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        響應(yīng)曲面優(yōu)化昆侖雪菊多酚提取工藝研究

        2021-04-16 02:19:44周莉趙乃玉何元鵬顏大林董德嶠梁馨琳
        關(guān)鍵詞:雪菊昆侖溶劑

        周莉,趙乃玉,何元鵬,顏大林,董德嶠,梁馨琳

        (中南民族大學(xué) 藥學(xué)院,武漢 430070)

        昆侖雪菊(Coreopsistinctoria),又名兩色金雞菊,盛產(chǎn)于我國(guó)新疆昆侖山脈海拔3000 m以上的高寒積雪地區(qū)[1].其作為中藥具有清熱解毒、治療胃腸不適、治療痢疾等功效[2],并且含有黃酮類、酚類、苯丙素、甾醇類、聚乙炔類等多種活性成分,可以用于高效降低血糖血脂、抗菌消炎、抗氧化、降血壓、細(xì)胞修復(fù)和抗癌[3-5].

        昆侖雪菊提取物的活性研究已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)話題,例如黃酮類化合物馬里苷可以保護(hù)PC12細(xì)胞免受甲基乙二醛誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[6],保護(hù)人髓核細(xì)胞免受高糖誘導(dǎo)的損傷和細(xì)胞外基質(zhì)降解,直接抑制腎臟SGLT2的表達(dá)來(lái)預(yù)防糖尿病腎病[7-8],除此以外,黃諾馬苷通過(guò)靶向絡(luò)氨酸激酶,有望成為糖尿病腎病的藥物靶點(diǎn)[9];2014年有人[10]用55%的乙醇提取多酚并評(píng)價(jià)其抗氧化能力,后續(xù)通過(guò)活性研究發(fā)現(xiàn),多酚擁有預(yù)防心血管疾病[11]、腦衰老和急性肝損傷的保護(hù)作用[12-13].基于昆侖雪菊中多酚擁有如此重要功效,多酚的提取便成為亟待解決的問(wèn)題.本研究將采用超聲輔助響應(yīng)曲面法提取昆侖雪菊多酚,以期得到最佳參數(shù)組合.

        1 材料和方法

        1.1 儀器與材料

        昆侖雪菊,產(chǎn)自新疆和田阿克蘇地區(qū)阿克蘇市金石花園(尚士華果業(yè)).

        無(wú)水乙醇(AR,GENERAL-REAGENT公司)沒(méi)食子酸(99%,MACKLIN);無(wú)水碳酸鈉(分析純AR,上海凌峰);福林酚(BR,MACKLIN).

        分析天平(ME204,瑞士 METTLER TOLEDO);超聲波清洗機(jī)(SB-5200 DTD,寧波新芝);酶標(biāo)儀(SPARK 10M,美國(guó) TECAN);循環(huán)水式真空泵(鞏義予華儀器).

        1.2 昆侖雪菊多酚提取法

        將罐裝的干燥雪菊用粉碎機(jī)粉碎,過(guò)40~50目篩備用.稱取適量的雪菊粉末加入一定體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液,放入超聲機(jī)中提取一段時(shí)間,抽濾得到提取液,定容至50 mL,測(cè)定多酚的含量,并按照(1)式計(jì)算多酚提取量:

        (1)

        式中:C是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出來(lái)的提取液中多酚質(zhì)量濃度(μg/mL);N為稀釋倍數(shù);M為雪菊的質(zhì)量(g).多酚含量按照GB/T 8313—2018的步驟,采用福林酚比色法[14]進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果以每克昆侖雪菊的干物質(zhì)中所含的沒(méi)食子酸當(dāng)量(mg GAE/g DW)表示.所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,采用GraphPad Prism8.0.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

        1.3 提取影響因素分析

        1.3.1單因素試驗(yàn)方法

        通過(guò)控制單一變量測(cè)試影響雪菊多酚提取因素.(1)乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)多酚提取量的影響:稱取雪菊粉末12份,每份1 g,分別加入體積分?jǐn)?shù)30%、40%、50%、60%的乙醇溶液40 mL,各3組;在35 ℃下超聲提取15 min,抽濾收集提取液定容到50 mL,測(cè)定吸光度并計(jì)算多酚的提取量.(2)料液比對(duì)多酚提取量的分析:以40%的乙醇溶液作為提取溶劑,料液比(質(zhì)量比體積,g∶mL)分別為1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70,其余條件同實(shí)驗(yàn)(1).(3)取時(shí)間對(duì)多酚提取量的影響:以體積分?jǐn)?shù)為40%的乙醇溶液作為提取液,提取時(shí)間分別為20、30、40、50 min.其余條件同實(shí)驗(yàn)(1).

        1.3.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方法

        影響昆侖雪菊多酚提取量的因素很多,已有文獻(xiàn)報(bào)道了超聲功率、溫度等因素的影響效果.本文重點(diǎn)關(guān)注乙醇濃度、提取時(shí)間和液固比對(duì)昆侖雪菊多酚提取量的影響,在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)綜合考慮乙醇濃度、提取時(shí)間和液固比對(duì)昆侖雪菊多酚提取量的影響,響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平如表1所示.

        表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平

        2 結(jié)果與分析

        2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1.1 提取溶劑乙醇濃度

        由圖1可知,多酚提取量隨著乙醇濃度的升高,表現(xiàn)出先增后降的變化.乙醇濃度在30%~50%范圍內(nèi),雪菊多酚提取量最多.多酚易溶于酒精,屬于弱極性物質(zhì),乙醇的濃度和溶液的極性呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),增加前者的濃度會(huì)使得多酚更容易溶解于乙醇和水的復(fù)合體系中,但當(dāng)乙醇濃度過(guò)高時(shí),雪菊細(xì)胞中溶于液泡的多酚會(huì)隨著蛋白質(zhì)的變性而無(wú)法提取出來(lái),加之溶液與多酚極性差異過(guò)大從而使得多酚的提取量降低.所以選擇乙醇濃度40%做為最佳的提取劑濃度.

        圖1 乙醇濃度對(duì)多酚提取量的影響

        2.1.2 料液比

        多酚提取量隨著料液比的增加而逐漸增大,后穩(wěn)定波動(dòng)趨于不變(圖2).當(dāng)溶劑達(dá)到60 mL時(shí),多酚提取量達(dá)到最大值.隨著溶劑的增加,雪菊粉末與溶劑充分接觸,有利于多酚由內(nèi)部向溶劑擴(kuò)散,當(dāng)達(dá)到60 mL之后,基本上多酚全部被提取出來(lái).再增加溶劑時(shí),多酚提取量基本保持不變.從生產(chǎn)成本角度考慮,當(dāng)料液比為1 g:60 mL時(shí)所得到的提取量最好.

        圖2 料液比對(duì)多酚提取量的影響

        2.1.3 提取時(shí)間

        由圖3可知,多酚提取量隨著提取時(shí)間的增加而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì).40 min時(shí),多酚提取量達(dá)到最大.當(dāng)時(shí)間過(guò)短時(shí),多酚溶解的不夠充分,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),多酚內(nèi)外濃度差逐漸趨于平衡.當(dāng)提取量達(dá)到最大時(shí),時(shí)間繼續(xù)增加,其他物質(zhì)也會(huì)溶出,競(jìng)爭(zhēng)限制了多酚的提取,同時(shí)由于多酚長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中,發(fā)生氧化,從而使提取量降低.因此,選擇40 min為最佳提取時(shí)間.

        圖3 時(shí)間對(duì)多酚提取量的影響

        2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果

        2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)與結(jié)果

        表2為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果.

        表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

        2.2.2 響應(yīng)曲面模型建立及回歸方程顯著性結(jié)果分析

        使用Design Expert軟件分析表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立多元回歸模型[5].擬合得到的多酚提取量(mg/g)與乙醇濃度(a)、提取時(shí)間(b)和溶劑體積與雪菊的質(zhì)量比(c)之間的二次多項(xiàng)回歸方程如下:

        提取量=63.10+0.34a-0.72b+0.21c-1.83ab-0.060ac-2.03bc-3.14a2-2.64b2-2.95c2.

        由表3可知,該模型的F=6.63,P=0.0104<0.05表明該模型的差異顯著.R2為0.9614,說(shuō)明該方程與對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值吻合程度能夠達(dá)到96.14%.此外,由F檢驗(yàn)可知影響多酚提取量的主次因素為提取時(shí)間>乙醇濃度>溶劑體積與雪菊質(zhì)量比.利用Design-Expert軟件計(jì)算得出乙醇濃度54.2%,提取時(shí)間為54.7 min,液固比為42∶1(mL∶g)時(shí)多酚提取量最高.在此條件下,雪菊多酚提取量的最大預(yù)測(cè)值為61.429 mg/g.

        表3 響應(yīng)曲面二次模型的方差分析

        2.2.3 響應(yīng)曲面交互作用及結(jié)果分析

        乙醇的濃度、提取時(shí)間和液固比3個(gè)因素對(duì)昆侖雪菊多酚提取效果的響應(yīng)面圖和等高線圖見(jiàn)圖4.

        由圖4可知,響應(yīng)面圖為先升后降的變化,乙醇濃度和提取時(shí)間、提取時(shí)間和液固比的等高線較為密布,可知這些因素之中的交互影響較明顯,對(duì)雪菊多酚的提取有一定的重要作用.

        圖4 3因素對(duì)多酚濃度的交互影響

        2.2.4 模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        將雪菊多酚的最佳提取條件調(diào)整為濃度54%的乙醇,料液比1 g:42 mL,時(shí)間55 min,這樣的情況下采取超聲波法進(jìn)行提取實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)3次證明,所得的雪菊多酚提取量平均值為63.1 mg GAE/g DW.與預(yù)測(cè)值61.429 mg GAE/g DW差距不大,表明該結(jié)果是符合客觀實(shí)際的.所以,采取響應(yīng)面法優(yōu)化昆侖雪菊多酚超聲提取工藝合理可行.

        3 結(jié)語(yǔ)

        采用超聲波法提取昆侖雪菊多酚,根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,選擇實(shí)驗(yàn)提取劑乙醇濃度、提取時(shí)間和液固比為主要的影響條件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn),最后得到最好的工藝條件為乙醇濃度54%,料液比1 g:42 mL,時(shí)間55 min時(shí).昆侖雪菊多酚的提取量是63.1 mg GAE/g DW,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[15],昆侖雪菊中總酚含量是83 mg GAE/g DW.因此有效成分的轉(zhuǎn)移率是76%.該提取工藝該提取工藝具有較好的應(yīng)用價(jià)值,此外,該方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、耗時(shí)少的特點(diǎn),為昆侖雪菊有效成分的進(jìn)一步研究提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

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