唐燕文,何卫华,廖霞俐,*,杨 波,*

(1.昆明理工大学生命科学与技术学院,云南昆明 650500;2.云南省轻工业学校,云南昆明 650216)



玛咖有效成分多种提取方法的比较研究

唐燕文1,2,何卫华1,廖霞俐1,*,杨 波1,*

(1.昆明理工大学生命科学与技术学院,云南昆明 650500;2.云南省轻工业学校,云南昆明 650216)

本文分别采用乙醇回流提取、乙醇常温振摇提取、乙醇-水联合提取、超临界提取、超声波提取等不同方法对玛咖有效成分进行了提取研究。结果表明,依次用95%乙醇、50%乙醇和蒸馏水对玛咖进行回流提取能够获得较高的得率(4.4%)。同时,利用红外光谱和紫外光谱等分析方法对该提取物进行了初步表征,其结果与文献报道玛咖中含有玛咖烯、玛卡酰胺等有效成分相符合。

玛咖,有效成分,提取方法,表征

玛咖(LepidiummeyeniiWalp.,maca)是十字花科植物,原产于秘鲁中部4000米以上的安第斯山区,具有形似萝卜样的块根。玛咖营养丰富,富含蛋白质、糖类、脂肪酸、氨基酸以及独有的玛咖烯、玛咖酰胺等[1-3],有消除疲劳、增强精力、改善性功能、提高生育能力以及抗氧化等作用[4-6]。

近年来,在我国的云南和新疆等地开始大面积地种植玛咖,而如何更好地对其进行有效利用和深入开发已成为亟待解决的重要课题[7]。现有的对玛咖成分的报道中,主要集中在玛咖挥发油[8]、多糖[9-11]和总生物碱[12-13]的研究,但对玛咖的总有效成分的提取和表征尚未有研究报道。考虑到对玛咖多种营养成分的综合利用及尽可能的防止其有效成分的流失,本文希望对玛咖总有效成分提取的工艺条件进行探讨,为玛咖在食品、药品等领域的应用和推广提供必要的理论基础和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玛咖 2012年采摘自丽江玛咖种植区。取玛咖块根切片,晒干,粉碎机粉碎成细粉备用;乙醇、乙醚、石油醚等试剂均为化学纯,其水溶液浓度均为体积浓度;蒸馏水;CO2气体为食品级,质量分数99.9%,昆明梅塞尔气体产品有限公司。

HA221-50-06超临界萃取仪 江苏南通华安超临界萃取有限公司;UV-2550紫外分光光度计 日本岛津公司;SPD-15C高效液相色谱 日本岛津公司;BS124S电子天平 北京赛多利斯仪器系统;85-2磁力搅拌器 江苏国华仪器有限公司;BPZ-6033真空干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;SHB-IIIA循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司;RE-52AA减压旋转蒸发器 北京莱伯泰科仪器有限公司;SK5210超声仪 上海科导超声仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 乙醇回流提取 称取玛咖干粉25g,分别用400mL浓度30%、60%、90%、95%、100%乙醇溶液分两次提取(每次200mL),每次2h。提取完毕过滤,减压蒸去溶剂,得棕色浸膏;真空干燥后得到棕色粉状提取物[14]。通过直接称重获得提取物的质量,并由此计算玛咖有效成分的提取得率,如下面公式所示(下同),且一般通过比较得率大小和提取物性状来对各提取方法进行比较。

1.2.2 乙醇常温振摇提取 称取玛咖干粉25g,用400mL一定浓度的乙醇溶液在一定温度下振摇24h,提取两次(每次200mL),抽滤,滤液在旋转蒸发器上浓缩得到棕色浸膏,真空干燥得到棕色粉状提取物[15]。选取温度(A)、乙醇浓度(B)和料液比(C)三个因素,设定提取时间为24h,选定提取温度(℃)、乙醇浓度(%,体积浓度)和料液比(w/v)等三个条件为主要因素,通过三因素三水平正交表L9(34)正交实验设计方案对乙醇常温振摇提取效果进行了研究。其中,提取温度取20、30和40℃,乙醇浓度取30%、60%和90%,料液比取1∶8、1∶10和1∶12,正交实验设计因素水平见表1。

表1 乙醇常温提取的正交实验设计因素水平表Table 1 Orthogonal design of ethanol extraction at moderate temperature

按照正交实验设计在不同的条件下用400mL乙醇溶液(分两次,每次200mL)振摇24h,抽滤,滤液减压浓缩得到棕色浸膏,真空干燥得到棕色粉状提取物。

1.2.3 乙醇-水联合回流提取 称取玛咖干粉25g,选取95%乙醇、50%乙醇和蒸馏水进行联合回流提取(每次1.5h,固液比w/v=1/8),提取完过滤,将三次的滤液合并,减压浓缩得浸膏,再真空干燥得到棕色干粉[16]。变换三种溶剂的提取顺序,得到不同的玛咖提取得率。

1.2.4 不同溶剂回流提取 称取玛咖干粉25g,分别用400mL的石油醚、乙醚、95%乙醇溶液分两次提取(每次200mL),每次2h。提取完毕后过滤,减压回收溶剂,得浸膏,真空干燥后得到棕色干粉。

1.2.5 超临界提取 取玛咖干粉100g,采用超临界二氧化碳萃取技术萃取,用95%的乙醇作夹带剂,在一定的萃取压力和萃取温度下,萃取一定时间[17]。重复萃取一次,将两次的萃取液合并,减压浓缩并真空干燥后得到棕色粉状提取物。选取萃取压力(A)、萃取温度(B)和萃取时间(C)为三个因素,对其进行了正交实验研究。设定二氧化碳流量为3L/min,选定萃取压力(A,MPa)、萃取温度(B,℃)、萃取时间(C,h)和夹带剂用量(D,mL)等四个影响玛咖得率的主要因素,通过四因素三水平正交表L9(34)正交实验设计测定不同组合的萃取结果,以寻找较佳的提取条件。其中,萃取压力分别取25、30和35MPa,萃取温度分别取35、40和45℃,萃取时间分别取2、3和4h,夹带剂用量分别取100、200和300mL。正交实验设计的因素水平见表2。

表2 超临界二氧化碳萃取的正交实验设计因素水平表Table 2 Orthogonal design of supercritical carbon dioxide extraction

按照正交实验设计超临界二氧化碳萃取玛咖干粉100g,将得到的萃取液过滤,滤液减压浓缩得到棕色浸膏,真空干燥得到棕色粉状提取物。

1.2.6 超声波提取 取玛咖粉末25g于500mL三角烧瓶中,分别加入200mL浓度30%、60%、90%、95%、100%的乙醇溶液,置于功率为200W的超声波清洗器中,温度50℃下超声提取20min,提取液3000r/min离心5min[18]。取沉淀用200mL对应浓度的乙醇溶液重复提取1次,提取液3000r/min离心5min。合并上清液,减压浓缩得浸膏,真空干燥得到棕色干粉。

1.2.7 玛咖有效成分的表征 红外光谱(IR)分析:采用溴化钾压片法;紫外可见光光谱(UV-vis)分析:波长190～900nm。

1.2.8 数据处理 本文采用Origin 6.0专业版进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 乙醇回流提取

如图1所示,在固液比相同的条件下,随着乙醇浓度的增高,玛咖的得率逐渐增大。当乙醇浓度为95%时,玛咖的得率最高(3.8%)。当乙醇浓度继续升高时,得率降低。

图1 乙醇回流提取时乙醇浓度对玛咖得率的影响Fig.1 Effects of ethanol concentration on extraction yield of maca by refluxing

2.2 乙醇常温振摇提取

表5 乙醇-水联合回流提取的实验结果Table 5 Results from ethanol-water combined extraction

表6 回流提取时不同的溶剂对玛咖得率的影响Table 6 Effects of solvents on the extraction yield of maca

按照正交设计条件乙醇常温振摇提取玛咖干粉的实验结果如表3所示。

表3 乙醇常温提取的正交实验结果Table 3 Results of L9(34)orthogonal experiment of ethanol extraction at moderate temperature

由表3中对各因素(温度A、乙醇浓度B、料液比C)的极差分析结果可知:因素B的极差最大,极差值为2.6,因素A的极差次之,极差值为0.6,因素C的极差最小,极差值为0.3。在各因素中,因素B即乙醇的浓度对玛咖得率的影响最为显著,其次是因素A即提取温度对玛咖得率的影响较小,因素C即料液比对玛咖得率的影响很小,各因素极差R值的大小顺序为:RB>RA>RC,即影响乙醇常温振摇提取玛咖有效成分得率的实验因素的主次顺序是:乙醇浓度>浸渍温度>料液比。在乙醇常温振摇提取玛咖的正交实验结果中,因素A以第2水平为最好,因素 B以第2水平最好,因素C以第1水平最好,由于得率是越高越好,在不考虑交互作用的情况下,优化方案应取各因素最大K值所对应的水平,即为A2B2C1,即浸渍温度为25℃,乙醇浓度为60%,料液比为1∶8。因为此最优组合方案不在正交实验组合内,所以进行了验证性实验(重复三次取平均值),实验结果如表4所示。

表4 乙醇常温提取的验证实验Table 4 Verification test of ethanol extraction at moderate temperature

由表4的验证实验结果表明:在乙醇常温振摇提取温度25℃,乙醇浓度60%,料液比(w/v)为1∶8的工艺条件下玛咖浸膏的平均得率为3.8%,高于之前正交实验方案中的最高得率(3.6%),也验证了正交实验法的有效性。

2.3 乙醇-水联合回流提取

通过变换95%乙醇、50%乙醇和蒸馏水的提取顺序,获得的乙醇-水联合回流提取的实验结果如表5所示。

从实验结果得出:依次用200mL 95%乙醇、50%乙醇和蒸馏水对玛咖进行回流提取,所得玛咖提取得率最高,达4.4%。

2.4 不同溶剂回流提取

对石油醚、乙醚和乙醇(95%)三种有机溶剂的提取效果进行了对比(表6)。石油醚的提取得率最高(4.4%),其提取物呈棕黑色,性状不同于其它溶剂的提取物。而乙醚的得率(2.7%)低于95%乙醇(3.8%)。

2.5 超临界提取

使用正交实验设计超临界二氧化碳提取玛咖有效成分的实验结果如表7所示。

从超临界二氧化碳提取的正交实验结果和极差分析可知:因素A以第2水平为最好,因素 B以第3水平为最好,因素C以第3水平为最好,因素D以第2水平为最好。在不考虑交互作用的情况下,优化方案应取各因素最大K值所对应的水平,即为A2B3C3D2,即最优提取方案为:萃取压力30MPa,萃取温度45℃,萃取时间4h,夹带剂用量200mL。因为此组合不在正交实验组合内,所以通过验证性实验进行检验(重复三次取平均值),实验结果如表8所示。

表7 超临界提取的正交实验设计及实验结果Table 7 The results and analysis of L9(34)orthogonal experiment of supercritical extraction

表8 超临界提取的验证实验Table 8 Verification test of supercritical extraxtion

表9 不同提取方法提取结果比较Table 9 Comparison of different extraction methods

实验结果表明:在萃取压力为30MPa,萃取温度45℃,萃取时间4h,夹带剂用量为200mL的工艺条件下玛咖浸膏的得率为3.3%,高于之前正交设计实验的最高得率(3.2%),验证了正交实验的有效性。

2.6 超声波提取

如图2所示,乙醇浓度在90%和95%时得率较高(均为3.2%),低浓度的乙醇得率较低。

图2 超声波提取时乙醇浓度对玛咖得率的影响Fig.2 Effects of ethanol concentration on the extraction yield of maca under ultrasonic irradiation

2.7 多种提取方法的结果比较

归纳上述的实验结果,用相同浓度的乙醇运用不同的方法提取玛咖有效成分的结果如表9所示。

由表9可以得出:用乙醇-水(依次用95%乙醇、50%乙醇和蒸馏水)联合回流提取玛咖的得率最高,达4.4%;用乙醇回流提取和常温振摇提取两种方法的得率相同,均为3.8%;超临界二氧化碳提取和超声波提取的得率较低,分别为3.3%和3.2%。用石油醚提取虽然也能获得较高得率(4.4%),但由于其仅能获得玛咖的脂溶性成分,而对水溶性成分如多糖等的提取能力较差,不能较全面地获得其有效成分,故不将其作为较佳提取方法。当采用乙醇和水联合提取时,可以较全面地提取玛咖中的脂溶性和水溶性成分,即可以最大限度地获得玛咖的各种营养及活性成分,所以不失为一种较佳的有效提取方法。

2.8 玛咖有效成分的表征结果

2.8.1 红外光谱(IR)分析结果 玛咖提取物的红外光谱如图3所示。由图中可知:玛咖提取物在3390.3cm-1处的强宽吸收峰为O-H伸缩振动峰存在分子间和分子内的氢键,在3700～3000cm-1出现的宽峰还可能包括N-H伸缩振动;2923.2cm-1是亚甲基的C-H伸缩振动峰;2851.9cm-1是-CH3、-CH2、-CH、-CHO的伸缩振动峰;2047.6cm-1是的伸缩振动峰;1613.0cm-1是C=O的伸缩振动峰;1379.5cm-1是COO-的伸缩振动峰;1074.6cm-1是C-O-C的伸缩振动峰;905.9cm-1是C=C的伸缩振动峰;900～500cm-1区域的谱带多而且弱,应该为形成氢键的O-H面外弯曲、芳环上C-OH键面内弯曲振动、-C-C的伸缩振动峰,准确指认有困难。此外,该物质在1400～1100cm-1处有较强吸收,而此处为芳香族的C-N伸缩振动峰。由上述的分析可以得出:该玛咖提取物的成分中含有较多-OH基团以及具有-CH3、-CH2、-CH、-CHO、C-O-C、C=C、COO-等官能团的分子,这与其中包含了玛咖烯、玛咖酰胺、异硫氰酸酯、芥子油苷、植物固醇、黄烷醇、多糖等多种有效成分的文献报道相符合[1-3]。

图3 玛咖提取物的红外光谱图Fig.3 IR spectrum of maca extracts

2.8.2 紫外可见光光谱分析(UV-vis)结果 玛咖提取物的紫外可见吸收光谱显示:各组成物质的最大吸收峰出现在200～300nm处,而在300～400nm处有弱吸收峰。通常认为,含有苯环的物质一般在270nm有最大吸收,因此可以确定该粗提物中含有苯环,结合红外光谱能够确定有带苯环的物质存在,而且该物质存在共轭体系,这同样与玛咖中的重要有效成分如玛咖烯、玛卡酰胺和黄烷醇等分子的结构特征相符合[1-3]。

3 结论

通过选用不同浓度的乙醇、不同的溶剂对玛咖进行回流提取、采用不同的提取方法包括:乙醇回流提取、乙醇室温振摇提取、不同有机溶剂提取、超临界萃取提取及超声波提取等方法对干玛咖进行提取,最终发现采用乙醇-水联合回流提取的方法能够获得较高的得率(4.4%),可为进一步开发玛咖的有效成分提供工艺路线和理论基础。通过对提取物进行初步的成分分析,可印证其应含有之前文献报道对人体具有重要作用的成分如玛卡烯、玛咖酰胺等成分。

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Comparison of extraction methods of active ingredients of maca

TANG Yan-wen1,2,HE Wei-hua1,LIAO Xia-li1,*,YANG Bo1,*

(1.Faculty of Life Science and Technology,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.Yunnan Light Industry School,Kunming 650216,China)

Active ingredients of maca were extracted using several methods such as refluxing with ethanol,agitation with ethanol at moderate temperature,refluxing with ethanol-water,supercritical fluid extraction and ultrasonic extraction. The better extraction yield of maca(4.4%)was provided by refluxing with ethanol(95%),ethanol(50%)and water consecutively. Moreover,the extracts were preliminarily characterized with IR and UV-vis spectra,which showed well consistency with the previously reported main bioactive compounds such as macaene,macamide,et al.

maca;active ingredients;extraction method;characterization

2014-05-04

唐燕文(1966-)，女，在职硕士研究生，高级讲师，研究方向：天然产物制品的工艺研究。

*通讯作者:廖霞俐(1981-)，男，博士，讲师，研究方向：药物化学。 杨波(1969-)，男，博士，教授，研究方向：超分子化学。

国家自然科学基金项目(21362016)；云南省应用基础研究项目(2011FZ059)；云南省教育厅项目(2012Y533)。

TS201.1

B

1002-0306(2015)05-0189-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.05.031