响应面法优化地皮菜总三萜提取工艺及其抗氧化活性

宋晓凡1,李岩1,院珍珍1,2*,马馥梅1

(1.青海大学农牧学院,青海 西宁 810016;2.青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室,青海 西宁 810016)

摘 要:以青海地皮菜为原料,研究其总三萜提取工艺条件及其抗氧化活性,通过单因素试验和Box-Behnken响应面试验进行超声波辅助提取地皮菜总三萜工艺优化,并测定地皮菜总三萜对DPPH自由基、ABTS+自由基、羟自由基的清除能力及总还原能力,以评估其体外抗氧化活性。最终得出的最佳提取条件为料液比1∶20(g/mL)、乙醇浓度95%、提取温度60℃、提取时间50 min,在此条件下测得地皮菜总三萜的得率为1.38%,与模型预测值1.41%基本相符。抗氧化试验结果表明,当地皮菜总三萜质量浓度为1.60 mg/mL时,DPPH自由基清除率达到最大,为48.43%;ABTS+自由基清除率随质量浓度的增加而增加,当浓度为3.20 mg/mL时,ABTS+自由基清除率达到最大,为81.43%;羟自由基清除率与浓度无明显线性关系;地皮菜总三萜的总还原能力随着浓度的增加呈增大趋势,当浓度为3.20 mg/mL时,总还原能力达到1.818。以上结果表明,响应面法对地皮菜总三萜的提取条件优化合理可行,且地皮菜总三萜具有较高的抗氧化活性。

关键词:地皮菜;总三萜;工艺优化;响应面分析;抗氧化活性

地皮菜(Nostoc commune)又称为地软、地木耳等,一般出现在干旱、半干旱的地区,是一种重要的固氮原核生物,在青海省柴达木盆地的德令哈、格尔木、都兰、天峻等地均有大面积生长[1]。据中国药典记载,地皮菜对补充维生素和蛋白质、清热解毒、滋阴润肺、益气明目、皮疹赤热等具有明显效果[2],而且含有缩酚类、单取代苯环类、蒽醌类、三萜类以及多糖等多种活性成分[3]。同时地皮菜中的活性成分具有保湿、紫外线防护等多种护肤功效[4-5]。因此,研究地皮菜中活性成分对其产品开发和综合利用具有重要意义。

三萜类化合物是一类由多个异戊二烯单位(C5H8)构成的烃类及其含氧衍生物,通常是由30个碳原子组成[6]。三萜类化合物具有抗炎[7]、抗肿瘤[8]、免疫[9]等生物活性,因此有很多关于灵芝[10]、牛樟芝[11]等的总三萜提取工艺的研究报道。目前,地皮菜水溶性多糖、黄酮的提取及结构特征和生物活性是研究的热点,但是对地皮菜中总三萜的提取及其抗氧化分析的相关研究较少。地皮菜含有多种活性成分,具有重要的食用和药用价值,开发应用前景广泛。

目前提取三萜的方法有传统热提取、索氏提取[12]、微波辅助提取[13-14]、超临界辅助萃取[15]、超声波辅助提取[16-17]等,超声波辅助提取方法操作简便,用时较短,深受研究者的青睐。本试验对地皮菜总三萜超声波辅助提取工艺进行优化,并探究其抗氧化活性,以期为地皮菜资源的研究和进一步开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

青海野生地皮菜:海东市绿品源商贸有限公司;齐墩果酸、2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸[2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid),ABTS]、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH):上海阿拉丁生化科技股份有限公司;95%乙醇、甲醇、冰乙酸:天津市富宇精细化工有限公司;高氯酸:北京化工厂;三氯乙酸、邻苯三酚:天津市百世化工有限公司;香草醛:上海中秦化学试剂有限公司;以上化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

200T多功能粉碎机:永康市铂欧五金制品有限公司;R-1001VN旋转蒸发仪:郑州长城科工贸有限公司;SB-3200DTD超声波清洗机:宁波新芝生物科技股份有限公司;UV-2600紫外可见分光光度计:日本岛津公司;H/T16MM台式高速离心机:湖南赫西仪器装备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 地皮菜总三萜的提取

将地皮菜洗净烘干后,粉碎过60目筛备用。精确称取地皮菜粉末,与一定量乙醇溶液混合,在一定的温度下以320 W的功率超声处理一定时间,抽滤除去废渣,旋转蒸发浓缩,将浓缩液烘干,得到地皮菜总三萜粗提取物。

1.3.2 标准曲线的绘制

称取齐墩果酸4 mg,用甲醇溶解后置于10 mL容量瓶中定容,分别移取 0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL 上述标准液置于10 mL的容量瓶中,水浴加热15 min后依次加入0.4 mL 5%的香草醛-冰乙酸溶液和1 mL高氯酸,在60℃水浴加热30 min后用流水冷却至室温,加冰乙酸定容,于550 nm处测定吸光值,利用吸光值和标准品的质量浓度绘制标准曲线[18],得到线性回归方程 y=2.370 9x+0.006 2,R2=0.999 1。

1.3.3 总三萜得率的计算

称取一定量总三萜粗提取物,用乙醇将其溶解。在试管中加入配好的总三萜溶液1.0 mL,按1.3.2方法测定3次,测得的吸光值(A)取平均值代入1.3.2回归方程计算地皮菜总三萜质量浓度。根据公式(1)计算地皮菜总三萜得率。

式中:W为地皮菜总三萜得率,%;C为计算得到的总三萜质量浓度,mg/mL;V为待测总三萜溶液体积,mL;D为稀释倍数;M为地皮菜样品质量,mg。

1.3.4 单因素试验

固定提取温度65℃、提取时间40 min、乙醇浓度75%、料液比1∶25(g/mL)中的3个因素,进行单因素试验。分别改变提取温度(55、60、65、70、75 ℃)、料液比[1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30(g/mL)]、提取时间(20、30、40、50、60 min) 和乙醇浓度(55%、65%、75%、85%、95%),考察各因素对地皮菜总三萜得率的影响。

1.3.5 响应面试验

根据单因素试验结果,进行三因素三水平的响应面优化试验。固定乙醇浓度为95%,考察料液比、提取时间以及提取温度对地皮菜总三萜得率的影响。利用Design-Expert软件对数据进行拟合,确定最优提取工艺。试验因素及水平设计见表1。

表1 响应面试验因素水平设计
Table 1 Factors and levels of response surface test design

水平 因素A提取温度/℃B料液比/(g/mL)C提取时间/min-1 55 1∶15 40 0 60 1∶20 50 1 65 1∶25 60

1.3.6 抗氧化活性测定

1.3.6.1 DPPH自由基清除能力测定

DPPH自由基清除能力测定参考Zhang等[19]的测定方法并作修改。取不同浓度的样品加入0.2 mmol/L的DPPH溶液2 mL混匀,室温避光反应30 min,于517 nm处检测其吸光值A1。同条件下测定DPPH溶液的吸光值A0。以VC为阳性对照。按照公式(2)计算DPPH自由基清除率,平行测定3次。

1.3.6.2 ABTS+自由基清除能力测定

ABTS+自由基清除能力测定参考Liu等[20]的方法并有所改动。将7 mmol/L的ABTS溶液与2.45 mmol/L过硫酸钾溶液按体积比1∶1混合,在黑暗、室温下放置16 h;用磷酸盐缓冲液(pH7.0)稀释混合液至其吸光值在734 nm处为0.70±0.02,得到ABTS混合溶液。将不同浓度的样品以1∶20的体积比加入到ABTS混合溶液中,混合后于室温下孵育6 min,于734 nm处测定吸光值A1。同条件测定ABTS混合溶液的吸光值A0。以VC为阳性对照。ABTS+自由基清除率按公式(3)计算,平行测定3次。

1.3.6.3 羟自由基清除能力测定

参考张美萍等[21]的方法略有改动。取0.15 mol/L Tris-HCl缓冲液(pH7.4)和0.04 mg/mL的番红溶液各1 mL,0.945 mmol/L 的 EDTA-2Na-Fe2+溶液(pH7.4)0.5 mL、再加入0.5 mL不同浓度的样品和1%H2O2溶液0.5 mL,于37℃孵育30 min,在520 nm下检测吸光值A1。同条件测定超纯水吸光值A0。以VC为阳性对照。按照公式(4)计算羟自由基清除率,平行测定3次。

1.3.6.4 总还原能力测定

参考康宁等[22]的方法略有改动。取2.5 mL不同浓度的样品液,依此加入2.5 mL 0.2 mol/L磷酸盐缓冲液(pH6.6)和2.5 mL 1%铁氰化钾溶液,置于50℃水浴反应20 min,加入2.5 mL 10%三氯乙酸溶液,混合后以3 000 r/min离心10 min,取上清液2.5 mL,加入2.5 mL蒸馏水和0.5mL0.1%三氯化铁溶液,混匀,静置10min,在700 nm处测定吸光值。以VC作为阳性对照。

1.4 数据处理

所有试验均重复3次,采用SPSS 26.0软件进行数据分析,作图采用EXCEL 2016软件。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 提取温度对地皮菜总三萜得率的影响

提取温度对地皮菜总三萜得率的影响见图1。

图1 提取温度对地皮菜总三萜得率的影响
Fig.1 Effect of extraction temperature on yield of total triterpenoids from Nostoc commune

图1表明,地皮菜总三萜得率随提取温度升高呈先上升后下降趋势,总三萜得率在60℃时达到最大值,为0.96%。随着提取温度的继续升高,总三萜得率降低,可能是因为随着提取温度的升高,提取温度越接近乙醇沸点78℃,致使乙醇挥发速度加快,导致总三萜得率减小。因此,选取提取温度为55、60、65℃进行后续试验。

2.1.2 料液比对地皮菜总三萜得率的影响

料液比对地皮菜总三萜得率的影响见图2。

图2 料液比对地皮菜总三萜得率的影响
Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on yield of total triterpenoids from Nostoc commune

由图 2 可知,当料液比为 1∶10(g/mL)~1∶20(g/mL)时,地皮菜总三萜得率随溶剂量的增加而增加,这说明溶剂量过少导致总三萜溶解不完全,从而总三萜得率较低。在料液比为1∶20(g/mL)时得率最高,为0.85%,随后总三萜得率随溶剂量增大呈现下降的趋势,可能是稀释倍数过大,且溶剂乙醇在加热条件下更易挥发,从而导致总三萜得率下降。因此,选取料液比为1∶15、1∶20、1∶25(g/mL)进行后续试验。

2.1.3 提取时间对地皮菜总三萜得率的影响

提取时间对地皮菜总三萜得率的影响见图3。

图3 提取时间对地皮菜总三萜得率的影响
Fig.3 Effect of extraction time on yield of total triterpenoids from Nostoc commune

由图3可知,地皮菜总三萜得率随着提取时间的延长先升高后降低,当提取时间为50 min时得率达到峰值,为0.59%。分析原因可能是提取时间过长破坏了总三萜的结构,导致总三萜得率降低。因此,选取提取时间为40、50、60 min进行后续试验。

2.1.4 乙醇浓度对地皮菜总三萜得率的影响

乙醇浓度对地皮菜总三萜得率的影响见图4。

图4 乙醇浓度对地皮菜总三萜得率的影响
Fig.4 Effect of ethanol concentration on yield of total triterpenoids from Nostoc commune

由图4可知,总三萜得率随着乙醇浓度的增大而逐渐升高,当乙醇浓度为95%时,总三萜得率为1.1%。分析原因可能是地皮菜中含有的总三萜易溶于乙醇等有机溶液,而较难溶于水,所以乙醇的浓度越高,溶出的总三萜就越多。因此确定最佳的乙醇浓度为95%。

2.2 响应面优化及分析

2.2.1 模型的建立与方差分析

响应面分析结果见表2,方差分析结果见表3。

表2 响应面试验设计及结果
Table 2 Design and results of response surface test

编号 A提取温度/℃Y总三萜得率/%1 65 1∶20 60 0.78 2 55 1∶20 60 0.66 3 65 1∶15 50 0.86 4 55 1∶25 50 0.76 5 60 1∶20 50 1.51 6 60 1∶15 60 0.90 7 60 1∶20 50 1.41 8 60 1∶15 40 0.56 9 55 1∶15 50 0.80 10 65 1∶20 40 0.74 11 60 1∶25 60 0.98 12 65 1∶25 50 0.84 13 60 1∶25 40 0.64 14 55 1∶20 40 0.88 15 60 1∶20 50 1.42 16 60 1∶20 50 1.32 17 60 1∶20 50 1.39 B料液比/(g/mL)C提取时间/min

表3 总三萜提取得率方差分析表
Table3 Variance analysis table of total triterpenoid extraction ratio

注:*表示影响显著(P<0.05);**表示影响极显著(P<0.01)。

来源 平方和 自由度 均方 F值 P模型 1.440 9 0.160 9.330 0.003 8**A 1.800×10-3 1 1.800×10-3 0.100 0.755 7 B 1.250×10-3 1 1.250×10-3 0.073 0.795 2 C 0.031 1 0.031 1.820 0.219 5 AB 1.000×10-4 1 1.000×10-4 5.819×10-3 0.941 3 AC 0.017 1 0.017 0.980 0.354 4 BC 0.000 1 0.000 0.000 1.000 0 A2 0.380 1 0.380 22.050 0.002 2**B2 0.370 1 0.370 21.320 0.002 4**C2 0.500 1 0.500 29.160 0.001 0**残差 0.120 7 0.017失拟项 0.100 3 0.034 7.290 0.042 4*纯误差 0.019 4 4.650×10-3总和 1.560 16

对表2试验数据利用Design-Expert软件进行多元回归拟合,得到总三萜得率与提取温度、料液比、提取时间的二次多项回归模型:Y=1.41+0.015A+0.013B+0.062C+5.000×10-3AB+0.065AC+0.000BC-0.30A2-0.29B2-0.34C2

由表3分析可知,该模型的F值为9.33且P<0.01,表明拟合模型具有极显著性。根据F值可以得到3个因素对总三萜得率的影响大小顺序为C>A>B,即提取时间>提取温度>料液比。另外,A2、B2、C2对地皮菜总三萜得率的影响极显著,AB、AC、BC对总三萜得率的影响不显著,因此试验因素对响应值Y的影响不是简单的线性关系,二次项对响应值也有很大影响。以上均说明该模型可用于优化地皮菜总三萜提取工艺。

2.2.2 最佳提取工艺条件的验证

响应面试验分析得出地皮菜总三萜的最佳提取工艺条件:料液比 1∶20.11(g/mL),提取时间 50.94 min,提取温度60.18℃,预测在该条件下总三萜得率为1.41%。考虑到实际操作的可行性,将试验条件调整为料液比 1∶20(g/mL),提取时间 50 min,提取温度 60 ℃。重复3次试验进行验证,所得平均得率为1.38%,该结果与理论值接近,说明所得最优工艺参数准确可靠,表明该模型可以较好地预测地皮菜总三萜得率。

2.3 抗氧化活性分析

2.3.1 DPPH自由基清除能力

地皮菜总三萜和VC对DPPH自由基的清除能力见图5。

图5 地皮菜总三萜和VC对DPPH自由基的清除能力
Fig.5 DPPH free radical scavenging ability of total triterpenoids from Nostoc commune and vitamin C

由图5可知,当地皮菜总三萜的质量浓度在0.05 mg/mL~1.60 mg/mL时,地皮菜总三萜对DPPH自由基的清除率随着浓度的增加保持不断增加的趋势。当质量浓度为1.60 mg/mL时,总三萜对DPPH自由基清除率达到最大,为48.43%。说明地皮菜总三萜具有一定的DPPH自由基清除能力,但是与VC相比较,DPPH自由基清除能力相对较弱。

2.3.2 ABTS+自由基清除能力

地皮菜总三萜和VC对ABTS+自由基的清除能力见图6。

图6 地皮菜总三萜和VC对ABTS+自由基的清除能力
Fig.6 ABTS+free radical scavenging ability of total triterpenoids from Nostoc commune and vitamin C

由图6可知,当质量浓度在0.05mg/mL~3.20mg/mL时,地皮菜总三萜对ABTS+自由基的清除能力与其质量浓度呈正相关。地皮菜总三萜的ABTS+自由基清除率从14.24%增加到81.43%,增加幅度较大。当质量浓度在3.20 mg/mL时,地皮菜总三萜的ABTS+自由基清除率接近VC

2.3.3 羟自由基清除能力

地皮菜总三萜和VC对羟自由基的清除能力见图7。

图7 地皮菜总三萜和VC对羟自由基的清除能力
Fig.7 Hydroxyl free radical scavenging ability of total triterpenoids from Nostoc commune and vitamin C

由图7可知,当地皮菜总三萜的质量浓度为0.05 mg/mL~1.60 mg/mL时,地皮菜总三萜对羟自由基的清除率随质量浓度的增加无明显变化,且始终大于VC。当质量浓度为3.20 mg/mL时,地皮菜总三萜对羟自由基的清除率有了明显提高,但小于VC,表明地皮菜总三萜清除羟自由基的能力较强。

2.3.4 总还原能力

地皮菜总三萜和VC的总还原能力见图8。

图8 地皮菜总三萜和VC的总还原能力
Fig.8 Total reducing ability of total triterpenoids from Nostoc commune and vitamin C

由图8可知,当质量浓度在0.05mg/mL~3.20mg/mL时,随着质量浓度的增加,地皮菜总三萜的总还原能力呈先缓慢上升后急剧上升的趋势。当质量浓度为3.20 mg/mL时,地皮菜总三萜的总还原能力达到最大,为1.818,此时VC为2.566。相同质量浓度下,地皮菜总三萜的总还原能力低于VC的总还原能力。

3 结论

本试验在单因素试验的基础上,采用响应面法优化地皮菜总三萜的超声辅助提取工艺条件,最终确定地皮菜总三萜的最佳提取条件为乙醇浓度95%、料液比 1∶20(g/mL)、提取时间 50 min、提取温度 60 ℃,在此最佳提取条件下得到地皮菜总三萜得率为1.38%。通过抗氧化试验可知,地皮菜总三萜具有一定DPPH自由基清除能力,对羟自由基、ABTS+自由基有较强的清除能力并且有较强的总还原能力。甚至当地皮菜总三萜浓度为3.20 mg/mL时,对羟自由基的清除率高于VC。可见,地皮菜总三萜具有较好的抗氧化活性,可作为天然的抗氧化剂进行开发利用。

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Optimization of Extraction Process of Total Triterpenoids from Nostoc commune by Response Surface Methodology and Their Antioxidant Activity

SONG Xiao-fan1,LI Yan1,YUAN Zhen-zhen1,2*,MA Fu-mei1
(1.College of Agriculture and Animal Husbandry,Qinghai University,Xining 810016,Qinghai,China;2.State Key Laboratory of Plateau Ecology and Agriculture,Qinghai University,Xining 810016,Qinghai,China)

Abstract:This paper studied the extraction process and antioxidant activity of total triterpenoids from Qinghai Nostoc commune.Single factor test and Box-Behnken response surface test were used to optimize the ultrasonic-assisted extraction process of total triterpenoids from N.commune,and the scavenging ability of total triterpenoids on DPPH,ABTS+,and hydroxyl free radicals and the total reducing ability were determined to evaluate their antioxidant activity in vitro.The optimal extraction conditions were as follows:solid-liquid ratio 1∶20(g/mL),ethanol concentration 95%,extraction temperature 60 ℃ and extraction time 50 min.Under these conditions,the yield of total triterpenoids from N.commune was 1.38%,which was basically consistent with the predicted value of 1.41%.The antioxidant test showed that the DPPH free radical scavenging rate reached the maximum of 48.43% when the concentration of total triterpenoids was 1.60 mg/mL.The ABTS+free radical scavenging rate increased with the increase of concentration,and when the concentration was 3.20 mg/mL,the ABTS+free radical scavenging rate reached the maximum of 81.43%.There was no obvious linear relationship between hydroxyl free radical scavenging rate and concentration.The total reducing ability of total triterpenoids from N.commune increased with the increase of concentration,and when the concentration was 3.20 mg/mL,the total reducing ability reached1.818.The above results indicated that response surface methodology was reasonable and feasible to optimize the extraction conditions of total triterpenoids from N.commune,and the total triterpenoids from N.commune had high antioxidant activity.

Key words:Nostoc commune;total triterpenoids;process optimization;response surface analysis;antioxidant activity

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2023.04.013

基金项目:省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室自主课题(2019-ZZ-03)

作者简介:宋晓凡(1993—),女(汉),硕士研究生,研究方向:食品加工与安全。

*通信作者:院珍珍(1988—),女(汉),副教授,博士研究生,研究方向:天然产物与功能性食品。

引文格式:

宋晓凡,李岩,院珍珍,等.响应面法优化地皮菜总三萜提取工艺及其抗氧化活性[J].食品研究与开发,2023,44(4):86-91,106.

SONG Xiaofan,LI Yan,YUAN Zhenzhen,et al.Optimization of Extraction Process of Total Triterpenoids from Nostoc commune by Response Surface Methodology and Their Antioxidant Activity[J].Food Research and Development,2023,44(4):86-91,106.

加工编辑:王艳

收稿日期:2021-12-23