響應面優(yōu)化鼓槌石斛花總黃酮提取工藝及其體外抗氧化活性

王彥兵 黃家衛(wèi) 李國明 劉小瓊 胡永亮 王曉媛 白燕冰

摘 要：【目的】優(yōu)化鼓槌石斛花總黃酮提取工藝條件，為鼓槌石斛花種質的開發(fā)提供技術參考?！痉椒ā恳怨拈呈樵?，乙醇溶液為提取劑，在單因素的基礎上，選擇乙醇體積分數(shù)、液料比、超聲溫度、超聲時間4個因素為影響因素，鼓槌石斛花總黃酮提取率為響應值，采用Box-Behnken 試驗設計方法，研究各自變量及其交互作用對鼓槌石斛花總黃酮提取率的影響。并通過鼓槌石斛花總黃酮對1， 1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基、羥自由基的清除作用評價其抗氧化活性。【結果】鼓槌石斛花總黃酮最佳提取工藝條件為：乙醇體積分數(shù)83%，液料比31 mL·g-1，超聲溫度59℃，超聲時間44 min，在此條件下，得到的實際提取率9.71 mg·g-1，與理論值（9.60 mg·g-1）相對誤差為1.15%。采用響應面法優(yōu)化鼓槌石斛花總黃酮提取工藝切實可行，回歸模型擬合度及重現(xiàn)性較好。鼓槌石斛花黃酮對DPPH自由基半清除濃度（IC50）值為11.30 μg·mL-1，其清除能力是L-抗壞血酸的0.51倍、2，6-二叔丁基對甲酚（BHT）的1.42倍;對羥自由基IC50值為137.26 μg·mL-1，其清除能力是L-抗壞血酸的0.70倍、BHT的1.95倍。體外抗氧化活性試驗表明，相同濃度下其對兩種自由基清除能力優(yōu)于BHT，弱于L-抗壞血酸?！窘Y論】采用響應面法優(yōu)化得出的鼓槌石斛花總黃酮提取的最佳工藝條件，能有效提高總黃酮提取率。

關鍵詞：鼓槌石斛花; 總黃酮; 提取工藝; 響應面; 抗氧化

中圖分類號：TS 201.2;R 284.2文獻標識碼：A文章編號：1008-0384（2019）06-730-09

Abstract： 【Objective】 Extraction process of flavonoids from the flowers of Dendrobium chrysotoxum Lindl. was optimized， and the antioxidative activity of the extract determined in vitro. 【Method】Flowers of D. chrysotoxum was subjected to an ethanol extraction for flavonoids. The resulting yield was weighed against the processing conditions based on the single-factor tests and Box-Benhnken center composite experiment with four factors including ethanol volume fraction， solvent-to-substrate ratio， temperature， and time of ultrasonic treatment. The antioxidant capacity was estimated by the ability of the extract to scavenge 1， 1-diphenyl-2-picrylhydrazyl （DPPH） and hydroxyl free radicals. 【Result】The optimized processing conditions were determined to include ethanol volume fraction at 83%， solvent-to-substrate ratio at 31 mL·g-1， temperature at 59℃ and ultrasound application for 44m to obtain up to 9.71 mg·g-1 of total flavonoids in the extract. The yield exceeded the theoretically expected 9.60 mg·g-1 with a relative deviation of 1.15%. The in vitro tests showed an IC50 for DPPH to be 11.30 μg·mL-1， a scavenging ability 0.51-time of L-ascorbic acid or 1.42-time of BHT， while that for hydroxyl radicals， 137.26 μg·mL-1， a scavenging ability 0.70-time of L-ascorbic acid or 1.95-time of BHT.【Conclusion】The optimized flavonoid extraction paved the way for scale-up utilization of D. chrysotoxum flowers.

Key words：Dendrobium chrysotoxum Lindl. flowers; total flavonoids; process optimization; response surface analysis; antioxidant

0 引言

【研究意義】鼓槌石斛Dendrobium chrysotoxum Lindl.屬蘭科Orchidaceae多年生附生草本植物，莖兩端急尖，形似“鼓槌”，因此得名[1-3]。主要分布于緬甸、老撾和我國西南地區(qū)，資源豐富，具有較高的藥用價值，收錄于2015年版《中華人民共和國藥典》[1， 3-4]。鼓槌石斛活性提取物具有抗氧化、抑制腫瘤活性、提高免疫力及清除自由基等功效[5-8]。而其花兼具藥用和食用價值，具有疏肝解郁、緩急止痛、緩解疲勞等功效[9-10]?？偁罨ㄐ蛴汕o頂端生出，斜下生長，可長達20 cm，產(chǎn)花量大，是保健石斛花茶的理想原料，具有重要的開發(fā)研究價值[11]。大量研究表明，天然植物中的黃酮類化合物具有抗氧化、抑制脂肪酶、抑制癌細胞擴散等功效，是天然產(chǎn)物研究的熱點[12-13]。因此，開展鼓槌石斛花總黃酮提取工藝研究，對鼓槌石斛花的開發(fā)研究具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】目前，關于石斛花的研究主要集中在其營養(yǎng)價值[10， 14]、降壓[15-16]、揮發(fā)性成分[17-18]等方面，其總黃酮含量測定及提取工藝的優(yōu)化報道較少。唐靜月等[19]發(fā)現(xiàn)采用超聲波提取鐵皮石斛花總黃酮提取率優(yōu)于加熱回流提取法，而后采用正交法優(yōu)化乙醇超聲波浸提鐵皮石斛花總黃酮工藝，在乙醇體積分數(shù)80%、料液比1∶50，提取溫度55℃條件下浸提2次，總黃酮提取率達1.99%;繆園欣等[20]采用正交實驗對乙醇超聲波浸提鐵皮石斛花總黃酮提取工藝進行優(yōu)化，在乙醇體積分數(shù)80%、料液比1∶35 （g∶mL）、超聲溫度40℃條件下浸提50 min，鐵皮石斛花總黃酮提取率為2.31%;張東英等[9]對比超聲波法和熱回流法提取鼓槌石斛花總黃酮效果，發(fā)現(xiàn)超聲提取具有操作方便，用時少，提取率高等優(yōu)點?！颈狙芯壳腥朦c】目前，采用正交試驗優(yōu)化石斛花總黃酮提取工藝條件，借助響應面法優(yōu)化石斛花總黃酮提取工藝的研究鮮有報道。響應面法可以克服正交法只能在已有水平條件下獲取水平組合的缺點，對所取水平的整個區(qū)域進行篩選，結果更具說服力。【擬解決的關鍵問題】本文以鼓槌石斛花為研究對象，基于單因素實驗，以乙醇體積分數(shù)、液料比、超聲溫度、超聲時間為自變量，鼓槌石斛花總黃酮提取率為響應值，利用響應面實驗設計方法，對鼓槌石斛花總黃酮提取工藝進行優(yōu)化，并分析其體外抗氧化活性，為鼓槌石斛花的進一步開發(fā)利用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鼓槌石斛花，由云南省德宏熱帶農(nóng)業(yè)科學研究所藥植中心提供，經(jīng)該所白燕冰研究員鑒定為蘭科Orchidaceae石斛屬Dendrobium頂葉組Sect. Chrysotoxae鼓槌石斛D. chrysotoxum花序，50℃烘箱中烘干后，粉碎過60目篩，干燥保存?zhèn)溆?蘆丁標準品，HPLC≥98%，北京世紀奧科生物技術有限公司;亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉、無水乙醇，均為分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司;實驗用水均為去離子水（實驗室自制）。

GZX-9030MBE電熱鼓風干燥箱，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠;T6紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司;SB25-12DTS超聲波雙頻清洗機，寧波新芝生物科技股份有限公司;ME201電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司;Labonova Smar超純水機，Think-lab Corporation;CT14D臺式高速離心機，上海天美生化儀器設備工程有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 鼓槌石斛花總黃酮提取流程

鼓槌石斛花→50℃烘干→粉碎→過60目篩→稱取1.0 g樣品→自變量下超聲浸提（超聲波功率200 W，超聲頻率40 kHz）→離心（4 000 r·min-1）→取上清液→備用。

1.2.2 單因素試驗

乙醇體積分數(shù)：固定液料比30∶1（mL·g-1），超聲溫度60℃，超聲時間45 min，考察乙醇體積分數(shù)為40%、50%、60%、70%、80%、90%條件下鼓槌石斛花總黃酮得率。

液料比：固定乙醇體積分數(shù)80%，超聲溫度60℃，超聲時間45 min，考察液料比（mL∶g-1）為10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1條件下鼓槌石斛花總黃酮得率。

超聲溫度：固定乙醇體積分數(shù)80%，液料比30∶1（mL·g-1），超聲時間45 min，考察超聲溫度為30、40、50、60、70、80℃條件下鼓槌石斛花總黃酮得率。

超聲時間：固定乙醇體積分數(shù)80%，液料比30∶1（mL∶g-1），超聲溫度60℃，考察超聲時間為25、35、45、55、65、75 min條件下鼓槌石斛花總黃酮得率。

1.2.3 響應面法優(yōu)化

依據(jù)單因素試驗，結合Box-behnken中心組合試驗原理，采用4因素3水平的四元二次響應面分析方法（表1），以鼓槌石斛花總黃酮提取率為考察指標，優(yōu)化提取工藝。

1.2.4 總黃酮含量的測定

標準曲線的繪制：用80%乙醇配制0.2 mg·mL-1蘆丁標準溶液;分別吸取0.00、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00 mL蘆丁標準溶液于5支10 mL比色管中，均加入5% NaNO2溶液0.3 mL，搖勻，靜置6 min;加入10% Al（NO3）3溶液0.3 mL，搖勻，靜置6 min;加入4% NaOH溶液4.0 mL后，80%乙醇定容至10 mL，搖勻，靜置15 min;以第一支比色管溶液為空白參比，于510 nm波長下測定吸光度A。繪制蘆丁質量濃度與吸光度之間的線性關系。得出回歸方程為：Y=10.804X-0.0236，R2=0.999 8，表明蘆丁質量濃度為4.0～20.0 μg·mL-1線性關系良好。

總黃酮的測定及得率的計算：取適量體積待測液于比色管中，按上述方法求得待測液總黃酮濃度，總黃酮得率見公式（1）。

式中：C表示待測液中總黃酮濃度，mg·mL-1;V1表示待測液定容體積，mL;V2表示顯示取樣體積，mL;V表示提取液總體積，mL;m表示提取樣品質量，g。

1.2.5 體外抗氧化活性測定

DPPH 自由基清除率測定：參考Laguerre等[21-22]的方法并加以改進。將鼓槌石斛花提取液用蒸餾水稀釋成質量濃度分別為2、4、8、12、16、20 μg·mL-1的樣品溶液。實驗組取樣品溶液2 mL，加入2 mL DPPH無水乙醇溶液（0.1 mmol·L-1），混勻，室溫避光放置30 min，以50%乙醇為參比測定溶液在517 nm波長處吸光值A樣品;對照組以等體積無水乙醇代替DPPH溶液，測定吸光值為A對照;空白組以等體積蒸餾水代替樣品溶液，測定吸光值為A空白。以同濃度BHT、L-抗壞血酸為陽性對照。按照公式（2）計算DPPH自由基清除率：

羥自由基清除率測定：參考張黎明等[23]的方法并加以改進。將鼓槌石斛花提取液用蒸餾水稀釋成質量濃度分別為0.03、0.06、0.12、0.18、0.24、0.30 mg·mL-1的樣品溶液。實驗組取樣品溶液1 mL，依次加入2.5 mmol·L-1水楊酸溶液1 mL、5.0 mmol·L-1 FeSO4溶液1 mL、5 mmol·L-1 H2O2溶液1 mL，混勻，37℃水浴鍋中恒溫反應30 min，離心，以蒸餾水為參比測定溶液在510 nm波長處吸光值A，對照組以等體積蒸餾水代替 H2O2溶液，測定吸光值為A1;空白組以等體積蒸餾水代替樣品溶液，測定吸光值為A0。以同濃度BHT、L-抗壞血酸為陽性對照。按照公式（3）計算羥自由基清除率：

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗均進行3次重復測定。采用SPSS 20、Origin 85和Design-Expert 8.0.6.1軟件進行響應面設計和數(shù)據(jù)分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

單因素對鼓槌石斛花總黃酮提取率的影響見圖1?？傸S酮提取率隨乙醇體積分數(shù)、料液比、超聲溫度、超聲時間變化呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。當乙醇體積分數(shù)為80%時，總黃酮的提取率最高，為9.33 mg·g-1（P<0.05），因此將乙醇體積分數(shù)80%作為鼓槌石斛花總黃酮提取的最佳濃度;液料比為30∶1時提取率最高，為9.16 mg·g-1，因此將液料比30∶1作為鼓槌石斛花總黃酮提取的最佳液料比;溫度為60℃時提取率最高，為9.15 mg·g-1;因此將溫度60℃作為鼓槌石斛花總黃酮提取的最佳提取溫度;超聲時間為35 min時總黃酮的提取率最高，為9.34 mg·g-1，故選擇超聲時間為35 min為佳。

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 設計方案及結果

依據(jù)表1中的因素及水平，應用Design Expert 8.0.6軟件，以鼓槌石斛花總黃酮提取率為響應值，根據(jù)Box-Benhnken 中心組合設計原理，以乙醇體積分數(shù)（A）、液料比（B）、超聲溫度（C）、超聲時間（D）4因素3水平共29個試驗點進行響應面分析試驗（表2）。2.2.2 回歸模型的建立及方差分析

利用Design Expert 8.0.6軟件對表2試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到鼓槌石斛花黃酮提取率（Y）與4個自變量之間四元二次回歸模型：Y=-106.96+1.47A+0.36B+1.19C+0.666D+2.75×10-3AB-3.28×10-3AC-1.65×10-3AD+1.30×10-3BC-5.12×10-4BD-4.60×10-3CD-7.91×10-3A2-1.05×10-2B2-6.44×10-3C2-2.77×10-3D2。對表2的方差分析見表3。

由表3可知，模型（P<0.001）極顯著，失擬度（P=0.119）不顯著，說明該模型成立;相關系數(shù)R2=0.9227，說明鼓槌石斛花總黃酮提取率的實驗值與預測值之間有較好的擬合度，該模型可描述92%以上的試驗值;R2adj=0.8455，表明工藝對提取率的影響達到84.55%;變異系數(shù)（C.V. ）4.15%<5%，表明該模型重現(xiàn)性較好。

從各因素F值、P值及顯著性水平差異可知，對鼓槌石斛花總黃酮提取率的影響次序為：A>D>C>B。一次項A、C、D對響應值的結果達到了極顯著水平;交互性CD對響應值的結果達到了顯著水平;二次項A2、B2、C2對響應值的結果達到了極顯著水平。各因素對響應值的結果影響比較復雜，不是簡單的線性關系。

2.2.3 響應面分析

通過Design Expert 8.0.6繪制各因素間響應面（圖2）。在試驗范圍內，總黃酮提取率隨著提取乙醇體積分數(shù)增加先增大后減小，隨著液料比增加先增大后下降，隨超聲溫度增加先增大后減小，隨超聲時間增加先增大后減小。這與單因素試驗分析時的結果相吻合。總黃酮提取率的變化速率：A>D>C>B，與方差分析統(tǒng)計結果相吻合。

2.2.4 最佳工藝條件確定及驗證試驗

采用響應面優(yōu)化后的最佳工藝條件為：乙醇體積分數(shù)82.52%，液料比30.80 mL·g-1，超聲溫度58.98℃，超聲時間43.65 min，理論提取率9.60 mg·g-1。為檢驗該模型與實際的復合程度，便于操作，設置乙醇體積分數(shù)83%，液料比31 mL·g-1，超聲溫度59℃，超聲時間44 min，在此條件下，得到的實際提取率9.71 mg·g-1。與理論值相對誤差為1.15%，說明優(yōu)化結果可靠，可利用響應面對鼓槌石斛花總黃酮的提取工藝進行預測與分析。

2.3 體外抗氧化活性測定

2.3.1 DPPH自由基清除能力

由圖3可知，在2.5～30.0 μg·mL-1范圍內，鼓槌石斛花總黃酮、L-抗壞血酸及BHT對DPPH自由基的清除能力量效關系顯著，隨質量濃度的增加而升高;當質量濃度為30.0 μg·mL-1時，清除率分別為85.2%、93.1%、74.5%;其對羥自由基的IC50分別為11.3、5.8、16.1 μg·mL-1，提取液總黃酮羥自由基清除能力分別是L抗壞血酸的0.51倍、BHT的1.42倍。

2.3.2 羥自由基清除能力

由圖4可知，在25.0～300.0 μg·mL-1范圍內，鼓槌石斛花總黃酮、L-抗壞血酸及BHT對羥自由基的清除能力量效關系顯著，隨質量濃度的增加而升高，當質量濃度為300.0 μg·mL-1時，清除率分別為72.1%、92.3%、63.5%、;其對羥自由基的IC50分別為137.3、44.2、185.8 μg·mL-1，提取液總黃酮清除羥自由基的能力分別是L抗壞血酸的0.70倍、BHT的1.95倍。

3 討論與結論

黃酮類化合物的提取以醇法提取為主，本研究綜合考慮環(huán)境因素及經(jīng)濟效益選取乙醇作為提取劑。乙醇溶液濃度與其極性呈負相關，當乙醇溶液與提取物質極性相同時，提取物析出量最大[24]。在乙醇溶液濃度增大過程中，溶液極性隨濃度的增加而減小，與提取物極性接近時，其總黃酮提取率最高。本研究中鼓槌石斛花總黃酮提取的最佳乙醇體積分數(shù)為80%。在一定范圍內，黃酮有效溶出率隨溶劑增加而增加，隨著溶劑的持續(xù)增加，雜質溶出亦增加，而有效溶出降低[25]，鼓槌石斛花總黃酮提取的最佳液料比為30 mL·g-1。一定范圍內溫度升高可以加快黃酮溶出，但溫度過高，黃酮結構易受破壞，同時雜質溶出率增加，導致其有效溶出降低[26]，鼓槌石斛花總黃酮提取的最佳溫度為60℃。在一定范圍內，黃酮溶出隨超聲時間增加而增加，可能是超聲有利于黃酮溶出，但超聲時間過長，持續(xù)受熱及雜質溶出增多，使黃酮有效提取率降低[27]，鼓槌石斛花總黃酮超聲提取的最佳提取時間為35 min。

在單因素試驗的基礎上，利用Design Expert 8.0.6軟件，通過響應面法對超聲輔助提取鼓槌石斛花總黃酮工藝進行了優(yōu)化，建立了鼓槌石斛花總黃酮提取率的四元二次多項式回歸模型，該回歸模型擬合度高，重現(xiàn)性好，各工藝對總黃酮提取率的影響次序為：乙醇體積分數(shù)>超聲時間>超聲溫度>液料比。其中，乙醇體積分數(shù)、超聲溫度及超聲時間對鼓槌石斛花總黃酮提取率有極顯著影響（P<0.01）。通過該模型得到的最佳工藝條件為：乙醇體積分數(shù)83%，液料比31 mL·g-1，超聲溫度59℃，超聲時間44 min。在此條件下，鼓槌石斛花總黃酮含量為9.71 mg·g-1，與預測值相比，其相對誤差為1.15%。與已報到的工藝未優(yōu)化超聲輔助提取（總黃酮提取率8.90 mg·g-1）、熱回流提取法（總黃酮提取率2.70 mg·g-1）相比[9]，總黃酮提取率明顯提高，表明超聲-加熱輔助可提高鼓槌石斛花總黃酮提取率。

自由基與腫瘤及心血管疾病密切相關，近年來篩選天然抗氧化劑已逐漸成為醫(yī)學、生物學、材料學、食品科學及藥學等學科的研究熱點[28]。介于體內實驗費時費力，目前抗氧化活性篩選主要集中于體外模擬測定[29]。測定結果表明，鼓槌石斛花總黃酮對DPPH自由基及羥自由基具有一定的清除能力，且量效關系顯著。其DPPH自由基清除能力是L抗壞血酸的0.51倍、BHT的1.42倍;羥自由基的清除能力是L抗壞血酸的0.70倍、BHT的1.95倍。該研究結果為鼓槌石斛活性物質的深入開發(fā)提供了一定的理論基礎。

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（責任編輯：黃愛萍）