标题 | 多因素响应面法优化红景天抗氧化有效物质提取工艺 |
范文 | 张睿 王 湘 王玥琦 冯丽莉
摘要? 目的:研究采用响应面法优化红景天抗氧化有效物质的提取工艺。方法:以乙醇浓度、提取时间、乙醇用量为主要影响因素,红景天苷提取率(%)、提取液体外DPPH清除率(%)和提取液体外总抗氧化能力为评价指标,采用3因素5水平响应面法对红景天抗氧化有效物质提取工艺进行优化。结果:Design-Expert软件优化得到的最佳提取工艺为,饮片加11倍体积46.60%乙醇溶液提取4.67 h,提取2次,合并提取液,浓缩,即得。该提取工艺下红景天苷提取率为1.12%,提取液DPPH清除率为89.13%,总抗氧化能力为1.39 mmol/L。结论:用响应面法优化得到的红景天抗氧化有效物质提取工艺简便易行,准确性和重现性好。 关键词? 红景天;抗氧化;多因素;响应面法;红景天苷提取率;DPPH清除率;总抗氧化能力;提取工艺 Optimal Extraction of Herba Rhodiolae Antioxidant Active Ingredients by Multi-factors Response Surface Methodology ZHANG Rui,WANG Xiang,WANG Yueqi,FENG Lili (College of Basic Medicine,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100029,China) Abstract Objective: To optimize the extraction technology of Herba Rhodiolae antioxidant active ingredients by response surface methodology. Methods: Based on ethanol concentration,extraction time and dosage of ethanol as the main in uencing factors,the 3 factor 5 level response surface methodology was applied to optimize antioxidant active ingredients extraction of Herba Rhodiolae with evaluation indexes including extraction yield of Herba Rhodiolae (%),extracting liquid outside DPPH clearance (%) and extracting liquid outside total antioxidant activities(mmol/L). Results: The optimal extraction process optimized by Design-Expert software was as follows:decoction peices adding 11 times of 46.60% ethanol solution and were extracted from for 4.67 h twice.The extracts were combined and concentrated.Under this extraction process,the extraction rate of Herba Rhodiolae is 1.12%,the DPPH removal rate of the extract was 89.13%,and the total antioxidant capacity was 1.39 mmol/L. Conclusion: The extraction process of Herba Rhodiolae antioxidants optimized by response surface method is simple,easy to implement,and has good accuracy and reproducibility. Keywords? Herba Rhodiolae; Antioxidant active ingredients; Multi-factors,Response surface methodology; Extraction yield of Herba Rhodiolae; DPPH clearance; The total antioxidant activities by FRAP methods; Extraction technology 中图分类号:R284 文献标识码:A? doi: 10.3969/j.issn.1673-7202.2020.14.001 藏药红景天是景天科植物大花红景天的干燥根和根茎,始载于公元8世纪藏医药经典《四部医典》[1],称其为“长生不老草”“九死还生草”,被誉为“高原人参”,具有扶正固本、理气养血等功效,《中华人民共和国药典》(2015版一部)谓其“味甘、苦,平。归肺、心经。功能益气活血、通脉平喘,用于气虚血瘀、胸痹心痛、中风偏瘫、倦怠气喘”[2],是具有极高药用价值的珍贵药材。现代药理学研究表明,红景天具有抗肿瘤、抗抑郁、抗疲劳、抗缺氧和免疫调节等功效[3-5]。同时,红景天提取物具有卓越的抗氧化能力,被广泛应用于延缓机体衰老及防治氧化相關的老年性疾病[6-9]。另外,红景天服用安全,原卫生部2002年已批准其为可用于保健食品的中药品种[10],是近年来国内炙手可热的保健中药,具有广阔的应用前景。 目前红景天药材中分离出40多种化学物质,包括酚类、黄酮类、生物碱类、挥发油以及其他的一些常见物质(氨基酸类、多糖类、果胶、蛋白质、蜡等)[11],其中红景天苷被认为是红景天保健功效的最重要成分。因此目前红景天的提取制备以及产品的质量控制中一般以红景天苷提取率或者含量作为指标进行优化评价[12],而中药中其他同样有可能发挥抗氧化活性的有效物质却没有得到体现。为了综合评价红景天提取物抗氧化能力,最大限度的提取红景天药材中抗氧化有效物质,本研究拟以红景天苷提取率(%)、提取液体外DPPH清除率(%)和提取液总抗氧化能力(mmol/L)3者相结合的综合效应作为评价指标,采用星点设计-响应面方法对红景天抗氧化有效物质的提取工艺进行优化。 1 仪器与试药 1.1 仪器 高效液相色谱仪(配有PDA检测器、四元梯度泵、在线脱气机、自动进样器、Empower工作站,美国沃特世科技有限公司,美国,型号:2695-2996);酶标仪(美国赛默飞世尔科技有限公司,美国,型号:Thermo MK3);精密电子天平(瑞士梅特勒-托利多国际股份有限公司,瑞士,型号:AL104-IC);超声波清洗器(江苏昆山市超声仪器有限公司,型号:KQ-500E);旋转蒸发器(上海亚荣生化仪器厂,型号:RE-52);紫外可见分光光度计(北京莱伯泰科仪器有限公司,型号:BlueStar);中草药打粉机[泰斯特仪器设备(天津)有限公司,型号:FW17];智能恒温水浴锅(北京市长风仪器仪表公司,型号:HW SY21/KP6);控温数显电热套[泰斯特仪器设备(天津)有限公司,型号:98-I-B]。 1.2 试剂 美国Cayman Chemical的1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picryl-hydrazyl,DPPH,批号:14805);总抗氧化能力试剂盒[T-AOC检测试剂盒(FRAP法)微板法,南京建成生物工程研究所,批号:A015]及其他分析试剂甲醇(北京化学试剂公司,批号:bh100619);乙醇(北京化学试剂公司,批号:BH100213,95%乙醇);色谱试剂甲醇(北京汇海科仪科技有限公司,Fisher Scientific,美国,批号:A452-4);乙腈(北京汇海科仪科技有限公司,Fisher Scientific,美国,批号:A998-4)。 1.3 药物 中药红景天饮片[北京同仁堂(集团)有限责任公司,批号:20160921];红景天苷标准品(中国食品药品检定研究院,批号:110818-201507)。 2 方法与结果 2.1 优化指标测定 2.1.1 HPLC法测定红景天苷提取率 2.1.1.1 色谱条件 以十八烷基硅烷键合硅胶为填充剂C18分析柱(4.6 mm×150 mm,5 μm,Dikma),甲醇-水(15∶ 85)为流动相,柱温30 ℃,进样体积10 μL。取浓度为44.70 μg/mL红景天苷标准品溶液进样后经二极管阵列检测器全波长扫描,可见红景天苷在275 nm波长处有最大吸收,保留时间9.7 min,该色谱条件下,色谱峰分离良好,故测定时选用此波长。 2.1.1.2 红景天苷对照品储备液的配制 精密称取红景天苷对照品29.80 mg置于100 mL棕色容量瓶中,加甲醇适量超声溶解后稀释至刻度,得到浓度为298.00 μg/mL的红景天苷对照品储备液,即得。 2.1.1.3 供试样品的制备 取红景天药材粉末(过10目筛)适量,精密称定,置圆底烧瓶中,按提取实验安排提取,提取前后称定质量,并用相同溶剂补足,过滤后合并滤液,混匀,经0.45 μm微孔滤膜濾过,取续滤液即得。 2.1.1.4 红景天苷线性关系考察 精密吸取红景天苷对照品储备液(298.00 mg/L)0.50 mL、1.00 mL、1.50 mL、2.00 mL、2.50 mL和3.00 mL分别置于10 mL棕色容量瓶中,加甲醇稀释至刻度,得到浓度范围在14.90~89.40 mg/L的红景天苷对照品溶液。按“2.1.1.1”项下色谱条件测定红景天苷峰面积,以对照品浓度(C)为横坐标,红景天苷峰面积(A)为纵坐标,得回归方程A=3 009.2C-13 796,相关系数R为0.999 7,表明该浓度范围内红景天苷线性关系良好。 2.1.1.5 精密度考察 取线性关系考察项下的浓度为44.70 mg/L的红景天苷对照品溶液,按“2.1.1.1”项下色谱条件,重复进样6次,测定红景天苷峰面积,计算RSD为0.89%,表明该方法测定红景天苷精密度符合要求。 2.1.1.6 稳定性实验? 取红景天饮片(20160921批)粉末适量,精密称定,加入60%乙醇30 mL,称取总重量,加热回流提取1 h,补足重量后过滤,取续滤液适量,分别于0 h、2 h、4 h、6 h、10 h、24 h,按“2.1.1.1”项下色谱条件测定红景天苷峰面积,计算RSD为1.93%,表明红景天苷样品24 h内稳定。 2.1.1.7 重复性实验 取红景天饮片(20160921批)粉末适量,精密称定,加入60%乙醇30 mL,称取总重量,加热回流提取1 h,补足重量后过滤,取续滤液适量,平行操作6份,按“2.1.1.1”项下色谱条件测定红景天苷峰面积,计算其平均含量,计算RSD为1.89%,表明该方法测定红景天苷重复性符合要求。 2.1.1.8 回收率实验 采用加样回收法,精密吸取“2.1.1.7”项下重复性实验样品1 mL,分别加入浓度为44.70 μg/mL的红景天苷对照品溶液1 mL,混合均匀,按“2.1.1.1”项下色谱条件测定红景天苷峰面积,计算其加样回收率为98.98%,RSD为1.97%。见表1。 2.1.1.9 红景天苷提取率的计算 将供试品溶液按“2.1.1.1”项下色谱条件测定其中红景天苷峰面积,根据“2.1.1.4”项下标准曲线计算红景天苷浓度C,按照以下公式计算其提取率: 2.1.2 DPPH自由基清除率测定 2.1.2.1 DPPH溶液的配制 精密称取DPPH 2.59 mg于10 mL容量瓶中,甲醇溶解并定容,得到浓度为259.00 mg/L的DPPH溶液,0~4 ℃避光保存,当天临用现配。 2.1.2.2 测定方法 为了消除提取液本身颜色对测定的干扰,在测定中引入了提取液在514 nm波长下自身的吸收度Aj。 1)Ai:取提取液1 mL,加入250 μL DPPH溶液于同一具塞试管中,摇匀,在黑暗中37 ℃保温20 min,以甲醇为空白在514 nm测定其吸光度Ai。 2)A0:取甲醇1 mL,加入250 μL DPPH溶液于同一具塞试管中,摇匀,在黑暗中37 ℃保温20 min,以甲醇为空白在514 nm测定其吸光度A0。 3)Aj:取提取液1 mL,加入250 μL的甲醇于同一具塞试管中,摇匀,在黑暗中37 ℃保温20 min,以甲醇为空白在514 nm测定其吸光度Aj。 试验重复3次,根据下列公式计算植物提取液对DPPH的抑制率,求得平均值: 抑制率(%)=(1-(Ai-Aj)/A0)×100% 注:Ai为加提取液后DPPH溶液的吸光度,A0为未加提取液时DPPH溶液的吸光度,Aj为提取液在测定波长的吸光度。 2.1.3 总抗氧化能力的测定(FRA P 值测定) 2.1.3.1 测定方法 按照试剂盒说明书配置工作液进行检测。 2.1.3.2 标准曲线 称取27.80 mg试剂盒提供的FeSO4·7H2O,加水溶解并稀释到10 mL,此时浓度即为10 mmol/L。取适量10 mmol/L FeSO4溶液15 μL、30 μL、60 μL、90 μL、120 μL、150 μL稀释至1 mL,得到浓度分别为0.15 mmol/L、0.30 mmol/L、0.60 mmol/L、0.90 mmol/L、1.20 mmol/L和1.50 mmol/L的FeSO4标准溶液。分别吸取100 μL标准溶液点板,采用酶标仪于630 nm波长处测定吸光度,以吸光度A为纵坐标,FeSO4标准溶液浓度C为横坐标,绘制标准曲线,得A=0.402 2C-0.084 7,相关系数R为0.999 5,表明FeSO4浓度在0.15~1.50 mmol/L范围内线性关系良好。 注:样品的抗氧化能力用FeSO4标准溶液的浓度来表示,即1FRAP单位=1 mmol/L FeSO4。 2.2 单因素优化红景天提取溶剂 文献中有关红景天提取溶剂的选择不一致,为了综合多指标考察红景天抗氧化有效物质的提取工艺,首先采用单因素方法对红景天提取影响较大的因素进行考察,确定优化范围,包括乙醇浓度、提取时间和料液比。取红景天饮片(批号:20160921),用铜舂初捣后采用粉碎机进行粗粉,粉末过1号筛待用。在其他处理条件一致的情况下,分别考察乙醇浓度(0、20%、40%、60%、80%、100%)、料液比(1∶ 5、1∶ 7、1∶ 12)、提取时间(1 h、2 h、3 h)对红景天抗氧化有效物质化提取效果的影响。 2.2.1 乙醇浓度的影响 固定料液比为1∶ 7、提取时间为2 h,考察不同浓度乙醇对红景天苷提取率和提取液体外抗氧化活性的影响。见图1。从中可见表明,随着乙醇浓度不断增加,红景天苷提取率呈现先上升后下降的趋势,60%乙醇提取率最高;DPPH清除率随着乙醇浓度升高开始缓慢上升,但当浓度增加至60%以后开始下降,80%乙醇时清除率明显降低;总抗氧化能力随着乙醇浓度升高不斷减小。综合3方面的因素,说明乙醇浓度过高和过低均不利于红景天中抗氧化有效物质的提取,低于40%红景天苷提取率偏低,超过80%时3个指标均显著下降,因此提取溶剂中乙醇浓度的优化范围设置在40% ~80%之间较为合理。 2.2.2 提取时间的影响 固定乙醇浓度为60%、料液比为1∶ 7,考察不同提取时间对红景天抗氧化有效物质提取效果的影响。见图2。结果表明,随着提取时间的增加,3个指标都呈现上升的趋势。 2.2.3 料液比的影响 固定乙醇浓度为60%、提取时间为2 h,考察不同料液比对红景天抗氧化有效物质提取效果的影响。见图3。随着料液比的增加,红景天苷的提取率随之上升,但是1∶ 7与1∶ 12结果相差不大,提取液总抗氧化能力先下降后上升,DPPH清除率则呈现先上升后下降的趋势。由于料液比对3个指标的影响不一致,出于生产实际操作的可行性和节约资源的角度,料液比的优化范围设置在1∶ 6~1∶ 12范围内。 2.3 星点设计实验方案 提取工艺优化: 影响提取效果的因素主要包括乙醇浓度、提取时间、提取次数和料液比,其中由于提取次数为非连续变量,回归处理较困难,为了简化实验,将提取次数暂定为1次。在单因素考察的基础上,选取乙醇浓度(X1)、提取时间(X2)、料液比(X3)3个因素作自变量,以提取液中红景天苷提取率(%,Y1)、DPPH清除率(%,Y2)和总抗氧化能力(mmol/L,Y3)作因变量,采用响应面法优化最佳提取工艺,各因素的水平设计见表2。取红景天药材5 g左右,精密称定,加入适量提取溶剂,按照表3安排试验,提取液滤过、合并、浓缩后,按照“2.1”项下,测定红景天苷提取率(%)、DPPH清除率(%)和总抗氧化能力(mmol/L)。见表3。 2.4 模型拟合和提取工艺优化 采用Design-Expert 10.0.3对红景天提取工艺实验结果进行多元回归拟合。经过运算后得到红景天苷提取率(Y1,mg/g)、DPPH清除率(Y2,%)和总抗氧化能力(Y3,mmol/L)对乙醇浓度(X1)、提取时间(X2)、料液比(X3)的模型,其拟合回归模拟方程如下,其回归模型的方差分析见表4。 Y1=(-430.31+48.76X1+72.55X2+6.25X3-1.05X1X2+0.36X1X3+3.41X2X3-0.44X12-2.94X22-2.04X32)×10-3(R2=0.914 3,RAdj2=0.974 4) Y2=-20.89+1.74X1+2.26X2+13.15X3+0.02X1X2-0.07X1X3-0.18X2X3-0.01X12-0.11X22-0.43X32(R2=0.898 2,RAdj2=0.955 6) Y3=(-610+33.64X1+162.47X2+182.23X3+0.25X1X2-0.80X1X3-1.89X2X3-0.35X12-23.45X22-4.96X32)×10-3(R2=0.892 5,RAdj2=0.942 8) 从表4中数据可见,X1、X2和二次项X1X2、X12对红景天苷提取率(Y1)有极显著影响( P <0.01),其他因素的影响差异无统计学意义( P >0.05);X1、X2和二次项X1X3、X12、X32对DPPH清除率(Y2)有极显著影响( P <0.01),X3有显著影响( P <0.05),其他因素的影响差异无统计学意义( P >0.05);X1、X3和二次项X12、X22对总抗氧化能力(Y3)有极显著影响( P <0.01),其他因素的影响差异无统计学意义( P >0.05)。综合各因素对于3个评价指标,对红景天抗氧化有效物质提取效果影响最大的因素是乙醇浓度X1,交互因素也会对3个指标产生不同的影响。图4为固定第3因素条件下,其他2項因素对红景天苷提取率(Y1)、DPPH清除率(Y2)和总抗氧化能力(Y3)交互效应的响应面图。 利用Design-Expert 10.0.3软件对上述实验结果进行优化,以Y1、Y2和Y3均最大化为原则,结合实际操作的可行性,得到优化的最佳提取工艺条件为:饮片加入11倍量46.60%乙醇,提取4.67 h,收集提取液,浓缩即得。 2.5 提取次数优化及验证试验 采用“2.4”项下得到的最佳提取工艺分别提取1、2、3次,平行操作3份,分别测定3个指标,考察最佳提取次数。见表5,并将预测值与提取一次的实测值比较并计算偏差,预测值红景天苷提取率为1.10%,DPPH清除率为88.61%,总抗氧化能力为1.40 mmol/L,实测值分别为1.12%、89.13%和1.39 mmol/L,RSD分别为3.45%、1.78%和3.60%,预测值与实测值的偏差较小,说明该工艺稳定可行,具有实际应用价值。 在最佳提取工艺条件下,提取次数增加红景天苷提取率呈增高趋势,但是提取2次和3次时无明显差异,而DPPH清除率和总抗氧化能力在提取3次时明显低于2次,综合3个指标的结果,确定提取次数为2次。 3 讨论 红景天作为传统藏药,主要以根和茎入药,以其独特的药理效果在临床中应用良好,常用于治疗冠心病、慢性疲劳症、慢性肾炎等病症,另由于其具有明确的抗氧化性能,能够有效的对抗自由基,降低体内自由基对细胞的氧化损害,抗脂质过氧化,延缓机体衰老以及预防阿尔茨海默病等老年病的发生[13-15],因此是极具开发价值的保健药材。有关红景天苷提取工艺的研究较多,有加热回流提取[16]、超声提取[17]、微波提取[18]等,但多数以提取液中以红景天苷为代表的单一成分的提取率作为考察指标进行工艺优化,未能体现提取物抗氧化作用的其他有效物质的提取效果。结合生产过程的实际情况,本研究采用加热回流提取方法,通过对红景天苷提取率和提取物体外抗氧化活性双重指标对红景天抗氧化有效物质的提取工艺进行优化。 由于体外抗氧化活性判断的标准纷繁复杂,基于不同的化学反应原理,其评价的方式均有很大的不同。为了研究红景天提取液抗氧化活性在不同方面的应用,本研究选取了提取液DPPH清除率和总抗氧化能力2种不同的体外抗氧化活性评价指标,对提取工艺进行评价。DPPH在有机溶剂中是一种稳定的自由基,其醇溶液呈深紫色,具有单一电子,故能够接受一个电子或是氢离子,在波长为514 nm下具有最大光吸收。有自由基清除剂存在时,DPPH的单电子被捕捉而使其颜色变浅,在最大光吸收波长处的吸光值下降,从而评价样品的抗氧化能力。待测样品的抗氧化能力用DPPH清除率来表示,清除率越大,抗氧化性越强[19]。FRAP法测定总抗氧化能力的原理是酸性条件下抗氧化物可以还原Ferric-tripyridyltriazine(Fe3+-TPTZ)产生蓝色的Fe2+-TPTZ,随后测定蓝色的Fe2+-TPTZ吸光度即可获得样品的总抗氧化能力。中药提取液总抗氧化能力的检测可以用于检测各种溶液的抗氧化能力的强弱,用于筛选强抗氧化能力的药物[20]。 本研究中采用红景天苷提取率和2种体外抗氧化指标(DPPH清除率和总抗氧化能力)相结合的综合评价指标,采用响应面优化方法对红景天抗氧化有效物质提取工艺进行优化。 响应曲面法是建立在数学、统计学、计算机科学基础上,采用多元二次回归方程来考察各因素与响应值之间的函数关系,能对优选出的实验参数进行全面分析的一种统计方法,可以在实验中进行非线性拟合,与传统的正交试验和均匀设计比较,具有操作简单、精度高、预测性好等优点[21-23]。因此本研究中采用星点设计响应面法对红景天抗氧化有效物质提取工艺进行优化,并通过实验验证了实测值与Design-Expert 10.0.3软件的预测值基本相符,说明本工艺对红景天抗氧化有效物质的提取是稳定可行。结合单因素优化提取次数的结果,最佳工艺为饮片加入11倍量46.60%乙醇,提取4.67 h,提取2次,收集提取液,浓缩即得。该研究可以为红景天抗氧化功效产品的开发提供一定的借鉴意义。 参考文献 [1] 宇妥·元丹贡布.四部医典[M].北京:人民卫生出版社,1983:54. 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