楊子敬,饒桂維, ,王 磊
(1.浙江樹人大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院,浙江杭州 310015;2.杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院理工分院,浙江杭州 310015)
枇杷(EriobotryaLindl.)為薔薇科蘋果亞科常綠小喬木[1],是一種具有藥用價(jià)值的小型果樹,2014 年批準(zhǔn)成為新食品原料,藥食兼用[2]。近年來,枇杷花的價(jià)值越來越受到人們重視,對(duì)其研究不斷深入,枇杷花中主要成分為三萜類、黃酮類和揮發(fā)油等[3],這些成分具有止咳、化痰、抗炎、降血糖、抗氧化、抗腫瘤[4?10]等藥理作用,但是在商業(yè)種植中,果農(nóng)們通過疏花來提高枇杷果的品質(zhì)與價(jià)值[10?11],導(dǎo)致大量枇杷花被浪費(fèi)[12]。本文將對(duì)枇杷花中的黃酮類物質(zhì)的提取工藝進(jìn)行研究并優(yōu)化,目的是更好地開發(fā)利用枇杷花資源,為枇杷花后期的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。
目前,枇杷花總黃酮的提取方法主要有水提法[13]、超聲波輔助法[14]、酶解結(jié)合超聲波法[15?16],但提取液雜質(zhì)過多、耗能較大無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。大孔樹脂吸附[17]也有用于提取枇杷花總黃酮,但是此方法有機(jī)殘留物高、預(yù)處理難度大。雙水相是一種新興技術(shù),它結(jié)合了從天然資源中分離、濃縮和部分純化目標(biāo)化合物的功能[18],被廣泛應(yīng)用于黃酮的提取與分離[19]。張敏娜等[20]通過比較得出采用雙水相提取法提取月季花總黃酮的提取率更高,方法更加簡(jiǎn)便。
本實(shí)驗(yàn)以枇杷花為原料,對(duì)雙水相體系進(jìn)行篩選,使用PEG400/硫酸銨雙水相體系分離枇杷花中的黃酮,在單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,通過Box-Behnken 響應(yīng)面法確定最佳提取工藝,為工業(yè)上快速高效提取枇杷花總黃酮提供了參考。
枇杷花 來自電商購(gòu)買;蘆丁 上海綠源生物科技有限公司;實(shí)驗(yàn)所用試劑 均為國(guó)產(chǎn)分析純;水超純水。
DGG-9140A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;FW80 高速萬能粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司;ME204E 電子分析天平 梅特勒托利多儀器有限公司;GL-20G-Ⅱ臺(tái)式高速冷凍離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠;L6S 紫外可見光分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;KQ5200DE型數(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 將枇杷花去除枝干,烘干,粉碎過200 目篩后放入保鮮袋,于干燥皿中保存。
1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備與標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 總黃酮的測(cè)定以蘆丁為標(biāo)準(zhǔn)品,采用亞硝酸鈉-硝酸鋁比色法[21],以蘆丁濃度為橫坐標(biāo)、吸光度值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到蘆丁濃度ρ 和吸光度值A(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性回歸方程為A=0.0088ρ?0.0091,決定系數(shù)R2=0.9996,說明在2.065~103.250 mg/L 范圍內(nèi),溶液濃度與吸光度值呈良好的線性關(guān)系。
1.2.3 構(gòu)建雙水相體系 參考文獻(xiàn)[22?27]的雙水相體系組成,分別配制24%乙醇/18%硫酸銨,41.8%乙醇/22%磷酸氫二鉀,40%乙腈/25%磷酸氫二鉀,31%丙酮/23%硫酸銨,70%丙酮/24%磷酸氫二鉀,26% PEG400/20%硫酸銨的雙水相體系。
1.2.4 枇杷花總黃酮提取 固定體系質(zhì)量為10 g,在15 mL 離心管中構(gòu)建不同的雙水相體系,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的枇杷花粉末,加入超純水直至體系質(zhì)量為10 g,將離心管置于超聲清洗器中超聲,固定時(shí)間為40 min,功率200 W,然后用離心機(jī)將其離心,7000 r/min 離心10 min 后取出,靜置直至上下相體積不再變化,記錄上相體積并移取0.2 mL,按照
1.2.2 的方法將其處理并測(cè)量其吸光度,再根據(jù)線性方程計(jì)算總黃酮濃度。
1.2.5 單因素實(shí)驗(yàn) 分別考察超聲時(shí)間、枇杷花、PEG400 和硫酸銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)總黃酮得率的影響。
1.2.5.1 超聲時(shí)間對(duì)總黃酮得率的影響 固定體系質(zhì)量為10 g,在離心管中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的枇杷花粉,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%的PEG400,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的硫酸銨,剩余質(zhì)量由蒸餾水補(bǔ)充,再對(duì)其進(jìn)行超聲,時(shí)間分別為20、30、40、50、60 min??疾觳煌某晻r(shí)間對(duì)總黃酮得率的影響。
1.2.5.2 枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)總黃酮得率的影響 固定超聲時(shí)間為上述實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)值,其他條件不變,分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的枇杷花粉,考察不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的枇杷花對(duì)總黃酮得率的影響。
1.2.5.3 PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)總黃酮得率的影響 固定超聲時(shí)間、枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù)為上述實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)值,其他條件不變,分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%、26%、28%、30%、32%的PEG400,考察不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG400 對(duì)總黃酮得率的影響。
1.2.5.4 硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)總黃酮得率的影響 固定超聲時(shí)間、枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù)、PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為上述實(shí)驗(yàn)最優(yōu)值,分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%、16%、18%、20%、22%的硫酸銨,考察不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸銨對(duì)總黃酮得率的影響。
1.2.6 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選取影響總黃酮得率較大的超聲時(shí)間,枇杷花、PEG400 和硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為自變量,以總黃酮得率為響應(yīng)值,利用軟件Design-Expert 11 中Box-Behnken 試驗(yàn)原理,設(shè)計(jì)4 因素3 水平的優(yōu)化試驗(yàn)。響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表如表1 所示。
表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiment
1.2.7 枇杷花總黃酮提取及得率計(jì)算 按照1.2.4的方法提取黃酮,取少量離心后的總黃酮提取液,按
1.2.2 的方法處理并測(cè)量粗提液的黃酮濃度,再按照下式計(jì)算枇杷花總黃酮得率。
式中:c:表示根據(jù)吸光度計(jì)算出的溶液質(zhì)量濃度,mg/L;D:表示稀釋倍數(shù);V:表示上相溶液體積,mL;m:表示枇杷花粉加入的質(zhì)量,mg;10?3表示單位轉(zhuǎn)換。
1.2.8 枇杷花總黃酮抗氧化性研究
1.2.8.1 抗過氧化氫損傷的測(cè)定 在總黃酮提取液中分別加入0.1%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的過氧化氫,待體系穩(wěn)定后,測(cè)定其吸光度[28]。
1.2.8.2 羥基自由基清除率的測(cè)定 結(jié)合文獻(xiàn)[29]的方法,測(cè)定枇杷花總黃酮提取液對(duì)羥自由基的清除率。配制枇杷花總黃酮濃度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/mL,取1.5 mL 樣品溶液,分別加入1.0 mL 2.5 mmol/L的水楊酸溶液、1.0 mL 5 mmol/L的FeSO4溶液和2.0 mL 蒸餾水,充分混勻,加入1.0 mL 5 mmol/L的H2O2,置于37 ℃恒溫水浴鍋中反應(yīng)30 min,再置于510 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光度,以蒸餾水作空白參比,同時(shí)以VC作陽性對(duì)照。再按照下式計(jì)算羥自由基清除率。
式中:A0為空白對(duì)照吸光度;A2為樣品溶液吸光度(加H2O2);A1為樣品溶液吸光度(不加H2O2)。
1.2.8.3 還原力的測(cè)定 還原力的測(cè)定采用普魯士蘭法并參照Oyaizu 等[30]的方法,配制枇杷花總黃酮濃度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/mL,取1.0 mL溶液加入試管,加入0.2 mol/mL、pH 為6.6的磷酸鹽緩沖溶液1.0 mL 和0.3%鐵氰化鉀溶液2.0 mL,置于50 ℃水浴條件下反應(yīng)20 min,再加入10%三氯乙酸溶液1.0 mL,于7000 r/min 條件下離心10 min,取上清液3.0 mL,加入0.3%三氯化鐵溶液0.5 mL,搖勻靜置10 min,定容至10 mL。以蒸餾水代替三氯化鐵,在相同條件下配制空白溶液,于700 nm 處測(cè)定吸光度,每個(gè)濃度平行做3 次,以蒸餾水作為參比。根據(jù)下式計(jì)算枇杷花總黃酮還原力。
還原力=A0?A1
式中:A0:樣品吸光度;A1:空白溶液吸光度。
利用Design-Expert 11 進(jìn)行響應(yīng)面分析,利用SPSS 24 統(tǒng)計(jì)軟件、Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)方差顯著性處理和分析,所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)三次,取平均值。
不同雙水相體系對(duì)枇杷花總黃酮的得率結(jié)果如圖1 所示。
由圖1 可知,PEG400/硫酸銨體系的得率高于其他體系提取枇杷花中總黃酮的得率,得出采用PEG400/硫酸銨體系提取枇杷花總黃酮的效果最佳,故本實(shí)驗(yàn)采用PEG400/硫酸銨體系。
圖1 雙水相體系的選擇Fig.1 Choice of two-phase system
2.2.1 超聲時(shí)間對(duì)總黃酮得率的影響 由圖2 可知,隨著超聲時(shí)間的增加,枇杷花總黃酮得率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在超聲時(shí)間為40 min 時(shí),得率達(dá)到最大值,為22.62%。超聲時(shí)間越長(zhǎng),細(xì)胞破碎的越完全,但繼續(xù)延長(zhǎng)超聲時(shí)間時(shí),超聲波使某些黃酮類成分發(fā)生氧化、降解或縮合等反應(yīng)而被破壞,使含量有所下降[31],因此選擇超聲時(shí)間為40 min 為宜。
圖2 超聲時(shí)間對(duì)得率的影響Fig.2 Effect of ultrasound time on extraction rate
2.2.2 枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)總黃酮得率的影響 由圖3可知,隨著枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,枇杷花總黃酮得率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí),得率達(dá)到最大值,為25.39%。這主要是因?yàn)楫?dāng)上相尚未飽和時(shí),增加枇杷花的量,得率增加,當(dāng)繼續(xù)加入枇杷花時(shí),大量枇杷花導(dǎo)致枇杷花總黃酮提取不完全,得率下降。綜合考慮成本和提取率這兩方面因素,故選擇枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%。
圖3 枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)得率的影響Fig.3 Effect of loquat flower mass fraction on extraction rate
2.2.3 PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)總黃酮得率的影響 由圖4 可知,隨著PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,枇杷花總黃酮得率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%時(shí),得率達(dá)到最大值,為25.70%。主要是由于上相中PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,上相水合能力增強(qiáng),使得上相體積增大,疏水性增加,利于疏水性的枇杷花總黃酮在上相中富集,當(dāng)繼續(xù)增加PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí),雙水相體系粘度增大,上相溶液的空間位阻增加,不利于黃酮的富集[27,32],使得率減少。因此,PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%適宜。
圖4 PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)得率的影響Fig.4 Effect of PEG400 mass fraction on extraction rate
2.2.4 硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)總黃酮得率的影響 由圖5可知,隨著硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,枇杷花總黃酮得率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%時(shí),得率達(dá)到最大值,為26.45%。這主要是因?yàn)殡S著硫酸銨的增加,雙水相的析出作用增強(qiáng),使總黃酮更多的富集在有機(jī)相[33],所以總黃酮得率增加,當(dāng)繼續(xù)增大硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí),雙水相體系極性增加,使得枇杷花總黃酮主要存在于下相,造成枇杷花總黃酮得率下降,不利于黃酮的提取,因此,選擇硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%為適宜的條件。
圖5 硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)得率的影響Fig.5 Effect of (NH4)2SO4 mass fraction on extraction rate
2.3.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果分析 采用Box-Behnken 響應(yīng)面法對(duì)雙水相萃取枇杷花中的總黃酮的超聲時(shí)間,枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù),PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)化的結(jié)果如表2 所示。
表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of response surface experiment
采用 Design-Expert 11 對(duì)枇杷花總黃酮得率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到各因素的回歸擬合方程如下:Y=26.03+2.68A+0.1892B+0.0242C+0.5742D?0.5AB+0.195AC?0.4675AD+0.5325BC?0.205BD+0.075CD?3.15A2?2.85B2?1.27C2?0.9388D2
經(jīng)Design-Expert11 軟件ANOVA 法分析響應(yīng)面二次多項(xiàng)式模型的顯著性,實(shí)驗(yàn)方差結(jié)果分析如表3 所示,由表3 可知,模型中的A、D、AB、BC、A2、B2、C2、D2對(duì)枇杷花總黃酮得率的影響差異顯著(P<0.05),B、C、AD、AC、BD、CD 對(duì)枇杷花總黃酮得率的影響差異不顯著(P>0.05)。回歸模型屬于顯著水平(P<0.05),失擬項(xiàng)差異不顯著(P=0.2458>0.05),試驗(yàn)決定系數(shù)R2=0.9863 和校正測(cè)定系數(shù)R2adj=0.9726,低變異系數(shù)CV=1.93%。以上結(jié)果均表明模型擬合程度高,可靠性強(qiáng),觀察值和實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)性良好,可以對(duì)雙水相提取枇杷花中總黃酮的結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。根據(jù)回歸方程和方差分析可知,各因素對(duì)枇杷花總黃酮得率的影響程度由大到小依次為A>D>B>C,即超聲時(shí)間>硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)>枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù)>PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果及方差分析Table 3 Analysis of variance of response surface experiment results
響應(yīng)面法是通過分析自變量之間的相互作用以及自變量對(duì)響應(yīng)值影響優(yōu)化工藝的方法,是一種用于食品加工中高產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)收的技術(shù)[34]。超聲時(shí)間、枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù)、PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間相互作用的響應(yīng)面曲線圖如圖6 所示。通過響應(yīng)面圖可直觀的看出各因素之間相互影響的顯著性,曲面越陡峭,說明影響越顯著[35]。由圖6 可以看出AC、AD、BD 和CD 之間的相互作用對(duì)得率的影響不大,響應(yīng)面圖較為緩和;AB 和BC的相互作用對(duì)得率的影響大,響應(yīng)面圖有不同程度的陡峭。
圖6 各因素對(duì)響應(yīng)值影響的曲面圖Fig.6 Surface plot of the influence of various factors on the response value
2.3.2 最佳工藝條件的預(yù)測(cè)及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 根據(jù)響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)雙水相提取枇杷花中總黃酮的實(shí)驗(yàn)條件為:超聲時(shí)間為44.125 min,枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.199%,PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.092%,硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.412%,理論總黃酮得率為26.641%,為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確性,同時(shí)兼顧操作的方便性,將最佳工藝條件調(diào)整為:超聲時(shí)間為45 min,枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%,PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%,硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%,在此工藝條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),重復(fù)實(shí)驗(yàn)3 次,得到枇杷花總黃酮平均得率為26.96%,預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值無顯著性差異,表明該模型適用于枇杷花總黃酮的提取。
2.4.1 抗過氧化氫損傷 如圖7 所示,隨著過氧化氫濃度的提高,總黃酮提取液的吸光度變化不大,說明枇杷花總黃酮對(duì)不同濃度過氧化氫的損傷具有良好的耐受力,體現(xiàn)了該黃酮有較強(qiáng)的抗氧化性。
圖7 不同濃度過氧化氫對(duì)黃酮提取液的影響Fig.7 The effect of different concentrations of hydrogen peroxide on flavonoid extract
2.4.2 羥自由基清除率 枇杷花提取液對(duì)羥自由基的清除能力如圖8 所示,隨著提取液濃度增大羥自由基的清除率增大。在濃度0.1~0.3 mg/mL 時(shí),總黃酮提取液對(duì)羥自由基的清除率大于Vc,在濃度達(dá)到0.5 mg/mL 時(shí),總黃酮提取液對(duì)羥自由基的清除率達(dá)到71.89%,Vc 在相同濃度下的清除率為76.34%??傸S酮濃度在0.4 mg/mL 和0.5 mg/mL 之間不存在顯著差異(P>0.05),說明提高總黃酮濃度,清除率無明顯差異??傸S酮提取液清除·OH的IC50為0.297 mg/mL,Vc 清除·OH的IC50為0.315 mg/mL。通過比較兩者的IC50值,可知枇杷花總黃酮清除·OH的能力優(yōu)于Vc。
圖8 枇杷花總黃酮和Vc的羥自由基清除率Fig.8 Scavenging rate of hydroxyl free radicals of loquat flower flavonoids and Vc
2.4.3 還原力 測(cè)定其吸光度的大小反映樣品還原能力的大小,吸光度越大則還原力越強(qiáng)。枇杷花總黃酮和Vc的還原力測(cè)定結(jié)果如圖9 所示,隨著濃度的增高,枇杷花總黃酮和Vc的還原力也在增大,Vc 增加的速度高于枇杷花總黃酮,濃度越大,Vc的還原力越優(yōu)于枇杷花總黃酮的還原力。
圖9 枇杷花總黃酮和Vc的還原力Fig.9 The reducing power of loquat flower flavonoids and Vc
本文研究了不同雙水相體系對(duì)枇杷花總黃酮得率的影響,確定采用PEG400/硫酸銨體系來提取枇杷花總黃酮,對(duì)其提取工藝流程進(jìn)行優(yōu)化,最佳的工藝條件為:超聲時(shí)間為45 min,枇杷花質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%,PEG400 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%,硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%,在此條件下提取得到枇杷花總黃酮的含量為269.6 mg/g。與黃瓊[14]、謝田偉[21]、鄭美瑜[36]采用的提取工藝所得到的含量相比,采用雙水相提取得到枇杷花總黃酮的含量更高。對(duì)采用此工藝得到的枇杷花總黃酮進(jìn)行抗氧化性實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:此工藝得到的枇杷花總黃酮具有良好的抗氧化性。黃酮類化合物既可以作為食品添加劑延緩食物的氧化,也可以預(yù)防自由基引發(fā)的多種疾病,因此枇杷花在食品和醫(yī)藥的研制方面都有良好的應(yīng)用前景。
利用雙水相提取黃酮,該方法具有操作簡(jiǎn)便、條件溫和、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn),但本實(shí)驗(yàn)中提取的黃酮存在于有機(jī)相中,下一步可對(duì)總黃酮提取液進(jìn)行分離純化并對(duì)成分進(jìn)行分析,更加深入研究枇杷花總黃酮的抗氧化功效。本實(shí)驗(yàn)為枇杷花的深度利用提供了新的參考方法,但是如何將此工藝應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn),提高枇杷花產(chǎn)業(yè)鏈的綜合效益是一個(gè)新的研究方向。