紅棗多酚提取工藝優化、成分及抗氧化活性分析

馬 妮，劉慧燕, ，方海田,，胡海明，辛世華，楊小萍，劉洪濤

（1.寧夏大學食品與葡萄酒學院，寧夏食品微生物應用技術與安全控制重點實驗室，寧夏銀川 750021；2.寧夏工商職業技術學院旅游管理學院，寧夏銀川 750021；3.湖北中醫藥大學基礎醫學院，湖北武漢 430065）

紅棗（Ziziphus jujubaMill.）屬鼠李科，是已知最古老的藥用植物之一[1]，作為最大的棗生產國，中國每年生產約45 萬噸紅棗，生產量占全球的90%[2]。我國的棗樹大部分種植在北方地區，其中寧夏為紅棗的傳統栽培區之一[3]，且寧夏紅棗因其獨特的風味和高營養價值而備受推崇[4]。最近的研究表明，棗果實含有多種功能性化合物，如VC、氨基酸、三萜酸、多糖和多酚等[5-6]，紅棗多酚作為紅棗中主要的活性成分之一，具有抗氧化、心臟保護、抗癌、抗炎、抗衰老和抗菌等多種生物活性[7-9]。

酚類物質是植物為保護自身免受環境壓力而產生的二次代謝物，具有很強的抗氧化活性，其能夠補充和增加抗氧化維生素和酶的功能，對過量活性氧引起的氧化應激具有一定的防御作用[10]，而人類攝入富含多酚的食物，可改善血管健康，從而顯著降低高血壓和心血管疾病的發生風險[11]。目前國內外對紅棗的研究多集中在紅棗多糖、紅棗益生菌發酵產品等，而對于紅棗多酚的相關研究較少。隨著科學技術的發展，多酚物質的提取方法得到不斷優化，提取多酚常見的方法主要有水提法、有機溶劑提取法、酶解法、超聲波輔助提取法、微波輔助提取法、超臨界流體萃取法等[12-13]，而超聲波以其高效簡便、綠色安全等優點而被廣泛應用，劉皓涵等[14]經超聲輔助酶解提取工藝提取歐李多酚，提取量為42.63 mg/g；謝佳函等[15]采用超聲輔助提取工藝使得紅豆皮中的多酚化合物提取量增大為（145.28±2.21）mg/g。

為高效獲取紅棗多酚，本文通過超聲波輔助提取法研究紅棗多酚的提取工藝，采用單因素實驗和響應面試驗設計，考察甲醇濃度、超聲時間、超聲溫度、料液比對紅棗多酚得率的影響，具有時間短、操作簡單、提取量高等優點。利用高分辨液-質聯用儀測定紅棗多酚組成成分，并通過檢測其對DPPH 自由基和超氧陰離子自由基的清除作用評價其抗氧化活性，旨在為紅棗多酚類物質的提取、分析及紅棗資源的充分開發利用提供理論參考，從而提高紅棗資源的利用率。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

寧夏靈武長棗 將紅棗去核切片后進行干燥，用振動式藥物超微粉碎機粉碎成紅棗粉末，常溫避光儲藏，市售；福林酚試劑、無水碳酸鈉 國藥集團化學試劑有限公司；D101 大孔吸附樹脂 東鴻化工有限公司；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）、吩嗪硫酸甲酯（PMS）、VC、氯化硝基四氮唑藍（NBT）、沒食子酸、還原型輔酶Ⅰ（NADH）阿拉丁試劑（上海）有限公司。

LTQ Orbitrap XL Domain35A 高分辨液-質聯用儀 Theromo Fisher 公司；Spectra Max iD 3 多功能酶標儀 美谷分子儀器（上海）有限公司；WZJ-30 振動式藥物超微粉碎機 濟南天方機械有限公司；OSB-2200 旋轉蒸發儀 上海愛朗儀器有限公司；具四氟節門層析柱（Φ4.6 cm×45.7 cm）欣維爾；SHZD（Ⅲ）循環水式多用真空泵 鄭州科達機械儀器設備有限公司；BTP-9EL00X 冷凍干燥 德祥科技有限公司；超聲波清洗器 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 沒食子酸標準曲線的繪制 參照Mosic 等[16]的方法略有修改，配制0.1 mg/mL 沒食子酸溶液，得對照品溶液。向10 mL EP 管中分別移入0、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 mL 對照品溶液，補加1 mL H2O 后加入0.5 mL 福林酚試劑，混合均勻后靜置4 min，再加入1.5 mL 10%碳酸鈉溶液，隨后補加蒸餾水使得總反應體系為5 mL。在45 ℃下恒溫水浴1 h，于760 nm 處測量樣品的吸光值，繪制樣品標準吸收曲線，得到標準曲線回歸方程：y=5.6093x+0.0556，R2=0.9992。

1.2.2 紅棗多酚的提取及測定 選擇提取溶劑為70%甲醇溶液，稱取10 g 紅棗粉末，設置一定的超聲溫度、超聲時間、料液比進行提取，5000 r/min、4 ℃離心15 min 后轉移上清，于旋轉蒸發儀濃縮至50 mL，以便于后續紅棗多酚得率的測定。

將提取的紅棗多酚粗提液按照合適比例稀釋后，以1.2.1 方法測量吸光度，根據下式（1）計算多酚得率:

式中：C 為紅棗多酚質量濃度（mg/mL）；V 為粗提液的體積（mL）；N 為稀釋的倍數；m 為紅棗棗粉質量（g）。

1.2.3 紅棗多酚提取單因素實驗 根據1.2.2 的方法，將超聲溫度（30、40、50、60、70、80 ℃）、超聲時間（10、20、30、40、50、60 min）、料液比（1:10、1:20、1:30、1:40、1:50、1:60 g/mL）、甲醇濃度（40%、50%、60%、70%、80%、90%）作為單因素條件，探究其對紅棗多酚得率的影響，每組實驗重復3 次。試驗過程中的不變水平值為：甲醇濃度80%，超聲溫度50 ℃，超聲時間30 min，料液比1:30 g/mL。

1.2.4 紅棗多酚提取響應面優化試驗 在單因素實驗的基礎上，采用Design-Expert 8.0.6 響應面設計軟件（具體因素按照表1）進行四因素三水平Box-Behnken 響應面優化試驗。

表1 Box-Behnken 因素水平設計Table 1 Factors and levels of Box-Behnken design

1.2.5 紅棗多酚分離純化 采用D101 大孔樹脂濕法裝柱，將紅棗多酚粗品按照1:2 的比例用100 g D101 大孔樹脂（濕重）過柱子進行純化[17]。控制樣液流速3 mL/min，先用去離子水洗至洗脫液無多糖、色素、蛋白質等雜質，再用75%乙醇進行多酚化合物的洗脫，洗脫流速2 mL/min，直至洗脫液不含有多酚類物質[18]。將乙醇洗脫液收集，轉移到旋轉蒸發儀減壓濃縮至相應體積，取出樣品置于-80 ℃預凍后進行真空冷凍干燥，收集干燥樣品，于干燥器內密封保存。

準確稱取少量純化后的紅棗多酚粉末，加入蒸餾水用玻璃棒攪拌至溶解后用50 mL 容量瓶定容，得到備用液。按下式（2）計算多酚純度：

式中：C 為備用液濃度（mg/mL）；V 為多酚定容體積（mL）；M 為純化后紅棗多酚干重（mg）。

1.2.6 紅棗多酚組成的液質分析

1.2.6.1 樣品前處理 稱取10 mg 純化后的紅棗多酚提取物，得到1 mg/mL 以甲醇為溶劑的樣品溶液，用0.22 μm 微孔濾膜過濾，最后保存于棕色瓶中備用。

1.2.6.2 色譜條件 Agilent EC-C18色譜柱（4.6 mm×150 mm，2.7 μm）；流動相A 為0.1%甲酸溶液；流動相B 為乙腈；柱溫30 ℃；進樣量5 μL[19]；梯度洗脫條件見表2。

表2 梯度洗脫程序Table 2 Gradient elution procedure

1.2.6.3 質譜條件 電噴霧ESI 離子源；負離子模式，多反應監測模式MRM；霧化氣為氮氣；霧化氣溫度350 ℃；干燥氣溫度350 ℃；干燥氣流速6 L/min；噴霧器壓力35 psi；V cap 電壓3500 V；霧化氣流速9 L/min；碰撞電壓1000 V；掃描范圍設置為m/z 100～2000[19]。

1.2.7 紅棗多酚抗氧化能力的測定

1.2.7.1 DPPH 自由基清除能力測定 參考Bai 等[20]報道方法略有修改，先配制不同濃度梯度（0、0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0 mg/mL）的多酚樣品溶液和VC溶液，后配制0.1 mmol/L 的DPPH 甲醇溶液，在試管中先加入2 mL DPPH 甲醇溶液再加入2 mL 多酚樣品溶液，混勻后置于37 ℃，避光反應30 min，結束后測定517 nm 處吸收值，計算DPPH自由基的清除率。

式中，Ac：2 mL 蒸餾水+2 mL DPPH 甲醇溶液的吸光值；Ai：2 mL 樣品溶液+2 mL DPPH 甲醇溶液的吸光值；Aj：2 mL 樣品溶液+2 mL 甲醇的吸光值。

1.2.7.2 超氧陰離子自由基清除活性測定 參考秦裕景[21]報道方法略有修改，向96 孔板中依次加入50 μL 338 μmol/L NADH 溶液和50 μL 30 mmol/L PMS 溶液，充分混勻后加入50 μL 72 μmol/L NBT溶液，混勻后加入50 μL 不同濃度梯度（0、0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0 mg/mL）的樣品溶液和VC溶液，再次混勻，室溫反應15 min 后用酶標儀在560 nm 處測定其吸光值，記為As，用相同體積的PBS 溶液代替樣品溶液，測定其吸光值，記為Ac。

式中，Ac：對照吸光度；As：樣品吸光度。

1.3 數據處理

所有實驗均重復3 次，采用Prism 8.0.2 和Design Expert 8.0.6 進行數據的處理和繪圖分析，使用MestReNova14.2.0 進行質譜數據分析。

2 結果與分析

2.1 紅棗多酚提取工藝優化

2.1.1 單因素實驗

2.1.1.1 超聲提取溫度對多酚提取的影響 如圖1，溫度的升高可以很好的促進多酚的溶出，當超聲提取溫度為50 ℃時，多酚得率最高。但溫度高于此溫度后，紅棗多酚的得率卻有所降低。這是由于過高的提取溫度會導致多酚類物質分解，同時溫度過高還會加快多酚的氧化速度，破壞酚類物質的空間結構，從而導致紅棗多酚得率降低[22]。因此50 ℃為最佳提取溫度。

圖1 超聲溫度對多酚得率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic temperature on polyphenol yield

2.1.1.2 超聲提取時間對多酚提取的影響 如圖2，隨著處理時間的延長，多酚得率呈線性增大，當處理時間為40 min 時，多酚得率最高。分析原因可能是隨著處理時間延長，棗粉與提取劑接觸更加充分，并伴隨超聲產生機械效應，使得多酚可以更加有效地從棗粉中釋放出來[22]，因此多酚得率在提取時間為40 min 時達到最大。但繼續延長超聲時間，多酚得率并未繼續增加，推測超聲過程中多酚類物質已經基本被釋放出來，且在提取過程中多酚會與空氣接觸，空氣中的氧氣會破壞酚類物質，氨基酸、多糖等其他物質也會被釋放，導致多酚得率降低[23]。因此40 min為最佳超聲提取時間。

圖2 超聲時間對多酚得率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on polyphenol yield

2.1.1.3 料液比對多酚提取的影響 如圖3，隨著料液比增大，紅棗多酚的得率會逐漸增大。當料液比為1:40（g/mL）時，多酚得率最大，繼續增大料液比，多酚得率未增加。推測適當的料液比可使物料之間的接觸面積增大，多酚類物質能夠充分的溶出，但達到最佳料液比后，紅棗中的酚類物質基本上被釋放，即使繼續增加料液比，也不會提高多酚的得率，反之，溶劑的增多還會導致紅棗中其它醇溶性成分溶出，阻礙了多酚成分的繼續釋放。進一步考慮，溶劑體積過大會導致空氣中的氧氣進入溶劑，隨著氧氣增多，提取出的多酚會被氧化，而且溶劑用量過多在后續處理過程中會增加回收難度，同時減少溶劑的使用利于節能環保。因此1:40（g/mL）為最佳液料比。

圖3 料液比對多酚得率的影響Fig.3 Effect of material-liquid ratio on polyphenol yield

2.1.1.4 甲醇體積分數對多酚提取的影響 如圖4，甲醇濃度增加，紅棗多酚得率增加，當甲醇濃度達到70%時，紅棗多酚得率達到最高，繼續增加甲醇濃度紅棗多酚得率不再增加，而是降低后趨于平緩，說明溶液中多酚類物質達到飽和狀態。而且甲醇濃度過高導致反應環境極性降低，其他物質也可能被提取出來，不利于多酚的溶出[23]，且甲醇濃度越高，提取成本越高。因此本實驗最終確定甲醇濃度為70%。

圖4 甲醇濃度對多酚得率的影響Fig.4 Effect of methanol concentration on polyphenol yield

2.1.2 響應面法試驗結果

2.1.2.1 響應面試驗結果 綜合考慮，在單因素實驗的基礎上，利用Box-Behnken 試驗進行四因素三水平響應面優化分析，響應面試驗分組及結果見表3，試驗所得方差分析見表4。

表3 Box-Behnken 試驗方案及結果Table 3 Scheme and results of Box-Behnken test

表4 多酚得率的響應面試驗方差分析Table 4 Analysis of variance of polyphenol yield for response surface experiment

以多酚得率為響應值，回歸分析見表4，對各因素進行回歸擬合后，得到編碼值的回歸方程為：

表3 為回歸模型的方差分析，該模型F=43.26（P＜0.0001），二次回歸模型極顯著，在統計學上有意義。失擬項（P=0.2425＞0.05）不顯著，沒有產生失擬現象，說明該回歸方程擬合度良好，表明模型合理。從表3 中分析可知該模型的校正系數R2=0.9774，由此可以表明該模型響應值的變化有97.74%是由所選因素引起的[24]。調整確定系數R2adj為0.9548，R2Pre為0.8848，差值小于0.2。結果表明紅棗多酚提取過程中以多酚得率變化建立的該模型與實際情況的擬合程度較高，試驗誤差較小，利用響應面優化紅棗多酚提取條件的實驗方案是具有可行性。根據F值大小可知，各因素對紅棗多酚得率影響的主次因素C＞D＞A＞B，即超聲溫度＞料液比＞甲醇濃度＞超聲時間。

2.1.2.2 響應面優化與分析 根據回歸方程，各因子間的響應面分析如圖5、圖6、圖7 所示，3 個交互作用圖的響應值都隨變量的增大而不斷增大，到達某一值后，響應值又隨變量增加而減小，并且響應面圖開口朝下，說明存在最大值；相應地，等差線圖均呈現橢圓形，可以直觀地看出各因素交互作用變化明顯，對多酚得率的影響達到顯著水平。

圖5 超聲時間和甲醇濃度對多酚得率影響的響應面和等高線Fig.5 Response surface and contour lines of the influence of ultrasonic time and methanol concentration on polyphenol yield

圖6 超聲溫度和甲醇濃度對多酚得率影響的響應面和等高線Fig.6 Response surface and contour lines of the influence of ultrasonic temperature and methanol concentration on polyphenol yield

圖7 料液比和甲醇濃度對多酚得率影響的響應面和等高線Fig.7 Response surface and contour lines of the effects of solid-liquid ratio and methanol concentration on polyphenol yield

對響應面結果進行優化分析，得到紅棗多酚提取的最佳工藝條件為：甲醇濃度71.62%，超聲時間41.25 min，超聲溫度63.04 ℃，料液比1:41.96（g/mL），在此條件下得到的多酚得率預測值為1.413%。本文使用超聲波輔助提取紅棗多酚，對超聲時間和甲醇濃度進行了優化，為了驗證模型預測理論值的準確性和真實性，同時為了方便實際操作，將最佳提取工藝的條件進行調整：甲醇濃度70%，超聲時間40 min，超聲溫度60 ℃，料液比1:40（g/mL）。在此優化條件下進行3 次平行試驗，得到多酚得率為1.397%±0.08%。與理論預測值基本接近，說明響應面優化得到的提取條件具有一定的可行性。

2.2 大孔樹脂純化結果分析

本文使用D101 大孔樹脂對紅棗多酚粗品進行純化，紅棗多酚粗品純度為6.19%，本文使用D101大孔樹脂對紅棗多酚粗品進行純化，經純化后純度為27.57%，較純化前提高了4.45 倍。嘗試將紅棗多酚液體用AB-8 大孔樹脂純化，用聚酰胺樹脂進行二次純化，這些方法均不能提高紅棗多酚純度，原因可能是紅棗多酚進行一次純化后再進行二次純化，會由于暴露時間過長，與空氣中的氧氣接觸就越充分，從而導致紅棗多酚被氧化降解。

2.3 紅棗多酚組成分析

本試驗采用負離子模式對紅棗中提取成分進行掃描，圖8 是樣品在負離子模式下的質譜總離子流圖（total ion chromatogram，TIC）。

圖8 總離子流圖Fig.8 Total ion flow diagram

結合紅棗多酚總離子流色譜圖，成分的鑒定從多個電子數據庫獲得，包括HMDB、MassBank 和mzCloud。將譜圖信息與從電子數據庫收集的信息相匹配，再結合現有研究報道，本實驗共鑒定出19 種化合物（見表5），包括酚酸及其衍生物、黃酮類化合物和三萜類化合物。

表5 負離子模式下紅棗多酚鑒定出的成分分析結果Table 5 Analysis results of identified components of jujube polyphenols in negative ion mode

如圖8，保留時間在18～21 min 為溶劑峰，其余未標注的為數據庫未匹配到的化合物或現有文獻未報道的化合物。由于多酚類化合物分子量范圍較大，僅僅依靠HPLC-MS 無法準確的推測化合物類型，需進一步分析化合物的碎片離子以此推測化合物，同時對于多酚類物質的空間構象和基團之間的連接方式也不能給出準確信息，因此為了更加準確鑒定紅棗多酚的組成成分及其結構還需采用其他更為先進的分析鑒定技術。本實驗僅對紅棗多酚做了一級質譜的測定，對其組分也只是做了初步推斷，并沒有對二級質譜中的碎片信息以及裂解規律進行分析，為了準確確定紅棗多酚中化合物的種類，進行二級質譜的測定很有必要。

2.4 紅棗多酚抗氧化能力測定

2.4.1 DPPH 自由基清除能力 為了更好地驗證酚類物質的抗氧化能力，本文采用DPPH 自由基清除率來評價紅棗多酚的抗氧化活性。如圖9所示，紅棗多酚對DPPH 自由基具有一定的清除能力，但低于同濃度的VC。多酚濃度在0.05～0.3 mg/mL 范圍內時紅棗多酚對DPPD 的清除能力隨濃度增大而增大，當多酚濃度為0.3 mg/mL 時清除能力最大，為77.63%，之后隨著多酚濃度的增大，清除能力不再有較大的變化。吳本培等[32]在對3 種不同新疆紅棗主栽品種的多酚粗提物抗氧化活性進行比較發現，3 種紅棗多酚粗提物的不同部位均具有清除DPPH自由基的能力，其中哈密大棗在3 種棗品中抗氧化能力最優，其棗皮和棗肉的DPPH 自由基清除能力較為接近，為80.08%～82.22%，而棗核的清除能力最低，僅10.0%左右。

圖9 紅棗多酚及VC 對DPPH 自由基的清除作用Fig.9 Scavenging effect of jujube polyphenols and VC on DPPH free radical

2.4.2 超氧陰離子自由基清除能力 如圖10 所示，在濃度為0.05 mg/mL 時，紅棗多酚對超氧陰離子自由基的清除率為25.14%，而相同濃度下VC對超氧陰離子清除率為55.82%，且隨著濃度的增大，清除能力逐漸增強；當濃度為1.0 mg/mL 時，紅棗多酚對超氧陰離子自由基的清除率達最大，為82.48%，相同濃度下VC對超氧陰離子清除率為95.41%，說明紅棗多酚雖然具有較好的體外清除自由基能力，但是其抗氧化活性仍要弱于VC。在張瑞妮等[33]對紅棗多酚的體外抗氧化活性研究中發現，在濃度為0.2～1 mg/mL 范圍內時，紅棗多酚對羥自由基具有較強的清除作用，清除能力隨其濃度的升高而增加，紅棗多酚對超氧陰離子自由基的清除能力和同濃度的VC接近。

圖10 紅棗多酚及VC 對超氧陰離子自由基的清除作用Fig.10 Scavenging effect of jujube polyphenols and VC on superoxide anion free radical

3 結論

本實驗選用寧夏靈武長棗為原材料，通過單因素實驗結合響應面共同探索最優的紅棗多酚提取條件，得到最佳提取工藝：甲醇濃度70%，超聲時間40 min，超聲溫度60 ℃，料液比1:40（g/mL）。結果顯示：紅棗多酚得率為1.397%，紅棗多酚粗品純度為6.19%，經D101 大孔樹脂分離純化后，純度為27.57%，較粗品提高了4.45 倍。抗氧化實驗證明：紅棗多酚對DPPH 自由基和超氧陰離子自由基具有清除作用，在一定質量濃度范圍內表現出良好的抗氧化活性。通過HPLC-MS 對紅棗多酚成分進行分析，共鑒定出19 種物質，其中包括酚酸及其衍生物、黃酮類化合物和三萜類化合物。本文可為紅棗資源的開發利用提供理論基礎，以此提高紅棗的綜合利用率，增加紅棗的綜合利用價值。但在本文中仍存在一些問題尚未解決，包括在分析紅棗多酚成分時并未對其進行定量分析；在研究其抗氧化能力時未深入探究各成分對多酚抗氧化活性的貢獻率，因此在今后可繼續深入研究。