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Optimization of ultrasonic-assisted extraction of sesame lignans and its antioxidant activities

芝麻木脂素超声提取工艺优化及其抗氧化性能



全 文 :第 11 卷第 6 期
2013 年 11 月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol. 11 No. 6
Nov. 2013
doi:10. 3969 / j. issn. 1672 - 3678. 2013. 06. 011
收稿日期:2012 - 02 - 14
基金项目:六安市定向委托皖西学院市级研究项目(2010LW012);皖西学院 2012 年党建工作创新活动项目(WXXYDJ12003);皖西学院科技创
新平台“生物质炼制工程技术研究中心”项目
作者简介:何晓梅(1974—),女,安徽六安人,硕士,实验师,研究方向:天然产物研究与开发,E⁃mail:happyzh@ wxc. edu. cn
芝麻木脂素超声提取工艺优化及其抗氧化性能
何晓梅1,2,谷仿丽1,张  颖1,陈壮壮1
(1. 皖西学院 生物与制药工程学院,六安 237012;
2. 皖西学院 安徽省植物生物技术实验实训中心,六安 237012)
摘  要:以料液比、超声时间、超声温度和静置时间为考察因素进行单因素试验和正交试验确定芝麻木脂素的最佳
提取条件。 通过改良邻苯三酚自氧化法测定芝麻木脂素清除 O -2·能力来研究芝麻木脂素的抗氧化活性;用 H2O2
Fe2 +体系诱导线粒体脂质过氧化,测定芝麻木脂素对丙二醛(MDA)含量的影响。 结果表明:芝麻木脂素最佳提取
条件为料液比 1∶ 12(g / mL),超声温度55 ℃,超声时间 30 min,静置时间 2 h,超声波辅助法提取芝麻渣中芝麻木脂
素的提取量最高达到 0􀆰 120 g(以 100 g芝麻渣计)。 芝麻渣提取物能有效清除 O -2·,具有良好的抑制脂质过氧化的
作用。
关键词:抗氧化性;提取;木脂素;芝麻;超声辅助
中图分类号:TS201. 1        文献标志码:A        文章编号:1672 - 3678(2013)06 - 0053 - 05
Optimization of ultrasonic⁃assisted extraction of sesame
lignans and its antioxidant activities
HE Xiaomei1,2,GU Fangli1,ZHANG Ying1,CHEN Zhuangzhuang1
(1. College of Biology and Pharmaceutical Engineering,West Anhui University,Lu′an 237012,China;
2. Experiment and Training Center of Plant Biotechnology of Anhui Province,West Anhui University,Lu′an 237012,China)
Abstract:Optimum conditions of ultrasonic⁃assisted extraction of sesame lignans from sesame cake were
obtained by single factor tests and orthogonal experiment design. The activities of sesame lignans in
scavenging superoxide anion radical (O -2·) were determined by the modified method for pyrogallol auto⁃
oxidation. Rat liver mitochondria injury was induced by H2O2 ⁃Fe2 + to analyze the influence of sesamien on
content of MDA. The result showsed that the optimum conditions for the extraction were as follows:solid to
liquid ratio 1∶ 12,ultrasonic temperature 55 ℃,ultrasonic time 30 min,and standing time 2 h. The crude
extract yield was 0􀆰 120 g per 100 g based on sesamin cake. The purified extract could scavenge
superoxide anion and inhibit the lipid peroxidation of mitochondria.
Key words:antioxidant;extraction;lignan;sesame;ultrasonic⁃assisted
    芝麻木脂素包括脂溶性木脂素(lignans)和含有
配糖体的水溶性木脂素(lignan glucosides)。 脂溶性
木脂素有芝麻素(sesamin)、芝麻酚(sesamol)、芝麻
林素(sesamolin)等,水溶性木脂素则是由 1 ~ 3 个葡
萄糖相连形成的极性较强的糖苷。 芝麻中木脂素
的含量较高,总质量分数高达 0􀆰 5% ~ 1% 。 芝麻木
脂素是芝麻的主要生理活性成分,也是非常优质
的天然抗氧化剂。 临床研究发现,芝麻木脂素在
保护肝脏、降低血糖、控制血压、调节免疫及抑制
肿瘤方面具有很好的作用[1 - 3] ,在食品、医药、化
妆品等领域具有良好的应用前景。 我国芝麻资源
丰富,目前主要应用于芝麻油的生产,制油过程中
的副产品芝麻渣或芝麻饼粕作为废物被丢弃或者
是用作为饲料和肥料,造成资源极大浪费。 文献
[4 - 7]等研究表明,在制油过程中产生的副产品
芝麻饼粕中依然含有一定量的芝麻木脂素类化合
物。 谢放华[8]对小磨麻油副产物芝麻渣的主要成
分进行了化学分析,但没有对芝麻木脂素的含量
进行测定。 因此,笔者以小磨麻油副产物新鲜芝
麻渣为原料,通过超声辅助有机溶剂提取芝麻木
脂素,并测定其抗氧化性,以期为芝麻木脂素在食
品、医药、化妆品等行业的开发应用和芝麻资源的
综合利用提供参考。
1  材料与方法
1. 1  主要原料和试剂
小磨麻油副产物新鲜芝麻渣由六安市金安区
码头镇正品麻油厂提供;芝麻素标准品购自 Sigma
公司;甲醇(色谱纯)、乙醇、石油醚和其他试剂均为
分析纯,市售。
1. 2  主要仪器设备
KQ 600KDE型数控超声波仪(昆山市超声仪
器有限公司);TU1901 型紫外可见分光光度计(北
京普析通用仪器有限公司);FA2004 型电子分析天
平(常州诺基仪器有限公司);SHZ - D(Ⅲ)型循环
水真空泵(上海亚荣生化仪器有限责任公司);RE
52B型旋转蒸发仪(上海青浦沪西仪器厂)
1. 3  试验方法
1. 3. 1  芝麻木脂素的提取方法
将水代法振荡分油后经稍微沥干的新鲜芝麻
渣自然风干,用正己烷脱除剩余的油脂,然后置于
105 ℃烘箱烘至恒质量,准确称取 10􀆰 000 g 芝麻渣
于 500 mL 锥形瓶,按一定料液比加入 90%乙醇溶
液[9],置于超声波仪器中,在一定温度下超声一段
时间后取出,静置,抽滤提取液,旋转蒸发蒸去乙醇
得膏状物,真空干燥后用甲醇溶解定容至 25 mL,作
为待测液。
1. 3. 2  单因素试验
1)料液比(A)的确定  分别准确称取 15 份经
预处理的芝麻渣 10􀆰 000 g,按料液比(g / mL)为 1∶ 6、
1∶ 8、1∶ 10、1∶ 12 和 1∶ 14 加入体积分数 90%乙醇(每
个水平 3 个平行实验),置于超声波仪中,在 50 ℃下
超声 20 min取出,静置 3 h,抽滤提取液,进行后续
实验。
2)超声温度(B)的确定  在料液比确定的基础
上取样,分别于 40、45、50、55 和 60 ℃下超声提取,
以确定超声温度。
3)超声时间(C)的确定  在料液比和超声温度
确定的基础上取样,分别超声提取 10、20、30、40 和
50 min,以确定超声时间。
4)静置时间(D)的确定  在料液比、超声温度
和超声时间确定的基础上取样,分别静置 1、2、3、4
和 5 h,以确定静置时间。
1. 3. 3  正交优化试验
根据单因素试验的结果,选择料液比、超声温
度、超声时间和静置时间为考察因素,以芝麻木脂
素提取率为考察指标,采用 L9 (34)正交试验设计,
进行四因素三水平试验,确定芝麻木脂素超声浸提
的最佳工艺条件。
1. 3. 4  芝麻木脂素提取率的计算
取芝麻素对照品溶液和芝麻木脂素试液进行
紫外光谱扫描,其扫描图谱见图 1。 再根据文献[9]
中方法,计算芝麻渣中芝麻木脂素提取率。
1—芝麻素标准品的紫外光谱;
2—芝麻渣中木脂素的紫外光谱
图 1  芝麻素标准品和芝麻渣中木脂素的紫外光谱
Fig. 1  Ultraviolet spectram of sesamin standard and
sesame lignans in the residue
1. 3. 5  芝麻木脂素的抗氧化性质研究
将经 1. 3. 1 得到的含芝麻木脂素的膏状物加入
适量有机溶剂石油醚(沸程 60 ~ 90 ℃),45 ℃避光
振荡 30 min,静置,取上清置于 4 ℃冰箱结晶,过滤、
45 生  物  加  工  过  程    第 11 卷 
真空冷冻干燥,得芝麻木脂素粗品,然后用乙醇对
粗品进行重结晶,得芝麻木脂素结晶备用。
1)芝麻木脂素清除超氧自由基(O -2·)能力的测
定———改良邻苯三酚自氧化法[10]。 取 0􀆰 05 mol / L
pH 7􀆰 8 的磷酸缓冲液 4􀆰 5 mL,放置于 25 ℃水浴 20
min,分别加入 1 mL试样和 0􀆰 5 mL的 25 mmol / L的
邻苯三酚溶液,混合均匀后继续在 25 ℃的水浴中水
浴 5 min,然后加 1 mL 浓 HCl 终止反应,测 325 nm
处吸光度(A),空白对照组(A0)以等体积 pH 7􀆰 8 的
磷酸缓冲液代替。
O -2·清除率 = [(A0 - A) / A] × 100%
2)芝麻木脂素对丙二醛 ( MDA) 含量的影
响[11 - 12]。 实验前大鼠空腹 12 h,击头处死,破腹取
肝,迅速用预冷的生理盐水洗净血水,用滤纸吸干。
用预冷的 0􀆰 25 mol / L 蔗糖溶液洗涤数次以尽可能
减少残留血液。 然后加预冷的 0􀆰 25 mol / L 蔗糖溶
液,在 0 ~ 4 ℃冰浴中用玻璃匀浆器制备 20%肝匀
浆(匀浆用双层尼龙织物过滤)。 肝匀浆700 g、4 ℃
离心 10 min,沉淀用预冷的 0􀆰 25 mol / L 蔗糖溶液洗
涤 2 次,每次 1 000 r / min 离心 10 min,合并上清液
(1),上清液(1)10 000 r / min、4 ℃离心 10 min,所得
沉淀用预冷的 0􀆰 25 mol / L 蔗糖溶液洗 2 次,每次
10 000 r / min离心 10 min得纯化的线粒体沉淀。 最
后用 10 mmol / L Tris⁃HCl 缓冲液悬浮线粒体备用
(蛋白质质量浓度为 0􀆰 5 mg / mL)。 取 1 mL 肝线粒
体,加不同浓度芝麻木脂素试样,6 mmol / L FeSO4
100 μL,最后加 60 mmol / L H2O2 40 μL,在37 ℃下
振摇温浴 1 h 后,加 15% 三氯乙酸 1 mL,混匀,加
0􀆰 67% 硫代巴比妥酸(TBA) 1 mL,沸水浴显色 15
min,冷却离心,测 532 nm 处上清液(A加药),以蒸馏
水代替 TBA作为空白对照;以蒸馏水代替试样作为
阳性对照(A损伤);以蒸馏水代替 FeSO4 和 H2O2作为
正常对照(A未损),计算抑制率。
抑制率 = [(A加药 - A损伤) / ( A未损 - A损伤)] ×100%
2  结果与讨论
2. 1  芝麻木脂素浸提的单因素试验
2. 1. 1  料液比对芝麻木脂素提取量的影响
料液比对芝麻木脂素提取量的影响见图 2。
由图 2 可知:料液比在 1 ∶ 10( g / mL)时,芝麻木脂
素提取量接近最大值,再增加料液比,提取量增加
缓慢。 故选用料液比为 1 ∶ 10 ( g / mL)进行后续
试验。
图 2  料液比对芝麻木脂素提取量的影响
Fig. 2  Effects of ration of liquid to solid on
sesame lignans extraction
2. 1. 2  超声温度对芝麻木脂素提取量的影响
超声温度对芝麻木脂素提取量的影响见图 3。
由图 3 可知:温度小于 50 ℃时,随着温度的提高,芝
麻木脂素提取量逐渐增加;温度达到 50 ℃时,芝麻
木脂素提取量达到最高值;但当温度高于 50 ℃,芝
麻木脂素提取量有所下降,可能是芝麻木脂素在高
温下易于氧化降解。 故选用超声温度为 50 ℃进行
后续试验。
图 3  超声温度对芝麻木脂素提取量的影响
Fig. 3  Effects of ultrasonic temperature on
sesame lignans extraction
2. 1􀆰 3  超声时间对芝麻木脂素提取量的影响
超声时间对芝麻木脂素提取量的影响见图 4。
由图 4 可知:随着超声时间的延长,芝麻木脂素提取
量逐渐增加,超声 30 min 达到最大值,其后缓慢下
降。 故选用超声时间为 30 min进行后续试验。
2. 1. 4  静置时间对芝麻木脂素提取量的影响
静置时间对芝麻木脂素提取量的影响见图
5。 由图 5 可知:静置时间从 2 h 延长到 3 h,芝麻
木脂素提取量大约增加 7􀆰 00 mg(以 100 g 芝麻
渣计) ,考虑节约时间和提高效率,静置时间确定
为 2 h。
55  第 6 期 何晓梅等:芝麻木脂素超声提取工艺优化及其抗氧化性能
图 4  超声时间对芝麻木脂素提取量的影响
Fig. 4  Effects of ultrasonic time on sesame
lignan extraction
图 5  静置时间对芝麻木脂素提取量的影响
Fig. 5  Effects of standing time on sesame
lignan extraction
2. 2  正交试验确定芝麻木脂素浸提最优工艺条件
综合单因素试验确定的范围,设计正交试验,
试验结果及分析分别见表 1 和表 2。
表 1  正交试验结果
Table 1  Results of orthogonal experiment
试验号

料液比 /
(g·mL - 1)

超声温度 /


超声时间 /
min
m(木脂素) /
mg
1 1∶ 8 45 20 93􀆰 11
2 1∶ 8 50 30 58􀆰 47
3 1∶ 8 55 40 75􀆰 48
4 1∶ 10 45 30 62􀆰 43
5 1∶ 10 50 40 59􀆰 01
6 1∶ 10 55 20 55􀆰 53
7 1∶ 12 45 40 87􀆰 62
8 1∶ 12 50 20 52􀆰 61
9 1∶ 12 55 30 120􀆰 18
  注:提取量按 100 g芝麻渣提取到的木脂素计。
表 2  极差分析结果
Table 2  Results of range analysis
误差源 A B C
K1 227􀆰 06 243􀆰 16 201􀆰 25
K2 176􀆰 97 170􀆰 09 241􀆰 08
K3 260􀆰 41 251􀆰 19 222􀆰 11
R(极差) 83􀆰 44 81􀆰 1 39􀆰 83
从表 1可以看出:最优浸提工艺条件组合为料液
比 1∶ 12(g / mL)、超声温度 55 ℃、超声时间30 min。
从表 2可以看出,对木脂素提取量影响显著性由强到
弱的顺序为料液比、超声温度、超声时间。
2. 3  芝麻木脂素的抗氧化性质研究
2. 3. 1  清除 O -2·能力的测定
邻苯三酚在微碱性环境下自氧化产生 O -2·,邻
苯三酚自氧化产物最大吸收波长为 325 nm,而 O -2·
清除剂能使其产物在325 nm处的吸收峰受到抑制,
随着 A325 nm的变化来比较 O -2 ·清除剂的清除能力。
考察芝麻木脂素清除 O -2 ·的效果,结果见图 6。 由
图 6 可知,芝麻木脂素试样对O -2·具有较强的清除
作用。
图 6  芝麻木脂素对 O -2·的清除效率
Fig. 6  Sesame lignan on radical O -2·
scavenging efficiency
2. 3. 2  芝麻木脂素对鼠肝线粒体脂质过氧化产物
丙二醛(MDA)含量的影响
芝麻木脂素对鼠肝线粒体脂质过氧化产物 MDA
含量的影响见表 3。 由表 3 可知:阳性对照组 A损伤的
MDA含量比正常对照组 A未损显著增加,若同时加入
芝麻木脂素,MDA生成量显著减少,说明芝麻木脂素
可抑制 H2O2诱导的脂质过氧化作用,其抑制作用有
一定的量效关系,随着加入浓度的增大,MDA生成量
显著减少,抑制率增大。
65 生  物  加  工  过  程    第 11 卷 
表 3  芝麻木脂素对MDA的影响
Table 3  Effects of sesame lignans on MDA
ρ(木脂素) /
(mg·L - 1)
吸光度(A532) 抑制率 / %
0 0􀆰 05 —
0 1􀆰 08 —
20 0􀆰 41 65􀆰 04
40 0􀆰 32 73􀆰 79
60 0􀆰 23 82􀆰 52
80 0􀆰 19 86􀆰 41
100 0􀆰 15 90􀆰 29
3  结  论
本研究探索出一种从芝麻渣中提取芝麻木脂
素的有效方法,提取工艺简单,具有参考价值。
1) 超声辅助法提取芝麻渣中芝麻木脂素最佳
浸提条件为料液比 1 ∶ 12( g / mL),超声温度 55 ℃,
超声时间 30 min,静置时间 2 h,超声波辅助法提取
芝麻渣中芝麻木脂素的提取量最高达到 0􀆰 120 g(以
100 g芝麻渣计)。
2) 抗氧化活性试验表明,芝麻木脂素试样具有
有效清除 O -2·能力以及具有良好的抑制脂质过氧
化的作用。
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