星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法優(yōu)化大孔樹脂純化還原型蘿卜硫苷工藝及體外抗氧化活性研究

張?jiān)踅B花，代孟孟，韓真真，朱立俏，盛華剛

山東中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，濟(jì)南 250355

近年來，十字花科蔬菜因豐富的營養(yǎng)價(jià)值及藥用價(jià)值備受國內(nèi)外研究者關(guān)注，其富含硫代葡萄糖苷(glucosinolates，簡稱硫苷)、脂肪酸、生物堿、酚性物質(zhì)、黃酮醇、皂苷等多種活性成分[1]。研究表明，常食用十字花科蔬菜可減少心血管疾病及癌癥的發(fā)病率[2]。硫苷是十字花科蔬菜中重要的一類次生代謝產(chǎn)物[3]，目前已有200多種硫苷被發(fā)現(xiàn)。其中從西蘭花和西蘭花籽中提取的蘿卜硫苷(glucoraphanin，GRA)，在內(nèi)源芥子酶的作用下能降解產(chǎn)生的一種異硫氰酸酯類化合物——蘿卜硫素(sulforaphane)[4]，對(duì)多種癌癥均有預(yù)防和治療方面的潛力[5,6]。

蘿卜苷(glucoraphenin，GRE)是蘿卜硫苷脫去一分子氫的氧化產(chǎn)物，主要存在于蘿卜根和種子中[1,7]，它與還原型蘿卜硫苷(4-甲硫基-3-丁烯基硫代葡萄糖苷，glucoraphasatin，GRH，結(jié)構(gòu)見圖1)是一組氧化還原對(duì)，二者差異只是側(cè)鏈上硫的氧化程度不同，而不同的氧化狀態(tài)對(duì)Ⅰ期致癌酶和Ⅱ期解毒酶起不同的調(diào)控作用[8]。研究發(fā)現(xiàn)，GRH及其降解產(chǎn)物還原型蘿卜硫素(raphasatin，RAS)都是參與多環(huán)芳烴、雜環(huán)胺、霉菌毒素等化學(xué)致癌物解毒的大鼠肝臟Ⅱ期酶的強(qiáng)有力誘導(dǎo)劑[9,10]，并且對(duì)過氧化氫和自由基化合物有直接的抗氧化能力[11]，GRH可通過調(diào)節(jié)果蠅體內(nèi)的葡萄糖含量來調(diào)節(jié)能量代謝，這些過程經(jīng)常影響糖尿病等慢性病[12]，因此GRH值得進(jìn)一步研究。

圖1 GRH的化學(xué)結(jié)構(gòu) Fig.1 The chemical structure of GRH

GRH主要存在于蘿卜根及芽中，占蘿卜中硫苷總量的70%以上[7]，Wang等[13]從蘿卜芽苗中純化得到的GRH純度可達(dá)98%，但工藝復(fù)雜，成本較高，不適宜大批量制備。大孔樹脂因吸附性好、解吸容易并且機(jī)械強(qiáng)度好的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物有效成分的分離純化[14]。考慮蘿卜的產(chǎn)量和價(jià)格，本研究以青蘿卜為原料，用8種不同型號(hào)的大孔樹脂對(duì)蘿卜提取液中的GRH進(jìn)行吸附和解吸，以吸附率和解吸率為指標(biāo)篩選出較佳型號(hào)的大孔樹脂，采用單因素考察和星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法優(yōu)選出大孔樹脂純化GRH的工藝參數(shù)，并通過GRH對(duì)自由基DPPH及ABTS+·的清除能力考察其抗氧化活性，為GRH的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

青蘿卜(市售，為十字花科植物蘿卜RaphanussativusL.的栽培品種)；還原型蘿卜硫苷標(biāo)準(zhǔn)品(GRH，實(shí)驗(yàn)室自制，純度>98%)；大孔樹脂 HPD100C，HPD-400，AB-8，HPD-500，DM130，NKA-9，HPD-700，HPD-722(滄州寶恩吸附材料科技有限公司)；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH)，2,2′-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽自由基(2,2′-azinobis- (3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate) radicals，ABTS+·)，維生素C(VC，上海源葉生物科技有限公司)；乙腈(色譜純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司)；水為娃哈哈純凈水，其他試劑為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

Agilent1260型高效液相色譜儀(美國安捷倫科技有限公司)；色譜柱 InertSustain AQ-C18柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)；Multiskan MK3酶標(biāo)儀(賽默飛世爾上海儀器有限公司)；KQ5200型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；MS105DU十萬分之一電子天平(瑞士Mettler-Toledo公司)；HI98100微電腦酸度pH測定儀(深圳賽澤爾電子有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 高效液相色譜法測定GRH含量

1.3.1.1 色譜條件

InertSustain AQ-C18柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)，流動(dòng)相：乙腈(A)-0.1%磷酸水(B)，梯度洗脫(0～15 min，14%～20% A，15～25 min，20%～100%A)，流速1.0 mL/min，進(jìn)樣量20 μL，柱溫27 ℃，檢測波長為225 nm。

1.3.1.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

精密稱取GRH 標(biāo)準(zhǔn)品適量制成0.76 mg/mL的對(duì)照品溶液，精密吸取對(duì)照品溶液0.2、0.4、0.6、1.2、2.5 mL，置于5 mL量瓶中，加水稀釋至刻度，搖勻，經(jīng)0.22 μm微孔濾膜濾過后，按1.3.1.1項(xiàng)下色譜條件下操作，以GRH濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程為Y=22 954X-268.11(r=0.999 9)，表明GRH在0.03～0.38 mg/mL范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

1.3.1.3 蘿卜提取液的制備及GRE含量測定

青蘿卜洗凈后切片，置籠屜內(nèi)于100 ℃沸水鍋上隔水加熱10 min，蒸透后取出；取蒸制后的青蘿卜適量，加10倍量水煎煮2次，每次1 h，合并煎液，濾過，水提液濃縮至相對(duì)密度為1.05，加入乙醇至乙醇濃度為70%，靜置24 h后過濾，濾液減壓濃縮回收乙醇，即得蘿卜提取液。取蘿卜提取液適量，稀釋，經(jīng)0.22 μm的微孔濾膜濾過后，按照1.3.1.1項(xiàng)下的色譜條件，測定蘿卜中GRH的含量。根據(jù)生藥量計(jì)算，每g新鮮蘿卜中GRH含量為0.20 mg。

1.3.2 樹脂預(yù)處理

分別取8種類型(HPD-100C，HPD-400，AB-8，HPD-500，DM130，NKA-9，HPD-700，HPD-722)大孔樹脂，用95%乙醇進(jìn)行浸泡，至大孔樹脂不再膨脹，將樹脂轉(zhuǎn)移到層析柱中，用蒸餾水將其反復(fù)清洗到無醇味，備用。

1.3.3 大孔樹脂型號(hào)篩選

稱取已處理好的8種大孔樹脂各1 g，分別置于100 mL具塞錐形瓶內(nèi)，精密量取10 mL蘿卜提取液，室溫條件下振蕩24 h，充分吸附后濾過，測定濾液中GRH質(zhì)量濃度；用10 mL蒸餾水洗滌濾過后的各型號(hào)樹脂，置于100 mL具塞錐形瓶中，各加20 mL50%乙醇，室溫條件下振蕩24 h，充分解吸后濾過，測定濾液中GRH質(zhì)量濃度，利用公式(1)～(4)計(jì)算各型號(hào)樹脂的飽和吸附量、吸附率、洗脫率和純化效率。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Q為飽和吸附量/(mg/mL)；C0為吸附前GRH質(zhì)量濃度/(mg/mL)；C1為吸附后濾液GRH質(zhì)量濃度/(mg/mL)；V0為加入的蘿卜提取液體積/mL；M為樹脂質(zhì)量/g；C2為解吸后濾液中GRH質(zhì)量濃度/(mg/mL)；V2為洗脫液體積/mL。

1.3.4 動(dòng)態(tài)吸附泄露曲線的繪制

取已經(jīng)處理好的HPD-722型樹脂，按徑高比1∶8濕法裝柱上樣(Φ1.5×12 cm)，蘿卜提取液濃度為0.22 mg/mL，調(diào)上樣液pH為5，控制上樣液體積流量為3 BV/h上樣。分段收集流出液，每10 mL收集1試管流出液，檢測其中GRH的濃度，以試管號(hào)為橫坐標(biāo)，流出液中GRH的濃度為縱坐標(biāo)，繪制大孔樹脂動(dòng)態(tài)吸附泄露曲線。

1.3.5 單因素考察上柱工藝

按照1.3.4所述方法裝柱上樣，以1.3.1.3制得的蘿卜提取液為上樣液。上樣液pH分別調(diào)制為3、4、5、6、7，上樣液質(zhì)量濃度配制為0.11、0.22、0.44 mg/mL，上樣液流速為1.5、3、6 BV/h，在此條件下，考察各單因素對(duì)吸附能力的影響。

1.3.6 星點(diǎn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法考察上柱工藝

采用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件Design-Expert中響應(yīng)面Central Composite模型，以上樣液pH、流速和上樣液濃度三個(gè)因素為自變量，以比吸附量為響應(yīng)值，根據(jù)星點(diǎn)設(shè)計(jì)原理，采用三因素五水平響應(yīng)面分析方法，優(yōu)化GRH的上柱工藝。試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels in composite design-response surface methodology

1.3.7 單因素考察洗脫工藝

以優(yōu)選出的最佳上柱工藝上樣，以3 BV 的70%乙醇為洗脫液進(jìn)行洗脫，洗脫速度為3 BV/h。洗脫液體積分?jǐn)?shù)分別采用30%、50%、70%、90%，洗脫液體積分別為2、2.5、3 BV，以1.5、3、4.5 BV/h的體積流量分別進(jìn)行洗脫，測定洗脫液中GRH含量，計(jì)算洗脫率，探討洗脫液體積分?jǐn)?shù)、洗脫液體積和洗脫液體積流量3個(gè)因素對(duì)洗脫能力的影響。

1.3.8 純化前后GRH含量比較

按優(yōu)化工藝純化蘿卜提取液，得到GRH純化液，將蘿卜提取液與純化液冷凍干燥，分別得到蘿卜提取物和GRH提取物，測定純化前后GRH的含量。

1.3.9 體外抗氧化活性的測定

1.3.9.1 DPPH自由基清除能力測定

根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]中的試驗(yàn)方法，稍作改進(jìn)。取不同濃度的蘿卜提取物、GRH純化物及GRH標(biāo)準(zhǔn)品測試液50 μL于96孔板中，加入0.2 mmol/L的DPPH溶液100 μL，以Vc作為陽性對(duì)照。混勻后室溫暗處反應(yīng)30 min，酶標(biāo)儀517 nm處測定各孔的吸光度，按公式(5)計(jì)算DPPH的清除率。

(5)

式中:A0為反應(yīng)體系中樣品溶液用等體積的去離子水代替測定的吸光度值；A1為反應(yīng)體系中樣品溶液測定的吸光度值；A2為反應(yīng)體系中 DPPH 溶液用等體積的去離子水代替測定的吸光度值。

1.3.9.2 ABTS+·自由基清除能力測定

根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]中的試驗(yàn)方法，稍作改進(jìn)，制備ABTS工作液。取不同濃度的蘿卜提取物、GRH純化物及GRH標(biāo)準(zhǔn)品測試液50 μL于96孔板中，加入ABTS工作液150 μL，以VC作為陽性對(duì)照。混勻后室溫暗處反應(yīng)6 min，酶標(biāo)儀734 nm處測定各孔的吸光度， 按公式(6)計(jì)算ABTS+·的清除率。

(6)

式中：A0為反應(yīng)體系中樣品溶液用等體積的去離子水代替測定的吸光度值；A1為反應(yīng)體系中樣品溶液測定的吸光度值；A2為反應(yīng)體系中ABTS+·溶液用等體積的去離子水代替測定的吸光度值。

1.3.9.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳樹脂型號(hào)的篩選

表2 不同型號(hào)大孔吸附樹脂吸附率、洗脫率及純化率考察Table 2 Adsorption,elution and purification rates of different types of macroporous adsorbent resins

圖2 大孔樹脂動(dòng)態(tài)吸附泄露曲線Fig.2 Dynamic adsorption leakage curve of macroporous resin

由表2可知，HPD-100C對(duì)GRH的吸附量最高，吸附率最好，其次是HPD-722，二者差異不大，從洗脫率來看，HPD-400和AB-8效果較好，其次是HPD-722，綜合大孔樹脂對(duì)GRH的純化效果，選擇HPD-722作為純化GRH的最佳樹脂。

2.2 HPD-722動(dòng)態(tài)吸附泄露曲線

一般認(rèn)為，當(dāng)流出液濃度達(dá)到上樣液濃度的1/10時(shí)為泄露點(diǎn)，即為上樣終點(diǎn)。由圖2可知，還原型蘿卜苷在第12管到達(dá)泄漏點(diǎn)，此時(shí)上樣液體積為120 mL，所以選擇120 mL為最佳上樣量。

2.3 單因素考察上柱工藝試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 上樣液pH值對(duì)GRH比吸附量的影響

由圖3可知，GRH在不同pH值下有不同的比吸附量，當(dāng)pH為4時(shí)，比吸附量最大，為1.037 mg/mL，隨pH值的增大，比吸附量有減小的趨勢(shì)，故選擇上樣液pH為4。

圖3 pH值對(duì)GRH比吸附量的影響Fig.3 Effect of pH on specific adsorption amount of GRH

圖4 上樣液質(zhì)量濃度對(duì)GRH比吸附量的影響Fig.4 Effect of sample concentration on specific adsorption amount of GRH

2.3.2 上樣液質(zhì)量濃度對(duì)GRH比吸附量的影響

由圖4可知，當(dāng)上樣液質(zhì)量濃度為0.44 mg/mL時(shí)，比吸附量最大，為1.041 mg/mL，故選擇上樣液質(zhì)量濃度為0.44 mg/mL。

圖5 上樣液流速對(duì)GRH比吸附量的影響Fig.5 Effect of sample flow rate on specific adsorption amount of GRH

2.3.3 上樣液流速對(duì)GRH比吸附量的影響

由圖5可知，當(dāng)上樣液流速為1.5 BV/h時(shí)，比吸附量最大，為1.038 mg/mL，表明最佳上樣液流速為1.5 BV/h，故采用流速為1.5 BV/h。

2.4 星點(diǎn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.4.1 星點(diǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

綜合單因素試驗(yàn)的結(jié)果，采用星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法設(shè)計(jì)20組試驗(yàn)組合，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 星點(diǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Central composite experiment design and results

2.4.2 二次回歸模型擬合及方差分析

以 A、B、C 為自變量，以吸附量為因變量Y，利用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二項(xiàng)式擬合，并對(duì)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果二項(xiàng)式擬合為Y=1.11+0.034A-0.033B+0.086C+4.775E-003AB+2.750E-003AC-8.925E-003BC-0.025A2-0.031B2-0.068C2。方差分析結(jié)果見表4。

表4 方差分析表Table 4 Anova table

注：**表示差異極顯著(P﹤0.01)，*表示差異顯著(P﹤0.05),○表示差異不顯著(P>0.05)。

Note:**,*indicate extremely significant difference,significant difference,respectively,○respresents not significant.

從二次多項(xiàng)式擬合結(jié)果來看，模型P<0.000 1，表明該擬合模型具有顯著性，擬合度R2=0.939 1，失擬項(xiàng)P>0.05，說明二次多項(xiàng)式方程模型對(duì)數(shù)據(jù)擬合度很高，誤差小，模型可靠。一次項(xiàng)A(上樣液pH)、B(流速)、C(上樣液濃度)極顯著，二次項(xiàng)A2顯著，B2、C2極顯著，交互項(xiàng)AB、AC、BC均不顯著，由此可知，各影響因素與比吸附量之間并不是簡單的線性關(guān)系，各因素影響的大小順序?yàn)椋篊(上樣液濃度)>A(上樣液pH)>B(流速)。

交互作用對(duì)GRH比吸附量影響的結(jié)果如圖6所示。響應(yīng)面圖中的響應(yīng)面坡度越陡峭響應(yīng)值越敏感，從圖中可以看出上樣液濃度與pH及流速的曲線均較陡峭，說明上樣液濃度對(duì)GRH比吸附量的影響最為顯著。

圖6 各交互作用對(duì)GRH比吸附量的影響Fig.6 Effect of interaction of the factors on specific adsorption amount of GRH

2.4.3 上柱工藝預(yù)測與驗(yàn)證

優(yōu)化后得出最佳上樣條件：上樣液pH 5.3，上樣液體積流速2.5 BV/h，上樣液濃度0.53 mg/mL，預(yù)測最大比吸附量為1.159 mg/mL。按此條件重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，GRH的比吸附量為1.131±0.013 mg/mL，與通過二次多項(xiàng)回歸方程得到的預(yù)測值(1.159 mg/mL)相比，偏差為2.42%，表明該模型有很好的預(yù)測性，所選的上柱工藝有良好的重現(xiàn)性。

圖7 洗脫液體積分?jǐn)?shù)對(duì)GRH洗脫率的影響Fig.7 Effect of eluent concentration on elution ratios of GRH

圖8 大孔樹脂動(dòng)態(tài)洗脫曲線Fig.8 Dynamic elution curve of macroporous resin

2.5 單因素考察洗脫工藝試驗(yàn)結(jié)果

2.5.1 洗脫液體積分?jǐn)?shù)對(duì)GRH洗脫率的影響

如圖7所示，洗脫效果隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大而提高，70%乙醇洗脫率為97.62%，90%乙醇洗脫率為98.44%，但與70%乙醇差別很小，考慮成本問題，采用70%乙醇作為洗脫溶劑。

2.5.2 HPD-722大孔樹脂動(dòng)態(tài)洗脫曲線

由圖8可知，到第5管時(shí)GRH濃度為0，此時(shí)洗脫液體積為50 mL(2.5 BV)，所以選擇2.5 BV為最佳洗脫液體積。

2.5.3 洗脫液體積流量對(duì)GRH洗脫率的影響

圖9 洗脫體積流量對(duì)GRH洗脫率的影響Fig.9 Effect of eluent flow rate on elution ratios of GRH

如圖9所示，流速越慢，GRH的洗脫效果越好，以1.5BV/h的體積流量洗脫率最大，為97.59%，故采用1.5BV/h的體積流量進(jìn)行洗脫。

2.6 純化前后GRH純度的測定

表5 GRH純化前后比較Table 5 Comparison before and after purification of GRH

由表中5可知，GRH含量由純化前的0.404%，提高至純化后的17.903%，純度提高44.35倍，表明采用該方法優(yōu)化得到的GRH純化參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

2.7 抗氧化能力測定結(jié)果

GRH純化前后對(duì)DPPH、ABTS+·自由基的清除能力如表6所示，以半抑制濃度IC50值來評(píng)價(jià)抗氧化活性的大小，越小表示抗氧化劑清除自由基的能力越強(qiáng)[15]。由表6可知，自由基的清除率與提取物、純化物及標(biāo)準(zhǔn)品濃度均呈良好的線性關(guān)系，提取物DPPH、ABTS+·自由基的IC50分別為358.468和75.788 mg/mL，純化物的IC50值分別為5.326和1.674 mg/mL，GRH經(jīng)純化后清除DPPH自由基的能力相對(duì)提高了67.31倍，清除ABTS+·自由基的能力提高了45.27倍。統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果顯示，純化物對(duì)DPPH自由基和ABTS+·的清除能力與提取物相比具有極顯著差異(P<0.01)，并且從ABTS+·自由基清除效果來看，純化物與陽性藥Vc和標(biāo)準(zhǔn)品相比無顯著性差異(P>0.05)，抗氧化效果明顯。

表6 純化前后GRH對(duì)DPPH和ABTS+·自由基的清除能力Table 6 Scavenging ability of before and after purified GRH to DPPH and ABTS+·free radicals

注：與陽性藥Vc比較，*P<0.01；與標(biāo)準(zhǔn)品比較，#P<0.05，##P<0.01；與提取物比較，△P<0.01。

Note:Compared with the positive drug Vc,*P<0.01;Compared with standard substance,#P<0.05,##P<0.01;Compared with extractive,△P<0.01.

3 結(jié)論

預(yù)試驗(yàn)中用蘿卜水提液直接上樣經(jīng)過大孔樹脂純化，純化后GRH純度只能達(dá)到8.55%，而將水提液醇沉后GRH純化效果明顯提高，故采用醇沉后的蘿卜提取液為上樣藥液。

本研究采用8種不同型號(hào)的大孔樹脂對(duì)青蘿卜中GRH進(jìn)行純化，從單因素考察和星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果來看，HPD-722型大孔樹脂富集純化GRH的效果最好。藥物濃度是影響GRH比吸附量的主要因素，適宜的上樣濃度有助于提高GRH的純化效果；90%乙醇洗脫液雖然能提高GRH的洗脫率，但與70%乙醇相比提高的幅度不大，而過多的雜質(zhì)直接影響GRH的純度。本研究表明星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法用于優(yōu)化大孔樹脂純化GRH工藝二次回歸模型預(yù)測性好，純化工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠。最佳純化工藝為：上樣液pH5.3、上樣流速 2.5 BV/h、上樣藥物濃度 0.53 mg/mL 、洗脫劑乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、洗脫液體積2.5 BV，洗脫流速1.5 BV/h，在此工藝條件下除去了蘿卜提取物中的糖類、蛋白質(zhì)等成分，GRH含量由4.041 mg/g增加到179.028 mg/g，提高了44.35倍。

體外抗氧化活性研究結(jié)果表明，GRH對(duì)DPPH自由基和ABTS+·自由基都有較好的清除效果，對(duì)比提取物、純化物和純品的IC50值，GRH的抗氧化活性明顯，并且ABTS+·自由基的清除效果要優(yōu)于DPPH自由基，這為進(jìn)一步開發(fā)利用蘿卜中的GRH提供了基礎(chǔ)。此外HPD-722大孔樹脂經(jīng)過多次吸附-解吸，其純化效果依然良好，說明大孔樹脂純化GRH方法簡單可靠，成本低，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。本研究可為從蘿卜中大量提取GRH提供依據(jù)，更高純度的GRH的純化工藝還有待進(jìn)一步研究。