趙強,余四九,王廷璞,袁毅君
(1.甘肅農業大學動物醫學院,甘肅 蘭州730070;2.天水師范學院生命科學與化學學院,甘肅 天水741001)
禿瘡花(Dicranostigmaleptopodum)又名紅茂草、禿子花、勒馬回,為罌粟科禿瘡花屬草本植物。生于海拔1 300m以上的高原、山坡、丘陵、路旁等處。在甘肅省隴南、天水、平涼等地的渭水流域、秦嶺南北均有廣泛的分布。該植株味苦、澀,性涼,可入藥,有抗炎、抑菌、消腫止痛、清熱解毒等功效[1]。研究表明,由于禿瘡花含有多種異喹啉類生物堿,所以其表現出具有多種生物學活性[2]。將該生物堿臨床用于結核病和竇道潰瘍癥,其總有效率可達90%以上,還具有提高心肌細胞功能、提高機體免疫力、保護受損肝細胞、抗溶血等藥理學活性,且安全無毒副作用[3-6]。
近年來,學者對禿瘡花的研究日漸深入。陳荃等[7]采取石蠟切片法和光學顯微鏡技術,對禿瘡花營養器官進行顯微結構觀察,進一步了解了其微觀結構特點,為該植物的人工馴化和科學栽培提供了基礎依據;趙強等[8]、王廷璞等[9]先后利用指紋識別和波層色譜檢測技術,發現禿瘡花中含有5種主要生物堿成分,其中異紫堇堿含量較高;董曉寧等[10]、趙強等[8]將禿瘡花經石英色譜柱層析的提取物,作用于大腸埃希氏桿菌和金黃色葡萄球菌,發現其具有一定的抑菌效果,其對超氧自由基和羥基自由基也有一定的清除作用;劉大護等[11]利用普通硅膠柱色譜對禿瘡花的生物堿類化學成分進行提取、分離和純化,并利用超導核磁共振等現代光譜和波譜技術鑒定化合物的結構,從禿瘡花中發現11個異喹啉類生物堿,其中2個萘菲啶類、1個嗎啡烷類、4個阿撲菲類和4個普羅托品類生物堿化合物;鞏江等[12]對珍稀中藥禿瘡花進行了藥學研究,發現禿瘡花的生物堿在抗菌、抗腫瘤、肝保護等方面有很強的藥學活性,其具有很好的經濟價值和市場開發前景;趙強等[13]采用酸性染料比色法,以異紫堇堿標準品為對照,對禿瘡花中總生物堿含量進行了測定,從而建立了禿瘡花中總生物堿含量的檢測方法,為該藥材的質量控制和評價提供了科學依據;李巖等[14]利用國際通用DNA條形碼技術,對新疆伊犁地區禿瘡花基因條形碼及系統發生關系進行了初步研究,測序獲得的rbcL和matK基因序列長度分別為539和700bp,用最大簡約法構建了基于rbcL和matK序列的系統樹,發現伊犁禿瘡花聚在罌粟亞科中,與荷青花屬(Hylomecon)、金罌粟屬(Stylophorum)、海罌粟屬(Glaucium)親緣關系較近;朱榮[15]對禿瘡花在Zn、Cd、Cu和Pb脅迫下的耐性和富集特征做了研究,發現其對Cd和Zn具有較強的耐性和富集能力,對Cu和Pb具有較弱的耐性和富集能力。
本試驗于2011年5月開始,采用禿瘡花中的主要生物堿異紫堇堿做為評價指標,通過6組單因素試驗篩選出主要影響因素,再進行響應面法試驗設計,從而優選建立了禿瘡花生物堿最佳提取工藝條件,并將其提取濃縮液作用于3種常見供試菌,研究其體外抑菌活性能力大小,為該植物資源的深層次開發和利用提供一定的試驗依據。
1.1.1 主要儀器 RE52-99型旋轉蒸發儀(亞榮生化儀器廠)、UV-751GD型紫外-可見光分光光度計(瑞利儀器分析有限公司產品)、KQ-500D型數控超聲波清洗器(瑞利儀器分析有限公司產品)、JEM-1230型透射電子顯微鏡(瑞利儀器分析有限公司產品)、AB104-S電子分析天平、索氏提取器等。
1.1.2 藥物及試劑 禿瘡花于2011年4月采自天水師范學院植物園,由王廷璞研究員鑒定。經自然風干、粉碎,過80目篩(0.178mm)。異紫堇堿標準品(美國Sigma化學公司)、磷酸(天津市凱通化學試劑有限公司)、95%乙醇(開封化學試劑總廠)、戊二醛(金山化工廠)等。
1.1.3 培養基 牛肉膏蛋白胨液體培養基:牛肉膏3g,蛋白胨5g,NaCl 5g,蒸餾水1 000mL,pH=7.4。牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基:牛肉膏3g,蛋白胨5g,NaCl 5g,蒸餾水1 000mL,瓊脂20g,pH=7.4。
1.1.4 試驗菌種 大腸埃希氏桿菌(Escherichiacoli,ATCC 12453)、白色念珠菌(Candidaalbicans,ATCC 10231)、綠膿桿菌(Pseudomonasaeruginosa,ATCC 27853)。
1.2.1 禿瘡花生物堿定性預試驗 稱取禿瘡花干草粉末10.0g,裝入索氏提取器中,水浴加熱回流3h,轉入旋轉蒸發儀中,減壓蒸至無醇味,趁熱加入少許活性炭,封口、靜置、過夜。分別進行碘化鉍鉀、硅鎢酸、苦味酸試驗,均呈明顯的陽性反應,表明樣品中含有生物堿成分。
1.2.2 標準工作曲線的繪制 準確配制0.5mg/mL異紫堇堿標準品溶液100mL,依次量取1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11mL,分別置于100mL容量瓶中,加無離子水稀釋至100mL,搖勻,使之為5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55μg/mL的梯度溶液,以三重蒸餾水為空白,選取OD210值進行測定。以濃度C(μg/mL)為橫坐標,吸光值A為縱坐標,繪制標準曲線。
1.2.3 禿瘡花生物堿的提取工藝 稱取禿瘡花干草粉末7份,每份10.0g。固定液料比14mL/g、浸泡時間18h、回流時間2.5h、超聲時間25min、浸提液pH=5,考察乙醇濃度為60%,65%,70%,75%,80%,85%,90%時對提取效果的影響。然后將優選的最佳乙醇濃度做為固定數值,依次選取考察液料比為12∶1,13∶1,14∶1,15∶1,16∶1mL/g,乙醇浸泡時間為0,6,12,18,24,30h,索氏提取器中回流時間為1.5,2.0,2.5,3.0,3.5h,超聲波振蕩時間為15,20,25,30,35min,乙醇浸提液pH 值為2,3,4,5,6,7,8時對提取效果的影響。將每次優選后的最佳條件固定,再逐次篩選其余最佳條件。根據單因素水平試驗結果,進行極差分析,最終優選出4個主要影響因素,按照響應面試驗設計方案進行生物堿提取。再將提取液轉入旋轉蒸發儀,35℃下減壓蒸至無醇味,轉入100mL錐形瓶,封口靜置。
1.2.4 禿瘡花生物堿含量的測定 將25個50mL容量瓶中的提取液稀釋后測定其吸光值,對照標準曲線,得出提取液中生物堿的濃度,最后計算出禿瘡花中生物堿提取得率。

1.2.5 響應面法對禿瘡花中生物堿提取條件的優化 在單因素試驗的基礎上,使用Box-Behnken中心設計,通過響應面法進行禿瘡花中生物堿提取條件的優化。
1.2.6 體外抑菌 1)菌液制備:將所選供試菌事先接種于無菌平板上,37℃培養1d后,選取典型菌落,轉移接種在液體培養基中,經37℃培養1d后,再用無菌生理鹽水稀釋,使其為菌量106~107CFU/mL的菌懸液,備用。2)培養基的配制:按培養基配方比例依次準確稱取牛肉膏3g、蛋白胨5g、NaCl 5g放入燒杯中,加入蒸餾水1 000mL,調pH=7.4,即得牛肉膏蛋白胨液體培養基1 000mL,同法另加瓊脂20g,即為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基1 000mL。將配制好的培養基及若干包裝好的試管、燒杯、涂布棒、移液管及若干培養皿于高壓滅菌鍋中,120℃下濕熱滅菌30min,置于37℃培養箱中備用。
3)最小抑菌濃度和最低殺菌濃度的測定:將禿瘡花提取濃縮液用無菌蒸餾水倍比稀釋,制備所需系列濃度的稀釋液。然后將稀釋液分別定量轉移至無菌培養皿中,與定量倒入的牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基充分混勻,室溫冷卻、凝固,制成含藥液的平板[16-19]。再按培養皿所需的劑量,分別移取定量被試菌液,涂于平板上,置于恒溫箱中37℃培養1~2d,檢查菌落生長情況,以平板菌落計數法計算菌落數,另取各含藥液1∶5濃度無菌陰性和無藥陽性作為對照。以肉眼計數,完全沒有菌落生長時的最低生物堿濃度,為該藥物的最小抑菌濃度(minimal inhibitory concentration,MIC)[16-19]。取上述MIC及以上各濃度未見細菌生長的各試管培養物,分別移取0.1mL接種至不含生物堿的培養基上,涂勻平板,置于恒溫箱37℃培養1d,查看有無菌落生長,計數少于5個菌落者,為該藥物的最低殺菌濃度(minimal bactericidal concentration,MBC)。以上試驗均重復3次。
4)透射電子顯微鏡觀察:選取典型供試菌(大腸埃希氏桿菌)作為研究對象,將其接種在已制得的牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基上,恒溫箱37℃培養1d后,用pH=6.0的5mmol/L磷酸緩沖液洗脫細菌,使其含量保持在108CFU/mL左右。移取500μL菌懸液,加到濃度為0.2%的禿瘡花提取濃縮液中(溶于1% 醋酸),使禿瘡花提取濃縮液最終濃度稀釋為0.1%。將其置于1.5mL離心管中,37℃搖床(120r/min)培養1d,離心后取出細菌沉渣。將離心后的細菌團,加3%戊二醛,在4℃時固定5h,用5mol/L磷酸鹽緩沖液漂洗3次,每次10min,再用1%的OsO44℃后固定1h,最后用5mol/L磷酸鹽緩沖液漂洗3次。使用40%,60%,80%,100%乙醇,4℃下脫水10min,再用純丙酮脫水2次,每次10min。加入環氧樹脂Epon-812(1∶1)與純丙酮,室溫靜置3h,用環氧樹脂Epon-812包埋后,分別在30,40,60℃下,聚合4,12,24h,制成超薄切片,使用枸椽酸鉛和醋酸雙氧鈾雙染色,在JEM-1230型透射電鏡下觀察其抑菌效果。
根據異紫堇堿標準品系列濃度梯度在OD210的吸光值,得回歸方程:y=0.011 0x+0.065 2,R2=0.998 9(n=11),其標準曲線見圖1所示,在5~55 μg/mL內呈良好的線性關系。

圖1 異紫堇堿標準曲線Fig.1 The standard curve of isocorydine
2.2.1 乙醇濃度對提取效果的影響 隨著乙醇濃度的變化,在65%時生物堿含量最大;隨著乙醇濃度的增大,生物堿含量依次呈明顯下降趨勢,此時乙醇濃度對提取效果的影響變得不顯著(圖2)。主要是因為乙醇濃度較大時,會將樣品中的油脂和糖類等物質提取出來,不利于生物堿的提取;乙醇濃度較小時,生物堿在其中的溶解度也較小。故選取適宜生物堿提取的乙醇濃度為65%。
2.2.2 液料比對提取效果的影響 隨著液料比的增加,生物堿的含量也隨之增大;當液料比為15∶1時生物堿含量達到最大值(圖3),其后開始呈下降趨勢,主要是因為在一定范圍內溶劑用量的增加,有助于生物堿的浸出。故選取適宜生物堿提取的液料比為15∶1。
2.2.3 浸泡時間對提取效果的影響 65%乙醇浸泡時間在6~10h時,生物堿含量達到最大峰值(圖4);當浸泡時間超過12h后,隨著浸泡時間的延長,生物堿含量迅速降低。浸泡時間過長,會使其他化合物溶出,不利于生物堿的提取,長時間浸泡也使得提取周期變長,不利于提取工藝模式的建立。故選取適宜生物堿提取的浸泡時間為8h。

圖2 乙醇濃度對提取效果的影響Fig.2 The effect of ethanol concentration on the extraction effect

圖3 液料比對提取效果的影響Fig.3 The effect of liquid to solid ratio on the extraction effect
2.2.4 回流時間對提取效果的影響 當在索氏提取器中回流時間為2.5h時,生物堿含量呈明顯單一峰值(圖5),此時再進行提取,會發現索氏提取器中的溶液顏色逐漸變淺,說明被提取物已經大部分被提取。故選取適宜生物堿提取的回流時間為2.5h。
2.2.5 超聲時間對提取效果的影響 超聲波振蕩時間在15~30min時,生物堿含量隨時間的增加而增大,并達到最大峰值(圖6);當時間超過30min后,生物堿含量隨時間增加而減小。使用超聲波可以破碎細胞,加快細胞內物質的溶解,但是超聲作用時間過長,又可以使部分生物堿分解。故選取適宜生物堿提取的超聲時間為30min。
2.2.6 浸提液pH值對提取效果的影響 乙醇浸提液pH值在3~6時,生物堿含量隨pH值的增加而增大,并達到最大峰值(圖7);當pH值超過6以后,生物堿含量隨pH值增加而減小。這是因為禿瘡花生物堿本身堿性較弱,在弱酸性介質中反應變為鹽類,能使之較好的溶解。故選取適宜生物堿提取的浸提液pH=6。
2.3.1 響應面試驗因素水平的選擇 采用極差分析對6組單因素水平進行篩選,最終選用液料比、超聲時間、回流時間和乙醇濃度為主要考察因素,進行響應面試驗,使用Design-Expert 7.0軟件,以禿瘡花主要生物堿(異紫堇堿)含量為指標,設計4因素3水平(共29個試驗點,5個中心點)的響應面試驗,每組試驗重復3次,取其平均值,其因素水平如表1所示[20,21]。

圖4 浸泡時間對提取效果的影響Fig.4 The effect of macerating time on the extraction effect

圖5 回流作用時間對提取效果的影響Fig.5 The effect of reflux time on the extraction effect
2.3.2 響應面試驗方案設計及結果分析 以A(液料比)、B(超聲時間)、C(回流時間)、D(乙醇濃度)為自變量,禿瘡花生物堿含量為響應值(Y),進行響應面分析試驗,共有29個試驗,其中24個為析因試驗,5個為中心試驗,用以估計誤差。29組響應面試驗結果,見表2所示。對4個自變量模型,單獨存在及交互作用下的方差分析結果,見表3所示。
通過對試驗結果進行響應面軟件分析,經二次回歸擬合后,得到4個因素與禿瘡花生物堿含量之間的模擬方程為:
Y=11.338 0+0.206 6A+0.763 3B+0.013 1C+0.674 2D+0.177 6AB-0.009 5AC-0.017 0AD+0.720 7BC+0.243 9BD+0.057 1CD-1.007 6A2-1.236 0B2-0.511 8C2-1.343 4D2。
該回歸模型F檢驗為極顯著(P<0.01),其失擬項在α=0.05水平上為極顯著(P<0.01),純誤差項不顯著,其決定系數r2=0.874 3,說明該擬合方程與實際情況相符,且誤差較小,能充分反映出各因素與響應值之間的關系,其影響不是呈簡單的線性關系。通過該方程發現,各種因素之間存在著一定的交互作用,其中B、D、BC、A2、B2、C2、D2均呈極顯著影響(P<0.01),A呈顯著影響(P<0.05),C、AB、AC、AD、BD、CD均呈不顯著。
從單因素水平觀察,可以得出其影響順序為:B(超聲時間)>D(乙醇濃度)>A(液料比)>C(回流時間)。在有交互作用存在下,對禿瘡花生物堿含量的影響順序為:BC>BD>AB>CD>AD>AC。
2.3.3 響應面分析 從各因素之間兩兩相互作用的響應面圖形觀察,發現其中曲線走勢越陡,其影響越顯著(圖8);曲線走勢越平滑,其影響越小。超聲時間、乙醇濃度和液料比的圖形曲線走勢較陡,說明其影響最為顯著。由Design-Expert 7.0軟件進行系統分析,得出影響禿瘡花中生物堿含量的最佳提取工藝條件為:液料比15.14 mL/g、超聲時間34.49min、回流時間2.67h、乙醇濃度66.49%、生物堿含量為11.62%,結合實際操作過程中的局限性,最終確定修正后的工藝條件為:液料比15mL/g、超聲時間35min、回流時間2.5h、乙醇濃度65%,在此工藝下禿瘡花生物堿含量為9.33%。按照優化條件進行平行3組提取試驗,取平均值為9.06%,與理論值相差0.22%,說明采用響應面法優化的提取條件可靠。

圖6 超聲時間對提取效果的影響Fig.6 The effect of ultrasonic time on the extraction effect

圖7 浸提液pH值對提取效果的影響Fig.7 The effect of pH of extracts on the extraction effect

表1 響應面試驗因素水平Table 1 The response surface of level of factor
按照響應面法優選的最佳組合提取禿瘡花生物堿,并減壓濃縮至無醇味,用無菌蒸餾水將濃縮液稀釋為0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40mg/mL 8組濃度梯度,另作陽性和陰性對照進行測定,結果表明(表4),禿瘡花提取濃縮液對大腸埃希氏桿菌、白色念珠菌、綠膿桿菌3種供試菌的最小抑菌濃度分別為0.20,0.15和0.35mg/mL,最低殺菌濃度分別為0.15,0.10和0.30mg/mL。

表2 響應面試驗結果Table 2 The experiment result of response surface

表3 響應面試驗方差分析Table 3 The variance analysis of response surface

圖8 各因素之間的等高線圖和響應面圖Fig.8 The contour map and response surface graph between the various factors

表4 禿瘡花提取濃縮液最小抑菌濃度和最低殺菌濃度的測定Table 4 The concentrated liquid of the minimal inhibitory concentration and minimal bactericidal concentration extract from D.leptopodum 個No.
加入禿瘡花提取濃縮液前后,對照組(圖9A)的大腸埃希氏桿菌胞質均勻、細胞膜和細胞壁均完整,其切面呈明顯桿狀。加入禿瘡花提取濃縮液后的大腸埃希氏桿菌(圖9B),細菌外形已變為球形或不規則型,細胞壁變薄且不完整,有些菌體細胞壁部分脫落或消失,細胞壁外觀呈毛刺狀或輪廓模糊,結構不清晰且伴隨不同程度的凹陷變形,細胞外有溶出物溢出。

圖9 禿瘡花提取濃縮液加入前后大腸埃希氏桿菌透射電鏡圖(×50 000)Fig.9 The transmission electron microscopy images of E.coli pretreatment treated with concentrated liquid of extract from D.leptopodum (×50 000)
使用響應面法試驗設計,克服了正交設計只能處理離散的水平值,而無法找出整個區域上因素的最佳組合和響應值的最優值的缺陷,并能減少試驗次數,分析幾種因素間的交互作用,以達到較全面地反映各因素水平的效果[20-23]。本試驗首先考察了液料比、浸泡時間、回流時間、超聲時間、浸提液pH、乙醇濃度6組單因素水平對禿瘡花生物堿的影響,最終篩出4組主要因素進行響應面試驗設計,確定其最佳提取工藝條件為:液料比15mL/g、超聲時間35min、回流時間2.5h、乙醇濃度65%,在此條件下禿瘡花中生物堿含量為9.33%。
將禿瘡花按照響應面法試驗設計的最佳工藝進行提取,用其濃縮液對大腸埃希氏桿菌、白色念珠菌、綠膿桿菌進行抑菌試驗,發現對這3種供試菌的最小抑菌濃度分別為0.20,0.15和0.35mg/mL,最低殺菌濃度分別為0.15,0.10和0.30mg/mL。以大腸埃希氏桿菌為研究對象,進行50 000倍透射電鏡觀察,其抑菌效果顯著。
禿瘡花在甘肅省隴東南地區資源豐富,有解毒、清熱之功效。通過對禿瘡花中生物堿的響應面提取工藝及抑菌活性研究,為其資源的進一步深層次開發提供了基礎。
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