袁云香
(渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,陜西渭南714099)
響應(yīng)面優(yōu)化孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮的提取工藝
袁云香
(渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,陜西渭南714099)
以孔雀草葉片為外植體誘導(dǎo)愈傷組織并進(jìn)行懸浮培養(yǎng),測定了懸浮細(xì)胞的總黃酮含量。通過單因素實(shí)驗(yàn)及響應(yīng)面分析,研究了固液比、乙醇濃度、提取溫度和提取時間對黃酮產(chǎn)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,從孔雀草懸浮細(xì)胞中提取總黃酮的最佳優(yōu)化工藝條件為:以72%乙醇為浸提溶劑,固液比1∶25g/mL,提取時間3.2h,提取溫度59℃,在此條件下總黃酮得率理論值為21.49%,驗(yàn)證值為21.37%,驗(yàn)證值與理論值間的相對誤差為0.12%。
孔雀草,愈傷組織,懸浮培養(yǎng),黃酮
近年來,隨著人們對黃酮類化合物研究的深入,開發(fā)利用植物資源提取黃酮類化合物的研究較多。孔雀草作為萬壽菊屬的常規(guī)栽培觀賞花卉,其藥用價值逐漸被關(guān)注[1]??兹覆菥哂兴幱煤捅=r值,其全草含有精油及黃酮類色素,入藥有清熱解毒、消炎補(bǔ)血等功效,在食品、醫(yī)藥及禽類飼料生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[2-4]。
與孔雀草同屬的其他花卉如萬壽菊研究的比較多。李娜對萬壽菊花總黃酮提取進(jìn)行了研究[5],張瑞等采用響應(yīng)面法優(yōu)化了萬壽菊中類胡蘿卜素的提取工藝[6],李剛剛對萬壽菊顆粒殘渣中總黃酮進(jìn)行了提取[7]。而關(guān)于孔雀草黃酮類化合物的提取,目前主要是集中在對其花葉的提取,張瑞等對孔雀草干花瓣進(jìn)行了黃酮類色素提取,確定了干花中黃酮提取的最佳提取條件[8]。但由于孔雀草的種植受季節(jié)的影響,只能春種、夏秋收獲,且易受病蟲害影響,致使在利用孔雀草花瓣提取黃酮類色素時原料相對不足。為解決這一難題,本實(shí)驗(yàn)利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)具有不受季節(jié)、氣候、空間的限制,細(xì)胞生長迅速、周期短、產(chǎn)量高等的優(yōu)點(diǎn),進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)黃酮類色素。目前植物組織培養(yǎng)技術(shù)在紅豆杉、雪蓮等制備藥用成分研究中應(yīng)用廣泛,是植物天然產(chǎn)物工業(yè)化生產(chǎn)的重要手段。采用孔雀草愈傷組織進(jìn)行懸浮細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)黃酮類化合物,國內(nèi)外尚未見報道。本實(shí)驗(yàn)以孔雀草葉片為外植體誘導(dǎo)愈傷組織建立孔雀草懸浮培養(yǎng)體系,并測定懸浮細(xì)胞中總黃酮含量,確定了提取工藝的最佳條件,為大規(guī)模開展孔雀草細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)黃酮類物質(zhì)提供科學(xué)依據(jù),為緩解藥用植物資源不足、開發(fā)可持續(xù)利用的藥用資源另辟蹊徑。
1.1材料與儀器
孔雀草種子實(shí)生苗采自陜西秦嶺山區(qū);蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品中國藥品生物制品檢定所,純度98%;乙醇,NaNO2,Al(NO3)3·9H2O,NaOH上海生化制品有限公司,分析純;6-BA(6-芐基氨基嘌呤)、NAA(萘乙酸)、瓊脂中國醫(yī)藥(集團(tuán))上海化學(xué)試劑公司;培養(yǎng)基MS培養(yǎng)基。
755B紫外可見分光光度計、雷磁pH計上海精密科學(xué)儀器有限公司;MC京制電子天平賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;HH-8數(shù)字恒溫水浴鍋國華電器有限公司;LDZX-50KAS立式壓力滅菌鍋上海申安醫(yī)療器械廠;BCM-1000A生物潔凈工作臺蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司;THZ-82B氣浴恒溫振蕩器江蘇正基儀器有限公司;Anke DI-4000B離心機(jī)上海安亭科學(xué)儀器廠。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1孔雀草愈傷組織的誘導(dǎo)及懸浮細(xì)胞培養(yǎng)孔雀草懸浮細(xì)胞系由孔雀草種子萌發(fā)的無菌苗葉片誘導(dǎo)愈傷組織,誘導(dǎo)的培養(yǎng)基為MS+1.0mg/L 6-BA+ 0.8mg/L NAA+7g/L瓊脂+30g/L蔗糖[9],pH為5.8(下同),培養(yǎng)溫度為(22±1)℃、光照強(qiáng)度為1500~2000Lx、每天光照時間12h。將誘導(dǎo)的愈傷組織轉(zhuǎn)移至B5+ 0.5mg/L NAA+1.0mg/L 6-BA+30g/L蔗糖的液體培養(yǎng)基上,于搖床中進(jìn)行懸浮培養(yǎng)。溫度為(25±2)℃,轉(zhuǎn)速160r/min,繼代培養(yǎng)時加入等量的新鮮培養(yǎng)液,每7~10d繼代1次,經(jīng)過3~4繼代培養(yǎng)可得到無性細(xì)胞系。將懸浮培養(yǎng)細(xì)胞經(jīng)濾紙過濾,蒸餾水洗滌3次,稱其鮮重;在45℃下烘干至恒重,稱其干重,研缽研磨后過40目篩網(wǎng)備用。
1.2.2標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作采用NaNO2-Al(NO)3-NaOH顯色法測定標(biāo)準(zhǔn)曲線[10]。將蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品置于105℃下,恒溫烘至恒重。精密稱取蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品20mg置于100mL容量瓶中,加60%的乙醇溶解,定容至刻度,其濃度為0.2mg/mL,作為貯備液。精密移取2.5mL置于25mL容量瓶中加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的亞硝酸鈉1mL,混勻,放置6min,加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%硝酸鋁1mL混勻,放置6min,加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%NaOH 10mL,再加水至刻度,搖勻,放置15min,以不加標(biāo)準(zhǔn)品為空白對照,在310~600nm波長進(jìn)行掃描,在510nm波長處有最大吸收。
精密吸取貯備液0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0mL分別置于25mL容量瓶中加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的亞硝酸鈉1mL,混勻,放置6min,加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%硝酸鋁1mL混勻,放置6min,加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%NaOH 10mL,再加水至刻度,搖勻,放置15min,以加蘆丁為0的樣品為空白,在510nm處測吸光度。以吸光度A為縱坐標(biāo),濃度C(mg/mL)為橫坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,求出線性回歸方程。
1.2.3孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮的提取稱取研碎的孔雀草懸浮細(xì)胞0.1g置于25mL的容量瓶中,加入一定體積分?jǐn)?shù)的乙醇提取,離心取上清,加蒸餾水定容至刻度。精確吸取2.5mL樣品,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的亞硝酸鈉1mL,混勻,放置6min,加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%硝酸鋁1mL混勻,放置6min,加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%NaOH 10mL,再加水至25mL,搖勻放置15min,于510nm波長處測定吸光度;重復(fù)3次求平均值。根據(jù)回歸方程計算提取物中總黃酮含量,并按下式計算孔雀草懸浮細(xì)胞中總黃酮得率??傸S酮得率(%)=(提取液中總黃酮的濃度×提取液的體積)/孔雀草懸浮細(xì)胞質(zhì)量×100
1.2.4單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計按照1.2.3中的方法進(jìn)行單因素提取實(shí)驗(yàn),研究不同固液比、乙醇濃度、提取溫度、提取時間分別對孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮得率的影響。
1.2.4.1固液比對孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮得率的影響準(zhǔn)確稱取0.1g孔雀草懸浮細(xì)胞5份,分別以1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40g/mL為固液比,加入60%的乙醇,在50℃水浴中浸提2h,測定固液比對孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮得率的影響。
1.2.4.2乙醇濃度對孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮得率的影響準(zhǔn)確稱取0.1g孔雀草懸浮細(xì)胞5份,以1∶25為固液比,在50℃下,分別采用體積分?jǐn)?shù)為40%、50%、60%、70%、80%的乙醇為浸提劑,浸提2h,測定不同乙醇濃度對孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮得率的影響。
1.2.4.3提取溫度對孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮得率的影響準(zhǔn)確稱取0.1g孔雀草懸浮細(xì)胞5份,以1∶25固液比,加入70%的乙醇,分別在40、50、60、70、80℃下浸提2h,測定不同提取溫度對孔雀草懸浮細(xì)胞黃酮得率的影響。
1.2.4.4提取時間對孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮得率的影響準(zhǔn)確稱取0.1g孔雀草懸浮細(xì)胞5份,固液比為1∶25,乙醇濃度70%,在60℃水浴下分別浸提1、2、3、4、5h,測定不同提取時間的對孔雀草懸浮細(xì)胞黃酮得率的影響。
1.2.5響應(yīng)面法對孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮提取工藝的優(yōu)化在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用響應(yīng)面法確定影響水平,根據(jù)Box-Benhnken的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計[11],采用四因素三水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到最佳提取條件,以提高總黃酮的產(chǎn)量,實(shí)驗(yàn)設(shè)計如表1。
表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment
1.3數(shù)據(jù)處理
單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行分析,每組實(shí)驗(yàn)均平行重復(fù)三次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(M±SE)表示。響應(yīng)面分析采用Design-Expert V8.0.6.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
2.1標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程
按照蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制方法得到蘆丁吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果如圖1所示。其回歸方程為:y= 11.554x+0.0135,相關(guān)系數(shù)R2=0.9992,線性關(guān)系良好。
2.2單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.2.1不同固液比對孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮得率的影響不同固液比的浸提效果如圖2所示,固液比在1∶20~1∶25時,總黃酮的得率呈上升趨勢,1∶25時得率最高,超過1∶25后總黃酮的得率呈現(xiàn)下降趨勢。造成這種趨勢的可能原因是在一定的固液比范圍內(nèi),孔雀草懸浮細(xì)胞中的黃酮類物質(zhì)溶出,隨著固液比的增大而增加,當(dāng)固液比達(dá)到1∶25時,黃酮類物質(zhì)溶出速度達(dá)最大。黃酮達(dá)到溶解平衡后再提高固液比不會促進(jìn)黃酮的提取,反而會增大雜質(zhì)的溶出而影響提取結(jié)果??紤]到實(shí)驗(yàn)成本,故選取固液比為1∶25為宜。
圖1 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Calibration curve of rutin
圖2 固液比對黃酮得率的影響Fig.2 Influence of liquid/solid ration on extraction rate of total flavonoids
2.2.2不同乙醇濃度對總黃酮得率的影響從圖3可以看出,隨著乙醇濃度的增大,黃酮得率逐漸增加,乙醇濃度70%時黃酮得率達(dá)最高,之后增加乙醇濃度,提取效果反而下降。這可能由于乙醇濃度較低時,隨著乙醇濃度的增大黃酮類化合物的溶解度也增加;但乙醇濃度過高時,一些脂溶性雜質(zhì)的浸出量也增多,這使黃酮類化合物的溶解度降低,從而導(dǎo)致總黃酮得率下降,所以最終確定乙醇濃度為70%。
圖3 乙醇濃度對黃酮得率的影響Fig.3 Influence of ethanol concentration on extraction rate of total flavonoids
2.2.3不同提取溫度對總黃酮得率的影響由圖4的結(jié)果可知,孔雀草懸浮細(xì)胞黃酮的得率在40~60℃時,黃酮得率隨溫度的升高而增加,但超過70℃后,隨溫度的升高得率反而降低。這可能是由于溫度的升高,促進(jìn)了黃酮類化合物的溶解,但溫度過高會使黃酮類化合物氧化,因此本實(shí)驗(yàn)適宜提取溫度60℃。
圖4 提取溫度對黃酮得率的影響Fig.4 Influence of extraction temperature on extraction rate of total flavonoids
2.2.4不同提取時間對總黃酮得率的影響從圖5可知,孔雀草懸浮細(xì)胞黃酮得率在1~3h之間時,隨著提取時間的增加而增加,提取3h時達(dá)最高,3h后隨著時間的延長得率反而降低。這可能是由于在一定的提取時間內(nèi),黃酮類化合物已充分溶出,延長提取時間反而使黃酮類物質(zhì)被氧化分解導(dǎo)致黃酮得率下降,故適宜的取提取時間3h。
圖5 提取時間對黃酮得率的影響Fig.5 Influence of extraction time on extraction rate of total flavonoids
2.3孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮提取響應(yīng)面優(yōu)化分析
2.3.1模型的建立及顯著性檢驗(yàn)采用Design-Expert V8.0.6.1軟件處理數(shù)據(jù),以黃酮得率為響應(yīng)面值,對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式回歸分析,得到以孔雀草懸浮細(xì)胞黃酮的得率的二次多元回歸方程:Y=-154.89175+4.76867A+1.42168B+1.37580C+16.22067D-5.00000× 104AB+1.00000×103AC-0.103505AD+2.45000×103BC+2.50000×103BD-0.015500CD-0.090760A2-0.010852B2-0.012953C2-2.00900D2。
表2 響應(yīng)面設(shè)計方案及響應(yīng)值Table 2 Experiment design and result of response surface method analysis
由表3可以看出,該模型高度顯著(p<0.0001),失擬項(xiàng)不顯著(p=0.0574>0.01),相關(guān)系數(shù)較高(R2= 0.9696),表明該模型可以解釋96.96%的實(shí)驗(yàn);變異系數(shù)(CV)反映模型的精確度,CV值越低,模型的可靠性越高。本實(shí)驗(yàn)的CV為2.09%,說明其置信度較高,能夠較好地反映真實(shí)的實(shí)驗(yàn)值,可用此模型分析響應(yīng)值的變化。
由表3還可以看出,在四個因素中,一次項(xiàng)A、C和交互作用項(xiàng)AD的影響差異顯著(p<0.05),一次項(xiàng)B和D、二次項(xiàng)A2、B2、C2和D2的影響差異極顯著(p<0.01),其余均不顯著(p>0.05)。各因素按影響大小排序?yàn)椋禾崛r間D>乙醇濃度B>提取溫度C>固液比A。
2.3.2響應(yīng)面交互作用的分析與優(yōu)化通過Design Expert軟件對各因素之間的交互作用進(jìn)行響應(yīng)面分析,繪制響應(yīng)面曲線圖。響應(yīng)面坡度可反映單因素對總黃酮得率的影響,坡度越陡,影響越顯著。等高線圖可直觀反映各因素間交互作用的顯著程度,其中橢圓形表示兩因素間交互作用顯著,圓形表示兩因素間交互作用弱。在同一橢圓型的區(qū)域內(nèi)總黃酮得率相同,橢圓形中心總黃酮得率最高,往邊緣得率隨之減少;橢圓排列密集表明該因素的變化對總黃酮得率影響越大[12]。圖6~圖11分別顯示6組以總黃酮得率為響應(yīng)值的趨勢圖。
由圖6可知固液比對響應(yīng)值的影響大于乙醇濃度。在固液比一定時,總黃酮得率隨著乙醇濃度的提高而增大;超過75%后總黃酮得率略有下降。乙醇濃度一定時,總黃酮得率隨固液比的增大而增大,超過1∶28后總黃酮得率略有下降。
表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression model
圖6 乙醇濃度和固液比對總黃酮得率的影響Fig.6 Effect of ethanol concentration and liquid/solid ratio on extraction rate of total flavonoids
從圖7可知,固液比在1∶20~1∶26時,固液比增大黃酮得率亦上升,超過1∶26后得率下降;在固液比一定時,延長提取時間黃酮得率亦提高,達(dá)到最高值后下降。
圖7 提取溫度和固液比對總黃酮得率的影響Fig.7 Effect of extraction temperature and liquid/solid ratio on extraction rate of total flavonoids
由圖8可以看出,響應(yīng)面的坡度很陡,提取時間和固液比的交互作用顯著,提取時間對響應(yīng)值的影響大于固液比。在固液比一定時,隨提取時間的增加得率增加明顯,黃酮得率達(dá)到最高值后下降。
圖8 提取時間和固液比對總黃酮得率的影響Fig.8 Effect of extraction time and liquid/solid ratio on extraction rate of total flavonoids
由圖9可知,響應(yīng)面的坡度較緩,提取溫度和乙醇濃度的交互作用較弱,對總黃酮得率的影響不顯著。
圖9 提取溫度和乙醇濃度對總黃酮得率的影響Fig.9 Effect of extraction temperature and ethanol concentration on extraction rate of total flavonoids
圖10表明,總黃酮得率隨提取時間的增加和乙醇濃度的提高增加,達(dá)最高后下降,提取時間對總黃酮得率的影響比乙醇濃度影響大。
圖10 提取時間和乙醇濃度對總黃酮得率的影響Fig.10 Effect of extraction time and ethanol concentration on extraction rate of total flavonoids
圖11中等高線呈圓形,表明提取時間和提取溫度的交互作用不顯著,提取時間對黃酮得率的影響比提取溫度大。隨著提取時間和提取溫度的增加黃酮得率呈上升趨勢,適當(dāng)?shù)难娱L提取時間有利于黃酮充分的擴(kuò)散和浸出,且溫度的升高可以促使分子解吸,加快擴(kuò)散速度,從而提高總黃酮的得率;但溫度過高和時間過長使總黃酮被氧化,導(dǎo)致得率降低[12]。
圖11 提取時間和提取溫度對總黃酮得率的影響Fig.11 Effect of extraction time and extraction temperature on extraction rate of total flavonoids
2.3.3驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)通過軟件分析,得到孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮的提取工藝最佳條件為:固液比為1∶24.56(g/mL),乙醇濃度為71.96%,提取溫度為58.93℃,提取時間為3.22h。為檢驗(yàn)該提取工藝的可靠性,考慮到實(shí)際操作的方便性,采用固液比為1∶25,乙醇濃度為72%,提取溫度為59℃,提取時間為3.2h,在此條件下進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn),實(shí)際測得孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮的得率平均值為21.37%,與理論預(yù)測值21.49%相對偏差僅為0.12%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型相符,說明采用響應(yīng)面分析法所得的孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮的提取條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠。
孔雀草懸浮細(xì)胞總黃酮的提取工藝中,固料比、乙醇濃度、提取時間和提取溫度4個因素,提取時間和乙醇濃度達(dá)到極顯著水平,提取溫度和液料比達(dá)到顯著水平,其影響大小依次為:提取時間>乙醇濃度>提取溫度>固液比??兹覆輵腋〖?xì)胞總黃酮最佳的提取條件為:固液比1∶25,乙醇濃度72%,提取溫度59℃,提取時間3.2h,總黃酮得率可達(dá)21.37%,與理論值相差0.12%,說明該模型能較好地預(yù)測各因素與得率之間的關(guān)系。
目前,對孔雀草天然色素及藥用成分的利用重要是通過干花直接提取,而通過測定孔雀草懸浮細(xì)胞的總黃酮含量,優(yōu)化其最佳工藝條件,為植物組織培養(yǎng)生產(chǎn)天然素色及藥用成分等次生代謝產(chǎn)物的開發(fā)與利用奠定基礎(chǔ),在一定程度上打破地域和季節(jié)的限制,彌補(bǔ)了天然植物材料的不足,也為今后的研究提供合理的科學(xué)依據(jù)。
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Optimization of technology for total flavonoids from of suspension cell Tagetes patula L.by respone surface methodology
YUAN Yun-xiang
(College of Chemistry and Life Science,Weinan Teachers University,Weinan 714099,China)
The callus induced from the leaf of Tagetes patula L.were suspended in liquid medium.Optimization of flavonoids extraction process carried out in suspension cell culture through a single factor experiment and response surface method.The solid-liquid ratio,ethanol concentration,extraction temperature and extraction time on the extraction of flavonoids were investigated.Analysing by response surface method,the optimum technological condition for suspension cell were ethanol concentration 72%,the mass ratio 1∶25g/mL,extracting time 3.2h and extracting temperature 59℃.Under this condition the theoretical extraction rate of flavonoids was 21.49%,validation value was up to 21.37%.The relative error between theoretical and validation was 0.12%.
Tagetes patula L.;callus;suspension cell culture;flavonoids
TS201.1
B
1002-0306(2015)10-0220-06
10.13386/j.issn1002-0306.2015.10.037
2014-08-29
袁云香(1980-),女,碩士,副教授,主要從事植物學(xué)及其次生代謝產(chǎn)物方面的研究。
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31000410);渭南師范學(xué)院校級理科類項(xiàng)目(14YKS003);渭南師范學(xué)院特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(14TSXK04)。