石子林 李軍喬 王雅瓊 董浩 牛永昆 李晨芹
摘要:通過優(yōu)化蕨麻地上部分多糖提取工藝,為蕨麻地上部分的綜合利用提供試驗(yàn)依據(jù)。本研究以蕨麻地上部分多糖提取率為評(píng)估指標(biāo),以液料比、提取溫度、提取時(shí)間為影響因素,在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化蕨麻地上部分多糖提取工藝,并采用2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)自由基清除法以及1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基清除法測定其抗氧化活性。最佳提取工藝條件為:液料比41∶1(ml/g),提取溫度80 ℃,提取時(shí)間97 min,提取率為2.68%。在最佳提取工藝條件下,多糖對DPPH自由基、ABTS自由基的半抑制質(zhì)量濃度分別為0.76 mg/ml、0.64 mg/ml。本研究采用響應(yīng)面法得到蕨麻地上部分多糖的最佳提取工藝,該工藝簡便可行,提取的多糖具有較強(qiáng)的抗氧化活性。
關(guān)鍵詞:蕨麻;多糖;響應(yīng)面法;提取工藝;抗氧化活性
中圖分類號(hào):S566.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-4440(2020)03-0720-07
Optimization on the extraction process of polysaccharide from the aerial part of Potentilla anserina L. and its antioxidant activity
SHI Zi-lin1,2,3,LI Jun-qiao1,2,3,WANG Ya-qiong1,2,3,DONG Hao1,2,3,NIU Yong-kun1,2,3,LI Chen-qin1,2,3
(1.Tibetan Plateau Juema Research Centre, Qinghai University for Nationalities, Xining 810000, China;2.Qinghai Provincial Biotechnology and Analytical Test Key Laboratory, Xining 810000, China;3.College of Ecological Environment and Resources, Qinghai University for Nationalities, Xining 810000, China)
Abstract:To provide experimental basis for comprehensive utilization of the aerial parts of Potentilla anserina L., the extraction process of polysaccharide was optimized. In this study, the yield of polysaccharide was used as the evaluation index, and the liquid-solid ratio, extraction time and extraction temperature were taken as influencing factors. The extraction process was optimized by response surface methodology on the basis of single factor test. The antioxidant activity of polysaccharide was determined by 2, 2-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS) and 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) radicals scavenging methods. The optimum extraction conditions were as follows: liquid-solid ratio 41∶1(ml/g), extraction temperature 80 ℃, extraction time 97 min. Under the above conditions, the yield of polysaccharide was 2.68%. Under the optimum extraction conditions, the half-inhibiting concentrations of DPPH and ABTS were 0.76 mg/ml and 0.64 mg/ml, respectively. In this study, the optimum extraction process of polysaccharide from the aerial parts of Potentilla anserina L. obtained by response surface method is convenient and feasible, and the polysaccharide has strong antioxidant activity.
Key words:Potentilla anserina L.;polysaccharide;response surface method;extraction process;antioxidant activity
蕨麻是鵝絨委陵菜(Potentilla anserina L.)的變種,為薔薇科(Rosaceae)委陵菜屬(Potentilla L.),多年生草本[1],鵝絨委陵菜廣泛分布于中國華北、東北、西北、西南等地區(qū),生長在海拔500~4 100 m的路邊、河岸、山坡以及高寒草甸上[2]。在青藏高原等高寒地區(qū)因其根部較為膨大,故而稱之為蕨麻,其中尤以青海省的分布區(qū)域最廣,儲(chǔ)量最高,品質(zhì)最好[3]。
蕨麻在民間為藥食兩用的植物,已有約1 200年的歷史。有研究結(jié)果表明,蕨麻地下部分具有抗缺氧[4-5]、抗氧化[6-7]、抑菌[8]以及保肝護(hù)肝[9-10]等作用,在食品、化妝品、保健品等行業(yè)具有較大的利用價(jià)值。汪境成等[11]研究發(fā)現(xiàn),蕨麻地上部分富含黃酮、香豆素、生物堿、鞣質(zhì)、多糖和三萜等,地下部分富含黃酮、香豆素、多糖、皂苷等。
多糖是一類由糖苷鍵結(jié)合,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的生物活性物質(zhì),因其具有降血脂、抗菌、抗氧化、抗腫瘤以及增強(qiáng)免疫活性[12-13]等功效而備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。王迦琦等[14]用水提醇沉法提取北蟲草多糖,多糖提取率為7.94%。陸海勤等[15]用超聲協(xié)同高壓矩形脈沖電場對黃花菜的多糖進(jìn)行提取,多糖提取率為10.03%。黨金寧等[16]用乙醇/硫酸銨在水溶液中形成的雙水相體系作為多糖提取劑,對蕨麻地下部分含有的多糖進(jìn)行提取,多糖提取率為14.46%。高丹丹等[17]用水提醇沉法提取蕨麻地下部分多糖,并用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理對工藝進(jìn)行優(yōu)化,得其多糖提取率為24.53%。
蕨麻地下部分因其豐富的多糖儲(chǔ)量,而廣受學(xué)者關(guān)注。目前,對蕨麻地下部分多糖的研究較為充分,而對蕨麻地上部分多糖的研究則較少。每到蕨麻收獲季節(jié),蕨麻的地上部分往往被擱置,由此造成了極大的資源浪費(fèi),綜合開發(fā)利用蕨麻地上部分也逐漸被提上了日程。本試驗(yàn)擬以蕨麻采摘后的地上部分為材料,對其多糖提取率進(jìn)行測定,并對提取的蕨麻多糖進(jìn)行抗氧化活性研究,以期提高蕨麻的附加值,為進(jìn)一步開發(fā)利用蕨麻地上部分提供科學(xué)依據(jù)。
1材料與方法
1.1主要材料
蕨麻地上部分于2019年11月采自青海省西寧市湟源縣牧場村蕨麻種植基地,經(jīng)青海民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院李軍喬教授鑒定為薔薇科委陵菜屬植物蕨麻。1,1-二苯基-2-三硝基苯(DPPH)、2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)、D-無水葡萄糖、維生素C均購自上海源葉生物科技有限公司,純度≥98%,其余試劑均為分析純。
1.2主要儀器
本試驗(yàn)所用儀器有:Neofuge23R臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)(上海力申科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品)、XFB-400高速中草藥粉碎機(jī)(吉首市中誠制藥機(jī)械廠產(chǎn)品)、EPED-20TH實(shí)驗(yàn)室級(jí)超純水器(南京易普易達(dá)科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品)、儀表恒溫水浴鍋(龍口市電爐制造廠產(chǎn)品)、UV-5500型紫外-可見光分光光度計(jì)(上海元析儀器有限公司產(chǎn)品)、移液槍(Eppendorf公司產(chǎn)品)、HZQ-X160恒溫振蕩培養(yǎng)箱(蘇州培英實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品)。
1.3材料預(yù)處理
將采收的蕨麻地上部分自然風(fēng)干至恒質(zhì)量,粉碎后過60目篩,將過篩后的蕨麻地上部分用索氏提取法加20倍的石油醚進(jìn)行回流提取6 h,除去石油醚后,將蕨麻地上部分粉末自然風(fēng)干,備用。
1.4提取方法
精密稱取1 g蕨麻地上部分粉末,以純水作溶劑,按一定液料比,在一定溫度下提取一定時(shí)間后,抽濾,取抽濾后的濾液進(jìn)行濃縮,并定容至20 ml。用Sevage法脫蛋白質(zhì):向溶液中加入5 ml Sevage試劑(三氯甲烷∶正丁醇=4∶1,體積比),在恒溫振蕩培養(yǎng)箱(25 ℃、150 r/min)中反應(yīng)15 min,再于高速冷凍離心機(jī)中離心(25 ℃、11 000 r/min)15 min,重復(fù)上述過程5~8次,直至蛋白質(zhì)脫盡。取上清液,并添加4倍體積的無水乙醇,在4 ℃下靜置過夜,離心(4 ℃、11 000 r/min)15 min,將所得沉淀依次用丙酮、無水乙醇洗滌后凍干,獲得蕨麻地上部分多糖粗提物。
1.5葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作
精密稱量5 mg干燥至恒質(zhì)量的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品,置于50 ml容量瓶中,純水定容,得0.1 mg/ml葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液,分別吸取0.5 ml、1.0 ml、1.5 ml、2.0 ml、2.5 ml葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液于試管中,并依次滴加1.0 ml 5%苯酚、1.0 ml純水和5.0 ml濃硫酸,定容至10.0 ml,搖勻,置于沸水浴中反應(yīng)15 min后取出,冷卻至室溫,并于490 nm波長下測其吸光度(A),純水作空白對照。以多糖質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo),得回歸方程為:Y=51.296 0x+0.006 2(R2=0.999 4),多糖質(zhì)量濃度為0.05~0.25 mg/ml時(shí),線性關(guān)系良好。
1.6多糖質(zhì)量濃度的測定
精密稱取5 mg多糖粗提物,置于25 ml容量瓶中,純水定容,獲得待測液。取1 ml待測液于試管中,按照方法1.5中的方法進(jìn)行顯色并測其吸光度,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)曲線獲得待測液中的多糖質(zhì)量濃度,并計(jì)算其提取率。多糖提取率=(多糖質(zhì)量/蕨麻地上部分粉末質(zhì)量)×100%。
1.7蕨麻地上部分多糖提取工藝單因素試驗(yàn)
按方法1.4的提取方法,研究液料比、提取溫度、提取時(shí)間3個(gè)因素對蕨麻地上部分多糖提取率的影響。
1.7.1液料比稱取1 g蕨麻地上部分粉末,固定提取溫度70 ℃,提取時(shí)間90 min,考察不同液料比[20∶1(ml/g)、30∶1(ml/g)、40∶1(ml/g)、50∶1(ml/g)、60∶1(ml/g)]對蕨麻地上部分多糖提取率的影響。
1.7.2提取溫度稱取1 g蕨麻地上部分粉末,固定液料比40∶1(ml/g),提取時(shí)間90 min,考察不同提取溫度(50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃)對蕨麻地上部分多糖提取率的影響。
1.7.3提取時(shí)間稱取1 g蕨麻地上部分粉末,固定液料比40∶1(ml/g),提取溫度80 ℃,考察不同提取時(shí)間(30 min、60 min、90 min、120 min、150 min)對蕨麻地上部分多糖提取率的影響。
1.8蕨麻地上部分多糖提取工藝的響應(yīng)面法優(yōu)化
在上述單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)Box-Benhnken響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,選取液料比(A)、提取溫度(B)、提取時(shí)間(C)為影響因素,以蕨麻地上部分多糖提取率為響應(yīng)值(Y),采取3因素3水平試驗(yàn),確定最佳提取工藝。試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)水平如表1顯示。
1.9蕨麻地上部分多糖抗氧化性試驗(yàn)
1.9.1DPPH自由基清除試驗(yàn)
將最優(yōu)條件下提取的蕨麻地上部分多糖配制成質(zhì)量濃度為0.2 mg/ml、0.4 mg/ml、0.6 mg/ml、0.8 mg/ml、1.0 mg/ml、1.2 mg/ml、1.4 mg/ml、1.6 mg/ml、1.8 mg/ml的試液,同時(shí)配制0.04 mg/ml的DPPH溶液。分別取不同質(zhì)量濃度的蕨麻地上部分多糖溶液各0.5 ml于試管中,滴加1.5 ml無水乙醇,再滴加2.0 ml DPPH溶液,搖勻,避光靜置反應(yīng)30 min,于517 nm處測其吸光度,得樣品組清除率。對照組用0.5 ml超純水代替多糖溶液,空白組則用2.0 ml無水乙醇代替DPPH溶液。以VC為陽性對照,按上述方法進(jìn)行操作。清除率計(jì)算公式如下:
清除率=[1-(A1-A2)/A0]×100%
A0:空白組吸光度,A1:樣品組吸光度,A2:對照組吸光度。
1.9.2ABTS自由基清除試驗(yàn)將最優(yōu)條件下提取的蕨麻地上部分多糖配制成質(zhì)量濃度為0.2 mg/ml、0.4 mg/ml、0.6 mg/ml、0.8 mg/ml、1.0 mg/ml、1.2 mg/ml、1.4 mg/ml、1.6 mg/ml、1.8 mg/ml的試液,用2.45 mmol/L的過硫酸鉀將ABTS配制成7.00 mmol/L的儲(chǔ)備液,避光靜置過夜后用超純水將其稀釋至λ734=0.70±0.02,得ABTS·+工作液。精密吸取各質(zhì)量濃度的蕨麻地上部分多糖溶液0.1 ml于試管中,滴加3.9 ml ABTS·+工作液,搖勻,避光靜置反應(yīng)30 min后于734 nm處測其吸光度,得樣品組清除率。對照組用0.1 ml超純水代替多糖溶液,空白組則用3.9 ml無水乙醇代替ABTS·+工作液。以VC為陽性對照,按上述方法進(jìn)行操作。
2結(jié)果與分析
2.1蕨麻地上部分多糖提取工藝單因素試驗(yàn)結(jié)果
2.1.1液料比
圖1顯示,蕨麻地上部分多糖提取率隨液料比的增大而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當(dāng)液料比達(dá)到40∶1(ml/g)時(shí),提取率達(dá)到最大值,此時(shí)的提取率為2.13%。因此,選擇蕨麻地上部分多糖提取工藝的最佳液料比為40∶1(ml/g)。
2.1.2提取溫度
結(jié)果(圖1)表明,蕨麻地上部分多糖提取率隨提取溫度的增大而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當(dāng)提取溫度達(dá)到80 ℃時(shí),提取率達(dá)到最大值,此時(shí)的提取率為2.58%。因此,選擇蕨麻地上部分多糖提取工藝的最佳提取溫度為80 ℃。
2.1.3提取時(shí)間
蕨麻地上部分多糖提取率隨提取時(shí)間的增大而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當(dāng)提取時(shí)間達(dá)到90 min時(shí),提取率達(dá)到最大值,此時(shí)的提取率為2.74%(圖1)。因此,選擇蕨麻地上部分多糖提取工藝的最佳提取時(shí)間為90 min。
2.2蕨麻地上部分多糖提取工藝響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)Box-Behnken響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn),探究液料比、提取時(shí)間、提取溫度3因素相互作用對蕨麻地上部分多糖提取率的影響,試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2顯示。利用Design-Expert 8.0.6軟件對表2中17組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)分析,得到回歸方程為:
Y=-15.189 800+0.490 300A+0.164 300B+0.027 100C+0.000 525AB+0.000 167AC+0.000 058BC-0.006 680A2-0.001 205B2-0.000 198C2
Y:多糖提取率;A:液料比;B:提取溫度;C:提取時(shí)間。
表3顯示,回歸模型整體的P<0.000 1,可信度水平大于99.999%,說明該模型具有高度的顯著性。一次項(xiàng)A、C以及二次項(xiàng)A2、B2、C2均具有顯著影響,并且其差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.010 0)。A、B、C三因素交互項(xiàng)的顯著性較差,說明試驗(yàn)因素與響應(yīng)值是一種非線性關(guān)系?;貧w方程的R2=0.988 2,說明此模型與本試驗(yàn)具有良好的擬合性。R2adj=0.973 1,說明該模型可解釋97.31%響應(yīng)值的變化。失擬項(xiàng)P=0.135 6>0.050 0,失擬項(xiàng)差異不顯著,說明差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,試驗(yàn)誤差較小,操作可信度較高,因而可用該模型來確定最佳的提取工藝。此外,由F值可看出,3個(gè)因素對蕨麻地上部分多糖提取率的影響表現(xiàn)為:液料比>提取時(shí)間>提取溫度。
為了更直觀地看出各因素對蕨麻地上部分多糖提取率的影響,繪制了三維響應(yīng)面圖,試驗(yàn)因素對蕨麻地上部分多糖提取率的影響越顯著,響應(yīng)面的坡度越陡峭,反之則較為緩和。
A:液料比;B:提取溫度;C:提取時(shí)間。
圖2顯示,當(dāng)液料比為30∶1~40∶1(ml/g),提取溫度為70~80 ℃時(shí),蕨麻地上部分多糖提取率隨著因素水平的提升而增加,之后提取率隨著各因素水平的繼續(xù)增加而降低,并且液料比曲線較提取溫度曲線更為陡峭,說明液料比對多糖提取率的影響高于提取溫度。
圖3顯示,當(dāng)液料比為30∶1~42∶1(ml/g),提取時(shí)間為60~95 min時(shí),蕨麻地上部分多糖提取率隨著因素水平的增加而增加,之后提取率隨著各因素水平的繼續(xù)增加而降低,并且液料比曲線較提取時(shí)間曲線更為陡峭,說明液料比對多糖提取率的影響高于提取時(shí)間。
圖4顯示,當(dāng)提取溫度為70~82 ℃,提取時(shí)間為60~95 min時(shí),蕨麻地上部分多糖提取率隨著因素水平的增加而增加,之后提取率隨著各因素水平的繼續(xù)增加而降低,并且提取時(shí)間曲線較提取溫度曲線更為陡峭,說明提取時(shí)間對多糖提取率的影響高于提取溫度。
綜上,各因素對蕨麻地上部分多糖提取率的影響表現(xiàn)為:液料比>提取時(shí)間>提取溫度,與表3結(jié)論相符。
經(jīng)響應(yīng)面法優(yōu)化后,所得的最佳提取工藝為:液料比41.04∶1.00(ml/g),提取溫度79.47 ℃,提取時(shí)間97.61 min,此時(shí)蕨麻地上部分多糖的提取率為2.72%。考慮到實(shí)際操作的簡便性,選取液料比為41.00∶1.00(ml/g),提取溫度80.00 ℃,提取時(shí)間97.00 min,在此條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn),多糖提取率平均值為2.68%。試驗(yàn)結(jié)果表明,蕨麻地上部分多糖提取率與回歸方程預(yù)測值2.72%相近,該模型可較好地預(yù)測各因素與多糖提取率之間的關(guān)系,同時(shí)也證明了蕨麻地上部分多糖提取工藝的穩(wěn)定性及可行性。
2.3蕨麻地上部分多糖抗氧化性
2.3.1DPPH自由基清除率圖5顯示,蕨麻地上部分多糖具有清除DPPH自由基的能力,并且其清除能力隨著多糖質(zhì)量濃度的增高而增高,多糖質(zhì)量濃度為1.40 mg/ml時(shí),DPPH自由基清除率可達(dá)74.15%,之后隨多糖質(zhì)量濃度繼續(xù)增加,DPPH自由基清除率變化緩慢。半抑制質(zhì)量濃度(IC50)為0.76 mg/ml。
2.3.2ABTS自由基清除率
圖6顯示,蕨麻地上部分多糖具有清除ABTS自由基的能力,其清除能力隨著多糖質(zhì)量濃度的增高而增高,多糖質(zhì)量濃度為1.20 mg/ml時(shí),ABTS自由基清除率可達(dá)61.65%,之后隨多糖質(zhì)量濃度繼續(xù)增加,ABTS自由基清除率變化緩慢。IC50為0.64 mg/ml。
3結(jié)論
目前,對植物多糖的提取主要有加熱回流法、酶輔助提取法以及超聲波輔助提取法等[18-20]。由于加熱回流法較為簡便,多糖提取率也較高,因此本試驗(yàn)采用加熱回流法對蕨麻地上部分多糖提取工藝進(jìn)行探究。不同提取條件對多糖提取率的影響不同,通常需要優(yōu)化工藝條件來提高多糖提取率。Box-Behnken響應(yīng)面法是中藥材提取工藝優(yōu)化中一種較為常用的方法,此法結(jié)合數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué),對各個(gè)因素進(jìn)行多重回歸分析,得到回歸擬合方程,模型預(yù)測性較好,與傳統(tǒng)的正交試驗(yàn)法相比,更能反映各因素各水平之間的相互關(guān)系,在工藝優(yōu)化等領(lǐng)域受廣大學(xué)者青睞。
本試驗(yàn)通過單因素法確定各因素的取值范圍,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合響應(yīng)面法對提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明,該模型能較好地預(yù)測各因素與蕨麻地上部分多糖提取率之間的關(guān)系,可靠性較高,并結(jié)合ABTS自由基清除法、DPPH自由基清除法測定了蕨麻地上部分多糖的抗氧化性能,對蕨麻地上部分后續(xù)研究具有指導(dǎo)意義。
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(責(zé)任編輯:王妮)
江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)2020年3期