牛心樸子草總生物堿超聲提取工藝及抑菌活性研究

景炳年 王偉 劉雨晴 謝曉陽 周雍 寧二娟 張華南 陳飛 魏磊

摘要：采用響應面法優化牛心樸子草總生物堿（TACKI）超聲提取工藝，并研究其抑菌活性。以TACKI得率為研究指標，在單因素試驗的基礎上，選取乙醇濃度、料液比、提取溫度、提取時間4個因素進行Box-Behnken中心組合設計和響應面法分析，研究TACKI的最佳提取工藝條件;并分別采用倍比稀釋和生長速率法研究TACKI對10 種常見致病細菌和9種植物病原真菌菌絲生長的抑制活性。結果表明，TACKI最佳提取工藝條件為26倍量72%乙醇，53 ℃超聲提取57 min，TACKI平均得率為0.492 8%，與模型預測值（0.493 1%）一致性好。TACKI可強烈抑制化膿性鏈球菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和銅綠假單胞菌的生長，其最小抑菌濃度（MIC）和最小殺菌濃度（MBC）均在 12.5 mg/mL 以下;在供試質量濃度100 mg/L時，TACKI對玉米彎孢病菌、蘋果輪紋病菌、水稻稻瘟病菌和煙草赤星病菌菌絲生長均表現出較強的抑制作用，抑制率均在85%以上。優化得到的提取工藝穩定、簡單、TACKI得率高，且TACKI具有較強的廣譜抗菌作用。

關鍵詞：牛心樸子草;生物堿;超聲提取;抑菌作用;植物病原菌

中圖分類號：R284?? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）15-0163-08

收稿日期：2020-11-20

基金項目：河南省科學院基本科研項目（編號：200613027）。

作者簡介：景炳年（1980—），男，甘肅武威人，博士，助理研究員，主要從事天然產物功能活性研究及農業綠色防控體系構建等。E-mail：stop328@163.com。

通信作者：魏 磊，博士，助理研究員，主要從事植物化學及分子生物學。E-mail：yhweilei2@163.com。

牛心樸子草（Cynanchum komarovii Al. Iljinski），別稱老瓜頭，為蘿摩科鵝絨藤屬有毒植物，主要分布于陜西、寧夏、甘肅、青海等我國北部的荒漠草原上，資源較豐富[1]。民間和藏醫用牛心樸子草鎮痛、殺蟲、退燒、止瀉、治療膽囊炎等[2-3]，現代研究表明，牛心樸子提取物具有殺蟲[4～8]、抗菌[9-10]、抗植物病毒[11-13]、抗腫瘤[14]、抗氧化[15]、除草[16]、鎮痛抗炎[17-19]、止咳、祛痰及平喘[20]、增強免疫力[21]等多種生物活性，開發潛力巨大。

牛心樸子草所含化學成分種類繁多，主要包括：C21-甾體糖苷、生物堿、萜類、黃酮醇類、多糖等[22-28]。目前，對牛心樸子草化學成分的研究主要集中在C21-甾體糖苷、生物堿。研究表明，牛心樸子草總生物堿（TACKI）與牛心樸子草廣泛而顯著的生物活性息息相關[31-52]，TACKI主要為7-脫甲氧基娃兒藤堿（7-demethoxylophorine，DEM）、（13aR，14R）-14-羥基-7-脫甲氧基娃兒藤堿、（13aR，14R）-14-羥基-7-脫甲基娃兒藤堿氮氧化物、氧化脫氧娃兒藤次堿、去羥娃兒藤寧、娃兒藤寧、N-氧化-7-脫甲氧基娃兒藤堿、娃兒藤堿、6-羥基-2，3-二甲氧基菲駢吲哚里西啶等[52]，這些生物堿結構主要為菲駢吲哚里西啶類生物堿[53]。

TACKI在牛心樸子草中的含量較低[53]，因此TACKI提取工藝研究就成為牛樸心子草開發利用的關鍵。萬清玉等以正交試驗建立了甲醇超聲提取牛心樸子草中7-脫甲氧基娃兒藤堿的最佳提取工藝[54];郭金玲等研究了不同提取劑及其操作條件對總生物堿提取率的影響[55];米海莉等考察了提取溶劑濃度和提取方法對TACKI提取量影響以及絮凝劑對總生物堿精制條件[56];李玉美等研究了大孔吸附樹脂吸附和分離TACKI的方法和條件[57];這些研究多限于對TACKI的分離精制工藝或7-脫甲氧基娃兒藤堿等特定成分的提取，對TACKI提取的研究也主要集中在提取溶劑、提取方法或單個參數的研究上，但目前尚未見利用響應面法優化TACKI提取工藝，并研究其抑菌活性的報道。本研究擬采用響應曲面方法（response surface methodoloy，RSM）對牛心樸子草中TACKI提取工藝參數進行優化，以確定最佳提取工藝;并對所提取的TACKI進行常見致病細菌和植物病原真菌抑制活性研究，以期為該植物資源的充分、合理開發提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

牛心樸子草于2018年10月采自內蒙古鄂爾多斯市杭錦旗，曬干粉碎后備用;大腸桿菌（Escherichia coli）ATCC 25922、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）ATCC 29213、化膿性鏈球菌（Streptococcus pyogenes）ATCC 19615、鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）ATCC 13311、肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）ATCC 49619、銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）ATCC 27853、肺炎克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）ATCC 700603，7株試驗菌株凍干菌種購自南京便診生物科技有限公司;糞腸球菌（Enterococcus faecalis）、嗜麥芽窄食單胞菌（Stenotrophomonas maltophilia）、都柏林沙門氏菌（Salmonella dublin）、煙草赤星病菌[Alter aria alternate （Fries）Keissler]、小麥赤霉病菌（Fusarium graminearum）、水稻稻瘟病菌（Pyricularia oryzae Cav.）、蘋果輪紋病菌（Physalospora piricola Nose）、白菜黑斑病菌（Alternaria raphani Groves）、玉米彎孢病菌[Curvularia lunata （Walk） Boed]、南瓜枯萎病菌（Fusarium bulbigenum）、馬鈴薯干腐病菌[Fusarium solani （Mart.）]、棉花枯萎病菌（Cotton Fusarium Wilt）12種供試菌株，由河南省科學院天然產物重點試驗室提供;胰蛋白胨（上海寶錄生物科技有限公司）、牛肉浸膏（北京雙旋微生物培養基制品廠）、微量MIC測定板（美國Corning公司）、瓊脂粉（青島海博生物）、無水乙醇、鹽酸、氯仿、無水Na2SO4（均為北京化工廠生產），以上試劑均為分析純。

KQ-500E型超聲波清洗儀（昆山市超聲儀器有限公司）、YJ-VS-2型超凈工作臺（無錫一凈凈化設備有限公司）、ME-204型電子天平（美國Mettler公司）、EYELA N-1100型旋轉蒸發儀（上海愛郎儀器有限公司）、TU-1810型紫外分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）、SYQ-DSX-280B型手提式壓力蒸汽滅菌鍋（上海申安醫療器械廠）、DHP-9082型電熱恒溫培養箱（上海紅華儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 牛心樸子草粗粉的制備

將曬干的牛心樸子草放入50 ℃恒溫干燥箱內24 h，粉碎過40目篩得到牛心樸子草粗粉，備用。

1.2.2 TACKI的提取工藝[46]

精確稱取牛心樸子草10 g于100 mL錐形瓶中，加溶劑超聲輔助提取，重復3次，合并濾液濃縮，獲得乙醇浸膏。取乙醇浸膏，按質體比1 ∶1溶解于2%鹽酸水溶液中，將不溶物濾出，再用乙酸乙酯（3倍鹽酸體積）萃取3次后，采用氨水將水相調至pH值為9～10，再用氯仿（3倍鹽酸體積）萃取，萃取至碘化鉍鉀反應成陰性，合并萃取液再經無水Na2SO4干燥，減壓回收溶劑后，于50 ℃的干燥至恒質量，即得TACKI。單因素試驗和響應面試驗中TACKI的提取均按照此工藝方法進行。并按照下式計算各處理總生物堿的得率：

總生物堿得率=m0m1×100%。（1）

式中：m0為TACKI的質量;m1牛心樸子草粗粉的質量。

1.2.3 單因素試驗

1.2.3.1 不同乙醇濃度對總生物堿得率的影響

以料液比1 g ∶20 mL比例分別加入40%、50%、60%、70%、80%、90%乙醇溶液，在50 ℃下超聲提取30 min，考察乙醇濃度對TACKI得率的影響。

1.2.3.2 不同料液比對總生物堿得率的影響

分別以1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25、1 ∶30、1 ∶35（g ∶mL）料液比加入70%乙醇溶液，在50 ℃下超聲提取間30 min，考察料液比對TACKI得率的影響。

1.2.3.3 不同超聲溫度對總生物堿得率的影響

以料液比1 g ∶20 mL比例加入70%乙醇溶液，分別在20、30、40、50、60、70 ℃溫度下提取30 min，考察提取溫度對TACKI得率的影響。

1.2.3.4 不同超聲時間對總生物堿得率的影響

以料液比1 g ∶20 mL比例加入70%乙醇溶液，在50 ℃溫度下分別提取20、30、40、50、60 min，考察超聲時間對TACKI得率影響。

1.2.4 響應面試驗

在上述單因素試驗的基礎上，以總生物堿得率（Y）為響應值，利用Design-Expert 8.0.6統計分析軟件，設計4因素3水平共29個點進行試驗，各因素設計水平見表1。

1.2.5 TACKI對細菌抑制活性測定

采用倍比稀釋法[58]測定TACKI的最小抑菌濃度（MIC）。將TACKI配制成200 mg/mL初始溶液，采用 0.22 μm濾膜過濾，為樣品原液，再將樣品原液倍比稀釋成100.00、50.00、25.00、12.50、6.25、3.13、1.56、0.78 mg/mL 8個濃度。將母液及稀釋藥液依次加入MIC板中，每孔0.1 mL;再分別加入已稀釋好的各種菌液，每孔0.1 mL，并設置陽性對照（加入 0.1 mL 菌液和0.1 mL液體培養基）和陰性對照（只加液體培養基）。將制備好的MIC板放入37 ℃恒溫箱中培養24 h，觀察生長情況，以完全沒有細菌生長的TACKI最小濃度為其最小抑菌濃度（MIC）。將無細菌生長的各孔樣品分別涂布于固體培養基上，37 ℃繼續培養24 h，觀察結果，以仍不長菌的最低濃度為TACKI的MBC。

1.2.6 TACKI對植物病原真菌菌絲抑制活性測定

采用生長速率法測定TACKI對供試植物病原真菌菌絲生長的抑制活性。將TACKI配制成初始質量濃度為1 000 mg/L的溶液，采用0.22 μm濾膜過濾，即為樣品母液。在無菌條件下取1 mL母液于 10 mL 刻度試管內，對照組加入1 mL無菌水，再倒入融化的PDA培養基定容至10 mL（即平板內TACKI濃度為100 mg/L），搖勻后趁熱倒入培養皿內。選取處于同一生長勢的菌落圈，采用打孔器（直徑4 mm）制得菌餅，倒置于上述已制備好的平皿上，菌絲面朝下接入平板，每皿1個菌餅，每個處理重復3次，28 ℃恒溫倒置培養72 h。采用十字交叉法測量菌落直徑，按公式（2）和公式（3）計算抑制率。

菌落直徑（mm）=測量直徑（mm）-4.0;（2）

菌絲生長抑制率=對照組菌落直徑-處理組菌落直徑對照組菌落直徑×100%。（3）

上述所有試驗于2020年4月至10月在河南省科學院天然產物重點試驗室完成。

1.3 數據處理

運用Origin 7.5軟件繪制單因素試驗數據趨勢曲線圖，采用 Design-Expert 8.0.6 軟件進行響應曲面試驗設計與分析，所有試驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 不同乙醇濃度對TACKI得率的影響

由圖1可知，乙醇濃度對TACKI得率影響比較大，總生物堿得率隨乙醇濃度的升高而逐漸增加，乙醇濃度達70%后逐漸平穩，且乙醇濃度為70%時，總生物堿得率最高，說明TACKI在70%左右乙醇中溶解度最大，當乙醇濃度在70%以上時，會有一些醇溶性雜質、色素及親脂性強的成分溶出，影響TACKI的提取。故選取70%乙醇為生物堿最佳提取濃度。

2.1.2 不同料液比對TACKI的影響

由圖2可知，料液比對TACKI得率的影響也比較大，TACKI的提取效果隨料液比的增加而增大，且增幅較為明顯，主要是因為在一定范圍內溶劑用量的增加，有助于生物堿的浸出。當液料比為1 g ∶25 mL時，TACKI得率最高，繼續增大料液比時，生物堿提取量略有下降，這可能是由于TACKI的溶出在液料比1 g ∶25 mL時已達到飽和狀態，因此液比以 1 g ∶25 mL 為宜。

2.1.3 不同超聲溫度對TACKI得率的影響

由圖3可知，TACKI提取效果隨溫度呈先顯著增加后略有降低的趨勢，50 ℃時提取效果最好。這是因為溫度升高降低了液體黏度，加快了分子的運動速度，導致總生物堿類物質快速溶出，但隨著溫度繼續升高，部分熱穩定性小的生物堿也會隨之分解，同時也會增加雜質的溶出，進而影響TACKI的得率，所以選超聲溫度在50 ℃為宜。

2.1.4 不同超聲時間對TACKI得率的影響

由圖4可知，50 min時，TACKI得率達到最高，此后逐漸降低。說明在提取約50 min時，牛心樸子草粗粉與提取溶劑充分接觸，總生物堿已充分溶出;繼續增加提取時間，可能會導致部分生物堿的分解和加大雜質的溶出量，從而降低了生物堿的提取率，故生物堿的最宜提取時間為50 min。

2.2 響應曲面法優TACKI的提取工藝

2.2.1 響應面試驗設計與結果

根據Box-Behnken中心組合設計原理，本試驗共進行29個點的響應面試驗，響應面試驗設計和試驗結果見表2。

2.2.2 模型的建立及其顯著性檢驗

采用Design-Expert 8.0.6軟件得到TACKI得率（Y）與各因素之間的二次多項回歸模型為：Y=0.48+0.02A+0.019B+7.408×10-3C+0.02D+0.015AB+2.5×10-4AC+8.45×10-3AD+9.525×10-3BC+0.012BD-5.9×10-3CD-0.065A2-0.061B2-0.01C2-0.018D2。

由表3可知，該回歸模型極顯著（P<0.000 1）;失擬項不顯著（P=0.787 1>0.05），表明該模型擬合程度良好;模型的相關系數R2=0.975 3，說明總生物堿得率的變化有97.53%來自于所選試驗因素，因此該模型與實際試驗模擬合度較好;校正決定系數R2Adj=0.950 6，表明生物堿得率95.06%的變異分布在方程中。

回歸方程各項方差表明，一次項A、B、D極顯著（P<0.01），C顯著（P<0.05）;二次項A2、B2、D2極顯著（P<0.01），C2顯著（P<0.05）;交互項中僅BD達到顯著水平，綜合各項方差分析結果可知，各具體試驗因子對TACKI得率的影響不是簡單的線性關系。試驗因素系數的F值越大則表明該因素對響應值的影響越大，因此影響TACKI得率由大到小的因素為D>A>B>C，即超聲時間>乙醇濃度>料液比>超聲溫度。

2.2.3 響應面交互作用分析

由圖5可知，各響應面圖均為開口向下的凸形曲面，說明響應值均存在極大值，即在本試驗所設計的因素水平范圍之內可以獲得TACKI最優提取參數。

根據回歸模型分析可知，TACKI超聲輔助提取的最優提取工藝為：乙醇濃度72.3%、料液比 1 g ∶26.3 mL、超聲溫度 53 ℃、超聲時間 56.6 min，此條件下，TACKI得率的理論預測值為 0.493 1%。結合生產實際，將各因素進行調整為乙醇濃度72%、料液比1 g ∶26 mL、超聲溫度 53 ℃、超聲時間57 min，在此條件下重復試驗 3 次，實際測得的TACKI平均得率為 0.492 8%，與預測值基本吻合，表明本試驗利用響應曲面法優化得到的數學模型可靠，具有良好的預測性，由該模型優化得出的工藝參數準確可靠，具有實際應用價值。

2.3 抑菌試驗結果

2.3.1 對致病細菌抑制活性測定結果

由表4可知，TACKI對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、和化膿性鏈球菌抑制作用最強，最小抑菌濃度（MIC）和最小殺菌濃度（MBC）均在12.5 mg/mL以下。但對肺炎克雷伯氏菌、鼠傷寒沙門氏菌和都柏林沙門氏菌在供試濃度下無抑制作用。

2.3.2 對植物病原真菌菌絲抑制活性測定結果 由表5可知，在供試質量濃度100 mg/L時，TACKI對9種農業植物病原真菌菌絲生長均有一定的抑制作用，抑制率均在62%以上，其中對玉米彎孢病菌、蘋果輪紋病菌、水稻稻瘟病菌和煙草赤星病菌菌絲生長均表現出較強的抑制作用，抑制率均在85%以上。

3 討論與結論

本試驗在單因素試驗基礎上，采用響應面分析法確定了TACKI超聲輔助的最優提取工藝為乙醇濃度72%、 料液比1 g ∶26 mL、 超聲溫度53 ℃、超聲時間57 min，在此優化條件下，TACKI平均得率為0.492 8%，與模型預測值（0.493 1%）一致性良好，說明此優化工藝穩定可行，可為TACKI工業化生產提供指導。生物堿是牛心樸子草的主要活性成分，但其在牛心樸子草全株中的含量較低，因此TACKI提取分離就成為牛樸心子草開發利用的關鍵。國內外學者已在TACKI提取分離方面做了大量研究工作，但在TACKI得率方面的差異很大，目前文獻報道的TACKI最高達3.83%[52]，最低0.096%[59]，導致TACKI得率差異較大的原因主要在于以下幾點：（1）提取工藝參數（如溶劑、方法、時間、次數及提取儀器的功率等）的不同導致TACKI得率的差異，目前文獻報道的TACKI提取溶劑有不同濃度的乙醇[54]、甲醇[60]、不同pH值的工業乙醇及不同鹽酸濃度的酸水[55]，提取方法包括超聲[46]、微波[53]、熱回流、滲漉、溫浸、煎煮等[56]，其中應用最多的溶劑為乙醇、方法為超聲波輔助提取;（2）不同的分離富集過程導致TACKI得率的差異，TACKI分離富集主要采用溶劑萃取[50]、大孔吸附樹脂吸附分離[57]、絮凝劑絮凝[56]等方法，每種方法中具體參數的差異也會導致TACKI得率的差異;（3）檢測方法的不同導致TACKI得率的差異，目前文獻報道的TACKI的檢測方法主要有重量法[46]、酸堿滴定法[56]、紫外分光光度法[55]及GC-MS分析法[59]，這些檢測方法在檢測TACKI含量方面的精密度、準確度等尚未進行研究。此外，牛心樸子草產地、采摘季節、提取部位及粉碎粒度也會對TACKI得率造成一定的影響。

TACKI顯示出了較強的廣譜抗菌作用，對多種致病細菌，如金黃色葡萄球菌、無乳鏈球菌、蠟樣芽孢桿菌、大腸桿菌等[9]，多種農業植物病原真菌，如煙草赤星、馬鈴薯干腐、小麥根腐、玉米大斑、番茄灰霉、稻瘟病及尖孢鐮刀菌等[10，31]病原菌均具有較好的抑制作用。本研究也表明TACKI提取物具有廣譜的抑菌活性，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌和化膿性鏈球菌最小抑菌濃度（MIC）和最小殺菌濃度（MBC）均在12.5 mg/mL以下;在供試質量濃度100 mg/L時，對玉米彎孢病菌、蘋果輪紋病菌、水稻稻瘟病菌和煙草赤星病菌菌絲生長均表現出較強的抑制作用，抑制率均在85%以上。因此，TACKI的殺菌活性值得進一步深入研究。

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