紫蘇葉花青素提取工藝及其活性研究

黃紅雨，趙虎，金曉艷，*

（1.昌吉職業(yè)技術(shù)學院，新疆昌吉831100；2.昌吉州中醫(yī)醫(yī)院，新疆昌吉831100）

紫蘇 （Perilla frutescens（L.）Britton） 是唇形科（Labiatae）一年生藥食同源植物[1]。紫蘇葉含有蛋白質(zhì)、揮發(fā)油、多酚、黃酮、色素等多種營養(yǎng)成分，具有抗菌消炎、防過敏、解熱及抗氧化、調(diào)節(jié)血脂、抗腫瘤、改善肝機能等健康促進功能[2-5]?；ㄇ嗨厥且环N黃酮類的水溶性色素，一般來源于梗、葉片和果實。目前經(jīng)常借助水提法[6]和酸化乙醇法提取[7]，其中因水提法費時、提取量少、效率低、雜質(zhì)較多等缺點應用較少，酸化乙醇法應用較廣泛，可防止非酰基化花青素降解。超聲波輔助提取法，是借助超聲波來提高得率的一種新技術(shù)，有快速高效、低成本等優(yōu)點，具有良好的發(fā)展前景廣闊。張鑫[8]等對紫蘇葉花青素提取得出其最優(yōu)條件為料液比1∶30，50%乙醇體積，50℃處理120 min，此時提取率為5.6%。熊何健[9]等采用DPPH法測定桑葚花青素抗氧化能力，李敏[10]等采用1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基清除能力測定、鐵還原抗氧化能力測定（ferric-reducing antioxidant potential assay，F(xiàn)RAP）、氧自由基吸收容量測定 （oxygen radical absorbance capacity assay，ORAC）與細胞抗氧化性（cellular antioxidant activity，CAA）等方法對比了黑莓、黑米麩、藍莓、紫心苷中提取的花青素的抗氧化活性；此外，有報道對紫蘇葉揮發(fā)油以及紫蘇全草的抑菌活性進行研究[11-13]，但對紫蘇葉花青素的抑菌性研究較少。

近些年，花青素因其天然、安全性好、優(yōu)良效果、資源可更新等優(yōu)勢在保健品、香料、醫(yī)藥及化妝品等領域都有良好的發(fā)展前景[14]。本文以紫蘇葉為對象，探究其花青素的提取及抗氧化和相關抑菌特性，旨在為開發(fā)紫蘇葉花青素這一天然色素資源提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫蘇：采摘于浙江濱江區(qū)，洗凈后烘干，粉碎后用60目篩過濾備用。DPPH：日本東京化成工業(yè)株式會社；2，4，6-三（2'-吡啶基）-1，3，5-三嗪（2，4，6-tri（2-pyridyl）-1，3，5-triazine，TPTZ）：Sigma-Aldrich 公司；無水乙醇、雙氧水（30%）、硫酸亞鐵、VC、鄰苯三酚（焦性沒食子酸）、水楊酸、醋酸鈉（均為分析純）：南京化學試劑股份有限公司。

1.2 儀器與設備

FZ-200i系列精密電子天平：上海統(tǒng)舒電子科技有限公司；DHG-9075A電熱恒溫鼓風干燥箱：上海林頻儀器股份有限公司；RE-52D旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)水浴槽：上海青浦滬西儀器廠；722N分光光度計：上海精密科學儀器有限公司；SPH-103B超凡型小容量恒溫培養(yǎng)振蕩器：上海世平實驗設備有限公司；HPX-9052MBE電熱恒溫培養(yǎng)箱：上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司；90 mm培養(yǎng)皿：南通市衛(wèi)寧實驗器材有限公司。

1.3 試驗菌種

金黃色葡萄球菌（ATCC29213）、大腸桿菌（ATCC44102）、熒光假單胞菌（Ip01）、腐敗希瓦氏菌（AEG10146.1）：昌吉職業(yè)技術(shù)學院藥學與醫(yī)學技術(shù)分院實驗室保藏。

2 方法

2.1 紫蘇葉花青素的提取

2.1.1 乙醇提取法

2.1.1.1 單因素設計

提取溫度：稱取紫蘇葉粉末5.0 g，加入60%乙醇溶液，2.0%HCl，料液比為 1 ∶20（g/mL），提取 2.0 h。考察提取溫度分別為 40、50、60、70、80 ℃時花青素的得率。

提取時間：稱取紫蘇葉粉末5.0 g，加入60%乙醇溶液，2.0%HCl，料液比為 1 ∶20（g/mL），60 ℃的條件下提取，考察提取時間分別 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h 時花青素的得率。

HCl體積分數(shù)：稱取紫蘇葉粉末5.0 g，加入60%的乙醇溶液，料液比為1∶20（g/mL），60℃的條件下提取2.0 h，考察HCl體積分數(shù)分別為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%時花青素的得率。

乙醇體積分數(shù)：稱取紫蘇葉粉末5.0 g，分別加入40%、50%、60%、70%、80%的乙醇溶液，2.0%HCl，料液比為 1∶20（g/mL），60℃的條件下提取 2.0 h，考察花青素的得率。

2.1.1.2 正交試驗

正交試驗因素水平見表1。

表1 乙醇提取法正交試驗因素水平表Table1 The table of factor-level of orthogonal test using ethanol extraction

在單因素基礎上，考察提取溫度、提取時間、HCl體積分數(shù)、乙醇體積分數(shù)等因素對紫蘇葉花青素得率的影響，利用L9（34）正交試驗確定最佳工藝條件。

2.1.2 超聲波輔助提取法

2.1.2.1 單因素設計

在乙醇提取工藝的基礎上，選擇乙醇體積分數(shù)為60%，進行試驗。

超聲功率：稱取紫蘇葉粉末5.0 g，在料液比1∶30（g/mL），40℃提取20 min，考查超聲功率分別為350、400、450、500、550 W 時花青素的得率。

超聲時間：稱取紫蘇葉粉末5.0 g，在超聲功率450 W，料液比1∶30（g/mL），40℃下提取，考查超聲時間分別為 10、15、20、25、30 min 時花青素的得率。

料液比：稱取紫蘇葉粉末5.0 g，在超聲功率450 W，40℃提取20 min，考查料液比分別為1∶10、1∶20、1 ∶30、1 ∶40、1 ∶50（g/mL）時花青素的得率。

超聲溫度：稱取紫蘇葉粉末5.0 g，在超聲功率450 W，料液比 1 ∶30（g/mL），提取 20 min，考查提取溫度分別為 20、30、40、50、60 ℃時花青素的得率。

2.1.2.2 正交試驗

選擇料液比、超聲時間、超聲溫度、超聲提取功率4個因素，進行L9（34）正交試驗確定最佳工藝，見表2。

表2 超聲波輔助提取正交試驗因素水平表Table2 The table of factor-level of orthogonal test using ultrasound-assisted extraction

2.2 測定花青素得率

pH 1.0緩沖液：配制0.02 mol/L的KCl溶液及0.2 mol/L鹽酸溶液，以25∶76的體積比混合，再用KCl溶液調(diào) pH（1.0±0.1）。pH 4.5 緩沖液：稱取 1.64 g NaAc溶解于 100 mL 蒸餾水中，調(diào) pH（4.5±0.1）。

取1.0 mL紫蘇葉花青素溶液，分別用pH 1.0和pH 4.5的緩沖液稀釋，反應平衡120min后，測定其吸光值。

式 中 ：A=（A520nm-A700nm）（pH1.0）-（A520nm-A700nm）（pH4.5）；V為最終體積，mL；MW 為分子量，其值為449；DF為稀釋倍數(shù)；ε為摩爾吸光系數(shù)，其值為29 600；m 為樣品的質(zhì)量，g。

2.3 抗氧化性測定

2.3.1 總抗氧化能力測定

FRAP法[15]：取4.9 mL FRAP試劑與0.1 mL樣品溶液，反應10 min后測593 nm處吸光值，每組試驗重復3次。

FRAP試劑：0.3mL醋酸緩沖液（pH 3.6）：10 mmol/L TPTZ（溶于40 mmol/L鹽酸）：20 mmol/L FeCl3=10∶1∶1（體積比），避光儲存。

2.3.2 DPPH·清除率的測定[16]

用無水乙醇配制0.1 mmol/L的DPPH溶液，儲存于棕色瓶中。將3.8 mL DPPH溶液和0.2 mL樣品溶液混勻反應30 min，測定517 nm處吸光度A1；將3.8 mL DPPH溶液和0.2 mL樣品溶液、稀釋液（60%乙醇）混合搖勻，測定吸光值A0。試驗重復測3次。

2.3.3 羥自由基（·OH）清除率的測定

參照Meng L等[17]方法，取2 mL磷酸鹽緩沖液（phosphate buffer saline，PBS，pH=7.4），依次加入20 mmol/L乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraacetic acid，EDTA）和 12 mmol/L FeSO4混合溶液 0.1 mL，一定濃度的紫蘇花青素溶液1 mL、100 mmol/L H2O20.1 mL，用磷酸鹽緩沖液定容至5 mL，迅速混勻，置于37℃水浴培養(yǎng)15 min，水浴完成后，取出冷卻至室溫，并在510 nm波長下測定各管溶液的吸光度。A0為未加花青素溶液的體系其吸光數(shù)值，A樣品為加入一定濃度紫蘇花青素溶液測定其吸光度值，記錄數(shù)據(jù)，按下式計算清除率（%）。

2.3.4 超氧陰離子（O2-·）清除率的測定

參照Meng L等[17]方法，在各管中加入4 mL Tris-HCl（pH 8.2），2 mL 鄰苯三酚溶液（10 mmol/L），樣品溶液2 mL，2 mL超純水為對照。將各試管置于37℃水浴中反應10 min。水浴完成后，各試管加1 mL鹽酸（6 mol/L，約22%）溶液終止反應，冷卻至室溫，并在325 nm波長下測吸光度。A0為未加花青素溶液的體系其吸光數(shù)值，A樣品為加入一定濃度紫蘇花青素溶液測定其吸光度值，記錄數(shù)據(jù)，計算公式如下：

2.4 抑菌性測定

2.4.1 菌種活化及菌懸液制備

將保存的菌種反復活化2次，細菌置于30℃孵育24 h。取活化好的供試菌采用梯度稀釋法用90 mL生理鹽水制成菌懸液，使菌液濃度到1×106cfu/mL～1×107cfu/mL，于4℃冰箱保存，備用。

2.4.2 抑菌活性測定

采用牛津杯法測定：取上述制備好的各待測菌液0.1 mL置于LB瓊脂平板表面，涂布均勻后置于30℃培養(yǎng)箱中10 min，表面干燥后等距離平放做好標記的牛津杯，每支杯內(nèi)分別加入150 μL不同濃度樣品，對照采用無菌水，30℃孵育24 h～48 h，記錄抑菌活性，重復3次。

2.4.3 最小抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）測定和最低殺菌濃度（minimum bactericidal concentration，MBC）

用對倍稀釋法將紫蘇葉提取液稀釋至0.312 5 mg/mL～10 mg/mL 6個梯度，分別吸取各個濃度梯度的紫蘇葉提取液1 mL與約15 mL培養(yǎng)基充分混勻，制備含樣液的平板，吸0.1 mL菌懸液均勻涂布后于30℃恒溫培養(yǎng)24 h，以完全無菌生長的平板相對應的濃度記為MIC。

將MIC試驗中的無菌生長的平板放回30℃培養(yǎng)箱，繼續(xù)孵育24小時后記錄，以完全無菌生長的平板所對應的濃度記為MBC。

3 結(jié)果與分析

3.1 乙醇提取法

3.1.1 單因素試驗

提取溫度、提取時間、HCl體積分數(shù)、乙醇體積分數(shù)對紫蘇葉花青素得率的影響見圖1。

從圖1A中知，花青素得率隨著溫度的增加而增多，60℃時花青素得率最大，為3.932 mg/100 g。溫度大于60℃時，所得花青素得率反而降低。可能是因為溫度升高，分子滲透和運動速度變快，利于花青素物質(zhì)的溶出，然而溫度過高會使溶劑中的乙醇濃度降低，也會使花青素結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而被分解，導致得率降低，因此選擇60℃為最佳。

圖1 提取溫度、提取時間、HCl體積分數(shù)、乙醇體積分數(shù)對紫蘇葉花青素得率的影響Fig.1 The effect of extraction temperature，extraction time，HCl volume fraction，ethanol volume fraction on the yield of anthocyanin from Perilla frutescens leaves

從圖1B中看出，花青素得率在2.0 h時達到最大，為3.967 mg/100 g。低于2.0 h，花青素溶出的量較少；超過2.0 h，長時間處理使得的花青素穩(wěn)定性下降，所以最佳提取時間為2.0 h。

從圖1C中看出，隨著鹽酸體積分數(shù)的升高，所得花青素得率增大，鹽酸體積分數(shù)在2.0%達到最大，為3.944mg/100g；大于2.0%時，所得花青素得率有所下降，說明鹽酸體積分數(shù)為2%時，此時，花青素結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

從圖1D可知，花青素得率隨著乙醇體積分數(shù)的增加而呈先增加后減少趨勢。最終選擇乙醇體積分數(shù)為60%是因為60%的乙醇體積分數(shù)與花青素粗提物的極性相近，此時花青素溶解程度最好，更便于花青素類化合物的溶出。乙醇濃度過低時，不利于花青素的溶出；過高時會增加紫蘇葉中其他類物質(zhì)的溶出，干擾因素增加。

3.1.2 正交試驗

在單因素的基礎上進行正交試驗，乙醇提取法試驗結(jié)果見表3。

表3 乙醇提取法正交試驗結(jié)果表Table3 Thetableoforthogonaltestresultsusingethanolextraction

從表3中看出，對紫蘇葉花青素提取影響因素由大到小依次為提取溫度、乙醇體積分數(shù)、HCl體積分數(shù)、提取時間。由極差分析知，最佳因素水平組合為A2B3C3D2，即提取溫度為60℃，提取2.5 h，乙醇和鹽酸體積分數(shù)60%和2.5%，在此條件下，進行驗證試驗，重復3次，所得紫蘇葉花青素得率為4.003 mg/100 g，略多于正交試驗最優(yōu)組合（處理6）A2B3C1D2的3.978 mg/100 g，所以選擇A2B3C3D2為最佳提取工藝。

3.2 超聲波輔助提取法

3.2.1 單因素試驗

超聲功率、超聲時間、料液比、超聲溫度對紫蘇葉花青素得率的影響見圖2。

圖2 超聲功率、超聲時間、料液比、超聲溫度對紫蘇葉花青素得率的影響Fig.2 The effect of ultrasonic power，ultrasonic time，solid-liquid ratio，ultrasonic temperature on the yield of anthocyanin from Perilla frutescens leaves

由圖2A知，超聲功率為450 W時，花青素得率最高。過高的超聲功率對花青素有破壞作用，高提取功率下，樣品溫度會升高太快，花青素結(jié)構(gòu)遭到破壞，得率下降，低提取功率下，反應溫度不會升高過快，得率隨功率（小于450 W）的增加有增大的趨勢。

由圖2 B知，當超聲時間為20 min時，花青素得率最高。隨著超聲波加熱時間的延長得率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。超聲波在短時間內(nèi)即可造成細胞破碎，增加花青素的溶出，得率升高；降低的原因可能是花青素在長時間加熱過程中，熱穩(wěn)定性發(fā)生了改變，同時也會增加其他高分子雜質(zhì)的進出，從而得率降低。

由圖2 C知，加大料液比，花青素得率會不斷增大，在料液比為1∶30（g/mL）時，花青素得率達到最大，隨后，得率基本維持不變。是因為料液比較低時，花青素的浸出率低，而料液比較高時，浸提液中花青素濃度高，得率也相應增高。

由圖2D知，隨著溫度的升高，所得花青素得率逐漸增多，40℃達到最大，為5.282 mg/100 g。溫度超過40℃時，所得花青素含量反而降低?？赡苁且驗楦邷叵?，滲透和熱降解速度變快，花青素結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而被分解，導致得率降低。

3.2.2 正交試驗

超聲波輔助提取法正交試驗結(jié)果見表4。

表4 超聲波輔助提取法正交試驗結(jié)果表Table4 The table of orthogonal test results using ultrasoundassisted extraction

由表4表明，各因素對測定結(jié)果的影響次序為：超聲功率＞超聲溫度＞料液比＞超聲時間。由極差分析得出最佳提取工藝為A'2B'2C'3D'2：超聲功率450 W，超聲時間 20 min，料液比 1∶40（g/mL），超聲溫度 40 ℃。在此條件下，進行驗證試驗，重復3次，所得紫蘇葉花青素得率為5.489 mg/100 g，略多于正交試驗最優(yōu)組合（處理 6）A'2B'3C'1D'2的 5.424 mg/100 g，所以選擇A'2B'2C'3D'2為最佳提取工藝。

3.2.3 乙醇提取與超聲波輔助提取花青素對比分析

不同提取方法比較見表5。

表5 不同提取方法比較Table5 Comparison of different extraction methods

由表5可知，超聲波輔助提取法較乙醇提取法，花青素得率提高了0.37倍，提取時間縮短了86.67%，提取溫度降低，降低了成本，進一步對得到的花青素進行活性研究?；ㄇ嗨仉m有多種生物活性，但是一種不穩(wěn)定的天然色素[18]，其穩(wěn)定性受到各種因素的影響，給花青素的保存、開發(fā)、利用造成一些不便，可在以后試驗中嘗試膜過濾等方法提取純化，其組成成分及含量變化可通過液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（liquid chromatograph mass spectrometer，LC-MS）分析鑒定，其單體制備和合成途徑等均需進一步探討。

3.3 抗氧化測定

3.3.1 FRAP法

FRAP法[19]反映的是三價鐵離子還原成二價鐵離子的能力。紫蘇葉花青素和VC的鐵離子還原/抗氧化能力見圖3。

圖3 紫蘇葉花青素和VC的鐵離子還原/抗氧化能力Fig.3 The ferric reducing/antioxident power of anthocyanins from Perilla frutescens leaves and VC

由圖3可知，在測定濃度范圍內(nèi)，紫蘇葉花青素粗提物具有一定的鐵離子還原/抗氧化能力，抗氧化能力隨樣品的質(zhì)量濃度的增加而增強，VC對Fe3+還原能力明顯強于紫蘇葉花青素粗提物。紫蘇葉花青素抗氧化活性與其化學結(jié)構(gòu)組分有關系，改變芳香環(huán)上的基團種類及位置，抗氧化性隨之改變；紫蘇葉提取物抗氧化能力小于VC，主要是因為提取物為粗提物，含非活性物質(zhì)及雜質(zhì)。

3.3.2 DPPH·清除能力

DPPH·是一種穩(wěn)定自由基，在517 nm處存在最大吸收值，其吸光值與濃度呈相關關系，當加入自由基清除劑時，未配對電子被配對，自由基被抑制，吸光值會變小，以此來評價自由基清除能力[20]。紫蘇葉花青素和VC對DPPH·的清除能力見圖4。

圖4 紫蘇葉花青素和VC對DPPH·的清除能力Fig.4 Scavenging activities of anthocyanins from Perilla frutescens leaves and VCon DPPH·

由圖4可知，當質(zhì)量濃度低于5%時，VC對DPPH·的清除能力隨質(zhì)量濃度的增加而增強，而花青素粗提物對DPPH·清除率緩慢增強；當質(zhì)量濃度繼續(xù)增大，清除率趨于平緩，這與蔣其忠[21]和王彥平[22]中的結(jié)果趨勢一致。VC清除DPPH·能力明顯高于花青素粗提物，這一結(jié)果與FRAP法結(jié)果相對應。

3.3.3 ·OH清除能力

·OH是迄今所知生物體毒性最強、危害最大的一種重要的活性氧自由基，幾乎可以和所有的細胞組分反應。紫蘇葉花青素和VC對·OH的清除能力見圖5。

由圖5可知，紫蘇葉花青素粗提物對·OH具有一定的清除能力，在測定范圍內(nèi)，其濃度與清除率呈正相關關系，VC對·OH清除能力大于同濃度下紫蘇葉粗提取物。

圖5 紫蘇葉花青素和VC對·OH的清除能力Fig.5 Scavenging activities of anthocyanins from Perilla frutescens leaves and VCon·OH

3.3.4 O2-·清除能力

O2-·是人體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧自由基，可在短時間內(nèi)引發(fā)自由基鏈式反應，能引發(fā)體內(nèi)脂質(zhì)過氧化，加快機體的衰老，危害人體健康。紫蘇葉花青素和VC對O2-·的清除能力見圖6。

圖6 紫蘇葉花青素和VC對O2-·的清除能力Fig.6 Scavenging activities of anthocyanins from Perilla frutescens leaves and VCon O2-·

由圖6知，紫蘇花青素粗提物對O2-·有一定的清除能力，同濃度下，清除能力低于VC，清除O2-·能力強于·OH能力，說明其對不同自由基的清除具有選擇性，可以有針對性的清除某種自由基，提高清除能力。

表6 不同濃度紫蘇葉花青素粗提物的抑菌情況Table6 The antibacterial situation on different concentrations of anthocyanins from Perilla frutescens leaves

3.4 紫蘇葉花青素抑菌性測定

不同濃度紫蘇葉花青素粗提物的抑菌情況見表6。

采用打孔法觀察體外抑菌活性，發(fā)現(xiàn)抑菌圈直徑大小不一。不同濃度紫蘇葉花青素粗提物對不同的菌株均有一定的抑制效果，紫蘇葉花青素粗提物對大腸桿菌的抑菌效果最好，對腐敗希瓦氏菌的抑菌效果最差。紫蘇葉花青素粗提物對供試菌的MIC及MBC見表7。

表7 紫蘇葉花青素粗提物對供試菌的MIC及MBCTable7 The effect of anthocyanins from Perilla frutescens leaves on MIC and MBC of tested bacteria

紫蘇葉花青素粗提物的MIC值越小，其抑菌性越強，抑菌效果越好。由表7知，紫蘇葉花青素粗提物在濃度為5 mg/mL對4種菌均具有抑制效果，對大腸桿菌的抑制效果較強，其MIC和MBC分別為1.25 mg/mL和2.5 mg/mL，對金黃色葡萄球菌和熒光假單胞菌的抑制效果相當，其MIC和MBC分別為2.5 mg/mL和5 mg/mL，對腐敗希瓦氏菌的抑菌效果最差?；ㄇ嗨貙δ承┘毦种品矫嬗幸欢撃?，而其抑菌和殺菌機理還有待進一步考證。

4 結(jié)論

乙醇提取法提取紫蘇葉花青素最佳條件為2.5%HCl-60%乙醇60℃提取2.5 h，得率為4.003 mg/100 g；超聲波輔助提取法紫蘇葉花青素最佳提取工藝為超聲功率 450 W，超聲時間 20 min，料液比 1 ∶40（g/mL），超聲溫度40℃，得率為5.489 mg/100 g；超聲輔助提取法較乙醇提取法，花青素得率提高了0.37倍，提取時間縮短了86.67%，提取溫度降低，降低了成本。通過檢測FPAR法，發(fā)現(xiàn)紫蘇葉花青素具有較強的鐵離子還原氧化能力，此外紫蘇葉花青素對DPPH·、·OH、O2-·有特定的清除能力，因此花青素具有一定的抗氧化能力。不同濃度紫蘇葉花青素粗提物對不同的菌株均有一定的抑制性能，對大腸桿菌有較好的抑制作用，其MIC和MBC分別為1.25 mg/mL和2.5 mg/mL，對腐敗希瓦氏菌的抑制作用不明顯。