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  热带亚热带植物学报  2022, Vol. 30 Issue (1): 135-143  DOI: 10.11926/jtsb.4396
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引用本文  

彭思敏, 杨小满, 魏孝义, 等. 黄兰叶乙醇提取物的活性研究和成分分析[J]. 热带亚热带植物学报, 2022, 30(1): 135-143. DOI: 10.11926/jtsb.4396.
PENG Simin, YANG Xiaoman, WEI Xiaoyi, et al. Bioactivity and Chemical Composition of Ethanol Extract from Michelia champaca Leaves[J]. Journal of Tropical and Subtropical Botany, 2022, 30(1): 135-143. DOI: 10.11926/jtsb.4396.

基金项目

广东省林业科技创新项目(2019KJCX027)资助

通信作者

王瑛. E-mail: yingwang@scib.ac.cn

作者简介

彭思敏, 女, 硕士研究生, 主要从事植物资源开发利用工作。E-mail: Siminpeng17@scbg.ac.cn

文章历史

收稿日期:2021-03-01
接受日期:2021-04-30
黄兰叶乙醇提取物的活性研究和成分分析
彭思敏 1,2,3,4, 杨小满 1,2,3,5, 魏孝义 1,3,6, 潘丽珠 1,2,3, 王瑛 1,2,3,5     
1. 中国科学院华南植物园, 广州 510650;
2. 中国科学院华南农业植物分子分析与遗传改良重点实验室, 广州 510650;
3. 广东省应用植物学重点实验室, 广州 510650;
4. 中国科学院大学, 北京 100049;
5. 中国科学院核心植物园, 广州 510650;
6. 中国科学院植物资源保护与可持续利用重点实验室, 广州 510650
摘要:为挖掘黄兰(Michelia champaca)叶的开发潜力,采用抗氧化评价、细胞评价和仪器分析方法对超声提取的黄兰叶乙醇提取物进行活性研究和化学成分的定性分析。DPPH·自由基清除和铁离子还原力测定结果表明,黄兰叶的20%和80%乙醇提取物具有抗氧化潜能。黄兰叶20%乙醇提取物的质量浓度超过12.5 μg/mL,80%乙醇提取物的质量浓度超过6.25 μg/mL,对HacaT细胞具有细胞毒性。采用超高效液相-质谱联用方法结合软件谱库搜索对黄兰叶乙醇提取物进行成分分析,共检索到206个化合物,包括黄酮、生物碱、脂肪酸、醇等多种类型,通过标准品验证可明确鉴定出芦丁、槲皮素、山奈酚等黄酮类物质。不同月份的黄兰叶乙醇提取物的成分含量不相同,成分分布在春夏季与秋冬季存在明显差异,某些成分具有季节独特性。因此,黄兰叶在日化产品开发上存在潜力,可结合实际根据成分选择采收时间。
关键词黄兰        乙醇提取物    抗氧化    细胞增殖    超高液相色谱质谱联用分析    化学成分    
Bioactivity and Chemical Composition of Ethanol Extract from Michelia champaca Leaves
PENG Simin 1,2,3,4, YANG Xiaoman 1,2,3,5, WEI Xiaoyi 1,3,6, PAN Lizhu 1,2,3, WANG Ying 1,2,3,5     
1. South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China;
2. Key Laboratory of South China Agricultural Plant Molecular Analysis and Genetic Improvement, Guangzhou 510650, China;
3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Botany, Guangzhou 510650, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
5. Core Botanical Gardens, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China;
6. Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Sustainable Utilization, Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Botany, Guangzhou 510650, China
Foundation item: This work was supported by the Project for Forestry Science and Technology Innovation of Guangdong (Grant No. 2019KJCX027)
Abstract: In order to excavate the development and utilization potential of Michelia champaca leaves, the bioactivity and chemical composition of ethanol extract from leaves obtained by ultrasonic extraction were studied. The results showed that 20% and 80% ethanol extracts had antioxidant potential ability by using DPPH∙ free radical scavenging assay and reducing power of iron ion. There was cytotoxicity to HacaT cells, when the concentration of 20% or 80% extracts was more than 12.5 or 6.25 μg/mL, respectively. A total of 206 compounds were obtained from ethanol extract from M. champaca leaves by UPLC-MS combined with software spectrum library, including flavonoids, alkaloids, fatty acids, alcohols and so on. Among the flavonoids, rutin, quercetin and kaempferol could be identified clearly by standard product verification. The contents of compounds in ethanol extracts of M. champaca leaves were different among different months, and the distribution of components in spring and summer were significantly different from that in autumn and winter. Besides, some compositions had seasonal characteristics. In conclusion, Michelia champaca leaves had potential in the development of daily chemical products, and the harvest time could be selected according to the actual composition.
Key words: Michelia champaca    Leaf    Ethanol extract    Antioxidant    Cell proliferation    UPLC-MS    Chemical composition    

我国林产资源丰富,树种繁多。除传统的水土维持、空气净化、美化环境等生态建设功能外,林业资源还具有经济功能,可用在木制品制造业、医药行业、日化工业、食品工业等领域。作为林业资源下的重要材料之一,黄兰值得关注。黄兰(Michelia champaca)为木兰科(Magnoliaceae)含笑属常绿乔木,具有独特香气,在亚洲南部和我国南部地区多有分布,在广东地区有栽培[1]。目前对于黄兰的利用多体现在园艺[2]、医药和提香制香上。黄兰的化学成分有糖类、黄酮类、生物碱类、酚类、鞣酸类、萜类和脂肪酸类等[3-7],研究多集中在挥发油成分解析上。研究和应用较多的是黄兰花部位,作为可开发化妆品的植物原料,黄兰花已被收录到我国已使用化妆品原料名称目录中。相对黄兰花而言,叶的研究报道却较少,黄兰叶与花类似均具有香气, 且叶材料的采集不受季节影响,产量丰富。在印度民间地区有使用黄兰叶用于清洁头发的历史[8],现阶段对于黄兰叶的研究多见于包括抗溃疡[9]、抗炎[10]、抗高血糖[11]、抗菌[12]等生物药理活性上,植物化学解析上只有叶的挥发油部分有报道。可见,黄兰叶的研究还处于初期阶段。因此,本文作者在查阅黄兰研究文献的基础上,利用常用的抗氧化活性评价方法以及色谱质谱分析手段,对黄兰叶的乙醇提取物进行分析,以期为黄兰叶的开发利用提供基础数据。

1 材料和方法 1.1 试验材料

新鲜材料采自中国科学院华南植物园,经本园夏念和研究员和杨科明老师鉴定为黄兰(Michelia champaca)叶片。分别于2019年3、6、9和12月采收,经低温干燥、粉碎和过筛得到黄兰叶粉末, 存于低湿恒温储存柜中待用。

1.2 仪器和试剂

超声波清洗机(JP-040PLUS, 深圳市洁盟清洁技术有限公司);电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司);4 ℃和-20 ℃冰箱(青岛海尔股份有限公司);低湿恒温储存柜(明日百傲科技有限公司); 恒温振荡器(CRYSTAL);旋转蒸发仪(N-1300, EYELA)、水浴锅(SB-1300, EYELA)、低温冷却水循环泵(SHB-III)、循环水式真空泵(DLSB-5L/10)(巩义市予华仪器有限责任公司);万分之一分析天平(赛多利斯公司);组织研磨机(MM400, Retsch);台式冷冻离心机(5810R, Eppendorf);冷冻干燥机(SCIENTZ-12N, 宁波新芝生物科技股份有限公司); 酶标仪(Epoch, Biotek);制冰机(SM-F140AY65l, SANYO);倒置生物显微镜(XDS-1B);二氧化碳培养箱(MOO-15AC, SANYO);超高分辨液相-质谱仪(LTQ-Orbitrap-Elite, ThermoFisher Scientific)。

超纯水(ddH2O, Millipore高纯水系统);无水乙醇(分析纯, 天津百世化工有限公司);无水甲醇(分析纯, 天津富宇化工有限公司);L-抗坏血酸、DPPH∙、细胞级DMSO和噻唑蓝(MTT)(Sigma公司);二甲基亚砜(DMSO, Coolaber);总抗氧化能力(FRAP)检测试剂盒(碧云天生物技术有限公司);DMEM培养基、澳洲胎牛血清(FBS)及双抗(Gibco公司);胰酶(大连美仑生物技术有限公司);HPLC级无水甲醇和HPLC级乙腈(上海安谱实验科技股份有限公司); HPLC级甲酸(Aladdin)等。

1.3 细胞株

人永生化角质细胞HacaT细胞株,购自中国科学院昆明细胞库。

1.4 提取物的制备

黄酮提取参考前人[13-14]的方法略做修改。分别用20%和80%乙醇作为提取溶剂,按1∶9的料液比进行投料,预浸泡后用240 W超声处理20 min, 真空抽滤收集滤液,再加入提取溶剂重复超声提取1次,滤液合并抽滤,粗提液经浓缩干燥分别得到20%乙醇提取的提取物(HLY20)和80%乙醇提取的提取物(HLY80),密封后存于-20 ℃冰箱待用。

1.5 抗氧化评价方法

参考杨丹[15]的DPPH∙自由基清除法。用DMSO溶解黄兰叶乙醇提取物和L-抗坏血酸,取样品或阳性对照样品20 μL,加入180 μL 0.1 mmol/L DPPH∙溶液进行反应。设置样品对照以排除叶绿素的影响,取样品20 μL加入180 μL的甲醇;阴性对照为20 μL样品加180 μL DMSO;空白对照为20 μL DMSO加180 μL甲醇;室温避光反应30 min后在517 nm波长下测定吸光度A517。DPPH∙清除率(%)= [1-(A样品-A样品对照)/(A阴性对照-A空白对照)]×100%。每个样品重复3次,计算半数清除浓度IC50值,用Excel和SPSS 20.0进行统计学分析,显著性分析采用t检验方法,所有数据以平均值±标准差表示。

铁离子还原法参照FRAP检测试剂盒说明书操作,样品用DMSO溶解并稀释成0.1 mg/mL的溶液,如不在标准曲线内,再稀释进行调整。

1.6 细胞增殖活性评价方法

细胞增殖活性测定采用MTT法[16-17]。取对数生长期的HacaT细胞,按每孔5×104个/mL的量吸取细胞悬液100 μL接种到96孔细胞培养板中。在CO2生化培养箱中培养24 h,加入不同质量浓度的待测样品HLY80和HLY20各100 μL,正常细胞组以100 μL培养液代替,空白组为200 μL的培养液, 继续培养24 h。然后往每孔中加入20 μL的MTT, 再培养2 h,每孔加入150 μL DMSO以结束培养。混匀后在酶标仪下检测OD570。细胞存活率(%)= (OD样品-OD空白)/(OD正常细胞-OD空白)×100%,每处理3次生物学重复,用GraphPad Prism 6.0进行计算。

1.7 UPLC-MS检测

以1∶10的料液比进行投料,重复超声提取3次,合并滤液浓缩冻干得到80%和20%乙醇提取物,3、6、9、12月叶片的80%乙醇提取物分别命名为80M、80J、80S和80D;相应的20%乙醇提取物分别命名为20M、20J、20S和20D。

采用超高分辨液相-质谱仪(UPLC-MS)对黄兰叶乙醇提取物进行成分分析。80%甲醇重溶后用0.22 μm滤膜除杂,存于棕色进样瓶中。UPLC中所用色谱柱为Hypersil GOLD column, 1.9 μm, 2.1 mm× 100 mm;A相为1%甲酸-水,D相为乙腈;流速为0.4 mL/min;进样量为1 μL。梯度洗脱程序为:0~ 2 min, 90% A;2~27 min,90%~10% A; 27~28 min,10%~5% A;28~31 min,5% A; 31~36 min,90% A,总时长为36 min。

Compound Discoverer 3.1软件、R软件和TBtools软件用于数据分析。

2 结果和分析 2.1 体外抗氧化活性评价

HLY20和HLY80均表现出有效的DPPH∙自由基清除效果,在5~100 μg/mL质量浓度范围内,HLY20和HLY80的质量浓度越高,对DPPH∙自由基的清除效果越好(图 1)。HLY20、HLY80和L-抗坏血酸对DPPH∙自由基的IC50值分别为(55.3±11.9)、(22.9±1.6)和(5.2±0.2) μg/mL,且HLY80与HLY20间的IC50差异显著(P < 0.01)。

图 1 黄兰叶乙醇提取物对DPPH∙自由基的清除能力。**: P < 0.01; ***: P < 0.001。 Fig. 1 Scavenging activity of ethanol extract from Michelia champaca leaves on DPPH∙. **: P < 0.01; ***: P < 0.001.

采用FRAP法进行抗氧化能力评估,以Trolox为阳性对照,用FeSO4作标准曲线,得到标准方程y=0.2191x-0.109, R2=0.998,说明拟合度较好。FRAP值与样品的还原力相关,FRAP值越大说明样品的还原力越强,抗氧化活性也就越高。HLY20、HLY80和Trolox的FRAP值分别为(1.593±0.046)、(2.764± 0.07)和(4.608±0.525) mmol/g,HLY80约为HLY20的1.7倍, 存在极显著差异(P < 0.01)。

2.2 细胞增殖活性评价

HLY20与HLY80对HacaT细胞的增殖均表现出剂量抑制性,且影响程度以HLY80较高(图 2)。结果表明,当HLY20为12.5 μg/mL,HLY80为6.25 μg/mL时,细胞存活率大于80%;当HLY20超过200 μg/mL, HLY80超过50 μg/mL时, HacaT细胞的增殖会受到影响。

图 2 HLY20和HLY80对HacaT细胞存活的影响 Fig. 2 Effects of HLY20 and HLY80 on HacaT cell viability
2.3 化学成分分析

将2019年3、6、9、12月采集的黄兰叶用80%和20%乙醇提取后,将提取物进行UPLC-MS分析,然后将数据导入Compound Discoverer 3.1软件,在本地和线上代谢组数据库中进行组分分析,共得到206个化合物的质谱数据(图 3)。大致可分为脂肪酸类、黄酮类及其衍生物、酰胺类、醇类、酯类、生物碱类等(表 1)。其中黄酮类成分有芦丁、槲皮素和山奈酚。

图 3 HLY80和HLY20的总离子流图 Fig. 3 Total ion diagram of HLY80 and HLY20
表 1 部分化合物含量 Table 1 Contents of part compounds

对4个月份采集叶片的HLY80和HLY20进行主成分分析,从第一主成分和第二主成分各点的分值来看,不同乙醇浓度和不同月份的样品能够明显区分开(图 4)。HLY80和HLY20在第一主成分维度上能够明确区分;3和6月的样品作为一个整体与9和12月的样品整体上在第二主成分维度可区分开。从聚类分析热图中可以明显看出,HLY80的大部分化合物含量较HLY20高。3月HLY80以3-(2-氨基乙基)-5-甲氧基-1、3-二甲基-2-吲哚酮、(10E)- 10-十七碳烯-8-辛炔酸等含量较高;6月HLY80以鼠李素、7-羟基-2, 2-二甲基-2, 3-二氢-4H-苯并吡喃- 4-酮、2-(4-甲氧基苄叉)-1H茚-1, 3(2H)-二酮等含量较高;9月HLY80以2, 2, 4-三甲基-1, 2, 3, 4-四氢-6-喹啉基-2-糠酸酯、阿扑吗啡、泛酸等含量高;12月HLY80以(E)-十八碳四烯酸、槲皮素-3-β-D-葡萄糖甙、山奈酚、槲皮素等含量高。而3月HLY20含量较高的有6-[4-(3, 4-二甲氧基苯基)-六氢呋喃[3, 4-c]呋喃-1-基]-4-甲氧基-2H-1, 3-苯并二氧唑、3-(2-氨基乙基)-5-甲氧基-1, 3-二甲基-2-吲哚酮等;6月HLY20以三羟基丁基苯酚、6-[4-(3, 4-二甲氧基苯基)-六氢呋喃[3, 4-c]呋喃-1-基]-4-甲氧基-2H-1, 3-苯并二氧唑等含量较高;9月HLY20以吲哚-3-丙烯酸、2, 2, 4-三甲基-1, 2, 3, 4-四氢-6-喹啉基-2-糠酸酯等含量较高; 12月HLY20以肉桂酸甲酯、3, 11, 17-三氧雄甾烷-5α-碳腈等含量较高(图 4)。有50个化合物含量在不同浓度和不同月份乙醇提取物存在差异(图 4), 包括脱镁叶绿酸A、(10E)-10-十七碳烯-8-辛炔酸、3-3-羟基苯基-2-丙炔酸、槲皮素等,其中47个化合物在8组样品中含量具有增高趋势。在不同气候条件下含量均较稳定的化合物可能是构成植物结构的重要物质,或是植物进化中用于适应外界环境以维持自身生存的成分。47个化合物中就有类黄酮槲皮素,槲皮素广泛存在于植物中[18],参与ROS应激[19]、干旱胁迫[20]等逆境修复过程。可见稳定表达的化合物与植物的生长发育密不可分。

图 4 黄兰叶乙醇提取物的主成分分析(左上)、偏最小二乘判别分析(左下)和热图分析(右)。20M: 3月份20%乙醇提取物; 20J: 6月份20%乙醇提取物; 20S: 9月份20%乙醇提取物; 20D: 12月份20%乙醇提取物; 80M: 3月份80%乙醇提取物; 80J: 6月份80%乙醇提取物; 80S: 9月份80%乙醇提取物; 80D: 12月份80%乙醇提取物。 Fig. 4 Principal component analysis diagram (top left), partial least squares discriminant analysis (bottom left) and heatmap analysis diagram (right) of ethanol extracts of Michelia champaca leaves. 20M: 20% Ethanol extract in March; 20J: 20% Ethanol extract in June; 20S: 20% Ethanol extract in September; 20D: 20% Ethanol extract in December; 80M: 80% Ethanol extract in March; 80J: 80% Ethanol extract in June; 80S: 80% Ethanol extract in September; 80D: 80% Ethanol extract in December.

对4个月份的黄兰叶乙醇提取物进行差异性比较(图 5),20%乙醇提取的4组提取物共有24个化合物含量发生变化,与3月相比,9和12月共有16个化合物含量下降,33个化合物含量提高;6月有15个化合物含量下降,49个化合物含量提高。80%乙醇提取的4组提取物中有13个化合物含量发生变化,与3月相比,9和12月共有21个化合物含量下降,14个化合物含量提高;6月有22个化合物含量下降,18个化合物含量提高。20J中的槲皮素含量比20M的高;而20D中的鼠李素含量比20M的高;80D中鼠李素含量比80M的高。比较不同浓度乙醇提取物的化合物含量差异(图 6)可见,20%乙醇提取物的化合物含量比80%乙醇提取物的低,变化趋势也与聚类热图结果相似。

图 5 不同月份黄兰叶乙醇提取物化合物的差异性比较 Fig. 5 Differential analysis of compounds in ethanol extracts of Michelia champaca leaves collected in different months
图 6 黄兰叶不同浓度乙醇提取物化合物的差异性比较 Fig. 6 Differential analysis of compounds in extract of Michelia champaca leaves by 20% and 80% ethanol
3 结论和讨论

本研究采用体外评价模型和仪器分析方法分别对超声提取的黄兰叶乙醇提取物进行抗氧化、细胞增殖和化学成分的研究。抗氧化评价结果显示黄兰叶的2种乙醇提取物HLY20和HLY80均表现出抗氧化的潜能,但20%和80%乙醇提取物的抗氧化能力不尽相同,且HLY20、HLY80的抗氧化能力与阳性对照相比都较弱。L-抗坏血酸和Trolox作为常用的抗氧化剂,常用于食品工业中,也常规用作抗氧化评价试验阳性对照的试剂[21]。黄兰叶乙醇提取物的抗氧化能力较阳性对照弱的原因有多种,一种可能与提取工艺有关,导致抗氧化物质提取不充分或损失。本文使用的超声波提取方法不涉及加温,虽然对部分抗氧化成分可能具有保护作用,但并不能保证这部分物质能完全提取出来,且超声过程机械会产热,具有强抗氧化的物质一般较不稳定,对光、pH、温度等都很敏感,提取和储存环节的降解行为也有可能造成测量值偏少的情况。林震[22]等对蛤蒌(Piper sarmentosum)叶水提物的抗氧化热稳定性研究表明,随着温度的提升,总黄酮含量呈先降后升,而多糖和总酚含量则先升后降,温度过高抗氧化成分会遭破坏;牛先前等[23]分析了胡椒木(Zantho- xylum piperitum)叶片精油的抗氧化能力,精油中还原与抗氧化物质的萃取效果在50 ℃时并不好,说明了温度的影响。此外,还可能与提取物组分的复杂性有关。由于HLY20和HLY80均为粗提取物, 化学物质丰富,化学成分的功能各不相同,成分之间的复杂作用或者成分掩盖等也可能影响DPPH∙自由基的清除和铁离子还原。通过优化提取方法或对提取物的抗氧化成分进行适度富集有望提升黄兰叶抗氧化功能。细胞实验表明,当HLY20超过200 μg/mL, HLY80超过50 μg/mL时,对HacaT细胞会产生细胞毒性。由于此处的2种提取物均属于未进行细分的粗提取物,其复杂成分中的生物碱等物质可能会对细胞的增殖造成不良影响,因此可在适当范围内可用于进一步的细胞活性评价, 或进一步细分后用于细胞相关评价模型。UPLC-MS结果分析提示黄兰叶乙醇提取物中含有丰富的化学成分,涵盖黄酮、生物碱、脂肪酸、醇等多种类型,预示黄兰叶的乙醇提取物可能会具有多种生物活性功能,日后可通过分部提取和分析分离得到更多有用的信息。

黄酮类化合物广泛存在于高等植物中,木兰科属于双子叶植物纲,是一种较古老的植物[24]。黄酮类化合物具有抗氧化[25]、抗衰老[26]、抗炎[27]等多种生物活性。芦丁为常见的黄酮物质之一,能减轻氧化应激反应带来的影响,可改善脑损伤大鼠的神经功能[28];而槲皮素、山奈酚等都有在抗氧化方面活性的报道。DPPH∙自由基清除和FRAP法实验均证明黄兰叶乙醇提取物具有抗氧化活性,可能与其所含的黄酮类化合物相关。另外,通过分析2019年3、6、9、12月用20%和80%乙醇提取的黄兰叶提取物化合物的差异,表明春夏和秋冬季的化合物含量发生一定的规律性变化,即春夏季和秋冬季的化合物含量分别相近,说明一年当中可有2次采收时机, 可根据实际目的选择在上半年或下半年采收,如不想影响黄兰开花,可选择在9月采收,若需花叶一起采时可选择6月,这对生产实践有一定的指导意义。综上所述,黄兰叶具有抗氧化活性潜能,作为一种绿色资源,具有较好的开发潜力。

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