香茅草總黃酮的提取及抗氧化活性

李琳 李影 黃瑜 王微

摘 要：為提高香茅草（Cymbopogon citratus）的經濟價值，并為香茅草中其他活性成分提取提供理論依據，選擇乙醇作為微波輻射提取溶劑，氧化鋅和乙醇作為吸附劑和洗脫劑，應用微波輔助-分散固相提取技術對香茅草中黃酮類化合物進行提取純化，對乙醇體積分數、液料比、微波功率、微波時間和微波溫度進行單因素試驗，根據試驗結果進行響應面優化，采用DPPH（1，1-二苯基-2-三硝基苯肼）和FRAP（Ferric ion reducing antioxidant power）法測定香茅草總黃酮對DPPH自由基的清除效果和總抗氧化活性。結果表明，香茅草中黃酮類化合物最佳提取工藝為乙醇體積分數80%、液料比50∶1（mL/g）、微波功率580 W、微波時間14 min、微波溫度55 ℃，該條件下總黃酮得率為3.320 1%，其相對標準偏差（Relative Standard Deviation，RSD）為1.80%。當香茅草總黃酮提取物質量濃度為1.0 mg/mL時，其自由基清除率達73.38%，黃酮總抗氧化能力（FRAP）值為1.913 mmol/L，香茅草總黃酮具有較好的自由基清除能力和總抗氧化能力，微波輔助-分散固相提取技術提取香茅草總黃酮穩定性好，工藝精簡可靠、重復性強，具有較好的抗氧化活性。

關鍵詞：香茅草;微波輔助提取;響應面法;氧化鋅;分散固相提取;抗氧化

中圖分類號：S718.3??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2022）03-0106-09

Extraction and Antioxidant Activity of Total Flavonoids from Cymbopogon citratus

LI Lin， LI Ying， HUANG Yu， WANG Wei*

（College of Chemistry， Chemical Engineering and Resource Utilization， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：The purpose of this study is to improve the economic value of Cymbopogon citratus and provide a theoretical basis for the extraction of other active components from Cymbopogon citratus， the flavonoids from Cymbopogon citratus were extracted and purified by microwave-assisted-dispersed solid phase extraction method and the ethanol was selected as the solvent for microwave radiation extraction， zinc oxide and ethanol were used as adsorbents and eluents. Single factor experiments were carried out on ethanol concentration， ratio of liquid to material， microwave power， microwave time and microwave temperature. Response surface optimization was carried out according to the results of single factor experiments. DPPH（1，1-diphengl-2-trinitrophenylhydrazine） and FRAP（Ferric ion reducing antioxidant power） methods were used to determine the scavenging effect and total antioxidant activity of total flavonoids of Cymbopogon citratus on DPPH free radicals. The experimental results showed that the optimum extraction process was as follows： ethanol concentration volume fraction is 80%， liquid-to-material ratio is 50∶1（mL/g）， microwave power is 580 W， microwave time is 15 min， microwave temperature is 55 ℃. Under this condition， the total flavonoid yield was 3.320 1%， and the RSD （Relative Standard Deviation） was 1.80%. When the mass concentration of total flavonoids of Cymbopogon citratus was 1.0 mg/mL， the free radical scavenging rate was 73.38%， and the FRAP value was 1.913 mmol/L， the total flavonoids of Cymbopogon citratus had better free radical scavenging ability and total antioxidant capacity. The microwave-assisted-dispersive solid phase extraction of total flavonoids of Cymbopogon citratus has good stability， concise and reliable process， strong repeatability， and has great antioxidant activity.

Keywords：Cymbopogon citratus; microwave-assisted extraction; response surface method; zinc oxide; dispersive solid-phase extraction; antioxidant

0 引言

香茅草（Cymbopogon citratus），別名苞茅、檸檬草，為禾本科（Gramineae）香茅屬（Cymbopogon）多年生草本植物，原產于非洲、印尼和印度等熱帶地區，我國主要分布在廣東、臺灣、海南、福建、廣西、四川、貴州和云南等?。▍^），常見品種有西印度檸檬香茅（Cymbopogon citratus （DC. ex Nees） Stapf）、東印度檸檬香茅（Cymbopogon flexuosus）等。香茅草是一種具有檸檬香氣的香料植物，可用來制作香水、肥皂等;其性溫味辛，具有疏風解表、祛瘀通絡的功效，可治療感冒頭痛、胃痛、泄瀉、風濕痹痛和跌打損傷等;此外，香茅草的檸檬香氣能夠增添料理的風味層次，也是非常好的烹飪香料[1]?？梢?，作為一種藥食兩用資源，香茅草具有廣闊的開發前景。

對于藥食植物來說，如何快速、有效地將有效活性成分提取出來并對提取物進一步分離純化是其開發利用的基礎。傳統上常采用有機溶劑提取法、超聲輔助提取法（Ultrasonics-Assisted Extraction，UAE）、熱回流提取法（Heat Reflux Extraction，HRE）和酶提取法等提取植物有效活性成分，但這些方法存在諸多缺點：①大量使用有機溶劑，產生的廢液廢渣嚴重污染環境，且不可避免的溶劑殘留會影響產物的質量和穩定性;②提取效率低、步驟多、選擇性差，較難實現自動化或聯用;③提取溫度高、時間長、能耗大，且易造成熱敏性成分分解和揮發性成分損失。因此，發展快速、高效、盡量不用或少用有害試劑、將環境污染減至最低限度的綠色樣品處理技術已成為該領域科學工作者追求的目標。

微波輔助提取法（Microwave-Assisted Extraction，MAE）是新近發展起來的一種從植物等組織中提取化學成分的新型提取方法，與傳統提取方法相比，MAE具有如下優點：①微波具有很強穿透力，可使反應物內外部分同時均勻、 迅速加熱，提取時間短、效率高;②選擇性好，基于結構不同的物質吸收微波能力不同的性質，可實現待測組分的選擇性加熱，進而與基體分離;③可利用在非極性溶劑中加適量極性溶劑的方法控制微波吸收能力大小進而控制溫度;④密封操作可保證溶劑不損失，對環境友好;⑤可同時提取多個樣品[2]。香茅草的主要化學成分包括黃酮類、酚類、萜類和揮發油等，具有抗氧化、抗炎和抗菌等活性[3]，目前，對香茅草的化學成分研究多集中在揮發油提取和利用方面，關于其黃酮類成分的研究鮮見報道。

分散固相提?。―ispersive Solid-Phase Extraction，DSPE）是一種全新的樣品前處理技術，其首先利用吸附劑吸附樣品溶液中的目標分子，然后采用合適的洗脫劑解吸，進而得到目標化合物，具有簡單高效、重復性好、富集效率高和溶劑消耗低等優點[4]。目前，在DSPE中用作吸附劑的材料包括多壁碳納米管、介孔二氧化硅納米顆粒、硅基吸附劑和活性炭纖維等[5-6]。氧化鋅（ZnO）是一種常用的化學吸附劑，具有帶隙寬、化學和熱穩定性好、吸附效率高等特點，在化學提取領域得到廣泛應用，如Ji等[7]利用氧化鋅提取方便面中的醛，Wang等[8]利用氧化鋅提取飲料中的黃酮類化合物，但鮮見將其作為吸附劑用于DSPE提取天然產物的研究。

鑒于此，本研究選擇乙醇作為微波輻射提取溶劑，氧化鋅和乙醇作為吸附劑和洗脫劑，應用微波輔助-分散固相提取技術對香茅草中黃酮類化合物進行提取純化，對乙醇體積分數、液料比、微波功率、微波時間和微波溫度進行單因素試驗，根據試驗結果進行響應面優化，采用DPPH（1，1-二苯基-2-三硝基苯肼）和FRAP（Ferric ion reducing antioxidant power）法測定香茅草總黃酮對DPPH自由基的清除效果和總抗氧化活性，旨在提高香茅草的經濟價值，為香茅草中其他活性成分提取提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

香茅草葉片購自哈爾濱三棵樹中藥材專業市場并經專家鑒定;蘆丁標準品購自上海古朵生物科技有限公司;L-抗壞血酸、DPPH購自美國Sigma 公司;碳酸鈉（分析純）、亞硝酸鈉（分析純）、硝酸鋁（分析純）、氫氧化鈉（分析純）、乙醇（分析純）、氧化鋅購自天津市致遠化學試劑有限公司;去離子水為實驗室自制。

1.2 儀器與設備

S0116總抗氧化能力檢測試劑盒，碧云天生物技術公司; Infinite 200 PRO Nano Quant酶標儀，上海安景科技有限公司;KQ-300DB型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司;MAS-Ⅱ型微波提取儀，上海新儀科技有限公司;C-RE-52A型旋轉蒸發儀，力辰科技有限公司;GL-16G臺式離心機，上海安亭科學儀器廠制造，HX-200A型粉碎機，永康市溪岸五金藥具廠;AB-104型電子天平，鄭州紫拓儀器設備有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品溶液制備

稱取1 mg粉碎后樣品（過80目篩）于三角瓶中，料液比為1∶40 （g/mL）加入70%乙醇水溶液，溫度55 ℃，40 kHz功率下超聲提取35 min，離心得上清液，4 ℃保存備用。

1.3.2 蘆丁標準曲線繪制

采用NaNO2-Al（NO3）3-NaOH 比色法[9]，并稍作修改。準確稱取1 mg蘆丁標準品，用乙醇配制成0.2 mg/mL蘆丁母液。精確量取蘆丁標準溶液0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL于5 mL容量瓶中，分別加入無水乙醇使溶液總體積為0.6 mL，搖勻。依次加入0.1 mL 5%亞硝酸鈉溶液搖勻靜置 6 min，0.1 mL 10%硝酸鋁溶液搖勻靜置6 min，1.5 mL 10%氫氧化鈉溶液搖勻，加蒸餾水定容至2.5 mL。另一組試劑作為空白對照。每組取5個樣品200 μL滴于96孔板，在510 nm波長處采用酶標儀測定吸光度，橫坐標為蘆丁質量濃度，縱坐標為吸光度，繪制標準曲線[10]（y=2.096 8x-2.007 3，R2=0.999 3，線性范圍0.008 0～0.048 0 mg/mL），相關性良好。

1.3.3 樣品中總黃酮含量測定

精確移取0.1 mL樣品溶液滴于96孔板中，按上述標準曲線繪制方法采用酶標儀測定吸光度，根據回歸方程計算總黃酮得率

總黃酮得率=C×V×nM×100%。

式中：C為提取液質量濃度，mg/mL;V為提取液原始體積，mL;M為香茅草粉末質量，g;n為稀釋倍數。

1.3.4 提取方法篩選

微波輔助提?。∕AE）：準確稱量1 g樣品粉末于微波反應器中，加入70%乙醇40 mL混勻，微波溫度65 ℃，微波時間15 min，微波功率600 W。離心得上清液，測定總黃酮含量。

超聲輔助提?。║AE）：準確稱量1 g樣品粉末于100 mL錐形燒瓶中，加入70%乙醇40 mL混勻，將燒瓶置于超聲清洗器中，超聲溫度55 ℃，超聲時間35 min，超聲頻率40 kHz。離心得上清液，測定總黃酮含量。

熱回流提?。℉RE）：準確稱量1 g樣品粉末于100 mL圓底燒瓶中，加入70%乙醇40 mL混勻，將燒瓶置于帶有回流裝置的水浴中，回流溫度60 ℃，回流時間35 min。冷卻后稱量提取液，加入乙醇彌補減重，離心得上清液，測定總黃酮含量[3]。

1.3.5 ?香茅草總黃酮純化

微波輔助提取后，應用分散固相提取技術對香茅草總黃酮進行純化。工藝條件為：取提取液的上清3 mL于50 mL離心管中，加入2 mg氧化鋅，混勻后在超聲清洗器中浸泡120 s，使黃酮類化合物完全被氧化鋅吸附?；旌先芤和ㄟ^0.22 μm注射器過濾后用500 μL乙醇洗脫濾渣中的黃酮類化合物，收集洗脫液，12 000 r/min離心10 min，測定離心后上清液中總黃酮含量。

1.3.6 單因素試驗

選擇微波輔助提取方法，以液料比40∶1（mL/g）、提取時間10 min、提取溫度60 ℃、提取功率500 W、乙醇體積分數70%為單因素試驗基礎條件，以分散固相提取純化后總黃酮得率為指標，考察5個因素對香茅草總黃酮提取量的影響。其中，液料比設置為30∶1、40∶1、50∶1、60∶1、70∶1（mL/g），提取時間設置為5、10、15、20、25 min，提取溫度設置為30、40、50、60、70 ℃，微波提取功率設置為450、500、550、600、650 W，乙醇濃度（體積分數，下同）設置為60%、70%、80%、90%、100%。

1.3.7 響應面優化試驗

在單因素試驗基礎上，利用Design-Expert.10軟件設計三因素三水平響應面優化試驗，以分散固相提取純化后總黃酮得率為指標，微波溫度、微波功率、微波時間為自變量，確定最佳提取工藝。響應面試驗因素水平見表1[10]。

1.3.8 香茅草總黃酮抗氧化活性

采用DPPH自由基清除能力試劑盒檢測DPPH自由基清除能力，FRAP檢測試劑盒檢測總抗氧化能力，以L-抗壞血酸為對照。

（1）清除DPPH自由基能力測定。參考米智等[11]對DPPH自由基清除率的測定方法，計算公式如下

清除率=1-A1A0×100%。

式中：A1為樣品溶液的吸光度;A0為初始吸光度。

（2）FRAP法總抗氧化能力測定。參考 Amamcharla 等[12]對總抗氧化活性的測定方法并適當修改。將各種溶液充分混勻后37 ℃下放置5 min，酶標儀593 nm波長測定吸光度;按照相同步驟，于96孔板檢測孔中滴入不同濃度FeSO4溶液測定吸光度，以吸光度（A）為縱坐標，FeSO4濃度（mmol/L）為橫坐標，繪制FeSO4標準曲線（y = 0.088 5x + 0.050 9，R2 = 0.999 4），計算總抗氧化能力。

1.4 數據處理

所有試驗重復3次，使用GraphPad Prism 5和Design Expert 10軟件進行數據統計與處理。

2 結果與分析

2.1 提取方法篩選

微波輔助提取、超聲輔助提取和熱回流提取對香茅草總黃酮得率的影響如圖1所示。微波輔助提取的總黃酮得率為3.39%，高于熱回流提?。?.56%）和超聲輔助提?。?.88%），這是因為微波反應過程中，高頻電磁波透射進植物細胞內部吸收能量產生大量的熱，使物料和溶劑快速升溫，胞內游離水吸熱氣化產生的壓力可將細胞膜和細胞壁沖破形成微小孔洞，進一步加熱，細胞內部和細胞壁水分減少，細胞收縮，表面出現裂紋，孔洞和裂紋的存在使細胞外液體易于進入細胞內，溶解并釋放細胞內產物[13]。故后續試驗采用微波輔助提取方法。

所得數據為3次試驗的平均值，*為與微波輔助提取法相比P<0.05，**為與微波輔助提取法相比P<0.01。

The data obtained are the average value of three tests. * is compared with microwave-assisted extraction P<0.05， ** is compared with microwave-assisted extraction P<0.01.

2.2 單因素試驗結果分析

2.2.1 乙醇濃度對總黃酮得率的影響

由圖2可知，總黃酮得率隨乙醇濃度增加而增大，乙醇濃度80%時達最大值，超過80%總黃酮得率呈下降趨勢，這是因為隨著乙醇濃度增加，其他醇溶性物質如香茅草中揮發油類析出，導致黃酮類化合物溶解度下降，得率隨之降低[14]。因此，乙醇濃度選擇80%。

2.2.2 液料比對總黃酮得率的影響

由圖3可知，總黃酮得率隨液料比增加呈先增大后減小的趨勢，這是因為隨著溶劑量增加，香茅草粉末與溶劑接觸更充分，黃酮類物質逐漸析出，液料比超過50∶1（mL/g）后，溶液質量濃度隨液料比增加而變小，黃酮類物質析出受抑制，導致得率不增反降?？紤]到經濟效益和環保因素，液料比不宜過大[9]，因此，液料比選擇50∶1（mL/g）。

2.2.3 微波溫度對總黃酮得率的影響

由圖4可知，總黃酮得率受微波溫度影響較大，適當升溫，分子浸出速率加快，總黃酮得率在30～50 ℃時明顯升高，溫度50 ℃時達到峰值，后總黃酮得率開始緩慢下降，這是因為溫度過高，提取出的黃酮被氧化或導致其活性物質分解，總黃酮含量減少，黃酮得率降低[10]。因此，微波溫度選擇50 ℃。

2.2.4 微波功率對總黃酮得率的影響

由圖5可知，總黃酮得率隨微波功率增加明顯增大，微波功率600 W時達到峰值3.237%，后總黃酮得率開始緩慢下降，這是因為微波功率過大，體系溫度升高，乙醇揮發速度加快，高溫下總黃酮結構發生變化，得率下降[10]。因此，微波功率選擇600 W。

2.2.5 微波時間對總黃酮得率的影響

由圖6可知，微波時間5～20 min黃酮不斷從香茅草體內析出，得率逐漸增大，微波時間20 min達到最大值，后總黃酮得率緩慢下降，這是因為微波時間過長，香茅草內黃酮物質被氧化或分解且雜質溶出度增加，黃酮得率下降[15]。因此，微波時間選擇20 min。

2.2.6 響應面法優化提取工藝

利用Design expert 10軟件，對總黃酮提取試驗中影響比較顯著的微波功率、微波時間、微波溫度進行模擬擬合與條件預測，分析得到試驗方案及結果見表2。

以香茅草總黃酮得率為響應值，對表2中數據進行回歸擬合，可得回歸方程如下

總黃酮得率=3.30+0.056A+8.750×10-3B+

0.018C-2.500×10-3AB-5.000×10-3AC-5.000×10-3BC-0.041A2-0.036B2-0.084C2。

對回歸方程進行方差分析，結果見表3。

由方差分析結果可知，模型P為0.000 3，模型差異顯著;失擬項為0.468 2（不顯著），模型擬合度好;R2=0.978 8，模型能充分擬合試驗數據[16]。這表明建立的模型為有效模型，可通過該模型確定香茅草總黃酮最佳提取工藝。一次項檢驗中，A影響極顯著、C影響顯著、B影響不顯著，各因素交互項均不顯著;二次項檢驗均達極顯著。同時一次項檢驗F表明，各因素對香茅草總黃酮提取的影響程度由大到小為：微波功率、微波溫度、微波時間[17]。

各因素交互作用對香茅草總黃酮得率的影響如圖7所示，響應面坡度越陡，說明對總黃酮得率的影響越大，由等高線圖可得到其極值的相關條件在圓心[16]。分析圖7（a）、圖7（c）、圖7（e）的坡度可知，時間與功率、溫度與功率交互作用對總黃酮得率的影響均較大，溫度與時間交互作用對總黃酮得率的影響相對緩和。溫度與功率交互作用的坡度最陡，且圖7（d）等高線趨于橢圓，說明對總黃酮得率影響最為顯著;時間與功率交互作用的坡度較陡，且圖7（b）等高線趨于圓形，說明對總黃酮得率具有較顯著影響，但弱于溫度與功率交互作用[18]，這與F大小比較結果相符。

2.3 優化提取參數和驗證試驗

使用Design expert 10軟件優化試驗條件，得到最佳提取工藝參數為微波功率584.246 W、微波時間14.381 3 min、微波溫度53.043 1℃，結合單因素試驗確定的乙醇體積分數80%、液料比50∶1（mL/g），該條件下的理論得率為3.222%;考慮到實際操作，最佳提取工藝條件確定為乙醇體積分數80%、液料比50∶1 （mL/g）、微波功率580 W、微波時間14 min、微波溫度55 ℃。

稱取5份香茅草粉末，采用優化提取工藝條件進行3次平行試驗，總黃酮得率平均值為3.320 1%，其相對標準偏差（Relative Standard Deviation，RSD）為1.80%，模型擬合試驗條件與實際操作擬合程度較好，響應面法建立了具有很大可靠性的回歸模型[19]。

2.4 香茅草總黃酮抗氧化活性

2.4.1 對DPPH自由基的清除效果

香茅草總黃酮及對照L-抗壞血酸對DPPH自由基的清除效果如圖8所示。

香茅草總黃酮對DPPH自由基具有明顯清除作用，黃酮提取物抗氧化性較好[20-21]，且在0～1.0 mg/mL樣品液體濃度范圍內，DPPH自由基清除率穩定上升，濃度越高，清除率越大，當香茅草總黃酮提取物質量濃度為1.0 mg/mL時，其自由基清除率達73.38%。

2.4.2 FRAP法總抗氧化能力

由圖9可知，香茅草總黃酮提取液在593 nm波長下3次重復試驗測得的吸光度平均值為0.388，與1.913 mmol/L FeSO4溶液吸光度相同，說明香茅草總黃酮總抗氧化能力（FRAP值）為1.913 mmol/L，具有較好的總抗氧化能力，但不及L-抗壞血酸[21]。

3 結論

微波輔助提取、超聲輔助提取與熱回流提取方法比較發現，微波輔助提取的總黃酮得率（3.39%）高于熱回流提?。?.56%）和超聲輔助提?。?.88%），微波反應過程中，高頻電磁波透射進植物細胞內部吸收能量產生大量的熱，使物料和溶劑快速升溫，胞內游離水吸熱汽化產生的壓力可將細胞膜和細胞壁沖破形成微小孔洞，進一步加熱，細胞內部和細胞壁水分減少，細胞收縮，表面出現裂紋，孔洞和裂紋的存在使細胞外液體易于進入細胞內，溶解并釋放細胞內產物，加快胞內外物質發生置換從而提高總黃酮得率。本研究采用微波輔助提取法，以乙醇為溶劑提取香茅草黃酮類化合物，隨機將總黃酮類化合物進行分散固相提取，得到純度更高的總黃酮提取物，并通過響應面優化試驗進一步得到純度更高的黃酮提取物，為后續抗氧化試驗做準備。試驗確定最佳提取工藝為乙醇濃度80%、液料比50∶1（mL/g）、微波功率580 W、微波時間14 min、微波溫度55 ℃，該條件下香茅草總黃酮得率為3.320 1%，重復性試驗檢測，RSD為1.80%，說明模型擬合試驗條件與實際操作擬合程度較好。對香茅草中黃酮類化合物進行DPPH自由基清除能力、FRAP法總抗氧化能力檢測，以L-抗壞血酸為對照，結果表明，當香茅草總黃酮提取物濃度為1.0 mg/mL時，其自由基清除率達73.38%，FRAP值為1.913 mmol/L，香茅草總黃酮具有較好的自由基清除能力和總抗氧化能力。微波輔助-分散固相提取技術提取香茅草總黃酮穩定性好、工藝精簡可靠、重復性強，香茅草中黃酮類化合物具有較好的抗氧化活性。

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