超聲波輔助提取泡桐花總黃酮工藝及抑菌活性研究

劉璐，付嘉陽，鄧紅霞

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省糧油科學(xué)研究院，西安 710082）

泡桐為玄參科泡桐屬多年生落葉喬木，共有9種，除新疆北部、內(nèi)蒙、西藏、東北北部外，我國均有分布。泡桐花為泡桐的干燥花，是傳統(tǒng)中草藥之一。臨床上對呼吸道感染、急性腸炎等有良好治療效果。泡桐花活性成分包含多糖、多酚、總黃酮類等物質(zhì)。研究表明，總黃酮有抗腫瘤、抗炎、抗氧化等活性功能[1]。我國泡桐花資源存量大，年產(chǎn)量達(dá)5×104t，具有一定開發(fā)利用價值。

目前泡桐花總黃酮常用提取方法有乙醇提取法、熱水提取法和微波提取法等。孟志芬等通過乙醇浸提泡桐花總黃酮，采用乙醇濃度70%，料液比1∶14，浸提溫度80℃，浸提時間1 h時，總黃酮得率為5.29%[2]。徐立麗通過熱水提取泡桐花活性成分，料液比1∶15，常溫浸泡2 h，80℃浸提1 h后取濾渣再次浸提1 h，泡桐花水提物得率為11.20%[3]。目前已報道泡桐花總黃酮提取方法中，溶劑提取法儀器設(shè)備簡單、操作簡便，但提取時間長、效果差[4]。超聲波輔助提取法有提取條件易控制、溫度低、耗時短、能耗低、總黃酮得率高等優(yōu)點[5]。本文通過單因素試驗和響應(yīng)面法研究超聲波輔助提取泡桐花總黃酮工藝，以泡桐花總黃酮得率為響應(yīng)值，探究泡桐花總黃酮最佳提取工藝條件，評價其抑菌效果，為開發(fā)與利用泡桐花總黃酮提供技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 供試樣品及菌種

泡桐花于2021年5月采自陜西省楊凌區(qū)，經(jīng)陰干、粉碎過20目篩備用。金黃色葡萄球菌（CVCC639）、鏈球菌（CVCC1622）、沙門氏桿菌（CVCC542）、大腸埃希菌（CVCC83003）均由西北農(nóng)林科技大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院微生物保種室提供。

1.1.2 試驗試劑及設(shè)備

蘆丁（標(biāo)準(zhǔn)品，≥98%，CAS號：153-18-4，購自成都埃法生物科技有限公司）；硝酸鋁、亞硝酸鈉、氫氧化鈉、氯化鈉、無水乙醇等均為分析純；蛋白胨、瓊脂粉、牛肉膏等均為生化試劑。

QYRE-501旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（購自上海秋佐科學(xué)儀器有限公司）、KQ-400DE型數(shù)控超聲波清洗器（購自昆山市超聲儀器有限公司）、UV-1800紫外可見分光光度計（購自上海精若科學(xué)儀器有限公司）、DHP-500恒溫培養(yǎng)箱（購自上海精勝科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 泡桐花總黃酮提取

稱量30 g泡桐花干粉，按料液比1∶15，使用乙醇進(jìn)行超聲波輔助提取，提取后濾除殘渣，濾液以6 000 r·min-1離心10 min，取上清液備用。

1.2.2 泡桐花總黃酮含量測定和總黃酮得率計算

泡桐花總黃酮含量參考文獻(xiàn)[6]方法。配制不同濃度蘆丁溶液，在510 nm波長處測定蘆丁溶液吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，其回歸方程為A=9.2654C-0.0054，R2=0.9996。吸取2 mL泡桐花總黃酮溶液加至10 mL容量瓶，75%乙醇定容至刻度，按照標(biāo)準(zhǔn)曲線方法計算總黃酮得率，計算公式如下：

式中，X為計算得出的總黃酮質(zhì)量濃度；V為提取液定容后體積；5為稀釋倍數(shù)；m為泡桐花樣品質(zhì)量。

1.2.3 泡桐花總黃酮提取單因素試驗

以泡桐花總黃酮得率為測定指標(biāo)，研究乙醇濃度、提取時間、提取功率、提取溫度單一因素對其得率的影響，每次3個重復(fù)（見表1）。

表1 單因素試驗因素水平Table 1 Factors and levels of single factor experiment

1.2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計

選取提取功率（A）、提取時間（B）、乙醇濃度（C）、提取溫度（D）為自變量，以總黃酮得率為響應(yīng)值，應(yīng)用Design-Expert 12軟件設(shè)計4因素3水平共29個試驗（見表2）。

表2 Box-Behnken設(shè)計試驗因素水平及其編碼Table 2 Factors and levels in the Box-Behnken design

1.2.5 泡桐花總黃酮不同提取方法比較

1.2.5.1乙醇提取法

稱取樣品5 g，置于圓底燒瓶，75%乙醇作為溶劑，料液比1∶15，在60℃恒溫水浴鍋上提取60 min，以6 000 r·min-1離心10 min，取上清液作為待測液，按1.2.2的方法測定總黃酮含量及得率，重復(fù)3次。

1.2.5.2熱水提取法

稱取樣品5 g，加入蒸餾水，料液比1∶15，80℃浸提60 min，以6 000 r·min-1離心10 min，取上清液作為待測液，按1.2.2方法測定總黃酮含量及得率，重復(fù)3次。

1.2.6 泡桐花總黃酮抑菌作用測定

1.2.6.1泡桐花總黃酮體外抑菌作用測定

采用紙片擴散法[7]，減壓濃縮泡桐花總黃酮提取液至膏狀，冷凍干燥。試驗前用10%二甲基亞砜水溶液按兩倍稀釋法將其稀釋為100~0.1 mg·mL-1不同濃度，無菌藥敏試紙浸泡到不同濃度總黃酮藥液1 h后，烘干備用。

普通瓊脂平板上涂抹菌液（細(xì)菌濃度為1.0×106CFU·mL-1），藥敏紙片放平板內(nèi)，每次3個重復(fù)，同時設(shè)空白陰性（生理鹽水）和陽性對照（慶大霉素，藥敏試紙含10 μg·片-1）。培養(yǎng)20 h后測量抑菌圈直徑。抑菌圈試驗判定標(biāo)準(zhǔn)：抑菌圈直徑≥20 mm，極強抑菌作用（++++）；15 mm≤抑菌圈直徑＜20 mm，強抑菌作用（+++）；10 mm≤抑菌圈直徑＜15 mm，中度敏感（++）；6 mm≤抑菌圈直徑＜10 mm，弱抑菌作用（+）；抑菌圈直徑≤6 mm，無抑菌作用（-）。

1.2.6.2泡桐花總黃酮MIC和MBC測定

采用微量稀釋法[8]，每孔加入100 μL M-H肉湯；每行第1孔加入100 μL泡桐花總黃酮提取液，混勻吸出100 μL加入第2孔，連續(xù)稀釋至10孔，陽性對照（僅添加試驗菌種）為第11孔，陰性對照（僅添加M-H肉湯）為第12孔；在1~11孔加入10 μL菌液，封板，37℃培養(yǎng)24 h，培養(yǎng)液清澈透亮，表明無細(xì)菌生長，該濃度即為MIC。將MIC及以上濃度的培養(yǎng)物接種于營養(yǎng)瓊脂，培養(yǎng)24 h，無菌落生長的最低濃度為MBC。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 提取溫度對總黃酮得率的影響

由圖1a可知，在超聲功率350 W，料液比1∶15，80%乙醇濃度，超聲提取90 min，提取溫度40~80℃條件下，泡桐花總黃酮得率隨超聲溫度改變。溫度70℃時，總黃酮提取得率為6.37%；繼續(xù)升高溫度，由于溫度過高導(dǎo)致總黃酮化合物降解，得率反而降低。

2.1.2 提取時間對總黃酮得率的影響

從圖1b可見，在超聲功率350 W，料液比1∶15，80%乙醇濃度，提取溫度70℃，超聲提取時間30~150 min條件下，泡桐花總黃酮得率隨超聲時間改變。在90 min內(nèi)，總黃酮得率隨提取時間增加而提高；提取時間超過90 min時，提取液中雜質(zhì)不斷增加，總黃酮得率開始降低。

2.1.3 乙醇濃度對總黃酮得率的影響

圖1c表明，在超聲功率350 W，料液比1∶15，提取溫度70℃，超聲提取90 min，40%~80%乙醇濃度條件下，泡桐花總黃酮得率隨乙醇濃度改變。乙醇濃度為40%~60%時，總黃酮得率隨乙醇濃度升高而增加；當(dāng)乙醇濃度為60%~80%，總黃酮得率趨勢較平緩，且在80 %濃度時達(dá)到最大值。

2.1.4 提取功率對總黃酮得率的影響

由圖1d可知，在提取溫度70℃，料液比1∶15，80%乙醇濃度，超聲提取90 min，超聲功率200~400 W條件下，泡桐花總黃酮得率隨超聲功率改變。超聲功率為200~350 W時，總黃酮得率隨超聲功率增加而增大；當(dāng)超聲功率大于350 W時，總黃酮得率逐漸降低。

圖1 不同因素對總黃酮得率的影響Fig.1 Effects of different factors on the flavonoid yield

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果及方差分析

2.2.1 模型擬合與數(shù)據(jù)分析

利用Design-Expert 12軟件設(shè)計響應(yīng)面試驗方法（見表3）。采用多元回歸模型分析試驗數(shù)據(jù)，獲得回歸方程：Y=7.36+0.03A-0.0333B+0.0392C-0.0025D+0.04AB-0.06AC+0.13AD-0.1BC-0.02BD-0.3075CD-0.0246A2+0.0904B2-0.2908C2-0.1658D2。對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗及方差分析，結(jié)果見表4。模型P值＜0.0001，表明模型有統(tǒng)計顯著性。失擬項P值為0.5886，表明模型有效。試驗所選模型決定系數(shù)R2=0.9793（P＜0.01），模型可解釋97.93%響應(yīng)值變化，表明該模型擬合程度較好。模型R2Adj=0.9586，表明不確定因素干擾提取試驗的可能性較小，總變異僅4.14%。一次項A、B提取因素影響顯著（P＜0.05），C提取因素影響極顯著（P＜0.01）；AC交互項影響顯著（P＜0.05），AD、BC、CD極顯著影響泡桐花總黃酮提?。≒＜0.01）；B2、C2、D2極顯著影響泡桐花總黃酮提取（P＜0.01）。提取因素對總黃酮得率影響程度為乙醇濃度＞提取時間＞提取功率＞超聲溫度。

表3 響應(yīng)面試驗結(jié)果Table 3 Results of response surface methodology

表4 回歸模型方差分析Table 4 Regression equation fitting and variance analysis

2.2.2 響應(yīng)面分析

由回歸方程繪制不同因子響應(yīng)面圖，以評價兩兩交互作用對總黃酮得率的影響并確定各因素最佳水平范圍，如圖2所示。由圖2a可知，當(dāng)功率一定時，總黃酮得率隨提取時間延長而持續(xù)增加；而當(dāng)時間一定時，總黃酮得率隨功率變化較為平緩，因此提取時間對總黃酮得率影響較大。由圖2b可知，當(dāng)乙醇濃度一定時，總黃酮得率隨功率變化曲線較為平緩；當(dāng)功率一定時，總黃酮得率隨乙醇濃度增加呈先升后降趨勢，因此乙醇濃度對得率影響較大。由圖2c可知，當(dāng)溫度一定時，總黃酮得率隨功率變化曲線較為平緩；而當(dāng)功率一定時，總黃酮得率隨著溫度增加呈先升后降趨勢，因此溫度明顯影響總黃酮得率。圖2d表明，當(dāng)提取時間一定時，泡桐花總黃酮得率隨乙醇濃度提高呈先升后降趨勢；而當(dāng)乙醇濃度維持在一定范圍時，總黃酮得率隨提取時間增加呈先降后升趨勢。由圖2e可知，當(dāng)提取時間一定時，總黃酮得率隨溫度升高呈先升后降趨勢；而當(dāng)溫度不變時，總黃酮得率隨提取時間增加呈先降后升趨勢。由圖2f可知，當(dāng)乙醇濃度不變時，總黃酮得率隨溫度升高而持續(xù)升高；而當(dāng)溫度不變時，總黃酮得率隨乙醇濃度增加而持續(xù)上升。

響應(yīng)面曲面圖的曲面越陡峭，表明該因素明顯影響泡桐花總黃酮得率[9]。由圖2可見，提取功率及乙醇濃度、提取功率及提取溫度、提取時間及乙醇濃度、乙醇濃度及提取溫度交互作用的曲面有較大傾斜度，說明這些交互項明顯影響泡桐花總黃酮得率。

圖2 提取因素交互作用響應(yīng)面Fig.2 Response surface plots showing the mutual effects of different factors

2.3 驗證試驗

通過Design-Expert 12軟件分析總黃酮提取最佳條件：當(dāng)提取時間66.3 min，溫度60.9℃，提取功率306.5 W，乙醇濃度75%時，預(yù)測泡桐花總黃酮得率為7.53%?？紤]到操作條件可行性，最終將試驗條件調(diào)整為提取時間66 min，溫度61℃，提取功率310 W，乙醇濃度75%，此時總黃酮得率為7.49%，與預(yù)測值一致，表明此模型用于預(yù)測泡桐花總黃酮提取工藝條件有較高可靠性。

2.4 不同方法提取泡桐花總黃酮得率的比較

3種提取方式中，熱水提取法泡桐花總黃酮得率為5.85%，乙醇提取法得率為6.53%，超聲波輔助提取法得率為7.49%。表明超聲波輔助提取法可提高泡桐花總黃酮得率。

2.5 泡桐花總黃酮體外抑菌效果

由表5可知，泡桐花總黃酮提取物對金黃色葡萄球菌、鏈球菌、沙門氏桿菌和大腸埃希菌均有不同程度抑制作用。隨泡桐花總黃酮濃度降低抑菌活性也逐步下降，總黃酮100~0.39 mg·mL-1濃度對金黃色葡萄球菌效果顯著（P＜0.05），在100~25 mg·mL-1濃度與慶大霉素效果差異不顯著（P＞0.05）。總黃酮在100~1.57 mg·mL-1濃度對鏈球菌有明顯抑菌活性。在100~12.50 mg·mL-1濃度對鏈球菌抑菌效果與慶大霉素效果差異不顯著（P＞0.05）?？傸S酮對金黃色葡萄球菌、鏈球菌抑菌圈直徑顯著高于沙門氏桿菌和大腸埃希菌組（P＜0.05）。總黃酮100~50 mg·mL-1濃度時對沙門氏桿菌抑菌效果較小。在100~12.50 mg·mL-1濃度時對大腸埃希菌有一定抑菌作用?？傸S酮在25~0.10 mg·mL-1濃度時對沙門氏桿菌無抑菌活性。在6.25~0.10 mg·mL-1濃度時對大腸埃希菌無抑菌活性。

表5 不同濃度泡桐花總黃酮抑菌效果Table 5 Antibacterial activity of Flos Paulowniae Fortunei total flavonoids in different concentrations

2.6 泡桐花總黃酮MIC和MBC測定

泡桐花總黃酮對金黃色葡萄球菌MIC為0.39 mg·mL-1；MBC為0.78 mg·mL-1。泡桐花總黃酮對鏈球菌MIC為1.57 mg·mL-1；MBC為3.13 mg·mL-1。泡桐花總黃酮對沙門氏桿菌和大腸埃希菌MIC分別為50、12.50 mg·mL-1；MBC分別為50、25 mg·mL-1。MIC和MBC測定表明，泡桐花總黃酮對金黃色葡萄球菌抑菌及殺滅效果最佳，其次為鏈球菌，對大腸埃希菌和沙門氏桿菌抑菌及殺滅較弱。

3 討論

3.1 超聲波輔助提取對泡桐花總黃酮得率的影響

泡桐花總黃酮類化合物種類有40多種，如芹菜素、山奈酚類、木犀草素、槲皮素和高北美圣草素、橙皮素、柚皮素等二氫總黃酮類[10]。不同提取方法中各種成分溶出和提取得率均不同。目前，泡桐花總黃酮提取主要有熱水、乙醇、堿液和系統(tǒng)溶劑等傳統(tǒng)溶劑提取法，水提法僅限總黃酮苷類物質(zhì)提取，鞣質(zhì)、糖類、淀粉、蛋白質(zhì)易溶于水中，增加雜質(zhì)處理難度。長時間加熱提取過程導(dǎo)致總黃酮化合物降解[11]。乙醇提取泡桐花總黃酮時，乙醇使用量大，生產(chǎn)成本大幅提高；堿液提取時，強堿條件下加熱破壞總黃酮類化合物母核。選用極性由小到大的溶劑依次提取法操作復(fù)雜，因此僅限用于實驗室，難以實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。目前超臨界流體、加壓液提取、脈沖電場輔助提取、蒸汽爆破輔助提取及動態(tài)高壓微流化等新技術(shù)已應(yīng)用于植物總黃酮提取方法，新技術(shù)在提取效果、提取時間方面有明顯優(yōu)勢，但因設(shè)備要求高、工藝條件高等條件限制，尚未應(yīng)用于泡桐花總黃酮提取。微波提取得到的總黃酮類化合物提取率及抗氧化活性均明顯優(yōu)于溶劑提取法[12-13]。超聲波輔助提取泡桐花總黃酮成分，其產(chǎn)生的空化效應(yīng)和機械效應(yīng)可破壞植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，增加泡桐花總黃酮分子運動頻率和速度以及溶劑滲透能力，有利于細(xì)胞內(nèi)總黃酮化合物釋放與溶出[14]。與傳統(tǒng)溶劑提取方法相比，超聲輔助提取法是一種綠色提取技術(shù)，有提取率高、提取時間短、提取溫度低和污染少的優(yōu)點[15]。

3.2 超聲波輔助提取泡桐花總黃酮條件的優(yōu)化

單因素試驗證明，超聲功率、提取溫度、乙醇濃度和提取時間對泡桐花總黃酮得率的影響較大。過高超聲功率導(dǎo)致劇烈空泡效應(yīng)，引起總黃酮類化合物氧化，長時間提取可引起總黃酮醇類化合物在高溫下發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)變化[16]。高濃度乙醇導(dǎo)致更多色素和其他雜質(zhì)進(jìn)入溶劑。不適宜提取條件均降低泡桐花總黃酮得率[17]。因此，在單因素試驗基礎(chǔ)上使用Box-Behnken設(shè)計試驗和響應(yīng)面分析法優(yōu)化泡桐花總黃酮提取條件，結(jié)果表明，提取功率與乙醇濃度、提取功率與提取溫度、提取時間與乙醇濃度、乙醇濃度與提取溫度兩兩交互作用顯著影響總黃酮提取率。本試驗篩選出泡桐花總黃酮最佳提取條件為：提取溫度61℃，超聲功率310 W，提取時間66 min，乙醇濃度75%。在此條件下，泡桐花總黃酮得率為7.49%，而傳統(tǒng)熱水提取法和乙醇提取法得率分別為5.85%、6.53%，超聲波輔助提取法比傳統(tǒng)熱水和乙醇提取法分別提高28.03%、14.70%。超聲波輔助提取法與孟志芬等通過微波法提取泡桐花總黃酮結(jié)果相近[18]，高于張青青用乙醇提取泡桐花總黃酮得率4.79%[19]。提取過程中不同提取條件可能得到的總黃酮化合物結(jié)構(gòu)不同，因此，后續(xù)試驗應(yīng)對超聲波輔助提取的泡桐花總黃酮進(jìn)一步分離純化，獲得總黃酮類物質(zhì)單體并確定其結(jié)構(gòu)。

3.3 泡桐花總黃酮抑菌活性

近年來，泡桐花總黃酮類化合物抑菌性廣受關(guān)注。其對金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、肺炎克雷伯菌、傷寒桿菌、痢疾桿菌、大腸埃希菌、白色念珠菌、銅綠假單胞菌和沙門氏菌等均有一定抑制活性。魏希穎等研究表明泡桐花提取液不同萃取部分對金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌均有一定抑菌活性，而對產(chǎn)黃青霉、啤酒酵母、黑曲霉無抑制效果[20]。郭俊浩等研究表明乙酸乙酯萃取部分對金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、大腸埃希氏菌、白色念珠菌均有不同程度抑制作用，對金黃色葡萄球菌最小抑菌濃度可達(dá)到0.31%[21]。本研究通過泡桐花總黃酮超聲波提取工藝獲得總黃酮類化合物并開展抑菌試驗，證明泡桐花總黃酮對金黃色葡萄球菌、鏈球菌、沙門氏桿菌和大腸埃希菌有不同程度抑殺作用，與Mbaven等研究植物總黃酮抑菌結(jié)果一致[22]。證明泡桐花總黃酮對革蘭氏陽性菌抑菌活性優(yōu)于革蘭氏陰性菌，對金黃色葡萄球菌抑菌作用顯著?？傸S酮類化合物損傷細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)，阻礙細(xì)菌細(xì)胞壁和核酸合成，降低能量代謝，抑制關(guān)鍵酶活性[23-25]。推測泡桐花總黃酮抑菌活性與此有關(guān)。后續(xù)研究將分析不同種類總黃酮化合物活性，測定抑菌活性構(gòu)效關(guān)系，確定其活性強弱和選擇性，分析總黃酮可能作用機制，為泡桐花總黃酮資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

經(jīng)Box-Behnken和響應(yīng)面分析得到泡桐花總黃酮最佳提取條件為乙醇濃度75%，超聲時間66 min，超聲功率310 W，溫度61℃，得率為7.49%。泡桐花總黃酮應(yīng)用超聲波輔助提取工藝可靠、簡便、得率高，有一定體外抑菌活性，其中對金黃色葡萄球菌抑菌效果最佳。