徐春燕,張 娜,韓愛榮,管翠萍(寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,西部特色生物資源保護(hù)與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏銀川750021)
甘草渣黃酮回流提取的工藝優(yōu)化及預(yù)處理方法研究
徐春燕,張娜,韓愛榮,管翠萍
(寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,西部特色生物資源保護(hù)與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏銀川750021)
通過單因素實(shí)驗(yàn)考察了乙醇濃度、溫度、時(shí)間、固液比對(duì)甘草渣中黃酮提取的影響,在此基礎(chǔ)上采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)L9(34)優(yōu)化黃酮提取工藝,獲得了乙醇回流提取甘草渣中黃酮的最佳條件為:乙醇濃度80%、溫度80℃、時(shí)間105min、固液比1∶20(g/mL),最佳條件下黃酮得率為37.387mg/g。進(jìn)一步采用酶法和微生物法分別對(duì)甘草渣進(jìn)行預(yù)處理,結(jié)果表明,酶法預(yù)處理能顯著提高黃酮得率,纖維素酶與木聚糖酶協(xié)同作用效果最佳;黃孢原毛平革菌處理12d的黃酮得率最高,達(dá)45.38mg/g。微生物預(yù)處理不但顯著提高黃酮得率,而且顯著(p<0.05)降低了乙醇濃度和提取溫度,縮短了提取時(shí)間。此研究對(duì)于甘草渣的綜合開發(fā)和利用具有重要的參考價(jià)值。
甘草渣,總黃酮,正交實(shí)驗(yàn),酶法預(yù)處理,微生物預(yù)處理
甘草為多年生豆科草本植物,是一種重要的中草藥,其化學(xué)成分十分復(fù)雜,其中主要成分為甘草酸和甘草苷[1-2]。有效成分提取是甘草資源開發(fā)利用的重要方向,在提取甘草酸等有效成分后剩余大量殘?jiān)?,多以垃圾倒掉,造成環(huán)境污染的同時(shí)也引起了寶貴資源的浪費(fèi)。有研究表明甘草渣營(yíng)養(yǎng)豐富,可用于栽培食用菌[3]、提取黃酮類化合物[4]等,來自于甘草廢渣的有效成分價(jià)值甚至高于甘草中的有效成分[5]。因此,將甘草渣變廢為寶的綜合利用技術(shù)是解決甘草資源有效利用的關(guān)鍵點(diǎn)之一。
甘草渣中含有的黃酮類化合物因具有抗腫瘤等多種功效而存在巨大的藥用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值[4-6],因此,從甘草渣中提取黃酮類化合物將顯著提高甘草資源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但是,甘草渣中大部分黃酮類化合物存在于細(xì)胞壁內(nèi),細(xì)胞壁對(duì)黃酮類化合物起到天然屏障作用,傳統(tǒng)的溶劑提取效率較低[7],在提取前增加預(yù)處理工藝將促進(jìn)黃酮類化合物溶出,從而提高黃酮得率。酶法和微生物法預(yù)處理特異性強(qiáng),處理?xiàng)l件溫和、污染?。?-9],近幾年很受重視。本文以甘草渣為原料,通過正交實(shí)驗(yàn)獲得黃酮類化合物的最佳乙醇回流提取工藝,在此基礎(chǔ)上分別采用三株白腐真菌和三種酶預(yù)處理甘草渣,比較微生物與酶法預(yù)處理對(duì)甘草渣黃酮得率的影響,為甘草渣綜合利用提供實(shí)踐基礎(chǔ)。
1.1材料與儀器
甘草渣來自于寧夏平羅縣樂夏甘草制品有限責(zé)任公司,為提取生產(chǎn)甘草浸膏后的廢棄物,經(jīng)粉碎后過篩分級(jí),選取粒度小于0.9mm的部分作為實(shí)驗(yàn)材料,存放于干燥器內(nèi)備用;黃孢原毛平革菌來自美國(guó)模式培養(yǎng)物集存庫(kù),編號(hào)PC;BBEL0901和BBEL0970分離自美國(guó)奧林匹克國(guó)家公園,由本實(shí)驗(yàn)室保存,經(jīng)分子鑒定分別為膠質(zhì)射脈革菌和雜色云芝,其ITS序列的Genbank登錄號(hào)分別為KM819088和KM819087;纖維素酶和木聚糖酶由寧夏夏盛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司惠贈(zèng),經(jīng)測(cè)定纖維素酶活性約為64FPU/g,木聚糖酶活性約為200U/g;漆酶粗酶液為本實(shí)驗(yàn)室所制備,由BBEL0901液體發(fā)酵液離心所得,漆酶活性為235U/mL;培養(yǎng)基為PDA培養(yǎng)基、PDB培養(yǎng)基和甘草渣培養(yǎng)基甘草渣10g,營(yíng)養(yǎng)液[10]15mL。
U-T6型紫外可見分光光度計(jì)北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;AL204型分析天平梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;H1850型高速離心機(jī)湘儀離心機(jī)儀器有限公司;LRH-250型生化培養(yǎng)箱上海一恒儀器有限公司;HH-3A型數(shù)顯恒溫水浴鍋金壇市精達(dá)儀器制造廠;QHZ-12B型組合式全溫振蕩培養(yǎng)箱太倉(cāng)市華美生化儀器廠;SW-CJ-1F型潔凈工作臺(tái)蘇凈集團(tuán)安泰公司;回流提取裝置。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1單因素實(shí)驗(yàn)選用乙醇回流法提取甘草渣中的黃酮,以提取溫度、固液比、提取時(shí)間、乙醇濃度為單因素,通過實(shí)驗(yàn)確定每種因素中較優(yōu)的水平,提取結(jié)束后冷卻提取液至室溫,過濾除去濾渣,測(cè)定提取液中黃酮含量。每個(gè)樣品做3個(gè)平行樣,結(jié)果取其平均值。
1.2.1.1溫度固定乙醇濃度為80%,固液比為1∶40(g/mL),提取時(shí)間為90min,設(shè)置提取溫度分別為55、65、75、85、95℃。
1.2.1.2提取時(shí)間固定乙醇濃度為80%,固液比為1∶40(g/mL),提取溫度為75℃,設(shè)置提取時(shí)間分別為30、45、60、90、120、150min。
1.2.1.3乙醇濃度固定提取溫度為75℃,提取時(shí)間為90min,固液比為1∶40(g/mL),設(shè)置乙醇濃度分別為50%、60%、70%、80%、90%。
1.2.1.4固液比固定乙醇濃度為80%,提取溫度為75℃,提取時(shí)間為90min,設(shè)置固液比(g/mL)分別為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50。
1.2.2正交實(shí)驗(yàn)為了同時(shí)考察各因素對(duì)甘草渣黃酮提取的影響,在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取四因素的合適水平設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)提取黃酮,并采用極差分析法對(duì)草渣黃酮提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。正交實(shí)驗(yàn)的因素和水平見表1。
表1 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)的因素水平表Table 1 Factors and levels in the L9(34)orthogonal design
1.2.3甘草渣的酶法預(yù)處理分別采用漆酶、纖維素酶、半纖維素酶等以1∶40(g/mL)的甘草渣-酶液比于45℃處理甘草渣樣品,處理后離心,固體殘?jiān)?0℃條件下烘48h稱重,采用1.2.2正交實(shí)驗(yàn)所獲得的最佳工藝提取黃酮并計(jì)算其得率。實(shí)驗(yàn)分組為:對(duì)照組,pH4.8的醋酸-醋酸鈉液(50mmol/L)處理24h;L組:漆酶粗酶液處理24h;C組:2.5%纖維素酶液處理24h;CX組:纖維素酶和木聚糖酶混合酶液處理24h,其配制方法為:向pH4.8的醋酸-醋酸鈉液(50mmmol/L)中添加2.5%纖維素酶和2.5%木聚糖酶;LCX同步組:漆酶、纖維素酶、木聚糖酶混合酶液處理24h,其配制方法為:向漆酶粗酶液(漆酶活性為235U/mL)中添加2.5%纖維素酶和2.5%木聚糖酶;LCX分步組:先用漆酶粗酶液處理24h,離心棄上清,再用纖維素酶和木聚糖酶混合酶液處理離心后的固體殘?jiān)?4h,纖維素酶和木聚糖酶混合酶液配制方法為:向pH4.8的醋酸-醋酸鈉液(50mmmol/L)中添加2.5%纖維素酶和2.5%木聚糖酶。
SPF級(jí)SD大鼠(遠(yuǎn)交群),7~8周齡,購(gòu)自北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生產(chǎn)許可證號(hào)SCXK(京)2012‐0001,動(dòng)物質(zhì)量合格證編號(hào)11400700179271、11400700161162、37009200004448、37009200004448、11400700202471。
1.2.4甘草渣的微生物預(yù)處理將三株白腐真菌菌種接入PDA培養(yǎng)基中于28℃活化后挑取菌塊,接種于PDB液體培養(yǎng)基中28℃、150r/min培養(yǎng)5~7d制種。分別接9mL液體菌種至甘草渣培養(yǎng)基,于28℃進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,待菌絲充滿固體基質(zhì)后提取第一批發(fā)酵樣品,之后定期取樣5批次。其中PC和BBEL0970的發(fā)酵周期24d,每4d取樣一次;BBEL0901的發(fā)酵周期為32d,每4~7d取樣一次。取樣后于80℃下烘48h后稱重,采用1.2.2正交實(shí)驗(yàn)所獲得的最佳工藝提取黃酮。
1.2.5微生物預(yù)處理對(duì)黃酮提取條件的影響以PC處理12d的甘草渣樣品為材料,在正交實(shí)驗(yàn)得到的最佳工藝基礎(chǔ)上,按照弱化提取條件的原則分別將溫度、乙醇濃度和提取時(shí)間降低一個(gè)水平,設(shè)計(jì)A~D 4種不同條件提取黃酮,通過對(duì)比不同提取條件下的黃酮得率來研究微生物預(yù)處理對(duì)黃酮提取條件的影響。A為正交設(shè)計(jì)得到的最佳工藝,B將最佳工藝中的提取時(shí)間縮短為90min,C將最佳工藝中的乙醇濃度降低至75%,D將最佳工藝中的提取溫度降低至70℃。
1.3測(cè)定方法
1.3.1黃酮含量的測(cè)定以0.4mg/mL蘆丁為標(biāo)準(zhǔn)溶液,分別移取標(biāo)準(zhǔn)溶液0、0.2、0.5、1、2、2.5、3、4、5mL,分別以蒸餾水補(bǔ)足5mL,加5%亞硝酸鈉溶液0.5mL,搖勻、靜置6min,加入10%硝酸鋁溶液0.5mL,搖勻、靜止6min,再加4%氫氧化鈉溶液4mL,搖勻、靜置15min,510nm處測(cè)吸光值,以吸光值為橫坐標(biāo),以標(biāo)準(zhǔn)品濃度為橫坐標(biāo)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。所得回歸方程為y=0.3896x+0.0015(x:OD510nm,y:待測(cè)液濃度,單位mg/mL),相關(guān)系數(shù)R2=0.9992。按上述方法測(cè)定待測(cè)液在510nm處吸光值,通過蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算黃酮含量。
1.3.2黃酮提取得率的計(jì)算根據(jù)各提取液中的黃酮含量計(jì)算各樣品的黃酮提取得率,公式為:黃酮得率(mg/g)=(V×C)/W,其中C為提取液中黃酮含量(mg/mL),V為提取液總體積(mL),W為甘草渣質(zhì)量(g)。
1.4數(shù)據(jù)處理
采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(M±SE)表示,采用Origin 8.6軟件進(jìn)行作圖,對(duì)各組結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)Duncan檢驗(yàn)比較差異,以不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。
圖1 溫度對(duì)黃酮提取得率的影響Fig.1 Effect of temperature on the extraction yield of total flavonoids
2.1.1溫度對(duì)黃酮提取得率的影響由圖1可知,黃酮得率隨著提取溫度升高呈上升趨勢(shì),這是由于溫度升高有利于樣品中黃酮類化合物擴(kuò)散到溶劑中。但是,提取溫度為95℃時(shí)黃酮的得率不升反降,這可能是因?yàn)辄S酮類化合物化學(xué)穩(wěn)定性較差,高溫下黃酮成分損失較大[8-9]。方差分析表明75℃與85℃下的黃酮得率無顯著性差異(p=0.584>α=0.05),從減少能耗方面考慮,選擇75℃為乙醇回流提取甘草渣黃酮的最佳溫度,得率為34.039mg/g。
圖2 提取時(shí)間對(duì)黃酮提取得率的影響Fig.2 Effect of extraction time on the extraction yield of total flavonoids
2.1.2提取時(shí)間對(duì)黃酮提取得率的影響由圖2可以看出,隨著提取時(shí)間延長(zhǎng),黃酮得率增加,但提取時(shí)間超過120min時(shí),黃酮得率反而有所下降。這可能是因?yàn)檠娱L(zhǎng)提取時(shí)間有利于黃酮類化合物徹底擴(kuò)散至提取溶劑中,但另一方面由于黃酮類化合物較低的穩(wěn)定性[8-9],提取時(shí)間過長(zhǎng)使得黃酮提取得率降低。方差分析表明提取90min與120min的黃酮得率差異不顯著,從縮短提取時(shí)間、減少能耗方面考慮,確定90min為乙醇回流提取甘草渣黃酮的最佳時(shí)間,此時(shí),黃酮得率為35.177mg/g。
圖3 乙醇濃度對(duì)黃酮提取得率的影響Fig.3 Effect of ethanol concentration on the extraction yield of total flavonoids
2.1.3乙醇濃度對(duì)黃酮提取得率的影響從圖3可知,隨著乙醇濃度增加,黃酮的提取得率顯著升高,但當(dāng)乙醇濃度達(dá)到90%時(shí),黃酮得率反而下降。這是因?yàn)橛袡C(jī)溶劑的增加有利于樣品中黃酮類化合物的釋放,但乙醇濃度過高使得提取液沸點(diǎn)越低,在提取過程中揮發(fā)的也越快,對(duì)提取得率不利。因此,選擇80%乙醇為回流提取甘草渣黃酮的最佳溶劑濃度,此溶劑溶度下黃酮得率為34.441mg/g。
圖4 固液比對(duì)黃酮提取得率的影響Fig.4 Effect of solid-liquid ratio on the extraction yield of total flavonoids
2.1.4固液比對(duì)黃酮提取得率的影響由圖4可知,固液比從1∶10(g/mL)提高到1∶20(g/mL)時(shí),黃酮得率顯著提高,從21.763mg/g提高至34.039mg/g,提高了56.4%。而當(dāng)固液比從1∶20(g/mL)繼續(xù)增加到1∶50(g/mL)時(shí),黃酮得率基本維持不變,說明繼續(xù)增加固液比對(duì)黃酮的提取無影響,因此提取的最佳固液比為1∶20(g/mL)。
表2 正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與直觀分析表Table 2 Results and analysis of the orthogonal design
2.2正交實(shí)驗(yàn)
根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選擇4個(gè)影響因素的3個(gè)水平設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)L9(34)優(yōu)化甘草渣中黃酮乙醇回流提取的工藝,考察指標(biāo)為黃酮得率,正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析見表2,方差分析見表3。
表3 正交實(shí)驗(yàn)的方差分析表Table 3 Variance analysis of the orthogonal design
從表2和表3可知,各單因素對(duì)甘草渣中黃酮提取得率的影響程度依次是C>A>B>D,即四因素中乙醇濃度對(duì)黃酮得率的影響最顯著,其次為溫度、固液比、提取時(shí)間。從方差分析表3可知,乙醇濃度和溫度對(duì)黃酮得率具有顯著意義,固液比和提取時(shí)間對(duì)黃酮得率具有一般意義。根據(jù)表2中的最優(yōu)水平確定甘草渣中黃酮提取的最優(yōu)工藝組合為A3B2C2D3,即溫度80℃,固液比1∶20(g/mL),乙醇濃度80%,提取時(shí)間105min。
以上述最佳工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,最優(yōu)工藝下黃酮提取得率為37.387mg/g,RSD=1.8%(n=3),說明該工藝條件為最佳選擇,工藝穩(wěn)定可行。
2.3酶法預(yù)處理對(duì)黃酮得率的影響
酶法預(yù)處理對(duì)甘草渣黃酮得率的影響如圖5所示,與對(duì)照組相比,除LCX同步組外,其他幾組酶法預(yù)處理均能有效提高甘草渣中黃酮得率,提高幅度介于27.7%~56.6%之間。CX組即纖維素酶與木聚糖酶協(xié)同作用的效果最佳,黃酮提取得率達(dá)27.1mg/g,比對(duì)照組提高了56.6%,說明纖維素酶與半纖維素酶復(fù)合處理有利于促進(jìn)甘草渣中黃酮的提取。但是,酶法預(yù)處理中,甘草渣因在酶液中浸泡24h,使水溶性黃酮轉(zhuǎn)移到上清液中被棄去[11],因此黃酮提取得率整體比原料降低。纖維素酶單獨(dú)處理甘草渣后黃酮得率與漆酶單獨(dú)處理的效果相當(dāng),將漆酶、纖維素酶和半纖維素酶分步處理甘草渣(LCX分步組)沒有進(jìn)一步提高黃酮得率,而LCX同步組與對(duì)照沒有顯著性差異可能是由于木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的不可逆失活使纖維素酶活性降低[12-13]。此外,雖然漆酶常被用于中藥材中有效成分的提取,但是漆酶在介體的作用下會(huì)形成活性高且有一定穩(wěn)定性的中間體,導(dǎo)致黃酮類化合物降解[14]。
圖5 酶法預(yù)處理對(duì)甘草渣黃酮提取得率的影響Fig.5 Effect of enzymatic pretreatment on the extraction yield of total flavonoids
2.4微生物預(yù)處理對(duì)黃酮得率的影響
微生物預(yù)處理對(duì)甘草渣黃酮得率的影響如圖6所示,BBEL0901和BBEL0970處理甘草渣不同時(shí)間均使其黃酮提取得率大幅度降低,PC處理使黃酮得率顯著升高,其中PC處理12d使黃酮提取得率提高最多,比原料提高了21.4%,達(dá)45.38mg/g(相當(dāng)于含量為4.54%),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于李艷賓等所報(bào)道1.18%的含量[15]。BBEL0901和BBEL0970分別屬于木質(zhì)素選擇性降解菌和同步降解菌,兩者都具有較強(qiáng)的漆酶產(chǎn)生能力,PC是模式真菌,不產(chǎn)漆酶,主要通過分泌木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶和乙二醛氧化酶降解木質(zhì)素[16],推測(cè)通過固體發(fā)酵形式進(jìn)行的微生物預(yù)處理過程中,由于漆酶形成的高活性中間體對(duì)黃酮類化合物的降解作用較大,掩蓋了白腐真菌破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)對(duì)黃酮溶出形成的促進(jìn)作用,綜合導(dǎo)致產(chǎn)漆酶白腐真菌預(yù)處理后黃酮提取效果下降。
2.5微生物預(yù)處理對(duì)黃酮提取條件的影響
進(jìn)一步對(duì)PC處理12d樣品的提取條件進(jìn)行研究,結(jié)果如圖7所示。由圖7可見,在4種條件下提取PC處理12d甘草渣樣品的黃酮得率無顯著性差異,且顯著高于未經(jīng)處理的原料,說明白腐真菌PC處理甘草渣不但能夠顯著提高黃酮得率,而且能夠降低乙醇濃度和提取溫度,縮短提取時(shí)間。此外,PC是白腐真菌研究中常用的模式菌,在菌絲生長(zhǎng)階段能夠產(chǎn)生粉孢子,有利于實(shí)現(xiàn)微生物預(yù)處理縮短黃酮提取時(shí)間的工業(yè)化應(yīng)用。
圖6 微生物預(yù)處理不同時(shí)間的甘草渣中黃酮提取得率Fig.6 Effect of microbial pretreatment on the extraction yield of total flavonoids
圖7 不同提取條件下PC處理12d樣品的黃酮得率Fig.7 The extraction yield of total flavonoids of the 12d pretreated sample by PC under different extraction condition
在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)L9(34)優(yōu)化黃酮提取工藝,獲得了乙醇回流提取甘草渣中黃酮的最佳條件:乙醇濃度80%,溫度80℃,固液比1∶20(g/mL),時(shí)間105min,此條件下黃酮得率為37.387mg/g。在此基礎(chǔ)上,分別采用酶法和微生物法對(duì)甘草渣進(jìn)行預(yù)處理,發(fā)現(xiàn)酶法預(yù)處理能顯著提高黃酮提取得率,纖維素酶與木聚糖酶協(xié)同作用效果最佳;黃孢原毛平革菌處理12d的黃酮提取得率最高,達(dá)45.38mg/g。黃孢原毛平革菌不但顯著提高黃酮得率,而且顯著降低了乙醇濃度和提取溫度,縮短了提取時(shí)間。
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Study on pretreatments and optimization on reflux extraction of total flavonoids from glycyrrhiza residue
XU Chun-yan,ZHANG Na,HAN Ai-rong,GUAN Cui-ping
(Key Laboratory of Ministry of Education for Protection and Utilization of Special Biological Resources in Western China,School of Life Sciences,Ningxia University,Yinchuan 750021,China)
The effects of extracting temperature,extracting time,ethanol concentration and solid-liquid ratio on extraction yield of total flavonoids from glycyrrhiza residue were investigated by single factor experiments. Based on single factor experiments,optimum parameters for extraction were selected with a L9(34)form by orthogonal experiment design.Results showed that the optimized extraction conditions were as follows:80%(V/V)ethanol,80℃,1∶20(g/mL)solid-liquid ratio,and 105min extraction time,under which the maximum extraction yield of total flavonoids was 37.387mg/g.Enzymatic pretreatment and microbial pretreatment of glycyrrhiza residue were further performed,respectively.Results indicated the extraction yield of total flavonoids was indeed enhanced by enzymatic pretreatments,among which the pretreatment with the combination of celluluase and xylanase gave the best effect.For biological pretreatments,the extraction yield of total flavonoids was the highest after pretreatment by Phanerochaete chrysosporium for 12 days,reaching 45.38mg/g.Moreover,comparison of all the pretreatments revealed that microbial pretreatment not only enhanced the extraction yield of total flavonoids significantly,but also decreased the ethanol concentration,extracting temperature and time. The research had significant reference value for comprehensive development and utilization of glycyrrhiza residue. Key words:glycyrrhiza residue;total flavonoids;orthogonal experiment design;enzymatic pretreatment;microbial pretreatment
TS201.1
A
1002-0306(2015)02-0222-05
10.13386/j.issn1002-0306.2015.02.039
2014-08-18
徐春燕(1981-),女,博士研究生,研究方向:微生物生物技術(shù)。
寧夏自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NZ12128)。