余甘子加工沉淀固廢物中活性成分鑒定與提取工藝優(yōu)化

李格菲 譚慶芻 林俊芝 羅傳紅 樊三虎 曹志堅 張定堃 黃浩洲 韓 麗

(1 成都中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院/創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)研究院,西南特色中藥資源國家重點實驗室,成都,611137; 2 成都中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,代謝性疾病中醫(yī)藥調(diào)控四川省重點實驗室,成都,610072; 3 成都市三勒漿藥業(yè)集團(tuán)四川華美制藥有限公司,成都,610045; 4 楚雄州百草嶺藥業(yè)發(fā)展有限公司,昆明,650031)

余甘子PhyllanthusemblicaL.是大戟科葉下珠屬植物,其成熟果實余甘子,亦稱油柑子、滇橄欖、山油甘、庵摩勒等[1]。余甘子風(fēng)味獨特、營養(yǎng)豐富、保健功能顯著,具有清熱涼血,消食健胃,生津止咳等功效,在降糖、調(diào)節(jié)血脂代謝、預(yù)防牙齦炎等方面作用突出[2-3],是極具特色的中藏藥傳統(tǒng)藥材及藥食同源品種,具有較高的大健康產(chǎn)品與食品開發(fā)價值[4]。

余甘子鮮汁系余甘子鮮果直接壓榨而成,是余甘子產(chǎn)品的重要形式,也是開發(fā)相關(guān)飲片及提取物的重要原料[5]。據(jù)余甘子相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)調(diào)查,僅云南省境內(nèi),余甘子鮮汁半年生產(chǎn)周期產(chǎn)量已達(dá)3 500噸,預(yù)計次年年產(chǎn)量將突破15 000噸。然而,余甘子鮮汁在貯存過程中會產(chǎn)生大量乳白色或灰白色沉淀,約占鮮汁總質(zhì)量的5%～20%。目前,相關(guān)保健品或飲料生產(chǎn)企業(yè)均對該類沉淀物缺乏相應(yīng)的研究與認(rèn)識,并將之視為生產(chǎn)固廢物,主要采用生物氧化等方式對其進(jìn)行無害化處理[4]。該處理方法不僅面臨巨大的生態(tài)環(huán)境壓力,還會造成資源浪費與生產(chǎn)成本的增加。為進(jìn)一步合理利用資源,急需尋找新的解決途徑。

課題組前期研究顯示,余甘子鮮汁沉淀中除大量植物組織殘渣、雜質(zhì)外,還含有大量鞣花酸,天然豐度10%左右[6]。以此估算,沉淀物中鞣花酸資源蘊藏量極高,極具開發(fā)潛力。鞣花酸是沒食子酸的二聚衍生物,具有抗氧化、抗癌變、抗誘變、抗炎、抗菌和抗病毒等作用[7],被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、醫(yī)療和化妝品等領(lǐng)域[8-9]。目前,鞣花酸主要是五倍子浸出液水解制得的,其資源有限,粗提物每噸售價20萬元以上[10]。而合成法因制備工藝復(fù)雜,存在雜醌類物質(zhì)而較少使用[11]。余甘子固廢物沉淀鞣花酸天然含量可達(dá)7%～10%以上,單個藥企年產(chǎn)量可達(dá)數(shù)噸到數(shù)十噸,資源蘊藏量十分可觀,有望成為潛在的鞣花酸新來源。據(jù)此,本研究首先采用超高效液相色譜與串聯(lián)四極桿飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(Ultra-performance Liquid Chromatography to Quadrupole Time-of-flight mass Spectrometry,UPLC-Q-TOF-MS)結(jié)合傅里葉變換紅外(Fourier Transform Infrared，F(xiàn)T-IR)光譜儀、掃描電鏡等,對余甘子鮮汁沉淀物的物質(zhì)基礎(chǔ)進(jìn)行分析。其次,基于沉淀物的物質(zhì)構(gòu)成以及鞣花酸的性質(zhì),采用醇提、酶提、堿溶酸沉法提取鞣花酸。以鞣花酸的含量、純度、外觀為指標(biāo),對鞣花酸的提取方法、提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化與評價。上述研究旨在基于精細(xì)高值資源化模式,辨識余甘子鮮汁沉淀物的化學(xué)構(gòu)成,優(yōu)化鞣花酸富集工藝,在實現(xiàn)其潛在價值的同時有望降低因處理加工固廢物所產(chǎn)生的碳排放。為構(gòu)建余甘子高品質(zhì)、超循環(huán)的全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品體系,實現(xiàn)開源節(jié)流、綠色生產(chǎn),推進(jìn)余甘子全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展提供一定參考。

1 儀器與試藥

1.1 儀器 十萬分之一分析天平(Sartorius公司，德國，型號：BT25S),萬分之一分析天平(Sartorious公司，德國，型號：BSA224S),高效液相色譜儀(島津公司，日本，型號：LC-20AT),Milli-Q超純水儀(Millipore公司，美國，型號：UPR-11-5T),掃描電鏡(賽默飛公司，美國，型號：FEI Insepect F50),EDAX OCTANESUPER能譜儀(依達(dá)克斯有限公司，美國，型號：SEM5000),數(shù)控超聲儀(昆山市超聲儀器有限公司，型號：KQ-500DE),傅里葉變換紅外光譜儀(賽默飛Nicolet公司，美國，型號：IS 50),高分辨飛行時間質(zhì)譜儀(Water公司，美國，型號：SYNAPT XS)，高速冷凍離心機(jī)(四川蜀科儀器有限公司，型號：TGL-16)。

1.2 試劑 鞣花酸對照品(四川維克奇生物科技有限公司,批號:wkq21010403,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%),纖維素酶(上海源葉生物科技有限公司，貨號:S10041-5g，500 U/mg),果膠酶(上海源葉生物科技有限公司，貨號:S10007-5g，50 U/mg),甲醇(Sigma公司，美國,貨號:WXBD7361V),磷酸(Sigma公司，美國,貨號:WXBD2060V)，氫氧化鈉(成都市科隆化學(xué)品有限公司，批號：20110715),鹽酸(四川西隴科學(xué)有限公司，批號：2106081),乙醇(成都市科隆化學(xué)品有限公司,批號:2021082302)。

1.3 分析樣品 余甘子鮮汁沉淀物(成都市三勒漿藥業(yè)集團(tuán)四川華美制藥有限公司提供),經(jīng)真空干燥后粉碎過三號篩備用。

2 方法

2.1 沉淀FT-IR分析 取溴化鉀于瑪瑙研缽中,在紅外烤燈下研磨成細(xì)粉;轉(zhuǎn)移至壓片模具中,將模具置于壓片機(jī)中壓實,得半透明薄片,即溴化鉀空白片。取余甘子鮮汁沉淀物粉末適量,與溴化鉀在瑪瑙研缽中研磨,壓片制成樣品片,將樣品片置于紅外光譜儀中,掃描得到樣品片的一維紅外光譜。

2.2 沉淀UPLC-Q-TOF-MS分析

2.2.1 色譜條件 色譜柱Thermo Scientific Accucore C18柱(100 mm×2.1 mm,2.6 μm)；流動相0.1%甲酸水(A)-乙腈(B),梯度洗脫(0～1 min,2%B;1～2 min,2%～5%B;2～4 min,5%～7%B;4～6 min,7%～24%B;6～10 min,24%～42%B;10～12 min,42%～54%B;12～15 min,54%～76%B;15～18 min,76%～100%B);流速0.2 mL/min;柱溫30 ℃;進(jìn)樣量5 μL[12]。

2.2.2 質(zhì)譜條件 采用加熱電噴霧離子源(Heated Electric Spray Ion,HESI),在正、負(fù)離子模式條件下進(jìn)行檢測。具體參數(shù)設(shè)置如下:噴霧電壓3.5 kV(+)/3.0 kV(-),離子源溫度350 ℃,鞘氣流速35 arb,輔助氣流速10 arb,離子傳輸管溫度320 ℃,離子掃描范圍 m/z 100～1 500,碰撞能量梯度為20、40、60 eV。

2.2.3 供試品溶液制備 鮮汁沉淀物:精密稱定干燥后的沉淀物粉末10 mg,置于250 mL棕色容量瓶中并用甲醇定容,稱定質(zhì)量,超聲30 min(300 W,40 kHz),放冷,加甲醇補足減失的質(zhì)量,搖勻,過0.22 μm微孔濾膜,即得。

2.2.4 數(shù)據(jù)分析及成分分析 將采集得到的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Compound Discoverer 3.1質(zhì)譜數(shù)據(jù)處理軟件中,建立未知化合物鑒定的工作流程,設(shè)置一級及二級質(zhì)量偏差<5×10-6,進(jìn)行峰提取、峰對齊。根據(jù)一級準(zhǔn)分子離子峰質(zhì)荷比獲得精確質(zhì)量數(shù)及化合物分子式,結(jié)合二級碎片離子信息、MassFrontier軟件、mzCloud網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、mzVault本地中藥成分?jǐn)?shù)據(jù)庫、文獻(xiàn)報道及部分對照品比對,進(jìn)行化合物的分析鑒定。

2.3 沉淀物中鞣花酸的提取純化工藝優(yōu)選

2.3.1 醇提法 精密稱定沉淀物粉末20 g,配置60%乙醇溶液,按照料液比1∶30(g/mL),于60 ℃條件下回流提取80 min,提取3次,于50 ℃水浴中用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干溶劑,取沉淀,水洗3次后干燥粉碎。

2.3.2 酶提法 精密稱定沉淀物粉末20 g,配置質(zhì)量濃度為2%的復(fù)合酶(纖維素酶與果膠酶質(zhì)量比為2∶1)水溶液,設(shè)置料液比1∶30(g:mL),酶解溫度60 ℃,并使用1 mol/L鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值至4,放入恒溫振蕩箱中(80 r/min),酶解反應(yīng)4 h,離心取沉淀,水洗3次后干燥粉碎。

2.3.3 堿溶酸沉法 精密稱定沉淀物粉末20 g,以料液比1:50(g:mL)加入1 mol/L的NaOH溶液,超聲(300 W,40 kHz,30 min)并離心(3 000 r/min,離心半徑6 cm,離心5 min),取上清液,加入1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH值至3,離心(3 000 r/min,離心半徑6 cm,離心5 min),取沉淀,水洗3次后干燥粉碎。

2.4 鞣花酸含量測定

2.4.1 色譜條件 色譜柱Welchrom C18柱(4.6 mm×250 mm,5 μm);流動相0.2%磷酸水溶液(A)-甲醇(B),梯度洗脫(0～6 min,5%B;6～15 min,5%～7%B;15～20 min,7%～15%B;20～25 min,15%～21%B;25～31 min,21%～22%B;31～41 min,22%B;41～47 min,22%～28%B;47～51 min,28%～32%B;51～57 min,32%～38%B;57-70 min,38%～45%B;70～80 min,45%～65%B);檢測波長270 nm;體積流量1.0 mL/min;柱溫25 ℃;進(jìn)樣量10 μL[13]。

2.4.2 對照品溶液的制備 精密稱取鞣花酸對照品適量,置于10 mL棕色容量瓶中,加甲醇定容至刻度制成濃度為99 μg/mL的鞣花酸對照品溶液。稱定質(zhì)量,超聲30 min使溶解,靜置冷卻至室溫,加甲醇補足減失的質(zhì)量,搖勻,過0.22 μm微孔濾膜,即得。

2.4.3 供試品溶液的制備 鮮汁沉淀物:制備方法同2.2.1項下。鞣花酸提取物:制備方法同2.2.1項下。

2.4.4 精密度實驗 取2.4.2項下制備的鞣花酸對照品溶液適量,按2.4.1項下色譜方法條件連續(xù)進(jìn)樣6次,計算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(Relative Standard Deviation，RSD)。

2.4.5 線性關(guān)系考察 將“2.4.2”項下制備的鞣花酸對照品溶液,按照“2.2.1”項下色譜條件進(jìn)樣,進(jìn)樣體積分別為3、5、7、10、13、15 μL,以峰面積為縱坐標(biāo)(Y),對照品質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(X),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.4.6 重復(fù)性實驗 取同一批果汁沉淀粉末,按“2.4.3”項下方法平行制備供試品溶液6份,按照色譜方法條件進(jìn)行測定,計算RSD。

2.5 掃描電鏡-能譜儀檢測 采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)對余甘子鮮汁沉淀粉末、鞣花酸提取物粉末進(jìn)行表面微觀分析。分別取干燥后的樣品粉末,將樣品粉末均勻分布于導(dǎo)電膠表面,用洗耳球吹去小顆粒,采用真空鍍膜法在4 Pa以下高真空、電流20 mA條件下噴鍍鉑金屬2 min使樣品導(dǎo)電。儀器的加速電壓為10.0 kV,工作距離為9.8 mm。在掃描電鏡1 000倍鏡下,聯(lián)用能譜儀對余甘子果汁沉淀進(jìn)行表面元素分析。

3 結(jié)果

3.1 沉淀粉末元素分析 在掃描電鏡5 000倍鏡下,聯(lián)用能譜儀對供試品表面元素進(jìn)行分析。見圖1。元素分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),沉淀中C元素相對含量為43.08%,O元素相對含量為53.85%,為主要元素,還含有少量的Cl,K等其他元素。見表1。

表1 沉淀物主要元素占比

3.2 FT-IR結(jié)果分析 由沉淀的FT-IR譜圖可見,在3 288.175 0～3 417.387 0、1 720.265 0、1 452.197 0～1 621.909 0、1 118.558 0、1 059.737 0、919.917 5、667.277 6 cm-1處檢查到主要吸收峰度,其中3 288.175 0～3 417.387 0 cm-1是酚羥基拉伸振動吸收峰,1 720.265 0 cm-1可能為芳香酮振動吸收峰,1 452.197 0～1 621.909 0 cm-1為苯環(huán)骨架振動吸收峰,1 118.558 0、1 059.737 0 cm-1為C-O伸振動吸收峰,919.917 5 cm-1可能是OH彎(面內(nèi))振動吸收峰,667.277 6 cm-1可能是NH2振動吸收峰。見圖2。

3.3 沉淀化合物的分析與鑒定 從余甘子鮮汁沉淀物中共鑒定出12種化合物。見表2。由表2信息可知,余甘子原汁沉淀中鞣花酸占比為39.91%，為沉淀中天然豐度最高的物質(zhì)。其次，較高含量的為沒食子酸、檸檬酸、蘋果酸。此外，還檢測到一些氨基酸，例如脯氨酸、谷氨酸、異亮氨酸。

表2 沉淀物化學(xué)成分分析

3.4 鞣花酸提取工藝篩選與優(yōu)化

3.4.1 方法學(xué)考察 1)精密度考察:各色譜峰相對保留時間的RSD值均<0.1%,相對峰面積的RSD均在2.0%之內(nèi),表明儀器的精密度良好。2)線性關(guān)系考察:由“2.4.5”項下方法得到鞣花酸線性回歸方程為:Y=9.141 1X+13.471(R2=0.999 2)。結(jié)果表明鞣花酸濃度在29.7～148.5 μg/mL內(nèi)線性關(guān)系良好。3)重復(fù)性試驗:各色譜峰相對保留時間的RSD均<0.1%,相對峰面積的RSD均在2.0%之內(nèi),提示本方法重復(fù)性良好。

3.4.2 純化工藝篩選 結(jié)果顯示了工藝1(醇提法),工藝2(酶提法),工藝3(堿溶酸沉法)3種工藝提取制備得到的鞣花酸粗品的色譜圖,可直觀看出工藝3對鞣花酸的提取純化效果顯著,因此確定較優(yōu)工藝為堿溶酸沉法。見圖3。

3.4.3 堿溶酸沉法工藝優(yōu)化 1)料液比。設(shè)置氫氧化鈉溶液濃度為1.5%,超聲提取30 min。設(shè)置料液比分別為1∶20,1∶30,1∶40,1∶50?？疾觳煌弦罕葘坊ㄋ岷康挠绊?。由圖4A可以看出,料液比對鞣花酸含量有顯著影響。鞣花酸含量隨料液比增加呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢。料液比為1∶40時,鞣花酸含量最高。當(dāng)鞣花酸完全溶出后,進(jìn)一步增加溶劑體積,鞣花酸含量不但不會增加,且還可能由于體積過大,鞣花酸分子分散程度高,不利于后續(xù)酸性條件下鞣花酸結(jié)晶的析出,呈現(xiàn)下降趨勢。因此,確定較優(yōu)的料液比為1∶40。2)超聲提取時間。設(shè)置料液比為1∶40,氫氧化鈉溶液濃度為1.5%。設(shè)置超聲提取時間分別為10 min,20 min,30 min,40 min?？疾觳煌曁崛r間對鞣花酸含量的影響。圖4B為超聲時間對鞣花酸含量的影響。當(dāng)超聲提取時間為20 min時,鞣花酸含量呈最大值。因此,確定較優(yōu)的超聲提取時間為20 min。3)NaOH濃度。設(shè)置料液比為1∶40,超聲提取30 min。設(shè)置氫氧化鈉溶液濃度分別為1%,1.5%,2%,2.5%?？疾觳煌琋aOH濃度對鞣花酸含量的影響。圖4C為NaOH溶液濃度對鞣花酸含量的影響。鞣花酸含量隨NaOH濃度增大呈先升高后降低的趨勢。氫氧化鈉濃度在1%～2%范圍內(nèi)時,隨著濃度增加,鞣花酸得率呈增長趨勢。當(dāng)NaOH濃度超過2%時,鞣花酸得率顯著降低,這可能與pH值過高導(dǎo)致其他不溶性沉淀溶出,使最終提取物中鞣花酸的含量降低有關(guān)。因此,確定2%的NaOH溶液較優(yōu)。

3.4.4 鞣花酸含量及純度分析 本研究對鞣花酸的堿溶酸沉提取純化工藝進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化得到的工藝參數(shù)為：料液比1∶40(g∶mL)提取時間20 min,氫氧化鈉濃度2%。由沉淀物的色譜相關(guān)數(shù)據(jù)計算可得,沉淀中鞣花酸的平均天然豐度為20.1%。以優(yōu)化后的堿溶酸沉工藝對鞣花酸進(jìn)行提取,通過色譜相關(guān)數(shù)據(jù)計算得到鞣花酸含量為47.38%,純度(峰占比)為94.22%。

3.5 純化前后樣品表面形態(tài)分析 采用掃描電子顯微鏡對純化前后的樣品粉末進(jìn)行分析。由圖5C和5D可見,沉淀物粉末顏色呈淡黃色,而純化后的粉末色澤呈深綠色。將提取前的沉淀物粉末與鞣花酸提取物分別置于掃描電鏡下(×1 000)觀察。由圖5E可見,沉淀物粉末中含有大量晶狀、纖維狀、不規(guī)則塊狀的植物組織。由圖5F可見,提取物粉末主要為柱狀晶體,且部分聚集成簇狀。推測為鞣花酸分子平面聚合形成。

4 討論

近年來,我國中藥制藥行業(yè)與大健康產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,已逐漸成為部分地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要引擎之一。但中藥工業(yè)化生產(chǎn)階段、生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量固廢物,這些固廢物由于缺乏有效利用途徑而被廢棄,不僅造成資源的嚴(yán)重浪費,還伴隨大量的碳排放[14]。隨著我國“雙碳”目標(biāo)穩(wěn)步推進(jìn),如何實現(xiàn)多層次的中藥生產(chǎn)固廢物資源化利用模式,降低工業(yè)化生產(chǎn)過程中的碳排放,成為亟待解決的問題。

研究表明,實現(xiàn)鞣花酸工業(yè)化制備的方法為五倍子單寧酸氧化法,在實際生產(chǎn)中仍存在純度不高(80%～90%)、耗時長(24～36 h)等突出問題[15]。余甘子果實中鞣花酸含量為0.65%～2.49%[16],由于鞣花酸不溶于水,余甘子鮮汁沉淀中游離鞣花酸自然富集后含量即可達(dá)10%左右,是十分理想的鞣花酸天然來源途徑。研究根據(jù)沉淀物構(gòu)成特征,初步設(shè)計并對比了3種不同的提取純化工藝。醇提法是依據(jù)沉淀物中各組分極性不同，以60%乙醇為提取溶劑,對鞣花酸進(jìn)行分離[17]。酶提法則是考慮到余甘子鮮汁經(jīng)鮮果壓榨而成,沉淀物中必然包含部分難溶的植物組織。加入適量的纖維素酶及果膠酶,有利于破壞細(xì)胞壁、轉(zhuǎn)化不溶性的纖維素等成分,釋放非游離鞣花酸[18],提高沉淀物中鞣花酸的純度。天然鞣花酸呈反式?jīng)]食子酸單寧結(jié)構(gòu),為淺黃色粉末,常溫雖下不溶于水,卻溶解于堿性溶液[19]，降低pH值至酸性后又會沉淀產(chǎn)生鞣花酸結(jié)晶，因此還采用了堿溶酸沉法。以提取物中鞣花酸含量為指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)堿溶酸沉法為較優(yōu)工藝。進(jìn)一步對堿溶酸沉法中關(guān)鍵工藝參數(shù)——料液比、提取時間及堿濃度進(jìn)行優(yōu)化[10]，最終得到一個較理想的鞣花酸提取純化工藝。

研究以余甘子鮮汁沉淀為原料，優(yōu)化得到的鞣花酸提取純化工藝流程簡易、成本低廉、有望實工業(yè)化且最終含量及純度均較為可觀。但化妝品、食品、醫(yī)療等領(lǐng)域,對鞣花酸的純度及色澤等還具有更為嚴(yán)格的要求,目前的生產(chǎn)工藝還需進(jìn)一步優(yōu)化[20]。本研究充分利用了余甘子生產(chǎn)產(chǎn)生的固廢物,實現(xiàn)變“廢”為寶,且鞣花酸富集過程中,涉及到電能、熱能、有機(jī)溶劑均消耗較低,總體碳排放量較低,不僅提高了余甘子相關(guān)產(chǎn)業(yè)附加值,也為進(jìn)一步合理利用資源,節(jié)能減排,構(gòu)建余甘子資源綜合循環(huán)利用的全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品體系提供參考。