周亞敏 熊蘇慧 趙靈佳 張智敏 夏伯候 林麗美

摘要：目的 ?研究夏枯草多糖制備工藝，初步探討其體外抗氧化、抗炎活性。方法 ?利用超聲波輔助酶法提取技術(shù)，以夏枯草多糖得率為指標(biāo)，采用Plackett-Burman試驗(yàn)、爬坡試驗(yàn)和響應(yīng)面分析法篩選最優(yōu)提取組合。通過ABTS⁺自由基、DPPH自由基清除能力及Fe²⁺還原能力研究夏枯草多糖抗氧化能力;檢測夏枯草多糖對脂多糖誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞RAW264.7模型炎癥因子的影響。結(jié)果 ?夏枯草多糖的最佳制備工藝為：纖維素酶濃度為5.0%，酶解時間為150 min，酶解溫度為60 ℃，液料比為45∶1。驗(yàn)證試驗(yàn)最優(yōu)值為5.48%，與預(yù)測值（5.36%）非常接近。夏枯草多糖具有顯著的DPPH自由基、ABTS⁺自由基清除作用及Fe²⁺還原能力;對脂多糖誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞RAW246.7炎癥因子分泌具有一定的抑制作用。結(jié)論 ?超聲波輔助酶法提取夏枯草多糖得率較高，純度較好;夏枯草多糖具有明顯的抗氧化、抗炎活性。

關(guān)鍵詞：夏枯草多糖;Plackett-Burman;制備工藝;抗氧化;抗炎

中圖分類號：R284.2;R285.5 ???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ???文章編號：1005-5304（2019）12-0067-08

DOI：10.3969/j.issn.1005-5304.2019.12.015 ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Optimization of Extraction Process of Prunella vulgaris?L. Polysaccharide by Plackett-Burman Design and Response Surface Central Composite Design and Study on Activity

ZHOU Yamin^{1，2，3，4}， XIONG Suhui^{1，2，3}， ZHAO Lingjia^{1，2，3}， ZHANG Zhimin^{1，2，3}， XIA Bohou^1，2，3， LIN Limei^{1，2，3}

1. Pharmacy School， Hunan University of Chinese Medicine， Changsha 410208， China; 2. Key Laboratory for Quality Evaluation of Bulk Herbs of Hunan Province， Changsha 410208， China; 3. Collaborative Innovation Center of?Resource for Chinese Materia Medica of Hunan Province， Changsha 410208， China;4.?Hunan Prima Pharmaceutical Research Center Co.?Ltd， Changsha 410331， China

????Abstract： Objective?To optimize the extraction process of Prunella vulgaris?L. polysaccharides （PVP）; To preliminarily discuss its antioxidant and anti-inflammatory activity in vitro. Methods?Ultrasonic assisted enzymatic extraction technology?was used and the yield of polysaccharide was set as the comprehensive index. Plackett-Burman analysis method， steepest ascent design and central composite design were used to screen optimal extraction combination. The antioxidant capacity of PVP was determined by the method of ABTS⁺， DPPH free radical scavenging and Fe²⁺?reducing antioxidant power. LPS-induced macrophage RAW264.7 model was used to?investigate?the anti-inflammatory activity of PVP. Results?The optimal extraction process was as follows： The cellulase concentration was 5.0%; the enzymatic hydrolysis time was 150 min;?the enzymatic hydrolysis temperature was 60 ℃; the ratio of liquid to material was 45：1. The experimental yield 5.48% under optimal?conditions was closely agreed with the predicted yield 5.36% of the model. PVP possessed strong hydroxyl radical scavenging activities and Fe²⁺?reducing activity， and had a certain inhibitory effect on the secretion of inflammatory factors induced by LPS?in macrophage RAW246.7. Conclusion?PVP extracted by ultrasonic assisted enzymatic extraction process has high yield?and good purity; PVP has significant antioxidant and anti-inflammatory activity.

????Keywords： Prunella vulgaris?L. polysaccharides; Plackett-Burman; extraction process; antioxidant; anti-inflammatory

夏枯草Prunella vulgaris?L.為唇形科夏枯草屬多年生草本植物，以干燥果穗入藥，《中華人民共和國藥典》收錄的以夏枯草單味藥制備的藥物有夏枯草膏、夏枯草口服液、夏枯草顆粒和膠囊，均以夏枯草為原料經(jīng)水提取，濃縮，再加輔料制備而成^[1]。夏枯草為藥食兩用，有增強(qiáng)人體免疫力、潤澤皮膚、散結(jié)滋陰等功效^[2]，具有重要的臨床應(yīng)用價值和功能性食品開發(fā)利用價值。研究表明，夏枯草水提液生物活性非常廣泛，具有抗病毒、抗炎、抗氧化、降壓、降糖、降脂等作用^[3-6]，目前國內(nèi)外對夏枯草成分的研究主要集中在水溶性較差的三萜、揮發(fā)油類，以及中等極性的黃酮、酚酸、皂苷等化合物^[7-10]。迄今有關(guān)夏枯草水溶性成分尤其是多糖的研究還很不完善，主要表現(xiàn)為夏枯草多糖制備工藝落后、活性研究報道較少等。本研究采用超聲波輔助酶法提取夏枯草多糖，篩選最佳提取工藝，并探討夏枯草多糖的抗氧化、抗炎活性，為其后續(xù)研究開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 ?儀器與試藥

TU-1900紫外-可見分光光度計，日本島津公司;GT-2127QT超聲波清洗儀，昆山市超聲儀器有限公司;Multiskan MK3多功能酶標(biāo)儀，Thermo公司;SHEL-LAB CO₂培養(yǎng)箱，Sheldon Manufactring Inc。

夏枯草樣品收集于安徽夏枯草GAP基地（2013年5月），經(jīng)湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院龔力民鑒定為唇形科夏枯草屬植物夏枯草Prunella vulgaris?L.;葡萄糖對照品（批號30805，德國Dr. Ehrenstorfer GmbH公司）;纖維素酶（批號507A0221，Solarbio公司）;苯酚（批號53600155，北京鼎國昌盛有限責(zé)任公司），無水乙醇（批號20150604，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），濃硫酸（批號20150410，株洲市星空化玻試劑有限公司）;DPPH（批號STBD4146V，Sigma公司）;ABTS、FRAP試劑盒（批號20150428，碧云天生物技術(shù)研究所）;小鼠腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細(xì)胞介素-1β（IL-1β）、一氧化氮（NO）ELISA試劑盒（批號96T/201507，BD公司）;小鼠巨噬細(xì)胞株RAW264.7，中國科學(xué)院上海細(xì)胞庫。

2 ?方法與結(jié)果

2.1 ?提取工藝優(yōu)化

2.1.1 ?藥材前處理

將夏枯草的干燥果穗粉碎至60～80目，以固液比為10 mL/g，加入體積濃度為95%乙醇溶液，70 ℃回流提取4 h，殘渣過濾，得到殘渣于40 ℃干燥12 h，即得脫除脂類、色素和小分子糖的夏枯草粉末。

2.1.2 ?夏枯草多糖提取率測定

2.1.2.1 ?對照品溶液制備

精密稱定無水葡萄糖對照品20.0 mg，加水定容至10 mL，配制成濃度為2.0 mg/mL的葡萄糖對照品溶液。

2.1.2.2 ?標(biāo)準(zhǔn)曲線制作

采用苯酚-硫酸法^[11]，以葡萄糖對照品溶液為對照，于490 nm波長處測定吸光度，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.1.2.3 ?測定方法

分別精密稱量經(jīng)過前處理的夏枯草粉末0.1 g，按不同工藝條件進(jìn)行提取，5000 r/min離心10 min，取上清液100 μL，加4倍體積無水乙醇（乙醇終濃度為80%）沉淀多糖，4 ℃冰箱冷藏過夜，5000 r/min離心15 min，取沉淀物，加1 mL水溶解。取100 μL多糖溶液，稀釋至1 mL，采用苯酚-硫酸法測定多糖，計算夏枯草多糖提取率（Y）。Y=CV/m×100%，式中，C為夏枯草多糖的質(zhì)量濃度（μg/mL），V為多糖溶液體積（mL），m為夏枯草粉末質(zhì)量（0.1 g）。

2.1.3 ?Plackett-Burman試驗(yàn)

參考文獻(xiàn)[12]方法，結(jié)合初級試驗(yàn)的結(jié)果，以夏枯草多糖提取率為響應(yīng)值，采用Minitab17軟件進(jìn)行Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計，對提取溫度（X₁）、提取時間（X₂）、液料比（X₃）、纖維素酶濃度（X₄）、酶解時間（X₅）和酶解溫度（X₆）6個因素進(jìn)行全面考察，分析各因素對響應(yīng)值多糖提取率的影響。Plackett- Burman試驗(yàn)設(shè)計編碼值與響應(yīng)結(jié)果見表1。

采用Design Expert 8.0軟件對Plackett-Burman試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。各因素顯著性分析結(jié)果顯示，液料比（X₃）、纖維素酶濃度（X₄）、酶解溫度（X₆）對多糖提取率的影響為正效應(yīng)，即隨著影響因素數(shù)值的增大，多糖提取率為升高趨勢;提取時間（X₂）、提取溫度（X₁）、酶解時間（X₅）對多糖提取率的影響為負(fù)效應(yīng)，即隨著影響因素數(shù)值的增大，多糖提取率為降低趨勢。見表2。纖維素酶濃度（X₄）、酶解時間（X₅）、液料比（X₃）、酶解溫度（X₆）的P值均小于0.05，提取過程中，其影響大小依次為X₄>X₅>X₃>X₆，因此將這4個因素作為顯著性影響因素，進(jìn)一步用最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，選出最優(yōu)提取工藝參數(shù)區(qū)域。

2.1.4 ?最陡爬坡試驗(yàn)

根據(jù)Plackett-Burman試驗(yàn)選出的對多糖提取率有顯著影響的提取條件因素，以各因素的效應(yīng)大小確定改變的步長，以各因素的效應(yīng)正負(fù)確定爬坡的方向，從而最快找到最大響應(yīng)值。最陡爬坡試驗(yàn)其他非顯著因素條件保持不變^[13]。具體試驗(yàn)設(shè)置及其編碼值見表3，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明，3號試驗(yàn)的多糖提取率最高，確定最佳條件在此附近。因此，選擇纖維素酶濃度5%、酶解溫度60 ℃、酶解時間140 min和液料比40 mL/g分別為各因素中心點(diǎn)，進(jìn)行中心組合設(shè)計響應(yīng)面試驗(yàn)，確定最佳提取工藝條件。

2.1.5 ?響應(yīng)面試驗(yàn)

依據(jù)Plackett-Burman試驗(yàn)和最陡爬坡試驗(yàn)的結(jié)果，明確主要影響因素為纖維素酶濃度（A）、酶解溫度（B）、酶解時間（C）、液料比（D），并確定響應(yīng)面分析法中心組合設(shè)計各因素水平的中心點(diǎn)和各水平步長^[14]。利用Design Expert 8.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計，測定并計算多糖提取率，結(jié)果見表5。

2.1.6 ?模型擬合與響應(yīng)面分析

根據(jù)響應(yīng)面中心組合設(shè)計試驗(yàn)結(jié)果，使用Design Expert 8.0軟件進(jìn)行多元回歸擬合，得到多糖提取率與各因素的二次多項(xiàng)回歸方程：Y=5.18+0.33D-0.17A-0.18B+0.38C+0.26AD+0.26CD+3.885×10^-3BD+0.13AC-0.045AB+0.087BC-0.49D²-0.54A²-0.51C²-0.78B²，R²=0.990 4。

依據(jù)方程的一次項(xiàng)系數(shù)大小可以看出，影響纖維素酶輔助超聲波提取的夏枯草多糖提取率的因素主次順序?yàn)椋好附鈺r間>料液比>酶解溫度>纖維素酶濃度。為檢驗(yàn)方程的有效性，對夏枯草多糖提取的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表6。

此模型P<0.000 1，表明選用的模型有顯著意義;失擬項(xiàng)P=0.600 2，表明模型的擬合程度較好。模型R²=0.990 4，說明該模型能反映99.04%響應(yīng)值的變化，因而誤差較小，可選用此方程對試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)進(jìn)行分析和預(yù)測夏枯草多糖提取率。

各因素兩兩交互作用的響應(yīng)面分析見圖1～圖6。依據(jù)各因素對其響應(yīng)值所構(gòu)成的三維立體曲面圖分析得出，多糖提取率隨纖維素酶濃度、酶解時間、酶解溫度、液料比的增長而先升高后降低，在中心點(diǎn)處出現(xiàn)峰值。響應(yīng)曲面坡度的陡峭程度說明響應(yīng)值隨影響因素的變化強(qiáng)弱，等高線形狀可反映交互效應(yīng)強(qiáng)弱^[19]。由圖4、圖5可知，等高線圖的橢圓曲率半徑較小，酶解時間與液料比、酶解溫度對夏枯草多糖提取率的交互作用相對不明顯。由圖1、圖2可見，纖維素酶濃度與酶解溫度、酶解時間交互作用顯著。相比之下，圖3、圖6等高線圖的橢圓曲率半徑更大，響應(yīng)曲面坡度更陡峭，因此，液料比與酶解時間、纖維素酶濃度之間交互作用更顯著。綜合比較可知，四因素的兩兩交互作用對多糖提取率影響的顯著程度為AD、CD>AB、AC>BC、BD，方差分析結(jié)果也印證了響應(yīng)面分析結(jié)果。

2.1.7 ?提取工藝優(yōu)化結(jié)果

在選取的各因素范圍內(nèi)，根據(jù)回歸模型分析得出，纖維素酶濃度、酶解時間、酶解溫度、液料比為對多糖提取率均有顯著影響，從節(jié)約時間、降低成本和能量消耗的生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，在保證提取充分的前提下，綜合分析各影響因素，擬定最佳工藝條件為：纖維素酶濃度5.0%，酶解時間150 min，酶解溫度60 ℃，液料比45∶1，其對應(yīng)的預(yù)測值為5.36%。在上述條件下，進(jìn)行3組驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)值為5.48%，與預(yù)測值接近，誤差在允許范圍內(nèi)，說明利用響應(yīng)面法優(yōu)化纖維素酶水解超聲提取法提取夏枯草多糖是可行、有效的。

2.2 ?抗氧化能力測定

2.2.1 ?ABTS自由基清除試驗(yàn)

將夏枯草多糖干燥粉末用蒸餾水配制成濃度為0.5、1.0、2.0、3.5、5.0、6.0 mg/mL的供試品溶液，其他溶液由試劑盒提供或按試劑盒說明配制。在96孔板檢測孔中加入ABTS工作液200 μL，樣品檢測孔加入10 μL各濃度樣品，空白對照孔加入10 μL蒸餾水，輕輕混勻，室溫孵育6 min后于734 nm波長處測定吸光度（A）;以蒸餾水代替樣品溶液作為空白對照，吸光度為A₀。以Trolox作參比，每份平行3次，計算夏枯草多糖對ABTS⁺自由基的清除率^[15]。ABTS自由基清除率（%）=（A₀-A）÷A₀×100%。

由圖7可知，在試驗(yàn)的劑量范圍內(nèi)，夏枯草多糖對ABTS·⁺的清除作用隨濃度升高逐漸增強(qiáng)，呈量效關(guān)系;在6.0 mg/mL時，清除率約為52.5%，有一定的抗氧化作用;夏枯草多糖的ABTS·⁺清除能力低于陽性對照物，只有相同濃度下Trolox的57.6%。

2.2.2 ?DPPH自由基清除試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱量10 mg DPPH溶于無水乙醇中，配制濃度為0.1 mmol/L的溶液。將夏枯草多糖樣品分別稀釋至0.5、1.0、2.0、3.5、5.0、6.0 mg/mL。分別取20 μL多糖溶液于200 μL DPPH中，室溫靜置30 min后于515 nm波長處測定吸光度（A₁）;以無水乙醇作為試劑空白，吸光度為A₂;以DPPH溶液作為對照，吸光度為A₀。以Trolox作參比，每份平行3次，計算夏枯草多糖對DPPH自由基的清除率^[16]。DPPH自由基清除率（%）=（A₀-A₁+A₂）÷A₀×100%。

由圖8可知，夏枯草多糖清除DPPH自由基有一定的量效關(guān)系;在濃度為6.0 mg/mL時，對DPPH自由基有較好的清除作用，其清除率達(dá)61.6%;夏枯草多糖的DPPH自由基清除能力低于陽性對照物，只有相同濃度下Trolox的68.0%。

2.2.3 ?鐵離子還原試驗(yàn)

取標(biāo)準(zhǔn)FeSO₄溶液、TPTZ溶液和醋酸鈉緩沖液，配制0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mmol/L標(biāo)準(zhǔn)溶液。乙醇為溶劑，分別取0.5、1.0、2.0、3.5、5.0、6.0 mg/mL夏枯草多糖待測溶液5 μL，加入180 μL TPTZ工作液中，37 ℃反應(yīng)30 min，測定溶液在593 nm波長處的吸光度，每份平行測定3次。以FeSO₄標(biāo)準(zhǔn)溶液代替樣品，按上述方法測定并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果FeSO₄濃度（mmol/L）與吸光度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，回歸方程為Y=0.780 3X-0.026 5（R²=0.996 8）。以Trolox作參比，每份平行測定3次^[17]。根據(jù)各樣品吸光度求得FeSO₄濃度，樣品總抗氧化能力以FeSO₄當(dāng)量（mmol/g）表示。

由圖9可知，夏枯草多糖濃度為6 mg/mL時抗氧化能力較好，約為1.6 mmol/g;但與Trolox比較還有一定差距，總抗氧化能力只有相同濃度Trolox的62.2%。

2.3 ?抗炎活性測定

2.3.1 ?細(xì)胞培養(yǎng)與分組

用10%胎牛血清、10 U/mL青霉素和100 μg/mL鏈霉素的高糖DMEM培養(yǎng)基（37 ℃、5%CO₂）培養(yǎng)小鼠腹腔巨噬細(xì)胞RAW264.7^[18]。將細(xì)胞分為空白組和不同濃度（0、3.75、7.5、15、30、60 μg/mL）夏枯草多糖組。

2.3.2 ?細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)

為確保實(shí)驗(yàn)過程中夏枯草多糖溶液對脂多糖引起的炎癥反應(yīng)作用不是由于其對細(xì)胞的毒性作用所致，采用MTT檢測不同濃度夏枯草多糖對細(xì)胞存活率的影響。取RAW264.7細(xì)胞接種于96孔培養(yǎng)板中，密度為1×10⁴個/mL，每孔100 μL，37 ℃、5%CO₂培養(yǎng)過夜，無血清DMEM培養(yǎng)基同步化24 h。實(shí)驗(yàn)組加入含有不同濃度（0、3.75、7.5、15、30、60 μg/mL）夏枯草多糖完全培養(yǎng)液80 μL，孵育2 h后加入脂多糖使終濃度為1 μg/mL;空白組加入等體積溶劑。每個濃度設(shè)置6個復(fù)孔。細(xì)胞培養(yǎng)48 h后，吸棄原培養(yǎng)基，每孔加5 mg/mL MTT 10 μL，繼續(xù)培養(yǎng)4 h，棄培養(yǎng)液，加入DMSO 0.15 mL，震蕩、混勻后于酶標(biāo)儀490 nm波長處測吸光度，取平均值。結(jié)果顯示，與空白組比較，夏枯草多糖各濃度組細(xì)胞活力差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），見圖10。提示夏枯草多糖在0～60 μg/mL濃度范圍內(nèi)對RAW264.7細(xì)胞的活力無明顯影響，基本無細(xì)胞毒性，可用于進(jìn)一步抗炎活性的檢測。

2.3.3 ?炎癥因子檢測

RAW264.7細(xì)胞用不同濃度夏枯草多糖處理1 h，設(shè)置6個復(fù)孔，孵育2 h后加入脂多糖，使終濃度為1 μg/mL?？瞻捉M加入等體積溶劑。孵育24 h，收集各孔上清液并標(biāo)記，按ELISA試劑盒說明書進(jìn)行操作，分別測定TNF-α、IL-1β、NO含量。結(jié)果顯示，與空白組比較，1 μg/mL脂多糖可使細(xì)胞培養(yǎng)液中TNF-α、IL-1β和NO含量顯著升高，而不同濃度夏枯草多糖組細(xì)胞培養(yǎng)液中TNF-α、IL-1β和NO含量顯著降低（P<0.01），且呈劑量依賴性，見圖11?？梢?，夏枯草多糖可明顯抑制脂多糖誘導(dǎo)的TNF-α、IL-1β及NO釋放。

3 ?討論

夏枯草多糖是夏枯草主要的活性成分之一，為進(jìn)一步開發(fā)利用夏枯草資源，需要對其進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，改進(jìn)夏枯草多糖提取方法，優(yōu)化提取工藝勢在必行。本試驗(yàn)采用酶解法提取水溶性夏枯草多糖，確定纖維素酶解輔助超聲法最佳工藝條件為：纖維素酶濃度5.0%，酶解時間150 min，酶解溫度60 ℃，液料比為45∶1，提取溫度60 ℃，提取時間120 min。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，所得二元多次回歸方程可靠，可對夏枯草多糖提取進(jìn)行預(yù)測。優(yōu)化的提取工藝步驟少，條件要求低，且運(yùn)用纖維素酶能夠?qū)Ｒ恍越到饫w維素，破壞植物細(xì)胞壁，使細(xì)胞內(nèi)多糖溶出更完全;既可減少夏枯草中有效成分的損耗，又貼近藥食一體化的要求，保證了藥物的安全性。對所得夏枯草多糖進(jìn)體外活性研究，抗氧化能力測定結(jié)果表明其具有良好的抗氧化能力。進(jìn)一步通過脂多糖誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞RAW264.7炎癥反應(yīng)檢測夏枯草多糖對炎癥因子釋放的影響，結(jié)果表明夏枯草多糖可在一定程度上抑制RAW264.7細(xì)胞TNF-α、IL-1β和NO的表達(dá)，具有一定的抗炎作用。

綜上所述，酶解輔助超聲提取的夏枯草多糖得率較高，夏枯草多糖抗氧化、抗炎能力較強(qiáng)，可為提高夏枯草資源的利用率及夏枯草多糖的工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)。

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（收稿日期：2018-12-01）

（修回日期：2018-12-23;編輯：陳靜）