牡丹籽粕總黃酮類物質的超聲輔助提取工藝及其抗氧化活性

馬文濤，王少云，張 鑫，李皓瑜

(延安大學 化學與化工學院，陜西 延安 716000)

牡丹( Paeonia suffruticosa Andr.) 為毛茛科芍藥屬落葉灌木[1]，分為觀賞牡丹和油用牡丹兩大類，油用牡丹結籽量大、適應性強，且油品品質較佳，具有很好的經濟效益、生態效益及社會效益[2]，因而被廣泛種植在山東、安徽、河南、陜西等地[3]。2011年，牡丹籽油通過國家新資源食品認證，但牡丹籽粕作為牡丹籽油生產過程中的副產物被直接作為廢棄物丟棄[4]，因此，研究牡丹籽粕中的其他功能性成分對提高牡丹籽綜合利用率有重要意義。

目前，國內外對牡丹籽粕黃酮類物質(PSAF)的研究較少，黃酮類化合物天然具有較好的抗氧化、抗炎、抗菌等作用，其保健和藥用價值已逐漸成為研究熱點[5-6]。本研究對通過單因素和響應面相結合對牡丹籽粕黃酮類物質的提取條件進行優化，還通過羥基自由基清除能力和超氧陰離子自由基清除能力三個方面考察牡丹籽粕黃酮類物質的抗氧化能力，為更好地綜合利用油用牡丹提供理論基礎。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

牡丹籽粕，采集自工廠對牡丹籽壓榨制油后所得。

蘆丁標準品(AR≧98%)、DPPH( 1，1-二苯基-2-三硝基苯肼，AR≧ 95%)(Sigma公司)；乙醇、硝酸鋁等均為分析純。

AUY220電子分析天平(日本島津公司)、PRD-C3000電熱恒溫鼓風干燥箱(HASUC)、UV-2550紫外可見分光光度計(日本島津公司)、KQ5200DA型數控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)、湘儀H1850離心機(湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司)

1.2 實驗方法

牡丹籽粕→干燥→粉碎→超聲輔助溶劑提取→離心(4000 r/min，20min)→取上清液→測定

采用硝酸鋁顯色法[7]，測定牡丹籽粕黃酮類物質含量的測定，以蘆丁為標準品，在510 nm處測定吸光強度，制作標準曲線并計算結果。

精確稱取5 g的牡丹籽粕，采用單一變量法，依次考察不同提取時間、不同乙醇濃度、不同超聲波功率及不同提取溫度對于牡丹籽粕中總黃酮提取率的影響，具體條件變量如表1。每組實驗重復 3 次。

表1 考察因素及變量

在單因素試驗的基礎上，采用 Box-Behnken 中心組合試驗設計方案，以牡丹籽粕中總黃酮提取率為評價指標，選取影響黃酮提取率較顯著的因素，優化牡丹籽粕黃酮類物質提取工藝條件。

1.2.5.1 羥基自由基清除試驗[8]

采用 H2O2/Fe2+氧化法，分別移取2 mmol·L-1FeSO4溶液2 mL，2 mL 1 mmol·L-1H2O2溶液和3 mL 6 mmol·L-1水楊酸溶液和2 mL蒸餾水于試管中混勻，恒溫37 ℃水浴30 min，在分光光度計中于510 nm處測得其吸光度為A1；將上述蒸餾水換成不同濃度的牡丹籽粕黃酮溶液、TBHQ溶液、Vc溶液2 mL，搖勻后同樣置于37℃水浴30min，測定吸光度A2；再用蒸餾水代替雙氧水作對照實驗測得的吸光度為A3，根據公式計算樣品對羥基自由基的清除率I%。

1.2.5.2 超氧陰離子自由基清除試驗

采用Design-Expert.V10.0軟件進行實驗數據分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 超聲波功率對牡丹籽粕中黃酮類物質提取率的影響

如圖1所示，超聲功率對黃酮提取率的影響呈現先增大后減小的趨勢，當超聲波功率達到120 W時，牡丹籽粕中黃酮類化合物的提取率達到最大，為0.68 %，隨著超聲功率的增加，總黃酮提取率降低，這可能是因為過大的超聲波功率會導致大分子雜質也加速溶出，影響了黃酮類物質的相對溶出率[10]。故牡丹籽粕黃酮類物質的最佳的超聲功率為120 W。

圖1 超聲波功率對牡丹籽粕中黃酮類物質提取率的影響

2.1.2 提取溫度對牡丹籽粕中黃酮類物質提取率的影響

圖2 溫度對牡丹籽粕中黃酮類物質提取率的影響

由圖2可知，隨著溫度上升，牡丹籽粕中黃酮類物質的提取率也隨之升高，當提取溫度到達50 ℃時，牡丹籽粕黃酮類物質的提取率達到最高，為0.98 %。當溫度介于20～50 ℃內，提取率上升明顯，超過50 ℃之后，提取率反而下降，說明溫度過高可能會破壞牡丹籽粕中黃酮類物質的結構，故牡丹籽粕黃酮類物質最佳提取溫度為50 ℃。

圖3所示，乙醇濃度從40 %增大到50 %時，黃酮得率逐漸顯著增加，此時黃酮得率最高為1.36 %；隨著乙醇濃度的繼續增大，總黃酮類物質的提取率反而逐漸下降，這可能是因為當乙醇濃度繼續增大時，會將油粕中其它脂溶性物質提取出來[11]，影響牡丹籽粕黃酮類物質的溶出，從而導致總黃酮得率的降低。同時，根據相似相溶原理，推測牡丹籽粕中黃酮類化合物的極性與50 %乙醇溶液最為接近，且在乙醇濃度為50 %時，黃酮類物質溶出趨于飽和。

圖3 乙醇濃度對牡丹籽粕中黃酮提取率的影響

由圖4可知，黃酮類物質的提取率在超聲時間為30 min時最高，達到1.46 %。在30 min之后黃酮提取率略微減小但基本保持不變。這是因為超聲時間為30 min時，油粕和乙醇溶液充分接觸，使得油粕中黃酮類化合物溶出比較充分，但當時間超過30 min后，已經溶出的黃酮類物質有可能發生降解或伴隨其他大分子雜質的溶出[12]，使得提取率略微下降，但基本保持不變，故超聲波輔助提取牡丹籽粕黃酮類物質的最適時間為30 min。

圖4 超聲時間對牡丹籽粕中黃酮類物質提取率的影響

2.2 響應面實驗結果分析

在單因素實驗的基礎上，固定提取時間為30 min，選取乙醇濃度、提取功率和溫度進行響應面試驗，利用Design-ExpertV10.0設計三因素三水平的Box-Behnken模型，對響應面試驗結果如表2進行多元回歸擬合，得到牡丹籽粕黃酮提取率(Y)對乙醇濃度(A)、提取功率(B)、溫度(C)的二次多項式回歸模型：Y=1.388 + 0.0575 * A + 0.0325 * B + 0.045 * C -0.0225 * AB + 0.0425 * AC -0.0225 * BC -0.19525 * A^2 -0.06025 * B^2 -0.07525 * C^2。

表2 響應面實驗設計結果

表2(續)

對模型進行方差分析，結果見表3，從表3可得，此模型的P<0.0001，即響應面回歸法建立的模型達到極顯著水平，表明實驗方法可靠，同時方程失擬項P=0.8335，影響不顯著，則表明模型選擇合適，其預測值與實際值接近，可用此模型分析和預測牡丹籽粕中黃酮提取率隨各影響因素的變化規律。另，從F值可以看出，對于牡丹籽粕黃酮提取影響因素主次排序為：A(乙醇濃度)>C(溫度)>B(功率)，由P值可知，乙醇濃度、溫度和功率三者對牡丹籽粕黃酮提取率的影響均極顯著，乙醇濃度和溫度、乙醇濃度和功率兩因素的交互影響顯著，二次項A2、B2、C2也有極顯著影響，表明這三項因素均有牡丹籽粕黃酮提取率有直接關系。

表3 回歸模型的方差分析

圖5 各因素交互作用對牡丹籽粕黃酮類物質提取率的影響

為了使各因素之間交互作用更為直觀的反映出來，以牡丹籽粕黃酮的提取率為響應值，分別將模型中A、B和C因素固定在中間的水平上，得出另外兩個因素交互作用對超聲輔助法提取的牡丹籽粕黃酮模型，病根據該模型繪制三維曲面圖與等高線圖。從等高線圖可得出兩個影響因素間交互作用的顯著程度，圓形表示兩個因素之間交互作用不顯著(p>0.05)，橢圓形則表示兩個因素之間交互作用顯著(p<0.05)[13-14]。即，乙醇濃度與溫度和乙醇濃度與功率之間交互作用明顯，而功率和溫度的交互作用對提取率影響并不明顯，這與方差分析結果一致。

通過對響應面試驗模型的分析，在提取時間固定為30 min的基礎上，得到提取牡丹籽粕黃酮類物質的最佳條件為，乙醇濃度51.67 %，超聲功率125.03 W，提取溫度為52.58 ℃，此時總黃酮提取率的預測值為1.43 %。基于實驗操作性的考慮，將提取條件調整為乙醇濃度50 %，超聲功率120 W，提取溫度為50 ℃，測定黃酮提取率平均值為1.44 %，與理論預測值差異不大，表明采用優化條件可靠，對用于牡丹籽粕黃酮提取的實際操作有一定的指導價值。

2.3 牡丹籽粕黃酮類物質體外抗氧化活性研究

圖6 不同質量濃度的樣液對羥基自由基的清除率

·OH自由基是活性氧中活性最強的自由基，可與細胞內的一切有機化合物發生反應，通過破壞脂肪、蛋白質和核酸代謝來損傷細胞的結構與功能，從而導致機體病變[15]。由圖6可知，牡丹籽粕黃酮類物質在0～40 μg /mL范圍內，隨著質量濃度的增大，對·OH自由基的清除率逐漸增加，當質量濃度為40 μg /mL時，·OH清除率達到40.94 %，繼續增大濃度，對·OH清除率影響不大。

圖7 不同質量濃度的樣液對超氧陰離子自由基的清除率

由圖7可得，對于牡丹籽粕黃酮粗提物而言，當質量濃度小于40 μg /mL時，對 自由基清除率僅為20 %左右，在質量濃度40～80 μg /mL范圍內，清除率幾乎呈線性增大，可達56.63 %，繼續增大質量濃度，清除率則趨于不變。而抗氧化劑TBHQ、Vc對 自由基的清除能力皆優于牡丹籽粕黃酮粗提物提取液，當質量濃度均為80 μg /mL時，三者對于 自由基清除率分別為87.67 %、83.21 %和56.63 %，表明牡丹籽粕黃酮類化合物提取液具有良好的 自由基清除能力。

3 結論

在單因素試驗的基礎上，采用響應面法得出最優牡丹籽粕黃酮類物質的超聲波輔助提取條件為:乙醇濃度50 %，超聲功率120 W，提取溫度50 ℃，超聲時間30 min，此時牡丹籽粕總黃酮提取率為1.44 %。

體外抗氧化活性表明，牡丹籽粕黃酮類物質提取液對·OH自由基和 自由基均有較好的清除效果，說明牡丹籽粕黃酮類物質具有較好的抗氧化能力，本實驗結果為牡丹籽粕在榨油之后的再利用提供了思路，同時也為研究牡丹籽粕中的天然抗氧化劑提供了理論依據。