超聲輔助低共熔溶劑提取桑黃多糖及其抗氧化活性

于秋菊，孫科，耿鳳英

（徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學院 藥品食品學院，江蘇 徐州 221006）

桑黃（Phellinus igniarius）為我國珍貴的藥用真菌[1]，主要寄生于桑樹、楊樹等樹干上[2]，因其子實體顏色鮮黃而稱桑黃，其味微苦、性寒，藥用歷史悠久，主要用于止瀉、崩漏帶下、脾虛泄瀉，主要活性成分包括多糖（8%～12%）、黃酮、香豆素、麥角甾醇、三萜類、生物堿及多酚等[3]，現(xiàn)代藥理學研究表明，桑黃菌絲體胞外多糖和菌絲體內(nèi)多糖混合物具有一定的抗腫瘤[4]、提高免疫力、抗炎[5]、抗突變、清除自由基[6]、抑制黃嘌呤氧化酶活性以及肝纖維化抑制作用[7]，因此桑黃多糖成為真菌研究領(lǐng)域的一大熱點。目前桑黃多糖主要是采用溶劑提取、酶解、超聲和微波輔助等方法提取[8]，桑黃多糖因極性較強，因此多采用水、乙醇等溶劑提取[9]，史玉寶等[10]對木瓜蛋白酶輔助提取桑黃多糖的提取工藝進行優(yōu)化，結(jié)果顯示酶解法可以通過減少纖維素等成分的干擾從而提高多糖提取效率，超聲可以破壞細胞壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空化效應，程偉等[11]根據(jù)中心組合設(shè)計原理優(yōu)化超聲波協(xié)同纖維素酶法提取桑黃多糖工藝，可在一定程度上提高桑黃多糖的提取率。

低共熔溶劑（deep eultectic solvents，DES）是一種新型提取溶劑[12]，相對于傳統(tǒng)溶劑和離子液體，具有無毒性、低揮發(fā)性、高熱穩(wěn)定性、能耗低、合成簡單等優(yōu)點[13-14]，目前DES在天然植物提取和分離方面具有獨特優(yōu)勢[15-16]，作為經(jīng)濟且新型的綠色溶劑，廣泛應用于醫(yī)藥化工和食品領(lǐng)域的分離、提取和合成，如已用于從薯蕷皂苷中提取多糖，試驗結(jié)果表明DES作為溶劑的超聲波破碎法要優(yōu)于水的超聲提取和典型的熱回流提取方法[17]。但到目前為止，未見其應用于桑黃子實體多糖的提取報道。因此為了進一步提高桑黃子實體多糖的提取效率，提高資源利用率，本試驗以產(chǎn)自西藏的桑黃為研究對象，超聲波輔助DES萃取，通過星點-響應面法優(yōu)化提取工藝，并通過對其體外抗氧化和抗癌活性進行評價，為桑黃多糖產(chǎn)品的進一步開發(fā)和利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與設(shè)備

紫外-可見分光光度計（UV-1800PC-DS2）：上海美譜達儀器有限公司；冷凍干燥機（FD-1A-50）：江蘇天翎儀器有限公司；高速離心機（TG18G-Ⅱ）：上海冰都電器有限公司；中藥粉碎機（F-1000）：上海新諾儀器集團有限公司；電子天平（LE204E）：上海右一儀器有限公司；超聲波提取器（DSDZ1440）：無錫鼎實電子科技有限公司；電熱鼓風干燥箱（DHG9030A）：上海一恒科學儀器有限公司。

1.2 材料

桑黃（淺肝褐色至暗灰色，干燥粉碎過60目篩）：沈陽源生堂藥業(yè)有限公司；人源宮頸癌HepG2215、肝癌SMMC-7721：上海雅吉生物科技有限公司；乳腺癌MDAMB415、肺癌AE1201、胃癌BGC823細胞：無錫博慧斯生物醫(yī)藥科技有限公司；比色噻唑藍（colorimetric thiazoyl blue，MTT）試劑盒：上海歌凡生物科技有限公司；1，1-二苯基苦基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）：合肥博美生物科技有限責任公司；氯化膽堿、葡萄糖、無水乙醇、濃硫酸、苯酚、乙醇、乙二醇、1，2 丙二醇、丙三醇、1，3-丁二醇、1，6-己二醇、山梨醇、木糖醇、硫酸亞鐵、水楊酸、H2O2（均為分析純）：徐州市科翔化學試劑有限責任公司。

1.3 方法

1.3.1 多糖含量測定方法

選用硫酸-苯酚法測定多糖含量。精密稱取110℃干燥至恒重的葡萄糖2.000 g，用水溶解定容于100 mL量瓶中，得葡萄糖標準溶液（20.00 mg/mL）。分別精密量取 1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 標準溶液至 20 mL量瓶中，加入4 mL 5%苯酚溶液、10 mL濃硫酸，立即搖勻，置40℃水浴鍋中保溫30 min放冷，定容。同法配制空白作為參比，于490 nm波長處測定各溶液吸光度A，繪制A-C（mg/mL）曲線。得到的標準曲線為A=0.089C+0.002 27，R2=0.974 4，線性范圍為 0～10 mg/mL。

1.3.2 多糖提取率的計算

精密稱取2.000 g桑黃粉末加入100 mL的具塞試管中，加入含水量為30%、摩爾比為1∶2的DES溶劑80 mL，放入超聲儀中，設(shè)定超聲功率為90 W、超聲時間為30 min，超聲結(jié)束后置于50℃水浴鍋內(nèi)，提取60 min，經(jīng)紗布過濾后再經(jīng)濾紙過濾，濾液經(jīng)80%乙醇沉12 h，4 000 r/min離心20 min，沉淀復溶，冷凍干燥得粗多糖，用水溶解定容于100 mL量瓶，精密移取1.0 mL供試液，按1.3.1方法測定供試液A，平行測定3次，得到多糖濃度C（mg/mL），按下列公式計算多糖提取率。

式中：1為供試液移取體積，mL；100為供試液稀釋倍數(shù)；1 000為換算倍數(shù)；m為樣品質(zhì)量2.000 g。

1.3.3 DES的制備與篩選

DES的制備見表1。

表1 低共熔溶劑的制備Table 1 Preparation of eutectic solvent

在25℃條件下將氫鍵受體和氫鍵供體按表1中的摩爾比置于密封具塞錐形瓶內(nèi)，90℃恒溫加熱攪拌，直至形成清澈透明的液體。精密稱取8份2.000 g桑黃粉末于100 mL具塞錐形瓶中，各加入60 mL8種含水量30%的DES，置于超聲波中，超聲功率90 W，超聲時間30 min，超聲結(jié)束后置于50℃水浴鍋內(nèi)，提取60 min，按照1.3.2方法測定桑黃多糖的提取率。

1.3.4 單因素試驗設(shè)計

精密稱取2.000 g桑黃粉末置于100 mL具塞錐形瓶中，加入含水量0%～80%、摩爾比為2∶1～1∶4的DES（氯化膽堿 ∶丙三醇），使液固比為 10∶1（mL/g）～50∶1（mL/g），超聲功率設(shè)定為30 W～150 W，超聲時間設(shè)定為20 min～50 min，超聲結(jié)束后，樣品于20℃～60℃水浴加熱 60 min。分別考察摩爾比（2∶1、1∶1、1∶2、1 ∶3、1 ∶4）、含水量（0%、15%、30%、45%、60%）、液固比[10 ∶1、20 ∶1、30 ∶1、40 ∶1、50 ∶1（mL/g）]、超聲功率（30、60、90、120、150 W）、超聲時間（20、30、40、50、60 min）、提取溫度（20、30、40、50、60 ℃）對桑黃多糖提取率的影響。

1.3.5 Box-Behnken試驗設(shè)計

在單因素試驗基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計原理，選擇對多糖提取率Y影響較大的液固比A、提取溫度B、超聲功率C作為自變量進行提取工藝優(yōu)化。設(shè)計因素與水平見表2。

表2 Box-Behnken設(shè)計因素與水平Table 2 Box-Behnken design factors and levels

1.3.6 桑黃多糖活性研究

將試驗制得的桑黃多糖經(jīng)核酸沉淀溶液（nucleic acid precipitation solution，TCA）法去蛋白、H2O2去除色素、透析袋除小分子后配成20 mg/mL的溶液[18]，備用。

1.3.6.1 DPPH自由基清除率的測定

參照謝燚林[19]的方法，將 200 μL 0.2 mmol/L DPPH-乙醇溶液與 3 mL 不同濃度（1、2、4、8、16、32 mg/mL）樣品溶液混勻，避光反應30 min，517 nm波長測定其吸光度A1，不加樣品的0.2 mmol/L DPPH-乙醇溶液與乙醇溶液分別測定其吸光度為A2和A0，以同等濃度的VC做陽性對照。DPPH自由基清除率按下式計算[20]。

1.3.6.2 羥基自由基清除能力測定

參照李國峰等[21]的方法測定羥基自由基清除能力，在試管中依次加入500 μL 9.0 mmol/mL硫酸亞鐵溶液、0.025%H2O2溶液、2 mL 不同濃度（1、2、4、8、16、32 mg/mL）的樣品溶液以及500μL 9.0 mmol/mL水楊酸溶液，混勻后在37℃水浴中避光反應30min，510nm處測定器吸光度A，平行測定3次，取平均值，以同等濃度的VC做陽性對照。羥基自由基清除率按下式計算。

式中：A1為加入樣品溶液的吸光度；A2為不加樣品溶液的吸光度；A0為加入同體積乙醇溶液的吸光度。

1.3.6.3 MTT法測定多糖對不同腫瘤細胞增殖的抑制作用

分別將人源宮頸癌HepG2215、肝癌SMMC-7721、乳腺癌MDAMB415、肺癌AE1201和胃癌BGC823細胞，置于37℃、5%CO2細胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。取對數(shù)生長期的腫瘤細胞，于37℃、5%CO2的細胞培養(yǎng)箱中孵育 24 h 后，分別加入不同濃度（1、8、16、32、64、128、256 μg/mL）的樣品溶液 30 μL，繼續(xù)培養(yǎng) 24 h，小心吸取上清液，加入90 μL新鮮培養(yǎng)液和10 μL MTT（500 μg/mL）繼續(xù)培養(yǎng) 4 h，每孔加入 150 μL 甲瓚溶解液，完全溶解后，測量490 nm處各孔的吸光度A。平行測定3次，同時進行空白組和對照組測定。按下式計算細胞生長抑制率（%），并經(jīng)GraphPad Prism 8.2.1計算半數(shù)抑制濃度（IC50）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理及作圖，所有試驗均重復3次，數(shù)據(jù)結(jié)果用平均值±標準差表示；采用Design-expert 11.0.3軟件進行響應面試驗設(shè)計并進行數(shù)據(jù)分析，采用IBM SPSS 22進行顯著性分析和方差分析，P＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 低共熔溶劑的體系優(yōu)化

低共熔溶劑具有極性和黏度的可調(diào)節(jié)性，在一定極性和黏度條件下，可以對目標物質(zhì)起到增溶作用，直接影響目標物質(zhì)的提取效率，因此，選擇適合的低共熔溶劑在提升提取效率方面效果明顯。本研究篩選DES-Ⅰ～DES-Ⅷ對桑黃多糖提取率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 不同低共熔溶劑對桑黃多糖提取率的影響Fig.1 Effects of different eutectic solvents on the extraction rate of polysaccharides

由圖1可知，8種低共熔溶劑對桑黃多糖的提取率依次為 DES-Ⅳ＞DES-Ⅶ＞DES-Ⅷ＞DES-Ⅴ＞DES-Ⅵ＞DES-Ⅲ＞DES-Ⅱ＞DES-Ⅰ。DES-Ⅳ的提取率最高，達到11.26%，而DES-Ⅰ的提取率最低，僅有9.02%。DES-Ⅳ能夠提高桑黃多糖提取率的原因可能是由于該組合的擴散力、極性與桑黃多糖較接近，有利于多糖的溶解和擴散，后續(xù)將選擇DES-Ⅳ作為低共熔溶劑考察其對桑黃多糖提取率的影響。

2.2 提取工藝的單因素結(jié)果

2.2.1 DES摩爾比對桑黃多糖提取率的影響

DES摩爾比對桑黃多糖提取率的影響見圖2。

圖2 DES摩爾比對桑黃多糖提取率的影響Fig.2 Effect of DES molar ratio on extraction rate of polysaccharides

由圖2可知，當DES-Ⅳ摩爾比由2∶1到1∶4時，多糖提取率先增大后減小，可能是由于隨著丙三醇的增加，使DES體系的黏度降低，擴散力增強，更利于多糖的溶出。而隨著丙三醇加入比例的進一步增大，使DES體系極性減小，其與多糖之間的極性差距增大，降低了多糖的溶解度，使提取率逐漸減小。因此，選擇DES-Ⅳ摩爾比為1∶2進行后續(xù)試驗。

2.2.2 DES含水量對桑黃多糖提取率的影響

DES含水量對桑黃多糖提取率的影響見圖3。

圖3 DES含水量對桑黃多糖提取率的影響Fig.3 Effect of DES water content on extraction yield of polysaccharides

為了調(diào)節(jié)DES的黏度，需要添加一定量的水降低黏度，增大溶出物質(zhì)的擴散力，由圖3可知，提取率在含水量為30%左右達到最大，這可能是由于隨著含水量的增大，DES與多糖之間的氫鍵作用力逐漸降低，減少了多糖的溶解度。因此選擇低共熔溶劑的含水量為30%。

2.2.3 液固比對桑黃多糖提取率的影響

液固比對桑黃多糖提取率的影響見圖4。

圖4 液固比對桑黃多糖提取率的影響Fig.4 Effect of liquid-solid ratio on extraction yield of polysaccharides

由圖 4 可知，液固比在 10 ∶1（mL/g）～40∶1（mL/g）提取率逐漸增加，液固比為50∶1（mL/g）時桑黃多糖提取率有所下降，可能是由于溶劑量越大，在溶解時可形成較大的濃度差，利于多糖溶解。但當溶劑量繼續(xù)增大時，細胞間空隙容納量趨向飽和，提取率不再明顯增加，因此，后續(xù)試驗選擇液固比30∶1（mL/g）～50 ∶1（mL/g）。

2.2.4 超聲功率對桑黃多糖提取率的影響

超聲功率對桑黃多糖提取率的影響見圖5。

圖5 超聲功率對桑黃多糖提取率的影響Fig.5 Effect of ultrasonic power on extraction yield of polysaccharides

由圖5可知，提取率在30 W～90 W迅速增加，在90 W～150 W開始緩慢下降，可能是由于超聲功率過低，對細胞壁的破碎作用較弱，不利于多糖溶出。而隨著超聲功率的增大，增大溶劑的空化效應，利于多糖溶出，但當超聲功率增大到一定程度時，有可能會導致桑黃多糖結(jié)構(gòu)分解，降低提取率。因此后續(xù)試驗選擇超聲功率60 W～120 W。

2.2.5 超聲時間對桑黃多糖提取率的影響

超聲時間對桑黃多糖提取率的影響見圖6。

圖6 超聲時間對桑黃多糖提取率的影響Fig.6 Effect of ultrasonic time on extraction yield of polysaccharides

由圖6可知，超聲時間在20 min～30 min時，桑黃多糖提取率呈上升趨勢，超過30 min后提取率下降，可能是因為超聲時間越長，形成的空化效應越明顯，對桑黃細胞壁的破壞效果更強，提取率越高。但是超聲時間過長，其產(chǎn)生的溫度較高，使得部分多糖被分解，提取率下降，因此最佳超聲時間為30 min。

2.2.6 提取溫度對桑黃多糖多糖提取率的影響

提取溫度對桑黃多糖提取率的影響見圖7。

圖7 提取溫度對桑黃多糖提取率的影響Fig.7 Effect of extraction temperature on extraction yield of polysaccharides

由圖7可知，提取溫度對桑黃提取率的影響較大，在20℃～50℃條件下提取率明顯增加，在60℃時提取率開始下降。其原因可能是隨著溫度的升高，溶劑分子的運動加速，促進桑黃干粉與溶劑的接觸程度，有利于多糖的溶出，但當溫度進一步升高時，使部分多糖成分出現(xiàn)降解，提取率下降，因此，后續(xù)試驗選擇提取溫度40℃～60℃。

2.3 響應面試驗設(shè)計與結(jié)果

2.3.1 模型建立與數(shù)據(jù)擬合

響應面試驗結(jié)果見表3。

表3 Box-Behnken設(shè)計試驗結(jié)果Table 3 Box-Behnken design experiment schedule and results

通過回歸分析，得出桑黃多糖提取率的回歸方程為Y=12.80+0.099 5A+0.358 7B+0.001 7C-0.480 0AB-0.571 1AC+0.292 5BC-1.24A2-0.101 7B2-1.45C2。

2.3.2 響應面分析

方差分析結(jié)果見表4。

表4 Box-Behnken響應面模型方程對多糖提取率的方差分析Table 4 Variance analysis of Box-Behnken response surface model equation for polysaccharides

由表4可知，模型P＜0.000 1為極顯著，說明該模型有效可靠。本次模型的失擬項P值為0.472 2，說明無明顯失擬因素存在，可以代替試驗真實點對試驗結(jié)果進行分析。決定系數(shù)（R2）和調(diào)整系數(shù)（RAdj2）分別為0.970 4和0.958 1，說明該模型具有良好的穩(wěn)定性及準確性。B、AB、AC、BC、A2、C2項的 P＜0.05，說明對多糖提取率具有顯著影響。由F值可知，3個因素對桑黃多糖提取率影響的主次順序為B＞A＞C。

2.3.3 提取工藝的響應面分析與優(yōu)化

二維等高圖與三維響應面曲線圖見圖8。曲線延因素軸向的圖形傾斜度越大，表明該因素對因變量影響越大，反之則影響越小。

圖8 各因素交互作用對多糖提取率影響的響應面Fig.8 Response surface diagram of interaction of various factors on polysaccharides

由圖8可知，桑黃多糖提取率隨著液固比和提取溫度的增加呈先增大后減小的趨勢，說明在一定的提取溫度下，桑黃多糖的溶解能力和提取液的擴散能力得到極大值。液固比與超聲功率圖形變化較為對稱，說明液固比與超聲功率對提取率的影響較為一致，即當其中一個因素一定時，隨著另一個因素的增加，提取率逐漸上升后趨于平緩，在該因素達到一定值時，提取率可達最大值。這可能由于超聲功率較大時，會產(chǎn)生“飽和效應”，影響多糖溶出。在超聲功率一定時，提取率隨著提取溫度的增大呈先迅速增大后緩慢減小的趨勢，而超聲功率對提取率的影響較為平緩，這與方差分析結(jié)果一致。

2.3.4 最佳工藝條件的驗證試驗

預測最佳提取工藝條件為液固比39.3∶1（mL/g）、提取溫度57.6℃、超聲功率87.44 W，預測提取率為12.99%。按優(yōu)選的提取工藝經(jīng)校正后選用以下條件進行3次驗證試驗：液固比39∶1（mL/g）、提取溫度58℃、超聲功率為90 W，桑黃多糖的提取率分別為13.16%、13.27%、12.90%，相對標準偏差為1.20%，平均值為13.11%，與預測值誤差為0.91%，說明該模型預測較好，試驗優(yōu)化工藝參數(shù)可靠。

2.4 桑黃多糖抗氧化活性分析

不同濃度的桑黃多糖和VC對DPPH自由基、羥基自由基的清除率見圖9。

圖9 不同濃度的桑黃多糖和VC對DPPH自由基、羥基自由基的清除率Fig.9 Scavenging rate of DPPH and hydroxyl radical by different concentration of polysaccharides and VC

如圖4所示，桑黃多糖清除DPPH自由基和清除羥基自由基的能力與濃度呈正相關(guān)，但均低于VC的清除能力，當濃度由1 mg/mL增大到32 mg/mL時，對DPPH自由基的清除率分別為5.26%、12.38%、21.94%、39.46%、63.25%、71.32%，對羥基自由基的清除率分別為3.53%、7.66%、13.24%、21.38%、39.77%、51.26%。高濃度的桑黃多糖對DPPH自由基和羥基自由基的清除率明顯高于低濃度的桑黃多糖，說明桑黃多糖的抗氧化活性均有一定的量效關(guān)系。當濃度為32 mg/mL時，對DPPH自由基的清除率為VC的79.2%，對羥基自由基的清除率為VC的89.6%。

2.5 桑黃多糖對不同腫瘤細胞增殖的抑制作用

桑黃多糖對不同腫瘤細胞增殖的抑制作用見圖10。

圖10 桑黃多糖對5種人源腫瘤細胞株增殖的影響及IC50值Fig.10 Effects of polysaccharides on proliferation and IC50 values of 5 human tumor cell lines

由圖10可知，桑黃多糖對5種人源宮頸癌HepG-2215、肝癌 SMMC-7721、乳腺癌 MDAMB415、肺癌AE1201和胃癌BGC823腫瘤細胞均有一定的抑制作用，且均呈一定的量效正相關(guān)性，其中對人源宮頸癌HepG2215、肝癌SMMC-7721的IC50值最低，分別為81.19、127.40 μg/mL，表明 HepG2215 和 SMMC-7721對桑黃多糖的抑制作用最為敏感。

3 結(jié)論

本研究經(jīng)過篩選和比較不同DES的組合對桑黃多糖提取的影響，以桑黃多糖提取率為指標，經(jīng)過單因素試驗以及Box-Behnken設(shè)計優(yōu)化提取工藝，得到最優(yōu)提取條件：DES含水量30%、超聲時間30 min、液固比為39∶1（mL/g）、提取溫度58℃、超聲功率90 W，在該條件下桑黃多糖提取率可達13.11%。試驗結(jié)果表明，加入DES可以成為天然產(chǎn)物提取的可持續(xù)和有效方案，且提取方法操作簡單、高效環(huán)保、綠色節(jié)能，能保持多糖的原有性質(zhì)，為后續(xù)桑黃多糖藥理活性的進一步研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。同時考察純化后的桑黃多糖的抗氧化活性，結(jié)果顯示桑黃多糖具有一定的抗氧化活性且與質(zhì)量濃度呈量效關(guān)系。通過考察桑黃多糖對5種人源細胞增殖的抑制率，結(jié)果顯示桑黃多糖提取物具有較強的體外抗腫瘤能力，尤以抑制HepG-2215和SMMC-7721細胞增殖作用最強，這提示桑黃多糖在治療宮頸癌和肝癌方面具有良好的應用前景，為桑黃健康產(chǎn)品的研發(fā)提供理論依據(jù)。