CN108704002A - 一种人工林树皮活性成分酶处理与超声波辅助耦合提取方法 - Google Patents

一种人工林树皮活性成分酶处理与超声波辅助耦合提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于植物提取技术领域，公开了一种人工林树皮活性成分酶处理与超声波辅助耦合提取方法，将人工林树皮粉碎料按照料液比1:6～14与纤维素复合酶水溶液混合，在40～70℃水浴条件下超声处理30～60min，过滤后得到滤渣和滤液；将得到的滤渣按照料液比1:6～14与体积百分含量为40％～70％乙醇混合，在40～60℃下超声提取40～70min，过滤后取滤液；合并两次得到的滤液。本发明的人工林树皮活性成分酶处理与超声辅助耦合提取，提取的活性成分得率最高，比传统有机溶剂提取方法高25％以上，是一种低温、绿色、高效的提取方法。

Description

一种人工林树皮活性成分酶处理与超声波辅助耦合提取方法
技术领域
本发明属于植物提取技术领域，具体涉及一种人工林树皮活性成分酶处理与超声波辅助耦合高效提取方法。
背景技术
我国是世界上最大的人工林种植面积国家之一。人工林是采用人工播种、栽植或扦插等方法和技术措施营造培育而成的森林，由人工造林或人工重新造林建立。人工林可以是引进新品种或是对本土树种的加强管理，按树种分为人工马尾松林、人工杉木林、人工杨树林、人工桉树林等。人工林速生树种生长快、发展迅速、创汇多、同时兼有生态效益。
我国人工林树皮、枝叶等非木质资源丰富，但对该非木质资源的利用率低，未得到很好的利用。如桉树皮是纸浆工业中的一种废料，占桉树总生物量的5.97％，这些废弃物有一些用于能源生产，大部分直接扔掉，不仅造成资源浪费，同时也带来环境污染。桉树皮含有丰富的高附加值生物活性成分，如酚类化合物、单宁、黄酮类、单萜类化合物以及三萜酸等，具有抗肿瘤、抗菌、降血糖、抗氧化等生物活性作用，具有广泛的应用前景。杨树已成为我国人工林主要造林树种，主要用于生态防护林、三北防护林、农林防护林和工业用材林等。杨树木材加工过程中产生大量的树皮废弃物，目前未得到充分的利用。黑荆树(Acaciamearnsii)是含羞草科金合欢属树种，速生、常绿乔木，原产于澳大利亚，1950年后在中国广东、广西、福建、云南等地开始引种。黑荆树皮中除了富含多酚类化合物外，还含有低聚原花色素、黄酮、蒽醌、三萜皂苷、多糖，树胶和蛋白质等化学物质。黑荆树皮中的原花色素具有多种生理活性作用，如抗糖尿病、抗炎、抗氧化、抗癌、防治心脑血管疾病生物活性等。
目前对人工林树皮活性成分的提取主要采用传统的溶剂提取法、超声波辅助提取法和超临界流体萃取法。超临界流体萃取法设备费用高，生产能力低。传统的溶剂提取法具有溶剂耗量大，提取温度高，提取时间长，提取率低，有效成分损失大以及生产成本高等缺点，在工业化生产中的可行性差。
发明内容
针对我国人工林非木质资源树皮利用率低，活性物提取率不高的问题，本发明提出了一种人工林树皮活性成分酶处理与超声波辅助耦合提取的方法，显著提高黄酮、原花色素等活性物质的提取效率。
本发明的技术方案如下：
一种人工林树皮活性成分酶处理与超声波辅助耦合提取方法，包括如下步骤：
(1)将人工林树皮粉碎料按照料液比1:6～14与纤维素复合酶水溶液混合，在40～70℃水浴条件下超声酶解30～60min，过滤后得到酶解滤渣和酶解滤液；
(2)将步骤(1)得到的酶解滤渣按照料液比1:6～14与体积百分含量为40％～70％的乙醇混合，在40～60℃下超声提取40～70min，过滤后得到滤液；
(3)合并步骤(1)和步骤(2)的滤液，得到含有树皮活性成分的总滤液。
优选的，所述纤维素复合酶包括纤维素酶和半纤维素酶。
优选的，所述纤维素复合酶的质量占所述树皮粉末干重的0.1～0.4％。
优选的，所述纤维素复合酶水溶液的质量浓度为0.005～0.03％。
优选的，所述步骤(1)或步骤(2)超声频率独立地为30～50KHz。
优选的，所述树皮为桉树皮、杨树皮或黑荆树皮。
优选的，所述活性成分为黄酮、原花色素和多酚中的一种或几种。
优选的，所述总滤液经减压浓缩，液-液萃取后，再经大孔吸附树脂分离，得活性成分。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种人工林树皮活性成分酶处理与超声波辅助耦合提取方法，包括如下步骤：将人工林树皮粉碎料按照料液比1:6～14与纤维素复合酶水溶液混合，在40～70℃水浴条件下超声处理30～60min，过滤后得到滤渣和滤液；将得到的滤渣按照料液比1:6～14与体积百分含量为40％～70％的乙醇混合，在40～60℃下超声提取40～70min，过滤后取滤液；合并两次得到的滤液，得到含有树皮活性成分的总滤液。本发明的酶处理与超声辅助耦合提取方法，提取的活性成分得率最高，比传统的有机溶剂提取得率高25％以上，比超声波辅助提取高5％以上。本发明是一种低温、绿色、高效的提取方法。解决了有效成分的提取率受胞内外平衡浓度的限制、提取时间长、耗费溶剂多，提取效率低、有效成分易变性损失等缺点，且具有原料普适性强等特点，在人工林非木质资源树皮活性物质加工生产中具有广泛的应用前景。
具体实施方式
本发明提供了一种人工林树皮活性成分酶处理与超声波辅助耦合提取方法，包括如下步骤：
(1)将人工林树皮粉碎料按照料液比1:6～14与纤维素复合酶水溶液混合，在40～70℃水浴条件下超声酶解30～60min，过滤后得到酶解滤渣和酶解滤液；
(2)将步骤(1)得到的酶解滤渣按照料液比1:6～14与体积百分含量为40％～70％的乙醇混合，在40～60℃下超声提取40～70min，过滤后得到滤液；
(3)合并步骤(1)和步骤(2)的滤液，得到含有树皮活性成分的总滤液。
本发明对人工林树皮的种类没有特殊限定，本领域中人工林种植的树种树皮都可以用本发明的提取方法进行活性成分的提取。在本发明具体实施例中，优选以桉树、杨树、黑荆树3种人工林树皮活性成分进行了酶处理与超声辅助耦合提取。本发明的提取方法对提取活性物质的种类没有特殊限定，根据不同树种中树皮的活性成分种类不同，可以为黄酮、原花色素和多酚中的一种或几种。在本发明具体实施例中，以总黄酮、原花色素和植物多酚分别作为桉树、杨树和黑荆树树皮活性成分的标志，比较本发明的提取方法与常规提取方法的提取效率优劣。需要说明的是，本发明的提取方法也可以用于自然条件下生长的林木树皮中活性成分的提取。
本发明对人工林树皮粉碎料的制备方法没有特殊限定，采用本领域技术人员的常规方法制备即可。优选将人工林树皮进行机械剥皮，树皮风干，用粉碎机粉碎，得到人工林树皮粉碎料。本发明对人工林树皮粉碎料的颗粒大小没有特殊限定，原则上粒径越小越有利于树皮中活性物质的溶出。本发明中，优选所述人工林树皮粉碎料粒径为为1～10mm，更优选为3～5mm。
本发明中，将人工林树皮粉碎料与纤维素复合酶水溶液混合，得到混合物料。本发明所述人工林树皮粉碎料与纤维素复合酶水溶液的料液比优选为1:8～13，更优选为1:10～12。本发明所述纤维素复合酶水溶液的质量浓度优选为0.005～0.025％，更优选为0.01～0.015％。本发明的纤维素复合酶优选为纤维素酶与半纤维素酶进行复合。本发明纤维素复合酶对植物细胞的细胞壁结构中的纤维素和半纤维素成分进行酶解，进而减少传质阻力，使植物细胞中的活性物质充分释放，且活性物质的活性可以得到较好的保护，从而提高活性物质的提取效率和提取率。本发明中，所述纤维素复合酶的质量占所述树皮原料干重的0.1～0.4％，更优选为0.15～0.3％。本发明优选所述混合物料的pH值为5～6。
本发明将所述人工林树皮粉碎料与纤维素复合酶水溶液的混合物料进行水浴超声处理，得到的滤渣在乙醇溶液中再进行超声辅助提取。其中酶解处理过程在纤维素复合酶水溶液中进行，同时施加超声波作用。本发明利用超声波空化作用以及机械震动等次级效应来改善目标成分在溶剂中的扩散与混合，提高萃取效率，缩短提取时间，同时黄酮类、原花色素、植物多酚等重要活性物质的物质结构和生物活性不受影响。
本发明所述人工林树皮粉碎料与纤维素复合酶水溶液的混合液进行水浴超声的温度优选为50～65℃，超声的时间优选为40～50min。所述超声的频率优选为30～50KHz，更优选为35～45KHz。将超声处理后的混合液过滤，过滤得到酶解滤渣和酶解滤液。本发明对过滤的方式没有特殊限定，采用本领域中的常规过滤方式即可。
本发明中，将酶解滤渣在乙醇溶液中进行再次超声提取。本发明中，所述滤渣与所述乙醇溶液的质量体积比为1:6～14，优选为1:8～13，更优选为1:10～12。本发明所述乙醇的体积浓度优选为50％～60％。本发明所述超声处理的温度优选为45～55℃，超声的时间为40～70min，更优选为60min。所述再次超声处理的超声波频率优选为30～50KHz，更优选为35～45KHz。将再次超声处理后的物料过滤，得到滤液和滤渣。
合并两次得到的滤液，得到含有树皮活性成分的总滤液。
总滤液经减压浓缩，液-液萃取后，再经大孔吸附树脂分离，得活性成分(总黄酮、原花色素、植物多酚)。
检测合并滤液中的活性成分含量，计算提取率。结果表明：本发明桉树、杨树、黑荆树等人工林树皮活性成分(总黄酮、原花色素、植物多酚)提取得率高，比传统的有机溶剂提取得率高25％以上，比超声波辅助提取高5％以上，是一种低温、绿色高效提取人工林树皮活性成分的方法。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
本发明以下实施例中，纤维素复合酶为纤维素酶和半纤维素酶，购自康地恩生物公司。
实施例1
桉树皮中总黄酮的提取
分别取3份3g(精确到0.001)桉树皮粉碎料于100mL锥形瓶中，按料液比1:14加入0.2mg/mL纤维素复合酶溶液，在50℃下超声处理45min(超声频率40KHz)，过滤，将滤液转移到100mL容量瓶中，滤渣中再加入与纤维素复合酶溶液相同体积的60％乙醇溶液，在50℃下超声提取45min(超声频率40KHz)，过滤，合并两次滤液，定容至100mL。
对比例1-1
桉树皮中总黄酮的提取
分别取3份3g(精确到0.001)桉树皮粉碎料于100mL锥形瓶中，按料液比1:14加入水，在50℃的条件下浸泡处理45min，过滤，将滤液转移到100mL容量瓶中，滤渣中再加入料液比1:14的60％乙醇溶液，在50℃下水浴提取45min，过滤，合并两次滤液，定容至100mL。
对比例1-2
桉树皮中总黄酮的提取
分别取3份3g(精确到0.001)桉树皮粉末原料于100mL锥形瓶中，按料液比1:14加入水，在50℃下超声处理45min(超声频率40KHz)，过滤，将滤液转移到100mL容量瓶中，滤渣中再加入料液比1:14的60％乙醇溶液，在50℃下超声提取45min(超声频率40KHz)，过滤，合并两次的滤液，定容成100mL。
以芦丁为标准品，采用亚硝酸钠-硝酸铝法测定实施例1及对比例1-1、对比例1-2得到滤液中的黄酮含量，计算黄酮的提取得率。具体测定方法如下：
本发明采用NaNO2-Al(NO3)3比色法测定桉树皮提取液中总黄酮含量的方法如下：
称取105℃干燥至质量恒定的20mg芦丁标准品，置于50mL容量瓶中，用60％乙醇溶液溶解并定容，配制成质量浓度为0.4g.L-1芦丁标准溶液。准确移取芦丁标准溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和1.4mL，置于10mL容量瓶中，分别加入2.0、1.8、1.6、1.4、1.2、1.0、0.8和0.6mL 60％乙醇溶液，加入5％的NaNO2溶液0.5mL，摇匀，放置6min，加入10％的Al(NO3)3溶液0.5mL,摇匀，放置6min，加入4％的NaOH溶液4mL，用60％乙醇溶液定容至刻度，摇匀，放置15min。以相应试剂为空白对照，在510nm波长处测定其吸光度。以吸光度(A)为纵坐标，以芦丁质量浓度(X)为横坐标绘制标准曲线，得到总黄酮标准曲线回归方程为A＝2.7014X-0.0518，相关系数R2＝0.9998,线性范围为0～0.06g.L-1。
得率的计算：将提取得到的提取液稀释一定倍数，取稀释液1mL，按采用NaNO2-Al(NO3)3比色法测定吸光度，根据标准曲线计算总黄酮得率，按式计算总黄酮得率。
根据标准曲线计算总黄酮得率，按式(1)计算总黄酮得率。
式中：Y―总黄酮得率，％；c―总黄酮质量浓度，mg/L；v―待测提取溶液的总体积，mL；m―原料的质量，g；w―原料含水率，％；n―稀释倍数。
总黄酮得率的结果见表1。
表1桉树皮中总黄酮酶处理/超声波辅助耦合提取方法比较
由表1可以看出：实施例1(酶水溶液超声处理+60％乙醇溶液超声提取)提取总黄酮的得率最高，为4.07％，比对比例1-1传统的提取方法提高了30.4％，比对比例1-2超声辅助提取提高了8.82％。所以实施例1酶处理/超声波辅助耦合提取方法为桉树皮中总黄酮的最佳提取方法。
实施例2
桉树皮中总黄酮的提取
分别取3份3g(精确到0.001)桉树皮粉碎料于100mL锥形瓶中，以料液比1:14加入0.1mg/mL纤维素复合酶溶液(酶量占绝干原料重0.2％)，调节混合液的pH值为5，在60℃的条件下处理55min(超声频率40KHz)，过滤，将滤液转移到100mL容量瓶中，滤渣中再加入与纤维素复合酶溶液相同体积的60％乙醇溶液，在50℃下超声提取60min(超声频率40KHz)，过滤，合并两次的滤液，定容至100mL。总黄酮得率为4.17％，比传统的提取方法(实施例1-1)提高了33.7％。
实施例3
黑荆树皮中原花色素的提取
分别取3份5g(精确到0.001)黑荆树皮粉碎料于锥形瓶中，按料液比为1：11加入0.1mg/mL纤维素复合酶溶液，在50℃的条件下超声处理33min(超声频率40KHz)，过滤，将滤液转移到100mL容量瓶中，滤渣再加入与纤维素复合酶溶液相同体积的50％乙醇溶液，在50℃下超声提取40min(超声频率40KHz)，过滤，合并两次的滤液，定容至100mL。取5mL提取液旋蒸后真空低温干燥，将干燥后样品配成1mg/mL溶液，用香草醛硫酸法测定原花色素含量测定。
对比例3-1
黑荆树皮中原花色素的提取
分别取3份5g(精确到0.001)黑荆树皮粉末原料于锥形瓶中，按料液比为1：11加入水，在50℃下浸泡处理33min，过滤，将滤液转移到100mL容量瓶中，滤渣中再加入料液比为1：11的50％乙醇溶液，在50℃下水浴提取40min，过滤，合并两次的滤液，定容至100mL。取5mL提取液旋蒸后真空低温干燥，将干燥后样品配成1mg/mL溶液，用香草醛硫酸法测定原花色素含量。
对比例3-2
黑荆树皮中原花色素的提取
分别取3份5g(精确到0.001)黑荆树皮粉末原料于锥形瓶中，按料液比为1：11加入水，在50℃的条件下超声处理33min(超声频率40KHz)，过滤，将滤液转移到100mL容量瓶中，滤渣中再加入料液比为1：11的50％乙醇溶液，在50℃下超声提取40min(超声频率40KHz)，过滤，合并两次的滤液，定容至100mL。取5mL提取液旋蒸后真空低温干燥，将干燥后样品配成1mg/mL溶液，用香草醛硫酸法测定原花色素含量。
本发明香草醛硫酸法对黑荆树皮提取物中原花色素含量的测定方法如下：
空白：0.5ml甲醇+2.5ml 3％香草醛+2.5ml 30％硫酸；
实验组：0.5ml样品/甲醇+2.5ml 3％香草醛/甲醇+2.5ml 30％硫酸/甲醇，30℃避光反应20min后测定500nm处的吸光值。
根据以儿茶素为标准品制作标准曲线：Y＝4.0208x-0.0071(R2＝0.9999)计算黑荆树皮提取物中原花色素含量。其中：Y--吸光度，Abs；X--物质质量浓度，mg/mL
黑荆树皮原花色素提取得率的计算公式：
式中：G1—树皮质量，g；
G2—提取物质量，g；
W—树皮含水率，％；
C--提取物中原花色素含量，％。
黑荆树皮原花色素的提取得率结果见表2。
表2黑荆树皮中原花色素酶处理/超声波辅助耦合提取方法比较
由表2可以看出：实施例3(酶水溶液超声处理+50％乙醇溶液超声提取)提取原花色素的得率最高，为5.98％，比对比例3-1传统的溶剂提取法(水浸提+50％乙醇浸提)提高了25.63％，比对比例3-2超声波辅助提取(水溶液超声+50％乙醇超声)提高11.57％。
实施例4
杨树皮中植物多酚的提取
取2g(精确到0.001)杨树皮粉碎料置于50mL锥形瓶中，加入0.12mg/mL纤维素复合酶溶液(料液比1:14，酶量占绝干原料重0.18％)，在55℃的水浴条件下超声处理50min(超声频率40KHz)，过滤，将滤液转移到100mL容量瓶中，滤渣中加入与纤维素复合酶水溶液相同体积的60％乙醇溶液，在55℃下超声提取60min(超声频率40KHz)，过滤，合并两次的滤液，定容至100mL，取0.5mL提取液进行Folin-Ciocalteu法测定多酚含量，计算植物多酚的提取得率。
对比例4-1
杨树皮中植物多酚的提取
取2g(精确到0.001)杨树皮粉碎料于50mL锥形瓶中，按料液比1:14加入水，在55℃的条件下浸泡处理50min，过滤，将滤液转移到100mL容量瓶中，滤渣中再加入料液比1:14的60％乙醇溶液，在55℃下水浴提取60min，过滤，合并两次的滤液，定容至100mL。取0.5mL提取液进行Folin-Ciocalteu法测定多酚含量，计算植物多酚的提取得率。
对比例4-2
杨树皮中植物多酚的提取
取2g(精确到0.001)杨树皮粉末原料于50mL锥形瓶中，按料液比1:14加入水，在55℃的条件下超声处理50min(超声频率40KHz)，过滤，将滤液转移到100mL容量瓶中，滤渣中再加入料液比1:14的60％乙醇溶液，在55℃下超声提取60min(超声频率40KHz)，过滤，合并两次的滤液，定容至100mL。取0.5mL提取液进行Folin-Ciocalteu法测定多酚含量，计算植物多酚的提取得率。
本发明Folin-Ciocalteu法测定杨树皮提取液中植物多酚含量的方法如下：
空白：25ml 10％的Folin-酚溶液+2mL7.5％Na2CO3溶液+0.5ml蒸馏水；
实验组：25ml 10％的Folin-酚溶液+2mL 7.5％Na2CO3溶液+0.5ml提取液，50℃水浴加热5min，自然冷却后测定760nm处的吸光值；根据以没食子酸为标准品制作标准曲线Y＝0.0011x-0.0113(R2＝0.9993)计算杨树皮植物多酚含量。
杨树皮植物多酚提取得率计算公式:
式中：G1为树皮质量，g；
G2为多酚萃取液体积，mL；
W为树皮含水率，％；
C为提取物中多酚含量，μg/mL。
杨树皮植物多酚提取得率结果见表3。
表3杨树皮中植物多酚酶处理/超声波辅助耦合提取方法比较
由表3可以看出:实施例4(复合酶水溶液超声处理+60％乙醇溶液超声提取)提取的植物多酚得率最高，为3.12％，比对比例4-1传统的溶剂提取法(水浸泡处理+60％乙醇溶液水浴提取)提高了25.20％，比对比例4-2超声波辅助提取(水溶液超声+60％乙醇超声)提高5.29％。所以本发明实施例4复合酶水溶液处理后再用60％乙醇溶液超声提取为杨树皮植物多酚提取的最佳方法。
用本发明对桉树、杨树、黑荆树3种人工林非木质资源树皮活性成分进行了酶处理与超声辅助耦合提取，结果表明：本发明提取方法对桉树、杨树、黑荆树3种人工林树皮活性成分(总黄酮、原花色素、植物多酚)的提取得率最高，比传统的有机溶剂提取得率高25％以上，比超声波辅助提取高于5％以上。本发明的技术是一种低温、绿色高效提取方法。解决了有效成分的提取率受胞内外平衡浓度的限制、提取时间长、耗费溶剂多，提取效率低、有效成分易变性损失等缺点，且具有原料普适性强等特点，在人工林非木质资源树皮活性物质加工生产中具有广泛的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种人工林树皮活性成分酶处理与超声波辅助耦合提取方法，包括如下步骤：
(1)将人工林树皮粉碎料按照料液比1:6～14与纤维素复合酶水溶液混合，在40～70℃水浴条件下超声酶解30～60min，过滤后得到酶解滤渣和酶解滤液；
(2)将步骤(1)得到的酶解滤渣按照料液比1:6～14与体积百分含量为40％～70％的乙醇混合，在40～60℃下超声提取40～70min，过滤后得到滤液；
(3)合并步骤(1)和步骤(2)的滤液，得到含有树皮活性成分的总滤液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维素复合酶包括纤维素酶和半纤维素酶。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维素复合酶的酶活为30000～40000U/g。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，所述纤维素复合酶的质量占所述树皮粉末干重的0.1～0.4％。
5.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，所述纤维素复合酶水溶液的质量浓度为0.005～0.03％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)或步骤(2)超声的功率独立地为30～50KHz。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述树皮为桉树皮、杨树皮或黑荆树皮。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活性成分为黄酮、原花色素和多酚中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述总滤液经减压浓缩，液-液萃取后，再经大孔吸附树脂分离，得活性成分。
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