云南栽培瑪咖芥子油苷提取工藝的優化*

郝利民，魯吉珂，，巴建明，崔燕，白冰，姜月蒙

1(總后軍需裝備研究所軍用漢麻材料研究中心，北京，100027)2(鄭州大學生物工程系，河南 鄭州，450001)3(解放軍總醫院內分泌科，北京，100853)

瑪咖(Lepidium meyenii Walp.，Maca)，十字花科獨行菜屬1年生或2年生草本植物，瑪咖地下根是其貯藏營養的主要部分［1］?，斂гa于南美洲秘魯海拔3 500 m的安第斯高寒山區，其栽培和食用歷史悠久，作為藥食兩用植物，傳統上主要用于抗疲勞、改善性功能和提高生育力等［2－3］?，斂б殉蔀楫斍肮δ苁称费芯康臒狳c，秘魯瑪咖的出口額由2001年的141.5萬美元增長到2010年的 617.0萬美元［4］。2003年，我國云南成功引種瑪咖［5］，近年來國內學者對瑪咖研究報道逐漸增多［6］。馮穎等對云南栽培瑪咖分析發現，其營養成分與秘魯原產瑪咖相當，具有較高的開發價值［7］。2011年，我國衛生部批準瑪咖粉作為新資源食品。

芥子油苷(glucosinolate)也稱硫代葡萄糖苷或硫苷，是一種含氮和硫的植物次生代謝物質，廣泛分布于十字花科植物中［8］。芥子油苷在瑪咖中含量豐富［9］，是瑪咖生理活性成分之一。2002 年 Dini等［10］首次從瑪咖根的甲醇提取液中分離得到了芐基芥子油苷(benzylglucosinolate)和間甲氧基芐基芥子油苷(m-methoxybenzylglucosinolate)，同時提出這2種芥子油苷可作為瑪咖的化學標記。隨后，研究者又分別從瑪咖根中發現了一系列芥子油苷，并對其含量進行了檢測分析［11－14］。2012 年 Gonzales［4］指出，由于芐基芥子油苷容易分解為異硫氰酸酯及其他一些小分子代謝物，其不能作為瑪咖的化學標記。目前，關于瑪咖功效物質的研究尚無定論，研究芥子油苷提取工藝，可為其分離純化奠定基礎，有助于判定瑪咖化學標記物，這對于其生理活性研究及瑪咖功能食品開發都具有重要意義。

本研究以云南栽培瑪咖為原料，對其干根中芥子油苷提取工藝進行了優化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

瑪咖干根，總后勤部軍需裝備研究所瑪咖種植基地(云南麗江)，粉碎粒度150目;Sinigrin(黑芥子苷，≥99.0%)，美國英杰生命技術有限公司;氯化鈀、甲醇，均為分析純;羧甲基纖維素鈉，化學純。

Beckman高速離心機，美國Beckman公司;UV－1700紫外分光光度儀，日本島津制作所;精密pH計(pHS－3C)，上海精密科學儀器有限公司;電熱恒溫水浴鍋，北京市永光明醫療儀器廠;SHZ-D(Ⅲ)循環水式真空泵，鞏義市予華儀器有限公司;KQ-500B型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 芥子油苷分析

芥子油苷標準曲線:準確吸取0.50 mmol/L黑芥子苷標準溶液 0.0，0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 mL 于 10 mL比色管中補加水到2.0 mL，再加入0.15%羧甲基纖維素鈉溶液4.0 mL，充分搖勻，加入2 mL的PdCl2顯色溶液，蓋上塞子，再充分搖勻并于25℃下放置4 h，以水-PdCl2-羧甲基纖維素鈉空白溶液為參比，540 nm下測定吸光值，繪制標準曲線［15］，見圖1。

樣品中芥子油苷含量測定:將定容的瑪咖提取液稀釋一定的倍數，準確吸取樣液1.0 mL，按照上述方法顯色，測定吸光值，并代入標準曲線求出不同浸提液中芥子油苷的含量。

圖1 芥子油苷標準曲線Fig.1 Standard curve of glucosinolate

芥子油苷提取率/%=［浸提液中芥子油苷質量(g)/瑪咖原料質量(g)］×100

1.2.2 提取溶劑選擇

稱取瑪咖粉1.00 g，置于磨口錐形瓶中，按1∶20(g∶mL)料液比加入20 mL提取溶劑(分別為水、甲醇、乙醇和正己烷)，室溫浸提24 h;水浸提液真空過濾，定容至100 mL，待測;甲醇、乙醇和正己烷浸提液真空過濾，濾液減壓蒸餾濃縮，浸膏加水溶解，定容至100 mL。芥子油苷含量測定參照1.2.1。

1.2.3 瑪咖芥子油苷提取單因素優化

稱取瑪咖粉1.00 g置于磨口錐形瓶中，加入一定體積甲醇，密封后水浴加熱浸提，間歇振蕩;浸提一定時間后浸提液真空過濾，濾液減壓蒸餾濃縮，浸膏加水溶解，定容至100 mL。芥子油苷含量測定參照1.2.1。

影響瑪咖芥子油苷提取率的主要因素為提取溫度、提取時間、料液比，因此分別以這3個因素為對象，考察其對芥子油苷提取率的影響。

1.2.4 瑪咖芥子油苷提取的正交實驗

在單因素優化結果的基礎上，以提取溫度、提取時間、料液比為影響因素，各取3個水平，采用 L9(34)正交表進行正交實驗設計，以芥子油苷的提取率為指標，確定瑪咖芥子油苷的最適提取工藝。

1.2.5 瑪咖芥子油苷超聲提取工藝優化

稱取瑪咖粉1.00g置于磨口錐形瓶中，加入一定體積甲醇，密封后于室溫下超聲輔助提取;浸提20min后浸提液真空過濾，濾液減壓蒸餾濃縮，浸膏加水溶解，定容至100mL。芥子油苷含量測定參照1.2.1。

2 結果與討論

2.1 提取溶劑選擇

天然產物中功效物質的提取常采用水、甲醇和乙醇等溶劑，首先對不同溶劑提取云南栽培瑪咖芥子油苷的效果進行研究，結果見表1。不同溶劑對芥子油苷提取率影響較大，正己烷為溶劑時提取率較低，僅為0.077%;而采用甲醇溶劑時芥子油苷提取率可達到1.28%(表1)。甲醇對芥子油苷具有良好的溶解性，另外，甲醇可能對瑪咖組織中可降解芥子油苷的黑芥子酶有抑制作用，從而保護芥子油苷避免被酶解。因此，采用甲醇作為芥子油苷的提取溶劑。

表1 不同溶劑提取芥子油苷結果Table 1 Extraction of glucosinolate with different solvents

2.2 水浴浸提單因素優化

2.2.1 提取溫度對瑪咖芥子油苷提取率的影響

溫度是影響天然產物功效物質分離提取的主要因素之一，提高溫度，分子運動加快，提取率升高;但高溫會導致生物活性物質活性損失，同時高溫操作使能耗增加，因此存在最適提取溫度。提取溫度對瑪咖芥子油苷提取率的影響如圖2所示。隨著溫度的升高，芥子油苷提取率逐漸增加，當提取溫度≥50℃時，提取率趨于穩定，維持在1.20%左右。由于常壓下甲醇沸點為64.5℃，瑪咖芥子油苷最適提取溫度應選擇在50℃左右。

圖2 提取溫度對瑪咖芥子油苷提取率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on the glucosinolate yield

2.2.2 提取時間對瑪咖芥子油苷提取率的影響

提取時間也是影響天然產物功效物質分離提取的主要因素之一。適當增加提取時間會提高提取率，但會增加成本及能源消耗。提取時間對瑪咖芥子油苷提取率的影響如圖3所示。隨著提取時間的增加，芥子油苷的提取率逐漸增加，但增速逐漸變緩。提取12h時芥子油苷提取率為0.986%;當提取時間達到24h后，芥子油苷提取率維持在相對恒定的水平，約為1.18%～1.22%。因此，芥子油苷適宜提取時間應選擇在12～36 h。

圖3 提取時間對瑪咖芥子油苷提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on the glucosinolate yield

2.2.3 料液比對瑪咖芥子油苷提取率的影響

料液比對天然產物功效物質分離提取的影響較大，增加提取溶劑會提高提取率，但會帶來后續溶劑回收成本過高等問題。料液比對瑪咖芥子油苷提取率的影響如圖4所示。隨著料液比的增加，芥子油苷提取率逐漸增加。在料液比為1∶40(g∶mL)時，芥子油苷提取率為1.56%，繼續增加料液比到1∶50，提取率增加到1.66%。綜合考慮提取率和溶劑回收問題，芥子油苷最佳提取料液比應控制在1∶40左右。

圖4 提取料液比對瑪咖芥子油苷提取率的影響Fig.4 Effect of extraction solid-liquid ratio on the glucosinolate yield

2.3 正交試驗優化

在單因素試驗的基礎上，以提取溫度、時間和料液比為考察因素，設計3因素3水平正交試驗 (表2)，對瑪咖芥子油苷提取工藝進行優化，結果見表3。

表2 瑪咖芥子油苷提取正交試驗因素水平表Table 2 Factors and levels for L9(34)orthogonal experiment design of glucosinolate extraction from maca

表3 瑪咖芥子油苷提取正交試驗結果Table 3 Results of orthogonal experiment for glucosinolate extraction from maca

由表3極差分析結果可以看出，各因素對瑪咖芥子油苷提取率的影響依次為:料液比(C)＞提取時間(B)＞提取溫度(A)。最佳提取條件為A1B1C3，即溫度 40℃，料液比 1∶50(g∶mL)，提取 12 h。經驗證，在此條件下，瑪咖中芥子油苷提取率為1.45%。艾中等［12］研究發現，國產瑪咖中芥子油苷含量在0.65% ～1.83%，并且其含量在不同組織、不同產地間均有一定的差異。本研究最優條件下芥子油苷提取率與文獻報道結果一致。

2.4 超聲提取工藝優化

超聲輔助提取是一種有效的天然產物提取工藝，具有提取率高，時間短等優點。本研究對超聲波輔助提取云南栽培瑪咖芥子油苷的工藝進行優化。預實驗結果顯示，超聲條件下，室溫下芥子油苷提取率較高;提取時間對芥子油苷提取率影響不大，在10～30 min內提取率無顯著差異(數據未列出)。

超聲輔助提取條件下料液比對芥子油苷提取率的影響見圖5。隨著料液比的增加，瑪咖芥子油苷的提取率逐漸增加，當料液比為1∶50時，提取率最高可達1.66%，高于水浴浸提最優提取率(1.45%)。超聲輔助提取工藝可縮短浸提時間，浸提溫度降低有助于降低能耗。低溫快速提取在提高效率的同時，還可最大限度地保持功效物質活性。

3 結論

本文對提取云南栽培瑪咖中芥子油苷的不同溶劑進行了研究，結果顯示甲醇溶劑提取率最高。正交試驗結果顯示，水浴浸提時各因素影響順序依次為:料液比＞提取時間＞提取溫度;最優提取工藝條件為:溫度40 ℃，料液比1∶50(g∶mL)，提取 12 h，該條件下芥子油苷提取率為1.45%。超聲輔助提取工藝優化結果顯示，在室溫條件下，料液比1∶50，超聲輔助提取20 min，提取率1.66%。

圖5 超聲提取料液比對瑪咖芥子油苷提取率的影響Fig.5 Effect of solid-liquid ratio on the glucosinolate yield under ultrasonic extraction

［1］ 余龍江，金文聞，吳元喜，等.瑪咖的植物學及其藥理作用研究概況［J］.天然產物研究與開發，2002，14(5):71－74.

［2］ Stone M，Ibarra A，Roller M，et al.A pilot investigation into the effect of maca supplementation on physical activity and sexual desire in sportsmen［J］.Journal of Ethnopharmacology，2009，126(3):574－576.

［3］ 何釗，馮穎，徐瓏峰，等.云南種植瑪咖乙醇提取物的體外抗氧化活性分析［J］.食品科學，2010，31(15):39－43.

［4］ Gonzales G F.Ethnobiology and ethnopharmacology of Lepidium meyenii(maca)，a plant from the peruvian highlands［J］.Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine，2012，2012:10.

［5］ 李磊，周昇昇.瑪咖的食品營養與安全評價及開發前景［J］.食品工業科技，2012，33(5):376－379.

［6］ 肖偉，彭勇，許利嘉，等.秘魯特產藥用植物瑪卡研究的新進展［J］.世界科學技術-中醫藥現代化，2007，9(3):102－106.

［7］ 馮穎，何釗，徐瓏峰，等.云南栽培瑪咖的營養成分分析與評價［J］.林業科學研究，2009，22(5):696－700.

［8］ 袁高峰，陳思學，汪俏梅.芥子油苷及其代謝產物的生物學效應研究與應用［J］.核農學報，2009，23(4):664－668.

［9］ 甘瑾，馮穎，張弘，等.三種色型瑪咖芥子油苷組分及含量分析［J］.中國農業科學，2012，45(7):1 365－1 371.

［10］ Dini I，Tenore G C，Dini A.Glucosinolates from maca(Lepidium meyenii)［J］.Biochemical Systematics and E-cology，2002，30(11):1 087－1 090.

［11］ Piacente S，Carbone V，Plaza A，et al.Investigation of the tuber constituents of maca(Lepidium meyenii Walp.)［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2002，50(20):5 621－5 625.

［12］ 艾中，程愛芳，孟際勇，等.國產瑪咖芥子油苷的組分分析和含量測定［J］.食品科技，2012，37(4):182－186.

［13］ Li G，Ammermann U，Quirós C.Glucosinolate contents in maca(Lepidium peruvianum Chacon)seeds，sprouts，mature plants and several derived commercial products［J］.Economic Botany，2001，55(2):255 －262.

［14］ Yábar E，Pedreschi R，Chirinos R，et al.Glucosinolate content and myrosinase activity evolution in three maca(Lepidium meyenii Walp.)ecotypes during preharvest，harvest and postharvest drying［J］.Food Chemistry，2011，127(4):1 576－1 583.

［15］ 金文聞.藥食兩用植物瑪咖(Lepidium meyenii)的功效物質研究［D］.武漢:華中科技大學，2009.