賈凱慧，李占君，姚遠(yuǎn)，楊逢建*

(1.森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150040； 2.黑龍江省林業(yè)科學(xué)院伊春分院，黑龍江 伊春 153000)

0 引言

紫蘇(Perillafrutescens)，別名白蘇、荏子和赤蘇等，為唇形科(Ladiatae)紫蘇屬(Perilla)1年生草本植物，原產(chǎn)于我國，主要分布在中國、不丹、印度、印度尼西亞、日本和朝鮮等，我國各地廣泛栽培[1]。紫蘇適應(yīng)性強，對土壤要求不高，在排水較好的砂質(zhì)壤土、壤土、黏土上均能良好生長，且較耐高溫。莖綠色或紫色，鈍四棱形，具四槽，密被長柔毛；葉對生，寬卵形或圓卵形，邊緣有粗圓齒，兩面呈紫色或背面一面紫色以及兩面全綠色[2]。籽近球形或扁球形，種皮灰褐色，具特殊草木香味[3-4]。紫蘇可供藥用和香料用，入藥部分以莖葉和籽實為主，葉有鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜、解毒作用，梗有平氣安胎之功，籽能鎮(zhèn)咳、祛痰、平喘、發(fā)散精神之沉悶；葉又供食用，與肉類煮熟可增加肉類的香味[5]。

紫蘇籽油是世界上α-亞麻酸含量最高的植物油之一，具有抗氧化、抗癌癥和降低心血管疾病等功效，被譽為“陸地上的深海魚油”[6]。當(dāng)前，對紫蘇籽油提取已有大量研究，但紫蘇籽油加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物——紫蘇粕常作為廢物、農(nóng)業(yè)肥料或動物飼料[7-8]，對其研究較少。紫蘇粕含有豐富的蛋白質(zhì)、纖維和酚酸類等物質(zhì)[9 -10]，其中酚酸類物質(zhì)中的迷迭香酸(Rosmarinic Acid，RosA)是有一定生理活性的天然化合物，且含量較高[11-13]，具有抗氧化、清除自由基、消炎、抗血栓和抗血小板凝集等作用[14-16]，抗氧化活性強于綠原酸、咖啡酸、葉酸和維生素 E等[17]，因此，從紫蘇粕中提取RosA具有重要意義。

超聲輔助提取是在溶劑萃取法基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新興萃取工藝，其利用超聲波的空化效應(yīng)，使分子在液體界面擴散加劇，促進(jìn)細(xì)胞破碎及油脂滲出，相比水蒸氣法、索氏提取法和有機溶劑萃取法等傳統(tǒng)方法操作簡單，提取高效[18]。本研究是以紫蘇粕為原料，采用超聲波輔助提取法從紫蘇粕中提取RosA，對乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、超聲功率、超聲時間進(jìn)行單因素試驗，根據(jù)試驗結(jié)果設(shè)計Box-Benhnken響應(yīng)面優(yōu)化RosA提取工藝，應(yīng)用高效液相色譜法測定RosA含量，采用DPPH和ABTS+清除自由基法評價超聲RosA、索氏RosA、維生素C(Vc)和水溶性維生素E(VE)體外抗氧化清除自由基能力，以期探究紫蘇粕中RosA最佳提取工藝及其抗氧化能力，為紫蘇粕RosA資源開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 材料與儀器

1.1 材料與試劑

紫蘇粕，東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點實驗室自制；RosA標(biāo)準(zhǔn)品，HPLC級，純度大于等于98%，上海源葉生物科技有限公司；Vc，天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠；甲醇(湖北弗頓生化科技有限公司)和乙腈(SK生物醫(yī)藥科技上海有限公司)為色譜級；無水乙醇(天津富宇精細(xì)化工有限公司)、乙酸乙酯(天津富宇精細(xì)化工有限公司)等均為分析純。

1.2 儀器

電子分析天平，型號UH620H，日本 SHIMADZU 島津；數(shù)控超聲清洗機，型號JP-100ST，深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司；高效液相色譜儀，型號1260，美國安捷倫公司；醫(yī)用離心機，型號H1650，長沙市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)湘儀離心機器有限公司。

2 試驗方法

2.1 原料處理

去雜后的紫蘇籽60 ℃下烘干至恒重，粉碎再次60 ℃烘干(含水量小于等于5%)，采用超聲輔助法提取紫蘇籽油，剩余殘渣即為紫蘇粕，過60目篩，置于4 ℃冰箱避光保存。

2.2 供試品RosA溶液的制備及測定

2.2.1 超聲輔助提取法

精準(zhǔn)稱取1.00 g紫蘇粕粉末于50 mL錐形瓶中，加入50 mL 體積分?jǐn)?shù)為50%的乙醇溶液，在超聲功率150 W下提取35 min，隨后10 000 r/min離心5 min，取2 mL上清液過0.45 μm有機濾膜，即為供試品溶液[19]。剩余供試品溶液4 ℃避光保存，作為超聲RosA抗氧化性能力測定分離純化的原料。

2.2.2 索氏提取法

精準(zhǔn)稱取1.00 g紫蘇粕粉末于濾紙包中，置于提取器內(nèi)，燒瓶內(nèi)加入一定量體積分?jǐn)?shù)為50%的乙醇溶液，加熱燒瓶至溶劑沸騰，回流抽提5 h，旋蒸濃縮提取液[20]，取5 mL甲醇復(fù)溶過0.45 μm有機濾膜，即為供試品溶液。剩余供試品溶液4 ℃避光保存，作為索氏RosA抗氧化性能力測定分離純化的原料。

2.2.3 HPLC測定RosA色譜條件

Diamonsil-C18色譜柱(4.6 mm×2 590 mm×5 μm)；檢測波長330 nm；柱溫30 ℃；流動相乙腈和0.1%磷酸水溶液體積比為2.5∶7.5；流速1.0 mL/min[21]。

2.2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

精稱RosA標(biāo)準(zhǔn)品3.00 mg溶于1 mL甲醇中即得3 mg/mL標(biāo)準(zhǔn)母液，將母液稀釋成0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mg/mL標(biāo)準(zhǔn)溶液。應(yīng)用高效液相色譜法測定，以峰面積為y軸、質(zhì)量濃度大小為x軸繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，并進(jìn)行回歸分析。最終得到RosA回歸方程為y= 11.906x-103.13(R2=0.999 3)，線性范圍0.5～2.5 mg/mL。供試品高效液相色譜如圖1所示。

圖1 供試品高效液相色譜Fig.1 HPLC chromatograms of sample

2.2.5 供試品RosA得率測定

HPLC測定RosA供試品，測得峰面積代入標(biāo)準(zhǔn)曲線，由得出的RosA質(zhì)量濃度計算得率，公式如下

m1=n×v；

(1)

(2)

式中：n為RosA質(zhì)量濃度，mg/mL；v為樣品液體總體積，mL；y為總RosA得率(%)；m1為樣品RosA的質(zhì)量， g；m2為紫蘇粕質(zhì)量， g。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理

采用 OriginPro 2018和 Design Expert 8軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理。

2.4 RosA單因素試驗

60目紫蘇粕粉末1.00 g，料液比1∶50(g/mL)，超聲時間35 min，超聲功率150 W，研究乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、50%、60%、70%、80%對RosA得率的影響。60目紫蘇粕粉末1.00 g，乙醇體積分?jǐn)?shù)50%，超聲時間35 min，超聲功率150 W，研究料液比1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60(g/mL)對RosA得率的影響。60目紫蘇粕粉末1.00 g，乙醇體積分?jǐn)?shù)50%，料液比1∶50(g/mL)，超聲時間35 min，研究超聲功率50、100、150、200、250 W 對RosA得率的影響。60目紫蘇粕粉末1.00 g，乙醇體積分?jǐn)?shù)50%，料液比1∶50(g/mL)，超聲功率150 W，研究超聲時間15、25、35、45、55 min 對RosA得率的影響。

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇料液比(A)、超聲功率(B)、超聲時間(C)3個自變量，設(shè)計三因素三水平Box-Behnken Design優(yōu)化試驗，以RosA得率為響應(yīng)值，響應(yīng)面因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面因素水平Tab.1 The factors and levels of response surface

2.5 RosA抗氧化能力測定

2.5.1 RosA的分離純化

參考張春艷[22]研究方法超聲RosA提取液和索氏RosA提取液，以每小時2個柱體積的速度通過大孔樹脂吸附柱，吸附飽和后用蒸餾水洗脫除去雜質(zhì)，接著以體積分?jǐn)?shù)80%乙醇為洗脫劑解吸得到洗脫液，最后將洗脫液真空濃縮、冷凍干燥獲得純度較高的超聲RosA和索氏RosA產(chǎn)品。純化后4 ℃冰箱避光保存，用于DPPH和ABTS+清除能力測定。

2.5.2 RosA的DPPH清除能力測定

參考訾玉祥等[23]研究方法并稍加修改，采用無水乙醇準(zhǔn)確配制1 mmol/L的DHHP溶液，4 ℃冰箱黑暗保存。分別配制5組不同質(zhì)量濃度的超聲RosA、索氏RosA、Vc和VE溶液。取1 mL測試樣品和1 mL DPPH溶液置于同一試管中，室溫下暗反應(yīng)30 min后，在518 nm波長處測定吸光度(A)，按照相同條件，測定1 mL樣品溶液和1 mL無水乙醇溶液混合的吸光度(A1)，以及1 mL DPPH溶液和1 mL無水乙醇溶液混合的吸光度(A2)。試驗重復(fù)3次，取平均值。DPPH自由基清除率計算公式為

(3)

2.5.3 RosA的ABTS+清除能力測定

參考劉紅文等[24]研究方法并稍加調(diào)整，配制7.4 mmol/mL ABTS+自由基溶液和2.6 mmol/mL過硫酸鉀溶液，按體積比1∶1混合后黑暗環(huán)境反應(yīng)12 h。用PBS緩沖液稀釋30～60倍，在734 nm波長處測定吸光度為0.7±0.02，該溶液為ABTS+工作液。分別配制5組不同質(zhì)量濃度的超聲RosA、索氏RosA、Vc和VE溶液。取 0.3 mL測試樣品和2.7 mL ABTS+工作液置于同一試管中，室溫下暗反應(yīng)30 min后，在734 nm波長處測定吸光度(A)，按照相同條件，測定2.7 mL ABTS+工作液和0.3 mL 95%乙醇溶液混合的吸光度(A2)。試驗重復(fù)3次，取平均值。ABTS+自由基清除率計算公式為

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗結(jié)果分析

3.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對RosA得率的影響

由圖2可知，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)不斷增加，RosA得率呈先增大后降低的趨勢，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為40%～50%時RosA得率增長較快，50%時得率最大為7.91%±0.162%，這是因為RosA化合物與50%乙醇的極性相似，有利于RosA化合物溶出，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)超過50%，溶液體系滲透壓增大，RosA得率反而降低；此外，易與有機溶劑結(jié)合的其他化合物如脂類或醇類等物質(zhì)溶出，也導(dǎo)致RosA分子相對含量降低。因此，選擇體積分?jǐn)?shù)50%乙醇作為提取溶劑[25-26]。

圖2 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)對RosA得率的影響Fig.2 Effect of different ethanol volume fraction on RosA yield

3.1.2 料液比對RosA得率的影響

由圖3可知，隨著料液比不斷增加，RosA得率呈先升高后降低的趨勢，當(dāng)液料比為1∶20～1∶50(g/mL)時RosA得率逐步上升，最大值為7.87%±0.103%，這是因為隨著溶劑量增加，紫蘇粕粉末與溶劑接觸更充分，增大RosA分子的擴散速度；但料液比超過1∶50(g/mL)后，由于RosA分子與溶劑融合度已達(dá)到峰值，易溶于乙醇溶液的其他化合物溶出量不斷增加，導(dǎo)致RosA得率相對減少。考慮到RosA得率工業(yè)造價，選擇料液比1∶40～1∶60(g/mL)這一區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化[25]。

圖3 不同料液比對RosA得率的影響Fig.3 Effect of different solid-liquid ratio on RosA yield

3.1.3 超聲功率對RosA得率的影響

由圖4可知，隨著超聲功率不斷增大，RosA得率呈先增大后平緩的趨勢，當(dāng)超聲功率為50～100 W時RosA得率顯著升高，其原因是功率增大，紫蘇粕粉末吸收的超聲波能增加，細(xì)胞內(nèi)傳質(zhì)阻力減小，使得 RosA更容易溢出；當(dāng)超聲功率為150～250 W時RosA得率趨于穩(wěn)定，其原因是功率過大，溶劑溫度上升，紫蘇粕內(nèi)部結(jié)構(gòu)固化，進(jìn)而影響RosA得率。綜合考慮，選擇超聲功率100～200 W這一區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 不同超聲功率對RosA得率的影響Fig.4 Effect of different ultrasonic power on RosA yield

3.1.4 超聲時間對RosA得率的影響

由圖5可知，隨著超聲時間不斷增加，RosA得率呈先升高后下降最終平穩(wěn)的趨勢，當(dāng)超聲時間為15～35 min時RosA得率逐漸升高，其原因是隨著超聲時間增加，超聲波破壞細(xì)胞壁及內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加充分，RosA化合物能夠最大限度從細(xì)胞中滲透出來；但超聲時間超過35 min 后，由于長時間的機械振動和空化作用會破壞RosA化合物結(jié)構(gòu)使其他非RosA類物質(zhì)溶出，RosA得率下降。綜合考慮，選擇超聲時間25～45 min這一區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 不同超聲時間對RosA得率的影響Fig.5 Effect of different ultrasonic time on RosA yield

3.2 響應(yīng)面優(yōu)化提取工藝

3.2.1 模型建立與顯著性檢驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果設(shè)計Box-Benhnken響應(yīng)面優(yōu)化RosA提取工藝，對表 2 試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，可得回歸方程為

Y=7.48+0.048A+0.15B+0.11C+0.11AB+0.23AC+0.050BC-0.38A2-0.23B2-0.39C2。

表 2 中心組合優(yōu)化試驗

對回歸方程進(jìn)行方差分析，由表3可知，模型F=53.23，P<0.01，說明模型差異極顯著，具有統(tǒng)計學(xué)意義，失擬項F=5.05，P=0.075 8>0.05，表明差異不顯著，無失擬因素存在，模型擬合度良好，可通過該模型確定最佳提取工藝。單因素料液比(A)P=0.087 3>0.05，說明料液比對RosA得率無顯著性影響，超聲功率(B)P=0.000 4<0.01和超聲時間(C)P=0.002 1<0.01，說明超聲功率和超聲時間對RosA得率具有極顯著性影響，且由F大小可知B>C，說明超聲時間對RosA得率影響更大。在組合因素中，AB和AC的P均小于0.05且AB的P小于0.01，說明AB和AC交互作用較強，這2個組合因素對RosA得率影響顯著，只有BC的P大于0.05，說明該組合因素對RosA得率影響不顯著。二次項A2、B2、C2三者P均小于0.01，說明其對RosA得率均具有極顯著性影響。

表3 響應(yīng)面擬合回歸方程的方差分析結(jié)果Tab.3 Response surface fitting regression equation results of variance analysis

續(xù)表3

由表4可知，擬合優(yōu)化模型的預(yù)測復(fù)相關(guān)系數(shù)(Pred.R2= 0.985 6>0.8)和調(diào)整系數(shù)(Adj.R2=0.967 1>0.8)幾乎是一致，且綜合決定系數(shù)(Com.R2)為 0.813 0，表明該模型擬合度較高，模型準(zhǔn)確度與變異系數(shù)(Coefficient of Variation，CV)有關(guān)，CV越小準(zhǔn)確度越高，說明本研究設(shè)計方案對紫蘇粕RosA進(jìn)行優(yōu)化可行。

表4 回歸方程的可信度分析Tab.4 Reliability analysis of regression equation

3.2.2 因素交互影響及等高線分析

響應(yīng)面可反映2個因素之間的交互作用，響應(yīng)面底部的等高線圖和3D圖可直觀反映交互作用的顯著性，3D圖坡度越陡，表明交互作用越明顯。由圖6和圖7可知，底部投影近圓形，表明料液比與超聲功率以及料液比與超聲時間之間交互作用較顯著，隨著超聲功率、料液比和超聲時間增加，RosA得率呈先增大后減小的趨勢，在料液比約1∶50(g/mL)、超聲時間約35 min和超聲功率約 150 W時RosA得率最大，之后RosA得率逐步降低。由圖8可知，底部投影呈橢圓形，表明超聲功率與超聲時間之間交互作用較弱；超聲時間30～45 min時RosA得率逐漸上升，表明此時間段在超聲功率作用下對RosA得率影響較大；45 min之后坡度變緩，表明此時間段在超聲功率作用下對RosA得率影響較小。

圖6 料液比與超聲功率的交互性影響Fig.6 Interactive effect of solid - liquid ratio and ultrasonic power

圖7 料液比與超聲時間的交互性影響Fig.7 Interactive effect of solid- liquid ratio and ultrasonic time

圖8 超聲功率與超聲時間的交互性影響Fig.8 Interactive effect of ultrasonic power and ultrasonic time

3.2.3 優(yōu)化提取參數(shù)和驗證試驗

通過回歸模型分析可知，最佳提取工藝參數(shù)為乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、料液比1∶51.94(g/mL)、超聲功率170 W、超聲時間38.97 min，該條件下理論RosA得率為7.53%?？紤]到實際操作，確定RosA最佳提取工藝為乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、料液比1∶50(g/mL)、超聲功率150 W、超聲時間35 min。取1.00 g紫蘇粕粉末按最佳提取工藝進(jìn)行3次驗證試驗，平均RosA得率為7.41%±0.09%，與理論推測值7.53%無顯著差異。

3.2.4 工藝對比

對比表5中2組數(shù)據(jù)可知，超聲輔助提取的RosA得率略高于索氏提取，超聲輔助提取耗時短、效率高，相比索氏提取更具有優(yōu)勢。

表5 超聲輔助與索氏提取對比Tab.5 Comparison of ultrasonic assisted and Soxhlet extraction

3.3 RosA抗氧化能力

3.3.1 RosA的DPPH自由基清除能力

由圖9可知，隨著溶液質(zhì)量濃度增加，清除DPPH自由基能力也隨之增加，呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。同一質(zhì)量濃度下，超聲RosA、索氏RosA、Vc和VE清除DPPH自由基能力由強到弱順序為：Vc、超聲RosA、索氏RosA、VE。質(zhì)量濃度為0～40 μg/mL四者清除率變化較大，之后隨著溶液質(zhì)量濃度增加，清除率增加緩慢。質(zhì)量濃度100 μg/mL時，超聲RosA、索氏RosA、Vc和VE的清除率分別為76.5%、68.6%、80.1%和67.2%。

圖9 RosA的DPPH自由基清除率Fig.9 Clearance rate of DPPH radical by RosA

3.3.2 RosA的ABTS+自由基清除能力

由圖10可知，隨著溶液質(zhì)量濃度增加，Vc、超聲RosA和索氏RosA的清除能力呈先升高后穩(wěn)定的趨勢，VE的清除能力持續(xù)升高。同一質(zhì)量濃度下，清除ABTS+自由基能力由強到弱順序為：Vc、超聲RosA、索氏RosA、VE。質(zhì)量濃度為0～60 μg/mL四者清除率均呈增加趨勢，其中Vc、超聲RosA和索氏RosA清除率增加較快，清除效果較好。質(zhì)量濃度為40～100 μg/mL，超聲RosA和Vc清除ABTS+自由基能力趨于穩(wěn)定，索氏RosA和VE的清除能力依然呈上升趨勢。質(zhì)量濃度100 μg/mL時，超聲RosA、Vc、VE和索氏RosA的清除率分別為88.58%、90.13%、79.55%和86.92%。

圖10 RosA的ABTS+自由基清除率Fig.10 Clearance rate of ABTS+ radical by RosA

4 結(jié)論與討論

為探究紫蘇粕中迷迭香酸RosA的最佳提取工藝及其抗氧化能力，為紫蘇粕RosA資源開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)，本研究采用超聲輔助提取法提取RosA，對乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、超聲功率、超聲時間進(jìn)行單因素試驗，根據(jù)試驗結(jié)果設(shè)計Box-Benhnken響應(yīng)面優(yōu)化RosA提取工藝，應(yīng)用高效液相色譜法測定RosA含量，采用DPPH和ABTS+清除自由基法評價超聲RosA、索氏RosA、維生素C(Vc)和水溶性維生素E(VE)體外抗氧化清除自由基能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)面法在RosA提取優(yōu)化方面具有較好可行性和預(yù)見性。RosA最佳提取工藝為乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、料液比1∶50(g/mL)、超聲功率150 W、超聲時間35 min，該條件下進(jìn)行3次驗證試驗，平均RosA得率為7.41%±0.09%，與理論推測值7.53%相差較小，表明試驗結(jié)果吻合，與梅喜剛等[27]提取紫蘇粕RosA得率為(0.542±0.02) mg/g結(jié)果相似。以清除DPPH自由基和ABTS+自由基為評價體系，比較Vc、超聲RosA、索氏RosA和VE的抗氧化性發(fā)現(xiàn)其由高到低順序為：Vc、超聲RosA、索氏RosA、VE，索氏高溫提取對RosA結(jié)構(gòu)造成損害，抗氧化作用下降。RosA可作為天然抗氧化劑使用，在食品、化妝品和醫(yī)療抗氧化方面具有一定應(yīng)用價值。