纖維素酶輔助提取蘆筍黃酮及其抗氧化活性分析

董孝元，方冬芬，楊 梅，朱軼婷，吳周和,*

（1.湖北工業大學生物工程學院，湖北 武漢 430068；2.湖北省衛生廳衛生監督局，湖北 武漢 430070）

纖維素酶輔助提取蘆筍黃酮及其抗氧化活性分析

董孝元1，方冬芬2，楊 梅1，朱軼婷1，吳周和1,*

（1.湖北工業大學生物工程學院，湖北 武漢 430068；2.湖北省衛生廳衛生監督局，湖北 武漢 430070）

以黃酮得率為指標，利用纖維素酶協同乙醇提取法從蘆筍中提取黃酮，采用響應面設計優化最佳提取工藝參數。結果表明：當液料比50∶1（mL/g）、酶添加量0.20%、乙醇體積分數38.90%、酶解時間1.50 h、酶解溫度50.0 ℃、pH 5.0時，蘆筍黃酮最高得率為3.99%。當樣品質量濃度達到100 μg/mL時，蘆筍黃酮對羥自由基的清除率為46.08%，蘆筍黃酮對超氧陰離子自由基的清除率為59.42%。小鼠體外抗氧化實驗表明，20 μg/mL蘆筍黃酮處理組超氧化物歧化酶（SOD）活力提高16.85%，丙二醛（MDA）含量減少2.49%。以D-半乳糖法亞急性衰老小鼠為模型，高劑量組小鼠血清和肝組織液SOD活力分別提高11.69%和27.62%，MDA含量分別減少38.04%和37.95%。

蘆筍；黃酮；提取；抗氧化性

蘆筍學名石刁柏，又名龍須菜、文山竹、細百葉等，是百合科天門冬屬多年生宿根性草本植物，已有2000多年的栽培歷史，原產于地中海沿岸和小亞細亞一帶，20世紀由歐洲傳入我國，現在國內各蔬菜產區均有種植。蘆筍是一種質地優良、營養豐富的保健型蔬菜，其中多種活性成分和微量元素含量高于一般的果蔬。鮮蘆筍含有的優質蛋白質、鈣、鐵、胡蘿卜素以及維生素，而其中含有的豐富天冬氨酸、賴氨酸、黃酮類化合物及蘆丁、槲皮素、甘露聚糖、甾體皂苷、多糖及葉酸等活性成分[1-3]。

蘆筍中的黃酮類成分主要有蘆丁、槲皮素、香櫞素、山柰素等[4-6]，能夠清除人體中超氧陰離子自由基、抗衰老和增加機體免疫力，具有抗腫瘤活性[7]、降血壓、降血脂、增進冠狀動脈血流量、軟化血管和防治冠心病、心絞痛等作用。研究[8]表明蘆筍可有效阻止腫瘤細胞的增殖，對抑制子宮頸癌、肝癌及可移植性腫瘤等有特殊療效，抑癌率達到32.4%。不同類型的黃酮類化合物極性不同，選擇的提取溶劑也不同[9]，蘆筍黃酮的提取方法主要有溶劑萃取法[10]、堿性稀醇提取法、酸性乙醇提取法[11]、微波輔助提取法[12]、超聲波輔助提取法[13]。

研究表明，在動物和人類代謝過程中產生活性氧（羥自由基、過氧化氫和超氧陰離子自由基）和活性氮（一氧化氮）。過量的自由基產生可以超過抗氧化酶如谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶及抗氧化物質如谷胱甘肽、VE或VC的生理抗氧化能力。由此，蛋白質、脂肪和DNA將成為自由基的攻擊的目標，導致酶、細胞膜和基因物質的損傷和功能失調[14-15]。自由基和活性氧加速衰老和組織損傷，引起心血管疾病、炎癥，導致神經退化性紊亂和癌癥[16-17]。目前研究黃酮類化合物抗腫瘤、抗突變、抗動脈硬化，降低毛細血管的滲透性和脆性等功能主要基于其抗氧化活性[18]。

本實驗以蘆筍為原料，通過添加纖維素酶探索出一條新的提取蘆筍黃酮的工藝路線，利用纖維素酶縮短提取時間，提取率也有提高。同時檢測蘆筍黃酮的體外和體內抗氧化能力，以期為進一步開發蘆筍功能性食品提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮蘆筍干燥粉碎過60目篩。

AlCl3、無水乙醇、冰醋酸、肝素鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、鄰苯三酚、抗壞血酸、硫酸亞鐵、過氧化氫、乙二胺四乙酸二鈉、番紅、D-半乳糖等均為分析純；超氧化物歧化酶測試盒、微量丙二醛測試盒、纖維素酶（15 U/mg） 武漢市創新化工生物技術有限公司。

1.2 儀器與設備

BP211D電子天平 德國Sartorius公司；TGL-16C高速臺式離心機 上海安亭儀器廠；KQ-300DE數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；UV-2000紫外光譜分析儀 尤尼柯（上海）儀器有限公司；WH-3型微型旋渦混合儀 北京長源實驗設備廠；DY89-Ⅱ型電動玻璃勻漿機 中山市衡新電子有限公司。

1.3 方法

1.3.1 標準曲線的制作

以蘆丁為標準樣品，稱取蘆丁8.0 mg，用20%乙醇溶解定容至100 mL，分別準確吸取蘆丁標準液0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL于6只比色管中，分別加入20%乙醇定容至5.0 mL，再分別滴加3.0 mL AlCl3溶液顯色，最后用蒸餾水定容至10.0 mL，搖勻，在417 nm波長處測定吸光度，以蘆丁質量濃度ρ為橫坐標，吸光度A為縱坐標繪制標準曲線。其回歸方程為：A=1.847 1ρ＋0.006 8（R2=0.999 2）。

1.3.2 蘆筍黃酮提取工藝

新鮮蘆筍經干燥、粉碎，然后纖維素酶水解，乙醇溶劑回流提取，取上清液，分離定容，采用AlCl3顯色法測定蘆筍黃酮的含量，按式（1）計算蘆筍黃酮得率。

式中：m1為黃酮的質量/g；m2為樣品的質量/g。

1.3.3 單因素試驗

準確稱取蘆筍粉末2.0 g，用乙醇溶液溶解，通過改變液料比、纖維素酶添加量、酶解時間、酶解溫度、乙醇溶液體積分數、溶液pH值，進行單因素試驗，根據提取液中黃酮含量，確定出各因素試驗的最佳值。

1.3.4 優化試驗

固定酶解溫度50 ℃、溶液pH 5.0，選取液料比、酶添加量、酶解時間、乙醇體積分數4個因素，以蘆筍黃酮得率為評價指標進行優化試驗，試驗結果采用響應面法進行分析，以獲得提取蘆筍黃酮的最佳條件[19-20]。響應面的因素水平見表1。

表 1 響應面試驗因素水平Table 1 Factors and levels used in response surface analysis

1.3.5 蘆筍黃酮體外抗氧化實驗

1.3.5.1 清除羥自由基的測定

參照靳菊清等[21]的方法，稱取純化后濃縮干燥的蘆筍黃酮10.0 mg，配制成20、40、60、80、100 μg/mL的溶液，在10 mL比色管中依次加入pH 7.4磷酸緩沖液1.0 mL，4.0 mmol/L EDTA-Na2-Fe2+1.00 mL，0.55 mg/mL番紅0.5 mL，3.20 mmol/L H2O21.0 mL，樣液加入6.5 mL。空白組不加入樣液，對照組不加入EDTANa2-Fe2+溶液，加入蒸餾水定容至10.0mL。各組反應體系建立后充分混勻，在35 ℃條件水浴中恒溫20 min，在520 nm波長處測定其吸光度。以VC溶液作為其抗氧化性的對照實驗。按式（2）計算羥自由基清除率。

式中：A為對照組吸光度；A0為空白組吸光度；An為實驗組吸光度。

1.3.5.2 清除超氧陰離子自由基的測定

參照劉文穎等[22]的方法，稱取純化后濃縮干燥的蘆筍黃酮10.0 mg，配制成20、40、60、80、100 μg/mL的溶液，將0.05 mol/L Tris-HC1溶液4.5 mL置于25 ℃條件水浴中加熱20 min后，加入1.0 mL雙蒸餾水，水浴平衡20 min后，再加入25 mmol/L鄰苯三酚溶液0.4 mL，迅速混勻，混勻立即于波長325 nm處測定吸光度，每30 s測定1次吸光度，共測240 s，計算鄰苯三酚的自氧化速率A0，測定加入樣液的鄰苯三酚自氧化速率Aj，以雙蒸餾水代替鄰苯三酚，做空白實驗。以VC溶液作為其抗氧化性的對照實驗。按式（3）計算超氧陰離子自由基清除率。

1.3.5.3 超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活力的測定

參照崔京偉等[23]的方法，小鼠摘除眼球，眼眶取血，將血液取至已加入肝素鈉溶液的離心管中，4 000 r/min離心15 min，分離血清，取小鼠血清30 μL，加入不同質量濃度的蘆筍黃酮于試管中混勻，37 ℃條件下水浴2 h，使其充分氧化。將試管在漩渦混勻器充分混勻，室溫放置10 min，在550 nm波長處測各管吸光度，按式（4）計算SOD活力。式中：A0為對照管吸光度；Aj為測定管吸光度；N為反應體系的稀釋倍數。

1.3.5.4 丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量的測定參照龐中磊等[24]的方法，取小鼠血清液0.1 mL，加入不同質量濃度的蘆筍黃酮于試管中混勻，37 ℃條件下水浴2 h，測定小鼠血清中MDA含量。將試劑混勻，

95 ℃條件下水浴40 min，取出后流水冷卻，在532 nm波長處測各管吸光度。0

式中：Ai為測定管吸光度；Ai0為測定空白管吸光度；Aj為標準管吸光度；Aj0為標準空白管吸光度；ρ0為標準液質量濃度。

1.3.6 蘆筍黃酮體內抗氧化實驗

1.3.6.1 D-半乳糖亞急性衰老小鼠模型的建立[22]

將體質量為（20±2）g健康成年小鼠，適應性飼養7 d，動物在整個實驗過程中飼養于溫度恒定在23～25 ℃的動物房內，并能自由取食和飲水，飼料為同濟醫學院動物房提供，水為自來水。一周后，將小鼠隨機分為5組，分別為模型對照組、空白對照組、蘆筍黃酮低、中、高劑量組。除空白對照組外，其余各組每天頸背部皮下注射D-半乳糖溶液（0.1 g/kg），空白對照組注射同等劑量生理鹽水，低、中、高劑量組每天分別按100、200、400 mg/kg劑量灌胃，空白對照組和模型對照組每天用同等劑量的蒸餾水灌胃，連續注射、灌胃40 d。

1.3.6.2 樣液的制備

小鼠在末次給藥、注射12 h后，摘除眼球，眼眶取血，將血液取至已加入肝素鈉溶液的離心管中，4 000 r/min離心15 min，分離血清，隨即將小鼠脫頸處死，解剖取其肝組織，在冰冷的生理鹽 水中漂洗，除去殘留血液，濾紙吸干水分并稱質量，冰浴條件下勻漿，制成1%的懸浮液，離心，取其上清液備用。

1.3.6.3 超氧化物歧化酶活力的測定

參照崔京偉等[23]的方法，測定小鼠血清和肝組織超氧化物歧化酶活力。

1.3.6.4 MDA含量的測定

參照楊國強等[25]的方法，測定小鼠血清和肝組織MDA含量。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 液料比對蘆筍黃酮得率的影響

圖1 液料比對蘆筍黃酮得率的影響Fig.1 Effect of liquid/material ratio on the yield of flavonoids

準確稱取蘆筍粉2.0 g，按照液料比為20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1（mL/g）依次添加0.2%的纖維素酶且調pH 5.0的20%乙醇水溶液，充分振蕩搖勻，50 ℃條件下恒溫水浴水解2 h，沸水浴中滅活8 min，冷卻，離心，吸取上清液，定容測定其吸光度A。由圖1可以看出，蘆筍黃酮得率隨著提取液用量的增加而升高，在50∶1（mL/g）時上升趨勢減緩，隨后基本平衡，說明一定比例的溶劑已將有效成分基本溶出，故選擇液料比為50∶1（mL/g）。

2.1.2 酶添加量對蘆筍黃酮得率的影響

圖2 酶添加量對蘆筍黃酮得率的影響Fig.2 Effect of enzyme dose on the yield of flavonoids

固定液料比50∶1（mL/g），依次精確加入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%纖維素酶。從圖2可以看出，纖維素酶含量從0.1%～0.2%時，得率逐步增大， 酶添加量繼續增加，蘆筍黃酮得率并沒有增加，因此選擇酶添加量為0.2%。

2.1.3 酶解溫度對蘆筍黃酮得率的影響

圖3 酶解溫度對蘆筍黃酮得率的影響Fig.3 Effect of hydrolysis temperature on the yield of flavonoids

由圖3可知，酶解溫度在20～50 ℃間，蘆筍黃酮得率隨著溫度升高而增大，當溫度大于50 ℃時，得率快速下降。溫度升高，分子運動速度加快，滲透擴散，溶解速度加快，同時溫度可引起細胞膜結構的變化，使黃酮類化合物由蘆筍的植物細胞擴散到溶液中，但是過高溫度可引起蛋白質變性，纖維素酶活性降低，導致其得率降低。因此，最佳溫度選擇50 ℃。

2.1.4 pH值對蘆筍黃酮得率的影響

圖4 pH值對蘆筍黃酮得率的影響Fig.4 Effect of hydrolysis pH on the yield of flavonoids

由圖4可知，當提取溶液pH值在3.5～5.0范圍時，蘆筍黃酮得率隨pH值升高而增大。隨后，pH值升高得率降低。在pH 5.0時，蘆筍黃酮的得率最大。這是由于pH值增加，纖維素酶的活性逐步增強，在pH 5.0左右，酶的活性達到最佳，其后隨pH值增加而酶的活性降低，因此選擇最佳pH 5.0為宜。

2.1.5 乙醇體積分數對蘆筍黃酮得率的影響

由圖5可以看出，乙醇體積分數增加，蘆筍黃酮得率增大，當乙醇體積分數達到40%時，蘆筍黃酮得率最大，但超過40%后，蘆筍黃酮得率有所下降，這是由于一些醇溶性雜質、色素等成分溶出量增加，體積分數過高使得纖維素酶的活力降低，從而導致黃酮得率下降，故乙醇體積分數選擇40%。

圖5 乙醇體積分數對蘆筍黃酮得率的影響Fig.5 Effect of ethanol concentration on the yield of flavonoids

2.1.6 酶解時間對蘆筍黃酮得率的影響

圖6 酶解時間對蘆筍黃酮得率的影響Fig.6 Effect of hydrolysis time on the yield of flavonoids

由圖6可以看出，蘆筍黃酮的得率在1 h較低，在1～2 h之間，隨時間的延長而增大，2 h明顯增加，在2 h之后得率增長緩慢，說明當提取到一定的時間時，蘆筍中黃酮類化合物基本全部溶出，從時間效益來考慮確定酶解時間確定為2 h。

2.2 蘆筍黃酮類化合物提取的響應面分析

2.2.1 響應面試驗

根據表2試驗結果，經回歸擬合后，各試驗因子對響應值的影響可通過以下回歸方程表示：

由表3可知，各因素影響程度從大到小依次為：酶解時間X3＞乙醇體積分數X4＞液料比X1＞酶添加量X2。二次項X1X4對Y值的影響顯著（P＜0.1），說明該回歸模型不是簡單的線性關系，各因素之間具有一定的交互作用，回歸模型得到F1=8.49，相應的概率值0.000 34，失擬性檢驗分析得相應的概率為0.000 45，說明該方程的模型擬合程度很好，無失擬性因素存在，回歸模型與實測值能較好地擬和。對回歸方程可信度進行分析，見表4，相關系數R2=90.83%，表明該模型擬合較好，并且該實驗Y的變異系數較低，為3.28%，說明該模型的可靠性良好。

表 2 響應面試驗設計與結果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表 3 回歸方程的方差分析Table 3 Analysis of variance for the regression equation

根據所建立的數學模型結合SAS軟件給出的最大響應面值對應的X的編碼值X1=0.012，X2=-0.028， X3=0.26，X4=-0.028，通過對編碼值進行換算，得液料比50.61∶1（mL/g）、酶添加量0.19%、酶解時間1.49 h、乙醇體積分數38.90%，代入回歸方程計算得到蘆筍黃酮得率4.02%。

表 4 回歸模型可信度分析Table 4 Reliability analysis of the regression model

2.2.2 驗證實驗

為了檢驗模型預測的準確性，在上述優化條件下共重復4次平行驗證實驗，同時考慮到實際操作的便利，以液料比50∶1（mL/g）、酶添加量0.2%、乙醇體積分數38.90%、酶解時間1.5 h、酶解溫度50 ℃、pH 5.0進行實驗，蘆筍黃酮得率平均值為3.99%，與理論預測值相近，在誤差允許的范圍內，該模型擬合效果較好，故采用響應面法可以得到準確可靠的工藝參數。

2.3 蘆筍黃酮的抗氧化活性

圖7 蘆筍黃酮對羥自由基的清除能力Fig.7 Scavenging activity of asparagus flavonoids on hydroxyl free radicals

由圖7可看出，高質量濃度的VC對羥自由基的清除率達到60%左右，蘆筍黃酮對羥自由基的有一定的清除作用，當樣品質量濃度達到100 μg/mL時，蘆筍黃酮對羥自由基的清除率達到46.08%。

圖8 蘆筍黃酮對超氧陰離子自由基的清除能力Fig.8 Scavenging activity of asparagus flavonoids on superoxide anion free radicals

由圖8可看出，當VC質量濃度為60 μg/mL時，對超氧陰離子自由基的清除率為84.73%，蘆筍黃酮均對超氧陰離子自由基有一定的清除作用，且隨著質量濃度的增加清除率在不斷上升，在實驗質量濃度內都呈現了較好的量效關系，當樣品質量濃度達到100 μg/mL時，蘆筍黃酮對超氧陰離子自由基的清除率達到59.42%。

圖9 蘆筍黃酮對體外小鼠血清超氧化物歧化酶（SOD）活力的影響Fig.9 Effect of asparagus flavonoids on SOD activity in mouse serum

由圖9可見，不同質量濃度蘆筍黃酮對小鼠血清SOD活力有提高作用，5、10、20 μg/mL蘆筍黃酮處理組小鼠血清SOD的活力相對于空白對照組提高0.52%、5.93%、16.85%。

蘆筍黃酮降低了小鼠血清中的MDA含量，當樣品質量濃度為20 μg/mL時，蘆筍黃酮使小鼠血清中的MDA含量降低2.49%。

圖10 蘆筍黃酮對小鼠血清和肝組織SOD活力的影響Fig.10 Effect of asparagus flavonoids on SOD activity in mouse serum and liver tissue

圖11 蘆筍黃酮對小鼠血清和肝組織MDA含量的影響Fig.11 Effect of asparagus flavonoids on the content of MDA in mouse serum and liver tissue

由圖10可知，蘆筍黃酮低劑量組、中劑量、高劑量組對小鼠血清中SOD活性相對于模型對照組分別提高3.33%、14.98、11.69%；蘆筍黃酮低劑量組、中劑量、高劑量組對小鼠肝臟組織液中SOD活性相對于模型對照組提高11.58%、24.51%、27.62%

由圖11可見，蘆筍黃酮低劑量、中劑量組、高劑量組小鼠血清MDA含量相對于模型對照組降低分別為17.15%、30.01%、38.04%。蘆筍黃酮低劑量、中劑量組、高劑量組小鼠肝組織MDA含量相對于模型對照組降低分別為10.60%、17.61%、37.95%。

3 結 論

先經單因素試驗初步確定影響因素，再用響應面法建立二次回歸模型，確定出蘆筍黃酮的最佳提取工藝為液料比50∶1（mL/g）、酶添加量0.2%、乙醇體積分數38.90%、酶解時間1.5 h、酶解溫度50 ℃、pH 5.0，總黃酮得率平均值為3.99%。當樣品質量濃度達到100 μg/mL時，蘆筍黃酮對羥自由基的清除率分別為46.08%；當樣品質量濃度達到100 μg/mL時，蘆筍黃酮對超氧陰離子自由基的清除率分別59.42%；測定血清中SOD活力和MDA含量。結果表明蘆筍黃酮能提高小鼠血清中SOD活力，減少MDA含量。采用D-半乳糖法建立小鼠亞急性衰老模型，測定小鼠血清和肝組織液中SOD活力和MDA含量，結果表明蘆筍黃酮能提高小鼠血清和肝組織液中SOD活性，有效地減少MDA含量，具有較強的抗脂質過氧化的能力。

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Extraction and Antioxidant Activity of Asparagus Flavonoids

DONG Xiao-yuan1, FANG Dong-fen2, YANG Mei1, ZHU Yi-ting1, WU Zhou-he1,*
(1. College of Bioengineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China; 2. Health Inspection and Supervision Bureau, Health Department of Hubei Province, Wuhan 430070, China)

The present study was carried out to obtain the optimal process conditions for extracting the maximum amount of flavonoids from asparagus. For the extraction of flavonoids, dried and powdered asparagus was refluxed with aqueous ethanol following hydrolysis with cellulase. Various process parameters were optimized by response surface methodology. Results indicated that the optimal extraction conditions were enzymatic hydrolysis at an enzyme dose of 0.20% for 1.5 h at pH 5.0 followed by refluxing with 38.90% ethanol at a solvent-to-solid ratio of 50:1 (mL/g). Under these conditions, the maximum extraction yield of flavonoids from asparagus was 3.99%. The flavonoids extracted from asparagus at the concentration of 100 μg/mL were able to scavenge 46.08% hydroxyl radical and 59.42% superoxide anion radical. In vitro antioxidant tests showed that treatment with concentration of 20 μg/mL flavonoids resulted in a 16.85% increase in superoxide dismutase (SOD) activity and a 2.49% reduction in malondialdehyde (MDA) content of mouse serum. SOD activity in serum and liver tissue homogenate supernatant from D-galactose induced mouse aging model was increased by 11.69% and 27.62% as a result of this treatment, and MDA content was reduced by 38.04% and 37.95%, respectively.

asparagus; flavonoid; extraction; antioxidant activity

TS201.2

A

1002-6630（2014）06-0017-07

10.7506/spkx1002-6630-201406004

2012-09-13

湖北省自然科學基金項目（2010CDB02506）

董孝元（1988—），男，碩士，主要從事食品生物與活性成分研究。E-mail：674089612@qq.com

*通信作者：吳周和（1961—），男，教授，學士，主要從事天然產物化學研究。E-mail：wuzhouhe@mail.hbut.edu.cn