超声辅助提取日本荚蒾果实总三萜工艺优化及其抗氧化活性

常超，蔡海莺，，陈瑞达，刘畅，赵敏洁，孙蓉，陈献志

（1.浙江科技学院生物与化学工程学院，浙江 杭州 310023；2.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江 杭州 310058；3.临海市林业技术推广和场圃旅游服务总站，浙江 台州 317000）

日本荚蒾（Viburnum japonicum）是一种忍冬科、荚蒾属植物，大多是落叶灌木或小乔木，白色花，红色果实，果实形状多为椭圆形或近圆形[1]。国内零星分布在浙江台州、舟山等地，属于濒危植物属[2]。日本荚蒾较耐寒，偏好有机质丰富的土壤，适合生长在阳光充足、低海拔的地区[1]。荚蒾属植物含二萜、三萜、黄酮、环烯醚萜等多种化学成分，不同化学成分的功能特性不同，已有较多研究表明荚蒾属植物具有多种药理作用，如抗肿瘤作用[3-4]、抗氧化作用[5]、降血糖[6]、杀虫和抗菌作用等[7]，具有较高的药用价值[8]。此外，荚蒾果实鲜红光亮，具有观赏价值，还可用于泡酒[9]。

荚蒾属植物中存在大量的抗肿瘤活性成分三萜类化合物[10]，主要为五环三萜[11]。从日本荚蒾中提取三萜类化合物的研究相对较少，胡疆等[9]从日本荚蒾中分离出5 种新的三萜类物质。从植物中提取非挥发性化合物的传统方法有微波法辅助提取、回流法提取[7]、超声法辅助提取、沉淀吸附法、有机溶剂萃取法、索氏提取法等[11-13]。但相关研究表明，浸提法、索氏提取法与其他方法相比较所需时间更长，提取效率更低[14-15]，超高频电磁波提取法温度改变较明显，对提取物的生物活性有一定影响[16]，其他方法如萃取法和超高压提取法等不仅对仪器设备具有较高要求，而且消耗的成本也相对更高[17]，相比较之下超声波辅助法提取三萜类物质，所需仪器设备简单易得、仪器和试验过程简单易操作且用时较短，提取效率较高[18]。因此，本研究选用超声波辅助法提取日本荚蒾果实中三萜化合物，采用单因素试验和响应面法确定最佳参数，以优化日本荚蒾果实中总三萜的提取工艺，并以提取物研究其抗氧化活性[19-20]，为日本荚蒾原料的合理开发提供更多的研究方向，更大程度发挥日本荚蒾的价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

日本荚蒾果：临海市林业技术推广和场圃旅游服务总站。

熊果酸标准品、香草醛、高氯酸、抗坏血酸（VC）、2，2-联苯基-1-苦基肼基（2，2-biphenyl-1-picrylhydrazyl，DPPH）、2，2-l 联氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）二铵盐[2，2'-diazobis（3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid）diammonium salt，ABTS]：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙酸：上海凌峰化学试剂有限公司；无水乙醇：成都市科隆化学品有限公司。以上试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

试验所用仪器设备见表1。

表1 仪器与设备Table 1 Instrumentation and equipments

1.3 试验方法

1.3.1 样品处理

样品剔除次果和坏果后，在50 ℃恒温干燥箱中干燥至质量不变，粉碎过40 目筛，收集粉末置于4 ℃冰箱中低温保存备用。

1.3.2 熊果酸三萜标准曲线的制定

标曲的制定参照景炳年等[21]的方法并稍加改动。首先，准确称取4.0 mg 干燥恒重的熊果酸标准品，放入10 mL 棕色容量瓶中，采用甲醇定容并摇匀，得到0.4 mg/mL 标准品溶液。向6 个10 mL 容量瓶中分别精确吸取0、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 mL 标准对照品溶液，并将容量瓶置于60 ℃水浴锅中，挥干甲醇溶剂，加入1 mL 高氯酸和0.4 mL 质量浓度为5 g/100 mL 的香草醛－冰醋酸溶液[22]。将混匀后的标准品溶液于60 ℃水浴锅中水浴30 min 后，冷却至室温，用冰醋酸定容到10 mL。向96 孔微孔板中吸取各容量瓶中配制好的溶液100 μL，使用酶标仪测定标品溶液在550 nm 处的吸光度。每个样品浓度做3 组平行。横坐标x 为熊果酸质量，纵坐标y 为OD 值，标准曲线方程为y=1.396 3x+0.081 2，R2=0.999。

1.3.3 荚蒾总三萜的提取

精确称取干燥至恒重的荚蒾粉末0.1 g 于离心管中，根据样品和溶剂的比例加入不同体积分数的乙醇溶液，置于离心管中，按照不同的超声温度和超声时间进行总三萜的提取[23]，超声完成后2 000 r/min 离心5 min，取上清液备用。

1.3.4 荚蒾总三萜含量及得率的测定

将不同条件下提取的荚蒾样品溶液2 000 r/min离心5 min，精确吸取上清液0.2 mL，将其放入10 mL容量瓶中，60 ℃水浴挥干溶剂，后续操作步骤按照1.3.2进行。根据标准曲线方程，计算提取物中的总三萜质量浓度，并计算出不同条件下总三萜的提取率，计算公式如下[21]。

式中：X 为总三萜质量浓度，mg/mL；A 为吸光度；Y 为总三萜得率，%；m 为粉末质量，g；n 为稀释倍数。

1.3.5 单因素试验

考察乙醇浓度（20%、40%、60%、80%、100%）、料液比[1∶7.5、1∶10.0、1∶12.5、1∶15.0、1∶20.0（g/mL）]、超声温度（30、40、50、60、70 ℃）、超声时间（20、40、60、80、100 min）对总三萜得率的影响。

1.3.6 响应面优化试验设计

以单因素试验结果为基础，遵循响应面Box-Behnken 试验的设计要求[24]，以乙醇浓度、料液比、超声温度、超声时间为影响因素，以日本荚蒾中总三萜得率作为响应值设计试验方案，因素水平见表2。

表2 响应面试验设计因素水平Table 2 Factors and levels of the response surface design

1.3.7 日本荚蒾中总三萜提取物抗氧化能力测定

1.3.7.1 日本荚蒾中总三萜对DPPH 自由基清除能力测定

精密称取不同质量抗坏血酸（VC）标准品，溶于95%乙醇溶液中并定容，配制不同浓度梯度作为阳性对照组[25]，95%乙醇溶液加0.2 mg/mL DPPH 作为空白组。将提取并离心后的样品溶液旋蒸浓缩，测浓缩液中总三萜含量，并按照不同浓度梯度进行稀释，最终样品浓度梯度为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/mL，向96孔微孔板中吸取不同浓度梯度的样品溶液100 μL，再吸取100 μL 0.2 mg/mL DPPH 乙醇溶液，充分混合，在避光环境中静置30 min，待反应充分。同时，将100 μL 95%乙醇溶液加入不同浓度梯度的样品溶液中作为对照组。测定517 nm 波长处的吸光度[26]。每个试验做3组平行，最终取3 组平行试验的平均值。按以下公式计算DPPH 自由基清除率。

式中：X 为DPPH 自由基清除率，%；A1为不同浓度荚蒾样品溶液与DPPH 混合后在517 nm 处测定得到的吸光度；A2为不同浓度荚蒾样品溶液与乙醇溶液混合后在517 nm 处测得的吸光度；A0为与DPPH 混合的乙醇溶液在517 nm 处测得的吸光度。

1.3.7.2 日本荚蒾中总三萜对ABTS+自由基清除能力测定

精密称取不同质量抗坏血酸（VC）标准品溶于95%乙醇溶液中并定容，配制为不同浓度梯度，作为阳性对照组[25]，95%乙醇溶液加0.2 mg/mL ABTS 为空白组。将提取并离心后的样品溶液旋蒸浓缩，测定浓缩液中总三萜含量，并按照不同浓度梯度进行稀释，最终样品浓度梯度为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/mL，向96孔微孔板中吸取不同浓度梯度下的样品溶液100 μL，再吸取100 μL 0.2 mg/mL ABTS 乙醇溶液，充分混合，在避光环境中静置30 min，待反应充分。同时，将100 μL 95%乙醇溶液加入不同浓度梯度的样品溶液中作为对照组。测定517 nm 波长处的吸光度[26-27]。每个试验做3 组平行，最终取3 组平行试验的平均值。按以下公式计算ABTS+自由基清除率。

式中：X 为ABTS+自由基清除率，%；A1为不同浓度荚蒾样品溶液与ABTS 混合后在517 nm 处测定得到的吸光度；A2为不同浓度荚蒾样品溶液与乙醇溶液混合后在517 nm 处测得的吸光度；A0为与ABTS 混合的乙醇溶液在517 nm 处测得的吸光度。

1.4 数据处理

单因素过程所得到的数据利用Origin2021 进行分析，Design-Expert 8.0.6 软件进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 乙醇浓度对总三萜得率的影响

乙醇浓度对总三萜得率的影响见图1。

图1 不同乙醇浓度对日本荚蒾总三萜得率的影响Fig.1 Effects of different ethanol concentrations on the yield of total triterpenes from Viburnum japonicum

由图1 可看出，乙醇浓度对日本荚蒾中总三萜得率有影响，总三萜得率在4.75%～6.75%，乙醇浓度仅在极低或极高时对总三萜得率影响较大，说明乙醇浓度高于某一范围或者低于某个阈值均会降低某些三萜类化合物的溶解度，或增加荚蒾中一些醇溶性、脂溶性、色素等物质溶出量，达到影响总三萜化合物得率的效果，乙醇浓度处于40%～80%影响较平稳，当处于40%时获得率呈最高水平，之后呈下降趋势，所以将40%乙醇浓度选作较佳提取条件。

2.1.2 料液比对总三萜得率的影响

料液比对总三萜得率的影响见图2。

图2 不同料液比对日本荚蒾总三萜得率的影响Fig.2 Effect of different ratio of material to liquid on the yield of total triterpenes from Viburnum japonicum

由图2 可知，不同料液比对日本荚蒾中总三萜得率有着较为明显的影响，总三萜得率在5.10%～8.78%，料液比为1∶7.5～1∶15.0（g/mL）时总三萜得率呈上升状态，之后总三萜得率快速降低，可能是随着乙醇用量的增加，溶液稀释，浓度降低，超声波对荚蒾粉末的作用减弱，乙醇提取的作用也相对减弱，最终导致总三萜得率降低。因此选择1∶15.0（g/mL）作为提取日本荚蒾的较佳料液比。

2.1.3 超声温度对总三萜得率的影响

超声温度对总三萜得率的影响见图3。

图3 不同超声温度对总三萜得率的影响Fig.3 Effects of different ultrasonic temperatures on the extraction rate of total triterpenes from Viburnum japonicum

由图3 可知，不同超声温度对日本荚蒾总三萜得率有明显影响，总三萜得率在6.48%～8.91%，在50 ℃之前随着温度的上升总三萜类化合物的得率也随之增加，这可能是由于分子间运动速度随温度升高而加快，分子间渗透和扩散能力增强，从而加大了三萜物质的溶出，但温度继续上升三萜物质得率降低，可能是温度升高会导致三萜物质发生分解，或有其他物质溶出影响总三萜的含量，因此，最终选择超声温度50 ℃作为较佳提取温度。

2.1.4 超声时间对总三萜得率的影响

超声时间对总三萜得率的影响见图4。

图4 不同超声时间对日本荚蒾总三萜得率的影响Fig.4 Effect of different ultrasonic time on the extraction rate of total triterpenes from Viburnum japonicum

从图4 可以看出，超声时间对总三萜的得率影响不大，总三萜得率在5.30%～6.15%，在60 min 之前随着超声时间的延长，总三萜的得率也在逐渐增加，超声时间过长反而导致总三萜得率降低，应该是在前期随着超声时间的延长组织破碎增加，导致内容物溶出增多，总三萜含量增加，继续超声会导致杂质增加，且会影响总三萜的稳定性，进而导致总三萜含量降低，因此，最终选择60 min 为较佳超声时间。

2.2 响应面法优化荚蒾总三萜的提取工艺

2.2.1 响应面试验设计与结果

试验设计及结果如表3 所示。

表3 荚蒾中总三萜提取响应面试验设计及结果Table 3 Orthogonal experimental design and results of total triterpenoids extraction from Viburnum japonicum

2.2.2 模型的建立及显著性检验

由响应面试验结果，利用Design-Expert 8.0.6 分析表3 数据，得出以日本荚蒾中总三萜得率（Y）为响应值的二次多项回归模型为Y=8.78+0.34A+0.31B-0.014C+0.8D+1.39AB-0.18AC+0.31AD+0.22BC+0.29BD-0.26CD-1.7A2-1.46B2-0.36C2-0.58D2。

方差分析结果如表4 所示。

表4 二次回归模型的方差分析结果Table 4 Variance analysis results of quadratic regression model

由表4 可知，该模型相关系数R2=0.979 2，决定系数说明总三萜得率的变化97.92%来自试验设计中的4 种不同因素，表明该模型有效，模型拟合显著，校正决定系数R2Adj=0.935 4 表明试验数据93.54%的变化均可用该试验模型解释。一次项D、交叉项AB、二次项A2、B2、D2对日本荚蒾总三萜得率的影响表现为极显著（P＜0.01），二次项D2对日本荚蒾总三萜得率的影响表现为显著（P＜0.05）。其他相关因素的影响不显著。试验因素的F 值反映不同组合对响应值的影响程度，F 检验表明各因素对总三萜得率影响大小为超声时间（D）＞料液比（B）＞乙醇浓度（A）＞超声温度（C）。

2.2.3 响应面交互作用分析

响应曲面图可以用来评价任意两因素间交互作用对日本荚蒾中总三萜提取的影响，并能确定出不同因素的最佳水平范围。由试验所得到的回归模型得到响应曲面图如图5 所示。

图5 任意两因素的交互作用与日本荚蒾总三萜得率关系的响应面图Fig.5 Response surface map of the relationship between the interaction of two factors and the extraction rate of total triterpenes from Viburnum japonicum

响应曲面坡度表明响应值对于操作条件改变的敏感程度，曲面越陡峭，表明响应值对于操作条件的改变越敏感[28]；反之曲面坡度越平缓，操作条件的改变对响应值的影响也就越小[29]。从图5 可以看出，乙醇浓度与料液比的交互作用显著，即这2 个因素的交互作用对总三萜得率的影响显著；此外，乙醇浓度与超声温度，乙醇浓度与超声时间，料液比与超声温度，料液比与超声时间，超声温度与超声时间的交互作用不显著。

2.2.4 最佳试验条件及验证试验

通过响应面分析得到最优工艺条件为乙醇浓度40.77%、料液比1∶12.5（g/mL）、超声温度50.02 ℃、超声时间73.64 min，在该理论条件下，日本荚蒾总三萜的得率为9.16%。为更加方便实现操作过程，改进了理论条件下的最优提取工艺，并确定最终提取工艺为乙醇浓度40%、料液比1∶12.5（g/mL）、超声温度50 ℃、超声时间74 min，在改进后的最优工艺条件下总三萜实际得率为9.07%。该值接近理论条件下总三萜得率，说明该改进后的工艺参数可靠。

2.3 总三萜抗氧化活性的试验结果

DPPH 自由基和ABTS+自由基清除率测定结果如图6 和图7 所示。

图6 荚蒾总三萜DPPH 自由基清除率影响Fig.6 Scavenging rate of total triterpene from Viburnum japonicumto DPPH free radical

图7 荚蒾总三萜对ABTS+自由基清除率影响Fig.7 Scavenging rate of total triterpenoids from Viburnum japonicum to ABTS+free radicals

由图6 可以看出，VC清除DPPH 自由基效果较好，且质量浓度的变化对其影响较小。从日本荚蒾提取的总三萜类化合物清除DPPH 自由基的效果低于VC。总三萜的质量浓度在0.5～2.0 mg/mL，日本荚蒾总三萜提取物对DPPH 自由基清除率随着总三萜质量浓度的增加而增加，但是在质量浓度高于2.5 mg/mL 后日本荚蒾中总三萜对DPPH 自由基清除率趋于稳定。稳定后的日本荚蒾中总三萜提取物对DPPH 自由基的清除率为89%，具有相对较好的抗氧化性能。

从图7 可以看出，VC对ABTS+自由基的清除效果较好且相对稳定，不随质量浓度的改变而发生较大改变。总三萜质量浓度在0.5～2.0 mg/mL 时，随着总三萜质量浓度的增加，日本荚蒾总三萜提取物对ABTS+自由基的清除效果逐渐增强，质量浓度如果持续增加，对ABTS+自由基清除效果趋于稳定，在总三萜质量浓度高于2.5 mg/mL 后日本荚蒾中总三萜提取物对ABTS+自由基的清除率稳定在78%，日本荚蒾提取物中总三萜对ABTS+自由基有较好的清除效果。

3 结论

通过单因素与响应面试验，应用响应面对数据处理及优化，建立提取过程的二次项多项式理论模型，结合实际操作情况确定最优提取条件为乙醇浓度40%、料液比1∶12.5（g/mL）、超声温度50 ℃、超声时间74 min，在改进后的工艺条件下总三萜得率为9.07%。进一步对荚蒾中总三萜提取物的抗氧化活性进行检测，结果表示，日本荚蒾总三萜提取物对DPPH 自由基及ABTS+自由基的清除作用虽略低于VC，但也表现出相对较强的抗氧化活性。本文为进一步开发利用日本荚蒾中总三萜化合物等功能活性成分提供参考。