王洪新
吳 穎1
寇興然1
馬朝陽1,2
郭 珣1
黃 鐵1
(1. 江南大學食品學院,江蘇 無錫 214122;2. 國家功能食品工程技術研究中心﹝江南大學﹞,江蘇 無錫 214122)
牡丹中黃酮類化合物的研究進展
王洪新1,2
吳 穎1
寇興然1
馬朝陽1,2
郭 珣1
黃 鐵1
(1. 江南大學食品學院,江蘇 無錫 214122;2. 國家功能食品工程技術研究中心﹝江南大學﹞,江蘇 無錫 214122)
文章歸納了牡丹中黃酮類化合物的研究進展,對其提取、分離純化方法及生物活性作了較為系統的總結,并對牡丹中黃酮類化合物的研究前景進行了展望,以期為其深入開發與應用提供依據。
牡丹;黃酮;提取;分離;鑒定
牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr.),多年生落葉灌木,屬毛茛科、芍藥屬,又名鹿韭、白術、木芍藥、百兩金、花王、國色、天香、富貴花、谷雨花[1]。在中國牡丹種質資源豐富,栽培面積大,生態適應性強,主要分布于河南、山東、湖北、甘肅、重慶、安徽等地。牡丹除具有重要的觀賞、文化價值外,還具有重要的藥用和經濟價值。牡丹屬植物含有多酚、黃酮等多種生物活性成分,具有抗氧化、抗凝血、鎮靜止痛、降低血糖、抗骨質疏松等作用[2]。牡丹根皮可入藥,稱“丹皮”,《中國藥典》2015版記載,丹皮可“清熱涼血、活血化瘀”。丹皮主要活性成分為丹皮酚,其具有抗動脈粥樣硬化、抗心律失常、擴張血管、抗缺血再灌注損傷等作用[2]。牡丹籽可用于榨油,2011年牡丹籽油已獲批為新資源食品,其富含α-亞麻酸(38.66%),能夠抑制脂肪合成、降低血脂[3]。此外,牡丹籽粕還是天然多糖的優良來源[4]。
近年來,不斷有文獻報道牡丹花瓣、花蕊[5]9-17、種皮[6]、葉[7]21-32、根皮[8-9]等部位中含有豐富的黃酮類化合物。黃酮類化合物(Flavonoids)泛指結構中含有2個苯環通過3個碳原子連接而成的一系列化合物。根據分子骨架及羥基的差異,可分為黃酮(Flavones)、黃酮醇(Flavonols)、黃烷酮(Flavanones)、黃烷醇(Flavanonols)、二氫黃酮醇(Flavanols)、異黃酮(Isoflavones)、花青素(Anthocyanidins)[10]。經試驗[5]36-43[7]45-53[11-12]證實,牡丹中的黃酮類化合物具有抗氧化、抑菌、清除亞硝酸鹽等活性,這些研究對于深入認識和理解牡丹的藥用、保健價值具有重要作用。
本文總結了國內外有關牡丹中黃酮類化合物的提取、分離純化及生物活性的最新進展,旨在為牡丹中黃酮類化合物的深入研究提供參考,實現牡丹資源的高效利用,提升其產業附加值。
1.1 傳統提取法
傳統提取法又分為溶劑提取法、水提取法、堿液提取法、系統溶劑提取法等。對于苷類和極性較大的苷元,可選擇用甲醇、乙醇、水、乙酸乙酯、丙酮或極性較大的混合溶劑。而大部分的苷元則適宜用極性較小的溶劑,如氯仿、乙醚等提取。以55%乙醇為溶劑提取牡丹花中總黃酮,經45 min提取,總黃酮提取率為6.08%[13]。而相較70%乙醇水溶液、1%鹽酸甲醇等溶劑,用1%β-環糊精水溶液提取菏澤牡丹花中總黃酮和花色苷的含量最高[5]7-11。用甲醇提取牡丹花瓣,再采用HPLC-DAD、HPLC-MS鑒定黃酮類物質結構,最終可得到槲皮素、山柰酚、異鼠李素、木犀草素、芹菜素、甲氧基木犀草素等黃酮類物質[14]。牡丹根皮總黃酮在料液比1∶40 (g/mL)、乙醇體積分數60%、提取溫度55 ℃條件下總得率為3.11 mg/g[8]。值得注意的是, 當乙醇濃度80%、料液比1∶20 (g/mL)、勻漿時間4 min、勻漿次數2次時,測得牡丹種皮黃酮含量高達52.19 mg/g,遠高于其它植株部位。
1.2 超聲輔助提取法
超聲波提取法是在溶劑提取的基礎上加以超聲波處理的過程。該方法具有許多優點,如工藝簡單、效率高、不破壞黃酮類物質熱敏成分等,所以被廣泛應用于植物中黃酮等生物活性物質的提取。超聲波輻射壓強產生騷動效應、空化效應和熱效應,超聲輔助提取法就是利用該原理加速目標物質的擴散及溶解,從而有效地提高目標成分的得率及含量[15]。在70%乙醇、料液比1∶20 (g/mL),頻率22 kHz,超聲處理時間10 min條件下提取牡丹花中黃酮,提取率達91.5%[16],較常規提取方法具有溫度低、效率高、能耗低、節省溶劑等優點。而在乙醇體積分數55%、料液比1∶20 (g/mL)、超聲時間40 min、超聲功率140 W時,牡丹種皮黃酮最大得率為46.05%[6]。在提取條件為:料液比1∶20 (g/mL),乙醇體積分數80%,超聲頻率20 kHz,超聲時間30 min時,牡丹花蕊中總黃酮含量為18.85 mg/g[17]。
1.3 微波輔助提取法
微波輔助提取是指溶劑與微波在特定的微波反應器中作用,使物料中目標成分得以溶出的過程。在微波作用時,吸收微波能力的差異,使得物料或體系中的某些特定成分被選擇性加熱,細胞內溫度上升,壓力也不斷增大,而這些被加熱的組分相對較易從體系中分離,進入到介電常數較小、微波吸收能力較差的萃取溶劑中,從而實現有效成分的提取。微波萃取技術具有較高的選擇性、節省溶劑、快速高效、安全無污染等優點[18-19]。在70%乙醇,料液比1∶25(g/mL),微波處理20 min條件下,提取牡丹葉中總黃酮含量為1.97%,純度為10.56%,優于超聲提取得到的總黃酮[7]28-32。
1.4 酶解法
酶的種類、濃度、孵育溫度、酶解時間和pH值是影響牡丹總黃酮得率的重要因素[20]。使用酶解法提取牡丹中黃酮類物質時,應根據牡丹不同植株部位、黃酮類物質種類及性質來選擇最佳的酶及酶解條件,以獲得較高得率。將0.2 mg/mL的纖維素酶和 0.1 mg/mL 的果膠酶復合,在酶解液初始 pH 4.5、50 ℃條件下,酶解120 min,牡丹花總黃酮最終產量比傳統乙醇提取法提高了19.8%[21]。采用纖維素酶酶解牡丹葉,在最佳工藝條件下(酶用量12.5 U/mL,pH 4.5,酶解溫度45 ℃,酶解時間4 h)黃酮提取率為2.43%[11]。在果膠酶濃度為0.05 mg/mL、酶解溫度45 ℃、酶解時間180 min、pH 4.5時,總黃酮得率可達到74.839 mg/g,較乙醇法提取所得黃酮的得率顯著提高[22]。
1.5 閃式提取法
閃式提取法需要使用閃式提取器,憑借閃式提取器高速運轉時的剪切力,快速破碎植物組織,釋放出目標成分,再通過過濾實現黃酮類物質的提取。以牡丹花粉為原料,比較閃式提取和水浴回流2種方法所得提取物的抗氧化性能,發現:DPPH自由基清除試驗中,當提取物濃度為40 mg/mL,IC50分別為20.3,20.9 mg/mL;還原力測定試驗中,提取物濃度為15 mg/mL 時,吸光度分別為 0.71,0.72。2種提取方法的提取物抗氧化能力相近[23]。
1.6 超高壓提取法
超高壓提取指于常溫條件下,將一定壓力作用于料液,保持一段時間使細胞內外壓力達到平衡再迅速撤去壓力。細胞內外滲透壓力差突然變大,細胞膜結構發生變化,細胞內有效成分溶出,從而實現提取。在壓力350 MPa、乙醇濃度70%、料液比1∶40 (g/mL)、壓力保持時間9 min的最佳工藝時,菏澤牡丹花黃酮提取率為(1.399±0.040)%[5]11-18。
2.1 薄層層析色譜法
采用薄層層析法對不同品種的牡丹花中黃酮物質進行初步分析,展開劑體積比為正丁酸∶冰乙酸∶水=6∶1∶2,根據薄層層析纖維板上斑點的出現及其顏色,得出白、黃、綠牡丹花中不含有花色苷,而紫紅色花系則可能含有矢車菊素及其衍生物和芍藥素及其衍生物,粉色、紅色系花可能含有天竺葵素及其衍生物[24]。此后依次使用氨氣、濃鹽酸對各樣品薄層層析纖維板進行熏處理,將樣品的Rf值與標品對照并結合熏蒸前后斑點顏色的變化,得出粉色系花瓣中可能含有天竺葵素-3,5-二葡糖苷、芍藥花素-3,5-二葡糖苷的1種或2種;紫色系花則可能含有矢車菊素-3-葡糖苷,所有樣品中都含有黃酮和/或黃酮醇物質。
2.2 大孔吸附樹脂
大孔吸附樹脂是一類有機高分子聚合物,是柱色譜常用的一種吸附劑,因其處理量大、分離效果好而被廣泛應用于黃酮類物質的分離純化。牡丹中黃酮類化合物的分離純化主要是采用大孔吸附樹脂,大孔樹脂具有物理化學穩定性高、解吸條件溫和、使用周期長、易于再生、操作簡單、節省費用等優點。在對牡丹中黃酮類物質進行定性、定量分析及純化精制等方面,大孔樹脂具有良好應用前景。
王晶[25]以總苷含量為指標,考察了D101、ZTC-1、DM301 3種大孔吸附樹脂對牡丹皮總苷分離純化的作用,并優化了ZTC-1樹脂純化牡丹皮總苷的工藝,牡丹皮總苷最終含量達59%。與先用超濾膜超濾后,經大孔吸附樹脂吸附相比,先經大孔吸附樹脂吸附,再用分子超濾膜超濾所得的黃酮得率和純度均有提高[7]33-40。因此,用大孔吸附樹脂進行吸附之后進行超濾,對提高樣品的含量及純度都具有積極意義。
2.3 高效液相色譜法
牡丹中黃酮類物質的結構鑒定多采用高效液相色譜法,該法具有分析速度快、分離效果好、儀器自動化程度高等優點,且通常使用反相C18色譜柱[26]。
趙偉等[27]先以70%乙醇提取牡丹花瓣中黃酮類物質,再用多種色譜方法對其進行分離純化后,采用1H-NMR、13C-NMR和MS波譜學數據鑒定黃酮類物質的結構,得到9種黃酮類化合物。其中,柯伊利素-7-O-β-D-吡喃葡萄糖苷、二氫山柰酚-7-O-β-D-吡喃葡萄糖苷、野漆樹和山柰酚-3-O-β-D-吡喃葡萄糖苷均為牡丹中首次分離得到。利用UPLC-PDA和UPLC-Q-TOF MS技術從“鳳尾”“鳳丹白”“西施”等7種江南牡丹品種的花瓣中檢測出了15種類黃酮成分,其中有4種花色苷成分,7種黃酮,4種黃酮醇[28]。西北牡丹中含有的花色苷類物質主要為天竺葵素、矢車菊素、芍藥花色素及其糖苷;黃色牡丹花中主要的黃酮類物質為芹菜素、蘆丁、金圣草黃素、山柰酚、槲皮素及異鼠李素[12]。而中原牡丹花經HPLC及HPLC-DAD-ESIMS等技術分析,可確認5種花色苷、3種黃酮醇苷、6種黃酮苷[29]。
目前,對牡丹中黃酮提取物生物活性的研究相對不足,且多集中于抗氧化活性方面。體外抗氧化試驗發現,牡丹花黃酮的抗氧化活性與總黃酮含量及部分黃酮組分的化學結構有關:酚羥基數量越多抗氧化活性越強;苷元形式比其他糖苷形式活性強,單糖苷的抗氧化活性強于二糖苷[5]42-44。牡丹葉總黃酮也具有顯著的抗氧化活性,但不同提取分離純化方法可影響牡丹葉中總黃酮的抗氧化效果。大孔吸附樹脂純化的提取物效果最好,微波萃取次之,乙醇浸泡提取物抗氧化能力最小[7]42-54。牡丹葉黃酮還具有良好的清除亞硝酸鹽能力,反應溫度70 ℃、pH 4.0、提取液用量25 mL、反應時間20 min時,牡丹葉總黃酮對亞硝酸鹽的清除率為62.15%[11]。牡丹種皮黃酮提取物對2,2-聯氨-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二胺鹽(ABTS)自由基的清除能力高于2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)[30]。
植物提取物的功能與生物活性與其所含活性成分密切相關。如前所述,牡丹黃酮提取物中主要為芹菜素、山柰酚、木犀草素等。除具有顯著的抗氧化活性外,這些黃酮類化合物還具有抗炎、抗癌、保護心血管、預防神經退行性疾病、維護骨骼健康、抑制微生物等多種生物活性[31]。了解這些黃酮類化合物的生物活性,對開展牡丹黃酮的活性研究具有重要的參考價值。
3.1 抗炎
NF-κ B的激活會增強促炎因子、趨化因子及酶(如:TNF,IL-1,IL-6,IL-8,COX-2,iNOS)的表達。木犀草素能夠在微摩爾濃度時抑制NF-κB的活性[32-33],山柰酚可抑制NF-κB[34-35]、TNF-α[36]、IL-1 及 IL-8 的表達[37]。激活蛋白是由許多參與炎癥反應因素組成的轉錄調節因子,山柰酚能夠抑制激活蛋白的活化[38]。環氧合酶、脂肪氧化酶及一氧化氮合成酶通過合成類二十烷酸、增加活性氧化組分產量在炎癥反應中起主要作用。據報道山柰酚可抑制COX-2[39]、脂肪氧化酶[40]及NOS[41]的活性。芹菜素在用于治療呼吸系統疾病時具有較強的清除氧自由基和抑制炎癥作用。體內試驗[42-43]證明芹菜素可通過抑制肺組織中嗜酸性粒細胞滲出及提高免疫細胞因子水平來抑制呼吸炎癥。
3.2 抗癌
木犀草素不僅可預防體內、體外由不同致癌物引起的DNA突變[44],還能夠誘導多種癌細胞的凋亡[45]。芹菜素可通過抑制上皮間質轉換、誘導細胞凋亡及自噬[46]、抵抗癌癥發生及發展。流行病學試驗表明食用富含山柰酚的食物會降低罹患肺癌[47]、胃癌[48]、胰腺癌[49]及卵巢癌[50]等癌癥的發病率。山柰酚及某些糖苷會誘導多種癌細胞的凋亡,包括肺癌[51]、乳腺癌[52]、肝癌[53]、食道癌[54]、卵巢癌[55]等。此外,山柰酚還可以增強抗癌藥物的療效。山柰酚能增強癌細胞對于鉑化合物[56]、5-氟尿嘧啶[57]、阿糖胞苷[58]、阿霉素[59]、米托蒽醌及伊立替康代謝物[60]的敏感性。
3.3 保護心血管
芹菜素可通過調節PI3K/Akt信號通路來降低細胞粘附分子的表達,從而緩解內皮細胞中由免疫細胞滲透增強及炎癥級聯反應引發的心血管疾病[61]。山柰酚具有抑制血管緊張肽轉錄酶(將血管緊張肽I轉化成血管緊張肽II從而造成血壓上升)[62]、誘導血管舒張[63]、抗血小板及血栓形成[64]的作用。異鼠李素具有抗心肌缺氧缺血,抗心律失常和降低血清膽固醇,促進血流通暢等作用,目前已用于臨床心血管疾病的治療。
3.4 預防神經退行性疾病
山柰酚、山柰酚糖苷可能具有保護神經活性,并在阿茲海默癥、帕金森及亨廷頓氏舞蹈病的發展中起到保護作用[65-66]。木犀草素及其某些糖苷可通過降低氧化應激壓力、清除免疫反應及降低淀粉樣蛋白產生來預防神經退行性疾病[67]。
3.5 維護骨骼健康
山柰酚可抑制絕經后骨質流失,促進成骨細胞礦化及體內細胞的形成[68-69]。山柰酚具有骨髓代謝活性,可充分抑制骨髓脂肪形成[70]。體內試驗證明芹菜素可提高礦物質含量及增強骨密度[71],抑制破骨細胞活性,增強破骨細胞中鈣質沉淀[72]。
3.6 抑制微生物
山柰酚其及糖苷可協同抗生素(如:利福平、萬古霉素、甲氧西林、紅霉素及克林霉素)抑制耐抗生素細菌[73],說明山柰酚可與抗生素聯合用于抗菌治療。山柰酚還可抑制單純皰疹病毒[74]、巨細胞病毒[75]、流感病毒[76]及人類免疫缺陷病毒(HIV)[77]等病毒的活性。木犀草素及其糖苷也表現出抑菌[78]、抗病毒[79]及抗真菌活性[80]。
3.7 其他活性
山柰酚及其糖苷還具有抗焦慮、止痛、過敏及平喘活性[81]。木犀草素可通過抑制組胺釋放等途徑實現抗過敏活性[82]。芹菜素可保護肝臟免于食物中呋喃、亞硝基二乙基胺等有害物質誘導的氧化應激DNA損傷[83]。
值得注意的是,植物提取物中往往同時含有多種黃酮類化合物,這些黃酮類化合物之間可能存在協同或拮抗效應,從而對其抗氧化、抗炎等多種生物活性產生重要影響。例如,Maria Hidalgo等[84]比較了單一黃酮成分與混合黃酮成分的抗氧化能力。DPPH清除自由基活性中,大部分黃酮混合后表現出拮抗作用,而山柰酚和楊梅素混合后則表現出協同作用。在FRAP指標中,表兒茶素及槲皮素-3-β-葡萄糖苷表現出最強的協同作用,而楊梅素與槲皮素則表現出拮抗作用。因此,當評價整個食物體系的抗氧化活性時,其試驗結果與食物體系中含有的黃酮類化合物之間的協同或拮抗作用有關。Harasstani等[85]研究了白楊素、山柰酚、桑色素、水飛薊素、槲皮素、香葉木苷及橙皮苷在LPS-誘導的巨噬細胞模型中抑制一氧化氮、前列腺素及腫瘤壞死因子分泌的效應,結果表明山柰酚及白楊素組合具有顯著的協同作用。牡丹黃酮中含有芹菜素、山柰酚、木犀草素多種黃酮類化合物,因此在開展牡丹黃酮生物活性研究時,應對這些黃酮類化合物之間可能存在的協同或拮抗效應給予重視。
目前國內外對牡丹中黃酮類化合物的研究尚不全面。牡丹根皮、種皮等部位植物組織木質素、纖維素含量高、質地堅硬,傳統方法難以將黃酮類化合物充分提取出來。提取方法的選擇,應根據提取組織部位、黃酮存在形式及其理化性質等因素綜合考慮。傳統溶劑提取法具有選擇性差、提取不充分、黃酮類物質的活性受到影響等缺點,而超聲輔助提取、微波輔助提取、超臨界流體萃取、雙水相萃取分離等新方法能夠較好地克服這些缺點,并具有省時、高效、保護有效成分等優點。因此牡丹中黃酮類物質的提取應采用新方法并不斷優化、改進,使提取過程更加高效。
盡管牡丹多個植株部位已證明含有大量黃酮類化合物(花瓣外除),但其物質組成尚未鑒定。因此,亟需采用高速逆流色譜、超高效液相串聯質譜等先進的分離純化及結構鑒定手段鑒定其物質組成,以明確牡丹黃酮提取物發揮生物活性的物質基礎。
值得注意的是,在研究牡丹黃酮提取物生物活性時,黃酮類化合物之間的協同與拮抗效應、黃酮糖苷與苷元之間的消化吸收及活性差異應給予重視。
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Research progress of peony (Paeonia suffruticosa Andr.) flavonoids
WANGHong-xin1,2
WUYing1
KOUXing-ran1
MAChao-yang1,2
GUOXun1
HUANGTie1
(1.SchoolofFoodScienceandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China;2.NationalEngineeringResearchCenterforFunctionalFood,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)
This review focused on the recent progress of peony (PaeoniasuffruticosaAndr.) flavonoids. Extraction, separation, purification methods of peony flavonoids as well as their biological activities were summarized. An outlook on the peony flavonoids was also put forward for future research.
peony; flavonoids; extraction; purification; identification
中央高校基本科研業務費專項(編號:JUSRP51501);國家級大學生創新創業訓練計劃項目資助(編號:201610295052)
王洪新(1964—),男,江南大學教授,博士生導師。 E-mail∶hxwang@jiangnan.edu.cn
2016—11—30
10.13652/j.issn.1003-5788.2017.07.042