響應面法優化酶法輔助提取迷迭香酸工藝及其抗氧化活性

黃丹丹，沈 奇，朱秋勁，3，4，*，成 梅，羅自生，茅林春（.貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州 貴陽 00；.貴州省油菜研究所，貴州 貴陽 0008；3.貴州省農畜產品貯藏與加工重點實驗室，貴州 貴陽 00；4.國家牛肉加工技術研發分中心，貴州 惠水 0600；.浙江大學馥莉食品研究院，浙江 杭州 3008）

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響應面法優化酶法輔助提取迷迭香酸工藝及其抗氧化活性

黃丹丹1，沈 奇2，朱秋勁1，3，4，*，成 梅1，羅自生5，茅林春5
（1.貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省油菜研究所，貴州 貴陽 550008；3.貴州省農畜產品貯藏與加工重點實驗室，貴州 貴陽 550025；4.國家牛肉加工技術研發分中心，貴州 惠水 550600；5.浙江大學馥莉食品研究院，浙江 杭州 310058）

探究酶法輔助對紫蘇葉中迷迭香酸提取的最佳工藝，并評價其抗氧化活性。通過單因素試驗研究纖維素酶添加量、酶解溫度、時間和pH值對迷迭香酸提取得率的影響，采用響應面分析法和Box-Behnken試驗設計優化纖維素酶法提取迷迭香酸的最佳工藝參數，并通過迷迭香酸對超氧陰離子自由基和1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基的清除作用來研究其抗氧化活性。結果發現，紫蘇葉迷迭香酸最佳提取工藝為纖維素酶添加量3%、酶解溫度45 ℃、酶解時間12 min、酶解pH 4，此工藝條件下，迷迭香酸提取得率為0.617%，實際值與理論值0.621%不存在顯著性差異，結果合理可靠，可作為紫蘇葉迷迭香酸的最佳提取工藝條件。紫蘇葉迷迭香酸對DPPH自由基和超氧陰離子自由基的抗氧化實驗結果表明，迷迭香酸有較強的抗氧化活性。

紫蘇；迷迭香酸；響應面；酶法提取；抗氧化活性

紫蘇（Perilla frutescens L.）又名桂茬，荏子、赤蘇、香蘇等，莖呈方形，葉對稱生長，是一年生紫蘇屬唇形科的植物，可藥食兩用［1-3］。紫蘇在我國的南北各省區廣泛栽培，尤其是貴州、四川、廣東3省栽培較多，資源分布較為廣闊。據《貴州植物志·第八卷》記載，貴州產紫蘇1 種、2 變種［4-6］。貴州地區具有豐富的野生資源及較長的紫蘇栽培歷史，其獨特的喀斯特地貌也使紫蘇產生了豐富的資源。紫蘇葉中含精氨酸、紫蘇醛、薄荷酮、肉豆蔻醚等化學成分［7］。其中紫蘇葉中酸類和酚類成分是高效的抗氧化物質，主要酸類物質的活性成分是迷迭香酸，它具有較強的還原力，可以清除一定的自由基［8-11］，阻斷亞銷酸鹽類物質的作用，防止脂質過氧化，對于人類保健、抗衰老有很大的意義。

目前，從植物中提取分離迷迭香酸的方法有微波輔助提取法、溶劑提取法和熱水浸提法，張鑫等［11］分別通過熱水浸提法和溶劑提取法從紫蘇葉中提取迷迭香酸，結果表明溶劑提取法迷迭香酸提取得率較高，為2.732 mg/g，而熱水浸提法提取得率為2.105 mg/g。徐春明等［12］使用微波對紫蘇葉中迷迭香酸進行提取，結果表明，在處理時間4.5 min、微波功率560 W、料液比1∶33時，所得迷迭香酸產率為2.55 g/mg。但是這些方法存在提取效率低且資源浪費嚴重的問題。酶法輔助提取是一種提取得率高和反應時間短的高效提取方法，以添加特定的酶提高實驗的提取效率［13-15］。纖維素酶是高效的生物催化劑，可以加速植物組織結構的崩解，有利于迷迭香酸從細胞內溶出，從而提高了迷迭香酸的得率。本研究以酶法輔助提取紫蘇葉中的迷迭香酸，并利用響應面統計法優化迷迭香酸提取工藝，得到最優工藝條件參數，再通過對1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基和超氧陰離子自由基清除這兩個指標進行分析［16-17］，研究其抗氧化活性，為紫蘇葉中迷迭香酸化合物的研究及開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫蘇葉樣品，成熟期葉片，‘奇蘇三號’品種，采摘于貴州省油菜研究所紫蘇種植基地。

迷迭香酸標品（純度為98%） 天津士蘭科技有限公司；纖維素酶（酶活力不小于15 000 U/g） 貴州賽蘭博科技有限公司；乙腈、磷酸、無水乙醇、鄰苯三酚等均為分析純。

1.2 儀器與設備

BPCL-2-JZ-TG微弱發光儀（高壓900 V） 北京建新力拓科技有限公司；HB 3120U超聲波清洗儀 江蘇漢邦科技有限公司；1260 Infinity高效液相色譜儀 美國Agilent Technologies公司；TGL20M冷凍離心機 長沙邁佳儀器設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 迷迭香酸含量測定

1.3.1.1 迷迭香酸高效液相色譜的測定條件

從紫蘇中分離迷迭香酸，Model20l高效液相色譜儀，色譜柱：Welch C18（250 mm×4.6 mm，5 μm）；流動相：含1%磷酸的蒸餾水-乙腈（60∶40，V/V）；檢測波長：320 nm；進樣量：20 μL；體積流量：0.5 mL/min。

1.3.1.2 迷迭香酸標準曲線的繪制

精確稱取迷迭香酸標準品，并用蒸餾水溶解稀釋質量濃度為20、40、60、80、100 mg/L，由高效液相色譜測出迷迭香酸峰面積，并以質量濃度為橫坐標，迷迭香酸峰面積為縱坐標繪制標準曲線［18］。

1.3.2 工藝流程及操作要點

工藝流程：紫蘇干粉→酶解→提取→抽濾→熱回流→抽濾→殘渣提取→合并提取液。

將新鮮紫蘇葉洗凈烘干粉碎，過60 目篩，稱取1.00 g粉末樣品，置于具塞錐形瓶內，加入一定量的纖維素酶。加入50%的乙醇溶液30 mL。調節pH值，在水浴鍋中酶解，再經20 min熱回流提取后過濾，殘渣以同樣的方法再提取1 次，合并2 次提取液，用蒸餾水定容至100 mL［19］。用高效液相色譜法測得迷迭香酸質量濃度，計算得率。每個處理重復3 次。

1.3.3 纖維素酶法提取的迷迭香酸的單因素試驗

1.3.3.1 纖維素酶添加量的影響

固定酶解pH 3、酶解溫度40 ℃、酶解時間10 min的條件下，考察酶添加量分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%時提取物中迷迭香酸含量。試驗均重復3 次。其中，酶添加量計算見式（1）：

1.3.3.2 酶解溫度的影響

固定酶解pH 3、酶添加量1.5%、酶解時間10 min的條件下，考察酶解溫度分別為30、40、50、60、70 ℃時提取物中迷迭香酸含量。試驗均重復3 次。

1.3.3.3 酶解pH值的影響

固定酶解溫度 40 ℃、酶添加量1.5%、酶解時間10 min的條件下，考察酶解pH值分別為2、3、4、5、6時提取物中迷迭香酸含量。試驗均重復3 次。

1.3.3.4 酶解時間的影響

固定酶解溫度40 ℃、酶添加量1.5%、酶解pH 3的條件下，考察酶解時間分別為5、10、15、20、25 min時提取物中迷迭香酸含量。試驗均重復3 次。

1.3.4 迷迭香酸提取工藝的響應面試驗設計

以單因素試驗結果為依據，利用Box-Behnken試驗設計，選取酶添加量、酶解溫度、酶解pH值、酶解時間作自變量，以迷迭香酸提取得率為為響應值，進行四因素三水平的響應面試驗。優化提取工藝，具體試驗因素水平設計見表1。

表1 酶法提取迷迭香酸響應面優化試驗因素與水平Table1 Factors and l evels used in resp on ses urface analysis for op timiz in g the enzym aticextracti on of rosema ry acid

1.3.5 抗氧化活性的測定

1.3.5.1 DPPH自由基清除率的測定

用無水乙醇配制1 mol/L的DPPH溶液，在2～6 ℃條件避光保存［20］。分別配制5 組不同質量濃度的迷迭香酸提取液、VC和VE溶液。取1.0 mL 測試樣品溶液及1.0 mL DPPH乙醇溶液混勻到同一試管中，37 ℃條件下暗處靜置30 min后，測定517 nm波長處測定其吸光度A1，同時測定1.0 mL測試樣品溶液與1.0 mL無水乙醇混合后的吸光度A2，以及1.0 mL DPPH溶液與1.0 mL溶劑（無水乙醇）混合后的吸光度A3。實驗重復3 次，取平均值。DPPH自由基清除率按公式（2）進行計算：

1.3.5.2 超氧陰離子自由基清除活性的測定

依照文獻［21］鄰苯三酚-魯米諾化學發光體系的方法。出現峰值為E，用雙蒸水作空白對照，測定其峰值F，實驗重復3 次，按式（3）計算樣品液對超氧陰離子自由基的清除率。

1.4 數據處理

用Design Expert 8.0軟件對數據進行分析，得出最佳酶解條件。

2 結果與分析

2.1 迷迭香酸標準曲線的建立

以迷迭香酸質量濃度為橫坐標，峰面積為縱坐標繪制標準曲線，得曲線方程為：Y=3 799.3X+18 287（式中：X為迷迭香酸質量濃度；Y為峰面積），R2=0.999 7。采用高效液相色譜法，根據所測得峰面積由公式算出迷迭香酸質量濃度，得出迷迭香酸含量，進而算出得率。

2.2 酶法輔助提取得率單因素試驗結果

圖1 酶添加量 （A ）、酶解溫度 （B ）、酶解 p H 值 （C ）、酶解時間 （D ）對迷迭香酸得率的影響Fig.1 Effects of enzyme dosage （A）， hydrolysis temperature （B）， pH （C），and hydrolysis time （D） on the extraction yield of rosmarinic acid

如圖1A 所示，在酶解時間10 min、pH 3、溫度40 ℃條件下，隨著酶添加量的加大，迷迭香酸的得率逐漸提高；當加酶量大于2%時，隨著酶添加量增加，迷迭香酸得率趨于平緩，說明在酶添加量大于2.0%后，底物已經被完全水解，過多的酶對迷迭香酸起包埋作用，使得提取量降低。因此，纖維素酶添加量最佳為2.0%。

如圖1B所示，在pH 3、酶添加量1.5%、酶解時間10 min條件下，當酶解溫度低于 50 ℃時，迷迭香酸得率隨著溫度的上升而顯著增加；當溫度高于50 ℃時，迷迭香酸的得率隨溫度升高而逐漸降低。這是由于纖維素酶的最適溫度是45～55 ℃之間，溫度過低會抑制酶的催化活力，過高的溫度會導致酶失活。因此最佳酶解溫度為50 ℃。

如圖1C所示，在酶添加量1.5%、溫度40 ℃、酶解時間10 min條件下，pH值從2.0上升至3.0時，迷迭香酸得率隨著pH值上升而逐漸增加，但當酶解pH高于3.0之后，迷迭香酸得率明顯下降。這是因為纖維素酶的最適pH值是4.5～6.5之間，迷迭香酸的最適pH值是2～2.5之間。因此，適宜的酶解pH值為3。

如圖1D所示，在溫度40 ℃、酶添加量1.5%、酶解pH 3條件下，迷迭香酸提取得率隨著酶解時間的延長不斷提高，但當提取時間大于15 min 后，迷迭香酸提取得率隨著酶解時間推移而下降。說明纖維素酶需要一定時間才能破壞細胞壁，使迷迭香酸充分溶出。但酶解時間過長，酶的催化活性降低并且纖維素分解產物與迷迭香酸之間發生酯化反應，使得迷迭香酸得率下降，因此迷迭香酸最佳酶解時間為15 min。

2.3 響應面優化試驗結果

2.3.1 回歸方程的建立與方差分析

表2 響應面試驗設計及結果Table2 Resp on se surface design with experimental and p redicted re sults of rosma r in ic acid extra cti on

利用Design-Expert 8.0軟件對表2的數據進行分析，得到響應值與被檢變量之間的邏輯關系，由Box-Behnken試驗設計，得到了迷迭香酸提取得率（Y）對纖維素酶添加量（A）、酶解溫度（B）、酶解pH值（C）和酶解時間（D）的二次多項式回歸方程：Y=0.60+0.003 92A+ 0.03B+0.015C-0.023D-0.022AB-0.003 25AC-0.005 5AD-0.009 2+BC-0.015BD+0.002 25CD-0.021A2-0.025B2-0.049C2-0.046D2。

為檢驗方程有效性，利用分析軟件對其進一步進行分析纖維素酶法提取迷迭香酸得率，多元回歸模型的方差分析及顯著性結果見表3。

表3 迷迭 香酸含量回歸方程各項方差分析Table3 Analysis of variance for theregressi on m odel describ in g rosma r in ic acid extra cti on

表4 回歸模型 可信度 分析Table 4 Reliability analysis of the regressi on m odel

根據回歸模型方差分析的結果（表3）和（表4）可以看出，P＜0.05（顯著），差擬項檢驗的P=0.063 1（不顯著），模型的相關系數R2=98.53%，調整決定系數R=95.48%，表明模型在研究的整個回歸區域內模型擬合較好且自變量與響應值線性關系顯著［22-24］。因此，可用此模型來確定紫蘇葉中迷迭香酸的最佳提取工藝。

由回歸模型系數顯著性檢驗結果可得知：酶添加量、酶解pH值、酶解溫度一次項，酶解時間、酶添加量、酶解pH值、酶解溫度的二次項的P值均小于0.01，說明對紫蘇葉中提取迷迭香酸得率的影響極顯著，而酶解時間和酶添加量交互項P值小于0.05，說明對提取迷迭香酸得率的影響顯著。對提取迷迭香酸得率的影響的主次因素依次為酶添加量＞酶解溫度＞酶解pH值＞酶解時間。

2.3.2 響應面分析與優化

利用Design-Expert 8.0軟件進行二次多元擬合得出響應面圖及對應的等高線圖，在固定其他因素水平值的情況下觀察各因素間的交互作用對迷迭香酸提取得率（Y）的影響，所得響應面如圖2所示。

從表3的P值和圖2a可知，酶解時間和纖維素酶添加量交互作用為顯著水平（P＜0.05），具體表現為等高線圖呈橢圓形，這是由于紫蘇葉的細胞壁需要纖維素酶反應一段時間后才能充分破碎；由圖2b可知，酶解pH值不變，提取得率隨著酶解溫度的升高先增加后減小；而酶解溫度不變時，迷迭香酸提取得率隨pH值升高而增加。由圖2c可知，固定酶解溫度和酶解時間，迷迭香酸提取得率隨酶添加量增加而增大；pH 2～3之間，固定酶解溫度，迷迭香酸提取得率隨pH值增加而增大，酶解pH值大于3之后，提取得率隨pH值增加呈減小的趨勢，但不明顯。這是因為纖維素酶的最適pH值是4.5～6.5之間［25］，隨著pH值的一直升高，導致酶活性減弱，迷迭香酸得率下降。由圖2d酶解溫度在50 ℃之前，提取得率隨著溫度升高而增大，酶解溫度在50 ℃之后，提取得率隨溫度升高呈略微減小的趨勢。

2.3.3 驗證實驗結果

通過試驗模型分析，得出迷迭香酸最佳提取工藝為酶解時間12 min、酶添加量3%、酶解pH 4、酶解溫度45 ℃。取1 g紫蘇葉粉末，按照上述最優條件，重復3 次實驗，迷迭香酸平均得率為0.617%，與理論值0.621%偏差不大，且變異系數為1.88%，證明了響應面設計的結果可靠合理。

2.4 迷迭香酸抗氧化分析

2.4.1 對DPPH自由基清除能力

圖3 迷迭香酸 、V C、V E對 DP PH 自由基的清除作用Fig.3 Scavenging activities of rosemary acid， VC， and VE on DPPH radical

由圖3可知，清除DPPH自由基能力可阻斷脂質過氧化的反應［26-27］，當質量濃度達到150 μg/mL時，VC、迷迭香酸、VE 3 種物質對DPPH自由基清除率均達到最高值，分別為93.12%、69.28%、57.79%；之后隨著質量濃度的增大，3 種物質對DPPH自由基清除率開始逐漸下降。但是在同等條件下，清除DPPH自由基能力：VC＞迷迭香酸＞VE。

2.4.2 對超氧陰離子自由基清除能力

圖4 迷迭香酸、VC、VE對超氧陰離子自由基的清除作用Fig.4 Scavenging activities of rosemary acid， VC， and VE on superoxide anion radical

由圖4可知，迷迭香酸具有一定清除超氧陰離子自由基的能力，在實驗質量濃度范圍內，VC、迷迭香酸、VE 3 種物質對超氧陰離子自由基的清除能力隨質量濃度的上升而增大。但溶液質量濃度在1.5 g/L以后時，3 種物質對超氧陰離子自由基的清除能力趨勢平緩，當質量濃度達到2.0 g/L時，迷迭香酸對超氧陰離子自由基清除率為61.37%，而VC的清除率為79.38%，VE的清除率為51.52%。

3 結 論

采用纖維素酶法輔助提取紫蘇葉中迷迭香酸有選擇性高、提取時間短、操作簡便的優點，通過酶除去紫蘇葉的細胞壁，使得迷迭香酸大量溶出，顯著提高了迷迭香酸得率。利用響應面法優化酶法提取迷迭香酸最佳工藝條件，考察了影響迷迭香酸提取得率的因素的主次順序為酶添加量＞酶解溫度＞酶解pH值＞酶解時間。迷迭香酸最佳提取工藝：酶添加量3%、酶解溫度45 ℃、酶解時間12 min、pH 4，在此最佳條件下，迷迭香酸提取得率為6.17%。且在此條件下的迷迭香酸提取液具有一定的抗氧化作用，對DPPH自由基、超氧陰離子自由基有較好的清除效果。

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Optimization of Enzymatic Extraction of Rosemary Acid by Response Surface Methodology and Its Antioxidant Activity

HUANG Dandan1， SHEN Qi2， ZHU Qiujin1，3，4，*， CHENG Mei1， LUO Zisheng5， MAO Linchun5
（1.School of Liquor and Food Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China； 2.Guizhou Rapeseed Institute，Guiyang 550008， China； 3.Key Laboratory of Agricultural and Animal Products Store and Processing of Guizhou Province，Guiyang 550025， China； 4.National Beef Processing Technology Research and Detection Sub-centre， Huishui 550600， China；5.Fuli Insititute of Food Science， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China）

The enzyme-assisted extraction of rosemary acid from Perilla frutescens was optimized applying one-factorat-a-time method （OFAT） and response surface methodology （RSM） and the antioxidant activity of the rosemary acid was investigated.Preliminary investigations were conducted into the effect of enzyme dosage， hydrolysis temperature， time and pH on the extraction yield of rosemary acid.Furthermore， the optimization of process parameters for extracting rosemary acid by cellulase hydrolysis of Perilla frutescens was done by RSM using Box Behnken design.Meanwhile， the antioxidant activity was assessed by superoxide anion and 1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl （DPPH） free radical scavenging assays.The optimal conditions for rosemary acid extraction were determined as follows: enzyme dosage， 3%； hydrolysis temperature，45 ℃； time， 12 min； and pH， 4.The maximum extraction yield of rosemary acid of 0.617% was obtained in experiments conducted under these optimal conditions， being not significantly different from the predicted value （0.621%）.The rosemary acid showed strong scavenging capacity on superoxide anion and DPPH radicals， thereby having potent antioxidant activity.Key words: Perilla frutescens； rosemary acid； response surface methodology； enzymatic extraction； antioxidant activity

10.7506/spkx1002-6630-201614007

TS202.3

A

1002-6630（2016）14-0037-06

黃丹丹， 沈奇， 朱秋勁， 等.響應面法優化酶法輔助提取迷迭香酸工藝及其抗氧化活性［J］.食品科學， 2016， 37（14）: 37-42.DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614007. http://www.spkx.net.cn

HUANG Dandan， SHEN Qi， ZHU Qiujin， et al.Optimization of enzymatic extraction of rosemary acid by response surface methodology and its antioxidant activity［J］.Food Science， 2016， 37（14）: 37-42.（in Chinese with English abstract）DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614007. http://www.spkx.net.cn

2015-10-17

國家自然科學基金地區科學基金項目（31360373）；浙江大學馥莉食品研究院資金資助項目（KY201405）；

貴州山區畜產品系列休閑方便肉食品產業化技術成熟化與示范應用項目（700952142111）

黃丹丹（1990—），女，碩士研究生，主要從事畜產品加工及貯藏工程研究。E-mail：15285637566@163.com

*通信作者：朱秋勁（1969—），男，教授，博士，主要從事食品營養與安全和畜產品加工研究。E-mail：ls.qjzhu@gzu.edu.cn