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。
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。
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。
1.3.1 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。
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。
2.1.1 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%。
2.2.1 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。
2.3.1 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。
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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