夏雨弘,劉 穎,周 茗,朱震鑫,盧 月,劉洪存,孟 娟,龔志強(qiáng),楊立芳,
(1.廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,廣西林產(chǎn)化學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西南寧 530008;2.廣西民族大學(xué)海洋與生物技術(shù)學(xué)院,廣西多糖材料與改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西南寧 530008;3.廣西民族大學(xué)預(yù)科教育學(xué)院,廣西南寧 530008)
小二仙草(Haloragis micrantha(Thunb.)R. Brown.)是小二仙草科植物,又名豆瓣草、水豆瓣、女兒紅等,味苦、澀,性涼[1],主要分布于廣西、廣東、云南、湖南等地,具有調(diào)經(jīng)活血、清熱利濕、止咳平喘等功效[2-3]。小二仙草中多酚類化合物含量較多,多為單寧類化合物和黃酮類化合物,黃酮類化合物具有抗氧化[4]、清除自由基[5]、調(diào)節(jié)免疫力[6]、保肝[7]、降血糖[8]、抗腫瘤[9]、抗炎[10]等多種藥理活性,在食品和醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用廣泛,常作為保健食品出現(xiàn)在公眾的視野,雷永平[11]探討了刺玫果總黃酮的純化工藝,并研制了刺玫果總黃酮膠囊,具有抗氧化的功效。林燕燕等[12]提取白鳳菜中的總黃酮,并以其為原料調(diào)制出白鳳菜保健飲料。王蓮婧[13]提取了化橘紅中多種有效成分,并研制出化橘紅維C 泡騰片。目前,對于小二仙草的研究僅限于對其化學(xué)成分分離提取[14],未見有對其黃酮類物質(zhì)提取及其藥理活性進(jìn)行研究的文獻(xiàn)。
目前總黃酮的提取方法主要有加熱回流法、超聲提取法、超聲復(fù)合酶法等[15],超聲提取法能使溶劑高速振動(dòng),產(chǎn)生劇烈的空化效應(yīng),使提取溶劑快速滲入,促進(jìn)對有效成分的提取[16-17]。超聲波提取法具有簡單易行、提取效率高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此,本文選用小二仙草開展研究,采用超聲波輔助提取法探討小二仙草總黃酮的提取工藝,考察了乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、超聲溫度、提取時(shí)間對小二仙草總黃酮含量的影響;采用Box-Behnken 法優(yōu)化提取工藝,并檢測小二仙草總黃酮提取物的抗氧化活性,以期為提高小二仙草的黃酮類化合物的提取效率,及進(jìn)一步的深入研究提供參考依據(jù)。
小二仙草 購自廣西靖西,經(jīng)廣西中醫(yī)藥大學(xué)田慧教授鑒定,干燥后,用粉碎機(jī)粉碎,過60 目篩,密封備用;蘆丁對照品(含量>98%) 中國藥品生物制品檢定所;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH) 上?;捎邢薰?;維生素C 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;2,2'-聯(lián)氮-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二胺鹽(ABTS) 麥克林生化科技有限公司;其他有機(jī)試劑均為分析純。
UVmini-1240 型紫外可見分光光度計(jì) 日本島津公司;AR224CN 電子天平 奧豪斯儀器有限公司;KQ-500DE 數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;Epoch 型全波長酶標(biāo)儀 美國Bio Tek公司;RE-2000A 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;LEGEND MICRO17 微量臺式離心機(jī) 美國賽默飛公司。
1.2.1 單因素實(shí)驗(yàn) 準(zhǔn)確稱取小二仙草粉末,每份1.0 g,在設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件下超聲提取,提取3 次,過濾,得到小二仙草總黃酮提取液,每組實(shí)驗(yàn)平行3 次,研究不同提取條件對黃酮得率的影響。
1.2.1.1 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)對小二仙草總黃酮得率的影響 設(shè)定料液比1:30 g/mL,超聲溫度60 ℃,超聲時(shí)間30 min,超聲功率為400 W,超聲頻率為40 kHz,考察乙醇體積分?jǐn)?shù)(55%、65%、75%、85%、95%)對總黃酮得率的影響。
1.2.1.2 不同料液比對小二仙草總黃酮得率的影響 設(shè)定乙醇體積分?jǐn)?shù)75%,超聲溫度60 ℃,超聲時(shí)間30 min,超聲功率為400 W,超聲頻率為40 kHz,考察料液比(1:10、1:20、1:30、1:40、1:50 g/mL)對總黃酮得率的影響。
1.2.1.3 不同超聲時(shí)間對小二仙草總黃酮得率的影響 設(shè)定乙醇體積分?jǐn)?shù)75%,料液比1:40,超聲溫度60 ℃,超聲功率為400 W,超聲頻率為40 kHz,考察超聲時(shí)間(10、20、30、40、50 min)對總黃酮得率的影響。
1.2.1.4 不同超聲溫度對小二仙草總黃酮得率的影響 設(shè)定乙醇體積分?jǐn)?shù)75%,料液比1:40 g/mL,超聲時(shí)間40 min,超聲功率為400 W,超聲頻率為40 kHz,考察超聲溫度(40、50、60、70、80 ℃)對總黃酮得率的影響。
1.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn) 以單因素結(jié)果為依據(jù),選擇其中的顯著因素為自變量。使用Design-Expert 8.0.6 軟件結(jié)合Box-Behnken 設(shè)計(jì)法,選取乙醇體積分?jǐn)?shù)(A)、料液比(B)、超聲時(shí)間(C)為自變量,總黃酮得率為響應(yīng)值,在超聲溫度為70 ℃、超聲功率為400 W、超聲頻率為40 kHz 的條件下,優(yōu)化小二仙草總黃酮的提取工藝,因素水平設(shè)計(jì)如表1 所示。
表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Design factors and levels of response surface experiment
1.2.3 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品溶液的制備 取12.5 mg 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品,精密稱定,用75%乙醇充分溶解并定容至25 mL,配制成0.5 mg/mL 的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品溶液。
1.2.4 檢測波長的選擇 參照魯憲坤等[18]方法并加以改進(jìn),量取3 mL 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品溶液于25 mL 容量瓶中,加入5% NaNO2溶液1 mL 混勻,靜置6 min,再加10% Al(NO3)3溶液1 mL 混勻,靜置6 min,之后加4% NaOH 溶液5 mL 后,加水定容至25 mL,混勻,靜置10 min,以75%乙醇做空白對照,在400~800 nm 測定吸收光譜,選擇最大吸收波長,發(fā)現(xiàn)黃酮類化合物在512 nm 處有最大吸收峰。
1.2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 精密量取0.5 mg/mL 的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品溶液0、1、2、3、4、5 mL 于25 mL 容量瓶中,采用實(shí)驗(yàn)1.2.4 中的顯色法測定吸光度值,繪制以蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品溶液的質(zhì)量濃度(X)為橫坐標(biāo),吸光度(A)為縱坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)曲線,得回歸方程為A=11.928X-0.0085,R2=0.9997,且在0.01~100 μg/mL 呈良好的線性關(guān)系。
1.2.6 小二仙草總黃酮得率的測定 稱取小二仙草粉末1.0 g,加入75%乙醇30 mL,在超聲溫度為60 ℃,超聲功率為400 W,超聲頻率為40 kHz 的條件下提取總黃酮30 min,提取3 次,過濾,搖勻,得到小二仙草總黃酮提取液。將小二仙草總黃酮提取液用75%乙醇定容至100 mL 容量瓶中,精密量取1 mL,采用實(shí)驗(yàn)1.2.4 中的顯色法測定吸光度值(A),代入回歸方程計(jì)算提取液中總黃酮的質(zhì)量濃度(C),計(jì)算小二仙草總黃酮得率(Y)的公式如下:
式中:Y 為小二仙草總黃酮得率,mg/g;C 為提取液中總黃酮的質(zhì)量濃度,mg/mL;M 為稱取小二仙草的質(zhì)量,g。
1.2.7 體外抗氧化活性分析
1.2.7.1 DPPH 自由基清除能力的測定 參照關(guān)奎奎等[19]方法,向96 孔板中分別加入100 μL 不同濃度的樣品溶液,加入0.2 mmol/L 的DPPH 溶液100 μL,混勻后室溫避光孵育30 min,于517 nm 處測定溶液的吸光度值A(chǔ)樣品。同時(shí)以等體積的無水乙醇代替DPPH 溶液測定溶液的吸光度值為A對照,以等體積的無水乙醇代替樣品溶液測定的吸光度值為A空白。VC作為陽性對照,樣品組為不同濃度的總黃酮提取物,為了直觀的對比樣品組的抗氧化效果,陽性對照與樣品組的濃度保持一致,每個(gè)濃度的樣品做三組平行試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測得的吸光度值計(jì)算清除率。DPPH 自由基清除率計(jì)算公式如下:
1.2.7.2 ABTS+自由基清除能力的測定 參照楊永濤[20]方法并進(jìn)行改良,取等體積7 mmoL/L 的ABTS+溶液和1.4 mmoL/L 過硫酸鉀溶液混合均勻,避光24 h,使用時(shí)用蒸餾水調(diào)節(jié)吸光度值為0.7±0.02 即可獲得工作液。向96 孔板中加入150 μL 工作液和50 μL樣品溶液混合均勻,避光反應(yīng)6 min,于734 nm 波長處測定吸光度值為A樣品。空白組用雙蒸水代替樣品溶液測定的吸光度值為A空白,對照組用雙蒸水代替工作液測定的吸光度值為A對照。VC作為陽性對照,樣品組為不同濃度的總黃酮提取物,為了直觀的對比樣品組的抗氧化效果,陽性對照與樣品組的濃度保持一致,每個(gè)濃度的樣品做三組平行試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測得的吸光度值計(jì)算清除率。
1.2.7.3 還原力測定 參考趙晉彤等[21]方法,將1.0 mL樣品溶液,2.5 mL 磷酸鹽緩沖溶液(pH=6.6)依次加入試管中,混合均勻后向每支試管中加入2.5 mL 的1%鐵氰化鉀溶液,于50 ℃水浴20 min 后,分別加入10 %三氯乙酸2.5 mL,混勻之后再以3000 r/min 離心10 min,取2.5 mL 上清液置于試管中,加入0.5 mL的0.1%三氯化鐵溶液和2.5 mL 蒸餾水,搖勻后取適量于700 nm 處測定吸光度值。VC作為陽性對照,為了直觀的對比樣品組的抗氧化效果,陽性對照與樣品組的濃度保持一致,樣品組為不同濃度的總黃酮提取物,所有樣品平行測定三組。
所有試驗(yàn)均重復(fù)三次,運(yùn)用Excel 2010、Origin 2021、Design-Expert 8.0.6、SPSS 21.0 等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。
2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對小二仙草總黃酮得率的影響 乙醇體積分?jǐn)?shù)對小二仙草總黃酮得率的影響如圖1 所示,乙醇體積分?jǐn)?shù)由55%增加到75%時(shí),總黃酮得率逐漸升高,在75%時(shí)達(dá)到最高,總黃酮得率為21.23±0.12 mg/g。在乙醇體積分?jǐn)?shù)由75%增加到95%時(shí),總黃酮得率顯著下降(P<0.05),總黃酮得率降低至18.30±0.13 mg/g。分析其原因,黃酮是一類典型的有機(jī)化合物,其易溶于乙醇等有機(jī)試劑,總黃酮得率會隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的升高而增大,但當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)超過75%時(shí),提取液中除黃酮外的其他物質(zhì)的溶出量也隨之提高,從而影響黃酮類物質(zhì)的提取,此結(jié)果與劉曉梅等[22]采用大孔樹脂吸附提取川麥冬須根總黃酮的研究結(jié)果相似。但乙醇體積分?jǐn)?shù)過高,會導(dǎo)致溶液極性降低,低極性雜質(zhì)如脂溶性、醇溶性物質(zhì)等將被大量溶出,并擠占黃酮的溶出空間,使總黃酮得率下降[23]。因此,選取乙醇體積分?jǐn)?shù)在65%~85%范圍內(nèi)作為小二仙草總黃酮的提取溶劑進(jìn)行優(yōu)化。
圖1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對小二仙草總黃酮得率的影響Fig.1 Effect of ethanol volume fraction on the extraction rate of total flavonoids from Haloragis micrantha
2.1.2 料液比對小二仙草總黃酮得率的影響 料液比對小二仙草總黃酮得率的影響如圖2 所示,總黃酮得率隨著料液比的升高呈先升高后下降的趨勢??傸S酮得率在料液比為1:40 g/mL 時(shí)最高,當(dāng)料液比大于1:40 g/mL 時(shí),總黃酮得率顯著降低(P<0.05),得率由24.00±0.10 mg/g 降低至22.95±0.21 mg/g,其原因可能是溶劑過多,使小二仙草受到超聲波的空化效應(yīng)減弱[24],且當(dāng)黃酮完全溶出后,總黃酮得率將不會有顯著的變化。為減少實(shí)驗(yàn)試劑節(jié)約成本,且提高總黃酮得率,設(shè)定料液比在1:30~1:50 g/mL 范圍內(nèi)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。
圖2 料液比對小二仙草總黃酮得率的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of total flavonoids from Haloragis micrantha
2.1.3 超聲時(shí)間對小二仙草總黃酮得率的影響 超聲時(shí)間對小二仙草總黃酮得率的影響如圖3 所示,隨著超聲時(shí)間的增加,總黃酮得率在超聲10 min 到30 min 時(shí)直線升高,在40 min 時(shí)達(dá)到最高,得率由15.92±0.20 mg/g 升高至24.25±0.09 mg/g。隨著超聲時(shí)間的延長,總黃酮得率開始出現(xiàn)下降的趨勢(P<0.05)。原因可能是小二仙草中總黃酮含量一定,過長的超聲時(shí)間可能會導(dǎo)致超聲破壞了黃酮的分子結(jié)構(gòu),降低總黃酮得率[25]。因此,選擇超聲時(shí)間在30~50 min 進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面試驗(yàn)。
圖3 超聲時(shí)間對小二仙草總黃酮得率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic time on the extraction rate of total flavonoids from Haloragis micrantha
2.1.4 超聲溫度對小二仙草總黃酮得率的影響 超聲溫度對小二仙草總黃酮得率的影響如圖4 所示,小二仙草總黃酮得率隨著超聲溫度的升高呈先升高后下降的趨勢,但升高趨勢較緩慢。小二仙草總黃酮得率在超聲溫度為70 ℃時(shí)達(dá)到最高(26.45±0.21 mg/g),當(dāng)超聲溫度大于70 ℃時(shí),得率開始下降。其原因可能是高溫可能會破壞部分黃酮的分子結(jié)構(gòu),導(dǎo)致小二仙草總黃酮得率下降[26]。因此,適宜超聲溫度為70 ℃。
圖4 超聲溫度對小二仙草總黃酮得率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic temperature on the extraction rate of total flavonoids from Haloragis micrantha
2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果 采用Design-Expert 8.0.6 軟件對響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2 所示,得到小二仙草總黃酮提取液的擬合回歸方程為:Y=28.41+0.97A-0.26B+1.23C-0.94AB-2.05AC+0.63BC-3.36A2-4.41B2-4.30C2。
表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Response surface experimental design and results
2.2.2 響應(yīng)面回歸模型方差分析 回歸模型方差分析見表3,由表3 可知,模型P<0.01,具有極顯著的差異;失擬項(xiàng)P值為0.0984(P>0.05),不顯著,表明模型的擬合度良好。該模型調(diào)整決定系數(shù)R2=0.9695,因此我們得知本實(shí)驗(yàn)可靠性高,能夠分析和預(yù)測小二仙草總黃酮提取工藝實(shí)驗(yàn)。根據(jù)F值可知考察因素對響應(yīng)值的影響主次順序?yàn)槌晻r(shí)間(C)>乙醇體積分?jǐn)?shù)(A)>料液比(B),其中一次項(xiàng)A 和C 的P值小于0.05,有顯著性差異,交叉項(xiàng)AC 具有極顯著差異(P<0.01),其他交互作用影響均不顯著,二次項(xiàng)A2、B2、C2均具有極顯著性差異(P<0.01)。
表3 回歸模擬的方差分析Table 3 Analysis of variance for regression simulation
2.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)交互作用分析 圖5 為Design-Expert 8.0.6 軟件繪制的乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比和超聲時(shí)間三個(gè)因素交互作用對小二仙草總黃酮得率的響應(yīng)面圖。由圖可知,各因素對響應(yīng)面的陡峭程度的影響為超聲時(shí)間>乙醇體積分?jǐn)?shù)>料液比,這說明超聲時(shí)間對小二仙草總黃酮得率影響最大,其次是乙醇體積分?jǐn)?shù),料液比影響最小。乙醇體積分?jǐn)?shù)與料液比及超聲時(shí)間與料液比間的等高線稀疏,為圓形,因素之間的交互作用的響應(yīng)值的影響不顯著。乙醇體積分?jǐn)?shù)與超聲時(shí)間的等高線密集,為橢圓形,說明二者交互作用對響應(yīng)值的影響明顯,與方差分析結(jié)果相對應(yīng)。
圖5 各因素交互影響小二仙草總黃酮得率的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface showing the interactive effects of variables on the yield of total flavonoids from Haloragis micrantha
2.2.4 最佳提取工藝的確定與驗(yàn)證 根據(jù)方程和響應(yīng)面圖確定小二仙草總黃酮的最佳提取工藝為乙醇體積分?jǐn)?shù)76.15% 、料液比1:39.66 g/mL、超聲時(shí)間41.14 min,預(yù)測值為28.54 mg/g。根據(jù)實(shí)際情況對提取工藝進(jìn)行調(diào)整,即乙醇體積分?jǐn)?shù)76%、料液比1:40 g/mL、超聲時(shí)間41 min,進(jìn)行3 次平行驗(yàn)證試驗(yàn),最終得出小二仙草總黃酮的得率為28.61±0.05 mg/g,接近預(yù)測值,表明該響應(yīng)面模型預(yù)測性較好,可用于小二仙草總黃酮的提取工藝。
2.3.1 小二仙草總黃酮清除DPPH 自由基的能力小二仙草總黃酮對DPPH 自由基清除能力如圖6 所示,隨著質(zhì)量濃度的增加,小二仙草總黃酮和維生素C對DPPH 自由基清除能力逐漸增強(qiáng),在0.18~3 mg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi),呈顯著的劑量依賴關(guān)系。小二仙草總黃酮3 mg/mL 清除DPPH 自由基能力最強(qiáng),此時(shí)清除率為88.65%,但清除能力低于維生素C。由此得出,小二仙草總黃酮具有一定的DPPH 自由基清除能力,但效果低于維生素C。
圖6 小二仙草總黃酮對DPPH 自由基的清除能力Fig.6 Scavenging ability of total flavonoids of Haloragis micrantha on DPPH free radicals
2.3.2 小二仙草總黃酮清除ABTS+自由基的能力小二仙草總黃酮對ABTS+自由基清除能力如圖7 所示,小二仙草總黃酮和維生素C 對ABTS+自由基清除能力逐漸增強(qiáng),在0.18~3 mg/mL 質(zhì)量濃度范圍內(nèi),呈顯著的劑量依賴關(guān)系。當(dāng)小二仙草總黃酮濃度為1.5 mg/mL 時(shí),其對ABTS+自由基清除能力逐漸接近維生素C;當(dāng)小二仙草總黃酮濃度為3 mg/mL 時(shí),清除率達(dá)到98.28%,其對ABTS+自由基清除能力幾乎與維生素C(清除率為99.81%)相當(dāng),表現(xiàn)了較好的ABTS+自由基清除能力。
圖7 小二仙草總黃酮對ABTS+自由基的清除能力Fig.7 Scavenging ability of total flavonoids of Haloragis micrantha to ABTS+ free radicals
2.3.3 小二仙草總黃酮的總還原力 小二仙草總黃酮的總還原力如圖8 所示,小二仙草總黃酮具有一定的總還原力,且隨著質(zhì)量濃度的增加,總還原力逐漸增強(qiáng)。維生素C 比小二仙草總黃酮的總還原力強(qiáng),在質(zhì)量濃度為0.18~3 mg/mL 時(shí),總還原力趨于穩(wěn)定,總還原力均在2.5 左右,由此得出小二仙草總黃酮具有一定的還原能力,但顯著低于相同濃度的維生素C 的還原能力。
圖8 小二仙草總黃酮的總還原力Fig.8 Total reducing power of the total flavonoids of Haloragis micrantha
由于響應(yīng)曲面法在提取分離中藥的有效成分領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,因此選擇響應(yīng)曲面分析法優(yōu)化小二仙草總黃酮的提取工藝參數(shù),并進(jìn)行抗氧化活性研究。響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果顯示,小二仙草總黃酮的最佳提取工藝為乙醇體積分?jǐn)?shù)76.15%、料液比1:40 g/mL、超聲時(shí)間41 min,此時(shí)得率為28.61±0.05 mg/g,接近預(yù)測值,表明該響應(yīng)面模型預(yù)測性較好,可用于小二仙草總黃酮的提取工藝。小二仙草總黃酮對DPPH 和ABTS+自由基的清除能力在一定范圍內(nèi)呈遞增趨勢,具有劑量依賴性,且在質(zhì)量濃度為1.5 和3 mg/mL 時(shí),清除ABTS+自由基能力與維生素C 效果相當(dāng)。小二仙草總黃酮還具有較好的還原力,顯示其抗氧化活性較好,可作為良好的天然抗氧化劑。本研究只對小二仙草總黃酮的提取工藝和抗氧化活性進(jìn)行了初步研究,但對抗氧化的藥效物質(zhì)及機(jī)制尚未進(jìn)行深入探究,后續(xù)實(shí)驗(yàn)可對小二仙草黃酮類化合物進(jìn)行分離制備,并采用體內(nèi)、體外藥理活性實(shí)驗(yàn)探究小二仙草黃酮類化合物抗氧化活性物質(zhì)基礎(chǔ)及抗氧化的機(jī)理,為小二仙草的深度研究與開發(fā)利用提供理論依據(jù)。