刺五加莖葉的超聲輔助提取工藝及抗氧化活性研究

胡勇超 符群

摘 要：以刺五加莖葉為原料，采用超聲輔助醇提法對其有效成分進行提取，以DPPH自由基清除率為評價指標，通過單因素試驗和響應面優(yōu)化試驗，研究液料比、超聲時間、超聲功率、乙醇濃度對其得率和抗氧化活性的影響。結果表明：最佳提取工藝條件為液料比1：30 g/ml，超聲功率240w，提取時間50min，乙醇濃度85%，在此條件下提取物DPPH清除率為72.35%。此外，將最佳條件下獲得的刺五加莖、葉提取物進行抗氧化活性研究，分別測定其清除DPPH自由基、OH自由基、NO2-離子和還原能力，并與抗氧化劑Vc進行對比分析。結果表明：刺五加莖葉提取物具有體外抗氧化功效，同濃度條件下，抗氧化劑Vc的清除率遠遠大于刺五加葉和莖提取物，刺五加不同部位醇溶性有效成分對自由基清除能力：葉>莖。

關鍵詞：刺五加；有效成分；抗氧化

中圖分類號：S567.19；R285.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2018）05-0056-07

Abstract： Acanthopanax senticosus stems and leaves were used as raw material， and its active ingredients were extracted by ultrasonic assisted extraction. The DPPH free radical scavenging rate was used as the evaluation index， the effects of liquid - to - liquid ratio， ultrasonic time， ultrasonic power and ethanol concentration on the yield and antioxidant activity were studied by single factor test and response surface optimization experiment. The results showed that the optimum extraction conditions were as follows： liquid crystal ratio was 1：30 g / ml， ultrasonic power was 240 w， extraction time was 50 min， ethanol concentration was 85%， under which the DPPH removal rate was 72.35%. In addition， the antioxidant activity of stem and leaf extract was determined by the optimum conditions. The DPPH free radical， ·OH radical， NO2-ion and reducing ability were determined and compared with the antioxidant Vc analysis. The results showed that the extracts of acanthopanax senticosus stems and leaves had antioxidant effect in vitro， under the same concentration， the scavenging rate of antioxidant Vc was much higher than that of extracts of acanthopanax senticosus leaves and stems， and the free radical scavenging ability of different parts of acanthopanax senticosus： leaves > stems.

Keywords： Acanthopanax senticosus； active ingredients； antioxidant

0 引言

刺五加是五加科刺五加屬的重要的藥用植物，是我國珍貴的中藥材，主要分布在我國東北、河北等地。刺五加的根、莖、葉、花和果均可入藥，味辛、微苦、性溫和無毒[1-2]特性，其藥用價值的可利用性強，屬于傳統(tǒng)中藥的一種，含有許多有效化學成分，如刺五加多糖、皂苷以及黃酮等，不僅具有增強機體免疫力、緩解疲勞、抵抗病毒、益氣健脾、補腎安神和延緩衰老的功效[3-5]，而且還可以治療心血管疾病、糖尿病和神經(jīng)衰弱等癥[6]。

目前，刺五加全國年需求量達幾十萬噸以上，以刺五加為材料的中藥種類普遍較多，現(xiàn)有的制劑已達近10余種，如復方片劑、刺五加苷粉和口服液等，生產(chǎn)這些制劑所用的原料多以刺五加根和果實為主，莖和葉應用的相對較少。有研究表明，刺五加莖葉中的有效成分具有較強的抗氧化活性，若能加以研究開發(fā)，將有效的緩解市場上刺五加需求量大及供應日趨緊張的問題[7]。

本研究以刺五加莖葉為原料，采用超聲輔助醇提法對其有效成分進行提取，研究不同提取條件對提取物的得率和抗氧化活性的影響，并分別測定刺五加莖、葉提取物的抗氧化能力，旨在為進一步挖掘刺五加除根和果實之外的其它部位的價值，為今后刺五加資源的深度開發(fā)以及為開發(fā)刺五加新產(chǎn)品的可行性提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料與設備

（1）原料：刺五加莖、刺五加葉（取自蘿北林業(yè)局林場）；乙醇（天津市光復精細化工研究所）；鄰二氮菲（Sigma公司）；抗壞血酸（Sigma公司）；1，1-二苯基苦基苯肼（DPPH）（Sigma公司）；其它試劑均為分析純。

（2）設備：YXD-20K烘箱（廣州鑫南方電熱設備有限公司）；FW80粉碎機（天津泰斯特）；TGL-16G高速離心機（上海安亭科學儀器廠）；DK-98-1電熱恒溫水浴鍋（天津市泰斯特儀器有限公司）；TU-1810PC紫外分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；FD-1C-50冷凍干燥設備（南京設備有限公司）；FRQ-1006HT超聲波清洗機（浙江杭州設備有限公司）；RE-52A旋轉蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品處理

將刺五加莖和刺五加葉篩選，洗凈，烘箱烘干，粉碎過60目篩，取篩下物備用。

1.2.2 刺五加莖葉超聲輔助醇提法提取有效成分工藝流程

提取工藝：刺五加莖葉→粉碎→75%乙醇浸泡→超聲提取→離心→取上清液→合并提取液→真空旋轉蒸濃縮→冷凍干燥

稱取刺五加莖葉粉碎物5 g，料液比1：30放入錐形瓶中加入75%乙醇浸泡過夜，放入超聲清洗機中超聲30 min（T=30℃），抽濾得濾液，重復操作三次合并三次提取液，提取液經(jīng)冷凍干燥后稱重，以抗氧化指標（DPPH法）為指標，篩選適宜的提取條件。

1.2.3 抗氧化指標（DPPH自由基清除率）的測定

用分析天平稱經(jīng)過冷凍干燥處理后的提取物50 mg，加入500 ml容量瓶中，用80%乙醇定容至刻度，即配制成0.1 mg/ml的樣液備用。DPPH以無水乙醇配制，空白樣品+DPPH吸光度（A0）測定：移取100μl無水乙醇，加100μl DPPH溶液，置于96孔板小孔內(nèi)，充分混勻；DPPH+樣品液吸光度（A）測定：分別移取一定濃度的樣品液100μl，加100μl DPPH溶液，充分混勻；樣品液吸光度（A1）測定：移取同樣濃度的樣品液100μl，加入100μl無水乙醇，混勻，在室溫避光反應0.5 h，在517 nm下測定吸光度[8]。

式中：A0 為100μl無水乙醇+ 100μl DPPH 樣液；A為100μl樣液+ 100μl DPPH溶液；A1為100μl樣液+ 100μl無水乙醇。

式中：m0 為提取所得的質量，g；m 為刺五加原料的質量，g。

1.2.4 試驗設計

（1）單因素試驗設計

①超聲功率對總提取物得率及抗氧化性影響

以料液比1：30，超聲時間30 min，乙醇濃度75%，分別設定超聲功率為90、150、210、240、300 w，測定總提取物的得率及DPPH清除率，確定最佳超聲功率。

②超聲時間對總提取物得率及抗氧化性影響

以料液比1：30，超聲功率為150 w，乙醇濃度75%，分別設定提取時間20、30、40、50、60 min，測定總提取物的得率及DPPH清除率，確定最佳超聲時間。

③料液比對總提取物得率及抗氧化性影響

以超聲功率為150 w，提取時間30 min，乙醇濃度75%，分別設定1：10、1：10、1：30、1：40、1：50的料液比，測定總提取物的得率及DPPH清除率，確定最佳料液比。

④乙醇濃度對總提取物得率及抗氧化性影響

以料液比1：30，超聲時間30 min，超聲功率為150 w，分別設定乙醇濃度65%、70%、75%、80%、85%，測定總提取物的得率及DPPH清除率，確定最佳乙醇濃度。

（2）響應面試驗設計

根據(jù)統(tǒng)計分析軟件 Design Expert 7.1，按Box-Behnken中間組合設計原理，進行四因素三水平的響應面分析試驗。以DPPH清除率作為響應值，根據(jù)單因素實驗結果，選擇乙醇濃度、超聲時間、超聲功率、料液比作為的響應面優(yōu)化的試驗點，試驗因素水平編碼見表1。

1.3 刺五加醇提物的抗氧化活性研究

1.3.1 提取物對羥基自由基（·OH）清除能力的測定

取7支10 ml容量瓶，分別向其中加入1 ml 0.15 mg/ml的1，10-鄰二氮菲溶液和3.8 mL pH=7.4的PBS緩沖溶液，混勻，之后加入0.2 mg/ml的Fe2SO4溶液 1.5 ml 搖勻。將配制成0.2 mg/ml的刺五加提取物溶液 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 ml分別加入其中的5支試管中，混勻。另外兩支試管中不添加刺五加提取物溶液，分別標記為受損傷管和未受損傷管，然后向受損傷管中加入1 ml濃度為0.01%的過氧化氫溶液，而未受損傷管不添加，最后加入蒸餾水定容至刻度，并將未受損傷管之外的6支試管放于37℃的水浴中恒溫1 h，并在波長536 nm處測定其吸光度值，從而計算得出·OH的清除率。

·OH自由基清除率=（A0-A1）/（A2-A1）

式中：A0為提取物溶液的吸光度；A1為不加樣液的吸光度；A2為試劑空白的吸光度。

1.3.2 提取物總還原能力測定

用分析天平稱經(jīng)過冷凍干燥處理后的提取物50 mg，加入500 ml容量瓶中，用80%乙醇定容至刻度，即配制成0.1 mg/ml的樣液。用移液管從樣液中分別移取體積為0.05、0.1、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2、6.4 ml 于10 ml 容量瓶內(nèi)，用乙醇配制成濃度分別0.005、0.01、0.02、0.04、0.08、0.16、0.32、0.64 mg/ml的刺五加提取物溶液，待用。分別量取2 ml不同質量濃度的樣品溶液置于具塞試管中，然后向其中分別加入2.5 ml PBS緩沖液和濃度為1%的鐵氰化鉀溶液2.5 ml，混勻后將試管放于50℃水浴鍋中20 min，再向其中分別加入濃度為2.5 ml 10%的三氯醋酸溶液，后于離心機轉速3 000 r/min情況下，離心10 min后，分別取上清液2.5 ml，加入2.5 ml 75%乙醇和0.1%的0.5 ml FeCl3溶液，振蕩10 min，在波長700 nm處測定吸光度。以VC為參照。

1.3.3 提取物對NO2-離子清除能力的測定

用分析天平稱經(jīng)過冷凍干燥處理后的提取物50 mg，加入500 ml容量瓶中，用80%乙醇定容至刻度，即配制成0.1 mg/ml的樣液。用移液管從提取物溶液中分別移取體積為0.05、0.1、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2、6.4 ml 于10 ml 容量瓶內(nèi)，用80%乙醇配制成濃度分別為 0.005、0.01、0.02、0.04、0.08、0.16、0.32、0.64 mg/ml的刺五加提取物溶液，待用。分別取2 ml不同質量濃度的刺五加提取物溶液于具塞試管中，分別向其中加入1 ml 5?g/ml NaNO2溶液，在37℃水浴30 min，再加入1 ml 0.4%的對氨基苯磺酸，混勻后靜置5 min，再加入0.5 ml 0.2%鹽酸萘乙二胺，混合均勻后加乙醇定容至25 ml，靜置15 min，在521 nm下測定溶液的吸光度。測定各濃度溶液的吸光度記為A1，以2.0 ml乙醇代替樣品，操作方法同上，所測得的吸光度為A0。以水溶性VC為參照。

NO2-離子清除率（%）=（A0 - A1）/A0×100%。

式中：A0為蒸餾水的吸光度；A1為刺五加提取物溶液的吸光度。

1.3.4 提取物對DPPH自由基清除能力的測定

用無水乙醇將DPPH配制成0.3 mmol/l的溶液。用分析天平稱經(jīng)過冷凍干燥處理后的提取物50 mg，加入500 ml容量瓶中，用80%乙醇定容至刻度，即配制成0.1 mg/ml的樣液。用移液管從提取物溶液中，分別移取體積為0.05、0.1、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2、6.4 ml于10 ml容量瓶內(nèi)，用80%乙醇配制成濃度分別為 0.005、0.01、0.02、0.04、0.08、0.16、0.32、0.64 mg/ml的刺五加提取物溶液，待用。將配制好的刺五加葉總提液按ABC加入反應溶液（取三組做平行實驗），在整個操作過程需避光，加入反應液后搖勻，需密封避光反應30 min，釆用無水乙醇作為空白對照，利用紫外分光光度計在波長515 nm處測定吸光度值。以VC為參照。

DPPH清除率%=[A-（B-C）]/A×100%。

式中：A為3 ml無水乙醇+3 ml DPPH溶液；B為3 ml樣品溶液+3 ml DPPH溶液；C為3 ml樣品溶液+3 ml無水乙醇。

1.4 統(tǒng)計分析軟件

應用Design-Expert 7.1軟件（Stat Ease，Inc，Minneapolis，USA）；Origin7.5軟件；Microsoft Excel 2003處理數(shù)據(jù)。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 超聲功率對刺五加莖葉醇提物的影響

采用1.2.3方法，測定刺五加莖葉醇提物得率和清除率隨超聲功率的變化情況，如圖1所示。

從圖1可以看出，在100～240 w的超聲功率范圍內(nèi)，隨著超聲功率的增大，DPPH清除率和醇提物得率快速增加，這是由于較高的超聲功率下，超聲的空化作用增強，加速了組織細胞的破碎，促進得率的快速上升，得率和清除率出現(xiàn)峰值為15.50%、56.84%，超聲功率超過240 w后隨功率增加而逐漸降低，可能是由于超聲功率過大，空化氣泡急劇崩潰閉合，使得空化作用反而降低，導致得率下降并發(fā)生降解等結構變化，使清除率也開始下降。由此可以看出清除率和得率在240 w達到最高值，而且比其它值差異顯著，因此，選擇210～300 w的超聲功率作為響應面試驗的因素水平。

2.1.2 超聲時間對刺五加莖葉醇提物的影響

采用1.2.3方法，測定刺五加莖葉醇提物得率和清除率隨超聲時間的變化情況，如圖2所示。

從圖2可以看出，在20～50 min的超聲時間范圍內(nèi)，隨超聲時間的增加，DPPH清除率快速增加。醇提物得率開始隨超聲時間增加而提高，這是由于超聲時間的增加，刺五加莖葉的粉與醇溶液的接觸更加充分，得率上升出現(xiàn)峰值11.50%。但是隨著時間的延長，超聲破碎到達最大溶出物，清除率出現(xiàn)峰值為51.22%。超過40 min后隨時間的延長逐漸平緩沒有太大變化，在40 min時出現(xiàn)峰值，超聲時間50 min后隨時間增加而清除率逐漸降低，可能是由于超聲時間過長，一些活性成分被破壞或發(fā)生聚集，使浸提液粘度增大，擴散的速率降低，影響得率。由此圖得出超聲時間對二者的最高值比其它值差異顯著，因此，選擇40～60 min的超聲時間作為響應面試驗的因素水平。

2.1.3 料液比對刺五加莖葉醇提物的影響

采用1.2.3方法，測定刺五加莖葉醇提物得率和清除率隨料液比的變化情況，如圖3所示。

從圖3可以看出，在1：10～1：30 g/ml的料液比范圍內(nèi)，隨料液比的增加，DPPH清除率和醇提物得率快速增加，這是由于當逐漸增加溶液的體積時，溶劑與物料的接觸面積也隨之增加，從而溶解更多的物質，在1：30 g/ml時出現(xiàn)峰值得率和清除率分別為17.46%、50.46%，之后隨料液比增加DPPH清除率逐漸降低，得率趨于穩(wěn)定，可能是由于增大溶液的體積使一些非活性成分溶解，造成溶出量的增多而導致清除率的降低。且過多的溶劑為后續(xù)處理帶來麻煩，造成資源的浪費。綜上所述，選擇1：20～1：40 g/ml的料液比作為響應面試驗的因素水平。

2.1.4 乙醇濃度對刺五加莖葉醇提物的影響

采用1.2.3方法，測定刺五加葉醇提物得率和清除率隨乙醇濃度的變化情況，如圖4所示。

從圖4可以看出，在65%～80%范圍內(nèi)，隨乙醇濃度的增大，DPPH清除率和醇提物得率快速增加，這是由于一定濃度的醇溶液有可以破壞氫鍵與疏水鍵的作用，加速物質的析出，從而提高得率，最高可達11.50%。在80%時出現(xiàn)峰值清除率為62.72%，乙醇濃度達到80%之后隨乙醇濃度增加而逐漸降低，這是由于高濃度的醇溶液水分少，降低細胞的通透性，同時高濃度醇易揮發(fā)，導致提取量的下降，使得溶出物的清除率降低。綜上所述，選擇75%～85%的乙醇濃度作為響應面試驗的因素水平。

2.2 響應面試驗結果

根據(jù)Box-Behnken試驗設計要求，對影響DPPH清除率的關鍵因素進行29組試驗，其中24組為分析因子，5組為零點。以估計誤差，結果見表2。對表2中的試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，各試驗因子對響應值（DPPH清除率%）的影響可通過如下回歸方程來表示

Y=71.98+3.98×A-1.32×B-0.62×C+1.73×D+2.65

×A×B-0.96×A×C+0.63×A×D-7.500E-003×B

×C-0.15×B×D-2.90×C×D-4.65×A2-10.82×B2

-7.43×C2-11.87×D2

為了檢驗方程的有效性與合理性，對該模型和回歸模型系數(shù)顯著性進行檢驗及方差分析，結果見表3。

由表3可知，A、D回歸系數(shù)的Pr>F值均小于0.05，為顯著水平，表明乙醇濃度、液料比對清除DPPH自由基能力均具有明顯的影響；而AB、CD的 Pr>F 值小于0. 05，為顯著水平，表明乙醇濃度與超聲時間的交互作用，液料比與超聲功率的交互作用對清除DPPH自由基能力有明顯的影響；因素交互項的影響不顯著Pr>F值大于0.05，說明該試驗的因素交互作用不顯著。因而各試驗單因素對DPPH清除自由基能力的影響不是簡單的線性關系。

從表3回歸方差顯著性分析表明，該模型的調(diào)整復相關指數(shù)AdjR2=0.9742，說明該模型能解釋97.42%響應值的變化，模型的Pr值<0.0001，表明模型的回歸極顯著。失擬項的Pr>F值大于0.05，影響不顯著，表明回歸方程擬合度良好，失擬因素對方程干擾較小，因此實驗得到的回歸方程有效性和實用性良好，故可用此回歸模型對試驗結果進行分析。

利用響應面分析軟件Design Expert 7.1分析其優(yōu)化試驗結果，以DPPH清除率為評價指標，得到最佳工藝條件組合為：液料比為1：31.15 g/ml，超聲功率243.59 w，超聲時間50.6 min，乙醇濃度為85%，DPPH清除率可達到71.59%?？紤]到實際情況，最佳工藝條件修正為：液料比為1：30 g/ml，超聲功率240 w，超聲時間50 min，乙醇濃度為85%。經(jīng)三組平行驗證試驗得出DPPH清除率72.35%，與表中的預測值差別不顯著。結果證明，該模型準確，適用于刺五加葉醇提取工藝的優(yōu)化。

2.3 刺五加莖葉提取物的抗氧化性測定

2.3.1 羥基自由基（·OH）清除率

采用1.3.1方法，測定刺五加莖和葉的醇提物在不同濃度下對羥基自由基清除能力的變化情況如圖5所示。

由圖5可知，試驗濃度范圍內(nèi)總提物對羥基自由基清除能力均隨著濃度的增加而逐漸增強，濃度在0.2～0.5 mg/ml的范圍內(nèi)，總提物清除羥基自由基的能力呈現(xiàn)良好的量效依賴關系，但是濃度達到0.6 mg/ml以后，清除率逐漸變緩，清除能力達到最高。

2.3.2 總還原能力測定

采用1.3.2方法，測定刺五加莖和葉的醇提物在不同濃度下總還原能力的變化情況如圖6所示。

樣品中的抗氧化成分能將鐵氰化鉀還原成亞鐵氰化鉀，亞鐵氰化鉀再與三價鐵離子反應，生成亞鐵氰化鐵，在700 nm處有吸光度，且吸光度越大，還原能力越強[10-13]。研究證實，一些植物提取物的抗氧化能力與還原能力之間具有良好的相關性，因此還原能力的高低可以作為一種衡量抗氧化能力的指標。由圖6可知，在試驗的濃度范圍內(nèi)，葉和莖的總提物對鐵離子還原力隨著濃度的增加而逐漸上升。VC、葉、莖的還原能力與濃度之間呈現(xiàn)出顯著的正相關。

2.3.3 NO2-離子清除能力

采用1.3.3方法，測定刺五加莖和葉的醇提物在不同濃度下對NO2-離子清除能力的變化情況如圖7所示。

由圖7可知，刺五加莖和葉總提物對NO2-離子清除能力均隨著濃度的增加而逐漸增強，濃度在0.2～0.4 mg/ml的范圍內(nèi)，總提物對NO2-離子的清除能力呈現(xiàn)良好的劑量依賴關系，但是濃度達到0.5 mg/ml以后，清除率逐漸變緩，清除能力達到最高限度。

2.3.4 DPPH自由基清除能力

DPPH 是一種穩(wěn)定的自由基，其醇溶液為紫色，并且在517 nm下具有最大吸收。DPPH自由基清除能力測定大多數(shù)用于植物化學中，可以用來評價提取物清除自由基的能力的指標，在吸光值為517 nm，吸光度水平降低的程度明顯，證明樣品的抗氧化性效果較好[12-14]。

由圖8可知，刺五加葉和莖的醇提物對DPPH自由基都有一定的清除能力，而且清除能力均隨著樣液濃度的增加而逐漸增強。在0.2～0.5 mg/ml范圍內(nèi)，對清除DPPH自由基能夠呈現(xiàn)良好的量效依賴關系，顯示出效果較高的清除DPPH的能力。但是濃度達到0.5 mg/ml以后，VC和葉的清除率逐漸平緩有接近的趨勢，清除能力達到最好效果。

綜上所述，刺五加莖葉醇提物有一定的清除自由基的能力：通過測定上述4種體外抗氧化評價試驗，可以發(fā)現(xiàn)醇提物提取液質量濃度與抗氧化活性呈現(xiàn)出對自由基清除力及還原能力的量效關系，在一定的范圍內(nèi)提取液質量濃度與抗氧化活性呈現(xiàn)出較好的線性關系。通過抗氧化的4個方法的綜合分析可知，刺五加不同部位醇溶性有效成分抗氧化性：葉>莖。

3 結論

（1）在單因素試驗基礎上，經(jīng)響應面優(yōu)化確定的最佳工藝條件為：液料比為1：31.15 g/ml，超聲功率243.59 w，超聲時間50.6 min，乙醇濃度為85%，DPPH清除率可達到71.59%?？紤]到實際情況，最佳工藝條件修正為：液料比為1：30 g/ml，超聲功率240 w，提取時間50 min，乙醇濃度為85%。經(jīng)三組平行驗證試驗得出DPPH清除率72.35%。