響應面法優化桑葉黃酮提取工藝及其抗氧化活性研究

李恒　譚金燕　周鮮嬌

摘要：為了優化桑葉黃酮提取工藝，探討其抗氧化活性，以微波功率、微波時間、乙醇濃度、液料比和提取次數為影響因素，以桑葉黃酮提取率為考察指標，采用單因素和Box-Behnken 法優化提取工藝，并通過測定桑葉黃酮提取物對DPPH·、·OH和O2-·自由基的清除能力，探討其體外抗氧化活性。結果顯示，桑葉黃酮的最佳提取條件為微波功率175 W、微波時間4.5 min、乙醇濃度48.5%、液料比30 mL/g，在此條件下，桑葉黃酮的提取率可達到11.393±0.049 mg/g。桑葉黃酮提取液對DPPH·、·OH和O2-·的清除作用明顯，清除能力與黃酮提取液濃度呈正相關關系。綜上，應用微波提取技術可有效提取桑葉黃酮，提取的黃酮具有良好的抗氧化活性。

關鍵詞：響應面分析法；桑葉；黃酮；抗氧化性

中圖分類號：R284.2 文獻標志碼：A

Optimization of Extraction Process by Response Surface Methodology and Analysis of Antioxidant Activity of Flavonoid from Mulberry Leaves

LI Heng， TAN Jinyan， ZHOU Xianjiao*

（Lingnan Normal University， Zhanjiang， Guangdong 524048， China）

Abstract： The objective of this study was to optimize the extraction process of flavonoids from mulberry leaves and explore its antioxidant activity. The experiment selected microwave power， microwave time， ethanol concentration， solid-liquid ratio and extraction time as variables， the yield of flavonoids as the evaluation index. Single factor tests and Box-Behnken method were used to optimize the extraction process. The scavenging ability on 1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl （DPPH·）， hydroxyl radical （·OH） and superoxide （O2-·） free radicals of flavonoids from mulberry leaves were also tested to estimate the antioxidant activities in vitro. The results showed that： optimal extraction rate （11.393±0.049 mg/g highest yield） could be achieved under the conditions of microwave power 175 W， microwave time 4.5 min， ethanol concentration 48.5%， solid-liquid ratio 30 mL/g. The abi-lity of mulberry leaves flavonoids extract to scavenge DPPH·， ·OH and O2-· was great and scavenge ability was positively correlated with concentration of the extract. To sum up， microwave extraction technology can effectively extract of mulberry leaves flavonoids， leading to better antioxidant acti-vity.

Keywords： Response surface methodology; mulberry leaves; flavonoids; antioxidant activity

桑樹（Morus alba L.）為?？疲∕oraceae）桑屬（Morus L.）多年生落葉喬木，在中國主要分布在南部和長江流域[1]。桑葉是桑樹的葉片，也被稱為“鐵扇子 ”，作為主要產物大約占桑樹地上總產量的64%[2]?！渡褶r本草經》中記載桑葉寒，味甘甜和苦澀，歸肺、肝經，具有疏散風熱、清肺潤燥、平肝明目、涼血止血等功效，可作為發散風熱藥。黃酮是桑葉中重要的功能成分之一，具有抗氧化、輔助降血糖、輔助降血脂、調節人體免疫力和預防心腦血管疾病等作用[3-5]。

桑葉黃酮的提取方法有水浸提法、有機溶劑提取法、超聲輔助法、微波輔助法等 [6-10]，其中微波提取法是一種利用電磁場的新方法，具有節能，省時，操作簡單，提取效率高等優點，其影響因素主要有微波時間、微波功率、液料比和有機溶劑濃度等[11]。查閱文獻，已有研究采用微波輔助提取法探討了前三種因素對桑葉黃酮提取率的影響，但是僅采用水浸提法[8，9]，未考慮有機溶劑的影響。故本研究采用有機溶劑提取法對有機溶劑濃度、微波時間、微波功率、液料比四因素進行優化。響應面分析（Response surface methodology，RSM）是一種實驗條件尋優的方法，近年來廣泛用于各種活性物質提取條件的優化[12，13]，是降低開發成本、優化加工條件、提高產品產量的一種有效方法。本研究采用響應面分析法進行優化研究，并檢測桑葉黃酮對1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）、超氧自由基（O2-·）、羥自由基（·OH）3種自由基的清除作用，明確桑葉黃酮的體外抗氧化活性，為桑葉資源的進一步利用提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

桑葉，采摘于四川省綿陽市三臺縣，經清洗、烘干、粉碎，過60目篩；蘆丁標準品，光譜純，購于國藥集團化學試劑公司；1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH），美國Sigma公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

FW-1750型粉碎機，永康市哈瑞工貿有限公司；N4S型紫外可見分光光度計，上海儀電分析儀器有限公司；P70D20N1P-G5（W0）型微波爐，廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司；RE52CS-2 型旋轉蒸發儀，鄭州南北儀器設備有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 桑葉黃酮提取工藝

桑葉原料經粉碎后過60目篩，稱取2.0 g于500 mL的燒杯內，根據試驗設計加入一定比例相應濃度的乙醇溶液，搖勻，浸泡10 min。用保鮮膜覆蓋燒瓶口，放入微波爐，調節微波功率和微波時間進行提取，提取液離心，過濾，取上清液，用旋轉蒸發器濃縮至50 mL左右，最后用該樣品濃度的乙醇溶液將提取液定容至100 mL待用。

1.3.2 蘆丁標準曲線繪制及桑葉黃酮提取率的測定

桑葉黃酮含量測定采用亞硝酸鈉-硝酸鋁比色法[14]。準確稱取10.0 mg蘆丁標準品，以70%乙醇配成質量為0.1 g/L蘆丁標準溶液。分別取0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL蘆丁標準溶液置于10 mL具塞試管中，加入0.5 mL 5%NaNO2溶液，反應10 min后，加入0.5 mL 10%Al（NO3）3溶液，混勻靜置10 min，再加入3 mL的4%NaOH溶液，以70%的乙醇溶液定容至試管刻度線處，顯色反應10 min。最后用70%酒精為空白參比，在最大波長紫外光510 nm處測定吸光度。以蘆丁溶液的質量濃度為橫坐標X，吸光度Y為縱坐標，得到標準曲線方程為Y=13.429X-0.007，R?=0.9983。取桑葉黃酮提取液5.0 mL代替蘆丁標準溶液，按照以上步驟測定其在510 nm處的吸光度，根據標準曲線方程得到提取液中黃酮的質量濃度，按下式計算桑葉黃酮的提取率：

其式中：C為待測溶液中總黃酮濃度（mg/mL）；V0為樣液定容后體積，此處為100 mL；V1為顯色時溶液的定容體積，此處為10mL；V2為測定吸光度所用樣液的體積，此處為1 mL；M為稱量的桑葉質量，此處為2.0 g。

1.3.3 單因素試驗設計

改進李富蘭等[15]的微波提取的方法，分別考察微波功率（100、175、250、325、400 W）、微波時間（2、3、4、5、6 min）、乙醇濃度（20%、30%、40%、50%、60%）、液料比（20、30、40、50、60 mL/g）和提取次數（1、2、3、4、5次）5個因素對桑葉黃酮提取率的影響，每組試驗重復3次，取平均值。

1.3.4 響應面試驗設計

采用Design-Expert.V8.0.軟件處理數據，綜合各單因素試驗結果，以桑葉黃酮提取率為響應面值，建立四因素三水平Box-Behnken模型。響應面因素水平如表1所示。

1.3.5 黃酮體外抗氧化性試驗

（1）DPPH·自由基清除率測定

參照文獻[16]方法并稍作修改，將2.0 mL待測樣品溶液與2.0 mL DPPH溶液（無水乙醇配制），混勻后室溫暗處反應30 min后，置于517 nm波長處測定吸光值。同條件下，以2.0 mL乙醇溶液為試劑空白、等濃度的蘆丁溶液為陽性對照。平行測定3次取平均值，以下式計算清除率：

式中：A0（對照）為2.0 mL DPPH+2.0 mL無水乙醇的吸光值；A1（反應）為2.0 mL DPPH+2.0 mL樣品溶液的吸光值；A2（空白）為2.0 mL無水乙醇+2.0 mL樣品溶液的吸光值。

（2）羥自由基（·OH）清除率測定

根據參考文獻[17]的方法并稍作修改吸取1.0 mL樣品溶液，加入9 mmol/L的[FeSO4]溶液1.0 mL，再加入9 mmoL/L的水楊酸-乙醇溶液1.0 mL，充分混勻，加入8.8 mmol/L的過氧化氫溶液1.0 mL，于37℃水浴鍋下反應30 min，以蒸餾水為空白，在510 nm處測定吸光值。以相同體積的蒸餾水為空白對照，以1.0 mL蒸餾水代替過氧化氫溶液消除樣品溶液本底吸光值，以等濃度蘆丁溶液為陽性對照，平行測定3次取平均值。以下式計算清除率：

式中：A0為空白對照吸光值；A1為樣品溶液吸光值；A2為不含過氧化氫樣品溶液的本底吸光值。

（3）超氧自由基（O2-·）清除率測定

采用鄰苯三酚自氧化法[18]測定樣品對超氧陰離子自由基的清除作用。取4.5 mL 0.05 mol/L Tris-HCl緩沖液（pH 8.2）于25℃水浴鍋中預熱20 min，加入1.0 mL樣品溶液及0.5 mL 25℃預熱的25 mmol/L鄰苯三酚（0.01 mol/L HCl配制），混勻后25℃水浴5 min，隨即滴入0.5mL HCl（8 mol/L）終止反應，于325 nm波長處測定其吸光度；同時測定用0.01 mol/L HCl溶液代替鄰苯三酚時的吸光度。用蒸餾水做試劑空白，以蘆丁溶液作陽性對照，平行測定3次取平均值。以下式計算清除率：

式中：A0為空白對照組的吸光值；A1為樣品溶液的吸光值；A2為不加入鄰苯三酚溶液的吸光值。

1.3.6 數據統計分析

試驗數據采用Excel軟件進行整理及作圖分析，用Design-Expert V8.0軟件對結果進行統計分析，應用響應面方法對結果進行回歸分析并優化。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 微波功率對黃酮提取率的影響

如圖1所示，在固定提取時間4 min，液料比40，乙醇濃度50%，提取次數1次的條件下，隨著微波功率的增加，桑葉中黃酮類物質的提取率先逐漸增加后逐漸下降，在175 W時，桑葉中黃酮類化合物的提取率最高，達到10.351 mg/g。其原因為，微波功率升高可促進分子運動，軟化組織，增加溶解性、滲透性，降低溶液黏度，從而提高提取效率[11]。但過大的微波功率會引起溫度過高，使黃酮類化合物的有效活性成分在提取溶劑中沸騰，使原料發生變性，導致黃酮類物質被破壞，影響提取率；同時溫度過高時蛋白質固化，黃酮類化合物不易溶解[19]，影響提取率。因此，選擇100 W、175 W和250 W進行響應面實驗。

2.1.2 微波時間對黃酮提取率的影響

如圖2所示，在固定微波功率175 W、液料比40 mL/g，乙醇濃度50%，提取次數為1次的條件下，隨著微波時間的增加，黃酮類化合物的含量先增加后降低，4 min時黃酮提取率達到最高值10.649 mg/g。分析原因為，微波時間的持續延長會引起提取溫度的持續升高，導致大量的溶劑揮發以及黃酮類化合物和其他活性物質的氧化和降解[20]，進而導致提取率下降。因此，選擇微波提取3、4、5 min進行響應面實驗。

2.1.3 液料比對黃酮提取率的影響

圖3所示，在固定微波功率175 W、微波時間4 min、乙醇濃度為50%、提取次數1次的條件下，黃酮提取率隨著液料比的增大，先增大后趨于平緩，在液料比40 mL/g時達到最高值10.653 mg/g。分析原因為，固相和液相之間的宏觀運動影響溶質表面的傳質特性，提高它們之間的相對運動可增強傳質效果，提高活性成分的提取率。增大液料比可以使桑葉粉末與溶劑的接觸面增大，促使黃酮類化合物更容易溶出[21]，但是溶劑量太大，微波加熱的負荷增加，達到徹底提取黃酮所需要的時間也相應增加，如果固定微波時間，則當溶劑量達到一定比例時，提取率不再顯著增加。因此選擇液料比30、40和50 mL/g進行響應面實驗。

2.1.4 乙醇濃度對黃酮提取率的影響

如圖4所示，在固定微波功率175 W，微波時間4 min、液料比40 mL/g、提取次數1次的條件下，黃酮含量隨乙醇濃度的增大先升高后大幅度下降并趨于平緩，乙醇濃度為40%時，黃酮提取率達到最高值10.835 mg/g。其可能原因為，雖然微波提取需要一定的極性溶劑來吸收微波進行內部加熱[22]，但當乙醇濃度大于40%時，醇溶性雜質和其他成分與乙醇-水分子結合，與有效成分競爭，增加了組織系統的粘度，影響黃酮的浸出。試驗過程中還發現，隨著乙醇濃度的增加，桑葉提取物的顏色由黃色變為綠色，葉綠素等脂溶性物質含量增加，導致黃酮提取率下降。即當乙醇濃度過大時，容易使黃酮變性，而乙醇濃度低又不利于黃酮的溶解。因此，選擇30%、40%和50%乙醇溶液進行響應面實驗。

2.1.5 提取次數對黃酮提取率的影響

如圖5所示，固定微波功率175 W，微波時間4 min、液料比40、乙醇濃度40%的條件下，提取2次的效果比提取1次顯著提高，達到最高值11.282 mg/g，但之后繼續增加次數，提取率趨于穩定，不再顯著增加，提示，在該條件下，2次提取已經達到最高提取效率。因此，確定提取次數為? ? ?2次較適宜。

2.2 響應面分析與優化

2.2.1 回歸模型的建立和方差分析

在單因素實驗基礎上，以微波功率（A）、微波時間（B）、乙醇濃度（C）、液料比（D）為影響因素，以桑葉黃酮提取率作為響應值，采用Box-Behnken試驗設計原理進行實驗設計。響應面實驗方案和結果見表2。通過表2的數據進行多項回歸擬合，建立了回歸模型方程為：

各因素的方差分析如表3所示，二次回歸模型的P<0.0001，失擬項P=0.1087>0.05，表明該模型擬合度較好。實驗模型中CV=3.18%，此值較低，表明試驗精度高。實驗模型的決定系數R2=0.9312，校正系數R2Adj=0.8624，表明模型預測性良好，黃酮提取的結果與模型預測結果吻合較好，具有顯著相關性，可用該模型及回歸方程對試驗結果進行分析和預測。

自變量對因變量的影響可以通過回歸方程方差分析中的F檢驗來判斷。由表3看出，各因素對黃酮提取率的影響順序為B（微波時間）>A（微波功率）>C（乙醇濃度）>D（液料比）。此外，模型中二次項AB對黃酮提取率的影響達到顯著水平（P<0.05）。一次項A（微波功率）、一次項B（微波時間）、二次項BD、CD、A2、B2、C2和D2對提取率的影響達到極顯著水平（P<0.01）。

2.2.2 等高線圖和響應面分析結果

圖6顯示的是根據響應面設計及結果繪制的響應面曲面圖和交互作用圖。根據響應面圖的形狀、顏色變化以及是否存在中心最高點可以判斷因素之間交互作用的顯著性以及是否存在最佳組合[23]。圖6（a）、圖6（e）和圖6（f），平面圖形似橢圓，響應面曲面陡峭，淺色區域過渡到深色區域有較短坡長，提示微波功率（A）和微波時間（B）、微波時間（B）和液料比（D）、乙醇濃度（C）和液料比（D）兩因素間交互顯著（P<0.05）。而圖6（b）、圖6（c）和圖6（d），平面圖近似圓形，響應面曲面平緩，淺色區域過渡到深色區域有較長坡長，提示微波功率（A）和乙醇濃度（C）、微波功率（A）和液料比（D）、微波時間（B）和乙醇濃度（C）兩因素交互不顯著，與模型方差分析結果一致。

圖6中（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）都存在中心最高點，說明根據單因素實驗結果選擇的因素水平里包括了最優組合。圖6（a）中，微波時間（B）的響應曲面坡度明顯比微波功率（A）的響應曲面坡度陡峭，提示微波時間（B）比微波功率（A）對桑葉黃酮提取率的影響更大。同理，圖6（e）提示，微波時間（B）比液料比（D）對提取率的影響更大，圖6（f）提示，乙醇濃度（C）比液料比（D）對提取率的影響更大。這些等高曲線圖分析的結果與單因素分析、模型方差分析結果具有一致性。

2.2.3 最佳工藝參數的確定及驗證實驗

根據響應面回歸方程的分析，得到桑葉黃酮類化合物的最佳提取條件為：微波功率175.52 W、微波時間4.52 min、乙醇濃度48.43%、液比料30.34 mg/g；此時黃酮類化合物的理論提取率最大為11.3879 mg/g?？紤]到實際操作的可行性，對最佳提取工藝的條件做出以下修正，微波功率175W、微波時間4.5 min、乙醇濃度48.5%、液料比30 mg/g。在此條件下，做3次驗證試驗，黃酮實際提取率分別為11.318 mg/g、11.467 mg/g和11.393 mg/g，其平均值為11.393 mg/g，實際提取率平均值與理論提取率相比（11.388 mg/g），相對誤差僅為0.049 mg/g，說明響應面法得到的工藝參數是可靠的。

2.3 自由基清除作用試驗的結果

桑葉黃酮對DPPH·、·OH、O2-·的清除作用見圖7。在5～30 μg·mL-1質量濃度范圍內，桑葉黃酮對3種自由基都具有較強的清除作用，且隨著濃度的增加清除作用增強，具有較好的正相關關系。相同濃度下，桑葉黃酮對DPPH·、·OH的清除效果與蘆丁相當。對O2-·的清除作用，則需較高濃度（25 μg/mL）才能達到與陽性對照蘆丁的效果。

3 討論與結論

微波提取法是常用的活性物質提取法，具有高提取率，設備簡單、操作簡便等優點。多項研究將其用于黃酮類物質的提取，如關山櫻花黃酮[24]、柿葉黃酮[25]和黑莓果渣黃酮[26]。本研究采用微波輔助有機溶劑提取法，優化微波時間、微波功率、乙醇濃度和液料比四因素后，桑葉黃酮提取率達到11.393±0.049 mg/g。賀偉強等[8]采用微波輔助水浸提法優化提取溫度、料液比、提取時間和微波功率四因素后得到的桑葉黃酮提取率為2.334%；李文利等[9]采用相同的微波輔助水浸提法優化料液比、微波功率和微波時間三因素后，得到黃酮提取率為9.84%，都較本研究結果高。造成這種差異的原因不僅是提取方法的不同，也可能與種植地區、氣候、采摘時機以及是否經霜有關[27]。于小鳳等人的研究發現，桑葉黃酮的含量與氣候、溫度呈負相關，較低的溫度，經霜后至11月份，黃酮含量達到最大值[28]。

本研究在單因素實驗的基礎上，篩選出對提取率有較大影響的四個因素，并通過響應面法優化提取工藝，建立了合理可靠的二次多項數學模型，該模型極顯著，且擬合情況良好。影響桑葉黃酮提取率的各因素依次為：微波時間>微波功率>乙醇濃度>液料比，其最佳提取工藝條件為：微波功率175W，微波時間4.5 min，乙醇濃度48.5%，液料比30 mL/g。此條件下黃酮提取率為（11.393±0.049）mg/g，驗證結果與理論提取率偏差較小，結果表明，響應面分析方法可行，準確有效，可用于優化桑葉黃酮的提取工藝。在此條件下獲得的桑葉黃酮對DPPH·、·OH和O2-·的有較強的清除作用，顯示出較好的體外抗氧化能力。這些研究結果為桑葉黃酮的進一步研究、開發及利用提供了一定的理論基礎和實踐依據。

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責任編輯：李菊馨

基金項目：湛江市科技計劃項目（2021A05048）；嶺南師范學院人才項目（ZL2021014）。

第一作者：李恒（1980—），女，博士，講師，主要從事植物天然產物研究與開發。

*通信作者：周鮮嬌（1976—），女，碩士，高級實驗師，主要從事植物天然產物研究與開發。

收稿日期：2023-10-25