牡蒿總黃酮的提取、純化及抗氧化活性分析

張寬朝，徐晨陽，余佳琪，蘇鴻呈，徐忠有

1安徽農(nóng)業(yè)大學 生命科學學院，合肥 230036；2安徽沃土稻蝦養(yǎng)殖專業(yè)合作社，合肥 231252

牡蒿(ArtemisiajaponicaThunb.)是我國多地常見的一種菊科蒿屬植物，多年生草本，植株有香氣，為藥食兩用植物，其嫩莖葉可供食用，風味甚佳[1]。牡蒿味苦、微甘，性涼，可全草入藥；具清熱，涼血，解毒之功效。現(xiàn)代藥理學研究表明，牡蒿含有豐富的黃酮類、多糖、多酚類、皂苷類以及揮發(fā)油等化合物，具有消炎、抗氧化、抗衰老等多種保健功效[2,3]。牡蒿含有的萜烯類、生物堿、類黃酮、甾類、酚類、獨特的氨基酸和多糖等化學成分均具有驅蟲殺蟲、抗菌殺菌的活性，可用于開發(fā)植物源殺蟲劑[4,5]。

黃酮類化合物是一類具有羰基的天然有機產(chǎn)物，因大多具有顏色，故名黃酮。作為植物中的一類重要次生代謝產(chǎn)物，黃酮類化合物具有重要的生理和藥理作用。自然界中菊科、豆科、唇形科等雙子葉植物一般含有黃酮類化合物較多。牡蒿作為菊科蒿屬植物，其黃酮類化合物含量尤為豐富。

目前，牡蒿作為蔬菜食用或作為藥材在傳統(tǒng)中醫(yī)藥臨床方劑中有較多應用，現(xiàn)代醫(yī)藥健康領域對牡蒿的藥用資源開發(fā)程度仍處于較低水平[6]。國內外關于牡蒿總黃酮的研究報道較少。Gu等[7]分析了牡蒿的化學成分，從中鑒定出的牡蒿黃酮類化合物主要為茵陳色原酮、8，4′-二羥基-3，7，2′-三甲氧基黃酮、3，5-二羥基-6，7，3′，4′-四甲氧基黃酮等；Zhang等[8]研究牡蒿總黃酮的提取方法，發(fā)現(xiàn)85%甲醇溶液索氏提取2 h條件下牡蒿總黃酮得率最高，70%乙醇溶液提取6 h得率較次但最適用于工業(yè)生產(chǎn)。尚未見牡蒿總黃酮的提取、純化工藝優(yōu)化及抗氧化活性相關報道。

基于此，本研究以牡蒿地上部莖葉為試驗材料，利用響應面法優(yōu)化牡蒿總黃酮乙醇浸提法工藝，在此基礎上探究大孔樹脂對牡蒿總黃酮純化條件，分析牡蒿總黃酮的抗氧化活性，以期為牡蒿在醫(yī)藥、保健和食品等領域的開發(fā)應用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

牡蒿鮮樣于2021年4月采自安徽省肥西縣境內。安徽農(nóng)業(yè)大學生命科學學院植物學教研室鑒定為菊科蒿屬牡蒿。將牡蒿鮮樣于烘箱中殺青并烘干即得到牡蒿干樣。干樣經(jīng)粉碎后過100目篩，備用。

1.2 主要藥品試劑

蘆丁標準品(批號MUST-21121201，中國藥品生物制品檢定所)；維生素C(批號211026，國藥集團)；2，2-二(4-叔辛基苯基)-1-苦肼基自由基(DPPH，批號211229，上海源聚生物科技有限公司)；2，2′-聯(lián)氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽(ABTS，批號220123，上海源聚生物科技有限公司)；AB-8大孔吸附樹脂(上海源葉生物科技有限公司)；X-5大孔吸附樹脂(上海源葉生物科技有限公司)；CD-180大孔吸附樹脂(蚌埠天星樹脂有限公司)；無水乙醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁、硫酸亞鐵、水楊酸、鐵氰化鉀、三氯乙酸、三氯化鐵、鄰苯三酚等均為國產(chǎn)分析純。

1.3 實驗方法

1.3.1 蘆丁標準曲線繪制

參照亞硝酸鈉-硝酸鋁-氫氧化鈉比色法測定總黃酮含量[9]。

準確吸取0.10 mg/mL蘆丁標準液0、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL，加30%乙醇溶液至5 mL，再加5%亞硝酸鈉溶液0.3 mL，震蕩后放置5 min，加入10%硝酸鋁溶液0.3 mL，搖勻后放置6 min，加1.0 mol/mL NaOH溶液2 mL，30%乙醇定容至10 mL，搖勻，510 nm處測定吸光度值。以蘆丁含量(μg)為橫坐標，反應體系在510 nm下的吸光度為縱坐標，繪制標準曲線方程：y=0.001 2x-0.007 8，R2=0.999 3。

1.3.2 單因素試驗

1.3.2.1 乙醇體積分數(shù)對牡蒿總黃酮提取的影響

取牡蒿待測樣品1.0 g，分別加入體積分數(shù)為30%、40%、50%、60%、70%、80%的乙醇溶液40 mL，50 ℃水浴加熱60 min，取出樣品振搖，冷卻，5 000 r/min離心。取0.5 mL上清液測定，探究不同乙醇體積分數(shù)對牡蒿總黃酮提取的影響。

1.3.2.2 乙醇用量對牡蒿總黃酮提取的影響

按上述最佳乙醇體積分數(shù)，固定提取溫度為50 ℃，提取時間為60 min，乙醇用量分別為10、20、30、40、50、60、70 mL，取出樣品振搖，冷卻，5 000 r/min離心。取0.5 mL上清液測定，探究不同乙醇用量對牡蒿總黃酮提取的影響。

1.3.2.3 提取時間對牡蒿總黃酮提取的影響

取上述最佳乙醇體積分數(shù)及用量，固定提取溫度為50 ℃，時間分別為40、60、80、100、120、140、160 min，取出樣品振搖，冷卻，5 000 r/min離心。取0.5 mL上清液測定，探究不同提取時間對牡蒿總黃酮提取的影響。

1.3.2.4 提取溫度對牡蒿總黃酮提取的影響

取上述最佳乙醇體積分數(shù)、乙醇用量及提取時間，控制提取溫度分別為30、40、50、60、70、80 ℃，取出樣品振搖，冷卻，5 000 r/min離心。取0.5 mL上清液測定，探究不同提取溫度對牡蒿總黃酮提取的影響。

1.3.3 響應面法試驗因素水平設計

在單因素試驗的基礎上，利用Design Expert 10.0軟件的Box-Behnken中心組合試驗設計原理進行響應面試驗。試驗選取A-乙醇體積分數(shù)(%)、B-乙醇用量(mL)、C-提取時間(min)、D-提取溫度(℃)4個因素作為自變量，設定編碼水平為-1、0、1，以牡蒿提取液總黃酮含量(Y)為響應值。響應面試驗因素及水平見表1。

表1 響應曲面優(yōu)化設計因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface method

1.3.4 大孔樹脂純化條件的優(yōu)化

1.3.4.1 不同大孔樹脂對牡蒿總黃酮純化效果的比較

選擇AB-8、X-5和CD-180 3種大孔樹脂作為研究對象。以樹脂對總黃酮的飽和吸附量、吸附率以及解析率作為指標來確定大孔樹脂吸附法純化牡蒿總黃酮的最佳樹脂種類。

1.3.4.2 大孔樹脂純化條件的優(yōu)化

根據(jù)“1.3.4.1”項下確定的樹脂，從靜態(tài)吸附與解吸的最佳時間選擇、溶液質量濃度對靜態(tài)吸附的影響、乙醇濃度對大孔吸附樹脂解吸的影響等進行純化條件的優(yōu)化。

1.3.5 牡蒿總黃酮的抗氧化活性測定

參考鐵氰化鉀法測定還原力[10]。

式中：Ai為樣品吸光度，Aj分別為純水代替ABTS+·體系、無水乙醇溶液代替DPPH乙醇溶液、純水代替H2O2及鄰苯三酚溶液的吸光度；A0為空白樣品吸光度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗均重復三次。采用Excel 2016和Design Expert 10.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、作圖和響應面分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

高效、綠色、低成本是植物有效成分提取方法選擇的基本原則，傳統(tǒng)有機溶劑浸提法仍是普遍采用的常規(guī)方法。溶劑的極性不同，對植物有效成分萃取的影響存在顯著差異[15]。黃酮類化合物不易溶于水，易溶于極性強的有機溶劑。作為安全性高的有機浸提溶劑之一，乙醇在植物黃酮提取中被廣泛應用。

乙醇體積分數(shù)、乙醇用量、提取時間、提取溫度對牡蒿總黃酮提取含量的影響如圖1～4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著乙醇體積分數(shù)的上升、乙醇用量的增加、提取時間的延長、提取溫度的升高，牡蒿提取液總黃酮含量均呈先升后降趨勢?？赡苡捎诓煌掖俭w積分數(shù)溶劑具有不同的極性而對黃酮的溶解力不同，但過大的乙醇體積分數(shù)導致黃酮物質與溶劑的極性差增大，溶解性降低；乙醇用量較低時，提取體系料液飽和，黃酮物質析出不足，而乙醇用量超過30 mL時，醇溶性和脂溶性雜質溶出量增大，影響牡蒿黃酮物質的溶出；提取時間較短，牡蒿吸熱不足，細胞破裂程度較低，溶出黃酮成分較少，提取時間過長，大部分活性成分溶出，含量不再升高，且易造成分解；提取溫度的適度升高，體系擴散系數(shù)增加，分子運動加速，利于黃酮物質的溶出與擴散，但提取溫度過高，導致乙醇溶劑揮發(fā)影響黃酮物質的溶解，以及黃酮物質結構的破壞造成有效成分的損失[16,17]。

圖1 乙醇體積分數(shù)對牡蒿總黃酮提取的影響Fig.1 Effect of ethanol volume fraction on extraction of total flavonoids from A.japonica

圖2 乙醇用量對牡蒿總黃酮提取的影響Fig.2 Effects of ethanol dosage on extraction of total flavonoids from A.japonica

圖3 提取時間對牡蒿總黃酮提取的影響Fig.3 Effects of time on extraction of total flavonoids from A.japonica

圖4 提取溫度對牡蒿總黃酮提取的影響Fig.4 Effects of temperatures on extraction of total flavonoids from A.japonica

單因素試驗條件下，乙醇體積分數(shù)60%、乙醇用量30 mL、提取時間80 min、提取溫度50 ℃時，提取液總黃酮含量最大，分別為25.90、26.32、26.84、27.09 mg/g。后續(xù)以乙醇體積分數(shù)60%、乙醇用量30 mL、提取時間80 min、提取溫度50 ℃進行響應面試驗設計。

2.2 響應面優(yōu)化

2.2.1 響應面分析

根據(jù)Box-Behnken試驗設計原理，在單因素試驗結果基礎上，對總黃酮的提取工藝進行4因素3水平中心組合試驗設計。試驗設計與響應結果如表2所示。用Design Expert 10.0軟件對表2數(shù)據(jù)進行回歸模型方差分析。分析結果如表3所示。對各因素實驗數(shù)據(jù)進行回歸擬合，得回歸方程為：牡蒿提取液總黃酮含量(mg/g)=23.616 0-0.104 2A+0.962 5B+1.643 3C-1.445 0D-4.020 0AB+4.345 0AC-0.332 5AD+0.347 5BC+2.745 0BD+0.092 0A2-1.160 5B2-2.776 8C2+2.855 8D2。由表3分析可知，回歸方差分析顯著性檢驗表明該模型回歸顯著(P=0.000 9<0.01)，失擬項不顯著(P=0.919 8>0.05)，該模型具有統(tǒng)計學意義。方程的1次項C、D對響應值的影響顯著，2次項C2、D2對響應值的影響極顯著；交互項AB、AC和CD對響應值的影響極顯著，BD影響顯著。試驗中各因素的F值可以直觀反映各因素影響的大小，F(xiàn)值越大，其對響應值的影響也越大。通過對各因素的影響程度進行分析可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A=0.024，F(xiàn)B=2.08，F(xiàn)C=6.07，F(xiàn)D=4.69，故可知各因素對牡蒿提取液總黃酮含量影響大小順序為提取時間>提取溫度>乙醇用量>乙醇體積分數(shù)。試驗影響因素之間交互作用的響應面圖和等高線圖見圖5，與表3所示回歸模型方差分析結果一致。

圖5 交互項AB、AC、BD、CD交互作用的響應面圖和等高線圖Fig.5 Response surface plot and contour diagram of interaction items AB,AC,BD and CD

表2 Box-Behnken試驗響應結果Table 2 Response results of Box-Behnkenn test

續(xù)表2(Continued Tab.2)

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

響應面是一種有效的統(tǒng)計和優(yōu)化方法，在植物源黃酮提取優(yōu)化研究中的應用日趨廣泛，其對數(shù)據(jù)的分析較傳統(tǒng)的正交設計方法更為詳細，可直觀看出各影響因素的顯著情況和兩因素間的交互作用。試驗與采用乙醇浸提法考察補骨脂總黃酮[18]、采用乙醇-索氏法提取胡麻籽餅粕黃酮[19]的響應面試驗結果相一致。

2.2.2 最優(yōu)工藝條件確定與模型驗證

通過響應面軟件進一步分析可知，牡蒿總黃酮提取的最佳條件為乙醇體積分數(shù)70%、乙醇用量20 mL、提取時間84.52 min、提取溫度40 ℃，在此條件下總黃酮含量的預測值為33.024 mg/g。由于對條件可操作性考慮，將牡蒿總黃酮最佳提取工藝條件修正為乙醇體積分數(shù)70%、乙醇用量20 mL、提取時間85 min、提取溫度40 ℃，經(jīng)過3次重復試驗驗證，調整后工藝條件下牡蒿提取液總黃酮含量為32.68 mg/g，與預測值相偏差為0.01%，具有理想的實際應用價值。試驗條件下牡蒿總黃酮的提取效率與以85%甲醇溶液索式提取2 h的效率基本相同，但甲醇對人體有害不適于工業(yè)和食品生產(chǎn)，而乙醇則原料易得，安全性較高，且本方法耗能較低，設備需求簡單，操作控制容易，穩(wěn)定性好[8]。

2.3 大孔樹脂純化條件的優(yōu)化

2.3.1 大孔樹脂的篩選

重結晶法、樹脂法、膜分離法、高速離心分離法等是常見的黃酮類化合物分離純化方法，大孔樹脂因具有較好的選擇性，而且成本低、吸附量大、吸附速度快、再生處理方便，被廣泛應用于黃酮化合物的初步純化[20]。

不同樹脂對牡蒿提取液總黃酮的吸附性能測定結果如表4所示。在相同條件下，大孔樹脂的種類不同，吸附和解吸能力也不同。綜合比較，AB-8的吸附率和解吸率都較高，為74.36%和85.32%，是理想的適用于吸附分離牡蒿總黃酮的大孔樹脂。

表4 不同樹脂對牡蒿總黃酮的吸附性能Table 4 Adsorption properties of different resins on total flavonoids from A.japonica

2.3.2 AB-8樹脂的靜態(tài)吸附及靜態(tài)解吸的動力學曲線

AB-8樹脂的靜態(tài)吸附動力學曲線如圖6所示。AB-8樹脂對牡蒿總黃酮的吸附率隨吸附時間先快速上升后停滯。在吸附開始1 h內，AB-8樹脂吸附呈指數(shù)上升，達到49.30%；之后1～2 h增速逐步減慢；在吸附2 h后，AB-8樹脂的靜態(tài)吸附開始停滯，最后整體趨于穩(wěn)定。說明AB-8樹脂靜態(tài)吸附牡蒿提取液總黃酮的時間控制在2 h為宜，靜態(tài)吸附率為65.47%。

圖6 AB-8樹脂的靜態(tài)吸附動力學曲線Fig.6 Static adsorption kinetics curve of AB-8 resin

AB-8樹脂對牡蒿總黃酮的靜態(tài)解吸曲線如圖7所示，解吸率隨吸附時間先快速上升后停滯。在解吸開始后的1.5 h內，AB-8樹脂解吸率隨時間整體呈線性關系；之后AB-8樹脂解吸停滯，整體在長時間范圍內變化不大。說明AB-8樹脂靜態(tài)解吸牡蒿提取液總黃酮的時間控制在1.5 h為宜，靜態(tài)解吸率為74.63%。

圖7 AB-8樹脂的靜態(tài)解吸動力學曲線Fig.7 Static desorption kinetics curve of AB-8 resin

2.3.3 AB-8樹脂的靜態(tài)吸附及靜態(tài)解吸的影響因素

AB-8樹脂靜態(tài)吸附牡蒿提取液總黃酮隨溶液質量濃度呈上升趨勢，且在0.4～0.6 mg/mL范圍上升顯著，溶液質量濃度在1.2 mg/mL時AB-8樹脂吸附率達到最大，為72.41%，之后有略下降趨勢(見圖8)。綜合比較可知，牡蒿總黃酮提取液質量濃度在1.2 mg/mL時為AB-8樹脂的靜態(tài)吸附的最佳濃度。

圖8 溶液質量濃度對AB-8樹脂靜態(tài)吸附率的影響Fig.8 Effect of solution mass concentration on static adsorption rate of AB-8 resin

AB-8樹脂靜態(tài)解吸率隨乙醇濃度呈先上升后下降趨勢，且不同乙醇濃度階梯之間變化顯著(見圖9)。50%乙醇濃度洗脫時牡蒿總黃酮解吸率最大，為82.17%，之后迅速下降。綜合比較可知，乙醇濃度在50%時為AB-8樹脂的靜態(tài)解吸的最佳濃度。

圖9 乙醇濃度對AB-8樹脂靜態(tài)解吸率的影響Fig.9 Effect of ethanol concentration on static desorption rate of AB-8 resin

2.3.4 純化后牡蒿總黃酮純度的測定

經(jīng)AB-8樹脂吸附純化后，牡蒿總黃酮精制品的純度為56.17%，其結果較為理想。

2.4 牡蒿總黃酮的抗氧化活性

2.4.1 牡蒿總黃酮的還原能力

試驗條件下，在一定濃度范圍內，牡蒿總黃酮粗提物(crude extract of total flavonoids fromA.japonica，CFAJ)和大孔樹脂純化物(purified product of total flavonoids fromA.japonica，PFAJ)還原能力的強弱與其濃度表現(xiàn)出劑量效應，提取物總黃酮濃度越高，則反應體系700 nm處的吸光度越高，還原能力越強(見圖10)。吸光度值達到0.5時，所需的牡蒿總黃酮粗提物、純化物和VC的質量濃度分別為0.30、0.20、0.14 mg/mL，牡蒿總黃酮粗提物和純化物的還原力均低于對照物VC。各階段濃度下，牡蒿總黃酮純化物的還原力均大于粗提物，且隨著濃度的增大，二者差異也呈明顯趨勢。說明牡蒿總黃酮提取物經(jīng)過純化后還原能力增強，可能由于牡蒿總黃酮提取物內的雜質在反應中影響了其還原力，且雜質的影響隨濃度的上升而增大。

圖10 牡蒿總黃酮的還原力Fig.10 Reducing power of total flavonoids from A.japonica

2.4.2 牡蒿總黃酮對ABTS+·清除率的測定

牡蒿總黃酮對ABTS+·清除率的測定如圖11所示。試驗條件下，牡蒿總黃酮對ABTS+·清除能力的強弱與其濃度成表現(xiàn)出一定的正相關性，濃度越高，清除率越大。牡蒿總黃酮粗提物、純化物和VC對ABTS+·清除作用的IC50值分別為49.87、25.11、19.49 μg/mL，表明牡蒿總黃酮粗提物和純化物對ABTS+·清除率均低于對照物VC。分析發(fā)現(xiàn)，各階段濃度下，牡蒿總黃酮純化物對ABTS+·清除率均大于粗提物，且變化趨勢近似，說明牡蒿總黃酮提取物經(jīng)過純化后對ABTS+·清除能力增強。

圖11 牡蒿總黃酮對ABTS+·清除率Fig.11 Scavenging effect of flavonoids from A.japonica on ABTS+·

2.4.3 牡蒿總黃酮對DPPH·清除率的測定

牡蒿總黃酮對DPPH·清除率的測定如圖12。試驗條件下，隨著牡蒿總黃酮濃度的增大，其對DPPH·清除能力逐漸增強。牡蒿總黃酮粗提物、純化物和VC對DPPH·清除作用的IC50值分別為51.70、16.48、29.37 μg/mL，表明三組處理對DPPH·清除能力的強弱大小關系為牡蒿總黃酮純化物>VC>牡蒿總黃酮粗提物，說明牡蒿總黃酮提取物經(jīng)過純化后對DPPH·清除能力增強，且超過了對照VC。

圖12 牡蒿總黃酮對DPPH·清除率Fig.12 Scavenging effect of flavonoids from A.japonica on DPPH·

2.4.4 牡蒿總黃酮對·OH清除率的測定

試驗條件下，牡蒿總黃酮對·OH有明顯的清除作用，且隨著質量濃度的增加，其清除能力逐漸增強(見圖13)。牡蒿總黃酮粗提物、純化物和VC對·OH清除作用的IC50值分別0.31、0.24、0.18 mg/mL，牡蒿總黃酮粗提物和純化物對·OH清除率均低于對照物VC，但牡蒿總黃酮純化物對·OH清除率大于粗提物。

圖13 牡蒿總黃酮對·OH的清除率Fig.13 Scavenging effect of flavonoids from A.japonica on ·OH

圖14 牡蒿總黃酮對清除率Fig.14 Scavenging effect of flavonoids from A.japonica on

3 討論與結論

研究以采自安徽省肥西縣境內的牡蒿地上部為材料，利用響應面法分析乙醇體積分數(shù)、乙醇用量、提取時間、提取溫度對牡蒿總黃酮提取含量的影響，確定了牡蒿總黃酮乙醇浸提法最佳工藝條件為乙醇體積分數(shù)70%、乙醇用量20 mL、提取時間85 min、提取溫度40 ℃。與傳統(tǒng)的乙醇浸提法相比，本試驗所得最佳提取工藝條件在一定程度上縮短提取時間，避免長時間提取對活性成分的影響，提高了牡蒿總黃酮的提取量和效率[21]。

大孔樹脂對牡蒿總黃酮純化效果試驗發(fā)現(xiàn)，AB-8對牡蒿總黃酮的吸附率和解吸率都較高，為74.36%和85.32%，是理想的適用于吸附分離牡蒿總黃酮的大孔樹脂。純化過程中，AB-8樹脂靜態(tài)吸附牡蒿總黃酮的時間控制在2 h為宜，靜態(tài)吸附率為65.47%；靜態(tài)解吸牡蒿總黃酮的時間控制在1.5 h較佳，靜態(tài)解吸率為74.63%；牡蒿總黃酮提取液質量濃度在1.2 mg/mL時為AB-8樹脂的靜態(tài)吸附的適宜濃度；乙醇濃度在50%時為AB-8樹脂的靜態(tài)解吸的較佳濃度。