杜香精油的酶輔助提取工藝及抗氧化活性研究

康荷笛，趙修華，張曉雪，張 茜，耿宇婷，趙 文

東北林業大學化學化工與資源利用學院，哈爾濱 150040

杜香(LedumpalustreL.)，即喇叭花、絆腳絲，杜鵑花科杜香屬常綠直立小灌木，主要分布于我國東北(大、小興安嶺和長白山)、朝鮮、日本、西伯利亞、北美、歐洲等地[1]。杜香有強烈的芳香氣味，可藥用及提煉精油[2]。細葉杜香精油是其活性成分之一，杜香的枝、葉、花和果實均可提取出芳香精油，其中花、果出油率較高，其具有殺菌抗炎[3,4]、鎮咳祛痰[5]、促進透皮吸收[6]、殺螨、驅蟲、抗氧化[7-10]、抗輻射、保肝和解毒[11]等作用，中醫認為杜香具有化痰、止咳、平喘的功效。杜香精油成分的功效已被運用于日常生活、醫療、香料生產等領域。杜香精油內含成分受生長條件和地域影響，在提取時易使其成分發生改變。杜香精油可通過GC-MS分析其化學成分[12,13]，其主要為萜類及其衍生物[14]。

目前，提取杜香精油的方法主要有浸提法、超臨界CO2提取法[15,16]、微波提取法、超聲波提取法、萃取法及水蒸氣蒸餾法等。相比較而言，水蒸氣蒸餾法具有易操作、方法簡單、成本低等特點，但其提取率較低、耗時較長、提取不充分，本研究通過酶解破壞杜香細胞的細胞壁，使其提取率大大提高，精油成分也能完全提取出來。

本研究擬采用酶輔助水蒸氣蒸餾法提取杜香精油，研究內容為在酶輔助提取的條件下進行單因素與響應面優化其生產工藝，為規模化生產杜香精油提供技術支撐；通過高效氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)分析杜香精油成分；為研究其抗氧化活性，測定了杜香精油對DPPH自由基、ABTS自由基和羥基自由基的清除能力。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

α-淀粉酶(α-Amylase，AMS；S10003；4 000 U/g；100%)、半纖維素酶(hemicatalepsy，HCase；S10045；20 000 U/g；100%)、果膠酶(pectic enzyme，Pectase；S10007；500 U/mg；100%)、β-葡萄糖苷酶(β-glucosaccharase，β-G；S10047；100 U/g；100%)、纖維素酶(cellulase，CMCase；S10042；10 000 U/g；100%)均由上海源葉生物科技有限公司提供；去離子水為實驗室自制。

QJ-20多功能粉碎機(上海兆申科技有限公司)；Startorious 1721型電子天平(德國)；101-3AB型電熱鼓風干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)；安捷倫7890A-7000B氣質聯用儀(美國安捷倫科技公司)；輕油提取器。

1.2 實驗方法

1.2.1 杜香精油的提取

將干燥的杜香葉粉碎，過60目篩子，得到杜香葉粉末。稱取50 g杜香葉粉末于1 000 mL 燒瓶中，加水經酶處理后再進行水蒸氣蒸餾，探究酶的種類、酶的濃度、酶解時間、pH、料液比、酶解溫度、提取時間等7個因素對精油提取率的影響，蒸餾結束后用10 mL，正己烷萃取上層淺黃色的杜香精油后置于50 mL離心管中，然后加入適量無水硫酸鈉，再放入-18 ℃的冰箱冷凍8 h，將固體濾除后減壓蒸發，即得杜香精油，杜香精油提取率的計算公式如下：

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 酶的種類對杜香精油提取率的影響

將50 g杜香葉粉末置于蒸餾燒瓶中，按照1∶15(g/mL)料液比與pH 4.5的蒸餾水混合再分別加入濃度為1.5%的纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶、α-淀粉酶、β-葡萄糖苷酶，在50 ℃水浴鍋酶解2 h后蒸餾提取1 h，后續操作如“1.2.1”所述，觀察了杜香精油在纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶、α-淀粉酶、β-葡萄糖苷酶的酶解作用下提取率的變化。

1.2.2.2 酶的濃度對杜香精油提取率的影響

將50 g杜香葉粉末置于蒸餾燒瓶中，按照1∶15(g/mL)料液比與pH 4.5的蒸餾水混合再加一定濃度的果膠酶，經過在50℃水浴鍋酶解2 h后蒸餾提取1 h，后續操作如“1.2.1”所述，觀察了杜香精油在0.50%、1.00%、1.50%、2.00%、2.50%酶解濃度條件下提取率的變化。

1.2.2.3 酶解時間值對杜香精油提取率的影響

將50 g杜香葉粉末置于蒸餾燒瓶中，按照1∶15(g/mL)料液比與pH 4.5的蒸餾水混合，再加濃度為1.5%的果膠酶，在50 ℃水浴鍋酶解一定時間后蒸餾提取1 h，后續操作如“1.2.1”所述，觀察了杜香精油在0.50、1.00、2.00、4.00、6.00 h酶解時長下提取率的變化。

1.2.2.4 酶的pH對杜香精油提取率的影響

將50 g杜香葉粉末置于蒸餾燒瓶中，按照1∶15(g/mL)料液比與一定pH的蒸餾水混合再加濃度為1.5%的果膠酶，在50 ℃水浴鍋酶解2 h后蒸餾提取1 h，后續操作如“1.2.1”所述，觀察了杜香精油在2.5、3.5、4.5、5.5、6.5的酶解pH作用下提取率的變化。

1.2.2.5 料液比對杜香精油提取率的影響

將50 g杜香葉粉末置于蒸餾燒瓶中，按照一定料液比與pH 4.5的蒸餾水混合再加濃度為1.5%的果膠酶，在50 ℃水浴鍋酶解2 h后蒸餾提取1 h，后續操作如“1.2.1”所述，觀察了杜香精油在1∶5、1∶10、1∶5、1∶20、1∶25料液比下提取率的變化。

1.2.2.6 酶解溫度對杜香精油提取率的影響

將50 g杜香葉粉末置于蒸餾燒瓶中，按照1∶15(g/mL)料液比與pH 4.5的蒸餾水混合再加濃度為1.5%的果膠酶，在一定溫度的水浴鍋酶解2 h后蒸餾提取1 h，后續操作如 “1.2.1”所述，觀察了杜香精油在40.0、45.0、50.0、55.0、60.0 ℃的酶解溫度條件下提取率的變化。

1.2.2.7 提取時間對杜香精油提取率的影響

將50 g杜香葉粉末置于蒸餾燒瓶中，按照1∶15(g/mL)料液比與pH 4.5的蒸餾水混合再加濃度為1.5%的果膠酶，在50 ℃水浴鍋酶解2 h后蒸餾提取一定時間，后續操作如 “1.2.1”所述，觀察了杜香精油在0.25、0.50、1.00、1.50、2.00 h提取時長條件下提取率的變化。

1.2.3 響應面實驗

在提取時間、酶的濃度變化的情況下變化不明顯，所以根據單因素實驗，選擇酶的濃度1.5%、提取時間2 h的前提下，以杜香精油提取率為響應值，選擇pH(A)、料液比(B)、酶解時間(C)、酶解溫度(D)為考察因素，采用Design Expert 12.1.0統計軟件，根據BBD實驗設計原理，設計了四因素三水平共29個試驗，試驗設計水平安排如表1，記錄每個實驗條件下杜香精油的提取率，對實驗數據進行方差分析，檢驗統計模型的顯著性。

1.2.4 GC-MS分析杜香精油成分

1.2.4.1 氣相色譜條件

載氣為高純度氦氣，體積流量為1 μL/min，分流比1∶20；進樣口溫度為250 ℃，接口溫度為280 ℃；程序升溫：起始溫度為50 ℃，保持2 min，4 ℃/min升至160 ℃，保持2 min；4 ℃/min升至270 ℃，保持5 min。

1.2.4.2 質譜條件

電子轟擊(EI)離子源，電離電壓70 eV；溶劑延遲時間3.5 min；離子源溫度230 ℃；掃描范圍29～600m/z。對照質譜庫NIST08結合參考文獻進行成分定性，使用面積歸一化法計算杜香精油各組分的相對含量。

1.2.5 杜香精油對DPPH自由基清除能力測定

用無水乙醇配制4 mg/mL的DPPH溶液。取1個96孔板，在各孔中加入100 μL濃度分別為50.00、25.00、12.50、6.25、3.13、1.56、0.78 mg/mL的杜香精油，再分別向各孔中加入100 μL的DPPH溶液，避光反應30 min，在517 nm處檢測吸光度值。待測物質清除DPPH的能力可以用清除率來表示，清除率越大，清除DPPH的能力越強。以抗壞血酸作為陽性對照，對酶輔助提取的杜香精油與水蒸氣蒸餾法提取的杜香精油分別進行DPPH自由基清除能力測定，平行操作重復3次。清除率公式為：

式中：R：清除率；A0：100 μL DPPH溶液與100 μL無水乙醇的混合液吸光值；A1：100 μL DPPH溶液與100 μL樣品溶液的混合液吸光值。

1.2.6 杜香精油對ABTS自由基清除能力測定

稱取0.038 4 g ABTS溶于少量水中定容至10 mL配置溶液甲，稱取0.013 4 g過硫酸鉀溶于少量水中，定容至10 mL配置溶液乙，試劑甲與試劑乙按照1∶1混合，12 h避光后得ABTS母液，用時以PBS緩沖液稀釋20倍使用。然后取1個96孔板，在各孔中加入100 μL濃度分別為50.00、25.00、12.50、6.25、3.13、1.56、0.78 mg/mL的杜香精油，再分別向各孔中加入100 μL溶液，避光反應30 min，在734 nm處檢測吸光度值。待測物質清除ABTS的能力可以用清除率來表示，清除率越大，清除ABTS的能力越強。以抗壞血酸作為陽性對照，對酶輔助提取的杜香精油與水蒸氣蒸餾法提取的杜香精油分別進行ABTS自由基清除能力測定，平行操作重復3次，計算清除率，公式同“1.2.5”，式中A0為100 μL ABTS溶液與100 μL無水乙醇的混合液吸光值，A1為100 μL ABTS溶液與100 μL樣品溶液的混合液吸光值。

1.2.7 杜香精油對羥基自由基清除能力測定

取1個96孔板，在各孔中加入100 μL濃度分別為50.00、25.00、12.50、6.25、3.13、1.56、0.78 mg/mL的杜香精油，再分別向各孔中加入100 μL濃度為6 mmoL/L的FeSO4溶液，混勻后加入100 μL 6 mmoL/L的H2O2，避光混勻后靜置10 min，再加入100 μL濃度為6 mmoL/L的水楊酸溶液，37 ℃水浴反應30 min，取出后在510 nm處檢測吸光度值。

待測物質清除羥基自由基的能力可以用清除率來表示，清除率越大，清除羥基自由基的能力越強。以抗壞血酸作為陽性對照，對酶輔助提取的杜香精油與水蒸氣蒸餾法提取的杜香精油分別進行羥基自由基清除能力測定，平行操作重復3次，計算清除率，公式同“1.2.5”，式中A0為100 μL OH-溶液與100 μL無水乙醇的混合液吸光值；A1為100 μL OH-溶液與100 μL樣品溶液的混合液吸光值。

1.3 數據處理與分析

利用WPS EXCEL(版本：13.22.0；北京金山辦公軟件股份有限公司，中國)和SPSS(版本：22.0；IBM公司，美國)進行數據處理和分析，方差分析(ANOVA)采用鄧肯多重比較(α=0.05)，使用Origin(版本：2019；IBM公司，美國)對實驗數據進行作圖。所有測定重復3次，結果以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 酶的種類對精油提取率的影響

采用不同的酶對杜香葉粉末進行酶解，杜香精油提取率結果見圖1。從圖1中可以看出，果膠酶處理后，杜香精油提取率明顯高于其他幾種酶，所以選擇輔助果膠酶對杜香葉進行前處理，水蒸氣蒸餾法提取杜香葉中的精油，方法高效、環保。

圖1 酶的種類對杜香精油提取率的影響

2.1.2 酶的濃度對精油提取率的影響

使用不同酶的濃度對杜香葉粉末進行酶解，杜香精油提取率結果見圖2。從圖中可以看出，酶的濃度逐漸增大的同時，杜香精油提取率逐漸提高，當酶的濃度為1.00%～2.00%時，杜香精油提取率為1.00%～1.23%。由此表明，隨著酶濃度升高，杜香葉粉末與底物的接觸越充分，植物細胞被破壞的越完全，杜香精油提取率都有所增長，所以酶的最佳濃度為1.50%。

圖2 酶濃度對杜香精油提取率的影響

2.1.3 酶解溫度對精油提取率的影響

在不同酶解溫度下對杜香葉粉末進行酶解，杜香精油提取率結果見圖3。從圖中可以看出，隨著溫度的升高，杜香精油提取率緩慢增高，當溫度在50～60 ℃范圍內時，杜香精油提取率相對較高，為1.12%～1.28%，而當溫度在60 ℃時，杜香精油提取率有所降低。在最適宜的溫度黨范圍內，酶的活性最強，果膠酶的酶促反應速度最大，溫度太高或者太低都會使酶的活性降低，所以當酶解溫度為55 ℃時，杜香精油的提取率最高。

圖3 酶解溫度對杜香精油提取率的影響

2.1.4 酶的pH對精油提取率的影響

在不同酶的pH下對杜香葉粉末進行酶解，杜香精油提取率結果見圖4。從圖中可以看出，杜香精油提取率隨著pH值先增高后降低，pH值為4.5～6.5時，杜香精油提取率較高，為1.26%～1.46%，酶在適宜pH值下，活性最強，因此當pH值為5.5時，杜香精油提取率相對較大。

圖4 酶的pH對杜香精油提取率的影響

2.1.5 料液比對精油提取率的影響

在不同料液比下對杜香葉粉末進行提取，杜香精油提取率結果見圖5。從圖中可以看出，在料液比增大的情況下，杜香精油提取率逐漸增大，當杜香葉粉末與溶劑的比例即料液比為1∶15～1∶25時，杜香精油的提取率達到了1.32%～1.42%。與此同時，當料液比為1∶5～1∶10時，溶劑的體積較小，杜香葉粉末內的物質向溶劑中釋放得越不充分，所以當料液比為1∶20時，杜香精油的提取率最高。

圖5 料液比對杜香精油提取率的影響

2.1.6 酶解時間對精油提取率的影響

酶解時間對提取率的影響如圖6。從圖中可以看出，隨著時間的增長，杜香精油提取率緩慢增高，當時間在2～6 h范圍內時，杜香精油提取率相對較高，為1.43%～1.51%，因此最佳酶解時間為4 h。

圖6 酶解時間對杜香精油提取率的影響

2.1.7 提取時間對精油提取率的影響

提取時間對提取率的影響如圖7。從圖中可以看出，隨著提取時間的延長，杜香精油提取率有較細微的增長，然后逐漸變得平緩，到幾乎無明顯變化。當提取時間在1～2 h時，杜香精油的提取率較高，為1.52%～1.53%，因此，杜香精油的最佳提取時間為1.5 h。

圖7 提取時間對杜香精油提取率的影響

因此，影響酶輔助-水蒸氣蒸餾法提取的各個單因素的最佳條件分別為：酶的濃度為1.50%、酶解溫度為55 ℃、酶解pH值為5.5、酶解時間為4 h、料液比的范圍為1∶20、提取時間為1.5 h。

2.2 響應面實驗結果

2.2.1 杜香精油提取率模型擬合

表2 回歸系數顯著性檢驗

表3 回歸方程的可信度分析

2.2.2 交互因素對杜香精油提取率的影響

由圖8、9、10所示，響應曲面均為開口向下的凸形曲面，說明提取率存在最大值。響應面圖能直接反應各因素與響應值的關系及各個因素間的交互作用，響應曲面坡度越陡、等高線密集成橢圓形表示兩因素交互作用的影響越大，而圓形表示交互作用不顯著。由表2可看出，交互項AC、BC、BD影響顯著，說明pH與酶解時間、料液比與酶解時間、料液比與酶解溫度之間交互作用顯著。

2.2.2.1 酶的pH和酶解時間對杜香精油提取率的交互影響

酶的pH、酶解時間對杜香精油提取率的交互影響作用如圖8所示。由圖可見，pH(A)與酶解時間(C)的交互作用顯著，酶解時間使杜香精油提取率先增加然后趨于穩定，杜香精油提取率受酶的pH影響較大，隨pH增加呈現增加的趨勢，說明果膠酶的pH影響了杜香精油的提取，當其達到一個合適的pH時，對物料酶解程度最好。

圖8 酶的pH和酶解時間對杜香精油提取率的交互影響

2.2.2.2 料液比和酶解時間交互作用對杜香精油提取率的交互影響

料液比、酶解時間對杜香精油提取率的交互影響作用如圖9所示。由圖可見，料液比(B)與酶解時間(C)的交互作用顯著，從圖中可以看出，在特定酶的pH、酶解溫度下，料液比增加使杜香精油提取率逐漸增加，酶解時間的增加使杜香精油提取率先增加后減小，較大的料液比能夠增加物料和水之間的濃度差，增加杜香的溶解度，杜香精油提取率明顯增大。

圖9 料液比和酶解時間對杜香精油提取率的交互影響

2.2.2.3 料液比和酶解溫度交互作用對杜香精油提取率的交互影響

料液比、酶解溫度對杜香精油提取率的交互影響作用如圖10所示。由圖可見，料液比(B)與酶解溫度(D)的交互作用顯著，從圖中可以看出，在特定酶的pH、酶解時間下，料液比的增加使杜香精油提取率逐漸增加，酶解溫度增加使杜香精油提取率先增加后減小，較大的料液比能夠增加物料和水之間的濃度差，增加杜香的溶解度，杜香精油提取率明顯增大。

圖10 料液比和酶解溫度對杜香精油提取率的交互影響

2.2.2.4 優化和驗證提取條件

為了獲得最大的杜香精油提取率，響應面結果給出的酶輔助水蒸氣蒸餾法提取方法的實驗條件為：酶的pH為5.5，料液比為1∶20，酶解時間為4 h，酶解溫度為55 ℃。在上述條件下，模型預測杜香精油提取率可達到1.65%。在此條件下進行試驗，進行三次驗證試驗，最終得到杜香精油提取率為(1.71 ± 0.13)%，說明在模型預測出的提取條件下，杜香精油提取率的實驗值與預測值能夠很好地吻合，該工藝穩定、可行。在相同的條件下，普通水蒸氣蒸餾的提取率僅為1.02%。

2.3 GC-MS分析結果

2.3.1 水蒸氣蒸餾法提取的杜香精油GC-MS分析結果

水蒸氣蒸餾法提取的杜香精油GC-MS結果如圖11、表4所示，共分離出43個峰，鑒定出其中39種主要化學成分。利用面積歸一化法確定各組分在精油中的質量分數，已鑒定出的組分中(+)-4-蒈烯是杜香精油的主要有效成分，占精油總量的27.32%，其次，間傘花烴(11.31%)、3-異丙基-6-亞甲基-1-環己烯(8.95%)、γ-松油烯(6.50%)、松油烯(4.04%)、(R)-1-甲基-5-(1-甲基乙烯基)環己烯(3.76%)、3-壬烯-2-酮(3.47%)、吉馬酮(3.17%)、(+)-α-蒎烯(2.69%)、(-)-萜品-4-醇(2.46%)、γ-欖香烯(2.29%)、桃金娘烯醛(2.18%)、乙酸香葉酯(2.14%)等也占到精油總量的2%以上。

圖11 水蒸氣蒸餾法提取杜香精油GC-MS總離子流色譜圖

表4 水蒸氣蒸餾法提取杜香精油的化學成分分析

2.3.2 酶輔助提取的杜香精油GC-MS分析結果

酶輔助提取杜香精油GC-MS結果如圖12、表5所示，酶輔助提取的杜香精油共出現53個峰，鑒定出其中44種主要化學成分。以萜類及其衍生物為主，萜類主要為單萜和倍半萜，其衍生物則主要為醇或酯，其中含有的烯類成分是決定其顏色的主要組分。已鑒定出的組分中(+)-4-蒈烯是杜香精油的主要有效成分，占精油總量的17.85%，其次，松油烯(12.75%)、間傘花烴(11.79%)、乙基芳樟基醚(11.25%)、吉馬酮(9.88%)、γ-欖香烯、(5.10%)γ-松油烯(4.38%)、d-檸檬烯(3.14%)、3-異丙基-6-亞甲基-1-環己烯(3.02%)、(-)-4-萜品醇(2.46%)等也占到精油總量的2%以上。

表5 酶輔助提取杜香精油的化學成分分析

圖12 酶輔助提取杜香精油GC-MS總離子流色譜圖

根據酶輔助提取與水蒸氣蒸餾提取的杜香精油成分分析可知，酶輔助提取所得的杜香精油化學成分有53種，水蒸氣蒸餾法提取所得的精油化學成分有44種；酶解的揮發性成分種類更豐富，更好地釋放出來。精油中所含的3-蒈烯、間花傘烴、γ-松油烯、乙酸香葉酯具有明顯的抗菌作用，(+)-α-蒎烯具殺蟲作用等，這些成分表現出杜香精油綜合的藥理作用。

2.4 杜香精油的抗氧化活性

2.4.1 杜香精油對DPPH自由基的清除作用

DPPH自由基是一個穩定的自由基，在517 nm處具有最大吸收。它已被廣泛用于評估植物提取物和食品的抗氧化活性。酶輔助提取杜香精油和水蒸氣蒸餾法提取杜香精油對DPPH清除能力比較如圖13所示。結果表明精油的DPPH自由基清除活性是具有濃度依賴性的。酶輔助提取杜香精油的DPPH清除活性強于水蒸氣蒸餾法提取杜香精油。

圖13 杜香精油對DPPH自由基的清除作用

2.4.2 杜香精油對ABTS自由基的清除作用

酶輔助提取杜香精油和水蒸氣蒸餾法提取杜香精油對ABTS的清除能力如圖14所示。結果表明精油的ABTS自由基清除活性是具有濃度依賴性的。酶輔助提取杜香精油的ABTS清除活性強于水蒸氣蒸餾法提取杜香精油。

圖14 杜香精油對ABTS自由基的清除作用

2.4.3 杜香精油對羥基自由基的清除作用

顯示酶輔助提取杜香精油和水蒸氣蒸餾法提取杜香精油對羥基自由基的清除能力如圖15所示。結果表明精油的羥基自由基清除活性是具有濃度依賴性的。酶輔助提取杜香精油的羥基自由基清除活性強于水蒸氣蒸餾法提取杜香精油。

圖15 杜香精油對羥基自由基的清除作用

3 結論

本文比較了不同的酶進行前處理對杜香粉末中杜香精油的提取效果，確定了使用果膠酶進行酶法處理，采用酶輔助水蒸氣蒸餾法提取杜香精油。通過單因素和響應面實驗確定了酶輔助水蒸氣蒸餾法的最佳提取條件為：酶的pH為5.5，料液比為1∶20，酶解時間為4 h，酶解溫度為55 ℃，酶的濃度為1.5%、提取時間為1.5 h，在此條件下，杜香精油提取率為1.71%，常規水蒸氣蒸餾法提取率為1.02%，杜香精油提取率提高了67.65%，表明了酶輔助提取法的高效性，為杜香精油的大規模生產提供了更加綠色、高效的方法。

通過GC-MS測定、解析了杜香精油的主要化學成分，并比較了使用酶輔助提取法與水蒸氣蒸餾法提取杜香精油的區別。酶輔助提取所得的杜香精油化學成分有44種，水蒸氣蒸餾法提取精油化學成分有39種；酶輔助提取的杜香精油成分種類更豐富，說明在酶輔助下精油可以更好地釋放出來。表明酶輔助水蒸氣蒸餾提取法可更好地獲取杜香精油的有效成分。

在抗氧化實驗中，酶輔助提取的杜香精油對DPPH自由基、ABTS自由基和羥基自由基的清除能力較水蒸氣蒸餾法提取的杜香精油強，總體上具有明顯的抗氧化活性并有良好的量效關系。