辣木葉總黃酮響應面法微波萃取工藝優化及其體外降糖效果觀察

吉莉莉，汪開毓*，羅曉波，趙 玲，黃小麗，周 燕

1 四川農業大 學動物醫學院動物疫病與人健康四川省重點實驗室，雅安 625014;2四川省自然資源科學研究院，成都 610015

辣木(Morniga oleifera Lam.)為辣木科、辣木屬植物，起源于印度北部的亞喜馬拉雅山地帶。印度和非洲國家常用于治療糖尿病、高血壓、心血管病、肥胖癥等疾病［1，2］。近年來，辣木在我國廣東、云南、海南等都有引種栽培。2012 年辣木葉被中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會批準為新資源食品。目前國內外對辣木葉提取物的研究，證明了辣木葉黃酮類化合物有降低糖耐量、降血糖、降血脂等作用［3-6］。

已報道的辣木葉黃酮提取有乙醇為溶劑的回流提取法，耗時長，效率較低，且僅采用正交法優化提取工藝［7，8］。微波萃取法用于黃酮類化合物提取時，具有選擇性高、節省時間、溶劑用量少，對環境安全無害，提取效率高等優點［9］。響應面法與正交法相比，能研究幾種因素的交互作用，越來越廣泛地運用在解決多變量問題［10］。為此，本文以響應面法優化辣木葉總黃酮提取工藝，并觀察回流提取與微波萃取總黃酮的體外降糖效果差異，為辣木葉資源開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

辣木葉粉，購自云南景洪云南省熱帶作物科學研究所，石油醚8 h 索氏回流去脂;蘆丁，購自中國生物制品檢定所;DMEM 高糖培養基，購自Thermo生物化學制品(北京)有限公司;四甲基偶氮唑鹽(MTT)，購自Sigma 公司;胎牛血清，購自Thermo 生物化學制品(北京)有限公司;葡萄糖試劑盒，購自南京建成生物工程研究所有限公司;HepG2 細胞株，中國科學院成都生物研究所天然產物中心惠贈。

電腦微波超聲波紫外光組合催化合成儀，北京祥鵠科技發展有限公司XH-300UL 型;紫外可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司，UV-1100 型;酶標儀，BIO-RAD680 型;旋轉蒸發儀，德國IKA RV05 型。

1.2 試驗方法

1.2.1 標準曲線的建立

按照陳瑞嬌［7］的方法建立蘆丁對照品標準曲線。

1.2.2 回流提取辣木葉總黃酮及含量測定

按上法，準確稱取樣品30 g，加入70%乙醇，液料比20∶1，60 ℃回流提取3 次，每次1h。提取液濾過，合并濾液，即得回流提取總黃酮(Flavones extract by Reflux Extraction，FRE)。冷卻至室溫后，取濾液1 mL，測定總黃酮濃度。

1.2.3 微波萃取辣木葉總黃酮及含量測定

準確稱取樣品，按試驗設計的條件加入溶劑，置微波提取儀中，儀器設定為微波功率恒定模式，磁力攪拌。反應完成后濾過，即得微波萃取總黃酮(Flavones extract by Microwave Extraction，FME)。冷卻至室溫后取濾液1 mL，按上法測定總黃酮濃度。

1.2.4 響應面法優化實驗

在單因素實驗的基礎上，以乙醇濃度、微波功率、提取時間、液料比等因素為考察變量，以總黃酮得率F 為響應值，應用Design-Expert8.0.6 軟件，優化微波提取辣木葉總黃酮的工藝條件。響應面分析因素與水平設計見表1。

表1 響應面分析因素水平Table 1 Factors and levels of response surface design

1.2.5 辣木葉總黃酮體外降糖實驗［11］

1.2.5.1 細胞培養

將HepG2 細胞接種于培養瓶中，加入含10%熱滅活胎牛血清、100 U/mL 青霉素-鏈霉素雙抗的DMEM 高糖培養液，置37C、5% CO2、飽和濕度的CO2培養箱中培養。每隔2 d 更換1 次培養液，3 d后傳代，傳代數1∶4。取對數生長期的細胞進行試驗。

1.2.5.2 FRE 和FME 對HepG2 細胞葡萄糖消耗作用及MTT 毒性試驗

將冷凍干燥的FRE 和FME 粉末配制成高濃度水溶液，微孔濾膜濾過后，用無血清DMEM 培養液稀釋至所需濃度待用。將處于良好生長狀態的HepG2 細胞，用0.25%胰蛋白酶液消化后，以1×105個/mL 細胞接種于96 孔培養板中，置于CO2培養箱中培養，待細胞貼壁后，棄去原培養液，換無血清培養液饑餓12 h 后，加入含樣或不含樣的高糖培養液。將96 孔培養板中細胞分為空白對照組、樣品組，每個組重復6 孔，孵育24 h 后用葡萄糖試劑盒(氧化酶法)測定各孔培養液中葡萄糖的濃度，采用式(2)計算葡萄糖的消耗量。

式(2)中，GC:葡萄糖的消耗量，mmol/L;G0:0 h培養液中葡萄糖濃度，mmol/L;G24:24 h 培養液中葡萄糖濃度，mmol/L;

同時進行MTT 毒性試驗，在葡萄糖消耗試驗孵育結束，按文獻［11］方法測定細胞存活性與數量。

1.3 統計學分析

數據以SPSS19.0 軟件分析，各組間差異采用LSD 分析。

2 結果與分析

2.1 標準曲線

根據各濃度蘆丁對應的吸光值，計算得到標準曲線C=0.0817A+0.0018，相關系數R2=0.9998。

2.2 回流提取辣木葉黃酮得率

回流后的提取液濾過，總黃酮得率為2.05%，與陳瑞嬌的結果3.59%差異較大，可能因種植地點、采摘時間、烘干方式不同等因素造成。

2.3 單因素實驗

2.3.1 乙醇濃度的影響

稱取5 份辣木葉粉，每份1g，于微波萃取儀中提取。分別加入50%、60%、70%、80%、90%乙醇，微波功率200 W，提取時間6 min，液料比50∶1，結果見圖1a。由圖1a 可見，乙醇體積分數在60%時，提取率最大，而乙醇濃度增加，提取率降低，這是因為黃酮糖苷是由甙元成分和糖組成，甙元成分不易溶于水，而糖又易溶于水，乙醇與水達到最佳比例時，提取量最大。所以選擇體積分數為60%。

2.3.2 提取時間的影響

稱取5 份辣木葉粉，每份1 g，加入60%乙醇，微波功率200 W，液料比50∶1，分別按提取時間6、8、10、12、14 min。結果見圖1b。由圖1b 可見，隨時間延長，總黃酮得率升高，當提取時間為8 min 時，達到最高，低于8 min 時，提取不完全，而高于8 min時，由于溫度隨時間升高，部分黃酮類化合物可能被破壞，而導致得率下降。因此，選擇提取時間為8 min。

2.3.3 微波功率的影響

稱取5 份辣木葉粉，每份1 g，加入60%乙醇，液料比50∶1，分別于微波功率100、200、300、400、500 W，提取8 min。結果見圖1c。由圖1c 可見，隨著提取功率增加，總黃酮得率增加，功率達到400 W時最高，高于400 W 時則下降。這可能是過高功率對黃酮類化合物活性成分產生破壞導致得率下降。因此，選擇提取功率為400 W。

圖1 乙醇濃度(a)、提取時間(b)、微波功率(c)及液料比(d)對總黃酮得率的影響Fig.1 Effects of ethanol concentration(a)，extraction time(b)，microwave power(c)and liquid-to-solid ratio(d)on the extraction yield of flavones

2.3.4 液料比的影響

稱取5 份辣木葉粉，每份1 g，分別按照30∶1、40∶1、50∶1、60∶1、70∶1 加入60%乙醇，微波功率400 W，提取8 min，結果見圖1d。由圖1d 可見，當液料比為60∶1 時，總黃酮得率最高。因為液料比不足時，微波加熱速度快，溫度過高，破壞黃酮類化合物;過高時，微波加熱時間增長，未達到提取最佳溫度或保持時間不足使提取不完全。因此選擇液料比為60∶1。

2.4 響應面法對辣木葉總黃酮微波提取工藝參數的優化

試驗方案及結果見表2

將所得試驗數據進行多元回歸擬合，得到辣木葉黃酮得率Y 與微波提取各因素變量的二次回歸方程模型為:

表2 響應面試驗方案與結果Table 2 Design and results of response surface analysis

各因素按影響大小排序為微波功率X2＞醇濃度X1＞提取時間X3＞液料比X4。為了檢驗方程的有效性，對微波提取總黃酮的數學模型進行方差分析，并對各因子的偏向回歸系數進行檢驗，結果見表3。

由表3 可見，該模型極顯著(P＜0.0001);方程一次項中醇濃度X1為影響極顯著(P＜0.001)，提取時間X3為影響高度顯著(P＜0.01)，其余為不顯著(P＞0.05);方程二次項因素均為影響極顯著(P＜0.001);交互項X1X2、X1X4為影響顯著(P＜0.05)，X2X3、X2X4為影響高度顯著(P＜0.01)，X1X3、X3X4為不顯著。模型失擬項(P=0.1049)表示模型選擇合適。同時回歸方程相關系數R2=0.9852，說明模型相關度很好。所以，可以使用該模型來分析響應值的真實變化，可以用其確定最佳提取工藝條件。

表3 回歸模型參數檢驗Table 3 Parameter estimate of regression model

為了進一步研究相關變量交互作用以及確定最優點，通過Design Expert8.0.6 軟件繪制響應面曲線圖進行可視化分析。結果見圖2。由響應面立體圖可知，響應值存在最大值，經軟件分析計算，得到辣木葉總黃酮的最佳提取條件:醇濃度58.45%，微波功率397.15 W，提取時間8.13 min，液料比59∶1，理論提取率為3.49%。對該條件下進行5 次驗證試驗，結果表明，總黃酮平均得率為3.45%，試驗結果與模型基本相符，說明該模型能較好地模擬和預測辣木葉總黃酮得率。微波萃取與回流提取相比，總黃酮得率由2.05%升至3.45%，增加了68.3%;提取時間由3 h 縮短至8 min，僅為回流提取的4.44%。主要是因為微波萃取是利用微波使細胞內部的溫度迅速升高，壓力增高使細胞破裂，藥材內有效成分流出，并在較低的溫度下溶于萃取液，使提取時間更短，提取率更高［12］。

2.5 辣木葉總黃酮體外降糖試驗

2.5.1 FRE 和FME 對HepG2 細胞增殖的影響

以空白對照為100%計算，細胞存活率如圖3所示。MTT 毒性試驗表明，FME 與FRE 濃度在0.125 mg/mL 時，對細胞增殖有一定影響，存活率分別為99.47%及99.90%，其余濃度細胞存活率均大于100%，表現為促進細胞增殖。提取物凍干粉末相同質量濃度下，FRE 組細胞存活率均高于FME 組。

圖2 不同變量交互作用對總黃酮得率影響的響應面和等高線圖Fig.2 Response surface plot and contour line of factors interaction on extraction yield of total flavones

圖3 FME 及FRE 的細胞毒性Fig.3 Toxicity of FME and FRE

表4 FRE 和FME 對HepG2 細胞葡萄糖消耗作用Table 4 The effect of FRE and FME on the glucose consumption of HepG2 cell

2.5.2 FRE 和FME 對HepG2 細胞葡萄糖消耗的作用

由表4 可見，三個濃度的辣木葉黃酮提取物均有增加細胞對葡萄糖的消耗作用，并且與空白對照組相比，用藥組的葡萄糖消耗量顯著增加(P＜0.05)。用MTT 校正，扣除細胞增殖抑制對培養液中葡萄糖消耗的影響后，均顯著增加單位細胞的葡萄糖消耗量。相同質量濃度時，由FME 比FRE 表現出更強的降糖活性，說明了微波萃取方法可能提取的降糖有效成分含量更高。

3 結論

本研究采用微波萃取法提取辣木葉總黃酮，對提高辣木葉總黃酮的綜合利用以及黃酮類化合物的產業化具有理論指導意義。通過響應面分析對其提取工藝進行優化，微波萃取的最優提取工藝為:乙醇濃度58%，微波功率397 W，提取時間8 min，液料比59∶1(mL/g)。在此條件下，辣木葉總黃酮得率為3.45%。該方法傳統的回流提取相比，具有耗時短，提取率高的優勢。

辣木葉黃酮能促進HepG2 細胞對葡萄糖的消耗，與空白組相比具有明顯降糖效果，而微波萃取得到的總黃酮比回流提取得到的總黃酮表現出更強的降糖活性。提示微波萃取法能不僅縮短提取時間，且能提高辣木葉中降糖活性成分的提取率。

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