響應面法優化金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取工藝

張曉嬌,孫立權,羅愛芹,楊學東,張 蕊

(北京理工大學生命學院,北京 100081)

金花葵(Aureahelianthus),又名菜芙蓉、野芙蓉,一年生草本錦葵科秋葵屬植物,在200多個秋葵植物中最具食用、藥用、保健功能[1]。金花葵被譽為“植物界的大熊貓”,營養和開發價值較高。金花葵籽油中富含人體必需的不飽和脂肪酸[2-3],此外還具有多種生物活性成分和其他有益的微量元素,如黃酮、多糖、核苷和有機酸等[4-6]。曹東怡等[7]對金花葵不同部位有效成分進行分析,研究發現金花葵花的水溶性黃酮、總多糖、總皂苷、甘露醇含量均普遍高于其他部位,特別是水溶性黃酮和總多糖含量豐富。馮朵等[8]研究發現,金花葵花中有以蘆丁、金絲桃苷、異槲皮苷、槲皮素為特征指標性成分的黃酮類物質16種,并建立了金花葵花特征圖譜的質量評價體系。這些黃酮和多糖類物質已顯示出潛在的體外生物活性作用,如鎮痛抗炎[9]、抗氧化[10-11]、免疫調節[12]、降血脂[13]、抑制腫瘤細胞[14]等,具有較高的藥用價值和廣闊的市場發展潛力。

金花葵的花瓣菲薄,室溫下其有效成分極易溶出,經加工烘干、揉捻、干燥,可制成具有保健功能的茶類飲品。常見的黃酮或多糖的提取方式主要有溶劑回流提取法[15]、超臨界流體提取法[16]、超聲波輔助提取法[17]以及微波輔助提取法[18]等。金花葵花黃酮類化合物大多數為溶于水的黃酮苷類物質,主成分棉皮素-8-O-葡萄糖醛酸苷由于含有多個羥基和糖基,在水中的溶解性較大。因此,本研究以水為提取劑,采用浸泡法同時提取金花葵花的黃酮和多糖,探究提取方式、提取時間、提取溫度和料液比對金花葵花中水溶性黃酮和多糖提取量的影響。在單因素實驗的基礎上,采用響應曲面法優化工藝條件,并利用高效液相色譜對金花葵花中黃酮和多糖類成分進行定性分析,為金花葵花黃酮和多糖類物質的化學結構解析、生物活性評價和構效關系研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

金花葵花 中農本草農業科技服務有限公司,經北京理工大學肖盛元教授鑒定為金花葵(Aureahelianthus)的干燥花冠,粉碎后過60目篩備用;蘆丁、金絲桃苷、異槲皮苷、棉皮素-3-O-葡萄糖醛酸苷、楊梅素、槲皮素標準品(分析純) 北京伊諾凱化學有限公司;D-葡萄糖、D-阿拉伯糖、D-果糖、D-甘露糖、D-半乳糖、L-鹽藻糖、L-鼠李糖標準品(分析純) 阿拉丁試劑有限公司;亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉、苯酚、濃硫酸和三氟乙酸(TFA) 北京化學試劑廠;甲醇和乙腈(色譜級) 北京伊諾凱化學有限公司。

島津UV-1800型紫外可見分光光度計 日本島津公司;ALC-210.4型電子分析天平 德國賽多利斯科技有限公司;水浴鍋 鞏義市予華儀器有限責任公司;MCR-3型微波化學反應器 北京瑞成偉業儀器設備有限公司;N-1200BV-WD型旋轉蒸發儀 日本東京理化器械EYELA;Waters高效液相色譜儀(配有515型雙泵系統、717型自動進樣器、996型二極管陣列檢測器和Empower色譜工作站) 美國沃特世科技有限公司;高效液相色譜儀系統(配有P1010雙泵系統和UV1000D紫外檢測器) 天津博納艾杰爾科技有限公司;ELSD-UM4800型蒸發光散射檢測器(配有XWK-III型空氣發生器) 上海通微技術有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 標準溶液制備 精密稱取蘆丁標準品53.10 mg,置于50 mL容量瓶中,用甲醇定容,即得蘆丁標準品溶液(1.062 mg/mL)；精密稱取葡萄糖標準品51.50 mg,置于50 mL容量瓶中,加蒸餾水定容,即得葡萄糖標準品溶液(1.030 mg/mL)；精密稱取22.00 mg蘆丁、14.10 mg金絲桃苷、17.50 mg異槲皮苷、10.80 mg棉皮素-8-O-葡萄糖醛酸苷、15.50 mg楊梅素和22.50 mg槲皮素置于50 mL容量瓶中,用甲醇定容,即得混合黃酮類標準溶液(蘆丁0.440 mg/mL、金絲桃苷0.282 mg/mL、異槲皮苷0.350 mg/mL、棉皮素-8-O-葡萄糖醛酸苷0.216 mg/mL、楊梅素0.310 mg/mL和槲皮素0.450 mg/mL);精密稱取一定量52.5 mg葡萄糖、92.7 mg阿拉伯糖、25.1 mg果糖、80.9 mg甘露糖、86.4 mg半乳糖、83.0 mg鹽藻糖、81.7 mg鼠李糖置于50 mL容量瓶中,加蒸餾水定容,即得混合單糖類標準溶液(葡萄糖1.05 mg/mL、阿拉伯糖1.854 mg/mL、果糖0.502 mg/mL、甘露糖1.618 mg/mL、半乳糖1.728 mg/mL、鹽藻糖1.606 mg/mL和鼠李糖1.634 mg/mL)。

1.2.2 提取方式對比 加熱回流法:精密稱取金花葵花粗粉0.5 g,以料液比為1∶100,提取溶劑為水,提取溫度80 ℃為條件,加熱回流提取120 min,抽濾,得到金花葵花殘渣和上清液,將金花葵花殘渣按照上述條件重復提取兩次,分別收集上清液,置于4 ℃保存備用。

微波提取法:精密稱取金花葵花粗粉0.5 g,以料液比為1∶100,提取溶劑為水,提取溫度80 ℃為條件,微波提取10 min,抽濾,得到金花葵花殘渣和上清液,將金花葵花殘渣按照上述條件重復提取兩次,分別收集上清液,置于4 ℃保存備用。

常溫浸泡法:精密稱取金花葵花粗粉0.5 g,以料液比為1∶100,提取溶劑為水,提取溫度80 ℃為條件,室溫下靜置120 min,抽濾,得到金花葵花殘渣和上清液,將金花葵花殘渣按照上述條件重復提取兩次,分別收集上清液,置于4 ℃保存備用。

1.2.3 單因素實驗 通過單因素實驗考察提取時間、提取溫度和料液比對金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取量的影響,以確定各參數范圍,為優化浸泡法提取金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取量的工藝參數提供依據。

1.2.3.1 提取時間對提取效果的影響 分別稱取金花葵花干燥粗粉末0.5 g于錐形瓶中,加入50 mL事先預熱的80 ℃蒸餾水提取金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取量,混勻后,室溫下靜置5、10、15、30、60、120、180、240、300 min,抽濾,收集上清液,試驗平行三次,探究提取時間對金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取量的影響。

1.2.3.2 提取溫度對提取效果的影響 分別稱取金花葵花干燥粗粉末0.5 g于錐形瓶中,加入50 mL事先預熱的(25、40、60、80、100 ℃)蒸餾水提取金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取量,混勻后,室溫下靜置120 min,抽濾,收集上清液,試驗平行三次,探究提取溫度對金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取量的影響。

1.2.3.3 料液比對提取效果的影響 分別稱取金花葵花干燥粗粉末0.5 g于錐形瓶中,按料液比1∶30、1∶50、1∶100、1∶200、1∶300加入事先預熱的80 ℃蒸餾水提取金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取量,混勻后,室溫下靜置120 min,抽濾,收集上清液,試驗平行三次,探究提取溫度對金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取量的影響。

1.2.4 響應面試驗 在單因素實驗基礎上,根據Box-Behnken-design 實驗設計原理,選取提取時間(A)、提取溫度(B)和料液比(C)為獨立變量,金花葵花水溶性黃酮(Y1)和總多糖(Y2)提取量為響應值,利用軟件Design-Expert 8.0.6進行響應面試驗,優化浸泡法提取金花葵花水溶性黃酮和多糖的工藝參數,表1為實驗因素水平與編碼表。

表1 Box-Behnken實驗因素水平表Table 1 Factors and levels for Box-Behnken experiment

1.2.5 指標測定及方法

1.2.5.1 水溶性黃酮的測定 水溶性黃酮含量的測定采用亞硝酸鈉-氯化鋁法,分別精密吸取蘆丁對照品溶液0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0 mL于10 mL容量瓶中加甲醇定容至刻度。分別吸取上述溶液5.0 mL于試管中,滴加5% NaNO2溶液0.3 mL,搖勻后放置5 min,加入10% Al(NO3)3溶液0.3 mL,搖勻后放置6 min,加1.0 mol/L NaOH溶液2 mL,搖勻后放置15 min,按照上述方法制備空白對照溶液,在510 nm波長處測定吸光度[19]。以蘆丁濃度(x,mg/mL)為橫坐標,吸光度(y)為縱坐標繪制標準曲線,得線性回歸方程:y=5.8831x+0.0163,R2=0.9991,結果表明蘆丁濃度在0.0106～0.5310 mg/mL內呈現良好的線性關系。

取1.2.4中的樣品溶液適量按上述方法測定水溶性黃酮含量,平行3次,按照下列公式計算水溶性黃酮提取量:

式中:C1為樣品的水溶性黃酮濃度,mg/mL;V1為測定樣品溶液體積,mL;M為樣品質量,g。

1.2.5.2 總多糖的測定 總多糖的測定采用苯酚-硫酸法,分別精密吸取葡萄糖對照品溶液0.1、0.3、0.5、1.0、2.0、5.0、7.0 mL,置于10 mL容量瓶中加蒸餾水稀釋至刻度。分別吸取上述溶液0.2 mL,加入0.4 mL 50 mg/mL苯酚溶液,混勻后迅速加入2 mL濃硫酸,搖勻后室溫放置30 min,按照上述方法制備空白對照溶液,在490 nm波長處測定吸光度[20]。以葡萄糖濃度(x,mg/mL)為橫坐標,吸光度(y)為縱坐標繪制標準曲線,得線性回歸方程:y=3.6768x+0.1908,R2=0.9998,結果表明葡萄糖濃度在0.0103～0.7210 mg/mL內呈現良好的線性關系。

精密量取1.2中的樣品溶液2 mL于10 mL量瓶中加溶劑稀釋至刻度,取各樣品溶液適量按上述方法測定總多糖含量,平行3次,按照下列公式計算總多糖提取量:

式中:C2為樣品的總多糖濃度,mg/mL;V2為測定樣品溶液體積,mL;M為樣品質量,g。

1.2.6 高效液相色譜法分析金花葵花水溶性黃酮的組成 綜合Lai等[21]和Pan等[22]的分析方法,對混合黃酮對照品溶液和金花葵花提取液進行HPLC分析,獲得各色譜峰的保留時間,對混合對照品與樣品保留時間的比較,分析金花葵花水溶性黃酮的組成成分,所采用的色譜條件如下:色譜柱:COSMOSIL C18反相色譜柱(4.6 mm×250 mm,5 μm);流動相:乙腈-0.1%甲酸溶液梯度洗脫(0～18 min,15∶85～16∶84 (V/V);18～26 min,16∶84～20∶80 (V/V);26～35 min,20∶80～40∶60 (V/V);35～40 min,40∶60 (V/V);40～50 min,40∶60～15∶85 (V/V));流速為 1.0 mL/min,檢測波長為360 nm,進樣量10 μL,柱溫為25 ℃。

1.2.7 高效液相色譜-蒸發光散射法分析金花葵花多糖的組成 參考Zheng等[23]和張淋潔等[24]對金花葵多糖的組成進行分析,取一定量上述金花葵花的水提液,在80 ℃下減壓濃縮,加入95%乙醇預先沉淀并靜置過夜(12 h,4 ℃),收集沉淀物并依次用無水乙醇、丙酮和乙醚洗滌,將沉淀物在80 ℃下真空干燥后得到金花葵花粗多糖。取50.0 mg粗多糖加入10.0 mL 2 mol/L TFA溶液,在100 ℃下密封加熱水解3 h,將水解液在80 ℃下減壓濃縮至干,再加入1 mL甲醇,在80 ℃下蒸干,重復上述操作3次以除盡TFA,加入1 mL蒸餾水溶解殘渣,獲得金花葵花多糖全水解液,置于4 ℃保存備用。

對混合單糖標準溶液和金花葵花粗多糖全水解液進行高效液相色譜-蒸發光散射法(HPLC-ELSD)分析,比較混合對照品與樣品保留時間,分析金花葵花粗多糖的單糖組成,所采用的色譜條件如下。色譜條件:色譜柱:Welch XBridge Amide氨基柱(4.6 mm×250 mm,5 μm);流動相:乙腈/水=78/22 (V/V);流速:1 mL/min;ELSD條件:漂移管溫度70 ℃,氣體流速2.5 mL/min。

1.3 數據處理

采用Design-Expert. 8.0.6軟件進行試驗設計,采用OriginPro 8.0軟件進行作圖和數據分析,顯著水平p<0.05,極顯著水平p<0.01。所有數據均重復測定三次,結果取平均值。

2 結果與分析

2.1 提取方式對比

以蒸餾水為提取溶劑,對加熱回流法、微波提取法和常溫浸泡法提取金花葵花水溶性黃酮和多糖進行比較,結果如圖1所示。從圖1中可以看出,相比加熱回流法和微波提取法,常溫浸泡法對于提取水溶性黃酮和總多糖提取量略有下降,但差異不大,分別為(38.07±1.63) mg/g和(119.03±2.56) mg/g。常溫浸泡工藝操作簡單,成本低,且避免了長時間受熱破壞生物活性成分,可用于提取金花葵花中水溶性較好的生物活性成分。圖1中可以看出,提取1次后金花葵花中黃酮和多糖已基本浸出,故采用提取次數為1次。

圖1 提取方式對水溶性黃酮和總多糖提取量的影響

2.2 單因素實驗結果

2.2.1 提取時間對水溶性黃酮和總多糖提取量的影響 圖2表示提取時間對金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取量的影響。從圖2可以看出,水溶性黃酮和總多糖提取量隨提取時間的增加呈急速上升趨勢,提取時間超過120 min,水溶性黃酮提取量上升不明顯,而總多糖提取量隨著時間的增長持續增加,提取時間為120 min左右,水溶性黃酮提取量達最大值,為(38.08±1.63) mg/g,提取時間為300 min,總多糖提取量達到最大值,為(133.16±2.65) mg/g,故選取提取時間為60、180、300 min三水平進行響應曲面實驗。

圖2 提取時間對水溶性黃酮和總多糖提取量的影響

2.2.2 提取溫度對水溶性黃酮和總多糖提取量的影響 圖3分別表示提取溫度對金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取量的影響。如圖3所示,水溶性黃酮提取量在提取溫度為80 ℃時達到峰值,為(38.75±1.62) mg/g,溫度升高,有助于黃酮的提取,但溫度過高可能引起黃酮結構被氧化破壞,導致黃酮浸出率降低,因此,80 ℃是提取水溶性黃酮的最適提取溫度。而總多糖提取量隨提取溫度的增大而增長,當提取溫度為100 ℃時,總多糖提取量可達最大值,為(130.25±2.33) mg/g,這是因為高溫有利于多糖的浸出。因此,選擇提取溫度為60、80、100 ℃進行后續響應曲面實驗。

圖3 提取溫度對水溶性黃酮和總多糖提取量的影響

2.2.3 液料比對水溶性黃酮和總多糖提取量的影響 圖4表示料液比對金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取量的影響。從圖4可以看出,水溶性黃酮和總多糖提取量在料液比為1∶200時達到峰值,分別為(43.23±1.55)、(119.13±1.85) mg/g,因此,選擇料液比為1∶100、1∶200和1∶300進行后續響應曲面實驗。

圖4 料液比對水溶性黃酮和總多糖提取量的影響

2.3 響應面法優化浸泡法提取金花葵水溶性黃酮和多糖的工藝

2.3.1 響應面試驗結果 在單因素實驗結果的基礎上,采用Box-Behnken實驗設計優化浸泡法提取金花葵花水溶性黃酮和多糖的最佳條件,實驗結果見表2。二次回歸模型的方差分析結果見表3。利用Design-Expert 8.0.6 軟件對各因素進行二次回歸擬合,得到以下二次回歸方程:水溶性黃酮提取量Y1(mg/g)=-71.22+4.05A+2.18B+0.13C+0.04AB+0.007AC-0.009BC-1.13A2-0.01B2-0.0004C2;總多糖提取量Y2(mg/g)=-31.95+27.02A+2.14B-0.09C-0.06AB+0.02AC+0.001BC-3.28A2-0.009B2-0.00005C2。

表2 Box-Behnken設計方案及實驗結果Table 2 Design and results for Box-Behnken experiment

續表

表3 二次回歸模型的方差分析結果Table 3 Analysis of variance for quadric regression model

圖5 不同因素交互作用對金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取量的響應面圖

2.3.4 模型的驗證性實驗 基于回歸模型分析,浸泡法提取金花葵花水溶性黃酮和總多糖提取量的最佳工藝為提取時間247.2 min,提取溫度89.94 ℃,料液比為1∶265.80,水溶性黃酮提取量的理論值可達(43.42±1.55) mg/g,總多糖提取量的理論值可達(133.68±2.03) mg/g。為驗證該方法的可靠性,根據實際操作條件,將最佳提取工藝修正為:提取時間240 min,提取溫度90 ℃,料液比為1∶270,實測水溶性黃酮和總多糖的提取量分別為(43.23±0.56)、(134.60±1.45) mg/g,實際值與預測值之間的相對誤差分別為0.44%和0.69%,驗證了該響應面模型的有效性。

2.4 高效液相色譜分析金花葵花黃酮類化合物的組成

綜合Lai等[21]和Pan等[22]的HPLC分析方法,對金花葵花中黃酮類化合物的組成進行分析,圖6和圖7分別為4種黃酮標準品和金花葵花水提液在360 nm檢測條件下的液相色譜圖。對比發現,金花葵花中的黃酮類化合物主要是蘆丁、金絲桃苷、異槲皮苷、棉皮素-8-O-葡萄糖醛酸苷和楊梅素。其中,棉皮素-8-O-葡萄糖醛酸苷的含量最高,已有研究表明,棉皮素-8-O-葡萄糖醛酸苷有望成為抗炎、抗增殖[25]或治療阿爾茨海默病[26]的潛在藥物。棉皮素-8-O-葡萄糖醛酸苷在水中的溶解性較好,可利用這一特性快速、高效地純化棉皮素-8-O-葡萄糖醛酸苷,進一步對其進行研究,挖掘金花葵的潛在價值。

圖6 混合黃酮標準液的HPLC色譜圖

圖7 金花葵花水提液的HPLC色譜圖

2.5 高效液相色譜-蒸發光散射法分析金花葵花多糖類化合物的單糖組成

參考Zheng等[23]和張淋潔等[24]對天然多糖的分析方法并進行適當調整,采用HPLC-ELSD法檢測對金花葵花粗多糖的單糖組成進行分析,圖8和圖9分別為7種單糖混合標準品和金花葵花多糖水解產物的液相色譜圖。圖9對比圖8混合單糖標準品的保留時間,發現金花葵花多糖主要由鼠李糖、巖藻糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖組成,其中鼠李糖、葡萄糖和半乳糖含量較高,而巖藻糖、阿拉伯糖和甘露糖含量較低,具有潛在的抗腫瘤和免疫調節的特性[23,27]。

圖8 混合單糖標準液的HPLC-ELSD分離色譜圖

圖9 金花葵花多糖水解產物的HPLC-ELSD 色譜圖

3 結論

本實驗以金花葵干花為原料,水為溶劑浸泡提取金花葵花水溶性黃酮和多糖類成分,探討了提取條件、提取溫度、提取時間和料液比對金花葵花中水溶性黃酮和總多糖提取量的影響。在此基礎上,采用響應面設計優化和篩選最佳提取條件,模型具有良好的顯著性,最終得出常溫浸泡法提取金花葵花水溶性黃酮和總多糖的最佳提取工藝為:提取時間240 min,提取溫度90 ℃,料液比為1∶270,水溶性黃酮和總多糖的提取量分別達到為(43.23±0.56)、(134.60±1.45) mg/g,實際值與預測值之間的相對誤差分別為0.44%和0.69%,為提取工藝改進提供了一定理論依據。進一步采用高效液相色譜法定性金花葵花中黃酮類化合物,主要包括蘆丁、金絲桃苷、異槲皮苷、棉皮素-8-O-葡萄糖醛酸苷和楊梅素,其中棉皮素-8-O-葡萄糖醛酸苷含量最高。多糖主要由鼠李糖、葡萄糖和半乳糖組成,同時含有少量的巖藻糖、阿拉伯糖和甘露糖,為金花葵花黃酮和多糖類物質的化學結構解析、生物活性評價和構效關系的研究提供理論基礎,旨在進一步開發利用該植物資源,促進金花葵資源產業鏈的發展。