石長萍，向福，2*，楊報，方元平，2

（1.黃岡師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，湖北黃岡438000；2.大別山特色資源開發(fā)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北黃岡438000）

酶法輔助聚二乙醇-200提取金銀花葉中綠原酸的工藝優(yōu)化

石長萍1，向福1，2*，楊報1，方元平1，2

（1.黃岡師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，湖北黃岡438000；2.大別山特色資源開發(fā)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北黃岡438000）

為了優(yōu)化酶法輔助聚二乙醇（PEG）-200提取金銀花葉中綠原酸的工藝，利用單因素試驗確定PEG-200體積分?jǐn)?shù)、料液比、酶解時間等關(guān)鍵影響因素，以綠原酸提取率為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化分析。結(jié)果表明，金銀花葉中綠原酸用纖維素酶輔助PEG-200提取的最佳條件為纖維素酶添加量為2%，料液比1∶27（g∶mL），PEG-200體積分?jǐn)?shù)50%，pH 4，55℃酶解2.0 h，提取溫度90℃，提取時間15 min，在該條件下，綠原酸提取率為6.59%。該工藝環(huán)境友好、條件溫和、提取效率高，可用于工業(yè)化提取金銀花葉中綠原酸。

金銀花葉；響應(yīng)面；綠原酸；聚乙二醇；酶法輔助提取

綠原酸具有清除自由基、保護(hù)神經(jīng)、預(yù)防心血管疾病、抑制α-葡萄糖苷酶、抗炎癥等多種生物活性［1-2］，具有廣泛的醫(yī)療保健用途。大別山地區(qū)盛產(chǎn)金銀花，其葉中含有豐富的綠原酸［3］，但金銀花葉長期被視為非藥用部位而未能得到有效利用［4］。當(dāng)前金銀花原料價格高漲，利用來源更豐富、采集更方便、價格更低廉的金銀花葉提取綠原酸，對大別山金銀花特色資源的深加工和綜合利用具有廣闊的應(yīng)用前景。

聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）成本低、不揮發(fā)、可生物降解、性質(zhì)穩(wěn)定、安全無毒，是一種環(huán)境友好的綠色溶劑［5］。筆者實驗室研究了微波法輔助PEG-200提取金銀花葉中綠原酸的工藝［6］，雖然提取效果好，但微波強度難以控制，且能耗大，微波反應(yīng)器價格高［7］。生物酶法具有效率高、特異性好、條件溫和、易于控制等特點，能輔助強化活性成分的提取［8-9］。如纖維素酶通過降解細(xì)胞壁的纖維素，能溫和有效地破壞植物細(xì)胞壁骨架結(jié)構(gòu)，讓植物活性物質(zhì)成分釋放溶出［10-11］，從而強化提取效果。然而，目前尚無酶法輔助PEG-200提取金銀花葉中綠原酸的相關(guān)報道。

本研究以金銀花葉為實驗材料，對其綠原酸采用纖維素酶輔助PEG-200溶劑進(jìn)行提取。以綠原酸的提取率為響應(yīng)值，通過單因素試驗選擇PEG-200體積分?jǐn)?shù)、料液比、酶解時間等3個關(guān)鍵因素為自變量，綠原酸提取率為響應(yīng)分析指標(biāo)，采用Box-Behnken中心組合試驗方法設(shè)計響應(yīng)面優(yōu)化方案，探討金銀花葉中綠原酸的酶法輔助PEG-200提取工藝的優(yōu)化條件，從而為大別山特色金銀花資源的深加工和綜合利用提供技術(shù)參考。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

金銀花葉：采于湖北楚天舒藥業(yè)有限公司金銀花基地，陰干，粉碎備用；綠原酸標(biāo)準(zhǔn)品（純度≥98%）（批號20150705）：上海金橞生物科技有限公司；PEG-200（分析純）：上海山浦化工有限公司；酸性纖維素酶（20 000 U/g）（CAS 9012-54-8）：湖北帝鑫化工制造有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

VarianCary100Scan型紫外可見分光光度計：美國Varian公司；Ax-205 METTLER TOLEDO型電子天平：瑞士梅特勒-托利多集團；DZKW-D-2型電熱恒溫水浴鍋：北京西城區(qū)醫(yī)療器械廠；UB-7pH計：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司。

1.3實驗方法

1.3.1綠原酸標(biāo)準(zhǔn)曲線及提取率測定

按照文獻(xiàn)［6］的方法，在波長327 nm條件下測定吸光度值，以綠原酸質(zhì)量濃度（C）為橫坐標(biāo)，吸光度值（A）為縱坐標(biāo)，得標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為：A=0.05C-0.038 7，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 7，綠原酸質(zhì)量濃度在10.8～54.0 μg/mL范圍內(nèi)與吸光度值呈良好的線性關(guān)系。樣品中綠原酸的含量按照標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程進(jìn)行計算。綠原酸提取率計算公式如下：

式中：Y為綠原酸提取率，%；C為樣品中綠原酸的含量，μg/mL；N為稀釋倍數(shù)；m為金銀花葉的質(zhì)量，g；V為綠原酸提取液體積，mL。

1.3.2單因素試驗

稱取5份金銀花葉粉末5 g置于圓底燒瓶，以不同的料液比加入一定體積分?jǐn)?shù)的PEG-200溶液，在一定的pH值和纖維素酶添加量條件下，用一定溫度的恒溫水浴酶解不同時間，然后在不同溫度下對綠原酸進(jìn)行回流提取不同的時間，從而分別考察料液比、PEG-200體積分?jǐn)?shù)、pH、纖維素酶量、酶解時間、酶解溫度、提取時間和提取溫度等因素對金銀花葉中綠原酸提取率的影響。

1.3.3響應(yīng)面優(yōu)化試驗

根據(jù)響應(yīng)面方法的Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計原理，選取單因素試驗中對綠原酸提取率影響比較顯著的PEG-200體積分?jǐn)?shù)（X1）、料液比（X2）和酶解時間（X3）為自變量，以綠原酸提取率（Y）為響應(yīng)值，設(shè)計3因素3水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗，如表1所示。

表1　綠原酸提取響應(yīng)面分析因素及水平Table 1 Factors and levels of response surface analysis for chlorogenic acid extraction

2　結(jié)果與分析

2.1單因素試驗結(jié)果

2.1.1纖維素酶添加量對綠原酸提取率的影響

稱取5份5 g金銀花葉粉末，按1∶20（g∶mL）料液比加入體積分?jǐn)?shù)30%的PEG-200，pH 6，分別添加金銀花葉質(zhì)量1%、2%、3%、4%、5%的纖維素酶，在55℃恒溫酶解2 h后，在80℃條件下回流提取15 min，考察加酶量對綠原酸提取率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1　纖維素酶添加量對綠原酸提取率的影響Fig.1 Effect of cellulase addition on the extraction rate of chlorogenic acid

由圖1可知，當(dāng)纖維素酶添加量為2%時，綠原酸提取率最高，為6.52%；繼續(xù)增加纖維素酶添加量，綠原酸提取率則降低。這是因為纖維素酶量增加到一定程度時，酶分子過于飽和，一部分酶不能與底物結(jié)合，使得水解速度變慢，導(dǎo)致綠原酸提取率下降［12］。因此，纖維素酶添加量宜選擇2%。

2.1.2酶解溫度對綠原酸提取率的影響

稱取5份5 g金銀花葉粉末，按1∶20（g∶mL）料液比加入體積分?jǐn)?shù)30%的PEG-200，pH 6，添加金銀花葉質(zhì)量2%的纖維素酶，分別在40℃、45℃、50℃、55℃、60℃恒溫條件下酶解2 h后，在80℃條件下回流提取15 min，考察酶解溫度對綠原酸提取率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2　酶解溫度對綠原酸提取率的影響Fig.2 Effect of hydrolysis temperature on the extraction rate of chlorogenic acid

纖維素酶在50～70℃范圍內(nèi)比較穩(wěn)定［13］。由圖2可知，在55℃恒溫條件下，綠原酸提取率達(dá)到峰值，為6.11%，隨著酶解溫度增大，提取率則下降。因此，酶解溫度以55℃為宜。

2.1.3酶解時間對綠原酸提取率的影響

稱取5份5 g金銀花葉粉末，按1∶20（g∶mL）料液比加入體積分?jǐn)?shù)30%的PEG-200，pH 6，添加金銀花葉質(zhì)量2%的纖維素酶，在55℃恒溫條件下分別酶解1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h后，在80℃條件下回流提取15 min，考察酶解時間對綠原酸提取率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3　酶解時間對綠原酸提取率的影響Fig.3 Effect of hydrolysis time on the extraction rate of chlorogenic acid

由圖3可知，當(dāng)酶解時間從1.5～2.0 h，綠原酸提取率迅速增加到峰值，隨著酶解時間增加，綠原酸提取率下降趨勢明顯。綠原酸不穩(wěn)定，長時間酶解很容易導(dǎo)致綠原酸發(fā)生異變和分解，使得提取率降低。因此，酶解時間對綠原酸提取影響明顯，不考慮其他因素則以2.0 h為宜。

2.1.4pH對綠原酸提取率的影響

稱取5份5 g金銀花葉粉末，按1∶20（g∶mL）料液比加入體積分?jǐn)?shù)30%的PEG-200，pH分別為2、3、4、5、6，添加金銀花葉質(zhì)量2%的纖維素酶，在55℃恒溫酶解2.0 h后，在80℃條件下回流提取15 min，考察pH對綠原酸提取率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4　pH對綠原酸提取率的影響Fig.4 Effect of pH on the extraction rate of chlorogenic acid

纖維素酶最適pH值在4.0～6.0范圍［13］。由圖4可知，pH值為4時，綠原酸提取率最高，為6.44%；但pH值升高提取率又降低。pH值對酸性纖維素酶酶活力影響顯著，pH值越高，纖維素酶與金銀花葉細(xì)胞之間靜電斥力越大，吸附越不牢固，降解效率降低［14-15］。因此，pH值宜選擇4。該結(jié)論與向福等［16］的研究結(jié)果一致。

2.1.5PEG-200體積分?jǐn)?shù)對綠原酸提取率的影響

稱取5份5 g金銀花葉粉末，按1∶20（g∶mL）料液比，分別加入體積分?jǐn)?shù)10%、20%、30%、40%、50%的PEG-200，pH 6，添加金銀花葉質(zhì)量2%的纖維素酶，在55℃恒溫酶解2 h后，在80℃條件下回流提取15 min，考察PEG-200體積分?jǐn)?shù)對綠原酸提取率的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5　PEG-200體積分?jǐn)?shù)對綠原酸提取率的影響Fig.5 Effect of PEG-200 concentration on the extraction rate of chlorogenic acid

由圖5可知，PEG-200體積分?jǐn)?shù)在10%～40%時，綠原酸提取率隨著PEG-200體積分?jǐn)?shù)的增加而不斷增大，在體積分?jǐn)?shù)40%時增加到最高，為4.18%，提取效果最好；之后，綠原酸提取率隨PEG-200體積分?jǐn)?shù)的增加則開始降低。PEG通過改變?nèi)芤旱暮纳⒁蛩囟涌炝四芰總鬟f速度和提取效率［5］，故在一定范圍內(nèi)，隨著PEG-200體積分?jǐn)?shù)增大，綠原酸提取率明顯增加；同時，體積分?jǐn)?shù)越大，PEG-200溶液的黏度就越高，從而影響提取過程的傳質(zhì)，表現(xiàn)為綠原酸提取率下降趨勢明顯。因此，PEG-200體積分?jǐn)?shù)對綠原酸提取影響明顯，以40%為宜。

2.1.6料液比對綠原酸提取率的影響

稱取5份5g金銀花葉粉末，分別按1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30（g∶mL）料液比加入體積分?jǐn)?shù)30%的PEG-200，pH 6，添加金銀花葉質(zhì)量2%的纖維素酶，在55℃恒溫酶解2 h后，在80℃條件下回流提取15 min，考察料液比對綠原酸提取率的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6　料液比對綠原酸提取率的影響Fig.6 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of chlorogenic acid

由圖6可知，料液比對綠原酸提取率影響明顯，當(dāng)液料比為1∶25（g∶mL）時綠原酸提取率最高，為5.55%，繼續(xù)增大料液比，提取率略有下降趨勢。因此，料液比以1∶25（g∶mL）為宜。

2.1.7提取溫度對綠原酸提取的影響

稱取5份5 g金銀花葉粉末，按1∶20（g∶mL）料液比加入體積分?jǐn)?shù)30%的PEG-200，pH 6，添加金銀花葉質(zhì)量2%的纖維素酶，在55℃恒溫酶解2 h后，分別在75℃、80℃、85℃、90℃、95℃條件下回流提取15 min，考察提取溫度對綠原酸提取率的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7　提取溫度對綠原酸提取率的影響Fig.7 Effect of extraction temperature on the extraction rate of chlorogenic acid

由圖7可知，綠原酸提取率隨著提取溫度的增加而呈明顯的上升趨勢，在90℃時提取率達(dá)到峰值，為4.53%；繼續(xù)升高提取溫度，提取率呈明顯的下降趨勢。雖然提高回流提取的溫度有利于增強綠原酸的提取效果，增加提取率，但綠原酸在過高溫度時易分解。因此，提取溫度以90℃為宜。

2.1.8提取時間對綠原酸提取率的影響

稱取5份5 g金銀花葉粉末，按1∶20（g∶mL）料液比加入體積分?jǐn)?shù)30%的PEG-200，pH 6，添加金銀花葉質(zhì)量2%的纖維素酶，在55℃恒溫酶解2 h后，在80℃條件下分別回流提取5 min、15 min、25 min、35 min、45 min，考察提取時間對綠原酸提取率的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8　提取時間對綠原酸提取率的影響Fig.8 Effect of extraction time on the extraction rate of chlorogenic acid

由圖8可知，提取時間太短，提取率較低，增加提取時間則提取率顯著增加，提取15 min后，綠原酸提取率達(dá)到最大，為4.34%；但繼續(xù)增加提取時間，提取率呈明顯的下降趨勢。這是由于在高溫提取條件下（80℃溫度），綠原酸會因為回流提取時間過長而易分解。因此，提取時間選擇15 min。

2.2響應(yīng)面試驗結(jié)果

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，固定加酶量、酶解溫度、pH、提取溫度、提取時間分別為2%、55℃、4、90℃和15 min，以綠原酸提取率（Y）為響應(yīng)值，以PEG-200體積分?jǐn)?shù)（X1）、料液比（X2）、酶解時間（X3）為自變量，用Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計響應(yīng)面優(yōu)化方案，試驗設(shè)計及結(jié)果見表2，回歸模型方差分析見表3。

利用Design Expert 8.0.6軟件對表2試驗結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，得到綠原酸提取率（Y）對PEG-200體積分?jǐn)?shù)（X1）、料液比（X2）和酶解時間（X3）的二次多項回歸模型編碼方程：

表2　響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface experiments

根據(jù)表3所示響應(yīng)面方差分析結(jié)果，二次多項回歸擬合模型極其顯著（P＜0.000 1），而失擬項不顯著（P=0.210 2＞0.05），說明回歸模型對試驗數(shù)據(jù)擬合度較好；模型信噪比為23.497＞4，說明擬合模型有意義，可信度高；變異系數(shù)為0.96%，表明操作穩(wěn)定性好；預(yù)測擬合度0.877 0和校正擬合度0.974 0基本一致，說明該模型相關(guān)性好，可用于預(yù)測。另外，F(xiàn)值反映了自變量因子對響應(yīng)值的重要性，F(xiàn)值越大，P值越小，該因子對響應(yīng)值影響越顯著。根據(jù)表3中F（X1）=313.24＞F（X2）=55.27＞F（X3）可知，各自變量因子的主效應(yīng)關(guān)系為：PEG-200體積分?jǐn)?shù)＞料液比＞酶解時間。同時，X2、X3、X1X3、X2X3、X22和X32對響應(yīng)值Y的作用顯著（P＜0.05），而X1和X12對響應(yīng)值Y的作用則極顯著（P＜0.000 1）。因此，盡管PEG-200體積分?jǐn)?shù)、料液比和酶解時間的交互作用對綠原酸的提取率影響較小，但各因素與響應(yīng)值Y之間并不是簡單的線性關(guān)系，各因子二次項也影響綠原酸提取率的變化。決定系數(shù)R2=0.988 6表明此模型能解釋98.86%的響應(yīng)值變化，也就是說能影響綠原酸提取率的作用變量只有約1.14%未計入擬合模型。因此，酶法輔助PEG提取金銀花葉中綠原酸的工藝過程可用該二元回歸多項式代替真實試驗進(jìn)行預(yù)測。

表3　回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

二元擬合模型的響應(yīng)面分析結(jié)果如圖9所示，表示用于響應(yīng)面分析的PEG-200體積分?jǐn)?shù)、料液比和酶解時間等3個自變量因子中，當(dāng)某個因子為零水平時，另外兩個因子對綠原酸提取率的協(xié)同作用關(guān)系，等高線的形狀可直觀反映兩因子的交互作用強弱和顯著程度。由圖9可知，料液比和酶解時間的等高線圖中心區(qū)域呈橢圓形，說明二者之間交互作用明顯；PEG-200體積分?jǐn)?shù)分別與料液比和酶解時間的等高線圖中心區(qū)域均不構(gòu)成橢圓，則沒有明顯的交互作用。此外，PEG-200體積分?jǐn)?shù)、料液比、酶解時間等三個因素與響應(yīng)值綠原酸提取率均呈拋物線關(guān)系，且響應(yīng)面均為凸面，開口向下，說明在試驗點的連續(xù)區(qū)域內(nèi)存在最大值。通過二元擬合模型求解，預(yù)測其最佳提取工藝條件為料液比1∶26.59（g∶mL）、PEG-200體積分?jǐn)?shù)52.57%、酶處理時間為2.04 h，在此條件下，綠原酸提取率理論預(yù)測值為6.600 1%。

圖9　PEG-200體積分?jǐn)?shù)、料液比和酶解時間交互作用對綠原酸提取率影響的響應(yīng)面及等高線Fig.9 Response surface plots and contour line of effects of interaction between PEG-200 concentration，solid liquid ratio and hydrolysis time on extraction rate of chlorogenic acid

2.3響應(yīng)面驗證試驗

驗證時，為便于實際操作，將最佳工藝條件預(yù)測值修正為料液比1∶27（g∶mL）、PEG-200體積分?jǐn)?shù)50%和酶解時間2.0 h。其他工藝條件為pH 4，纖維素酶量2%，55℃恒溫水浴，提取溫度90℃，提取時間15 min。在修正后的最佳條件下，進(jìn)行了3次平行驗證試驗，綠原酸實測平均提取率為（6.59±0.01）%，與理論預(yù)測值6.60%吻合度較高，說明所用二元回歸擬合模型對酶法輔助PEG提取金銀花葉中綠原酸的實驗過程具有一定的指導(dǎo)作用。

相比黃榮等［6］報道的微波輔助PEG提取法，綠原酸提取率增加了12.27%。酶解時間雖長達(dá)2.0 h，但55℃的酶解溫度比較溫和，不會破壞綠原酸；提取溫度盡管升高至90℃，但提取時間較微波輔助提取法縮短了37.5%，高溫短時，既有利于強化提取效率，又能保護(hù)綠原酸。因此酶法輔助比微波輔助提取效率更高，條件更溫和，且同樣綠色環(huán)保，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

3　結(jié)論

本研究在單因素試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合響應(yīng)面試驗優(yōu)化了酶法輔助PEG-200提取金銀花葉中綠原酸的工藝條件，建立了最佳提取工藝條件為料液比1∶27（g∶mL）、PEG-200體積分?jǐn)?shù)50%、纖維素酶添加量2%、pH 4、55℃恒溫酶解2.0 h、然后在90℃條件下回流提取15 min。此時，綠原酸提取率達(dá)到6.59%。該工藝條件溫和、環(huán)境友好、提取效率高，可用于工業(yè)化提取金銀花葉中綠原酸。

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SHI Changping1，XIANG Fu1，2*，YANG Bao1，F(xiàn)ANG Yuanping1，2
（1.College of Life Sciences，Huanggang Normal University，Huanggang 438000，China；2.Hubei Collaborative Innovation Center for the Characteristic Resources Exploitation of Dabie Mountains，Huanggang 438000，China）

In order to optimize the enzyme-assisted extraction conditions of chlorogenic acid with PEG-200 fromLonicerae japonicaleaves，the key factors such as PEG-200 concentration，solid-liquid ratio and hydrolysis time were determined by single factor experiments and optimized and analyzed by response surface method using extraction rate of chlorogenic acid as response value.The results showed that the optimum extraction conditions of chlorogenic acid were cellulose addition 2%，solid-liquid ratio 1∶27（g∶ml），PEG-200 concentration 50%，pH 4，hydrolysis temperature 55℃，hydrolysis time 2.0 h，extraction temperature 90℃and extraction time 15 min.Under the conditions，the extraction rate of chlorogenic acid was 6.59%.This method was environment-friendly，mild conditions and high extraction efficiency，which was suitable for industrialized production of chlorogenic acid fromLonicerae japonicaleaves.

Lonicerae japonicaleaves；response surface method；chlorogenic acid；polyethylene glycol；enzyme-assisted extraction

R284.2

0254-5071（2016）06-0155-06

10.11882/j.issn.0254-5071.2016.06.033

2016-03-20

湖北省自然科學(xué)基金重點項目（2014CFA129）；湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201510514019）

石長萍（1994-），女，本科生，研究方向為天然產(chǎn)物提取。

向福（1977-），男，副教授，博士，研究方向為天然植物資源利用。