離子液體輔助酶法提取姜黃素類化合物工藝優(yōu)化

譚 索，司瑞茹，強(qiáng)悅越，韋 航，黃 彪，曾紹校，陸東和，傅建煒,

（1.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建福州 350002；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所/福建省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350003；3.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究所，福建福州 350003）

姜黃素類化合物是分布在姜黃、莪術(shù)和郁金等姜黃屬植物中的天然多酚化合物，主要包括姜黃素（curcumin，Cur，75%～80%）、脫甲氧基姜黃素（demethoxycurcumin，DMC，3%～5%）和雙脫甲氧基姜黃素（bisdemethoxycurcumin，BDMC，15%～20%）等，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。姜黃素類化合物呈橙黃色針狀/結(jié)晶粉末，不溶于冷水和乙醚，易溶于乙醇和乙酸。近年來大量研究表明姜黃素類化合物具有促進(jìn)健康的作用，包括抗癌、抗菌、抗氧化、抗腫瘤和免疫調(diào)節(jié)等，并且由于其細(xì)胞毒性較低，高劑量給藥無副作用，幾個(gè)世紀(jì)以來在亞洲被廣泛使用，常作為香料、防腐劑、著色劑和治療劑等應(yīng)用于食品或醫(yī)療領(lǐng)域。

圖1 姜黃素類化合物的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of curcuminoid

目前，提取姜黃素類化合物的傳統(tǒng)方法有乙醇回流法、酸堿提取法、水楊酸鈉法、活性炭吸附法等。這些傳統(tǒng)的提取方法耗時(shí)長、提取率低、耗費(fèi)大量有機(jī)試劑。此外，姜黃素為弱酸性物質(zhì)，堿液提取時(shí)會(huì)導(dǎo)致其分解為香蘭素、阿魏酸和阿魏酰甲烷等。酶法提取也是提取植物活性成分常用的方法，酶法提取是利用適當(dāng)?shù)拿竵砥茐闹参锛?xì)胞壁，使得活性成分更容易被提取出來的方法，具有產(chǎn)物回收率高、溶劑用量少等優(yōu)點(diǎn)。如齊瑞芳等和肖秀麗均采用纖維素酶、淀粉酶及木瓜蛋白酶組成的復(fù)合酶提取姜黃素，得到的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，反應(yīng)條件易控制，但提取工藝中酶解反應(yīng)時(shí)間大概需要2～4 h，因此酶法提取也面臨著酶解時(shí)間長的問題?；诖?，近年來發(fā)展了多種新技術(shù)來輔助酶法提取姜黃素類化合物，如超臨界CO萃取法、超聲輔助提取法和微波輔助提取法，但這些方法都需要特定的儀器設(shè)備，價(jià)格昂貴，操作費(fèi)用大，成本高，不適合工業(yè)運(yùn)用。

離子液體由有機(jī)陽離子和無機(jī)或有機(jī)陰離子組成，是綠色化學(xué)新興研究領(lǐng)域之一。傳統(tǒng)溶劑只能依靠濃度差來完成提取，離子液體可以通過溶解纖維素來溶解部分植物細(xì)胞壁達(dá)到提取的目的，從而增大提取率和縮短提取時(shí)間。同時(shí)離子液體能夠有效穩(wěn)定酶-底物的過渡態(tài)，降低反應(yīng)活化能，使酶表現(xiàn)出較高的催化活性。徐佳琳、王佳等報(bào)道采用過離子液體提取姜黃素類化合物，并指出離子液體可以提高姜黃素類化合物的提取率。利用離子液體輔助酶法提取姜黃中姜黃素類化合物的工藝鮮見報(bào)道。

本研究采用離子液體（1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽）輔助酶法提取姜黃素類化合物，主要研究了離子液體與酶對姜黃素類化合物提取率的協(xié)同效果，考察了不同因素對姜黃素類化合物得率的影響，并通過響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝，以期為獲得得率高、經(jīng)濟(jì)節(jié)約的姜黃素提取工藝提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

姜黃 江西樟樹天齊堂中藥飲片有限公司；纖維素酶（酶活≥400 U/mg）、果膠酶（酶活≥500 U/mg）、木聚糖酶（酶活≥6000 U/mg）、半纖維素酶（酶活≥2 U/mg）、-淀粉酶（酶活≥50 U/mg）上海寶曼生物科技有限公司；1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽 麥克林有限公司；姜黃素、脫甲氧基姜黃素、雙脫甲氧基姜黃素標(biāo)準(zhǔn)品 純度≥95%，壇墨質(zhì)檢-標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心；檸檬酸、磷酸氫二鈉、無水乙醇等均為國產(chǎn)分析純。

SPD-M40 超高效液相色譜儀 島津公司；TDL-5-A 離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；IKA VXR B S025旋渦振蕩 器 德國IKA 公司；AL204 電子天平 瑞士METTLER TOLEDO 公司；800Y 高速多功能粉碎機(jī) 永康市鉑歐五金制品有限公司；HD-2500 多管漩渦混合儀 杭州佑寧儀器有限公司；Sun Fire C柱色譜柱（4.6 mm×150 mm, 3.5 μm） 美國沃特世公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 酶法提取姜黃素類化合物 將姜黃粉碎后過80 目篩，稱取一定質(zhì)量的姜黃粉于離心管中，加入20%（酶：姜黃粉）的纖維素酶，再按料液比1:10 加入pH4.8 緩沖溶液，混勻，置于60 ℃恒溫振蕩水浴鍋中酶解70 min；酶解結(jié)束后取出離心管按料液比1:10（姜黃粉：無水乙醇）加入無水乙醇，2500 r/min渦旋振蕩5 min 后，于4500 r/min 離心5 min，取出上清液，稀釋一定倍數(shù)后用高效液相色譜測定姜黃素含量。

1.2.2 乙醇法提取姜黃素類化合物 將姜黃粉碎后過80 目篩，稱取一定質(zhì)量的姜黃粉于離心管中，按料液比1:20（姜黃粉：50%乙醇）加入50%乙醇，2500 r/min 渦旋振蕩5 min 后，于4500 r/min 離心5 min，取出上清液，稀釋一定倍數(shù)后用高效液相色譜測定姜黃素含量。

1.2.3 離子液體輔助酶法提取姜黃素類化合物 將姜黃粉碎后過80 目篩，稱取一定質(zhì)量的姜黃粉于離心管中，加入20%（酶：姜黃粉）的纖維素酶，再按料液比1:10（姜黃粉:緩沖液）加入含15%的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽的pH4.8 緩沖溶液，混勻，置于60 ℃恒溫振蕩水浴鍋中酶解70 min；酶解結(jié)束后取出離心管按料液比1:10（姜黃粉:無水乙醇）加入無水乙醇，2500 r/min 渦旋振蕩5 min 后，于4500 r/min 離心5 min，取出上清液，稀釋一定倍數(shù)后用高效液相色譜測定姜黃素含量。

1.2.4 姜黃素類化合物的測定 采用液相色譜法，參照安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)《食品中姜黃素含量的測定 液相色譜法》，并做適當(dāng)調(diào)整。姜黃提取物中姜黃素的分析采用UltiMate 3000 HPLC（Thermo SCIENTIFIC）進(jìn)行。色譜柱：C柱（250 mm×4.6 mm，5 μm，Welch材料）；柱溫：30 ℃；洗脫液：純乙腈-0.5%乙酸水（50:50，v/v），等度洗脫；流速：1.0 mL/min；進(jìn)樣體積：10 μL；檢測波長：425 nm；檢測時(shí)間：10 min。

1.2.5 姜黃素類化合物標(biāo)準(zhǔn)曲線 分別準(zhǔn)確稱取10 mg 姜黃素標(biāo)準(zhǔn)品、脫甲基姜黃素標(biāo)準(zhǔn)品、雙脫甲基姜黃素標(biāo)準(zhǔn)品， 用甲醇定容至10 mL，作為混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。分別吸取不同體積的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，用甲醇稀釋成濃度為100、500、1000、2000、4000 ng/mL的標(biāo)準(zhǔn)工作液。將混合標(biāo)準(zhǔn)溶液在上述色譜條件下進(jìn)樣分析，以峰面積為縱坐標(biāo)，對應(yīng)濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.6 姜黃素類化合物得率測定

式中：X 為姜黃中姜黃素類化合物得率，%；C 為測定液中姜黃素類化合物濃度， g/mL；V 為提取液體積，mL；N 為稀釋倍數(shù)；m 為姜黃質(zhì)量，g。

1.2.7 酶的篩選 按照1.2.1 的提取方法，從纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶、木聚糖酶和-淀粉酶中選出最佳酶，以姜黃素素類化合物得率為指標(biāo)，進(jìn)行酶的篩選。

1.2.8 姜黃素類化合物提取工藝條件優(yōu)化

1.2.8.1 單因素實(shí)驗(yàn) 分別考察酶解pH（3.0、3.6、4.2、4.8、5.4、6.0），離子液體添加量（0%、5%、10%、15%、20%、25%），酶添加量（5%、10%、15%、20%、25%、30%），酶解時(shí)間（30、50、70、90、110、130 min）和酶解溫度（30、40、50、60、70、80 ℃）對姜黃素類化合物得率的影響。

1.2.8.2 響應(yīng)面試驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以酶解pH、離子液體添加量、酶用量、酶解時(shí)間和酶解溫度為自變量，設(shè)計(jì)Box-Behnken 試驗(yàn)優(yōu)化提取條件（表1），以姜黃素類化合物得率為評價(jià)指標(biāo)，確定離子液體協(xié)同酶法提取姜黃素類化合物的最適條件。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)的因素和水平設(shè)計(jì)Table 1 Factors and levels of response surface experiments

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Design-Expert 10.0 軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，Origin 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為三次平行實(shí)驗(yàn)的均值。＜0.05 為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的顯著差異，*＜0.05，**＜0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

利用高效液相色譜法分析姜黃素類化合物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，以峰面積為縱坐標(biāo)（Y）， 以測定濃度為橫坐標(biāo)（X），繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，Cur、DMC、BDMC 三者的回歸方程及相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)曲線方程表Table 2 Table of standard curve equations

2.2 不同提取方法對姜黃素類化合物得率的影響

以姜黃素類化合物得率為指標(biāo)，乙醇提取法為對照，研究了添加酶以及添加酶-離子液體對得率的影響，三種不同提取方法對姜黃素類化合物得率的影響結(jié)果如圖2 所示?？梢钥闯觯用负蠼S素類化合物得率有所提高，但并不顯著高于乙醇法提取（＞0.05），在加入離子液體后，得率顯著高于乙醇法提取和酶法提?。ǎ?.05）。王佳等的研究出現(xiàn)類似的結(jié)果，其采用離子液體-乙醇浸提姜黃中的姜黃素，比用乙醇-浸提的提取率提高了0.316%。

圖2 不同提取方法對姜黃素類化合物得率的影響Fig.2 The effects of different extraction methods on the yield of curcuminoid

從結(jié)果可知，離子液體對姜黃素類化合物的提取有較大影響。離子液體既能作為生物催化介質(zhì)，提高酶的活性及酶解產(chǎn)物的得率，同時(shí)離子液體能夠有效穩(wěn)定酶-底物的過渡態(tài)，降低反應(yīng)活化能，使酶表現(xiàn)出較高的催化活性。有研究表明，姜黃素與離子液體可能通過氫鍵、疏水相互作用和π-π 相互作用達(dá)到增溶效果，在咪唑類離子液體中，碳鏈越長，對姜黃素的增溶效果越高。

與果膠酶、半纖維素酶、木聚糖酶和-淀粉酶相比，使用纖維素酶酶解后的姜黃素類化合物的得率更高。姜黃細(xì)胞壁主要由纖維素和半纖維素組成，纖維素容易產(chǎn)生分子內(nèi)氫鍵及纖維素鏈之間的分子間氫鍵，并聚集形成纖維素微纖絲。當(dāng)提取溶液中加入適量的纖維素酶時(shí)，能有效地破壞姜黃的細(xì)胞壁，提高提取效率。因此，選擇纖維素酶進(jìn)行離子液體輔助酶法提取姜黃素類化合物的工藝優(yōu)化。

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

2.3.1 酶解pH 對姜黃素類化合物得率的影響 對不同pH 條件下纖維素酶-離子液體法對姜黃素類化合物的得率進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，不同的酶解pH 對姜黃素類化合物的提取率沒有顯著影響（＞0.05），隨著pH 的變化，得率僅發(fā)生較小波動(dòng)。得率在pH3.0～5.4 范圍內(nèi)隨pH 的增大而增大，在pH5.4 時(shí)姜黃素類化合物得率達(dá)到5.49%，當(dāng)pH＞5.4 時(shí)，姜黃素類化合物得率呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于酶的活性存在一個(gè)最佳pH 范圍，酶解pH 越接近纖維素酶的最適pH，纖維素酶的活性就越高。有研究表明，pH 可以改變底物和酶分子的帶電狀態(tài)，影響底物和酶的結(jié)合，大于或者小于最適的pH，都會(huì)使得酶活性會(huì)顯著降低，同時(shí)也會(huì)引起蛋白的變性，從而影響酶的活性。姜黃素類化合物的溶出率也受pH 的影響，其在堿性條件下的溶解率更高，但極不穩(wěn)定，容易分解為香蘭素、阿魏酸和阿魏酰甲烷等，而在酸性條件溶解率較低，但穩(wěn)定性較好，這可能是pH3.0～6.0 時(shí)對姜黃素類化合物得率影響不顯著的原因。因此，選用pH4.8～6.0 進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

圖3 酶解pH 對姜黃素類化合物得率的影響Fig.3 Effect of enzymatic hydrolysis pH on the yield of curcuminoid

2.3.2 離子液體添加量對姜黃素類化合物得率的影響 離子液體添加量對姜黃素類化合物的影響如圖4 所示?？梢钥闯觯?dāng)離子液體添加量在0%～20%范圍時(shí)，姜黃素類化合物得率隨著離子液體添加量的增加而增加，添加量為20%時(shí)，姜黃素類化合物得率達(dá)到最大值。隨著離子液體添加量的增加，姜黃素類化合物得率下降。

圖4 離子液體用量對姜黃素類化合物得率的影響Fig.4 The effect of ionic liquid dosage on the yield of curcuminoid

由結(jié)果可知，離子液體添加量對得率有較大影響。離子液體具有較強(qiáng)的催化活性，在與酶結(jié)合提取姜黃素時(shí)，可以提高酶的活性。適當(dāng)?shù)碾x子液體添加能夠增強(qiáng)纖維素酶的催化活性，當(dāng)離子液體添加量較低時(shí)，可能影響非酶水解反應(yīng)速率，從而使反應(yīng)初速率受到影響。但當(dāng)離子液體添加量過多時(shí)，由于其本身較高的黏度，會(huì)使得溶劑提取體系的黏度增大，降低了傳質(zhì)速率，使得有效成分的擴(kuò)散能力下降，不僅影響了姜黃素類化合物的溶出，還阻礙了纖維素酶與底物的結(jié)合，從而影響到纖維素酶的催化作用，降低酶解速率。因此，選擇添加量為15%～25%離子液體進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

2.3.3 酶添加量對姜黃素類化合物得率的影響 纖維素酶添加量對姜黃素類化合物的影響如圖5 所示。從圖中可知，酶添加量由5%增加到30%時(shí)，姜黃素類化合物得率總體上呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在酶添加量為15%時(shí)，姜黃素類化合物得率到達(dá)最大值；當(dāng)酶添加量大于15%時(shí)，姜黃素類化合物得率又呈下降趨勢。當(dāng)酶添加量由5%增加到15%時(shí)，反應(yīng)體系中纖維素酶對細(xì)胞壁的破壞程度隨酶添加量的增大而增大，細(xì)胞內(nèi)膜的通透性增加，傳質(zhì)阻力降低，因此姜黃素類化合物得率呈增加趨勢。而當(dāng)酶用量過大時(shí)，姜黃素類化合物提取呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)酶過飽和時(shí)，也會(huì)增加提取液的粘稠度，不利于提取，導(dǎo)致得率下降，戴浩等采用酶解組合高速勻漿法提取人參中皂苷和多糖的研究中出現(xiàn)了類似的變化趨勢。因此，選擇添加量15%～25%纖維素酶進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

圖5 酶添加量對姜黃素類化合物得率的影響Fig.5 Effect of enzyme dosage on the yield of curcuminoid

2.3.4 酶解時(shí)間對姜黃素類化合物得率的影響 不同酶解時(shí)間對纖維素酶-離子液體法提取姜黃素類化合物得率的影響結(jié)果如圖6 所示?？梢钥闯?，酶解時(shí)間在30～90 min 范圍內(nèi)，姜黃素類化合物得率緩慢增加，這可能由于在水浴振蕩的作用下，樣品和酶充分接觸，促進(jìn)了樣品的酶解。當(dāng)酶解時(shí)間超過90 min，水浴振蕩使樣品和酶繼續(xù)不斷碰撞，破壞了姜黃素類化合物的結(jié)構(gòu)，姜黃素類化合物得率下降。因此，選擇70～110 min 進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

圖6 酶解時(shí)間對姜黃素類化合物得率的影響Fig.6 Effect of enzymatic hydrolysis time on the yield of curcuminoid

2.3.5 酶解溫度對姜黃素類化合物得率的影響 酶解溫度對姜黃素類化合物的影響如圖7 所示?？梢钥闯觯诿附鉁囟葹?0～60 ℃時(shí)，姜黃素類化合物得率呈現(xiàn)上升趨勢。溫度大于60 ℃時(shí)，酶會(huì)逐漸失去活性，姜黃素類化合物得率呈現(xiàn)下降趨勢。有研究表明，姜黃素類化合物在高于65 ℃時(shí)會(huì)發(fā)生降解因此，選擇50～70 ℃進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

圖7 酶解溫度對姜黃素類化合物得率的影響Fig.7 The effect of enzymatic hydrolysis temperature on the yield of curcuminoid

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)

2.4.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果 在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，依據(jù)Design-Expert 10.0 軟件中的Box-Behnken 法，以得率為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)5 因素3 水平試驗(yàn)來進(jìn)行提取工藝的優(yōu)化。選取的試驗(yàn)因素與水平見表2，設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Table 3 Design scheme and results of response surface experiment

對擬合的響應(yīng)面模型進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)后結(jié)果如表4 所示。

利用Design-Expert 10.0 軟件對表3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,得到如下回歸方程：Y=6.00+0.019A-0.12B+0.15C+0.0065D-0.0005E+0.026AB+0.015AC+0.005AD-0.057AE+0.023BC-0.034BD+0.082BE+0.013CD-0.036CE+0.01DE-0.28A-0.71B-0.28C-0.39D-0.41E

由于失擬項(xiàng)=0.9963，影響不顯著，說明除了已知因素的影響外，其他因素對試驗(yàn)結(jié)果沒有顯著的影響，且該模型的＜0.0001，說明此模型的應(yīng)變量與自變量的線性關(guān)系是顯著的。模型的決定系數(shù)=0.956，說明預(yù)測值與實(shí)測值之間具有較高相關(guān)性，該模型擬合程度較好。校正決定系數(shù)=0.921，表示可以用此數(shù)學(xué)模型解釋92.1%的姜黃素類化合物得率的變異性。綜上述分析，該方程擬合良好，可以應(yīng)用此模型預(yù)測和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.4.2 響應(yīng)因子水平的優(yōu)化 圖8 為根據(jù)回歸分析結(jié)果做出相應(yīng)的立體響應(yīng)面圖，進(jìn)一步直觀說明酶解pH、離子液體添加量、酶添加量、酶解時(shí)間、酶解溫度之間的交互作用以及各因素對姜黃素類化合物得率的影響程度。從圖中可以看出，隨著各因素水平的升高或延長，姜黃素類化合物得率先增加后減少。結(jié)合表4 中5 因素值可知，5 因素對姜黃素類化合物得率的影響力：酶添加量＞離子液體添加量＞酶解pH＞酶解時(shí)間＞酶解溫度。

圖8 兩因素交互作用對姜黃素類化合物得率的響應(yīng)面圖Fig.8 Response surface diagram of the interaction between the two factors on the yield of curcuminoid

表4 回歸模型方差分析Table 4 Analysis of variance (ANOVA) for regression model

經(jīng)Design-Expert 10.0 分析優(yōu)化，可得到離子液體協(xié)同酶法提取姜黃中姜黃素類化合物的最佳工藝條件為酶解pH5.4，離子液體20%，酶用量21%，酶解時(shí)間90 min，酶解溫度59 ℃。在此條件下，根據(jù)方程得到的得率預(yù)測值為5.922%，驗(yàn)證實(shí)際得率為5.882%，與理論得率相對誤差為0.04%。

3 結(jié)論

本文以姜黃為原料，采用離子液體輔助酶法提取姜黃素類化合物，利用酶破壞姜黃的細(xì)胞壁，通過離子液體提高酶的活性，縮短酶解時(shí)間，減少有機(jī)溶劑的用量，并提高姜黃素類化合物得率。通過Design-Expert 10.0 軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到提取姜黃中姜黃素類化合物的最佳工藝為：酶解pH5.4，離子液體20%，酶用量21%，酶解時(shí)間90 min，酶解溫度59 ℃。在該工藝下姜黃素類化合物理論得率可達(dá)到5.922%，驗(yàn)證實(shí)際得率為5.882%，比同等條件下50%乙醇的得率4.595%高出1.287%。這個(gè)結(jié)果表明該方法可以有效提取姜黃中的姜黃素類化合物，為姜黃素資源的開發(fā)利用提供了參考。