劉嘉琪,楊 濤,繆芝碩,祝廷輝,鄺 鼎,陳建榮,唐偉卓,*
(1.長(zhǎng)沙學(xué)院 生物與環(huán)境工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410022;2.湖南海泰博農(nóng)生物科技有限公司,湖南岳陽(yáng) 414400)
梔子為茜草科植物梔子(GardeniajasminoidesEllis)的干燥成熟果實(shí),是我國(guó)傳統(tǒng)常用中藥材,為歷版中華人民共和國(guó)藥典所收載[1]。傳統(tǒng)記載,梔子具有降壓止血、瀉火除煩、清熱解毒等作用[2]。文獻(xiàn)報(bào)道,梔子果實(shí)中含有大量油脂類(lèi)成分,不飽和脂肪酸含量可達(dá) 80%[3]。梔子油脂具有多種藥理活性,包括保肝、抗氧化、中樞神經(jīng)改善等[4-7]。成熟梔子果實(shí)的果皮(Gardeniajasminoidespericarp)和果肉(Gardeniajasminoidespulp)容易分離,有關(guān)二者分別入藥使用的記載也較早。如《本經(jīng)》記載“梔子仁功善清心除煩,梔子皮則兼清表熱”[8]。因此,對(duì)梔子果皮和果肉不同部位開(kāi)展相關(guān)化學(xué)研究,可為梔子資源的綜合開(kāi)發(fā)和利用提供參考。
響應(yīng)面法(Response surface methodology,RSM)是近年來(lái)廣泛應(yīng)用的一種實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化的方法,包括了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型建立、模型驗(yàn)證等步驟。該方法通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及多元二次回歸方程擬合分析,同時(shí)借助直觀等高線圖和三維立體圖分析各變量之間的交互作用,最終實(shí)現(xiàn)各因素水平的最優(yōu)組合[9]。近年來(lái),越來(lái)越多的文獻(xiàn)報(bào)道了采用響應(yīng)面法優(yōu)化提取植物類(lèi)油脂[10-15]。目前,有關(guān)梔子果實(shí)全果的油脂提取工藝和脂肪酸分析研究較多,包括了亞臨界提取法[16]、超聲提取法[17]、超臨界提取法[18]等。但是,有關(guān)梔子不同部位油脂提取工藝的優(yōu)選研究報(bào)道有限。作為一種新型的提取方法,超聲輔助提取技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于植物中油脂類(lèi)化合物的提取[19-21]。該技術(shù)是利用超聲波的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)促進(jìn)油脂類(lèi)成分的溶出,從而達(dá)到快速、高效提取的目的。與傳統(tǒng)的油脂提取技術(shù)相比(如浸提法、壓榨法),超聲輔助提取技術(shù)具有操作簡(jiǎn)易、提取率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[22-23]。
本文以石油醚為提取溶劑,考察采用超聲波提取梔子果皮、果肉兩個(gè)不同部位油脂的工藝。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面法對(duì)其工藝進(jìn)行優(yōu)化,利用GC-MS技術(shù)對(duì)梔子不同部位油脂進(jìn)行脂肪酸含量測(cè)定,旨在為梔子油脂的綜合利用提供參考。
“林海1號(hào)”梔子果實(shí) 由湖南海泰博農(nóng)有限責(zé)任公司提供,經(jīng)長(zhǎng)沙學(xué)院陳建榮副教授鑒定為茜草科植物梔子的干燥成熟果實(shí),藥材現(xiàn)存放于長(zhǎng)沙學(xué)院小分子天然藥物研究室;石油醚(60~90 ℃)、甲醇 均為分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;脂肪酸標(biāo)準(zhǔn)品(純度>98%) 青島科創(chuàng)質(zhì)量檢測(cè)有限公司。
ThermoFisher Trace 1310 ISQ氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀 賽默飛世爾科技公司;TMT-3 型電子天平 湖南湘儀天平儀器設(shè)備有限公司;RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海榮生化儀器有限公司;103B型高速中藥粉碎機(jī) 瑞安市永利制藥機(jī)械有限公司;HWS-28型電熱恒溫水浴鍋 上海恒科學(xué)儀器有限公司;101A-2B型電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海實(shí)驗(yàn)儀器廠股份有限公司;SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵 鞏義市英峪予華儀器廠;KQ-100DE臺(tái)式數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。
1.2.1 原料預(yù)處理 取“林海1號(hào)”梔子干果,除去其中碎殼及質(zhì)量不佳的梔子,按皮、肉分離后粉碎過(guò)60目篩,備用。
1.2.2 梔子油脂的提取 參照文獻(xiàn)[24]報(bào)道方法,分別稱(chēng)取一定量的干燥樣品粉末于三角瓶中,加入一定量的石油醚溶劑后置于超聲波清洗器中進(jìn)行超聲提取。提取完成后,過(guò)濾、轉(zhuǎn)入圓底燒瓶,將溶劑旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)完全,得梔子油脂提取物,烘干至恒重后,稱(chēng)重,計(jì)算提取率,計(jì)算公式如下:
1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn) 取預(yù)處理后的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),考察各因素對(duì)油脂得率的影響情況,單因素水平實(shí)驗(yàn)表如表1所示。各單因素實(shí)驗(yàn)中其它固定因素水平如下。
1.2.3.1 料液比對(duì)梔子不同部位油脂得率的影響 采用1.2.2項(xiàng)下方法,考察料液比對(duì)梔子不同部位油脂得率的影響。提取條件為:固定超聲功率400 W,提取時(shí)間30 min,考察不同料液比(1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14 g/mL)對(duì)梔子不同部位油脂得率的影響,進(jìn)而確定最佳的料液比。
1.2.3.2 超聲功率對(duì)梔子不同部位油脂得率的影響 采用1.2.2項(xiàng)下方法,考察超聲功率對(duì)梔子不同部位油脂提取率的影響。提取條件為:固定料液比1∶10 g/mL,提取時(shí)間30 min,考察不同超聲功率(240、280、320、360、400 W)對(duì)梔子不同部位油脂得率的影響,進(jìn)而確定最佳的超聲功率。
1.2.3.3 提取時(shí)間對(duì)梔子不同部位油脂得率的影響 采用1.2.2項(xiàng)下方法,考察提取時(shí)間對(duì)梔子不同部位油脂提取率的影響。提取條件為:固定料液比1∶10 g/mL,超聲功率400 W,考察不同提取時(shí)間(30、45、60、75、90 min)對(duì)梔子不同部位油脂得率的影響,進(jìn)而確定最佳的提取時(shí)間。
表1 單因素水平實(shí)驗(yàn)表
1.2.4 梔子油脂提取響應(yīng)面優(yōu)選試驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,基于響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法中Box-Behnken Design原理,每個(gè)因素取三個(gè)水平,以油脂得率為響應(yīng)值,確定超聲提取梔子不同部位油脂的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,具體響應(yīng)面分析試驗(yàn)因素水平如表2所示。
表2 響應(yīng)面法因素水平設(shè)計(jì)
1.2.5 梔子油脂提取前后樣品電鏡分析 為研究超聲法對(duì)梔子油脂提取的作用機(jī)制,對(duì)梔子不同部位樣品油脂提取前后進(jìn)行掃描電鏡實(shí)驗(yàn)。梔子果皮、果肉提取前后樣品經(jīng)干燥后,外表涂漬金粉,于500倍放大率下進(jìn)行顯微拍照。
1.2.6 梔子油脂脂肪酸GC-MS分析
1.2.6.1 樣品甲酯化 稱(chēng)取1.0 g油脂樣品于圓底燒瓶中,加入2 mL 5%氫氧化鉀-甲醇溶液,放置于40 ℃水浴中反應(yīng) 20 min。待反應(yīng)完成后,冷卻至室溫,加入2 mL 正己烷溶解,并轉(zhuǎn)移到10 mL容量瓶中定容。靜置24 h吸取上層有機(jī)相,經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾,待測(cè)。
1.2.6.2 氣相色譜條件 色譜柱:TG-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm);載氣為高純氦氣(99.999%),載氣流速1.2 mL·min-1。升溫程序:初始溫度設(shè)為80 ℃,保持 1 min,然后以10 ℃·min-1的速率升溫到200 ℃,繼續(xù)以5 ℃·min-1升溫到250 ℃,最后以2 ℃·min-1的速率升到270 ℃,保持3 min;進(jìn)樣口溫度為290 ℃;樣品進(jìn)樣量1 μL。
1.2.6.3 質(zhì)譜條件 采用EI離子源;離子源溫度280 ℃;溶劑延時(shí)5 min;電子能量70 eV;掃描范圍為30~400 amu;分辨率為1000。
對(duì)上述檢測(cè)的色譜峰采用NIST05標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)對(duì)分析的樣品進(jìn)行峰匹配,逐一對(duì)應(yīng)進(jìn)行定性分析,采用面積歸一法進(jìn)行定量分析。
采用Excel 2016軟件處理對(duì)單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,采用Design Expert 10軟件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。
2.1.1 料液比的優(yōu)選 按照1.2.3.1項(xiàng)下方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不同料液比對(duì)梔子不同部位油脂得率結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知,料液比對(duì)梔子不同部位油脂得率有明顯影響。二者油脂得率隨著料液比的增加呈現(xiàn)先上升后下降的變化。其中,果肉油脂得率下降的趨勢(shì)更明顯,但兩者在料液比為1∶12 g/mL時(shí)油脂得率均達(dá)到最高。進(jìn)一步增大料液比,得率開(kāi)始下降。分析原因,這可能與料液比過(guò)大,溶劑量增加,樣品濃度更稀,局部區(qū)域的超聲波效應(yīng)減小有關(guān)[24]。綜合上述結(jié)果,選擇料液比1∶10、1∶12、1∶14 g/mL進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。
圖1 不同料液比對(duì)梔子果皮(A)、果肉(B)油脂得率的影響
2.1.2 超聲功率的優(yōu)選 按照1.2.3.2項(xiàng)下方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不同超聲功率對(duì)梔子不同部位油脂得率結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知,梔子不同部位油脂得率整體上隨超聲功率的增加而上升,在360 W時(shí)達(dá)到最大值,隨后開(kāi)始下降。分析原因可能是超聲功率較小時(shí),對(duì)梔子油脂顆粒破壞越小,提取效果越差。而超聲功率過(guò)大,聲壓幅值過(guò)高,易導(dǎo)致空化泡在聲波壓縮期內(nèi)破裂不足,影響空化效果。綜合上述結(jié)果,選擇超聲功率 320、360、400 W進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。
圖2 不同超聲提取功率對(duì)梔子果皮(A)、果肉(B)油脂得率的影響
2.1.3 提取時(shí)間的優(yōu)選 按照1.2.3.3項(xiàng)下方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不同提取時(shí)間對(duì)梔子不同部位油脂得率結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知,采用超聲波法提取梔子果實(shí)不同部位油脂性成分,梔子油脂的得率隨提取時(shí)間的增加而升高,而后逐漸降低,在45 min 時(shí)提取率達(dá)到最高。分析原因,可能是過(guò)長(zhǎng)的超聲提取時(shí)間會(huì)導(dǎo)致梔子油脂顆粒破裂分散,降低得率[24]。綜合上述結(jié)果,選擇提取時(shí)間 30、45、60 min進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。
圖3 不同提取時(shí)間對(duì)梔子果皮(A)、果肉(B)油脂得率的影響
2.2.1 響應(yīng)面法分析結(jié)果 在確定料液比(A)、超聲功率(B)和提取時(shí)間(C)三個(gè)因素水平的基礎(chǔ)上,基于Box-Behnken Design實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,以梔子不同部位油脂得率為響應(yīng)值,進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn),記錄每組因素各水平組合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果
利用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,計(jì)算各項(xiàng)回歸系數(shù),建立數(shù)學(xué)回歸模型,最終得到梔子果皮(Y1)和果肉(Y2)不同部位油脂得率的二次多項(xiàng)回歸方程如下:
Y1=-8.39400+0.64475A+0.034606B+0.019150C-6.25000×10-4AB+3.33333×10-4AC-2.91667×10-5BC-0.017437A2-3.57812×10-5B2-1.43333×10-4C2
Y2=-173.46375+13.12812A+0.62341B+0.12200C-8.12500×10-4AB-2.25×10-3AC-1.25×10-5BC-0.52687A2-8.42187×10-4B2-7.77778×10-4C2
方程式中:A表示料液比,B為超聲功率,C為提取時(shí)間。進(jìn)一步對(duì)上述回歸擬合方程進(jìn)行方差分析,得到結(jié)果如表4所示。
表4 響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析
由表4可以看到,兩個(gè)回歸模型P值都小于0.05,說(shuō)明模型影響均顯著。而從其失擬項(xiàng)來(lái)看均不顯著,說(shuō)明預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間有較好的相關(guān)性,提示回歸方程的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值誤差較小。因此,可以采用該模型進(jìn)行梔子油脂超聲提取實(shí)驗(yàn)的理論預(yù)測(cè)。進(jìn)一步從各因素的P值分析,梔子果皮油脂提取實(shí)驗(yàn)中,A2、B2對(duì)應(yīng)的P值小于0.05,說(shuō)明其對(duì)梔子油脂的得率影響顯著;梔子果肉油脂提取實(shí)驗(yàn)中,A2、B2所對(duì)應(yīng)的P值小于0.01,說(shuō)明其對(duì)梔子油脂得率的影響極顯著。另外,液料比和超聲功率交互作用對(duì)梔子果皮油脂得率的影響達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。值得注意的是,本實(shí)驗(yàn)中所涉及到的3個(gè)因素對(duì)梔子果皮油脂得率影響大小順序依次為料液比(A)>提取時(shí)間(C)>超聲功率(B);而這3個(gè)因素對(duì)梔子果肉油脂得率影響大小順序依次是提取時(shí)間(C)>超聲功率(B)>料液比(A)。
2.2.2 響應(yīng)面數(shù)據(jù)分析及工藝優(yōu)化 利用Design-Expert 8.0.6.1軟件分別對(duì)上述回歸方程作3D曲面圖和2D等高線圖,見(jiàn)圖4、圖5。各圖形能夠直觀地反映出各因素之間的交互作用以及各因素和響應(yīng)值之間的關(guān)系。一般的,由等高線的形狀可以判斷各因素之間的交互作用是否顯著:圓形表示不顯著,橢圓形或馬鞍形表示顯著。由圖4、5可知,梔子果皮、果肉油脂提取實(shí)驗(yàn)中所呈現(xiàn)的各因素之間交互作用不同。梔子果肉油脂提取實(shí)驗(yàn)中,料液比(A)和超聲功率(B)等高線圖呈明顯的橢圓形,表明兩因素間交互作用較顯著,而梔子果皮油脂提取實(shí)驗(yàn)中,這兩個(gè)因素間交互作用不明顯;另外,在梔子果肉油脂提取實(shí)驗(yàn)中,料液比(A)和提取時(shí)間(C)、超聲功率(B)和提取時(shí)間(C)的等高線圖呈圓形,表明上述兩對(duì)因素間交互作用不明顯。
圖4 各因素對(duì)梔子果皮油脂提取率交互作用的等高線和響應(yīng)面圖
圖5 各因素對(duì)梔子果肉油脂提取率交互作用的響應(yīng)面和等高線圖
從響應(yīng)曲面圖分析來(lái)看,梔子不同部位油脂提取實(shí)驗(yàn)中,油脂的得率受液料比的影響較大,超聲功率對(duì)得率的影響較小。由AC兩因素響應(yīng)曲面圖可以看出,梔子油脂得率隨提取時(shí)間和料液比的變化呈先升高后降低的趨勢(shì)。由BC兩因素響應(yīng)面曲面圖可得,當(dāng)超聲功率一定,梔子油脂得率隨著提取時(shí)間的增大而增大,隨后有所下降。而當(dāng)提取時(shí)間一定時(shí),隨著超聲功率的增大,油脂得率增加到一定的程度后逐漸降低。為了獲得超聲提取梔子油脂的最佳工藝參數(shù),令回歸方程Y1和Y2等于0并對(duì)方程中的自變量分別求偏導(dǎo),得到梔子果皮油脂的最佳工藝條件為:料液比1∶13.41 (g/mL)、超聲功率320 W、超聲時(shí)間60 min;梔子果肉油脂的最佳提取工藝為:料液比1∶12.05 (g/mL)、超聲功率363.83 W、超聲時(shí)間58.02 min。
2.2.3 最佳工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 為檢驗(yàn)上述回流提取工藝條件的可靠性,在最佳工藝條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果取平均值??紤]實(shí)際操作的方便和可行性,將最佳提取工藝參數(shù)調(diào)整為:梔子果皮:料液比1∶13 g/mL、超聲功率320 W、提取時(shí)間60 min。梔子果肉:料液比1∶12 (g/mL)、超聲功率360 W、提取時(shí)間58 min。在此要求及工藝條件下,梔子果皮和果肉油脂的得率可達(dá)到2.36%和22.60%。該結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值接近,說(shuō)明運(yùn)用響應(yīng)面分析法提供的模型準(zhǔn)確可靠。
為了更好地了解超聲提取對(duì)梔子不同部位油脂的提取機(jī)制,分別對(duì)梔子果皮、果肉超聲提取前后的樣本進(jìn)行了SEM實(shí)驗(yàn)。從圖6可以看出,提取前后,梔子果皮和果肉細(xì)胞出現(xiàn)了明顯的變化。超聲提取前,梔子果皮和果肉細(xì)胞外面呈光滑狀,排列比較平整。提取后,果皮細(xì)胞和果肉細(xì)胞均呈現(xiàn)了不同程度的破裂,尤其是果肉細(xì)胞更為明顯。上述現(xiàn)象表明,超聲促使了梔子果皮和果肉細(xì)胞的快速破裂,促進(jìn)油脂性成分的溢出,有利于石油醚提取。
圖6 梔子不同部位油脂超聲提取前后電鏡結(jié)果分析圖
結(jié)合上述梔子不同部位油脂的提取實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)制備的梔子不同部位油脂樣本進(jìn)行GC-MS實(shí)驗(yàn),采用峰面積歸一化法對(duì)其含量進(jìn)行分析。
梔子不同部位油脂樣品測(cè)定的總離子流色譜圖如圖7,各部位油脂的脂肪酸組成及相對(duì)含量分析見(jiàn)表5。
表5 梔子不同部位油脂脂肪酸組成及相對(duì)含量分析
圖7 梔子果皮(A)和梔子果肉(B)油脂GC-MS總離子流色譜圖
由表5可知,梔子果肉油脂中共檢測(cè)到13種不同脂肪酸成分,主要含有亞油酸、油酸和棕櫚酸3種脂肪酸。其中,不飽和脂肪酸的相對(duì)含量達(dá)到75.97%,以油酸為主(21.90%)和亞油酸為主(52.70%)。另外,梔子果肉油脂中飽和脂肪酸相對(duì)含量為24.03%,主要以棕櫚酸為主(17.90%);從梔子果皮油脂中共檢測(cè)到19種脂肪酸成分,其主要脂肪酸類(lèi)型和梔子果肉油脂類(lèi)似,主要含有油酸、亞油酸和棕櫚酸。其中不飽和脂肪酸相對(duì)含量為69.22%,比果肉部位偏低,以亞油酸(44.80%)和油酸(13.55%)為主。但是,梔子果皮油脂中飽和脂肪酸相對(duì)含量為30.82%,要高于梔子果肉部位,主要以棕櫚酸為主(21.80%)。另外,值得注意的是,梔子果皮部位油脂中檢測(cè)出一定量的α-亞麻酸(9.58%),而梔子果肉部位油脂中α-亞麻酸的含量?jī)H有0.95%。上述結(jié)果從脂肪酸組成角度揭示了梔子果皮和梔子果肉不同部位油脂性成分存在一定的差異性。
本文以石油醚為提取溶劑,利用Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)選超聲提取梔子不同部位油脂的最佳工藝條件。結(jié)果得出,梔子果皮油脂的最佳提取工藝為:料液比1∶13 (g/mL)、超聲功率320 W、提取時(shí)間60 min;梔子果肉油脂的最佳提取工藝為:料液比1∶12 (g/mL)、超聲功率360 W、提取時(shí)間58 min。在上述條件下,梔子果皮和果肉油脂的得率可達(dá)到2.36%和22.60%。另外,對(duì)梔子果皮和果肉油脂GC-MS分析結(jié)果顯示,二者的脂肪酸數(shù)量和含量存在一定的差異。梔子果肉油脂中共檢測(cè)到13種脂肪酸成分,而梔子果皮油脂中共檢測(cè)到19種脂肪酸成分。從主要成分含量上分析,梔子果肉油脂中不飽和脂肪酸的相對(duì)含量達(dá)到75.97%,以油酸為主(21.90%)和亞油酸為主(52.70%)。梔子果皮油脂中不飽和脂肪酸的相對(duì)含量較梔子果肉部位偏低(69.22%),以油酸為主(13.55%)和亞油酸為主(44.80%)。但是,梔子果皮油脂中飽和脂肪酸的含量要高于梔子果肉部位。另外,還發(fā)現(xiàn)梔子果皮油脂中存在一定量的α-亞麻酸成分,而梔子果肉油脂中含量偏低。上述結(jié)果為梔子不同部位油脂的綜合利用和開(kāi)發(fā)提供一定的參考。值得思考的是,梔子不同部位油脂性成分的差異與梔子傳統(tǒng)分部位入藥的聯(lián)系究竟如何?梔子不同部位中非油脂性成分是否也存在較大差異?上述兩大類(lèi)成分的區(qū)別與梔子不同部位的藥理活性的關(guān)聯(lián)如何?這些問(wèn)題有待后續(xù)進(jìn)一步研究。