茯神揮發(fā)性成分及其生物活性研究

王軍民，張加研，雷福厚，陳 凱，嚴(yán) 毅

1西南林業(yè)大學(xué) 西南山地森林資源保育與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2西南林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，昆明 650224；3廣西民族大學(xué) 廣西林產(chǎn)化學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530006；4昆明市海口林場(chǎng)，昆明 650114

茯苓為多孔菌科真菌茯苓Poriacocos(Schw.)Wolf 的干燥菌核，是我國傳統(tǒng)常用中藥材[1]。茯神為茯苓塊中穿有堅(jiān)實(shí)細(xì)松根者，長寬4～5 cm，厚4～6 mm，松根直徑不超過1.5 cm，邊緣苓塊可不成方形。茯苓中間生長的松木如為彎曲的松根，似朽木狀，質(zhì)松體輕，每根直徑不超過2.5 cm[2]?；瘜W(xué)合成抗真菌藥物活性較好，但多數(shù)藥物存在毒副作用大、抗菌譜窄、易產(chǎn)生耐藥性等問題[3]，因此尋找一種安全可靠的生物農(nóng)藥就顯得至關(guān)重要。與化學(xué)合成抗菌劑相比，用植物資源或其提取物制成的抗菌劑具有安全，環(huán)境友好，對(duì)人、動(dòng)物等非靶標(biāo)生物無害或毒性較小等優(yōu)點(diǎn)[4]。中藥揮發(fā)油一般具有很好的抗菌活性[5]，同時(shí)茯苓在松樹上的生長具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，松樹不易被其它常見真菌感染，故推測(cè)松樹被茯苓代謝后的揮發(fā)性成分對(duì)其它真菌可能具有拮抗作用?，F(xiàn)代學(xué)者對(duì)茯神化學(xué)成分及生物活性進(jìn)行了大量的研究[6-8]，但茯神中揮發(fā)性成分的構(gòu)成和抗菌活性研究未見報(bào)道。本研究以茯神為研究對(duì)象，優(yōu)化二氧化碳超臨界最佳提取工藝提取茯神揮發(fā)性成分，并對(duì)揮發(fā)性成分進(jìn)行主成分分析，作用于5種常見真菌，研究揮發(fā)性成分對(duì)真菌的生物活性，旨在從茯神中探尋得到一種潛在的生物農(nóng)藥，為開發(fā)和探明茯神新的利用方向奠定基礎(chǔ)。

1 儀器和材料

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

茯神采于云南省臨滄市雙江拉祜族佤族布朗族傣族自治縣茯苓種植基地，粉碎后過24目篩備用，茯苓母種為中科院5.78原種。五種真菌分別為腐皮鐮孢Fusariumsolani(CGMCC 3.2889)，禾谷鐮孢Fusariumgraminearum(CGMCC 3.4733)，尖孢鐮孢Fusariumoxysporum(CGMCC 3.3633)，蕓苔鏈格孢Alternariabrassicicola(CGMCC 3.7805)，采絨革蓋菌Coriolusversicolor(CFCC 5336)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

二氧化碳超臨界設(shè)備(美國ASI)；Agilent 7890A-5975B型氣質(zhì)聯(lián)用儀(美國Agilent公司);SQP型萬分之一電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司);高壓滅菌鍋(上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠);超凈工作臺(tái)；移液槍、;恒溫培養(yǎng)箱。容量瓶、注射器、0.22 μm無菌濾頭、樣品瓶、1 mL移液槍槍頭、10 mL量筒、250 mL錐形瓶、培養(yǎng)皿、5 mm打孔器、無水乙醚、二甲基亞砜為分析純(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 超臨界提取揮發(fā)油

每次稱取50 g粉碎后樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采取了單因素控制變量的實(shí)驗(yàn)方式，分別從提取壓力、溫度、二氧化碳的單位時(shí)間流量和提取時(shí)間4 個(gè)方面進(jìn)行相應(yīng)的研究實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因提取時(shí)間對(duì)提取率的影響關(guān)系較小排除時(shí)間因素的影響， 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇壓力、溫度、二氧化碳的單位時(shí)間流量(下文簡稱流量)共3個(gè)因素為研究對(duì)象，按照3因素3 水平進(jìn)行Box-Behnken 中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，因素與水平編碼如表1 所示。

表1 因素與水平編碼

2.2 揮發(fā)油主成分分析

GC條件：HP-5MS石英毛細(xì)管柱(30 mm×0.25 mm×0.25 μm)；柱溫：80～240 ℃，程序升溫3 ℃/min；柱流量1.0 mL/min；進(jìn)樣口溫度250 ℃；柱前壓100 kPa；進(jìn)樣量0.3 μL；分流比10∶1；載氣為高純氦氣。MS條件：電離方式EI；質(zhì)量范圍：35～500；采用NIST14質(zhì)譜庫檢索計(jì)算機(jī)定性。

2.3 生物活性研究

精確稱取樣品100 mg，用2%DMSO定容至25 mL，配制為濃度為4 mg/mL的母液，采用梯度稀釋法配制濃度分別為0.2、0.4、0.8、1.2、1.6 mg/mL的待測(cè)樣液，透過0.22 μm微孔過濾器除菌備用。配制1 L PDA培養(yǎng)基121 ℃滅菌22 min。凝固前轉(zhuǎn)移至超凈工作臺(tái)中分裝至90 mL，冷卻至40 ℃時(shí)與10 mL待測(cè)樣液混勻，配制得到含揮發(fā)油濃度分別為0.02、0.04、0.08、0.12、0.16 mg/mL的培養(yǎng)基注入無菌培養(yǎng)皿(9 cm直徑)。每個(gè)培養(yǎng)皿中包含10 mL PDA培養(yǎng)基，標(biāo)記后冷卻凝固備用。溶劑對(duì)照采用不加樣品的2% DMSO溶液，空白對(duì)照為不加任何樣品和溶液的PDA培養(yǎng)基。

病原真菌的接種與培養(yǎng)：在已活化好的病原真菌菌落上用滅菌后的5 mm打孔器打取菌餅，后轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)皿中心位置，標(biāo)記后放入培養(yǎng)箱培養(yǎng)3～10天。所有病原真菌應(yīng)在同一天內(nèi)接種完畢。

生長速率計(jì)算：培養(yǎng)至第2、4、6、8、10天時(shí)，用十字交叉法測(cè)量病原真菌的菌落生長直徑，并記錄數(shù)據(jù)。抑制率按照如下公式計(jì)算[9]。

IR(%)={Do-[Ds-(Do-Dn)]}×100%/Do

IR:抑制率；Do空白對(duì)照組菌落直徑；Ds：處理組菌落直徑；Dn：溶劑對(duì)照組菌落直徑。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 超臨界提取揮發(fā)油

3.1.1 單因素考察

提取壓力考察：固定提取溫度為50 ℃，流量為12 L/min，提取壓力分別為10、15、20、25、30 MPa時(shí)，揮發(fā)油提取率分別為0.41、0.53、0.691、1.13、1.14 mg/g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提取壓力在25 MPa以上時(shí)揮發(fā)油的提取率變化趨于平緩，考慮能耗和安全問題初步確定最佳提取壓力為25 MPa。

提取溫度考察：固定提取壓力為25 MPa，流量為12 L/min，提取溫度分別為40、45、50、55、60 ℃時(shí)，揮發(fā)油提取率分別為1.19、1.25、1.5、1.59、1.54 mg/g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提取溫度在55 ℃時(shí)揮發(fā)油的提取率最高，故初步確定最佳提取溫度為55 ℃。

提取流量考察：固定提取壓力為25 MPa，溫度為50 ℃，提取流量分別為6、8、10、12、14 L/min時(shí)，揮發(fā)油提取率分別為1.02、0.98、1.25、1.25、1.19 mg/g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提取流量在10 L/min時(shí)趨于平緩，當(dāng)流量逐漸增大為14 L/min時(shí)因分離部分不能及時(shí)分離導(dǎo)致部分揮發(fā)油可能隨氣體流失使提取率反而降低。故初步確定最佳提取流量為10 L/min。

3.1.2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果與分析

響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)及結(jié)果分析利用Design-Expert 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。利用Design-Expert 8.0.6 軟件對(duì)表2 中的提取得率數(shù)值以及3個(gè)因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了每個(gè)因子的顯著性，結(jié)果如表3 所示，并得到了揮發(fā)油提取率(Y)對(duì)自變量提取壓力(A)、提取溫度(B)、提取流量(C)的多元二次回歸方程為：提取率(Y)=1.61+ 0.13A+ 0.059B+ 0.11C+ 0.01AB+ 0.038AC-0.023BC-0.16A2-0.14B2-0.18C2由表3 的方差分析結(jié)果可知，從表3 方差分析結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)中選用的模型差異極顯著(P<0.000 1)，表明該2 次方程比較顯著；失擬項(xiàng)0.192 1>0.05，表明失擬不顯著對(duì)試驗(yàn)擬合程度良好，試驗(yàn)誤差較小，可以用該模型對(duì)不同條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。利用Design-Expert 8.0.6 軟件對(duì)所得到的回歸模型進(jìn)行了響應(yīng)面分析，并對(duì)回歸方程的最值求解，得到了模型極值點(diǎn)，即提取壓力、提取溫度、提取流速分別為27.26 MPa、55.97 ℃、10.68 L/min 時(shí)，響應(yīng)值Y 值達(dá)到最大，在此工藝下?lián)]發(fā)油提取率預(yù)測(cè)值為1.66 mg/g，見圖1。受儀器參數(shù)限制，設(shè)置取壓力27 MPa、提取溫度56 ℃、提取流速10 L/min時(shí)對(duì)最優(yōu)工藝進(jìn)行驗(yàn)證，提取率實(shí)際測(cè)定值分別為1.61、1.63、1.63 mg/g，平均值為1.62 mg/g。

表2 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

續(xù)表2

序號(hào)No.A 提取壓力Extraction pressure(Mpa)B 提取溫度Extraction temperature(℃)A 流量Flow rate of CO2(L/min)提取率Yield(mg/g)13-1101.22140111.42150001.61160001.62170-1-11.11

表3 Box-Behnken 響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析

3.2 揮發(fā)油主成分分析

茯神揮發(fā)油樣品中共檢測(cè)出21 個(gè)物質(zhì)，全掃描總離子流圖見圖2。通過GC-MS工作站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的NIST14.L 標(biāo)準(zhǔn)譜庫進(jìn)行相似度檢索，鑒定匹配度大于95的17種可能物質(zhì)。結(jié)果見表4。

由表4可見，從茯神提取物中鑒定出匹配度95以上的17中成分，由歸一法計(jì)算含量，鑒定出的成分占總量的84.5%。其中含量最高的為豆甾-3,5-二烯占總含量的42.35%。

3.3 生物活性研究

結(jié)果表明茯神揮發(fā)油對(duì)尖孢鐮孢菌有一定的抑制作用，揮發(fā)油濃度范圍在0.04～0.08 mg/mL時(shí)對(duì):采絨革蓋菌、腐皮鐮孢、禾谷鐮孢菌有一定的促進(jìn)作用，高濃度時(shí)有促進(jìn)作用變?yōu)橐种谱饔谩?duì)蕓苔鏈格孢菌的作用不太明顯。茯神揮發(fā)油的活性測(cè)試結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)首次采用響應(yīng)曲面法對(duì)茯神揮發(fā)油的提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，利用Design-Expert 8.0.6 軟件對(duì)提取率進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，并通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)確定了高提取率的揮發(fā)油提取工藝，為后續(xù)揮發(fā)油的提取和生物活性研究奠定了基礎(chǔ)。

二氧化碳超臨界提取揮發(fā)性成分的過程中發(fā)現(xiàn)提取率隨二氧化碳流量的增加而增加，當(dāng)流速過大時(shí)提取率反而降低，這可能與分離過程中氣體流量過大且冷卻不及時(shí)導(dǎo)致?lián)]發(fā)油隨二氧化碳?xì)怏w流失而造成損失。

圖1 各因素間的交互作用Fig.1 Interaction among each factor

圖2 GC-MS 全掃描總離子流圖Fig.2 The total ion chromatography in full scan mode of GC-MS

茯神揮發(fā)油的化學(xué)成分分析表明，茯神揮發(fā)油中化學(xué)成分含有部分的松脂類成分同時(shí)也含有其它成分[10，11]，具體區(qū)分應(yīng)采取不同材料差異提取進(jìn)行研究，受材料的限制本研究未具體區(qū)分，后期將進(jìn)行區(qū)分研究。

本實(shí)驗(yàn)在確定最優(yōu)工藝的同時(shí)，也首次考察了茯神揮發(fā)性成分對(duì)5種真菌的生物活性，在揮發(fā)油作用于腐皮鐮孢菌時(shí)低濃度表現(xiàn)出一定的促進(jìn)作用，高濃度時(shí)促進(jìn)作用消失，生物活性轉(zhuǎn)變?yōu)橐种谱饔?。抑制作用的產(chǎn)生可能與松香酸等松樹原生成分有關(guān)，具體機(jī)理有待后續(xù)研究。

表4 茯神揮發(fā)油的組成及相對(duì)含量

表5 茯神揮發(fā)油提取物對(duì)各供試菌的抑菌效果