Extraction Optimization and Antioxidant Activity of Bound Polyphenols in Bamboo Shoot Dietary Fiber
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摘要: 为探究竹笋膳食纤维(bamboo shoots dietary fiber, BSDF)中结合多酚最佳提取工艺、多酚组成及其抗氧化活性,本研究以BSDF为原料,分别对提取时间、提取温度、碱液浓度和液料比4个因素进行单因素实验,在单因素实验基础上,结合Box-Behnken响应面试验优化BSDF中结合多酚的提取工艺,并对所提取的结合多酚组分进行了初步鉴定,同时以ABTS阳离子自由基、DPPH自由基、超氧阴离子自由基和羟基自由基清除率为指标考察其抗氧化活性。结果表明,BSDF中结合多酚最佳提取条件为碱液浓度9 mol/L、提取温度40 ℃、提取时间4 h、液料比20:1 mL/g,此条件下BSDF中结合多酚提取量预测值为27.95 mg GAE/g BSDF,实际提取量为26.68±0.73 mg GAE/g BSDF,预测准确率95.46%;采用超高效液相色谱-三重四级杆质谱联用仪从多酚提取液中初步鉴定出芥子酸、没食子酸、阿魏酸、香豆酸等12种多酚组分;所得多酚自由基清除率随质量浓度增加呈先升高后逐渐平稳的趋势,在质量浓度为3.0 mg/mL时对ABTS阳离子自由基、超氧阴离子自由基和羟基自由基清除率分别达到73.24%、59.92%和51.41%,浓度为1.25 mg/mL时对DPPH自由基清除率达到76.79%,各组清除率小于同质量浓度抗坏血酸溶液。研究结果可为BSDF中多酚类物质的开发利用提供理论参考。Abstract: To investigate the optimal extraction process, component composition and antioxidant activity of bound polyphenols in bamboo shoots dietary fiber (BSDF), the extraction time, extraction temperature, alkali concentration and liquid-to-material ratio on the extraction yield were researched in this paper. Thereafter, the extraction process of bound polyphenols in BSDF was optimized by Box-Behnken response surface experiment based on single-factor experiments. The components of bound polyphenols were preliminarily identified and the antioxidant activity such as ABTS cation radicals, DPPH radicals, superoxide anion radicals and hydroxyl radicals were investigated. The results showed that alkali concentration of 9 mol/L, extraction temperature of 40 °C, extraction time of 4 h and liquid-to-material ratio of 20:1 mL/g were the optimal condition. Under this condition, the predicted extraction amount of bound polyphenols in BSDF was 27.95 mg GAE/g BSDF while the actual extraction amount was 26.68±0.73 mg GAE/g BSDF, with a prediction accuracy of 95.46%. There were 12 polyphenolic components including sinapic acid, gallic acid, ferulic acid, and coumaric acid were preliminarily identified by ultra performance liquid chromatography-triple quadrupole mass spectrometer. The free radical scavenging rate of polyphenols extract initially increased and then gradually stabilized with the increase of mass concentration. The scavenging rates of ABTS cation radical, superoxide anion radical and hydroxyl radical reached 73.24%, 59.92% and 51.41% with mass concentration of 3.0 mg/mL, respectively. The scavenging rate of DPPH radical reached 76.79% when the concentration was 1.25 mg/mL. The scavenging rate of each group was less than that of ascorbic acid solution of the same mass concentration. The results can provide theoretical reference for the development and utilization of polyphenols in BSDF.
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竹笋是一种健康的绿色森林食品,因其富含蛋白质、氨基酸、膳食纤维、维生素、矿物质等多种营养成分[1],受到消费者的广泛青睐。竹笋膳食纤维(bamboo shoots dietary fiber, BSDF)作为竹笋中的重要组成成分,主要由纤维素、木质素和半纤维素等组成[2],具有降低血胆固醇、调节血糖、减轻炎症反应、预防肥胖以及增强肠道功能等多种生物活性[3-4]。前期研究表明,添加BSDF可改善牛奶布丁的流变性能和组织结构[5]、降低肉制品脂肪含量并提升其品质[6]。此外,竹笋多酚(bamboo shoots polyphenols, BSP)也是竹笋中一种重要的生物活性物质,具有良好的抗氧化、抗肿瘤、抑制炎症反应、缓解抑郁、调节胆固醇等生理功能[7-10]。
多酚在光照、高温等条件下化学稳定性较差、生物利用率较低[11]。但多酚能与食物中多种营养成分形成共价或非共价化合物,这种结合将增加其稳定性,进而提升多酚在功能性食品中的应用范围。膳食纤维(dietary fiber, DF)是目前已知与多酚结合最为广泛且最为紧密的膳食组分之一[12],可以采用碱、酸、酶法等方式将DF中的结合多酚释放出来[13]。张兴杰[14]分别用碱法、酸法和酶法提取菠萝蜜膳食纤维中结合多酚,发现碱法提取总酚含量为64.9 mg GAE/10 g DM,这显著高于酸法提取总酚含量21.8 mg GAE/10 g DM和酶法提取总酚含量25.0 mg GAE/10 g DM;夏婷等[15]的研究也证明碱法是提取结合多酚的有效方法,且碱法所得多酚的生物活性价值良好。但目前对BSDF中结合多酚的提取及组分鉴定未见报道。因此,本研究以BSDF为原料,对提取时间、提取温度、碱液浓度和液料比4个因素进行单因素实验,并结合Box-Behnken响应面试验优化BSDF中结合多酚提取工艺,然后对所提取的多酚进行初步的组分鉴定,同时以ABTS阳离子自由基、DPPH自由基、超氧阴离子自由基和羟基自由基清除率为指标,测定多酚的抗氧化活性,以期为竹笋中多酚类物质的研究提供实验支撑。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
新鲜金佛山方竹笋(采于2021年9月上旬) 重庆市特珍农业开发有限公司提供;木瓜蛋白酶(800 U/g) 上海源叶生物技术有限公司;福林酚试剂 上海如吉生物科技发展有限公司;DPPH自由基清除能力试剂盒 苏州格锐思生物科技有限公司;ABTS阳离子自由基清除能力试剂盒 北京盒子生工科技有限公司;氢氧化钠、浓盐酸、无水碳酸钠、没食子酸、邻苯三酚、抗坏血酸、三羟甲基氨基甲烷、水杨酸 均为分析纯,成都市科龙化工试剂厂。
FW135型中草药粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;HH-ZK8型数显恒温水浴锅 巩义市予华仪器有限责任公司;DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器 上海力辰邦西仪器科技有限公司;GENE-SPEED 1580台式常温离心机 北京基因有限公司;SCIENTZ-10ND型冷冻干燥机 宁波新芝生物技术有限公司;LCMS-8060NX型超高效液相色谱三重四级杆质谱联用仪 日本岛津公司;T6新世纪紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;SYNERGY H1多功能酶标仪 美国Gene公司。
1.2 实验方法
1.2.1 BSDF的制备
取新鲜金佛山方竹笋,洗净切片,60 ℃烘干,粉碎后过200目筛得方竹笋细粉备用。根据汪楠等[16]的方法并略加修改。准确称取100 g方竹笋细粉加入到1 L去离子水中,加入样品液总质量0.3%的木瓜蛋白酶,在pH6.5、温度60 ℃条件下酶解45 min,酶解完成后沸水灭酶15 min,于3000 r/min离心15 min,收集离心得到的沉淀物,依次用78%乙醇、95%乙醇、丙酮洗涤沉淀物,将沉淀物冻干后得到不溶性BSDF粉末,备用。
1.2.2 BSDF结合多酚提取单因素实验
参考郑玉婷[17]的方法提取BSDF中结合多酚。取100 mL一定浓度的NaOH溶液于烧杯中,加入5.00 g BSDF,适宜温度条件下水解2~6 h,水解后用浓盐酸中和至pH7。加入2倍体积的无水乙醇,4800 r/min下离心10 min,收集上清液测定酚类化合物含量。以多酚提取量为衡量指标,分别在提取温度37 ℃、碱液浓度9 mol/L、液料比20:1 mL/g的条件下考察提取时间(2、3、4、5、6 h)对多酚提取量的影响;在提取时间4 h、碱液浓度9 mol/L、液料比20:1 mL/g的条件下考察提取温度(30、35、40、45、50 ℃)对多酚提取量的影响;在提取时间4 h、提取温度37 ℃、液料比20:1 mL/g的条件下考察碱液浓度(7、8、9、10、11 mol/L)对多酚提取量的影响;在提取时间4 h、提取温度37 ℃、碱液浓度9 mol/L的条件下考察液料比(10:1、15:1、20:1、25:1、30:1 mL/g)对多酚提取量的影响。
1.2.3 优化提取BSDF中结合多酚的响应面试验
在单因素实验结果基础上,根据Box-Behnken试验设计原理,考察提取时间、提取温度、碱液浓度和液料比四个因素对BSDF中结合多酚提取量的影响,从而确定BSDF中结合多酚的最佳提取工艺条件,具体试验因素与水平见表1。
表 1 提取BSDF中结合多酚的响应面试验设计因素与水平Table 1. Response surface test design factors and levels for extraction of bound polyphenols from BSDF水平 A 提取时间(h) B 提取温度
(°C)C 碱液浓度
(mol/L)D 液料比
(mL/g)−1 3 35 8 15:1 0 4 40 9 20:1 1 5 45 10 25:1 1.2.4 提取液中多酚含量的测定
使用Folin-Ciocalteau法测定多酚含量[18]。在25 mL容量瓶中依次加入500 μL多酚提取液液、500 μL福林酚试剂,混和均匀,1 min后加入1500 μL质量浓度为20%的碳酸钠溶液,混合均匀后定容,黑暗条件下反应30 min,于760 nm波长下测定吸光值。没食子酸用于制作标准曲线(y=82.67x−0.018,R2=0.9993),数据表示为每克BSDF中毫克没食子酸当量(mg GAE/g BSDF)。
1.2.5 提取液中多酚组成的鉴定
取多酚提取液1.5 mL,稀释至适宜浓度。参考张兴杰[14]的方法设置超高效液相色谱-三重四极杆质谱联用仪参数。负离子模式下进行检测,质荷比扫描范围100~900,毛细管电压3.0 kV,干燥气体温度250 ℃,氮气作为碰撞气体。根据总离子质谱图初步筛选目标物,再根据目标物分子量、化学结构等化学信息针对目标物做选择离子跟踪(SIM)模式,进一步鉴定提取液中多酚类物质的组成。色谱分析是在UPLC系统(LCMS-8060 NXinfinity系列)上进行的。流动相A为0.1%甲酸水溶液,流动相B为乙腈。溶剂梯度如下:0~3 min,2% B;3~6 min,2%~10% B;6~9 min,10%~14% B;9~12 min,14%~70% B;12~15.5 min,70%~100% B;15.5~20 min,5% B。样品进样量为1 μL。柱温25 ℃,流速控制在0.2 mL/min。
1.2.6 多酚提取液抗氧化活性研究
1.2.6.1 ABTS阳离子自由基清除能力
将多酚提取液和试剂盒中提取液以1:9的比例旋涡振荡混匀,记为待测样本,置于−4 ℃冰箱中保存备用。在5 mL EP管中依次加入50 μL不同浓度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/mL)的待测样本、100 μL试剂4应用液和850 μL工作液,蒸馏水代替待测样本记为空白组。另一批EP管中依次加入50 μL与测定组对应浓度的待测样本、950 μL试剂1,记为对照组。各组混合均匀后室温避光条件下反应6 min,测定405 nm波长下的吸光值。以抗坏血酸溶液作试验对照组,下同。根据公式(1)计算ABTS阳离子自由基清除率。
ABTS阳离子自由基清除率(%)=A0−A1+A2A0×100 (1) 式中:A0表示空白组吸光值;A1表示测定组吸光值;A2表示对照组吸光值。
1.2.6.2 DPPH自由基清除能力
在5 mL EP管中依次加入400 μL不同浓度(0.15、0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 mg/mL)的多酚提取液和600 μL工作液,记为测定组。以80%甲醇液代替多酚提取液记为空白组。另一批EP管中依次加入400 μL与测定管对应浓度的多酚提取液和600 μL 80%甲醇液,此为对照组。各组混匀后室温避光条件下静置30 min,12000 r/min室温离心5 min,在517 nm处读取吸光值。根据公式(2)计算DPPH自由基清除率。
DPPH自由基清除率(%)=(1−A1−A2A0)×100 (2) 式中:A0表示空白组吸光值;A1表示测定组吸光值;A2表示对照组吸光值。
1.2.6.3 超氧阴离子自由基清除能力
参照蔡惠钿等[19]的方法,稍作改进。取4.5 mL 50 mmol/L Tris-HCl缓冲液(pH8.2),25 ℃水浴20 min,分别加入1 mL不同质量浓度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/mL)的多酚提取液和0.4 mL 25 mmol/L邻苯三酚溶液,混匀后25 ℃水浴中反应5 min,加入1 mL 8 mmol/LHCl终止反应,在325 nm处测定吸光度。空白对照组以等体积蒸馏水代替多酚提取液。根据公式(3)计算超氧阴离子自由基清除率。
超氧阴离子自由基清除率(%)=A0−A1A0×100 (3) 式中:A0表示空白组吸光值;A1表示测定组吸光值。
1.2.6.4 羟基自由基清除能力
参考水杨酸法测定羟基自由基清除能力[20]。取2.0 mL不同质量浓度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/mL)的多酚提取液于10 mL比色管,分别依次加入2.0 mL 10 mmol/L硫酸亚铁、10 mmol/L水杨酸-乙醇溶液,静置10 min,加入2.0 mL 8.8 mmol/L的过氧化氢溶液,37 ℃水浴加热30 min,510 nm波长处测定吸光值;用等体积蒸馏水替代上述过氧化氢溶液,此为对照组吸光值;等体积蒸馏水替代多酚提取液,测定空白吸光值。根据公式(4)计算羟基自由基清除率。
羟基自由基清除率(%)=A0−A1+A2A0×100 (4) 式中:A0表示空白组吸光值;A1表示测定组吸光值;A2表示对照组吸光值。
1.3 数据处理
采用Excel 2019进行数据处理,所有结果均采用
ˉx ±s表示;运用Origin 2022和Design-Expert 12对数据进行处理和绘图;运用SPSS 25.0对试验数据进行差异显著性分析,P<0.05为差异显著;所有试验均重复3次。2. 结果与分析
2.1 BSDF中结合多酚提取单因素实验分析
各因素对多酚提取量影响如图1所示。由图1a可知,多酚提取量在提取时间为2~6 h时随着提取时间的延长呈现先增加后减小的趋势,在提取时间为4 h时达到最大值。这与Daniell等[21]的研究结果有一定相似性,可能由于4 h时BSDF中结合多酚已基本被提取完全,再延长提取时间则可能改变原料特性而影响多酚类物质的提取,或造成已提取的多酚发生结构上的破坏进而降低了多酚提取量[21],因此选择提取时间3、4、5 h作为响应面因素考察水平。
如图1b所示,结合多酚提取量随提取温度的增加呈现先增加后减小的趋势,当提取温度控制在40 ℃时多酚提取量达到最高。一般来说,提取温度越高,各种反应进行速度越快,相应地使多酚提取效率升高[22]。然而,多酚类物质稳定性较差,当温度超过一定限度后其提取量反而减少,综合考虑各种因素,选取提取温度35、40、45 ℃作为响应面因素考察水平。
由图1c可知,在碱液浓度7~11 mol/L范围内多酚提取量随着碱液浓度的升高呈现先增加后减小的趋势,碱液浓度为9 mol/L时达最高值。原因可能是碱液浓度小于9 mol/L时,随着浓度增加,多酚的溶出速度不断加快,但多酚类物质在酸性和中性条件下比较稳定,碱液浓度大于9 mol/L后多酚极不稳定,进而导致多酚提取量降低,为此考虑选取碱液浓度8、9、10 mol/L作为响应面因素考察水平。
如图1d所示,随着液料比的增加,BSDF中结合多酚提取量先增加再逐渐减小,在20:1 mL/g时达到峰值。这可能是由于液料比小于20:1 mL/g时溶剂用量不足, 使多酚提取受限制。随着溶剂用量的加大,多酚被充分提出,进而提取量升高,但是当提取溶剂体积过大时,部分多糖等其他物质溶解析出[23],多酚提取量降低,且易造成试剂浪费,因此选择液料比15:1、20:1、25 mL/g作为响应面因素考察水平。
2.2 提取BSDF中结合多酚响应面预测模型和统计分析
基于单因素实验结果,以多酚提取量作为考察指标,通过对提取时间(A)、提取温度(B)、碱液浓度(C)与液料比(D)进行4因素3水平响应面试验,确定最佳提取工艺条件,结果见表2。
表 2 提取BSDF中结合多酚的响应面结果Table 2. Results of extraction of bound polyphenol response surface from BSDF试验号 A B C D 多酚提取量(mg GAE/g BSDF) 1 1 1 0 0 23.61±0.89 2 0 0 1 1 21.58±1.37 3 0 1 −1 0 19.03±0.77 4 0 −1 1 0 19.87±0.91 5 0 0 −1 −1 17.14±0.39 6 0 0 0 0 27.19±0.32 7 1 0 0 1 24.02±0.27 8 −1 0 −1 0 19.07±1.03 9 0 −1 0 −1 18.73±0.88 10 0 1 1 0 23.07±0.97 11 0 0 0 0 27.32±0.83 12 1 0 −1 0 19.93±0.58 13 0 −1 −1 0 19.88±0.29 14 0 0 0 0 26.89±0.71 15 0 1 0 −1 20.12±1.07 16 −1 0 0 1 19.08±0.77 17 1 0 1 0 20.18±1.37 18 −1 −1 0 0 18.36±0.97 19 0 0 0 0 28.02±0.81 20 1 −1 0 0 20.93±0.76 21 0 −1 0 1 23.98±0.33 22 1 0 0 −1 18.82±0.45 23 0 0 −1 1 21.76±0.98 24 −1 0 0 −1 17.32±0.79 25 −1 0 1 0 19.82±0.63 26 0 0 0 0 27.83±0.81 27 0 1 0 1 24.76±0.89 28 0 0 1 −1 18.36±0.91 29 −1 1 0 0 20.76±0.68 对结果进行多元回归拟合分析,得出多酚提取量对各因素水平的二次回归拟合方程:Y=27.45+1.09A+0.8B+0.5058C+2.06D+0.07AB−0.125AC+0.86AD+1.01BC−0.1525BD−0.35CD−3.91A2−2.51B2−4.19C2−3.44D2。二次响应面模型的方差分析如表3所示,该模型具有极显著性(P<0.01),而失拟项不显著(P>0.05),决定系数为0.9656,调整后决定系数为0.9313,R2adj接近R2,表明该模型拟合良好[24]。同时,由表可知提取时间、提取温度和液料比对多酚提取量都具有极显著性影响(P<0.01)。从显著性检验结果可知,所有因素对多酚提取量影响顺序依次为:液料比(D)>提取时间(A)>提取温度(B)>碱液浓度(C)。
表 3 二次响应面模型的方差分析Table 3. ANOVA for the quadratic response surface model来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性 模型 300.77 14 21.48 28.10 <0.0001 ** A 14.26 1 14.26 18.65 0.0007 ** B 7.68 1 7.68 10.04 0.0068 ** C 3.07 1 3.07 4.02 0.0648 D 50.80 1 50.80 66.44 <0.0001 ** AB 0.0196 1 0.0196 0.0256 0.8751 AC 0.0625 1 0.0625 0.0817 0.7791 AD 2.96 1 2.96 3.87 0.0693 BC 4.10 1 4.10 5.36 0.0362 * BD 0.0930 1 0.0930 0.1217 0.7324 CD 0.4900 1 0.4900 0.6408 0.4368 A2 99.25 1 99.25 129.80 <0.0001 ** B2 40.92 1 40.92 53.52 <0.0001 ** C2 113.76 1 113.76 148.78 <0.0001 ** D2 76.78 1 76.78 100.41 <0.0001 ** 残差 10.70 14 0.7646 失拟项 9.84 10 0.9837 4.54 0.0791 误差项 0.8674 4 0.2168 总和 311.47 28 注:*显著性差异(P<0.05);**极显著性差异(P<0.01)。 2.3 优化提取BSDF中结合多酚的响应面分析
三维(3D)响应曲面说明了提取因素和多酚提取量之间的关系,曲面图的陡峭程度表明相关变量之间的交互作用明显程度[25]。响应面曲面坡度越陡峭,因素之间交互作用越显著[26]。由表3和图2可知提取温度(B)和碱液浓度(C)之间存在显著的相互作用,其余各因素间交互作用不显著。
2.4 响应面验证试验
为便于实际操作,实际试验条件取整数值,按此工艺条件进行3次提取。在最佳提取条件下的反应预测值和试验值如表4所示,预测值27.95 mg GAE/g BSDF和试验值26.68±0.73 mg GAE/g BSDF相差较小,预测准确率为95.46%±4.54%,进一步表明回归模型可靠。综上,利用响应面法建立的回归模型可用于分析和预测所提取的结合多酚量。
表 4 最佳条件下提取BSDF中结合多酚的预测值和试验值Table 4. The predicted and experimental values of binding polyphenols in BSDF extracted under optimal conditions提取时间(h) 提取温度(°C) 碱液浓度(mol/L) 液料比(mL/g) 多酚提取量(mg GAE/g BSDF) 预测条件 4.17 40.83 9.07 21.57:1 27.95 实际条件 4 40 9 20:1 26.68±0.73 2.5 多酚提取液中多酚类组分鉴定
多酚提取液全扫描模式质谱图如图3,主要依据色谱峰的保留时间和质谱信息如分子量信息等,通过在线数据库(网址http://phenol-explorer.eu)及文献信息进行化合物的定性分析,初步筛选出表5所列可能存在的25种目标物,结合各目标物SIM工作模式下的色谱图进一步加以分析,鉴定出提取液中含有以下12种酚类物质:芥子酸、没食子酸、儿茶素、阿魏酸、槲皮素、没食子酸乙酯、白藜芦醇、邻苯二酚、山柰酚、黄芩苷、花色苷、香豆酸。李安平等[27]对毛竹春笋提取物的研究证实毛竹春笋中多酚类化合物主要包括邻苯三酚、邻苯二酚、阿魏酸和p-香豆酸等11种酚类物质,任旺等[28]研究发现麻竹笋中挥发性酚类物质主要为邻苯二酚和3-甲基邻苯二酚,上述结果与本试验研究结果具有一定的相似性。
表 5 BSDF中结合多酚初步筛选目标物Table 5. The preliminary screening of target compounds by binding polyphenols in BSDF编号 离子碎片 绝对强度 相对强度 化合物名称 1 111.25 1770735 14.24 邻苯二酚 2 123.3 681403 5.48 对羟基苯甲醛 3 137.2 156168 15.29 2-羟基苯甲酸 4 140.25 1632401 13.12 香豆酸 5 147.2 489541 47.93 肉桂酸 6 155.2 2703137 21.73 原儿茶酸 7 167.3 675189 5.43 香草酸 8 179.3 79375 7.77 咖啡酸 9 183.25 12437342 100 没食子酸 10 195.2 106819 10.46 阿魏酸 11 198.1 172177 16.86 没食子酸乙酯 12 224.25 1897778 15.26 芥子酸 13 228.4 784631 6.31 白藜芦醇 14 272.3 67057 6.56 柚皮素 15 286.25 62906 6.16 山柰酚 16 288.1 2228613 17.92 儿茶素 17 301.35 66096 6.47 槲皮素 18 305.2 761738 6.12 原儿茶素 19 308.25 298912 29.26 花色苷 20 317.3 76409 7.48 杨梅素 21 335.3 53527 5.24 黄素1 22 355.35 4236422 34.06 绿原酸 23 446.4 2638130 21.21 黄芩苷 24 463.7 59762 5.85 异槲皮素 25 628.5 2066984 16.62 芦丁 阿魏酸、香豆酸、没食子酸是已被证明的常见的结合态酚类[29],没食子酸、儿茶素、阿魏酸、没食子酸乙酯、邻苯二酚以及香豆酸已在竹笋的相关研究中被报道[30],而芥子酸、槲皮素、白藜芦醇、山柰酚、黄芩苷和花色苷这6种多酚类物质是首次在竹笋中被报道,该结果对后续BSP的开发利用具有一定的参考价值。
2.6 BSDF中结合多酚提取液抗氧化活性分析
多酚类物质中的R·OH基,能形成氢自由基(H·)以消除羟基自由基(·OH)、超氧阴离子自由基(O2·−)等自由基的活性,起到保护组织免受氧化危害的作用[31]。多酚类物质的抗氧化活性大小是评价其生物活性功能的重要指标,不同质量浓度的多酚提取液和抗坏血酸溶液对ABTS阳离子自由基、DPPH自由基、超氧阴离子自由基和羟基自由基的清除率如图4所示。
如图4a所示,多酚提取液浓度为0.5~2.0 mg/mL时,随着浓度的增大对ABTS阳离子自由基清除率不断增大,在浓度大于2.0 mg/mL后趋于稳定,且在浓度为3.0 mg/mL时对ABTS阳离子自由基清除率达到73.24%,小于同质量浓度抗坏血酸溶液,但随着浓度的增大二者差异逐渐减小,表明多酚提取液对ABTS阳离子自由基有良好清除效果。推测多酚提取液中阿魏酸、芥子酸和香豆酸组分[32]对ABTS阳离子自由基清除率贡献较大。
由图4b可知,随着质量浓度增大,多酚提取液和抗坏血酸溶液对DPPH自由基清除率均呈先增大后逐渐平缓的趋势。阿魏酸、芥子酸、儿茶素、没食子酸等酚类物质能作为催化自由基产生酶的抑制剂、清除剂和清除自由基酶的增强剂,是具有抗氧化活性的有效成分,能显著提高聚合物抗氧化能力[33],多酚提取液浓度1.25 mg/mL时DPPH自由基清除率达到76.79%,与同质量浓度抗坏血酸溶液清除率已相当接近,呈现出优异的DPPH自由基清除能力。
如图4c所示,在质量浓度为0.5~3.0 mg/mL范围内,多酚提取液的超氧阴离子自由基清除率随浓度的增大而提高,清除率从19.31%上升至59.92%,两者之间呈显著正相关性。多酚提取液在质量浓度为3.0 mg/mL时超氧阴离子自由基清除率达59.92%,小于同质量浓度的抗坏血酸溶液83.91%,考虑到抗坏血酸是强抗氧化剂,因此多酚提取液超氧阴离子自由基清除能力是可以接受的。
由图4d可知,在多酚提取液浓度为0.5~2.5 mg/mL时,羟基自由基清除率呈明显上升趋势,2.5 mg/mL后羟基自由基清除率逐渐趋于稳定。0.5 mg/mL多酚提取液对羟基自由基的清除率为29.37%,表明BSDF中结合多酚对羟基自由基的清除能力较为良好。
综上,BSDF中结合多酚的自由基清除能力与其质量浓度呈正相关,提取的多酚类物质对ABTS阳离子自由基、DPPH阳离子自由基2种自由基具有良好的清除作用、也可有效清除一定量的超氧阴离子自由基和羟基自由基,能达到较好的抗氧化效果,在抗氧化领域具有较大的潜在应用价值。
3. 结论
本文从BSDF中提取结合多酚,通过单因素实验和响应面试验优化,并利用超高效液相色谱三重四级杆质谱联用仪对多酚提取液进行了组分鉴定,同时以ABTS阳离子自由基、DPPH自由基、超氧阴离子自由基和羟基自由基清除率为指标,测定了所得多酚的体外抗氧化活性。得到BSDF中结合多酚最佳提取工艺为提取时间4 h、提取温度40 ℃、碱液浓度9 mol/L、液料比20:1 mL/g,此条件下BSDF中结合多酚的提取量为26.68±0.73 mg GAE/g BSDF,与预测值27.95 mg GAE/g BSDF基本一致,说明响应面模型较为可靠。多酚提取液中初步鉴定出芥子酸、没食子酸、阿魏酸、香豆酸等12种多酚组分,其中芥子酸、槲皮素、白藜芦醇、山柰酚、黄芩苷和花色苷这6种多酚类物质是首次在竹笋中被报道,这对后续BSP的相关研究具有重要指导意义,但多酚提取液中不同类型多酚类物质的分离提纯等仍有待进一步研究。同时,所得多酚抗氧化活性较佳,尤其对ABTS阳离子自由基、DPPH自由基清除效果良好,这表明BSP具有潜在的抗氧化应用价值。综上,本试验得到了提取BSDF中结合多酚的工艺方法,对后续BSDF及BSP的开发利用提供了理论依据和应用参考。
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表 1 提取BSDF中结合多酚的响应面试验设计因素与水平
Table 1 Response surface test design factors and levels for extraction of bound polyphenols from BSDF
水平 A 提取时间(h) B 提取温度
(°C)C 碱液浓度
(mol/L)D 液料比
(mL/g)−1 3 35 8 15:1 0 4 40 9 20:1 1 5 45 10 25:1 表 2 提取BSDF中结合多酚的响应面结果
Table 2 Results of extraction of bound polyphenol response surface from BSDF
试验号 A B C D 多酚提取量(mg GAE/g BSDF) 1 1 1 0 0 23.61±0.89 2 0 0 1 1 21.58±1.37 3 0 1 −1 0 19.03±0.77 4 0 −1 1 0 19.87±0.91 5 0 0 −1 −1 17.14±0.39 6 0 0 0 0 27.19±0.32 7 1 0 0 1 24.02±0.27 8 −1 0 −1 0 19.07±1.03 9 0 −1 0 −1 18.73±0.88 10 0 1 1 0 23.07±0.97 11 0 0 0 0 27.32±0.83 12 1 0 −1 0 19.93±0.58 13 0 −1 −1 0 19.88±0.29 14 0 0 0 0 26.89±0.71 15 0 1 0 −1 20.12±1.07 16 −1 0 0 1 19.08±0.77 17 1 0 1 0 20.18±1.37 18 −1 −1 0 0 18.36±0.97 19 0 0 0 0 28.02±0.81 20 1 −1 0 0 20.93±0.76 21 0 −1 0 1 23.98±0.33 22 1 0 0 −1 18.82±0.45 23 0 0 −1 1 21.76±0.98 24 −1 0 0 −1 17.32±0.79 25 −1 0 1 0 19.82±0.63 26 0 0 0 0 27.83±0.81 27 0 1 0 1 24.76±0.89 28 0 0 1 −1 18.36±0.91 29 −1 1 0 0 20.76±0.68 表 3 二次响应面模型的方差分析
Table 3 ANOVA for the quadratic response surface model
来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性 模型 300.77 14 21.48 28.10 <0.0001 ** A 14.26 1 14.26 18.65 0.0007 ** B 7.68 1 7.68 10.04 0.0068 ** C 3.07 1 3.07 4.02 0.0648 D 50.80 1 50.80 66.44 <0.0001 ** AB 0.0196 1 0.0196 0.0256 0.8751 AC 0.0625 1 0.0625 0.0817 0.7791 AD 2.96 1 2.96 3.87 0.0693 BC 4.10 1 4.10 5.36 0.0362 * BD 0.0930 1 0.0930 0.1217 0.7324 CD 0.4900 1 0.4900 0.6408 0.4368 A2 99.25 1 99.25 129.80 <0.0001 ** B2 40.92 1 40.92 53.52 <0.0001 ** C2 113.76 1 113.76 148.78 <0.0001 ** D2 76.78 1 76.78 100.41 <0.0001 ** 残差 10.70 14 0.7646 失拟项 9.84 10 0.9837 4.54 0.0791 误差项 0.8674 4 0.2168 总和 311.47 28 注:*显著性差异(P<0.05);**极显著性差异(P<0.01)。 表 4 最佳条件下提取BSDF中结合多酚的预测值和试验值
Table 4 The predicted and experimental values of binding polyphenols in BSDF extracted under optimal conditions
提取时间(h) 提取温度(°C) 碱液浓度(mol/L) 液料比(mL/g) 多酚提取量(mg GAE/g BSDF) 预测条件 4.17 40.83 9.07 21.57:1 27.95 实际条件 4 40 9 20:1 26.68±0.73 表 5 BSDF中结合多酚初步筛选目标物
Table 5 The preliminary screening of target compounds by binding polyphenols in BSDF
编号 离子碎片 绝对强度 相对强度 化合物名称 1 111.25 1770735 14.24 邻苯二酚 2 123.3 681403 5.48 对羟基苯甲醛 3 137.2 156168 15.29 2-羟基苯甲酸 4 140.25 1632401 13.12 香豆酸 5 147.2 489541 47.93 肉桂酸 6 155.2 2703137 21.73 原儿茶酸 7 167.3 675189 5.43 香草酸 8 179.3 79375 7.77 咖啡酸 9 183.25 12437342 100 没食子酸 10 195.2 106819 10.46 阿魏酸 11 198.1 172177 16.86 没食子酸乙酯 12 224.25 1897778 15.26 芥子酸 13 228.4 784631 6.31 白藜芦醇 14 272.3 67057 6.56 柚皮素 15 286.25 62906 6.16 山柰酚 16 288.1 2228613 17.92 儿茶素 17 301.35 66096 6.47 槲皮素 18 305.2 761738 6.12 原儿茶素 19 308.25 298912 29.26 花色苷 20 317.3 76409 7.48 杨梅素 21 335.3 53527 5.24 黄素1 22 355.35 4236422 34.06 绿原酸 23 446.4 2638130 21.21 黄芩苷 24 463.7 59762 5.85 异槲皮素 25 628.5 2066984 16.62 芦丁 -
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