4种桑葚花色苷的超声提取及其抗氧化能力比较

2016-06-15 03:27牛天羽刘洪章刘树英
关键词:桑葚

牛天羽,刘洪章,刘树英

(吉林农业大学 生命科学学院,吉林 长春 130118)



4种桑葚花色苷的超声提取及其抗氧化能力比较

牛天羽,刘洪章,刘树英

(吉林农业大学 生命科学学院,吉林 长春 130118)

[摘要]【目的】 超声提取黑果桑、白果桑、野生蒙桑和栽培蒙桑桑葚花色苷,分析比较其花色苷含量及抗氧化能力,为吉林地区花色苷含量高、抗氧化能力强的桑种的选育提供参考。【方法】 以桑葚冻干粉为试样,在单因素试验的基础上利用响应面分析法确定4种桑葚花色苷的最佳超声提取条件;采用AB-8大孔树脂对花色苷进行纯化,测定4种桑葚花色苷的氧自由基清除能力和还原能力,并与同等质量浓度的VC进行比较。【结果】 响应面法优化得到桑葚花色苷的最佳提取条件为:提取液为体积分数60%的酸化甲醇,超声温度41 ℃,超声时间39 min,料(g)液(mL)比1∶53。栽培蒙桑、野生蒙桑、黑果桑和白果桑桑葚的花色苷含量分别为11.815,11.166, 9.179和0.189 mg/g,在花色苷质量浓度为0.1~2.0 mg/mL时,其氧自由基清除能力分别为0.100~0.666,0.100~0.500,0.115~0.615和0.029~0.441,还原能力分别为0.028~0.453,0.031~1.102,0.023~0.676和0.013~0.392,弱于相同质量浓度VC的氧自由基清除能力和还原能力。【结论】 4种桑葚中,栽培蒙桑的花色苷含量最高,氧清除能力最强,有进一步培育的价值。

[关键词]桑葚;花色苷;超声提取;抗氧化能力;桑种选育

桑属植物是温带、暖温带常见植物,在北半球的亚热带地区到南半球的热带地区,例如东亚、西亚、北美、南美、欧洲、非洲均有间断分布[1]。桑属植物由于地理分布广,适应的生态环境复杂,且既能异花授粉,又能无性繁殖,在不同的生态条件及长期的自然选择和人工培育下,形成了许多种、变种和亚种[2]。中国的桑属植物分为15种、4个亚种,云南、贵州、四川、西藏等西南部地区桑属植物种类比较丰富,吉林省长白山区和中部地区种植的桑树种类较少,常见的有蒙桑(Morusmongolicavar.),黑桑(MorusnigraL.)和白桑(MorusalbaL.),均具有抗旱、抗寒等特点,目前已实现大面积种植[3]。

据中国药典[4]记载,桑树的桑白皮、桑枝、桑叶、桑葚均有药用价值,分别有泻肺平喘、祛风湿、疏散风热、滋阴补血等功效。东北地区种植桑树除药用及观赏绿化外,最主要作用是桑葚的食用。桑葚中含有多种有效成分,其中花色苷为主要成分,因此花色苷含量是评价桑树利用价值的重要指标。花色苷是植物水溶性色素,赋予植物叶子、花、果实以不同颜色[5],据研究报道,目前已发现的桑葚花色苷主要有4种,分别为矢车菊3-O-葡萄糖苷、矢车菊3-O-芸香糖苷、天竺葵3-O-葡萄糖苷和天竺葵3-O-芸香糖苷[6]。花色苷能清除体内氧自由基和羟自由基,清除DPPH,同时具有还原能力,是天然抗氧化剂[7-9],能够减轻机体损伤,延缓衰老,并预防阿兹海默症[10],同时花色苷还有降血糖[11-12]、治疗癌症[13-14]等作用。目前,对东北地区黑桑的研究较多,对白桑及蒙桑的研究尚未见报道,对不同种桑葚成分的系统分析研究也很少。

本试验以吉林地区黑桑、白桑、栽培蒙桑、野生蒙桑的桑葚果实为试材,对其花色苷含量及其清除自由基的能力进行比较研究,以期为吉林地区花色苷含量高和抗氧化能力强的桑种的选育、利用及其大面积种植提供依据。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1桑葚栽培的黑果桑和白果桑桑葚采自集安,野生蒙桑(Morusmongolica(Bureau) C.K.Schneid.)和栽培蒙桑(Morusmongolicavar.)的桑葚采自吉林农业大学校园,采摘时间为2013年7-8月。花色苷超声提取工艺及纯化研究部分均以黑果桑为试验材料。

1.1.2仪器与设备T6新世纪紫外可见分光光度计,RE-52A旋转蒸发仪,电子天平,超声清洗器,FD-1B-50真空冷冻干燥机,HH-S6数显恒温水浴锅,BT02-YZ1515恒流泵,2.6 cm×60 cm柱。

1.2花色苷的提取

1.2.1花色苷提取流程将桑葚冷冻干燥,研磨得桑葚粉末备用。取桑葚粉末,加入体积分数为 0.1% HCl 酸化(在提取花色苷类化合物时,加入HCl,使提取环境为酸性,有利于保持花色苷的稳定性,防止其降解)的甲醇[15],超声(功率200 W,频率40 kHz)提取,抽滤,浓缩。用石油醚萃取浓缩液,留下水层,然后用水饱和正丁醇萃取,留水饱和正丁醇层,干燥水饱和正丁醇层得花色苷粗品。

1.2.2花色苷含量的测定采用pH示差法[16]测定花色苷含量,分别在pH为1.0和4.5条件下于520和700 nm处测定样品吸光值A520、A700,计算花色苷含量。花色苷含量=(A/εL)×MW×DF×V/Wt×1 000,其中A为pH 1.0条件下A520-A700与pH 4.5条件下A520-A700的差值;εL为消光系数,取26 900;MW为矢车菊素-3-葡萄糖苷相对分子质量,取449.2;DF为稀释倍数;V为提取液体积;Wt为样品质量。

1.2.3桑葚花色苷超声提取工艺的单因素试验1)甲醇体积分数对提取液中花色苷含量的影响。取体积分数为40%,50%,60%,70%,80%,90%和100%的甲醇溶液,加入体积分数0.1%的HCl对其进行酸化。取7份桑葚粉末(0.5 g/份),以不同体积分数的酸化甲醇为提取液,在温度为30 ℃,料(g)液(mL) 比(后文简称料液比)为1∶40的条件下,超声提取30 min,过滤后测定花色苷含量。

2)超声温度对提取液中花色苷含量的影响。取6份桑葚粉末(0.5 g/份),以体积分数60%酸化甲醇为提取液,料液比1∶40,分别在20,30,40,50,60,70 ℃下超声提取30 min,过滤后测定花色苷含量。

3)超声时间对提取液中花色苷含量的影响。取5份桑葚粉末(0.5 g/份),以体积分数60%酸化甲醇为提取液,料液比1∶40,于30 ℃分别超声提取20,30,40,50,60 min,过滤后测定花色苷含量。

4)料液比对提取液中花色苷含量的影响。取5份桑葚粉末(0.5 g/份),以体积分数60%酸化甲醇为提取液,在料液比分别为1∶20,1∶30,1∶40,1∶50和1∶60的条件下,于30 ℃超声提取30 min,过滤后测定花色苷含量。

1.2.4桑葚花色苷提取工艺的响应面法优化按照桑葚花色苷提取影响因素的单因素试验结果,选取对花色苷提取影响较大的超声温度、超声时间和料液比3个因素进行三因素三水平的响应面优化试验。试验因素及其水平如表1所示。

表 1 桑葚花色苷提取工艺的响应面法优化试验因素水平表

1.3花色苷的纯化

文献[7,16-17]报道,大孔树脂AB-8对花色苷的吸附洗脱效果比较好,因此本试验采用AB-8 大孔树脂对花色苷进行纯化。

1.3.1大孔树脂的预处理将AB-8大孔树脂用乙醇浸泡24 h后,淋洗乙醇至流出液澄清,蒸馏水清洗至无醇味,备用。

1.3.2花色苷溶液的制备取适量的粗花色苷粉末用蒸馏水溶解,在520 nm处测定溶液中花色苷吸光度A。

1.3.3酸化乙醇体积分数的筛选为了分析不同体积分数酸化乙醇对洗脱效果的影响:取8份处理后的大孔树脂,每份3 g,置于100 mL锥形瓶中,加入50 mL花色苷溶液,30 ℃振荡4 h使之充分吸附,过滤,在520 nm处测定溶液中花色苷的吸光度A0,分别加入体积分数20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%和90%的酸化乙醇溶液50 mL,振荡4 h后,过滤,在520 nm处测定溶液中花色苷的吸光度A1,计算不同体积分数酸化乙醇对大孔树脂吸附的花色苷的解吸率:解吸率=A1/(A-A0)×100%。解吸率越大,说明洗脱效果越好。

1.3.4花色苷的过柱纯化装好柱子后,缓缓加入溶解后的花色苷,过夜,用体积分数0.1% HCl水溶液洗柱,直至无多糖和蛋白被洗出,洗脱液中的蛋白和多糖分别用苯酚硫酸和考马斯亮蓝G250[16]法检测。然后用体积分数60%酸化乙醇溶液洗柱,收集洗脱液,将洗脱液减压浓缩,冷冻干燥,得到的粉末为纯化后的花色苷。在纯化和减压浓缩过程中要注意遮光。

1.4花色苷抗氧化能力的比较

将纯化后的花色苷粉末用蒸馏水溶解,配制成不同质量浓度的花色苷溶液,对4种桑葚花色苷抗氧化能力进行检测。

1.4.1氧自由基的清除能力采用邻苯三酚自氧化法[18-19],根据表2在试管中加入缓冲液,分别加入样品(质量浓度分别为0.1,0.5,1.0,1.5和2.0 mg/mL)和对照品,25 ℃恒温20 min后,加入25 ℃的邻苯三酚溶液,在420 nm处每30 s测1次吸光度,共测2 min,计算氧自由基清除能力:氧自由基清除能力=(V0-V)/V0,其中V0为对照品吸光度随时间变化的速率,V为样品吸光度随时间变化的速率。同时,在相同的试验条件下测定0.1,0.5,1.0,1.5和2.0 mg/mL VC的氧自由基清除能力。

表 2 桑葚花色苷氧自由基清除能力测定加样表

1.4.2还原能力试验的原理为:铁氰化钾被还原后可以与三价铁离子作用,反应生成普鲁士蓝,普鲁士蓝在波长700 nm处有吸收,测定反应液在700 nm的吸光度即可表示花色苷的还原能力,还原能力越大,吸光度越高。根据文献[20],按表3加入缓冲液和样品(质量浓度分别为0.1,0.5,1.0,1.5和 2.0 mg/mL)及铁氰化钾溶液,50 ℃恒温20 min,冷却,加入三氯乙酸,以3 000 r/min的转速离心5 min,取上清5 mL,加蒸馏水和三氯化铁溶液,静置10 min,以蒸馏水做空白,于700 nm处测吸光度。同时,在相同的试验条件下测定0.1,0.5,1.0,1.5和2.0 mg/mL VC的还原能力。

表 3 桑葚花色苷还原能力测定加样表

2结果与分析

2.1超声法提取桑葚花色苷的单因素试验

2.1.1酸化甲醇体积分数的确定由图1可知,随着酸化甲醇体积分数的增大,提取液中的花色苷含量呈先增大后减小的趋势,当酸化甲醇的体积分数为60%时,提取液中的花色苷含量最高,达10.357 mg/g。因此,酸化甲醇的最佳体积分数为60%。

图 1 酸化甲醇体积分数对提取液中

2.1.2超声温度的确定由图2可知,在20~40 ℃,随着超声温度的升高,提取液中花色苷含量增加,至40 ℃时花色苷含量达最大值,为9.329 mg/g,其原因是随着超声温度的升高细胞膜的透性增强,有利于花色苷的浸出;40~60 ℃,提取液中花色苷含量稍有降低;温度在60 ℃以上时,溶液中花色苷含量明显降低,原因是当温度过高时,花色苷不稳定,容易降解成无色的查尔酮。因此确定,最佳的超声温度为40 ℃。

2.1.3超声时间的确定由图3可知,提取液中的花色苷含量在超声处理20~40 min时增速较快,在40 min达到最大值9.701 mg/g,超声时间超过40 min时花色苷含量迅速降低,原因是合理的超声有利于细胞破碎,有利于花色苷释出,而长时间的超声处理可能对花色苷有一定的降解和破坏作用。因此,最适宜的超声提取时间为40 min。

图 3 超声时间对提取液中桑葚花色苷含量的影响

2.1.4料液比的确定本试验以桑葚冻干粉末为试验材料,因此料液比较高。由图4可知,随着料液比的升高,提取液中的花色苷含量先增大后减小,当料液比为1∶50时花色苷含量达到最高,为8.990 mg/g。因此,桑葚花色苷超声提取的最佳料液比为1∶50。

2.2响应面分析结果

桑葚花色苷提取工艺的三因素三水平响应面优化试验结果见表4。

表 4 桑葚花色苷提取条件的响应面优化试验结果

以花色苷含量为因变量(Y),以各影响因素为自变量,用Design Expert软件进行回归分析,得到花色苷含量和各影响因素的回归模型为:Y=9.19+0.045A-0.066B+0.27C+0.14AB+0.079AC-0.22BC-0.27A2-0.46B2-0.45C2,模型的方差分析结果见表5。当因素的P值小于0.050 0时,表明该因素对结果影响显著。本回归模型P值为0.002 7,具有显著性,模型调整系数(0.842 0)与模型确定系数(0.645 3)相差不大,信噪比(9.422)>4,表明该模型可用。表5中C、BC、A2、B2、C2的P值均小于0.050 0,为显著因素。

表 5 提取液中桑葚花色苷含量与其影响因素回归模型的方差分析结果

分析表明,3个因素对提取液花色苷含量影响大小的顺序为料液比>时间>温度,各因素之间交互作用对花色苷含量影响的响应面图见图5~7。由图5可知,时间与温度等高线图呈椭圆形,说明时间与温度对提取液中花色苷含量的影响能力不同;时间坐标轴曲面变化较为明显,表明时间对花色苷含量的影响大于温度。

由图6可知,温度与料液比影响差异不明显,且响应曲面较陡,说明温度和料液比对提取结果的影响较强。

由图7可知,时间和料液比交互作用的等高线图呈椭圆形,响应曲面图中沿料液比坐标轴的曲线变化较快,说明料液比的影响强于时间。

图 5 温度和时间交互作用对提取液桑葚花色苷含量的影响

图 6 温度和料(g)液(mL)比交互作用对提取液桑葚花色苷含量的影响

图 7 时间和料(g)液(mL)比交互作用对提取液桑葚花色苷含量的影响

根据响应面分析可得最佳提取条件为:超声温度40.962 ℃,超声时间38.598 min,料液比1∶53.495。修正后的提取条件为:超声温度41 ℃,超声时间39 min,料液比1∶53,在该条件下进行验证试验,结果显示提取液中花色苷含量为9.179 mg/g,略小于模型预测值9.245 mg/g。

2.3花色苷含量比较

按照2.2.2获得的最佳提取条件,提取4种桑葚的花色苷,按1.3节方法纯化后测算花色苷的含量。结果显示:黑果桑、白果桑、栽培蒙桑和野生蒙桑的花色苷含量分别为9.179,0.189,11.815和11.166 mg/g,表现为:栽培蒙桑>野生蒙桑>黑桑>白桑。

2.4酸化乙醇体积分数的确定

由图8可知,不同体积分数的酸化乙醇对花色苷的解吸率不同,随着酸化乙醇体积分数的增加,洗脱液中花色苷含量逐渐增加,解吸率升高,当酸化乙醇体积分数为70%时,解吸率达到最大值(79.02%),洗脱效果最好。故在后续的动态试验中,选用体积分数70%的酸化乙醇进行洗脱。

图 8 酸化乙醇体积分数对桑葚花色苷解吸率的影响

2.5花色苷的抗氧化能力

2.5.1氧自由基清除能力由图9可知,在质量浓度较低时,黑果桑、野生蒙桑和栽培蒙桑花色苷的氧自由基清除能力大于VC,当质量浓度大于0.5 mg/mL时,VC的氧自由基清除能力迅速提高,而桑葚花色苷的氧自由基清除能力提高较缓慢;在质量浓度为0.1~2.0 mg/mL时,4种桑葚花色苷的氧自由基清除能力为:黑果桑0.115~0.615,白果桑0.029~0.441,野生蒙桑0.100~0.500和栽培蒙桑0.100~0.666,VC的氧自由基清除能力为 0.030~0.969 6。综合分析认为:桑葚花色苷的氧自由基清除能力较VC弱;栽培蒙桑氧自由基清除能力最佳,其次是黑果桑,白果桑的清除能力最差。

2.5.2还原能力由图10可知,在本试验条件下,VC的还原能力始终高于桑葚花色苷;当质量浓度由1.0 mg/mL增大为2.0 mg/mL时,VC的还原能力趋于饱和,变化较小(1.533~1.568),而4种桑葚的花色苷还原能力还在升高;在质量浓度为0.1~2.0 mg/mL时,4种桑葚花色苷的还原能力为:黑果桑0.023~0.676、白果桑0.013~0.392、野生蒙桑0.031~1.102、栽培蒙桑0.028~0.453,而VC的还原能力为0.889~1.568。综合分析认为:桑葚花色苷的还原能力弱于VC;野生蒙桑花色苷的还原能力最好,其次是黑果桑,白果桑花色苷的还原能力最差。

图 9 4种花色苷及维生素C氧自由基清除能力的比较

3讨论

胡金奎[6]、霍琳琳[16]和吴庆智[21]均通过正交试验对桑葚花色苷提取条件进行确定,其中胡金奎与霍琳琳以桑葚果汁为材料,确定的料(g)液(mL)比均为1∶10,而本试验以冻干后的桑葚粉末为试验材料,因此料液比与其研究结果有所不同;本试验甲醇体积分数与超声时间结果与吴庆智的研究结果[21]相似。Aramwit等[22]研究表明,当超声温度超过70 ℃或光照10 h以上时,花色苷表现不稳定,与本试验最佳温度为40 ℃符合。杨松[8]对桑葚花色苷与VC氧自由基清除能力的研究表明,在质量浓度为0.05~0.5 mg/mL时,药桑花色苷的氧自由基清除能力大于VC。而朱毛毛[9]研究认为,在质量浓度为0.2~1.2 mg/mL时,桑葚花色苷对氧自由基有一定清除作用,但清除能力小于VC。本研究结果显示,当花色苷质量浓度在0.1~0.5 mg/mL时,黑果桑、野生蒙桑和栽培蒙桑花色苷对氧自由基的清除能力大于VC,白果桑花色苷对氧自由基的清除能力小于VC,当质量浓度升高后,4种桑葚花色苷的氧自由基清除能力均小于VC,且4种桑葚花色苷清除能力有所不同。朱毛毛[9]和霍琳琳[16]通过油脂氧化试验对桑葚花色苷的还原能力进行研究,结果表明桑葚花色苷有一定的还原能力。本试验结果表明,桑葚花色苷的还原能力小于VC,且不同种桑葚花色苷的还原能力不同。

本试验对吉林省长白山区和中部地区的成熟黑果桑、白果桑、栽培蒙桑及野生蒙桑的花色苷提取工艺进行了研究,并对其含量进行了比较,结果表明:桑葚花色苷超声提取的最佳工艺条件为:体积分数60%的酸化甲醇为提取液,超声温度41 ℃,超声时间39 min,料液比1∶53;4种桑葚的花色苷含量表现为栽培蒙桑>野生蒙桑>黑果桑>白果桑。用AB-8大孔树脂对花色苷进行纯化,以纯化后的花色苷进行抗氧化试验,结果表明4种桑葚花色苷的氧自由基清除能力表现为栽培蒙桑>黑果桑>野生蒙桑>白果桑,还原能力表现为野生蒙桑>黑果桑>栽培蒙桑>白果桑,其中以栽培蒙桑的花色苷含量最高,氧自由基清除能力最佳。

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Extraction of anthocyanins from four mulberry fruits by ultrasonic method and comparison of their antioxidative activities

NIU Tian-yu,LIU Hong-zhang,LIU Shu-ying

(CollegeofLifeScience,JilinAgriculturalUniversity,Changchun,Jilin130118,China)

Abstract:【Objective】 This study extracted anthocyanins from black fruit mulberry,white fruit mulberry,wild Morus mongolica and cultivated Morus mongolica by ultrasonic method and analyzed their contents and antioxidative activities to provide reference for breeding of mulberry species with high anthocyanin content and antioxidant ability in Jilin.【Method】 The optimum extraction conditions were determined by response surface method.The anthocyanin was purified by AB-8 macroporous resins.Then,the free radical scavenging ability and reduction ability were determined and compared with VC.【Result】 The optimum extraction conditions of anthocyanin determined by response surface method were:ethanol volume fraction 60%,ultrasonic temperature 41 ℃,ultrasonic time 39 min,and ratio of material (g) to liquid (mL) 1∶53.The anthocyanin contents of cultivated Morus mongolica,wild Morus mongolica,black fruit mulberry,and white fruit mulberry were 11.815,11.166,9.179,and 0.189 mg/g,respectively.When the concentration of anthocyanin concentration was 0.1-2.0 mg/mL,their superoxide free radical scavenging abilities were 0.100-0.666,0.100-0.500,0.115-0.615,and 0.029-0.441 and reduction abilities were 0.028-0.453,0.031-1.102,0.023-0.676,and 0.013-0.392,respectively.The abilities of superoxide free radical scavenging and reduction of four mulberry fruits were weaker than VC.【Conclusion】 Cultivated Morus mongolica had the highest anthocyanin content and strongest free radical scavenging capacity.

Key words:mulberry fruit;anthocyanin;ultrasonic treatment;antioxidant ability;mulberry breeding

DOI:网络出版时间:2016-02-0209:3710.13207/j.cnki.jnwafu.2016.03.026

[收稿日期]2014-07-16

[基金项目]吉林省科技厅科技计划项目“中国长白山特色观赏果树(花木)资源创新与产业化育苗技术研究”(20100254)

[作者简介]牛天羽(1989-),女,吉林四平人,在读硕士,主要从事植物天然产物化学研究。E-mail:niutianyudyx@163.com[通信作者]刘洪章 (1957-),男,吉林白城人,教授,博士生导师,主要从事植物资源研究。E-mail:lhz999@126.com

[中图分类号]Q946.83.6

[文献标志码]A

[文章编号]1671-9387(2016)03-0188-08

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