李鋼,彭飛,尹洪洋,杜彬,李曉菁,??猬?,楊越冬,*
(1.河北科技師范學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院,河北秦皇島066004;2.河北省天然活性成分與功能重點(diǎn)實(shí)驗室,河北秦皇島066004)
板栗在我國栽培歷史悠久,品種資源豐富,地域分布遼闊。我國板栗產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的3/4,為世界之最[1]。栗仁中富含淀粉、可溶性糖、維生素C 及蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)[2],具有益氣補(bǔ)脾,補(bǔ)腎強(qiáng)筋等功效。長期以來,栗仁的開發(fā)一直受到廣泛的關(guān)注,但對于栗葉成分及活性功能的研究較少,使其大部分成為廢棄物,造成了資源的巨大浪費(fèi)。
《福建藥物志》載板栗葉具有清肺止咳,解毒消腫之功效。在民間常用于百日咳、肺結(jié)核、咽喉腫痛、腫毒、漆瘡的治療?!吨兴幋筠o典》記載栗葉可用于治療反胃、便血??伞爸魏懑熁鸲尽薄ⅰ盀槭諗縿?,外用涂漆瘡”,是民間常用中草藥[3]。Cassandra Quave 等[4]從歐洲板栗葉乙酸乙酯層萃取物中通過高效液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用測得94 種化合物,大多數(shù)為五環(huán)三萜派生物和齊墩果烯類以及苯酚類化合物。柏宏偉等[5]研究發(fā)現(xiàn)板栗葉中含有游離鞣花酸,含量為1.669 mg/g。經(jīng)研究歐洲栗葉具有顯著的抗菌活性,可以用來制備化妝品[6],也可用于治療地中海皮膚炎癥[7]。目前研究多集中于歐洲板栗葉,對于我國最具代表性的燕山板栗葉的研究鮮有報道。
植物葉片中總黃酮的提取方法有多種,包括傳統(tǒng)的溶劑提取法以及新興的提取技術(shù),如微波輔助提取、超聲輔助提取等[8-9]。這些新興的提取技術(shù)不僅縮短提取時間,減少有毒試劑用量,而且顯著提高提取率。作為一種先進(jìn)的環(huán)境友好型的提取方法,加壓溶劑提取法是指在閉容器內(nèi)于高溫(50 ℃~200 ℃)和高壓(500 Pa~3 000 Pa)條件下,在短時間內(nèi),用有機(jī)溶劑提取固體或半固體樣品的一種新型樣品前處理方法[10]。與傳統(tǒng)溶劑提取方法相比,加壓溶劑提取法可顯著縮短提取時間并提高提取效率[11],廣泛用于糧食和谷物中的酚類化合物的提取[12-14]。
響應(yīng)面法是利用多元二次回歸方程擬合各影響因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,通過分析回歸方程得到最佳工藝參數(shù),解決多變量問題的一種統(tǒng)計方法[15-17]。本試驗在單因素試驗的基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面對板栗葉總黃酮加壓溶劑提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,并考察板栗葉黃酮的抗氧化活性,以期為板栗葉資源的開發(fā)利用奠定科學(xué)依據(jù)。
板栗葉:河北科技師范學(xué)院園藝科技學(xué)院實(shí)驗站,陰干處理,用研磨機(jī)粉碎,過60 目篩,收集板栗葉干粉末。
蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品(純度≥98%)、總抗氧化能力試劑盒、2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(2,2-diazo-bis(3-ethyl-benzothiazole-6-sulfonic acid)diammonium salt,ABTS) 試劑盒、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-trinitrophenylhydrazine,DPPH):上海源葉生物科技有限公司;2,6-二叔丁基對甲酚(2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol,BHT):天津光復(fù)精細(xì)化工研究所;無水乙醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉(均為分析純):天津歐博凱化工有限公司。
ME 型分析天平:梅特勒-托利多(上海)有限公司;APLE-3000 型快速溶劑萃取儀:北京吉天儀器有限公司;UV-5500 型紫外可見分光光度計:上海元析儀器有限公司;GZX-9240 MBE 型電熱鼓風(fēng)干燥箱:上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;SPECTRA MAX 190型酶標(biāo)儀:美谷分子儀器(上海)有限公司。
為了優(yōu)化板栗葉總黃酮的提取條件,將影響快速溶劑提取率的幾個條件(循環(huán)次數(shù)、提取溫度、提取時間、乙醇體積分?jǐn)?shù))進(jìn)行單因素測試,對4 g 樣品進(jìn)行提取,研究某一因素的影響時,將其他因素保持一定值。編碼水平設(shè)計見表1。
表1 響應(yīng)面試驗因素與水平編碼設(shè)計Table 1 Factors and levels code design of response surface experiment
以Box-behnken 試驗設(shè)計為基礎(chǔ)建立響應(yīng)面提取工藝,建立4 因素3 水平的試驗設(shè)計,試驗數(shù)量由公式(1)確定。
式中:k 為影響因子數(shù)量;C0為水平數(shù)量。
以Y(總黃酮的提取率)為響應(yīng)值,建立提取工藝參數(shù)的二次回歸模型。A、B、C、D 分別表示循環(huán)次數(shù)、提取溫度、提取時間、乙醇體積分?jǐn)?shù)。
式中:X0是常數(shù);X1、X2、X3、X4是一次項系數(shù);X5、X6、X7、X8、X9、X10是交叉項系數(shù);X11、X12、X13、X14是二次項系數(shù)。
稱取4 g 板栗葉干粉,與4 g 硅藻土混合均勻,加到萃取池中,萃取池剩余空間由硅藻土填充,將萃取池放入快速溶劑萃取儀進(jìn)行提取,設(shè)定提取壓力為10 MPa。固定其他條件,分別考察循環(huán)次數(shù)(1 次~3 次)、提取溫度(40 ℃~80 ℃)、提取時間(3 min~11 min)、乙醇體積分?jǐn)?shù)(10%~90%)對提取板栗葉總黃酮的影響。
分別量取蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.1 mg/mL)0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL 于 10 mL 容量瓶中。吸取 0.3 mL 5%NaNO2溶液于上述5 只容量瓶中,搖勻后靜置7 min,移取0.3 mL10%Al(OH)3于容量瓶中,充分搖勻靜置7 min,移取4.0 mL4%NaOH 溶液于容量瓶中,充分搖勻后,用60%乙醇定容,靜置10 min 后于510 nm 處比色。以吸光度為縱坐標(biāo)(Y),蘆丁質(zhì)量濃度(mg/mL)為橫坐標(biāo)(X)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為Y=9.811 4X-0.009 6,R2=0.992。按以上方法,調(diào)整適當(dāng)?shù)臉悠窛舛龋M(jìn)行總黃酮含量測定??傸S酮提取率的計算:測定樣品液的吸光度,由標(biāo)準(zhǔn)曲線計算總黃酮提取率,總黃酮提取率計算公式如下。
式中:c 為總黃酮濃度,mg/mL;V 為樣品溶液體積,mL;n 為稀釋倍數(shù);m 為板栗葉粉末質(zhì)量,g。1.6 體外抗氧化能力測試[18]
1.6.1 清除DPPH 自由基的能力
DPPH 自由基清除試驗參照楊娜等[19]的方法,測試板栗葉總黃酮清除DPPH 自由基的能力。將0.5 mL 0.1 mmol/L DPPH 溶液(現(xiàn)用現(xiàn)配)與2 mL 的不同濃度的黃酮提取液進(jìn)行混合,在室溫25 ℃下避光保存30 min,在517 nm 波長下測定吸光度的減少值,并以BHT 為陽性對照,每個濃度梯度設(shè)置3 組平行。按下式(3)計算 DPPH 自由基清除率[20]。
式中:Ai為 2 mL 樣品液+0.5 mLDPPH 溶液吸光度;Aj為2 mL 樣品液+0.5 mL95%乙醇溶液吸光度;A0為0.5 mLDPPH 溶液+2 mL95%乙醇溶液吸光度。
1.6.2 清除ABTS+自由基的能力
參照白海娜等[21]的方法,使用ABTS 試劑盒,按比例配制好ABTS 工作液,在30 ℃下避光孵育10 min~30 min,取0.1 mL ABTS 工作液與0.06 mL 不同濃度黃酮提取液進(jìn)行混合(不同濃度的BHT 溶液作參比),靜置6 min,在405 nm 處測吸光度。以相同濃度的BHT作對照。按下式計算ABTS+自由基清除率。
式中:Ai為 0.06 mL 樣品液+0.1 mL ABTS 工作液吸光度;A0為 0.06 mL 無水乙醇+0.1 mL ABTS 工作液吸光度。
1.6.3 總抗氧化能力
采用亞鐵還原能力試驗[22]測定抗氧化能力。FeSO4標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:分別配制濃度為0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mmol/L 的FeSO4溶液,參照總抗氧化能力測試盒說明書按比例配制鐵離子還原能力(ferric reducting ability of plasma,F(xiàn)RAP)工作液。在酶標(biāo)儀微孔板中加入 5 μL 以上濃度的 FeSO4溶液和 180 μL FRAP工作液,37 ℃孵育 5 min,在 593 nm 處測試吸光度,以FeSO4溶液的濃度為橫坐標(biāo),吸光度值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
分別取 5μL 質(zhì)量濃度為 40、80、120、160、200μmol/L的板栗葉黃酮提取液和180 μL FRAP 工作液于微孔板中,37 ℃孵育5 min,在593 nm 處測試吸光度。板栗葉黃酮總抗氧化能力以FeSO4標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度來表示。以相同濃度的BHT 作對照。
所有試驗均平行3 組,取平均值作為總黃酮的響應(yīng)值,通過方差分析來確定不同因素對總黃酮提取的顯著性影響。通過使用Design-Expert.8.0.6 軟件對Box-Behnken 試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到工藝參數(shù)的二次回歸方程。
2.1.1 循環(huán)次數(shù)對總黃酮提取率的影響
循環(huán)次數(shù)對板栗葉總黃酮提取率的影響見圖1。
圖1 循環(huán)次數(shù)對總黃酮提取率的影響Fig.1 Effect of cycle times on extraction rate of total flavonoids
由圖1 可知,在提取溫度50 ℃,乙醇體積分?jǐn)?shù)30 %,提取時間 5 min,循環(huán)次數(shù)為 1、2、3 次時,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,總黃酮提取率先增后減,在循環(huán)次數(shù)為2 次時達(dá)到最大值,循環(huán)次數(shù)為3 次時略微下降,繼續(xù)增加循環(huán)次數(shù)不僅浪費(fèi)能源,也不能提高提取率,因此選取循環(huán)次數(shù)1、2、3 次進(jìn)行響應(yīng)面試驗。
2.1.2 提取溫度對總黃酮提取率的影響
提取溫度對板栗葉總黃酮提取率的影響見圖2。
由圖2 可知,在循環(huán)次數(shù)為2 次,提取溫度分別為40、50、60、70、80 ℃,乙醇體積分?jǐn)?shù)為 30%條件下提取5 min。提取溫度低于70 ℃時,隨著提取溫度的升高,總黃酮提取率升高,可能是由于升高溫度使溶液黏度降低,增加了溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù),從而提高了提取效率。升高溫度,在80 ℃時總黃酮提取率略有降低,繼續(xù)升高溫度,提取率顯著降低,原因可能是溫度過高導(dǎo)致熱敏型黃酮降解,從而降低了總黃酮提取率。同時,溫度過高,成本費(fèi)用增加,因此選取60、70、80 ℃進(jìn)行響應(yīng)面試驗。
圖2 提取溫度對總黃酮提取率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate of total flavonoids
2.1.3 提取時間對總黃酮提取率的影響
提取時間對板栗葉總黃酮提取率的影響見圖3。
圖3 提取時間對總黃酮提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of total flavonoids
由圖3 可知,在循環(huán)次數(shù)為2 次,提取溫度70 ℃,乙醇體積分?jǐn)?shù)為30 %的條件下分別提取3、5、7、9、11 min。提取時間在7 min 之前,總黃酮提取率隨時間的延長而升高,在7 min 時達(dá)到最大值,提取時間大于7 min 時,提取率下降,因此選取 5 、7、9 min 進(jìn)行響應(yīng)面試驗。
2.1.4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對總黃酮提取率的影響
乙醇體積分?jǐn)?shù)對板栗葉總黃酮提取率的影響見圖4。
由圖4 可知,另一影響總黃酮提取率的因素是乙醇的體積分?jǐn)?shù),保持循環(huán)次數(shù)為2 次,提取溫度70 ℃,提取時間7 min 不變,乙醇體積分?jǐn)?shù)分別為10%、30%、50%、70%、90%條件下進(jìn)行提取。乙醇體積分?jǐn)?shù)在30%~70%范圍內(nèi),總黃酮提取率達(dá)到了最大值,高于此范圍,提取率顯著降低。原因可能是過高的乙醇體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性,抑制了黃酮類化合物的溶解,從而影響了提取效果。因此選取30%、50%、70%進(jìn)行響應(yīng)面試驗。
圖4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對總黃酮提取率的影響Fig.4 Effect of ethanol volume fraction on extraction rate of total flavonoids
在單因素試驗的基礎(chǔ)上,以循環(huán)次數(shù)、提取溫度、提取時間、乙醇體積分?jǐn)?shù)為因素設(shè)計因四素三水平的Box-behnken 試驗,以總黃酮提取率為響應(yīng)值,共計29個響應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行組合試驗[23-26],試驗設(shè)計及結(jié)果如表2所示。
表2 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis
續(xù)表2 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果Continue table 2 Experimental design and results for response surface analysis
采用Design-Expert 8.0.6 軟件,根據(jù)表2 Box-Behnken 設(shè)計組合,對表2 數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸擬合,建立提取工藝參數(shù)回歸模型?;貧w方程為:Y=-41.645-3.725A+0.969B+2.851C+0.232D+0.074AB+0.265AC+0.016AD - 0.010BC - 0.001BD - 0.001CD - 1.060A2-0.007B2-0.179C2-0.002D2。
為驗證模型的有效性,對其進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表3 所示。
表3 回歸模型方差分析Table 3 Regression model analysis of variance
為了確定二次模型是否顯著,需要對回歸模型進(jìn)行方差分析,P 值用來檢驗每個系數(shù)的顯著性程度和各個參數(shù)之間的相互作用強(qiáng)度。P 值越小,相應(yīng)系數(shù)的顯著性越強(qiáng)。結(jié)果如表3 所示,回歸模型的F=61.392,P<0.000 1,表明模型極顯著。回歸方程的決定系數(shù)R2=0.984 0,校正決定系數(shù)R2Adj=0.967 9,表明該試驗?zāi)P蛿M合程度良好。方程的變異系數(shù)為4.535%,該值越小,表明重復(fù)性越好。顯著性分析結(jié)果顯示,模型中的B、C、AB、AC、AD、BD、A2、B2、C2、D2對響應(yīng)值影響極顯著,失擬項P=0.363 8>0.05,表明建立的二次多項式回歸模型擬合性好,能運(yùn)用于板栗葉總黃酮提取優(yōu)化的理論預(yù)測。由P 值可知4 個因素對板栗葉總黃酮提取率的影響大小順序:C(提取時間)>B(提取溫度)>D(乙醇體積分?jǐn)?shù))>A(循環(huán)次數(shù))。
通過使用Design-Expert.8.0.6 軟件做出的響應(yīng)面圖如圖5 所示。
圖5 四因素交互作用對板栗葉總黃酮提取率的影響Fig.5 Effects of interaction between four factors on total flavonoids yield from chestnut leaves
響應(yīng)面圖是響應(yīng)值Y 對應(yīng)于試驗因素A、B、C、D所構(gòu)成的三維空間的曲面圖極其在二維平面上的等高線圖,可以更直觀的表達(dá)出每個因素對響應(yīng)值影響的顯著程度以及各因素間的交互作用[15-16]。通過改變2 個變量,保持其他變量在零水平來完成的[27],圖5 為四因素交互作用的響應(yīng)面圖,若三維圖坡面較陡,表明提取條件對總黃酮提取率影響較為顯著。若坡面較緩,表明提取條件對黃酮提取率影響較小。圖5A、5B、5C 是循環(huán)次數(shù)和另外3 個因素對總黃酮提取率影響的響應(yīng)面圖,循環(huán)次數(shù)坡面均較為平緩,對總黃酮提取率的影響程度低于另外3 個因素;3 個圖的等高線圖均呈橢圓形,說明循環(huán)次數(shù)和另外3 個因素的交互作用較強(qiáng),對總黃酮的提取率影響較大。圖5B、5D、5F是提取時間和另外3 個因素對總黃酮提取率影響的響應(yīng)面圖,可以看出,提取時間坡面均較陡,說明提取時間對于總黃酮提取率的影響較為顯著。圖5E 顯示,在乙醇體積分?jǐn)?shù)一定時,總黃酮提取率隨提取溫度的提高先增加,后趨于平緩;在提取溫度一定時,總黃酮提取率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加先增后減。
通過對提取條件的單因素分析和響應(yīng)面優(yōu)化,得到了板栗葉總黃酮的最佳提取工藝參數(shù):循環(huán)次數(shù)2.03 次,提取溫度 73.35 ℃,提取時間 7.31 min,乙醇體積分?jǐn)?shù)40.23%。為便于實(shí)際操作將最佳提取條件進(jìn)行修正為循環(huán)次數(shù)2 次,提取溫度73 ℃,提取時間7.3 min,乙醇體積分?jǐn)?shù)40 %,進(jìn)行驗證試驗,得到板栗葉總黃酮實(shí)際提取率為(5.18±0.06)%,與預(yù)測值(5.20±0.10)%穩(wěn)合的很好。
在最佳條件下提取板栗葉黃酮,將得到的黃酮配制成4 μg/mL~20 μg/mL 濃度,研究各濃度梯度黃酮提取液和BHT 對DPPH 自由基的清除率,結(jié)果如圖6所示。
圖6 板栗葉黃酮對DPPH 自由基的清除Fig.6 DPPH free radical scavenging activities of flavonoids from chestnut leaves
由圖6 可知,在相同質(zhì)量濃度范圍內(nèi),板栗葉黃酮提取液對DPPH 自由基的清除能力比BHT 更強(qiáng)。在板栗葉黃酮提取液濃度在4 μg/mL~20 μg/mL 范圍內(nèi),黃酮提取液的DPPH 自由基清除率緩慢上升,表明溶液中的大多數(shù)DPPH 自由基已被清除。
在 40 μg/mL~200 μg/mL 濃度范圍內(nèi),板栗葉黃酮提取液和BHT 對ABTS+自由基清除率如圖7 所示。
圖7 板栗葉黃酮對ABTS+自由基的清除Fig.7 ABTS+free radical scavenging activities of flavonoids from chestnut leaves
由圖7 可知,在板栗葉黃酮提取液濃度為40 μg/mL~120 μg/mL 范圍內(nèi),其ABTS+自由基清除率略有上升,在板栗葉黃酮提取液濃度為120 μg/mL~160 μg/mL時,ABTS+自由基清除率上升較快,在板栗葉黃酮提取液濃度為 160 μg/mL~200 μg/mL 時,其 ABTS+自由基清除率幾乎不變,說明溶液中的大部分ABTS+自由基已經(jīng)被清除。在所測試濃度范圍內(nèi),板栗葉黃酮提取液表現(xiàn)出更強(qiáng)的清除ABTS+自由基的能力。
總抗氧化能力分析:在FeSO4溶液濃度為0.1 mmol/L~1.0 mmol/L 范圍內(nèi)與吸光度線性關(guān)系良好。標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.000 3x-0.011 4,R2=0.991 1。在 40 μg/mL~200 μg/mL 濃度范圍內(nèi),板栗葉黃酮提取液和BHT 的總抗氧化能力如圖8 所示。
圖8 板栗葉黃酮的總抗氧化能力Fig.8 Total antioxidant capacity of flavonoids from chestnut leaves
由圖8 可知,板栗葉黃酮提取液濃度在40 μg/mL~160 μg/mL 范圍內(nèi),其總抗氧化能力上升顯著,在160 μg/mL~200 μg/mL 范圍上升緩慢,在 200 μg/mL 時達(dá)到最大值,為980.3 μmol/L,在所測試濃度內(nèi)板栗葉黃酮提取液的總抗氧化能力優(yōu)于BHT。
板栗葉中富含黃酮類物質(zhì),本試驗采用的加壓溶劑提取法是以乙醇溶液為提取劑,利用儀器的高壓環(huán)境將黃酮類物質(zhì)提取出來,提高了效率。唐巧玉等[28]采用加壓溶劑提取法對水芹中總黃酮進(jìn)行提取,在最佳條件下總黃酮得率為3.64%。李雪姣等[29]采用加壓溶劑提取法得到蕤核葉黃酮提取率為8.98%。本試驗在最佳提取條件下,板栗葉總黃酮的理論提取率是5.20%。高出唐巧玉等[28]的試驗結(jié)果,而低于李雪姣等[29]的試驗結(jié)果。使用相同的提取方法對不同的植物材料進(jìn)行提取,總黃酮提取率存在著較大差異,說明黃酮類化合物廣泛分布在不同的植物體中,同時也說明板栗葉黃酮含量相對較高。Aida 等[30]和Beatriz 等[31]研究了歐洲板栗葉的抗氧化活性,本試驗板栗葉黃酮提取液清除DPPH 自由基的能力優(yōu)于Aida 等[30]的試驗結(jié)果,清除ABTS+自由基的能力優(yōu)于Beatriz 等[31]的試驗結(jié)果。分析原因,可能是因為燕山板栗和歐洲板栗的生長環(huán)境不同,使得板栗葉中所含黃酮的種類和數(shù)量不同,導(dǎo)致抗氧化結(jié)果存在差異。本試驗所提板栗葉總黃酮為粗提液,含有較多雜質(zhì),所以下一步需對板栗葉總黃酮提取液進(jìn)一步純化,并分析其化學(xué)成分,深入研究其抗氧化功效。
利用響應(yīng)面分析得到板栗葉總黃酮加壓溶劑提取的最佳工藝參數(shù)為循環(huán)次數(shù)2 次,提取溫度73 ℃,提取時間7.3 min,乙醇體積分?jǐn)?shù)40%,試驗值與預(yù)測值穩(wěn)合良好,說明模型能較好的預(yù)測板栗葉總黃酮提取率。板栗葉黃酮具有抗氧化活性,在一定范圍內(nèi),總抗氧化能力較強(qiáng),對ABTS+自由基和DPPH 自由基均具有較好的清除作用?;诖罅堪謇跞~被當(dāng)做廢物丟棄的現(xiàn)實(shí)情況,以上結(jié)果對板栗葉資源的回收利用具有實(shí)際意義。