响应面法优化桑叶黄酮提取工艺及其抗氧化活性研究

2023-05-09 12:20李恒谭金燕周鲜娇
农业研究与应用 2023年6期
关键词:抗氧化性桑叶黄酮

李恒 谭金燕 周鲜娇

摘要:为了优化桑叶黄酮提取工艺,探讨其抗氧化活性,以微波功率、微波时间、乙醇浓度、液料比和提取次数为影响因素,以桑叶黄酮提取率为考察指标,采用单因素和Box-Behnken 法优化提取工艺,并通过测定桑叶黄酮提取物对DPPH·、·OH和O2-·自由基的清除能力,探讨其体外抗氧化活性。结果显示,桑叶黄酮的最佳提取条件为微波功率175 W、微波时间4.5 min、乙醇浓度48.5%、液料比30 mL/g,在此条件下,桑叶黄酮的提取率可达到11.393±0.049 mg/g。桑叶黄酮提取液对DPPH·、·OH和O2-·的清除作用明显,清除能力与黄酮提取液浓度呈正相关关系。综上,应用微波提取技术可有效提取桑叶黄酮,提取的黄酮具有良好的抗氧化活性。

关键词:响应面分析法;桑叶;黄酮;抗氧化性

中图分类号:R284.2 文献标志码:A

Optimization of Extraction Process by Response Surface Methodology and Analysis of Antioxidant Activity of Flavonoid from Mulberry Leaves

LI Heng, TAN Jinyan, ZHOU Xianjiao*

(Lingnan Normal University, Zhanjiang, Guangdong 524048, China)

Abstract: The objective of this study was to optimize the extraction process of flavonoids from mulberry leaves and explore its antioxidant activity. The experiment selected microwave power, microwave time, ethanol concentration, solid-liquid ratio and extraction time as variables, the yield of flavonoids as the evaluation index. Single factor tests and Box-Behnken method were used to optimize the extraction process. The scavenging ability on 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH·), hydroxyl radical (·OH) and superoxide (O2-·) free radicals of flavonoids from mulberry leaves were also tested to estimate the antioxidant activities in vitro. The results showed that: optimal extraction rate (11.393±0.049 mg/g highest yield) could be achieved under the conditions of microwave power 175 W, microwave time 4.5 min, ethanol concentration 48.5%, solid-liquid ratio 30 mL/g. The abi-lity of mulberry leaves flavonoids extract to scavenge DPPH·, ·OH and O2-· was great and scavenge ability was positively correlated with concentration of the extract. To sum up, microwave extraction technology can effectively extract of mulberry leaves flavonoids, leading to better antioxidant acti-vity.

Keywords: Response surface methodology; mulberry leaves; flavonoids; antioxidant activity

桑樹(Morus alba L.)为桑科(Moraceae)桑属(Morus L.)多年生落叶乔木,在中国主要分布在南部和长江流域[1]。桑叶是桑树的叶片,也被称为“铁扇子 ”,作为主要产物大约占桑树地上总产量的64%[2]。《神农本草经》中记载桑叶寒,味甘甜和苦涩,归肺、肝经,具有疏散风热、清肺润燥、平肝明目、凉血止血等功效,可作为发散风热药。黄酮是桑叶中重要的功能成分之一,具有抗氧化、辅助降血糖、辅助降血脂、调节人体免疫力和预防心脑血管疾病等作用[3-5]。

桑叶黄酮的提取方法有水浸提法、有机溶剂提取法、超声辅助法、微波辅助法等 [6-10],其中微波提取法是一种利用电磁场的新方法,具有节能,省时,操作简单,提取效率高等优点,其影响因素主要有微波时间、微波功率、液料比和有机溶剂浓度等[11]。查阅文献,已有研究采用微波辅助提取法探讨了前三种因素对桑叶黄酮提取率的影响,但是仅采用水浸提法[8,9],未考虑有机溶剂的影响。故本研究采用有机溶剂提取法对有机溶剂浓度、微波时间、微波功率、液料比四因素进行优化。响应面分析(Response surface methodology,RSM)是一种实验条件寻优的方法,近年来广泛用于各种活性物质提取条件的优化[12,13],是降低开发成本、优化加工条件、提高产品产量的一种有效方法。本研究采用响应面分析法进行优化研究,并检测桑叶黄酮对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)、超氧自由基(O2-·)、羟自由基(·OH)3种自由基的清除作用,明确桑叶黄酮的体外抗氧化活性,为桑叶资源的进一步利用提供了理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

桑叶,采摘于四川省绵阳市三台县,经清洗、烘干、粉碎,过60目筛;芦丁标准品,光谱纯,购于国药集团化学试剂公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH),美国Sigma公司;其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FW-1750型粉碎机,永康市哈瑞工贸有限公司;N4S型紫外可见分光光度计,上海仪电分析仪器有限公司;P70D20N1P-G5(W0)型微波炉,广东格兰仕微波生活电器制造有限公司;RE52CS-2 型旋转蒸发仪,郑州南北仪器设备有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 桑叶黄酮提取工艺

桑叶原料经粉碎后过60目筛,称取2.0 g于500 mL的烧杯内,根据试验设计加入一定比例相应浓度的乙醇溶液,摇匀,浸泡10 min。用保鲜膜覆盖烧瓶口,放入微波炉,调节微波功率和微波时间进行提取,提取液离心,过滤,取上清液,用旋转蒸发器浓缩至50 mL左右,最后用该样品浓度的乙醇溶液将提取液定容至100 mL待用。

1.3.2 芦丁标准曲线绘制及桑叶黄酮提取率的测定

桑叶黄酮含量测定采用亚硝酸钠-硝酸铝比色法[14]。准确称取10.0 mg芦丁标准品,以70%乙醇配成质量为0.1 g/L芦丁标准溶液。分别取0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL芦丁标准溶液置于10 mL具塞试管中,加入0.5 mL 5%NaNO2溶液,反应10 min后,加入0.5 mL 10%Al(NO3)3溶液,混匀静置10 min,再加入3 mL的4%NaOH溶液,以70%的乙醇溶液定容至试管刻度线处,显色反应10 min。最后用70%酒精为空白参比,在最大波长紫外光510 nm处测定吸光度。以芦丁溶液的质量浓度为横坐标X,吸光度Y为纵坐标,得到标准曲线方程为Y=13.429X-0.007,R?=0.9983。取桑叶黄酮提取液5.0 mL代替芦丁标准溶液,按照以上步骤测定其在510 nm处的吸光度,根据标准曲线方程得到提取液中黄酮的质量浓度,按下式计算桑叶黄酮的提取率:

其式中:C为待测溶液中总黄酮浓度(mg/mL);V0为样液定容后体积,此处为100 mL;V1为显色时溶液的定容体积,此处为10mL;V2为测定吸光度所用样液的体积,此处为1 mL;M为称量的桑叶质量,此处为2.0 g。

1.3.3 单因素试验设计

改进李富兰等[15]的微波提取的方法,分别考察微波功率(100、175、250、325、400 W)、微波时间(2、3、4、5、6 min)、乙醇浓度(20%、30%、40%、50%、60%)、液料比(20、30、40、50、60 mL/g)和提取次数(1、2、3、4、5次)5个因素对桑叶黄酮提取率的影响,每组试验重复3次,取平均值。

1.3.4 响应面试验设计

采用Design-Expert.V8.0.软件处理数据,综合各单因素试验结果,以桑叶黄酮提取率为响应面值,建立四因素三水平Box-Behnken模型。响应面因素水平如表1所示。

1.3.5 黄酮体外抗氧化性试验

(1)DPPH·自由基清除率测定

参照文献[16]方法并稍作修改,将2.0 mL待测样品溶液与2.0 mL DPPH溶液(无水乙醇配制),混匀后室温暗处反应30 min后,置于517 nm波长处测定吸光值。同条件下,以2.0 mL乙醇溶液为试剂空白、等浓度的芦丁溶液为阳性对照。平行测定3次取平均值,以下式计算清除率:

式中:A0(对照)为2.0 mL DPPH+2.0 mL无水乙醇的吸光值;A1(反应)为2.0 mL DPPH+2.0 mL样品溶液的吸光值;A2(空白)为2.0 mL无水乙醇+2.0 mL样品溶液的吸光值。

(2)羟自由基(·OH)清除率测定

根据参考文献[17]的方法并稍作修改吸取1.0 mL样品溶液,加入9 mmol/L的[FeSO4]溶液1.0 mL,再加入9 mmoL/L的水杨酸-乙醇溶液1.0 mL,充分混匀,加入8.8 mmol/L的过氧化氢溶液1.0 mL,于37℃水浴锅下反应30 min,以蒸馏水为空白,在510 nm处测定吸光值。以相同体积的蒸馏水为空白对照,以1.0 mL蒸馏水代替过氧化氢溶液消除样品溶液本底吸光值,以等浓度芦丁溶液为阳性对照,平行测定3次取平均值。以下式计算清除率:

式中:A0为空白对照吸光值;A1为样品溶液吸光值;A2为不含过氧化氢样品溶液的本底吸光值。

(3)超氧自由基(O2-·)清除率测定

采用邻苯三酚自氧化法[18]测定样品对超氧阴离子自由基的清除作用。取4.5 mL 0.05 mol/L Tris-HCl缓冲液(pH 8.2)于25℃水浴锅中预热20 min,加入1.0 mL样品溶液及0.5 mL 25℃预热的25 mmol/L邻苯三酚(0.01 mol/L HCl配制),混匀后25℃水浴5 min,随即滴入0.5mL HCl(8 mol/L)終止反应,于325 nm波长处测定其吸光度;同时测定用0.01 mol/L HCl溶液代替邻苯三酚时的吸光度。用蒸馏水做试剂空白,以芦丁溶液作阳性对照,平行测定3次取平均值。以下式计算清除率:

式中:A0为空白对照组的吸光值;A1为样品溶液的吸光值;A2为不加入邻苯三酚溶液的吸光值。

1.3.6 数据统计分析

试验数据采用Excel软件进行整理及作图分析,用Design-Expert V8.0软件对结果进行统计分析,应用响应面方法对结果进行回归分析并优化。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 微波功率对黄酮提取率的影响

如图1所示,在固定提取时间4 min,液料比40,乙醇浓度50%,提取次数1次的条件下,随着微波功率的增加,桑叶中黄酮类物质的提取率先逐渐增加后逐渐下降,在175 W時,桑叶中黄酮类化合物的提取率最高,达到10.351 mg/g。其原因为,微波功率升高可促进分子运动,软化组织,增加溶解性、渗透性,降低溶液黏度,从而提高提取效率[11]。但过大的微波功率会引起温度过高,使黄酮类化合物的有效活性成分在提取溶剂中沸腾,使原料发生变性,导致黄酮类物质被破坏,影响提取率;同时温度过高时蛋白质固化,黄酮类化合物不易溶解[19],影响提取率。因此,选择100 W、175 W和250 W进行响应面实验。

2.1.2 微波时间对黄酮提取率的影响

如图2所示,在固定微波功率175 W、液料比40 mL/g,乙醇浓度50%,提取次数为1次的条件下,随着微波时间的增加,黄酮类化合物的含量先增加后降低,4 min时黄酮提取率达到最高值10.649 mg/g。分析原因为,微波时间的持续延长会引起提取温度的持续升高,导致大量的溶剂挥发以及黄酮类化合物和其他活性物质的氧化和降解[20],进而导致提取率下降。因此,选择微波提取3、4、5 min进行响应面实验。

2.1.3 液料比对黄酮提取率的影响

图3所示,在固定微波功率175 W、微波时间4 min、乙醇浓度为50%、提取次数1次的条件下,黄酮提取率随着液料比的增大,先增大后趋于平缓,在液料比40 mL/g时达到最高值10.653 mg/g。分析原因为,固相和液相之间的宏观运动影响溶质表面的传质特性,提高它们之间的相对运动可增强传质效果,提高活性成分的提取率。增大液料比可以使桑叶粉末与溶剂的接触面增大,促使黄酮类化合物更容易溶出[21],但是溶剂量太大,微波加热的负荷增加,达到彻底提取黄酮所需要的时间也相应增加,如果固定微波时间,则当溶剂量达到一定比例时,提取率不再显著增加。因此选择液料比30、40和50 mL/g进行响应面实验。

2.1.4 乙醇浓度对黄酮提取率的影响

如图4所示,在固定微波功率175 W,微波时间4 min、液料比40 mL/g、提取次数1次的条件下,黄酮含量随乙醇浓度的增大先升高后大幅度下降并趋于平缓,乙醇浓度为40%时,黄酮提取率达到最高值10.835 mg/g。其可能原因为,虽然微波提取需要一定的极性溶剂来吸收微波进行内部加热[22],但当乙醇浓度大于40%时,醇溶性杂质和其他成分与乙醇-水分子结合,与有效成分竞争,增加了组织系统的粘度,影响黄酮的浸出。试验过程中还发现,随着乙醇浓度的增加,桑叶提取物的颜色由黄色变为绿色,叶绿素等脂溶性物质含量增加,导致黄酮提取率下降。即当乙醇浓度过大时,容易使黄酮变性,而乙醇浓度低又不利于黄酮的溶解。因此,选择30%、40%和50%乙醇溶液进行响应面实验。

2.1.5 提取次数对黄酮提取率的影响

如图5所示,固定微波功率175 W,微波时间4 min、液料比40、乙醇浓度40%的条件下,提取2次的效果比提取1次显著提高,达到最高值11.282 mg/g,但之后继续增加次数,提取率趋于稳定,不再显著增加,提示,在该条件下,2次提取已经达到最高提取效率。因此,确定提取次数为     2次较适宜。

2.2 响应面分析与优化

2.2.1 回归模型的建立和方差分析

在单因素实验基础上,以微波功率(A)、微波时间(B)、乙醇浓度(C)、液料比(D)为影响因素,以桑叶黄酮提取率作为响应值,采用Box-Behnken试验设计原理进行实验设计。响应面实验方案和结果见表2。通过表2的数据进行多项回归拟合,建立了回归模型方程为:

各因素的方差分析如表3所示,二次回归模型的P<0.0001,失拟项P=0.1087>0.05,表明该模型拟合度较好。实验模型中CV=3.18%,此值较低,表明试验精度高。实验模型的决定系数R2=0.9312,校正系数R2Adj=0.8624,表明模型预测性良好,黄酮提取的结果与模型预测结果吻合较好,具有显著相关性,可用该模型及回归方程对试验结果进行分析和预测。

自变量对因变量的影响可以通过回归方程方差分析中的F检验来判断。由表3看出,各因素对黄酮提取率的影响顺序为B(微波时间)>A(微波功率)>C(乙醇浓度)>D(液料比)。此外,模型中二次项AB对黄酮提取率的影响达到显著水平(P<0.05)。一次项A(微波功率)、一次项B(微波时间)、二次项BD、CD、A2、B2、C2和D2对提取率的影响达到极显著水平(P<0.01)。

2.2.2 等高线图和响应面分析结果

图6显示的是根据响应面设计及结果绘制的响应面曲面图和交互作用图。根据响应面图的形状、颜色变化以及是否存在中心最高点可以判断因素之间交互作用的显著性以及是否存在最佳组合[23]。图6(a)、图6(e)和图6(f),平面图形似椭圆,响应面曲面陡峭,浅色区域过渡到深色区域有较短坡长,提示微波功率(A)和微波时间(B)、微波时间(B)和液料比(D)、乙醇浓度(C)和液料比(D)两因素间交互显著(P<0.05)。而图6(b)、图6(c)和图6(d),平面图近似圆形,响应面曲面平缓,浅色区域过渡到深色区域有较长坡长,提示微波功率(A)和乙醇浓度(C)、微波功率(A)和液料比(D)、微波时间(B)和乙醇浓度(C)两因素交互不显著,与模型方差分析结果一致。

图6中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)都存在中心最高点,说明根据单因素实验结果选择的因素水平里包括了最优组合。图6(a)中,微波时间(B)的响应曲面坡度明显比微波功率(A)的响应曲面坡度陡峭,提示微波时间(B)比微波功率(A)对桑叶黄酮提取率的影响更大。同理,图6(e)提示,微波时间(B)比液料比(D)对提取率的影响更大,图6(f)提示,乙醇浓度(C)比液料比(D)对提取率的影响更大。这些等高曲线图分析的结果与单因素分析、模型方差分析结果具有一致性。

2.2.3 最佳工艺参数的确定及验证实验

根据响应面回归方程的分析,得到桑叶黄酮类化合物的最佳提取条件为:微波功率175.52 W、微波时间4.52 min、乙醇浓度48.43%、液比料30.34 mg/g;此時黄酮类化合物的理论提取率最大为11.3879 mg/g。考虑到实际操作的可行性,对最佳提取工艺的条件做出以下修正,微波功率175W、微波时间4.5 min、乙醇浓度48.5%、液料比30 mg/g。在此条件下,做3次验证试验,黄酮实际提取率分别为11.318 mg/g、11.467 mg/g和11.393 mg/g,其平均值为11.393 mg/g,实际提取率平均值与理论提取率相比(11.388 mg/g),相对误差仅为0.049 mg/g,说明响应面法得到的工艺参数是可靠的。

2.3 自由基清除作用试验的结果

桑叶黄酮对DPPH·、·OH、O2-·的清除作用见图7。在5~30 μg·mL-1质量浓度范围内,桑叶黄酮对3种自由基都具有较强的清除作用,且随着浓度的增加清除作用增强,具有较好的正相关关系。相同浓度下,桑叶黄酮对DPPH·、·OH的清除效果与芦丁相当。对O2-·的清除作用,则需较高浓度(25 μg/mL)才能达到与阳性对照芦丁的效果。

3 讨论与结论

微波提取法是常用的活性物质提取法,具有高提取率,设备简单、操作简便等优点。多项研究将其用于黄酮类物质的提取,如关山樱花黄酮[24]、柿叶黄酮[25]和黑莓果渣黄酮[26]。本研究采用微波辅助有机溶剂提取法,优化微波时间、微波功率、乙醇浓度和液料比四因素后,桑叶黄酮提取率达到11.393±0.049 mg/g。贺伟强等[8]采用微波辅助水浸提法优化提取温度、料液比、提取时间和微波功率四因素后得到的桑叶黄酮提取率为2.334%;李文利等[9]采用相同的微波辅助水浸提法优化料液比、微波功率和微波时间三因素后,得到黄酮提取率为9.84%,都较本研究结果高。造成这种差异的原因不仅是提取方法的不同,也可能与种植地区、气候、采摘时机以及是否经霜有关[27]。于小凤等人的研究发现,桑叶黄酮的含量与气候、温度呈负相关,较低的温度,经霜后至11月份,黄酮含量达到最大值[28]。

本研究在单因素实验的基础上,筛选出对提取率有较大影响的四个因素,并通过响应面法优化提取工艺,建立了合理可靠的二次多项数学模型,该模型极显著,且拟合情况良好。影响桑叶黄酮提取率的各因素依次为:微波时间>微波功率>乙醇浓度>液料比,其最佳提取工艺条件为:微波功率175W,微波时间4.5 min,乙醇浓度48.5%,液料比30 mL/g。此条件下黄酮提取率为(11.393±0.049)mg/g,验证结果与理论提取率偏差较小,结果表明,响应面分析方法可行,准确有效,可用于优化桑叶黄酮的提取工艺。在此条件下获得的桑叶黄酮对DPPH·、·OH和O2-·的有较强的清除作用,显示出较好的体外抗氧化能力。这些研究结果为桑叶黄酮的进一步研究、开发及利用提供了一定的理论基础和实践依据。

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责任编辑:李菊馨

基金项目:湛江市科技计划项目(2021A05048);岭南师范学院人才项目(ZL2021014)。

第一作者:李恒(1980—),女,博士,讲师,主要从事植物天然产物研究与开发。

*通信作者:周鲜娇(1976—),女,硕士,高级实验师,主要从事植物天然产物研究与开发。

收稿日期:2023-10-25

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