和抗氧化等廣泛的藥理作用[20-27]。曠春桃等在新鮮肥肉熬制的豬油中分別添加自制的0.02%枸骨葉多酚類提取物,來檢測枸骨葉多酚類提取物的抗氧化能力,結(jié)果表明枸骨葉多酚類提取物能有效抑制豬油的氧化,表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗氧化活性[19]。本試驗(yàn)通過對DPPH的清除力來檢測不同濃度的枸骨總皂苷體外抗氧化活性,結(jié)果顯示枸骨總皂苷濃度為62.24 μg/mL時(shí),對DPPH自由基的清除率為24.22%,進(jìn)一步說明枸骨葉有較強(qiáng)的抗氧化能力。

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