段志航,趙彩云,代博,唐達(dá),李曉花*
滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)傣醫(yī)藥學(xué)院(云南 666100)
紫色姜為姜科姜屬植物紫色姜(Zingiber montanum(J.Koenig)Link ex A.Dietr.)的干燥根莖,主要產(chǎn)自中國(guó)云南西雙版納,廣泛栽種于傣族居民的房前屋后,是傣族常用調(diào)料品,傣藥名“補(bǔ)累”,是傣藥成藥,國(guó)藥準(zhǔn)字Z20026657,雙姜胃痛丸(帕中補(bǔ))的主要藥材,收錄于《云南省中藥材標(biāo)準(zhǔn)》(2005年版)[1-2]?,F(xiàn)代對(duì)紫色姜的研究主要集中于揮發(fā)油,具有健胃、消食、散寒、止嘔等功效[2-4]。黃酮類化合物是姜科姜屬植物黃姜、大高良姜、山姜、干姜、良姜、大肉姜的主要活性成分,具有抑菌、抗炎、抗銀屑病、抗氧化、減肥、降血脂、降血糖及防治糖尿病等多種活性[4-13],被廣泛用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。試驗(yàn)為進(jìn)一步拓展紫色姜的開發(fā)利用前景,以其干燥根莖為原料,采用單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ),以響應(yīng)面法對(duì)紫色姜總黃酮成分的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,以DPPH·和·OH清除率為指標(biāo),評(píng)價(jià)其抗氧化能力[18-21]。
紫色姜干品(生產(chǎn)批號(hào)為滇20182806,西雙版納藥業(yè)有限責(zé)任公司);蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品(純度>98%,solarbio);無(wú)水乙醇(分析純,天津大茂化學(xué)試劑廠);5%亞硝酸鈉、10%硝酸鋁、氫氧化鈉(分析純,美國(guó)默克Sigma-Aldrich試劑);石油醚[分析純,阿拉丁試劑(上海)有限公司];1, 1-二苯基-2-苦基肼(DPPH,≥98%,北京索萊寶科技有限公司);維生素C(≥99.7%,阿達(dá)瑪斯試劑有限公司);K2HPO4和KH2PO4(分析純,上海泰坦科技股份有限公司);鄰菲羅啉(分析純、阿達(dá)瑪斯試劑有限公司);硫酸亞鐵(分析純、美國(guó)Amresco公司);超純水為自制。
DHG-9070A型烘箱(上海一恒科技有限公司);Secura125-ICN型分析天平(賽多利斯公司);CR-031S型超聲波清洗機(jī)(春霖清洗設(shè)備公司);UV2600型紫外分光光度計(jì)(日本島津有限公司);UPR-Ⅱ-20L超純水儀(鄭州優(yōu)爾普儀器)。
參照《中國(guó)藥典》(2020年版)附錄Ⅳ及文獻(xiàn)報(bào)道的高良姜等總黃酮的提取方法[10-13],采用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH比色法進(jìn)行紫色姜總黃酮含量測(cè)定[9-11]。
1.3.1 對(duì)照品溶液的配制
將蘆丁對(duì)照品干燥至恒重后,精密稱取0.010 5 g,加適量85%乙醇超聲溶解,放冷,定容至50 mL,搖勻,即得蘆丁的對(duì)照品貯備試液(0.21 mg/mL)[12]。
1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制
精密量取0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0和6.0 mL對(duì)照品溶液,分別置于25 mL量瓶后加85%乙醇至6 mL。加0.8 mL 5%亞硝酸鈉溶液,搖勻,放置10 min,加0.8 mL 10%硝酸鋁溶液,搖勻,放置10 min,加4 mL 5%氫氧化鈉溶液,定容,搖勻,靜置20 min。以空白為掃描基線,從190~900 nm進(jìn)行全波長(zhǎng)掃描,最大吸收波長(zhǎng)為365 nm。以空白開始,對(duì)不同濃度標(biāo)準(zhǔn)液在365 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度,縱坐標(biāo)為吸光度(A),橫坐標(biāo)為蘆丁濃度(C),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.014 7x-0.080 9,R2=0.999 8,線性關(guān)系良好[11-13]。
1.3.3 紫色姜總黃酮的提取和含量測(cè)定
紫色姜烘干,粉碎,過(guò)篩(60目,約0.250 mm),干燥保存。
稱取1 g紫色姜粉末,加入30 mL石油醚浸泡脫脂提取8 h后,將藥渣烘干,加入30倍67%乙醇,于30 ℃超聲提取63 min,離心得上清液,用67%乙醇定容至50 mL,備用。
取1 mL備用提取液,加0.8 mL 5%亞硝酸鈉溶液,搖勻,放置10 min,加0.8 mL 10%硝酸鋁溶液,搖勻,放置10 min,加4 mL 5%氫氧化鈉溶液,用相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)的乙醇定容至50 mL,充分混勻,靜置20 min,平行3份,以相應(yīng)溶液為空白對(duì)照,在365 nm波長(zhǎng)下測(cè)吸光度,根據(jù)蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算待測(cè)液中紫色姜黃酮的濃度,按式(1)計(jì)算紫色姜中黃酮提取率(mg/g)[18-25]。
紫色姜黃酮提取率=c×a×V/M(1)式中:V為提取液體積,mL;c為提取液中黃酮質(zhì)量濃度,mg/mL;a為稀釋倍數(shù);M為紫色姜質(zhì)量,g。
1.3.4 紫色姜總黃酮提取單因素試驗(yàn)
紫色姜根莖經(jīng)干燥、粉碎,脫脂提取后,稱取1 g,在其他條件一致的情況下,分別考察單因素條件,包括不同功率、提取時(shí)間、料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)紫色姜總黃酮提取率的影響。提取液離心后定容,稀釋,按1.3.2和1.3.3項(xiàng)下方法進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)試驗(yàn)平行3次試驗(yàn),取平均值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)定響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平。
1.3.5 Box-Behnken 響應(yīng)面試驗(yàn)
1.3.5.1 響應(yīng)面法優(yōu)化超聲提取工藝
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)定各因素水平,利用Design-Expert 10.0.3軟件中Box-Behnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,對(duì)單因素試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化,考察時(shí)間、料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲功率對(duì)提取率的影響,以黃酮提取率為考察指標(biāo),設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)(共29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn))進(jìn)行正交試驗(yàn),并進(jìn)行方差分析,因素水平見表1[15-19]。
表1 因素水平表
1.3.5.2 提取工藝的驗(yàn)證根據(jù)Design-Expert 10.0.3軟件運(yùn)行結(jié)果,在超聲功率、超聲時(shí)間、料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)等多因素共同影響下的最優(yōu)提取工藝,結(jié)合實(shí)際工藝設(shè)置的可行性,采用優(yōu)化工藝進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),將得到的實(shí)際提取率與理論提取率進(jìn)行比較。若回歸模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相符合,則表明該回歸模型可準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和模擬紫色姜總黃酮提取率。
1.3.6 紫色姜總黃酮體外抗氧化活性研究
1.3.6.1 DPPH自由基清除活性
1.3.6.1.1 供試品溶液的制備
按1.3.3.1的優(yōu)化工藝進(jìn)行提取,得到提取液,進(jìn)行稀釋處理,得到0.1,0.2,0.3,0.4,0.5和0.6 mg/mL不同質(zhì)量濃度的黃酮提取液。
1.3.6.1.2 DPPH溶液的制備
以95%乙醇溶液為溶劑配制濃度0.1 mmol/L的DPPH溶液。
1.3.6.1.3 VC對(duì)照品溶液的制備
精密稱取0.5 g維生素C,用無(wú)水乙醇溶解、定容,于100 mL棕色容量瓶中,得到質(zhì)量濃度5 mg/mL的陽(yáng)性對(duì)照品溶液,避光冷藏于4 ℃冰箱中。取2,4,6,8,10和12 mL,用乙醇定容于100 mL,稀釋配成0.1,0.2,0.3,0.4,0.5和0.6 mg/mL不同質(zhì)量濃度的對(duì)照品溶液[18-19]。
1.3.6.1.4 DPPH自由基清除能力的測(cè)定
依次精密移取DPPH溶液、乙醇各2 mL,置于10 mL試管中,振搖充分混合,30 min后于波長(zhǎng)517 nm處測(cè)定吸光度(Ac);精密移取乙醇、供試品溶液各2 mL,置于10 mL試管中,振搖充分混合,30 min后,于波長(zhǎng)517 nm處測(cè)定吸光度(Aj);依次精密移取DPPH溶液、供試品各2 mL于10 mL試管中,充分混合振搖,靜置30 min(室溫下),于波長(zhǎng)517 nm處測(cè)定吸光度(Ai)。平行測(cè)定3次以上,取平均值。按式(2)計(jì)算不同濃度紫色姜黃酮提取物對(duì)DPPH自由基清除率[18-19]。
式中:K為DPPH自由基的清除率,%;Ai為加試品、DPPH的吸光度;Aj為加試品的吸光度;Ac為加入乙醇、DPPH的吸光度。
1.3.6.2 紫色姜總黃酮羥基自由基清除能力測(cè)定
按1.3.3.1的優(yōu)化工藝進(jìn)行提取,得到提取液,進(jìn)行稀釋處理,得0.1 mg/mL黃酮溶液。取10個(gè)容量瓶(10 mL),分別加入0.1 mg/mL黃酮溶液與1,2,3,4,5,6,7,8,9和10 mL VC溶液,用乙醇溶液(65%)定容至10 mL,得到VC溶液和待測(cè)樣品。取相同比色管(10個(gè)),分別加入2 mL pH 7.4,0.2 mol/L磷酸緩沖液和0.3 mL 2.5 mmol/L鄰菲羅啉溶液,充分混勻。加入0.2 mL 7.5 mmol/L硫酸亞鐵溶液,立即混勻,向其中分別加入1.5 mL VC溶液或紫色姜樣品溶液,混勻,加入1 mL 1% H2O2。另做損傷管和未損傷管,其中損傷管中加入1% H2O2,未損傷管中不加1%H2O2,補(bǔ)充體積至8 mL,恒溫1 h(37 ℃水浴),用紫外分光光度計(jì)在波長(zhǎng)364.5 nm處測(cè)其吸光度。按式(3)計(jì)算清除率(%)。
式中:A2為樣品管的吸光度;A0為未損傷管的吸光度;A1為損傷管的吸光度。
2.1.1 超聲功率對(duì)紫色姜總黃酮提取率的影響
在溫度30 ℃、料液比1∶30 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)65%、超聲時(shí)間60 min條件下,研究超聲功率100,200,300,400和500 W時(shí)紫色姜總黃酮提取率,結(jié)果見圖1。
圖1 超聲功率對(duì)紫色姜黃酮提取率的影響
由圖1可知,在100~300 W功率范圍內(nèi),紫色姜總黃酮提取率隨著超聲功率的增加而增加,最高提取率為30.94 mg/g。隨著功率的進(jìn)一步增加,紫色姜總黃酮的提取率降低,在500 W時(shí)總黃酮提取率下降至25.92 mg/g。這種現(xiàn)象可能是因?yàn)樵谶m當(dāng)范圍內(nèi),提高功率,可以有效使細(xì)胞的內(nèi)容物加速流出,從而增大提取液中紫色姜總黃酮物質(zhì)流出。而超聲功率過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致空化泡的增長(zhǎng)過(guò)大,進(jìn)而降低空化作用和超聲波的傳播,減少能量的傳遞,這不利于提取的進(jìn)行。
2.1.2 超聲時(shí)間對(duì)紫色姜總黃酮提取率的影響
在溫度30 ℃、料液比1∶30 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)65%、超聲功率300 W條件下,研究超聲時(shí)間10,20,30,40,50,60,70和80 min時(shí)紫色姜總黃酮提取率,結(jié)果見圖2。
圖2 超聲時(shí)間對(duì)紫色姜黃酮提取率的影響
由圖2可知,在一定范圍內(nèi),紫色姜總黃酮提取率隨著時(shí)間的增加而增加,在60 min時(shí)紫色姜總黃酮提取功率最高(26.05 mg/g)。當(dāng)提取時(shí)間延長(zhǎng)至70 min時(shí)總黃酮提取率下降至25.12 mg/g。該現(xiàn)象可能是在一定范圍內(nèi)提取時(shí)間增加,有利于紫色姜總黃酮的溶出;但是隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng),超聲破壞了黃酮類成分的結(jié)構(gòu),且其他物質(zhì)溶出增加,使其得率下降。
2.1.3 料液比對(duì)紫色姜總黃酮提取率的影響
在溫度30 ℃、乙醇體積分?jǐn)?shù)65%、超聲功率300 W、超聲時(shí)間60 min條件下,研究料液比1∶10,1∶20,1∶30,1∶40和1∶50 g/mL時(shí)紫色姜總黃酮提取率,結(jié)果見圖3。
圖3 料液比對(duì)紫色姜黃酮提取率的影響
由圖3可知,在1∶10~1∶30 g/mL范圍內(nèi)紫色姜總黃酮提取率隨著料液比中液體占比的增加,最高為32.88 mg/g。當(dāng)料液比中液體占比進(jìn)步一增加時(shí),總黃酮提取率降低,在1∶50 g/mL時(shí)總黃酮提取率下降至28.05 mg/g,說(shuō)明料液比中液體占比的增加導(dǎo)致其他化合物的溶出度增加,使其提取率下降。
2.1.4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)紫色姜總黃酮提取率的影響
在溫度30 ℃、料液比1∶30 g/mL、超聲功率300 W、超聲時(shí)間60 min條件下,研究乙醇體積分?jǐn)?shù)55%,65%,75%,85%和95%時(shí)紫色姜總黃酮提取率,結(jié)果見圖4。
圖4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)紫色姜黃酮提取率的影響
由圖4 可知,紫色姜總黃酮提取率隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在65%時(shí)紫色姜總黃酮提取功率最高(32.89 mg/g),在95%時(shí)總黃酮提取率下降至24.38 mg/g。說(shuō)明乙醇體積分?jǐn)?shù)增高可能導(dǎo)致其他化合物的溶出度增加,使總黃酮得率下降。
2.2.1 模型的建立與方差分析
在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,以超聲功率、超聲時(shí)間、料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)為影響因素,以紫色姜總黃酮提取率為響應(yīng)值,采用Box-Behnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)模型試驗(yàn),以Design-Expert 10.0.3軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,確定紫色姜總黃酮的最優(yōu)提取工藝條件,響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2,方差分析與顯著性差異見表3。
表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及分析
表3 回歸方程方差分析
如表3所示,對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析。其中,顯著性檢驗(yàn)概率P小于0.05時(shí),認(rèn)為該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。F值檢驗(yàn)各變量,以評(píng)價(jià)對(duì)響應(yīng)值影響的顯著性的大?。籉值越大,則相應(yīng)變量的顯著程度越大。從表3可以看出,工藝條件對(duì)提取率影響大小順序?yàn)镈>A>B>C,即超聲功率>乙醇體積分?jǐn)?shù)>超聲時(shí)間>料液比。模型的決定系數(shù)R2為0.989 2,說(shuō)明模型具有較高顯著性,同時(shí)=0.978 5,能夠解釋試驗(yàn)97.85%的響應(yīng)值變異,且與預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)也接近,說(shuō)明試驗(yàn)?zāi)P团c真實(shí)數(shù)據(jù)有較好擬合度,可用該模型分析和預(yù)測(cè)提取率最佳的處理工藝。
應(yīng)用Design-Expert 10.0.3軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合,得到紫色姜總黃酮得率(Y)對(duì)乙醇體積分?jǐn)?shù)(A)、超聲時(shí)間(B)、料液比(C)、超聲功率(D)的二次多元回歸方程:Y=31.864+1.192 5A+0.8B-0.643 333C+1.689 17D+0.11AB+1.727 5AC-0.33AD+0.965BC+0.215BD+0.137 5CD-2.586 58A2-1.672 83B2-2.072 83C2-2.829 08D2。
不同工藝條件交互作用對(duì)提取率的影響見圖5~圖10。由圖5可知,乙醇體積分?jǐn)?shù)-超聲時(shí)間交互作用,對(duì)提取率的影響趨勢(shì)為一拋物曲面,乙醇體積分?jǐn)?shù)和超聲時(shí)間的增加使提取率呈先增后減變化趨勢(shì)。取適中條件,即乙醇體積分?jǐn)?shù)60%~70%、超聲時(shí)間60~65 min時(shí),可顯著提高產(chǎn)物提取率。由圖6可知,交互曲面縱向跨度較大,且等高線呈現(xiàn)顯著橢圓形,表明乙醇體積分?jǐn)?shù)和料液比交互作用對(duì)提取率影響顯著。乙醇體積分?jǐn)?shù)和料液比的增加使提取率結(jié)果呈先增后減變化趨勢(shì)。僅考慮二者影響下,提取率優(yōu)化工藝條件集中于乙醇體積分?jǐn)?shù)60%~70%、料液比1∶25~1∶35 g/mL水平區(qū)間組合。如圖7所示,乙醇體積分?jǐn)?shù)和超聲功率增加使提取率均呈先增后減變化。其中,提取率隨超聲功率的變化趨勢(shì)更加顯著,表明超聲功率對(duì)提取率的影響較乙醇體積分?jǐn)?shù)影響顯著。乙醇體積分?jǐn)?shù)65%~70%、超聲功率300~350 W水平范圍取值時(shí),為二者交互影響下提取率的優(yōu)化工藝。由圖8可知:超聲時(shí)間小于60 min時(shí),提取率與超聲時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系;超聲時(shí)間大于60 min時(shí),其關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)折,在超聲時(shí)間60 min附近取值時(shí),為提取率的臨界最佳工藝參數(shù)。同理,提取率隨料液比變化,其在1∶30 g/mL附近取值時(shí),為臨界最佳參數(shù)。如圖9所示,超聲功率和超聲時(shí)間交互作用中,超聲功率對(duì)提取率的貢獻(xiàn)更大,是提取率的敏感影響因子。取超聲功率300~350 W、超聲時(shí)間水平60~65 min條件,利于促進(jìn)產(chǎn)物提取率提升。如圖10所示,提取率被超聲功率的影響,較料液比影響更加顯著,引起先增后減小的較大幅度曲面變化,取料液比1∶25~1∶30 g/mL、超聲功率300~400 W水平附近值,可顯著提高提取率水平。根據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析各影響因素,得出最佳提取工藝條件:超聲功率330 W、超聲時(shí)間63 min、料液比1∶30 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)67%。
圖5 超聲時(shí)間與乙醇體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面及等高線圖
圖6 料液比與乙醇體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面及等高線圖
圖7 超聲功率與乙醇體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面及等高線圖
圖8 超聲時(shí)間與料液比的響應(yīng)曲面及等高線圖
圖9 超聲時(shí)間與超聲功率的響應(yīng)曲面及等高線圖
圖10 料液比與超聲功率的響應(yīng)曲面及等高線圖
圖11 最佳超聲提取工藝條件試驗(yàn)驗(yàn)證圖
2.2.2 最佳超聲提取工藝條件試驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證擬合的回歸方程是否能指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn),進(jìn)行3次平行試驗(yàn),取平均值,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件,調(diào)整最佳工藝參數(shù):超聲功率330 W、超聲時(shí)間63 min、料液比1∶30 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)67%,在此條件下,紫色姜總黃酮平均提取率為33.20 mg/g,與理論值相似,而且重復(fù)性較好。
2.2.3 抗氧化性研究
紫色姜總黃酮表現(xiàn)出的DPPH清除活性隨著濃度的增加而增加[18-19]。從圖12可以看出,質(zhì)量濃度范圍在0.1~0.6 mg/mL時(shí),紫色姜總黃酮最大清除活性為46.33%。從圖13可以看出,隨著提取物濃度的升高,其對(duì)·OH自由基的清除率逐漸升高,具有濃度依賴性。此外,隨著濃度的增加,紫色姜總黃酮質(zhì)量濃度0.6 mg/mL時(shí)抑制率最高到54.20%。
圖12 DPPH自由基清除試驗(yàn)
圖13 羥基自由基試驗(yàn)
試驗(yàn)選擇2種抗氧化活性評(píng)價(jià)方法,均表現(xiàn)出紫色姜總黃酮和VC的體外抗氧化能力,且抗氧化活性與紫色姜總黃酮濃度的增加密切相關(guān)。
以紫色姜總黃酮為試驗(yàn)對(duì)象,單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ),通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化法,優(yōu)化輔助紫色姜總黃酮的提取工藝,考察超聲功率、超聲時(shí)間、料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)紫色姜總黃酮得率的影響。結(jié)果顯示:響應(yīng)面分析的二次模型,擬合程度較高,影響紫色姜總黃酮得率的因素主次順序是超聲功率>乙醇體積分?jǐn)?shù)>超聲時(shí)間>料液比;提取的最佳工藝為超聲功率330 W、超聲時(shí)間63 min、料液比1∶30 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)67%,紫色姜總黃酮提取率為33.20%,與理論值相差不大。采用·OH自由基和DPPH·清除試驗(yàn)對(duì)紫色姜總黃酮抗氧化活性進(jìn)行體外抗氧化評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,紫色姜總黃酮對(duì)不同自由基的清除能力不同,在質(zhì)量濃度范圍(0.1~0.6 mg/mL)內(nèi),紫色姜總黃酮均呈現(xiàn)劑量依賴的關(guān)系。雖然在·OH自由基和DPPH· 自由基清除試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)抗氧化活性均較VC弱,但在一定范圍下,紫色姜總黃酮在抗羥自由基試驗(yàn)中顯示出較好的抗氧化性,說(shuō)明其具有抑制自由基生成的作用,可作為自由基清除型抗氧劑應(yīng)用。