紫色姜總黃酮提取工藝優(yōu)化及其抗氧化作用研究

段志航，趙彩云，代博，唐達(dá)，李曉花*

滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)傣醫(yī)藥學(xué)院（云南 666100）

紫色姜為姜科姜屬植物紫色姜（Zingiber montanum（J.Koenig）Link ex A.Dietr.）的干燥根莖，主要產(chǎn)自中國云南西雙版納，廣泛栽種于傣族居民的房前屋后，是傣族常用調(diào)料品，傣藥名“補累”，是傣藥成藥，國藥準(zhǔn)字Z20026657，雙姜胃痛丸（帕中補）的主要藥材，收錄于《云南省中藥材標(biāo)準(zhǔn)》（2005年版）[1-2]?，F(xiàn)代對紫色姜的研究主要集中于揮發(fā)油，具有健胃、消食、散寒、止嘔等功效[2-4]。黃酮類化合物是姜科姜屬植物黃姜、大高良姜、山姜、干姜、良姜、大肉姜的主要活性成分，具有抑菌、抗炎、抗銀屑病、抗氧化、減肥、降血脂、降血糖及防治糖尿病等多種活性[4-13]，被廣泛用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。試驗為進一步拓展紫色姜的開發(fā)利用前景，以其干燥根莖為原料，采用單因素試驗為基礎(chǔ)，以響應(yīng)面法對紫色姜總黃酮成分的提取工藝進行優(yōu)化，以DPPH·和·OH清除率為指標(biāo)，評價其抗氧化能力[18-21]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫色姜干品（生產(chǎn)批號為滇20182806，西雙版納藥業(yè)有限責(zé)任公司）；蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品（純度＞98%，solarbio）；無水乙醇（分析純，天津大茂化學(xué)試劑廠）；5%亞硝酸鈉、10%硝酸鋁、氫氧化鈉（分析純，美國默克Sigma-Aldrich試劑）；石油醚[分析純，阿拉丁試劑（上海）有限公司]；1, 1-二苯基-2-苦基肼（DPPH，≥98%，北京索萊寶科技有限公司）；維生素C（≥99.7%，阿達(dá)瑪斯試劑有限公司）；K2HPO4和KH2PO4（分析純，上海泰坦科技股份有限公司）；鄰菲羅啉（分析純、阿達(dá)瑪斯試劑有限公司）；硫酸亞鐵（分析純、美國Amresco公司）；超純水為自制。

1.2 主要儀器與設(shè)備

DHG-9070A型烘箱（上海一恒科技有限公司）；Secura125-ICN型分析天平（賽多利斯公司）；CR-031S型超聲波清洗機（春霖清洗設(shè)備公司）；UV2600型紫外分光光度計（日本島津有限公司）；UPR-Ⅱ-20L超純水儀（鄭州優(yōu)爾普儀器）。

1.3 方法

參照《中國藥典》（2020年版）附錄Ⅳ及文獻(xiàn)報道的高良姜等總黃酮的提取方法[10-13]，采用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH比色法進行紫色姜總黃酮含量測定[9-11]。

1.3.1 對照品溶液的配制

將蘆丁對照品干燥至恒重后，精密稱取0.010 5 g，加適量85%乙醇超聲溶解，放冷，定容至50 mL，搖勻，即得蘆丁的對照品貯備試液（0.21 mg/mL）[12]。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

精密量取0.0，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0和6.0 mL對照品溶液，分別置于25 mL量瓶后加85%乙醇至6 mL。加0.8 mL 5%亞硝酸鈉溶液，搖勻，放置10 min，加0.8 mL 10%硝酸鋁溶液，搖勻，放置10 min，加4 mL 5%氫氧化鈉溶液，定容，搖勻，靜置20 min。以空白為掃描基線，從190～900 nm進行全波長掃描，最大吸收波長為365 nm。以空白開始，對不同濃度標(biāo)準(zhǔn)液在365 nm波長下測定吸光度，縱坐標(biāo)為吸光度（A），橫坐標(biāo)為蘆丁濃度（C），繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.014 7x-0.080 9，R2=0.999 8，線性關(guān)系良好[11-13]。

1.3.3 紫色姜總黃酮的提取和含量測定

紫色姜烘干，粉碎，過篩（60目，約0.250 mm），干燥保存。

稱取1 g紫色姜粉末，加入30 mL石油醚浸泡脫脂提取8 h后，將藥渣烘干，加入30倍67%乙醇，于30 ℃超聲提取63 min，離心得上清液，用67%乙醇定容至50 mL，備用。

取1 mL備用提取液，加0.8 mL 5%亞硝酸鈉溶液，搖勻，放置10 min，加0.8 mL 10%硝酸鋁溶液，搖勻，放置10 min，加4 mL 5%氫氧化鈉溶液，用相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)的乙醇定容至50 mL，充分混勻，靜置20 min，平行3份，以相應(yīng)溶液為空白對照，在365 nm波長下測吸光度，根據(jù)蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算待測液中紫色姜黃酮的濃度，按式（1）計算紫色姜中黃酮提取率（mg/g）[18-25]。

紫色姜黃酮提取率=c×a×V/M（1）式中：V為提取液體積，mL；c為提取液中黃酮質(zhì)量濃度，mg/mL；a為稀釋倍數(shù)；M為紫色姜質(zhì)量，g。

1.3.4 紫色姜總黃酮提取單因素試驗

紫色姜根莖經(jīng)干燥、粉碎，脫脂提取后，稱取1 g，在其他條件一致的情況下，分別考察單因素條件，包括不同功率、提取時間、料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)對紫色姜總黃酮提取率的影響。提取液離心后定容，稀釋，按1.3.2和1.3.3項下方法進行測定，每個試驗平行3次試驗，取平均值。根據(jù)試驗結(jié)果設(shè)定響應(yīng)面試驗因素水平。

1.3.5 Box-Behnken 響應(yīng)面試驗

1.3.5.1 響應(yīng)面法優(yōu)化超聲提取工藝

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，設(shè)定各因素水平，利用Design-Expert 10.0.3軟件中Box-Behnken的中心組合試驗設(shè)計原理，對單因素試驗進行優(yōu)化，考察時間、料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲功率對提取率的影響，以黃酮提取率為考察指標(biāo)，設(shè)計四因素三水平的響應(yīng)面試驗（共29個試驗點）進行正交試驗，并進行方差分析，因素水平見表1[15-19]。

表1 因素水平表

1.3.5.2 提取工藝的驗證根據(jù)Design-Expert 10.0.3軟件運行結(jié)果，在超聲功率、超聲時間、料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)等多因素共同影響下的最優(yōu)提取工藝，結(jié)合實際工藝設(shè)置的可行性，采用優(yōu)化工藝進行3次重復(fù)試驗，將得到的實際提取率與理論提取率進行比較。若回歸模型的預(yù)測值和實際試驗結(jié)果相符合，則表明該回歸模型可準(zhǔn)確地預(yù)測和模擬紫色姜總黃酮提取率。

1.3.6 紫色姜總黃酮體外抗氧化活性研究

1.3.6.1 DPPH自由基清除活性

1.3.6.1.1 供試品溶液的制備

按1.3.3.1的優(yōu)化工藝進行提取，得到提取液，進行稀釋處理，得到0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 mg/mL不同質(zhì)量濃度的黃酮提取液。

1.3.6.1.2 DPPH溶液的制備

以95%乙醇溶液為溶劑配制濃度0.1 mmol/L的DPPH溶液。

1.3.6.1.3 VC對照品溶液的制備

精密稱取0.5 g維生素C，用無水乙醇溶解、定容，于100 mL棕色容量瓶中，得到質(zhì)量濃度5 mg/mL的陽性對照品溶液，避光冷藏于4 ℃冰箱中。取2，4，6，8，10和12 mL，用乙醇定容于100 mL，稀釋配成0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 mg/mL不同質(zhì)量濃度的對照品溶液[18-19]。

1.3.6.1.4 DPPH自由基清除能力的測定

依次精密移取DPPH溶液、乙醇各2 mL，置于10 mL試管中，振搖充分混合，30 min后于波長517 nm處測定吸光度（Ac）；精密移取乙醇、供試品溶液各2 mL，置于10 mL試管中，振搖充分混合，30 min后，于波長517 nm處測定吸光度（Aj）；依次精密移取DPPH溶液、供試品各2 mL于10 mL試管中，充分混合振搖，靜置30 min（室溫下），于波長517 nm處測定吸光度（Ai）。平行測定3次以上，取平均值。按式（2）計算不同濃度紫色姜黃酮提取物對DPPH自由基清除率[18-19]。

式中：K為DPPH自由基的清除率，%；Ai為加試品、DPPH的吸光度；Aj為加試品的吸光度；Ac為加入乙醇、DPPH的吸光度。

1.3.6.2 紫色姜總黃酮羥基自由基清除能力測定

按1.3.3.1的優(yōu)化工藝進行提取，得到提取液，進行稀釋處理，得0.1 mg/mL黃酮溶液。取10個容量瓶（10 mL），分別加入0.1 mg/mL黃酮溶液與1，2，3，4，5，6，7，8，9和10 mL VC溶液，用乙醇溶液（65%）定容至10 mL，得到VC溶液和待測樣品。取相同比色管（10個），分別加入2 mL pH 7.4，0.2 mol/L磷酸緩沖液和0.3 mL 2.5 mmol/L鄰菲羅啉溶液，充分混勻。加入0.2 mL 7.5 mmol/L硫酸亞鐵溶液，立即混勻，向其中分別加入1.5 mL VC溶液或紫色姜樣品溶液，混勻，加入1 mL 1% H2O2。另做損傷管和未損傷管，其中損傷管中加入1% H2O2，未損傷管中不加1%H2O2，補充體積至8 mL，恒溫1 h（37 ℃水?。?，用紫外分光光度計在波長364.5 nm處測其吸光度。按式（3）計算清除率（%）。

式中：A2為樣品管的吸光度；A0為未損傷管的吸光度；A1為損傷管的吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫色姜總黃酮提取單因素試驗結(jié)果

2.1.1 超聲功率對紫色姜總黃酮提取率的影響

在溫度30 ℃、料液比1∶30 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)65%、超聲時間60 min條件下，研究超聲功率100，200，300，400和500 W時紫色姜總黃酮提取率，結(jié)果見圖1。

圖1 超聲功率對紫色姜黃酮提取率的影響

由圖1可知，在100～300 W功率范圍內(nèi)，紫色姜總黃酮提取率隨著超聲功率的增加而增加，最高提取率為30.94 mg/g。隨著功率的進一步增加，紫色姜總黃酮的提取率降低，在500 W時總黃酮提取率下降至25.92 mg/g。這種現(xiàn)象可能是因為在適當(dāng)范圍內(nèi)，提高功率，可以有效使細(xì)胞的內(nèi)容物加速流出，從而增大提取液中紫色姜總黃酮物質(zhì)流出。而超聲功率過大，會導(dǎo)致空化泡的增長過大，進而降低空化作用和超聲波的傳播，減少能量的傳遞，這不利于提取的進行。

2.1.2 超聲時間對紫色姜總黃酮提取率的影響

在溫度30 ℃、料液比1∶30 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)65%、超聲功率300 W條件下，研究超聲時間10，20，30，40，50，60，70和80 min時紫色姜總黃酮提取率，結(jié)果見圖2。

圖2 超聲時間對紫色姜黃酮提取率的影響

由圖2可知，在一定范圍內(nèi)，紫色姜總黃酮提取率隨著時間的增加而增加，在60 min時紫色姜總黃酮提取功率最高（26.05 mg/g）。當(dāng)提取時間延長至70 min時總黃酮提取率下降至25.12 mg/g。該現(xiàn)象可能是在一定范圍內(nèi)提取時間增加，有利于紫色姜總黃酮的溶出；但是隨著提取時間的延長，超聲破壞了黃酮類成分的結(jié)構(gòu)，且其他物質(zhì)溶出增加，使其得率下降。

2.1.3 料液比對紫色姜總黃酮提取率的影響

在溫度30 ℃、乙醇體積分?jǐn)?shù)65%、超聲功率300 W、超聲時間60 min條件下，研究料液比1∶10，1∶20，1∶30，1∶40和1∶50 g/mL時紫色姜總黃酮提取率，結(jié)果見圖3。

圖3 料液比對紫色姜黃酮提取率的影響

由圖3可知，在1∶10～1∶30 g/mL范圍內(nèi)紫色姜總黃酮提取率隨著料液比中液體占比的增加，最高為32.88 mg/g。當(dāng)料液比中液體占比進步一增加時，總黃酮提取率降低，在1∶50 g/mL時總黃酮提取率下降至28.05 mg/g，說明料液比中液體占比的增加導(dǎo)致其他化合物的溶出度增加，使其提取率下降。

2.1.4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對紫色姜總黃酮提取率的影響

在溫度30 ℃、料液比1∶30 g/mL、超聲功率300 W、超聲時間60 min條件下，研究乙醇體積分?jǐn)?shù)55%，65%，75%，85%和95%時紫色姜總黃酮提取率，結(jié)果見圖4。

圖4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對紫色姜黃酮提取率的影響

由圖4 可知，紫色姜總黃酮提取率隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在65%時紫色姜總黃酮提取功率最高（32.89 mg/g），在95%時總黃酮提取率下降至24.38 mg/g。說明乙醇體積分?jǐn)?shù)增高可能導(dǎo)致其他化合物的溶出度增加，使總黃酮得率下降。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化紫色姜總黃酮提取工藝

2.2.1 模型的建立與方差分析

在單因素試驗基礎(chǔ)上，以超聲功率、超聲時間、料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)為影響因素，以紫色姜總黃酮提取率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken的中心組合試驗設(shè)計原理設(shè)計模型試驗，以Design-Expert 10.0.3軟件對結(jié)果進行分析，確定紫色姜總黃酮的最優(yōu)提取工藝條件，響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果見表2，方差分析與顯著性差異見表3。

表2 響應(yīng)面試驗結(jié)果及分析

表3 回歸方程方差分析

如表3所示，對回歸方程進行方差分析。其中，顯著性檢驗概率P小于0.05時，認(rèn)為該模型具有統(tǒng)計學(xué)意義。F值檢驗各變量，以評價對響應(yīng)值影響的顯著性的大?。籉值越大，則相應(yīng)變量的顯著程度越大。從表3可以看出，工藝條件對提取率影響大小順序為D＞A＞B＞C，即超聲功率＞乙醇體積分?jǐn)?shù)＞超聲時間＞料液比。模型的決定系數(shù)R2為0.989 2，說明模型具有較高顯著性，同時=0.978 5，能夠解釋試驗97.85%的響應(yīng)值變異，且與預(yù)測相關(guān)系數(shù)也接近，說明試驗?zāi)Ｐ团c真實數(shù)據(jù)有較好擬合度，可用該模型分析和預(yù)測提取率最佳的處理工藝。

應(yīng)用Design-Expert 10.0.3軟件對試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，得到紫色姜總黃酮得率（Y）對乙醇體積分?jǐn)?shù)（A）、超聲時間（B）、料液比（C）、超聲功率（D）的二次多元回歸方程：Y=31.864+1.192 5A+0.8B-0.643 333C+1.689 17D+0.11AB+1.727 5AC-0.33AD+0.965BC+0.215BD+0.137 5CD-2.586 58A2-1.672 83B2-2.072 83C2-2.829 08D2。

不同工藝條件交互作用對提取率的影響見圖5～圖10。由圖5可知，乙醇體積分?jǐn)?shù)-超聲時間交互作用，對提取率的影響趨勢為一拋物曲面，乙醇體積分?jǐn)?shù)和超聲時間的增加使提取率呈先增后減變化趨勢。取適中條件，即乙醇體積分?jǐn)?shù)60%～70%、超聲時間60～65 min時，可顯著提高產(chǎn)物提取率。由圖6可知，交互曲面縱向跨度較大，且等高線呈現(xiàn)顯著橢圓形，表明乙醇體積分?jǐn)?shù)和料液比交互作用對提取率影響顯著。乙醇體積分?jǐn)?shù)和料液比的增加使提取率結(jié)果呈先增后減變化趨勢。僅考慮二者影響下，提取率優(yōu)化工藝條件集中于乙醇體積分?jǐn)?shù)60%～70%、料液比1∶25～1∶35 g/mL水平區(qū)間組合。如圖7所示，乙醇體積分?jǐn)?shù)和超聲功率增加使提取率均呈先增后減變化。其中，提取率隨超聲功率的變化趨勢更加顯著，表明超聲功率對提取率的影響較乙醇體積分?jǐn)?shù)影響顯著。乙醇體積分?jǐn)?shù)65%～70%、超聲功率300～350 W水平范圍取值時，為二者交互影響下提取率的優(yōu)化工藝。由圖8可知：超聲時間小于60 min時，提取率與超聲時間呈正相關(guān)關(guān)系；超聲時間大于60 min時，其關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)折，在超聲時間60 min附近取值時，為提取率的臨界最佳工藝參數(shù)。同理，提取率隨料液比變化，其在1∶30 g/mL附近取值時，為臨界最佳參數(shù)。如圖9所示，超聲功率和超聲時間交互作用中，超聲功率對提取率的貢獻(xiàn)更大，是提取率的敏感影響因子。取超聲功率300～350 W、超聲時間水平60～65 min條件，利于促進產(chǎn)物提取率提升。如圖10所示，提取率被超聲功率的影響，較料液比影響更加顯著，引起先增后減小的較大幅度曲面變化，取料液比1∶25～1∶30 g/mL、超聲功率300～400 W水平附近值，可顯著提高提取率水平。根據(jù)結(jié)果進行分析各影響因素，得出最佳提取工藝條件：超聲功率330 W、超聲時間63 min、料液比1∶30 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)67%。

圖5 超聲時間與乙醇體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面及等高線圖

圖6 料液比與乙醇體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面及等高線圖

圖7 超聲功率與乙醇體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面及等高線圖

圖8 超聲時間與料液比的響應(yīng)曲面及等高線圖

圖9 超聲時間與超聲功率的響應(yīng)曲面及等高線圖

圖10 料液比與超聲功率的響應(yīng)曲面及等高線圖

圖11 最佳超聲提取工藝條件試驗驗證圖

2.2.2 最佳超聲提取工藝條件試驗驗證

為驗證擬合的回歸方程是否能指導(dǎo)實踐生產(chǎn)，進行3次平行試驗，取平均值，根據(jù)實際生產(chǎn)條件，調(diào)整最佳工藝參數(shù)：超聲功率330 W、超聲時間63 min、料液比1∶30 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)67%，在此條件下，紫色姜總黃酮平均提取率為33.20 mg/g，與理論值相似，而且重復(fù)性較好。

2.2.3 抗氧化性研究

紫色姜總黃酮表現(xiàn)出的DPPH清除活性隨著濃度的增加而增加[18-19]。從圖12可以看出，質(zhì)量濃度范圍在0.1～0.6 mg/mL時，紫色姜總黃酮最大清除活性為46.33%。從圖13可以看出，隨著提取物濃度的升高，其對·OH自由基的清除率逐漸升高，具有濃度依賴性。此外，隨著濃度的增加，紫色姜總黃酮質(zhì)量濃度0.6 mg/mL時抑制率最高到54.20%。

圖12 DPPH自由基清除試驗

圖13 羥基自由基試驗

試驗選擇2種抗氧化活性評價方法，均表現(xiàn)出紫色姜總黃酮和VC的體外抗氧化能力，且抗氧化活性與紫色姜總黃酮濃度的增加密切相關(guān)。

3 結(jié)論

以紫色姜總黃酮為試驗對象，單因素試驗為基礎(chǔ)，通過響應(yīng)面優(yōu)化法，優(yōu)化輔助紫色姜總黃酮的提取工藝，考察超聲功率、超聲時間、料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)對紫色姜總黃酮得率的影響。結(jié)果顯示：響應(yīng)面分析的二次模型，擬合程度較高，影響紫色姜總黃酮得率的因素主次順序是超聲功率＞乙醇體積分?jǐn)?shù)＞超聲時間＞料液比；提取的最佳工藝為超聲功率330 W、超聲時間63 min、料液比1∶30 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)67%，紫色姜總黃酮提取率為33.20%，與理論值相差不大。采用·OH自由基和DPPH·清除試驗對紫色姜總黃酮抗氧化活性進行體外抗氧化評價。試驗結(jié)果顯示，紫色姜總黃酮對不同自由基的清除能力不同，在質(zhì)量濃度范圍（0.1～0.6 mg/mL）內(nèi)，紫色姜總黃酮均呈現(xiàn)劑量依賴的關(guān)系。雖然在·OH自由基和DPPH· 自由基清除試驗中發(fā)現(xiàn)抗氧化活性均較VC弱，但在一定范圍下，紫色姜總黃酮在抗羥自由基試驗中顯示出較好的抗氧化性，說明其具有抑制自由基生成的作用，可作為自由基清除型抗氧劑應(yīng)用。