超聲波協同酶法提取芹菜中總黃酮的工藝優化

張翔宇，譚興和，蔡 文，盧 卡，張 喻,*

（1.湖南農業大學 食品科技學院，湖南 長沙 410128；2.食品科學與生物技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128）

芹菜（celery）屬傘形花科1年生或2年生草本植物，是一種豐富的可再生植物資源[1]。芹菜開始在我國被作為藥用植物栽培，種植面積廣泛[2]。芹菜具有降血壓和血糖、抗動脈硬化、抗病毒、抗氧化以及增強免疫力等生物活性和藥用價值[3]。研究表明[4]，其諸多的生理功效中，大多數都與黃酮有關[4-6]。黃酮（flavonoids）是一種天然植物成分，泛指兩個苯環（A環與B環）通過三碳鏈相互聯接而成的一系列（C6-C3-C6）化合物[7]。芹菜葉中的黃酮大多數以糖苷形式存在，其中最主要的是芹菜素[8]。經研究發現，芹菜黃酮與竹葉黃酮一樣具有較高的生物活性，包括抗氧化活性以及清除自由基[9]的作用?？傊?，芹菜黃酮種類豐富，提取簡單方便，生物活性高[10-11]，具有較高的研究價值和開發潛力。

為了能夠更容易的提取芹菜中總黃酮，試驗采用纖維素酶酶解法協同超聲法來進行提取。多種方法的有效結合，可以優勢互補，在溫和可控的條件下提取更多的黃酮類化合物。在單因素試驗的基礎上，利用正交試驗設計原理，優化工藝條件，為芹菜中總黃酮的深入研究做準備，并為其工業化生產提供一定的理論參考和實踐經驗。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

芹菜：購于湖南農業大學濱湖市場，于鼓風干燥箱中用40 ℃溫度干燥后，粉碎過80目篩，備用；纖維素酶（酶活力360 U/g）：上海如吉生物科技發展有限公司；蘆丁標準品：中國食品藥品檢定研究院；無水乙醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉等（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

WFJ7200分光光度計：北京萊伯泰科有限公司；KQ5200DE超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；SHZ-82水浴恒溫振蕩器：上海浦東物理光學儀器廠；ZN-400A高速中藥粉碎機：長沙市岳麓區中南制藥機械廠；TDZ5臺式低速離心機：湖南赫西儀器裝備有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 芹菜中總黃酮提取工藝流程

芹菜→切碎烘干→粉碎→過60目篩→溶解（體積分數為70%的乙醇）→調節pH值→進行超聲處理→酶解（加入纖維素酶）→水浴提?。?0 ℃）→滅酶（80 ℃、5 min）→離心分離（5 000 r/min）→旋轉蒸發除去乙醇→總黃酮粗提物

1.3.2 蘆丁標準曲線的繪制

參照文獻蘆丁標準曲線測定方法[12-13]，設計試驗如下：精密稱取于120 ℃減壓干燥至恒質量的蘆丁標準品20 mg于100 mL容量瓶中，加入體積分數為60%的乙醇置于水浴中加熱溶解，冷卻后用體積分數為60%的乙醇定容，搖勻，即得到0.2 mg/mL的蘆丁標準品溶液。準確吸取該蘆丁標準品溶液0、1.0 mL、2.0 mL、3.0 mL、4.0 mL、5.0 mL分別置于25 mL容量瓶中，分別加體積分數為30%的乙醇溶液至5 mL，加5% NaNO2溶液0.75 mL，搖勻，放置6 min，再加10% Al（NO3）3溶液0.75 mL，搖勻，放置6 min，加4%NaOH溶液10 mL，用蒸餾水定容，搖勻，放置15 min。以試劑空白作為參比，在最大吸收波長510 nm處測定吸光度值。

1.3.3 芹菜中總黃酮提取量的測定及得率的計算

準確吸取l mL總黃酮提取液置于25 mL容量瓶中，加入體積分數為30%的乙醇4 mL，然后按照1.3.2的方法操作。以空白試劑為參比，在最大吸收波長510 nm處測定吸光度值，由蘆丁標準曲線方程計算提取液中總黃酮的質量濃度，再按如下公式計算芹菜中總黃酮得率[14]：

式中：C為提取液黃酮類物質的質量濃度，mg/mL；V為提取液的總體積，mL；M為芹菜干基質量，g。

1.3.4 單因素試驗

在超聲功率200 W、超聲時間15 min、料液比1∶25（g∶mL）、加酶量150 U/g、pH 4.0的基礎上，相應變換各因素的水平：超聲功率選擇100 W、150 W、200 W、250 W、300 W；超聲時間選擇10 min、20 min、30 min、40 min、50 min；料液比選擇1∶10（g∶mL）、1∶15（g∶mL）、1∶20（g∶mL）、1∶25（g∶mL）、1∶30（g∶mL）；加酶量選擇150 U/g、180 U/g、210 U/g、240 U/g、270 U/g；pH選擇3.0、4.0、5.0、6.0、7.0。按照1.3.2的方法提取芹菜中總黃酮，考察各因素對芹菜總黃酮的得率影響。

1.3.5 提取工藝優化正交試驗設計

表1 提取工藝優化正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for extraction technology optimization

以總黃酮得率為評價指標，分別考察酶解pH值、加酶量、超聲功率、料液比和超聲時間5個因素的影響，在此基礎上，進行L16（45）正交試驗，確定超聲波-纖維素酶協同方法醇提芹菜中總黃酮的最佳工藝條件，正交試驗因素水平見表1。

2 結果與分析

2.1 蘆丁標準曲線回歸方程的建立

以吸光度值（y）為縱坐標，蘆丁標準品溶液質量濃度（x）為橫坐標，繪制標準曲線，如圖1所示。蘆丁標準曲線方程：y=12.243x-0.010 5，相關系數R2=0.997 3，線性范圍為0～20 μg/mL，結果表明，蘆丁質量濃度與吸光度值具有良好的線性關系。

圖1 蘆丁標準曲線Fig.1 Standard curve of rutin

2.2 酶解pH值對芹菜中總黃酮得率的影響

在加酶量為210 U/g，超聲功率200 W，料液比為1∶25（g∶mL），超聲時間40 min條件下，考察pH值對芹菜中總黃酮得率的影響，結果見圖2。

圖2 pH對總黃酮得率的影響Fig.2 Effect of pH on total flavonoids yield

由圖2可知，在pH值為5.0時，芹菜中總黃酮的得率最大。每種酶在最佳作用pH值區間里，能夠發揮纖維素酶的最大活力，使之最大限度破壞細胞壁，減小傳質阻力，加速芹菜中黃酮類化合物的溶出效率；當pH值＜5.0或＞5.0時，化學環境使酶活力下降，總黃酮得率下降趨勢明顯。因此，選擇pH值為5.0為宜。

2.3 加酶量對芹菜中總黃酮得率的影響

在pH值為5.0，超聲功率200 W，料液比為1∶25（g∶mL），超聲時間40 min條件下，考察加酶量對芹菜中總黃酮得率的影響，結果見圖3。

圖3 加酶量對總黃酮得率的影響Fig.3 Effect of enzyme addition on total flavonoids yield

由圖3可知，隨著纖維素酶用量的增加，總黃酮得率不斷上升。當加酶量達到210 U/g時，總黃酮得率基本已達到最大值。纖維素酶在酸性介質中催化芹菜中的纖維素等多糖水解，導致細胞壁部分破損，細胞膜通透性增加，減少了黃酮向主體溶劑中擴散的阻力，從而加速黃酮的釋放[15]。由圖3可知，加酶量＞210 U/g以后，溶液中酶與底物濃度達到飽和狀態，總黃酮得率變化不大。因此選擇210 U/g作為加酶量最佳添加量。

2.4 超聲功率對芹菜中總黃酮得率的影響

在pH值為5.0，加酶量為210 U/g，料液比為1∶25（g∶mL），超聲時間40 min條件下，考察超聲功率對芹菜中總黃酮得率的影響，結果見圖4。

圖4 超聲功率對總黃酮得率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on total flavonoids yield

由圖4可知，芹菜中總黃酮的得率隨著超聲功率的上升而提高。超聲波機械和空化作用使芹菜細胞壁破碎，促進細胞內的黃酮向溶劑中擴散，而且超聲波還有熱作用，更進一步促進其成分擴散，使黃酮類化合物更容易溶解到溶劑中，提高得率。因此選擇200 W作為最佳的超聲功率。

2.5 料液比對芹菜中總黃酮得率的影響

在pH值為5.0，加酶量為210 U/g，超聲功率200 W，超聲時間40 min條件下，考察料液比對芹菜中總黃酮得率的影響，結果見圖5。

圖5 料液比對總黃酮得率的影響Fig.5 Effect of solid-liquid ratio on total flavonoids yield

由圖5可知，料液比在1∶10～1∶30（g∶mL）范圍內總黃酮得率變化趨勢是先增大后減少，當料液比達到1∶25（g∶mL）時，總黃酮得率增加至最大，之后開始下降，這是因為溶劑量越高，乙醇與芹菜粉末之間的接觸面積變大，從而有利于促進黃酮成分的溶出。因此選擇最適料液比為1∶25（g∶mL）。

2.6 超聲時間對芹菜中總黃酮得率的影響

在pH值為5.0，加酶量為210 U/g，超聲功率200 W，料液比為1∶25（g∶mL）條件下，考察超聲時間對芹菜中總黃酮得率的影響，結果見圖6。

圖6 超聲時間對總黃酮得率的影響Fig.6 Effect of ultrasonic time on total flavonoids yield

由圖6可知，在10～40 min范圍之內，芹菜中總黃酮的得率隨超聲時間的增加而增大，并于40 min時達到最大，之后開始下降。這是因為適當延長超聲時間，對原料組織的破碎程度增強，可使溶質在溶劑中充分擴散，從而增加總黃酮得率。但長時間的高溫和超聲波共同作用則破壞了部分提取物，導致檢測到的總黃酮減少。所以超聲時間選擇為40 min最佳。

2.7 提取工藝優化正交試驗

以芹菜中總黃酮得率為評價指標，根據單因素試驗結果，選擇酶解pH值、加酶量、超聲功率、料液比、超聲時間5個因素作為考察因素，分別選取4個水平進行L16（45）正交試驗，結果見表2，方差分析見表3。

表2 提取工藝優化正交試驗結果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal experiments for extraction technology optimization

表3 正交試驗結果方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal experiments results

由表2可知，各試驗因素對芹菜中總黃酮得率影響大小順序為加酶量＞超聲時間＞超聲功率＞pH值＞料液比。采用超聲波-纖維素酶協同方法醇提芹菜中總黃酮的最優組合為A2B3C4D3E4，即酶解pH值為4.0、加酶量210 U/g、超聲功率200 W、料液比1∶25（g∶mL）、超聲時間40 min。在此條件下進行驗證試驗，總黃酮得率為1.018 4%。

由表3可知，加酶量、超聲功率、超聲時間對試驗結果的影響極顯著，pH值對結果的影響顯著。料液比對結果的影響不顯著。

3 結論

單因素試驗結果數據表明，酶解pH值、加酶量、超聲功率、料液比、超聲時間對芹菜中總黃酮的得率均有不同程度的影響。正交試驗結果數據表明影響芹菜中黃酮提取的5個因素的主次關系為：加酶量＞超聲時間＞超聲功率＞酶解pH值＞料液比；采用超聲波-纖維素酶協同方法醇提芹菜中總黃酮的最優工藝條件為酶解pH 值為4.0、加酶量210 U/g、超聲功率200 W、料液比1∶25（g∶mL）、超聲時間40 min。在此條件下，芹菜中總黃酮的得率可達到1.018 4%。

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