陳銀華, 吳華芬, 曹鵬飛, 周斌雄, 徐偉忠
(麗水市農(nóng)林科學(xué)研究院,浙江 麗水 323000)
結(jié)香(EdgeworthiachrysanthaLindl.)別名黃花結(jié)香,是瑞香科結(jié)香屬植物,始載于《群芳譜》,主要分布在東亞地區(qū),我國陜西、江蘇、安徽、浙江、江西、河南等地都有栽培,湖北、湖南、廣東、廣西、四川、云南等省區(qū)亦有種植[1]。結(jié)香一般種植在海拔400~1 000 m的地區(qū)[2],只要土壤條件良好,結(jié)香生長狀況無顯著差異。徐小牛等[3]調(diào)查發(fā)現(xiàn),結(jié)香適生于疏松肥沃、排水良好的微酸性至中性的砂質(zhì)土壤。結(jié)香味甘、性溫,歸腎、肝經(jīng),其根、莖、花可分別入藥,根和莖具有舒筋活絡(luò),消腫止痛功效;花具有養(yǎng)陰安神、明目、祛障翁的功效[1,4]。隨著研究的深入,結(jié)香品質(zhì)和藥效問題日益受到世人重視。越來越多的科研人員對結(jié)香的化學(xué)成分及藥理作用進行研究,為進一步研究和開發(fā)利用這種植物資源提供參考。日本學(xué)者發(fā)現(xiàn),用結(jié)香花研制殺蟲藥效果較好[5]。Ohigashi等[6]報道了結(jié)香植物成分可誘發(fā)EB病毒的活性。Walter等[7]發(fā)現(xiàn),結(jié)香的根能用來治療毒蛇咬傷。此外,結(jié)香中所含有的丁香甙具有抗疲勞、抑郁,提高腦部血液循環(huán)、性能力,抑制葡萄糖代謝等其他生理活性[8-9]。王淑芳等[10]報道結(jié)香中含有的結(jié)香苷C、紫云英苷和蘆丁等化合物還具有抗凝血、抗菌、抗炎和抗氧化作用,可以用于治療糖尿病、血管硬化和視網(wǎng)膜炎,可見結(jié)香全身是寶,對于研究結(jié)香化學(xué)物質(zhì)的提取有重要的意義。
多糖是由糖苷鍵結(jié)合的糖鏈,至少要超過10個以上的單糖組成的聚合糖高分子碳水化合物,是自然界含量豐富的天然大分子物質(zhì)之一,與人類生活緊密相關(guān),對維持生命活動起著至關(guān)重要的作用,和蛋白質(zhì)、核酸、脂類構(gòu)成了最基本的4類生命物質(zhì)。結(jié)香含有豐富的VA、VB、VC以及鐵、鉀、鋅、鈣等微量元素。目前,國內(nèi)外對結(jié)香化學(xué)成分的研究報道不多,從本次實驗以及查閱的文獻[5,9]來看,結(jié)香中含有大量多糖成分,其生理活性具有植物生長調(diào)節(jié)、抗菌抗病毒、松弛平滑肌、抗凝血等作用。因此,對于結(jié)香多糖提取工藝的研究具有重要的意義。
目前,植物多糖的提取方法較多,主要有水提法、堿提法、酸提法、酶法、超濾法、超聲提取、CO2超臨界萃取等[11]。其中,熱水提取法是一種比較通用的方法,因其提取工藝簡單、生產(chǎn)成本低而受到廣泛使用。有關(guān)結(jié)香多糖提取工藝條件的優(yōu)化鮮見報道,本研究以結(jié)香花為材料,以多糖提取率為考察指標(biāo),在單因素條件下研究料液比、浸提時間、浸提溫度和醇沉比對多糖提取的影響,再通過二次正交旋轉(zhuǎn)實驗法選出結(jié)香多糖提取的最佳提取工藝,為結(jié)香的開發(fā)利用提供理論參考。
1.1.1 材料
實驗所用的材料為結(jié)香花,2018年3月采自遂昌縣高坪鄉(xiāng)茶樹坪村,60~80 ℃烘干,磨成粉末備用。
1.1.2 儀器
Scout SL電子天平(上海申安醫(yī)療器械廠);HHS型電熱恒溫水浴箱(上海博迅實業(yè)有限公司);TDL240B離心機(太倉市實驗設(shè)備廠);DHG29053BS2Ⅲ電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司);723C可見分光光度計(上海優(yōu)浦科學(xué)儀器有限公司)。
1.1.3 試劑
5%苯酚、95%乙醇、95%濃硫酸,以上試劑均為分析純。
稱取預(yù)處理后的結(jié)香花的粉末0.5 g分別放入5個100 mL錐形瓶→加水(蒸餾水)浸提→4 000 r·min-1離心10 min,取上清液放入錐形瓶→加95%乙醇→4 ℃靜置22 h過夜→10 000 r·min-1離心10 min,取沉淀物(粗多糖)→溶于水?dāng)嚢杌靹颉鷾y定結(jié)香多糖含量。
1.3.1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品溶液的配制
精確稱取105 ℃干燥恒重的標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖100 mg,置于100 mL容量瓶中,加蒸餾水溶解并稀釋至刻度,得濃度為1 mg·mL-1的葡萄糖貯備液。準(zhǔn)確移取葡萄糖貯備液10 mL,用蒸餾水定容至100 mL,得0.1 mg·mL-1的葡萄糖使用液。
1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制
分別取上述0.1 mg·mL-1的葡萄糖使用液0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mL于6支10 mL試管中,加蒸餾水至2.0 mL,加入5%苯酚溶液1.0 mL,搖勻后迅速加入5.0 mL濃硫酸,室溫下放置30 min。另以2.0 mL蒸餾水作為空白對照,所有操作均與上述相同,測定490 nm下吸光度。以葡萄糖含量為橫坐標(biāo),其相應(yīng)的吸光值為縱坐標(biāo),繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。得標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為Y=7.348 6X-0.098 7(R2=0.978 5)。
1.3.3 多糖含量與提取率的測定
在粗多糖樣品中加入10 mL蒸餾水,使多糖完全溶解在蒸餾水中。用移液槍精密吸取樣品液100 μL,于490 nm下測定吸光度,從標(biāo)準(zhǔn)曲線中求樣品粗多糖的含量。
1.4.1 浸提固液比的選擇
稱取5份均為0.5 g的結(jié)香粉末,先置于5個潔凈的錐形瓶中,再按固液比20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1 g·mL-1加入蒸餾水,標(biāo)記好置于80 ℃水浴鍋中浸提3 h。浸提之后將浸提液在4 000 r·min-1下離心10 min,將上清液按醇沉比3∶1放入4 ℃冰箱醇沉22 h后,在相同轉(zhuǎn)速條件下離心10 min,棄上清,溶于10 mL蒸餾水中,精密吸取樣品液100 μL于490 nm下測定吸光度,并從標(biāo)準(zhǔn)曲線中求得樣品粗多糖的含量。
1.4.2 浸提溫度的選擇
在其他參數(shù)保持不變的情況下(結(jié)香花粉末0.5 g、固液比40∶1 g·mL-1)分別在60、70、80、90和100 ℃下浸提3 h,再把浸提液離心10 min,取上清液,加入3∶1的醇沉比在4 ℃冰箱中醇沉22 h,4 000 r·min-1下離心10 min,得粗多糖。將粗多糖溶于10 mL蒸餾水中,精密吸取樣品液100 μL于490 nm下測定吸光度,并從標(biāo)準(zhǔn)曲線中求得樣品粗多糖的含量。
1.4.3 浸提時間的選擇
稱取5份結(jié)香花粉末,每份0.5 g,浸提時間分別為1、2、3、4和5 h,放入95 ℃水浴鍋中(其他條件同上)進行浸提,浸提后的提取液用3倍體積的無水乙醇進行沉淀,在4 ℃冰箱中醇沉22 h,4 000 r·min-1下離心10 min,得粗多糖。將粗多糖溶于10 mL蒸餾水中,精密吸取樣品液100 μL于490 nm下測定吸光度,測量求出提取率以比較不同時間對結(jié)香多糖的影響。
1.4.4 浸提醇沉比的選擇
在固液比40∶1 g·mL-1,溫度80 ℃下浸提3 h,浸提液離心后將所得的上清液分別按醇沉比2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1放入4 ℃冰箱醇沉22 h,4 000 r·min-1下離心10 min,得粗多糖,將粗多糖溶于10 mL蒸餾水中,精密吸取樣品液100 μL于490 nm下測定吸光度,并從標(biāo)準(zhǔn)曲線中求得樣品粗多糖的含量。
依據(jù)單因素實驗的結(jié)果,確定因素編碼水平范圍,以多糖提取率為指標(biāo),以料液比、浸提溫度、浸提時間、浸提醇沉比為考察因素,進行4因素5水平(全實施)二次正交旋轉(zhuǎn)組合實驗。
實驗中各處理的多糖含量通過方差分析和多重比較,確定處理間的差異。所有數(shù)據(jù)分析均用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件完成[12]。
2.1.1 料液比
在浸提溫度為80 ℃,浸提時間為3 h,醇沉比1∶3的條件下,研究料液比對結(jié)香花多糖提取效率的影響,實驗結(jié)果如圖1所示。在料液比為1∶20~1∶40 g·mL-1時,多糖的含量呈增加趨勢,增加明顯,在料液比為1∶40 g·mL-1時,多糖含量達到最大值,可達到12.22 mg·g-1。但隨著料液比的繼續(xù)減小,多糖的提取效率大幅度下降,在料液比達到1∶50 g·mL-1時,隨著料液比減小下降趨勢逐漸平緩。這是因為加水量越多,樣品在溶液中的分散度越大,接觸面積也越大,有利于提取。但當(dāng)加水量達到一定程度后,再增加水量時,多糖提取率卻大幅度下降,可能是多余的提取劑也可以破壞結(jié)香細(xì)胞,使得細(xì)胞膜受到損害,造成細(xì)胞液或者其他的成分溶出,這樣溶液的顏色會發(fā)生改變而致使測定結(jié)果降低。顯然隨著料液比的減小,提取多糖的成本也會相應(yīng)的增大,因為水的比例過大,增加了濃縮處理的工作量和能耗,不利于實際操作和生產(chǎn)[13],因此,結(jié)香花多糖提取的料液比在1∶40 g·mL-1為宜。
圖1 料液比對結(jié)香多糖提取率的影響
2.1.2 浸提溫度
在料液比為1∶40 g·mL-1,醇沉比1∶3,浸提時間為3 h的條件下,研究溫度對結(jié)香花多糖提取效率的影響,如圖2所示。在60~70 ℃,多糖的提取率基本保持相同水平。隨著水浴溫度的升高,分子的熱運動加快,糖從結(jié)香細(xì)胞中的溶出率增加,提取含量有明顯的上升趨勢,而溫度達到90 ℃以上時,多糖含量的增加比較緩。由于多糖是活性物質(zhì),溫度過高就會破壞其結(jié)構(gòu),影響其活性,因此,提取溫度以90 ℃為宜。
圖2 溫度對結(jié)香多糖提取率的影響
2.1.3 浸提時間
在料液比為1∶40 g·mL-1,醇沉比1∶3,浸提溫度為95 ℃的條件下,研究浸提時間對多糖提取效率的影響。結(jié)果如圖3所示,在前3 h內(nèi),多糖的含量呈大幅度上升趨勢;而在3~4 h多糖提取率上升減緩,4 h時達到最大值15.586 1 mg·g-1,4~5 h逐漸下降。這是因為結(jié)香多糖的提取實際上是一個擴散的過程,隨著時間的延長,梯度差越來越小,擴散的速度也就越來越慢,所以一定溫度范圍內(nèi)延長提取時間有利于多糖的充分浸出。但又因為結(jié)香多糖的還原性比較強,若提取時間過長反而會被空氣中的氧氣氧化,使多糖的氧化加重或發(fā)生降解反應(yīng),導(dǎo)致提取量下降。因此,選擇4 h的浸提時間為最佳。
圖3 浸提時間對結(jié)香多糖提取率的影響
2.1.4 醇沉比
在料液比為1∶40 g·mL-1,浸提時間為3 h,浸提溫度為80 ℃的條件下,研究醇沉比對結(jié)香多糖提取率的影響。由圖4可以看出,隨著乙醇與多糖濃縮液比例的增加,多糖得率呈增加趨勢,當(dāng)醇沉比達到5∶1后,多糖得率下降。因此,醇沉比選擇5∶1時效果最佳。
圖4 醇沉比對結(jié)香多糖提取率的影響
2.2.1 實驗設(shè)計和結(jié)果
在單因素實驗的基礎(chǔ)上,針對傳統(tǒng)單因素實驗設(shè)計的缺點,以多糖提取率為指標(biāo),取料液比(X2)、溫度(X3)、時間(X4)和醇沉比(X1)作為考察因素,采用了二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計對結(jié)香多糖提取工藝的主要影響因素進行進一步優(yōu)化實驗。因素+2~-2水平編碼值:X1分別為4.5、4.0、3.5、3.0和2.5;X2分別為45、40、35、30和25;X3分別為100、95、90、85和80 ℃;X4分別為4.5、4.0、3.5、3.0和2.5 min。實驗結(jié)果見表1。
2.2.2 二次回歸方程的建立與檢驗
根據(jù)實驗結(jié)果利用DPS統(tǒng)計分析軟件,建立結(jié)香多糖提取率與影響因素間的二次回歸模型,其回歸方程為:Y=17.692 16+4.223 26X1-0.140 27X2+4.039 37X3-0.062 30X4-0.248 55X12+3.688 06X22+6.609 47X32+4.740 11X42-6.581 41X1X2+5.285 97X1X3+0.234 61X1X4+0.284 80X2X3+0.168 54X2X4-0.051 67X3X4。
經(jīng)方差分析表明,回歸方程的失擬性檢驗F1=2.798 54(P>0.05)不顯著,即方程的擬合性較好;回歸方程的顯著性檢驗(F2=657.694 59,P<0.01)極顯著,說明方程與實驗數(shù)據(jù)的配合是可行的。方程回歸結(jié)果可靠,可用于結(jié)香多糖熱水提取實驗的理論預(yù)測。對二次回歸模型進行顯著性檢驗,得到的一次項系數(shù)X1、X3為極顯著,X2、X4不顯著,表明溫度、醇沉比是多糖提取率的主要影響因素,時間和料液比為次要影響因素。二次項系數(shù)當(dāng)中,X22、X32、X42為極顯著因素,X12不顯著,X1X2、X1X3極顯著,X1X4、X2X3、X2X4、X3X4不顯著。
在α=0.10顯著水平剔除不顯著項后,得到簡化后的回歸方程為:Y=17.692 16+4.223 26X1+4.039 37X3-0.248 55X12+3.688 06X22+6.609 47X32+4.740 11X42-6.581 41X1X2+5.285 97X1X3。
表1 二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計及結(jié)香多糖提取結(jié)果
2.2.3 主因素效應(yīng)
根據(jù)回歸方程的一次項系數(shù)的絕對值來比較各個因素之間的主次關(guān)系,可得到醇沉比>溫度>料液比>時間。因此,醇沉比是影響多糖提取率的最顯著因素。
2.2.4 單因素效應(yīng)
對單因素效應(yīng)進行研究,分析X1、X2、X3、X4對結(jié)香多糖得率的影響,即固定醇沉比、料液比、溫度及時間這4個影響因素中的任意3個為零,研究其中一個對多糖得率的影響。結(jié)果如圖5所示,對于浸提醇沉比,從低水平到高水平,多糖提取率一直在增加。在低因素水平間,多糖提取率隨著浸提溫度、料液比和浸提時間的增加而下降,并在0因素水平達到最小值。在高因素水平間,多糖的提取率又隨醇沉比、料液比、浸提時間的增加而增加,由此可見,醇沉比對多糖提取的影響極其顯著。
圖5 各因素對多糖提取率的影響
2.2.5 兩因素間的互作效應(yīng)
從回歸系數(shù)的顯著性檢驗可以看出,由此可直觀地分析醇沉比分別對料液比和溫度兩因素對多糖提取率的互作效應(yīng)。
從圖6可以看出,在醇沉比的低水平下,多糖的提取率隨料液比的減小而增加,當(dāng)醇沉比慢慢增大時,隨著料液比的減小,多糖提取率先降低后升高,而且下降的幅度在明顯增加。當(dāng)醇沉比在高水平時,隨著料液比的減小,多糖的提取率則一直呈下降趨勢。當(dāng)料液比在高水平時,隨著醇沉比的增加多糖的提取率漸漸下降,且下降的幅度越來越緩,在高水平的料液比時隨著醇沉比的增加,多糖的提取率則大幅度的增加。從兩個因素的共同作用可以顯示,隨著料液比的減小和醇沉比的增加,多糖的提取率是在漸漸減少的??紤]到實際情況,綜合考慮成本問題,選擇低水平的料液比,低水平的醇沉比或者著高水平的醇沉比,低水平的料液比是較合理的。
圖6 料液比與醇沉比的互作效應(yīng)
從圖7可以看出,在高水平的醇沉比時,隨著浸提溫度的升高,多糖的提取率先緩慢下降,后又大幅度地升高。而當(dāng)醇沉比水平減小時,隨著浸提溫度升高,多糖提取率的下降幅度越來越大。當(dāng)醇沉比處與低水平時,隨著溫度的升高,多糖得率先大幅度下降后又緩慢上升。當(dāng)浸提溫度處于高水平時,隨著醇沉比的增加多糖的得率呈直線上升趨勢。而溫度處于低水平時,隨著醇沉比的增加多糖的得率呈緩慢的下降趨勢,下降幅度非常小。從兩因素的相互作用可以看出,選擇高水平的浸提溫度和高水平的醇沉比比較合理。
圖7 浸提溫度與醇沉比的互作效應(yīng)
2.2.6 提取條件的優(yōu)化
通過DPS軟件分析,對數(shù)學(xué)回歸模型分析后可得最佳提取工藝條件:醇沉比3.6∶1,料液比1∶35 g·mL-1,浸提溫度90 ℃,浸提時間3.5 h,預(yù)測值為18.34 mg·g-1。
近年來,對多糖產(chǎn)品的研究開發(fā)相當(dāng)熱門,大量藥理及臨床研究證實,多糖有調(diào)節(jié)免疫、抗癌、抗肥胖、降膽固醇等生理功能,可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、保健品及功能食品,作為綠色生物醫(yī)藥產(chǎn)品具有廣闊的市場前景[14]。有關(guān)植物多糖的研究進展十分迅速,它的研究已成為糖生物學(xué)研究的一個熱點?,F(xiàn)在對于植物多糖的提取方法很多,水提法、堿提法、酸提法、酶法、超濾法、超聲提取、CO2超臨界萃取等[11]。而熱水提取法作為目前提取多糖比較通用的方法,因其提取工藝簡單、不需要特殊的設(shè)備、生產(chǎn)成本低適用于工業(yè)化生產(chǎn)而受到廣泛使用。
本文采用的是熱水提取法對結(jié)香多糖提取工藝進行研究,通過對浸提時間、浸提溫度、料液比和醇沉比4個單因素進行研究,再通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合實驗進行優(yōu)化。
對于料液比這一影響因素,實驗結(jié)果表明,隨著料液比的減小,多糖的含量呈先增加后減少的趨勢。這是因為加水量越多,樣品在溶液中的分散度越大,接觸面積也越大,有利于提取。但當(dāng)加水量達到一定程度后,再增加水量時,多糖提取率卻大幅度下降。顯然隨著料液比的減小,提取該多糖的成本也會相應(yīng)的增大,因為水的比例過大,增加了濃縮處理的工作量和能耗,不利于實際操作和生產(chǎn)。如虎皮蘭多糖提取工藝的優(yōu)化中,最佳的料液比為1∶30 g·mL-1[15]。仙人掌多糖提取工藝研究中,最佳料液比為1∶30 g·mL-1[16]。五味子分離多糖提取工藝的研究中,最佳料液比在1∶40 g·mL-1[17]。而本實驗結(jié)果也表明,料液比對結(jié)香多糖的提取有極顯著影響,考慮到生產(chǎn)成本,最終確定最佳浸提料液比為1∶35 g·mL-1。
對于浸提溫度這一影響因素,多數(shù)多糖的提取率在一定溫度范圍內(nèi)是隨著溫度的提高先升高后降低,因此,在選擇溫度時,溫度不宜過低。根據(jù)文獻記載的實驗結(jié)果,長時間高溫浸提會使部分多糖活性被破壞[18],而不同種類的多糖也具有不一樣的耐熱性。如耐熱性較好的豆渣[19]可在120~150 ℃進行多糖的提取,而且在這個溫度水平提取率是最佳的。耐熱性相對較差的枇杷葉[20]、板栗[21]、葵花籽[22]等要在30~60 ℃進行多糖的提取。而結(jié)香的耐熱性也較強,在90 ℃的溫度條件下提取多糖較為適宜。
對浸提時間這一因素,我們知道多糖的溶解需要時間,一方面浸提的時間太短,只有表面部分的多糖溶出,材料內(nèi)部需要一定的溶脹時間,然后內(nèi)部的多糖才會溶出;另一方面,長時間的提取會有條件上的不穩(wěn)定,增加了提取液中雜質(zhì)的含量,影響多糖的活性。綜合考慮多糖的提取率與能耗的問題,本文最終的實驗結(jié)果選擇3.5 h為最佳浸提時間。
醇沉比對結(jié)香多糖的影響也很顯著,隨著醇沉比的增加,提取率先提高后又降低。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因,可能隨著結(jié)香多糖的溶解,已在乙醇溶液中達到飽和,到了結(jié)香多糖的最大溶解度后,隨著乙醇溶液的增加不再變化了。因此,我們最后選擇醇沉比為3.6∶1為結(jié)香提取的最佳值。
二次正交旋轉(zhuǎn)組合實驗設(shè)計[23]是正交回歸實驗設(shè)計的一種,它具有實驗次數(shù)較少,計算簡便,且能根據(jù)預(yù)測值直接尋求最優(yōu)區(qū)域的優(yōu)點,經(jīng)精心設(shè)計、實施的回歸設(shè)計,可提供大量的信息,可以從許多角度對模型進行模擬分析,以充分發(fā)掘模型所提供的信息[24]。近年來,該法雖廣泛用于農(nóng)業(yè)、生物、化工等領(lǐng)域,取得了較好的效果,但關(guān)于結(jié)香水溶性多糖提取工藝條件的優(yōu)化鮮見報道,本文通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計,安排4個因子作二次正交回歸實驗,獲得結(jié)香多糖的提取率4個實驗因子的正交回歸模型。運用回歸設(shè)計的理論和方法,通過DPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)處理,最后得到醇沉比、料液比、溫度、時間與多糖提取率的數(shù)學(xué)模型最終確定了最佳的提取工藝條件:醇沉比3.6∶1、料液比1∶35 g·mL-1、浸提溫度90 ℃,浸提時間3.5 h,在此條件下提取的結(jié)香多糖的含量平均可達到18.34 mg·g-1,優(yōu)化了結(jié)香多糖的提取工藝,得到了更為精確的參數(shù)。李昕等[25]同樣在單因素實驗的基礎(chǔ)上,采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方法得到白術(shù)水溶性多糖最佳提取工藝。與正交設(shè)計、均勻設(shè)計相比,二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計更有利于得到精確的參數(shù)。二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的特點使其在需要高精準(zhǔn)數(shù)據(jù)的實驗中的地位尤為突出。