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苍耳子中抗寒物质的提取工艺研究

2020-01-04 07:18:57 安徽农业科学 2020年24期

熊海蓉 饶桠楠 史万杰 熊远福 黄敏

摘要 [目的]获得苍耳子中抗寒物质的最佳提取工艺条件。[方法]以苍耳子为原料、水稻为试验对象,研究提取剂的筛选,探讨料液比、提取温度、提取时间、提取次数等因素对苍耳子中抗寒物质提取的影响,通过L9(34)正交试验确定最佳提取条件。[结果]苍耳子中抗寒物质的最佳提取工艺条件为提取剂50%乙醇、料液比1∶9(g∶mL)、提取温度80 ℃、提取时间40 min、提取3次;粉体抗寒物质的产率为10.0%。[结论]该提取工艺简便、成本较低,获得的抗寒物质能显著提高秧苗游离脯氨酸含量。

关键词 苍耳子;抗寒物质;提取工艺;抗寒性;水稻

中图分类号 Q945.78;S-3文献标识码 A文章编号 0517-6611(2020)24-0171-03

doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2020.24.048

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

Study on Extraction Technology of Coldresistant Substances in Fructus xanthii

XIONG Hairong1, RAO Yanan2, SHI Wanjie1 et al

(1.Chemistry and Materials Science, Hunan Agricultural University, Changsha,Hunan 410128;2.Agricultural College of Yangzhou University,Yangzhou,Jiangsu 225000)

Abstract [Objective]To obtain optimal conditions of extraction technology of coldresistant substances in Fructus xanthii.[Method]Using Xanthium as raw material and rice as the test object,the effects of the solidliquid ratio, extraction temperature, extraction time and extraction times on the extraction of coldresistant substances in Fructus xanthii were studied, and the optimal extraction conditions were determined by orthogonal experiment L9(34).[Result]The optimal conditions of the extraction technology of coldresistant substances in Fructus xanthii were as followed:the extractant was 50% ethanol, 1∶9 (g∶mL) as solidliquid ratio,80 ℃ as extraction temperature,40 min as extraction time, and extraction 3 times. The yield of powder coldresistant substances was 10.0%. [Conclusion]The extraction process was simple with low cost, and the subsequent coldresistant substances could significantly increase the content of proline in rice seedlings.

Key words Fructus xanthii;Coldresistant substance;Extraction technology;Cold resistance;Rice

低温寒害是农业生产中常见的自然災害,能影响作物的正常生理代谢,严重时会导致作物死亡造成大面积减产[1-2]。我国是农业种植大国,每年因低温寒害遭受了巨大的经济损失。如何提高作物抗寒性能,探索相关的耐寒基因,寻求增强作物抗寒能力的抗寒物质是农业科研领域的重要方向,对于预防低温冰冷对作物的危害具有重要意义。抗寒剂或抗寒物质是指在低温胁迫下能够稳定植物细胞膜结构,使其发生一系列的生理生化活动,从而增强其抗寒能力的药品、试剂或植物生长调节剂等的统称[2]。国内外关于植物抗寒性及抗寒物质的研究取得了不少成果。脯氨酸是植物体内调节渗透压最有效的物质之一,它不仅能在低温胁迫下提高细胞液浓度,保持细胞液与环境的渗透平衡,防止水分丧失,还能在低温胁迫过后为植物提供营养[3];其含量与植物抗寒性呈正相关性[4]。为了减少低温寒害对植物的伤害,研究者运用水杨酸[5-6]、脱落酸(ABA)[7]、脯氨酸[8]、植物提取物[1-2]等抗寒物质来增强植物的抗寒能力,取得了良好效果。就水稻而言,Lee等[9-10]分别利用ABA、Tachigrance预防寒害对水稻的影响,效果明显。张海清等[11]用抗寒种衣剂处理水稻种子,能提高水稻游离脯氨酸、可溶性蛋白质含量,使水稻在低温胁迫下保持良好的代谢。熊远福等[12]将从木贼中提取出的抗寒成分与黏合剂等助剂经过溶解混合,配制成了水稻抗寒剂。熊海蓉等[13]从小茴香果中提取出抗寒成分,与杀菌剂、杀虫剂等活性成分,成膜剂等非活性成分,经粉碎混合配制出了一种防病防虫抗寒水稻种衣剂,具有良好的抗寒和防病防虫效果。

苍耳(Xanthium sibiricum Patr.)为菊科一年生草本植物,具有耐严寒、抗干旱等特殊生物学特性,其果实名为苍耳子。苍耳子含有较多的戊聚糖、苍耳子苷、脂肪酸、维生素C等植物抗寒成分,以及氨基酸、矿质元素等植物营养成分[2],属于低价中药材,是提取植物源性抗寒物质较理想的原料之一。该研究以苍耳子为原料、水稻为试验对象,通过提取剂筛选、单因素试验和正交试验,探讨苍耳子中抗寒物质的最佳提取工艺条件,以期为植物源性抗寒物质的提取与应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

苍耳子,市售,粉碎后备用;乙醇,95%,食品级;早稻种子,中嘉早17,湖南省水稻科学研究所。

1.2 主要仪器

PYX-300G-B光照培养箱,韶关市科力仪器有限企业;DK-S24恒温水浴锅,上海精宏实验设备有限企业;Heidolph旋转蒸发仪,德国Heidolph企业;2000型可见分光光度计,尤尼柯仪器有限企业;TF-D-1L冷冻干燥器,上海拓纷机械设备有限企业;AL204电子天平,梅特勒-托利多仪器上海有限企业。

1.3 试验方法

1.3.1 抗寒物质提取工艺流程。

5.0 g苍耳子→放入三颈烧瓶(带搅拌、冷凝装置)→加提取剂(料液比1∶8)→水浴恒温搅拌提取(80 ℃、40 min)→过滤并收集滤液→滤渣重复提取2次→合并滤液→减压蒸馏乙醇→浓缩至5.0 mL→液体抗寒物质→浓缩至浓稠液→冷冻干燥→粉碎→粉状抗寒物质。

1.3.2 种子包衣、发芽及抗寒试验方法。

1.3.2.1

种子包衣方法。称取25.0 g水稻种子放入烧杯内,按照包衣比(液体抗寒物质∶种子,质量比)1∶12.5,称取液体抗寒物质2.00 g,缓慢加入装有种子的烧杯中,边加边搅拌,直至种子表面被抗寒物质包衣均匀,置于烘箱内38 ℃烘干。对照(CK):种子不包衣。

1.3.2.2

发芽及抗寒试验。采用泥床发芽法,处理包括种子包衣(T)和对照(CK),每个处理3次重复,每个重复取100粒种子置于塑料发芽盒内,于湖南农业大学温室中进行发芽试验[14],播种后第7天测定发芽率,继续培养至2叶1心,然后转入光照培养箱内,在7~8 ℃低温下处理36 h,采样后按照张殿忠等[15]方法测定秧苗体内脯氨酸含量,以鲜重计。以脯氨酸含量高低作为液体抗寒物质的抗寒效果优劣的考察指标。

1.3.3 抗寒物质提取剂筛选试验。

按照“1.3.1”工艺流程,称取苍耳子3份,分别用提取剂水、50%乙醇和95%乙醇进行提取,其他提取条件固定不变,得到3份液体抗寒物质。按照“1.3.2”方法试验3份液体抗寒物质的抗寒效果,并与CK比较,选出最佳提取剂。

1.3.4 抗寒物质提取单因素试验。

以“1.3.3”获得的最佳提取剂为基础,分别探讨料液比(g∶mL)、提取温度(T)、提取时间(min)、提取次数4个单因素对抗寒物质提取的影响。

1.3.5 抗寒物质提取正交试验。

根据“1.3.4”单因素试验结果,选择料液比、提取温度、提取时间和提取次数共4个因素,每个因素取3个水平,进行L9(34)正交试验(表1),以确定抗寒物质的最佳提取工艺条件;用正交设计助手ⅡV3.1进行统计分析。

1.3.6 粉状抗寒物质产率的测定。

准确称取苍耳子W(g),按照“1.3.1”工艺流程,在獲得的最佳提取工艺条件下进行提取,得到粉状抗寒物质,质量为W1(g)。粉状抗寒物质的产率按下式计算:产率=W1/W×100%。

2 结果与分析

2.1 抗寒物质提取剂的筛选

由表2可知,用50%乙醇和95%乙醇作提取剂所得到的抗寒物质均能显著提高秧苗脯氨酸含量,其中50%乙醇作提取剂时脯氨酸含量最高,显著优于95%乙醇、蒸馏水,更比CK提高了134.3%;3种提取剂所得到的抗寒物质对种子萌发均无明显抑制作用。可见,提取剂选50%乙醇较合适。

2.2 抗寒物质提取单因素试验

2.2.1 料液比的影响。

按“1.3.1”工艺流程,称取苍耳子5份,用50%乙醇作提取剂,料液比设置为1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10,其他提取条件固定不变,得到液体抗寒物质。按“1.3.2”方法试验5份抗寒物质的抗寒效果,结果如图1所示。由图1可知,料液比的大小对提取的抗寒物质的抗寒效果有显著的影响。随着料液比的增加,秧苗脯氨酸含量开始增加较快;当料液比达1∶9之后增加缓慢,此时苍耳子中的绝大部分抗寒物质已被提取出来,继续加大料液比脯氨酸含量增加很少。考虑到料液比过大、溶剂回收等成本较高,料液比选1∶9 较合适。

2.2.2 提取温度的影响。

按“1.3.1”工艺流程,称取苍耳子5份,用50%乙醇作提取剂,提取温度设置为50、60、70、80、90 ℃,其他提取条件固定不变,得到液体抗寒物质。按“1.3.2”方法试验5份抗寒物质的抗寒效果,结果如图2所示。由图2可知,提取温度对抗寒效果的影响很明显,当提取温度小于80 ℃时,脯氨酸含量随着提取温度的升高持续上升;但温度超过80 ℃之后脯氨酸含量有所下降,可能是提取温度过高导致抗寒物质分解了。可见,提取温度选80 ℃较合适。

2.2.3 提取时间的影响。

按“1.3.1”工艺流程,称取苍耳子5份,用50%乙醇作提取剂,提取时间设置为20、30、40、50、60 min,其他提取条件固定不变,得到液体抗寒物质。按“1.3.2”方法试验5份抗寒物质的抗寒效果,结果如图3所示。由图3可知,随着提取时间的增加,秧苗体内脯氨酸含量初期增加较快;提取时间超过40 min之后,脯氨酸含量的增加幅度已很小,说明此时原料苍耳子中的抗寒物质已基本提取出来。可见提取时间选40 min 较合适。

2.2.4 提取次数的影响。

按“1.3.1”工艺流程,称取苍耳子5份,用50%乙醇作提取剂,提取次数设置为1、2、3、4和5次,其他提取条件固定不变,得到液体抗寒物质。按“1.3.2”方法试验5份抗寒物质的抗寒效果,结果如图4所示。由图4可知,随着提取次数的增加,秧苗体内脯氨酸含量开始增加较快,提取次数达2次之后其增加幅度已经比较小。提取次数较多,则提取剂用量大、回收成本较高;为了节约成本,提取次数选2次较合适。

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