全 文 ：第 31 卷 第 1 期 吉 林 化 工 学 院 学 报 Vol． 31 No． 1
2014 年 1 月 JOUＲNAL OF JILIN INSTITUTE OF CHEMICAL TECHNOLOGY Jan． 2014
收稿日期:2013-11-14
作者简介:陈 帅(1982-)，男，河北深州人，吉林化工学院讲师，在读博士，主要从事中药指纹图谱及其信息学方面
的研究．
文章编号:1007-2853(2014)01-0019-07
响应面法优化灯心草多糖的超声提取工艺
陈 帅，王慧竹，薛健飞
(吉林化工学院 化学与制药工程学院，吉林 吉林 132022)
摘要:以灯心草为研究对象，用多糖提取率作为衡量提取工艺的指标，在单因素实验基础上，根据星点
设计原理，选取超声时间、浸提温度、浸提时间、料液比四因素五水平进行响应面分析，建立灯心草多糖
提取率的二次回归方程，得到最佳提取工艺．结果表明浸提时间对灯芯草多糖的提取率影响最为显著．
当工艺条件为超声时间 25． 9 min、浸提温度 78． 1 ℃、浸提时间 2． 05 h、液料比 86． 6 1 mL /g时，灯心草多
糖理论提取率为 0． 607 4%，验证值为 0． 613 2% ．
关 键 词:灯心草;多糖;响应面法;提取工艺
中图分类号:Ｒ 932 文献标志码:A
灯心草 Juncus effusus L．［J． effusus L． var．
decipiens Buchen．;J． decipiens(Buchen．)Nakai］
又名碧玉草(《本草纲目》)，水灯心(《植物名实
图考》)，秧草(《长白山植物志》)． 生于水旁、田
边等潮湿处，在长江下游及福建、四川、贵州、陕西
等地均有分布，江苏、苏州地区及四川亦有栽
培［1］．本植物的根及根茎亦供药用，药用灯心草
(Medulla Junci)为灯心草科灯心草属植物灯心草
的茎髓或全草，性微寒，味甘、淡，归心、肺、小肠、
膀胱经，主治热淋、水肿、小便不利、湿热黄疸，心
烦不寐、小儿夜啼、喉痹、口舌生疮等症［2］． 茎髓
含多种菲类衍生物、挥发油、酮类成分、酚类成分、
黄酮类成分以及多糖类化合物［3-8］．本实验利用响
应面法对灯心草多糖的超声提取工艺进行研究，
优选出易操作、成本低、得率高且适合工业化生产
的工艺条件，为今后灯心草的综合利用提供理论
依据．
1 实验部分
1． 1 材料与试剂
灯心草，由安国中药饮片批发提供，吉林大学
药学院生药教研室鉴定为灯心草属灯心草科植物
灯心草(Juncus effusus L．)的干燥精髓;葡萄糖
(分析纯)国药集团化学试剂有限公司;乙醇(分
析纯)、浓硫酸(分析纯)、苯酚(分析纯)天津大
茂化学试剂厂．
1． 2 仪器与设备
FA2004N电子分析天平 上海精密科学仪器
有限公司;W5-100SP 恒温水浴锅 上海申生科技
有限公司;T6 新世纪紫外可见分光光度计 北京
普析通用仪器有限责任公司;KQ5200DE 超声波
清洗机 昆山市超声仪器有限公司;JY2002 电子
天平 上海市精密仪器有限公司;ＲE-52 旋转蒸发
仪 上海亚荣生化仪器厂;DHG-9076A 电热恒温
鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;SHZ-D
循环水真空泵 河南巩义市予华责任有限公司．
1． 3 实验方法
1． 3． 1 灯心草多糖的提取
灯心草→粉碎→蒸馏水超声提取→过滤→滤
液→醇沉→离心→真空干燥→收集浸膏→含量测
定→数据分析→确定最佳提取工艺．
1． 3． 2 标准曲线的建立
精密称取 105 ℃干燥至恒重的葡萄糖对照品
0． 020 6 g，置 100 mL容量瓶中，加入蒸馏水溶解，
并稀释至刻度． 分别精密吸取上述溶液 6、8、10、
12、14、16 mL于 50 mL容量瓶中以蒸馏水稀释至
刻度．取上述溶液各 2 mL于 10 mL容量瓶中加入
5%苯酚溶液 1 mL，摇匀，迅速加入浓硫酸 5 mL，
摇匀，在 40 ℃水浴中保温 30 min 后冰浴放置
DOI:10.16039/j.cnki.cn22-1249.2014.01.013
5 min，依照分光光度法，以相应溶剂作空白，在
490 nm波长处测定吸光度［9-11］． 以葡萄糖质量浓
度为横坐标，吸光度值为纵坐标，绘制标准曲线，
进行线性回归，得回归方程 A =59． 604C +0． 010 4，
Ｒ2 =0．999，结果表明葡萄糖在4．944 ～13．18μg·mL－1
范围内呈良好的线性关系．
1． 3． 3 灯心草多糖含量的测定
精密称量灯心草多糖样品粉末 0． 010 0 g，置
于 50 mL 容量瓶中，加蒸馏水溶解，定容至刻度，
即得供试品溶液．取 2 mL供试品溶液于 10 mL容
量瓶中，按“1． 3． 2”项下方法进行吸光度测量，然
后按以下公示计算提取率．
w% =(A － 0． 0104)59． 60 ×
10
2 × 50 ×
m2
0． 01 ×
1
m1
其中，w%为灯心草多糖提取率;A为吸光度;
m2 为所得浸膏质量;m1 为称取灯心草的质量．
1． 3． 4 单因素实验
以蒸馏水为溶剂，固定超声频率为 59 KHz，
提取次数为 2 次，分别考察超声时间、浸提温度、
浸提时间、料液比对灯心草多糖提取率的影响．在
单因素实验的基础上利用星点设计和响应面法优
化灯心草多糖的提取工艺．
(1)超声时间对多糖提取率的影响
准确称取 2． 0 g 粉碎度 40 的灯心草粉末 5
份，分别置于 100 mL 圆底烧瓶中，在浸提温度
70 ℃，浸提时间 2 h，料液比 70 1，超声频率
59 KHz，浸提 2 次条件下，分别超声提取 10、20、
30、40、50 min．
(2)浸提温度对多糖提取率的影响
准确称取 2． 0 g粉碎度 40 目的灯心草粉末 5
份，分别置于 100 mL 圆底烧瓶中，固定浸提时间
2 h，料液比 70 1，超声频率 59 KHz，浸提次数 2
次，分别在浸提温度 60、65、70、75、80 ℃的条件下
超声提取 20 min．
(3)浸提时间对多糖提取率的影响
准确称取 2． 0 g粉碎度 40 目的灯心草粉末 5
份，分别置于 100 mL 圆底烧瓶中，固定浸提温度
75 ℃，料液比 70 1，超声频率 59 KHz，浸提次数 2
次，分别在浸提时间 1、1． 5、2、2． 5、3 h 的条件下
超声提取 20 min．
(4)液料比对多糖提取率的影响
准确称取 2． 0 g 粉碎度 40 目灯心草粉末 5
份，分别置于 100 mL 圆底烧瓶中，固定浸提温度
75 ℃，浸提时间 2 h，超声频率 59 KHz，浸提次数 2
次，分别在料液比 70 1、80 1、90 1、100 1、110 1
的条件下超声提取 20 min．
1． 3． 5 响应面法优化分析
在单因素试验的基础上，根据星点实验设计
原理，选取超声时间、浸提温度、浸提时间、液料比
四个对灯心草多糖提取率的影响较为显著的因素
作为试验因素，以多糖提取率为响应值设计实验，
实验的因素水平见表 1，实验结果采用 SAS8． 0 软
件进行分析．
表 1 响应面实验因素水平
因素
水平
－ 1 0 1
A超声时间 /min 10 20 30
B浸提温度 /℃ 70 75 80
C浸提时间 /h 1． 5 2 2． 5
D料液比(mL·g －1) 70 1 80 1 90 1
2 结果与讨论
2． 1 单因素试验结果
2． 1． 1 超声时间对多糖提取率的影响
从图 1 可看出，随着超声时间的增加，灯心草
多糖提取率逐渐上升，超声时间为 20 min 时多糖
提取率最高，随后多糖提取率随超声时间的增加
反而下降． 因此超声时间选 20 min 左右比较
适宜．
超声时间 /min
图 1 超声时间对多糖提取率的影响
2． 1． 2 浸提温度对多糖提取率的影响
从图 2 可看出，随着浸提温度的上升，灯心草
多糖提取率逐渐增大，浸提温度为 75 ℃时多糖提
取率最大，超过 75 ℃后多糖提取率急剧下降． 因
此浸提温度选 75 ℃左右比较适宜．
02 吉 林 化 工 学 院 学 报 2014 年
浸提温度 /℃
图 2 浸提温度对多糖提取率的影响
2． 1． 3 浸提时间对多糖提取率的影响
从图 3 可看出，随着浸提时间的延长，灯心草
多糖提取率逐渐增大，浸提时间为 2． 0 h 时多糖
提取率最大，超过 2 h后多糖提取率呈下降趋势．
因此浸提时间选 2 h左右比较适宜．
浸提时间 /h
图 3 浸提时间对多糖提取率的影响
2． 1． 4 液料比对多糖的影响
从图 4 可看出，液料比为 80 1 mL /g 时多糖
提取率最大，然后随着料液比的增大多糖提取率
呈下降趋势．因此料液比选 80 1 mL /g 左右比较
适宜．
浸料比 /(mL·g －1)
图 4 液料比对多糖提取率的影响
2． 2 响应面试验
2． 2． 1 响应面试验结果
对超声时间 A、浸提温度 B、浸提时间 C、料
液比 D作如下变换:X1 =(A － 20)/10，X2 =(B －
75)/5，X3 =(C －2)/0． 5，X4 =(D － 80)/10．以多
糖提取率为响应值(Y)，以 X1、X2、X3、X4 为自变
量，进行响应面试验，结果见表 2．
表 2 响应面试验设计及结果
实验号 X1 X2 X3 X4 Y
1 － 1 － 1 － 1 － 1 0． 088 79
2 1 － 1 － 1 － 1 0． 175 4
3 － 1 1 － 1 － 1 0． 201 4
4 1 1 － 1 － 1 0． 298 8
5 － 1 － 1 1 － 1 0． 305 3
6 1 － 1 1 － 1 0． 255 5
7 － 1 1 1 － 1 0． 314 0
8 1 1 1 － 1 0． 337 8
9 － 1 － 1 － 1 1 0． 093 12
10 1 － 1 － 1 1 0． 292 3
11 － 1 1 － 1 1 0． 285 8
12 1 1 － 1 1 0． 534 9
13 － 1 － 1 1 1 0． 272 9
14 1 － 1 1 1 0． 353 0
15 － 1 1 1 1 0． 422 3
16 1 1 1 1 0． 489 4
17 － 2 0 0 0 0． 270 7
18 2 0 0 0 0． 452 6
19 0 － 2 0 0 0． 290 2
20 0 2 0 0 0． 487 2
21 0 0 － 2 0 0． 104 0
22 0 0 2 0 0． 400 7
23 0 0 0 － 2 0． 372 5
24 0 0 0 2 0． 396 3
25 0 0 0 0 0． 552 2
26 0 0 0 0 0． 556 5
27 0 0 0 0 0． 560 9
28 0 0 0 0 0． 554 4
29 0 0 0 0 0． 558 7
30 0 0 0 0 0． 550 0
其中实验号 1 － 16 是析因试验部分，17 ～ 24
是星点试验部分，25 ～ 30 是中心试验部分，中心
试验重复 6 次，用以估计实验误差．
用 SAS8． 0 软件对表 2 数据进行多元回归拟
合，得出回归模型参数值及方差分析结果，见表 3
和表 4．
12第 1 期 陈 帅，等:响应面法优化灯心草多糖的超声提取工艺
表 3 回归系数显著性检验
变异来源 自由度 回归系数 标准误差 t值 Pr ＞ | t | 显著性
截距 1 0． 555 45 0． 018 341 30． 29 ＜ ． 0001 ＊＊
X1 1 0． 046 554 0． 009 17 5． 08 0． 000 1 ＊＊
X2 1 0． 060 087 0． 009 17 6． 55 ＜ ． 000 1 ＊＊
X3 1 0． 057 212 0． 009 17 6． 24 ＜ ． 000 1 ＊＊
X4 1 0． 033 93 0． 009 17 3． 70 0． 002 1 *
X1* X1 1 － 0． 057 072 0． 008 578 － 6． 65 ＜ ． 000 1 ＊＊
X2* X1 1 0． 007 582 0． 011 231 0． 68 0． 509 9
X2* X2 1 － 0． 050 309 0． 008 578 － 5． 86 ＜ ． 000 1 ＊＊
X3* X1 1 － 0． 031 943 0． 011 231 － 2． 84 0． 012 3 *
X3* X2 1 － 0． 018 406 0． 011 231 － 1． 64 0． 122 1
X3* X3 1 － 0． 084 397 0． 008 578 － 9． 84 ＜ ． 000 1 ＊＊
X4* X1 1 0． 027 342 0． 011 231 2． 43 0． 027 9 *
X4* X2 1 0． 024 629 0． 011 231 2． 19 0． 044 5 *
X4* X3 1 － 0． 007 296 0． 011 231 － 0． 65 0． 525 8
X4* X4 1 － 0． 051 384 0． 008 578 － 5． 99 ＜ ． 000 1 ＊＊
注:* 为显著(P ＜ 0． 05);＊＊为极显著(P ＜ 0． 01)．
表 4 回归方程的方差分析
来源 离差平方和 自由度 均方 F值 Pr ＞ F 显著性
线性项 0． 244 853 4 0． 061 213 32． 348 24 0． 000 1 ＊＊
二次项 0． 345 715 4 0． 086 429 45． 673 45 0． 000 1 ＊＊
交互项 0． 045 184 6 0． 007 531 3． 979 631 0． 012 557 *
总和 0． 635 752 14 0． 045 411 22． 502 97 0． 000 1 ＊＊
残差 0． 030 274 15 0． 002 018
总计 0． 666 026 30
Ｒ2 = 0． 954 5
注:* 为显著(P ＜ 0． 05);＊＊为极显著(P ＜ 0． 01)．
由表 3 可知灯心草多糖提取率对编码自变量
的二次回归方程为:
Y = 0． 56 + 0． 047X1 + 0． 060X2 + 0． 057X3
+ 0． 034X4 － 0． 057X
2
1 + 0． 007 6X1X2 － 0． 032
X1X3 + 0． 027X1X4 － 0． 050X
2
2 － 0． 018X2X3 +
0． 025X2X4 － 0． 084X
2
3 － 0． 0073X3X4 － 0． 051X
2
4 ．
在回归方程中，常数项、一次项 X1、X2、X3 及二次
项 X1X1、X2X2、X3X3、X4X4 都达到了极显著水平
(P ＜ 0． 01)，一次项 X4 和交互项 X1X3、X1X4、X4X2
系数呈显著水平(P ＜ 0． 05)，因此各实验因素对
响应值的影响不是简单的线性关系［12］． 所以，可
以利用该回归方程确定灯心草多糖的最佳提取工
艺．对回归方程及实验的各因素进行方差分析，结
果如表 4 所示．
由表 4 可知，回归方程的 P ＜ 0． 01，说明所
建立的二次多项式模型具有高度显著性，线性项
和二次项的 P ＜ 0． 01 也说明具有高度显著性，
模型的决定系数 Ｒ2 = 0． 954 5，说明响应值的变化
有 95． 45%来源于所选变量，模型拟合度好，可以
较准确地描述各实验因素与响应值之间的关系．
2． 2． 2 响应面分析
响应面图形是响应值对各试验因子 X1、X2、
X3、X4 所构成的三维空间曲面图，从响应面分析
图上可形象地看出最佳参数及各参数之间的相互
作用．当特征值均为正值时，响应面分析图为山谷
形曲面，有极小值存在;当特征值为负值时，为山
丘曲面，有极大值存在;当特征值有正有负时，为
马鞍形曲面，无极值存在［12］． 根据回归模型绘制
相应响应面曲线图和等高线图，如图 5 ～ 10 所示．
a
22 吉 林 化 工 学 院 学 报 2014 年
b
图 5 超声时间(X1)和浸提温度(X2)
对多糖提取率影响的响应面图
a
b
图 6 超声时间(X1)和浸提时间(X3)
对多糖提取率影响的响应面图
a
b
图 7 超声时间(X1)和液料比(X4)
对多糖提取率影响的响应面图
a
32第 1 期 陈 帅，等:响应面法优化灯心草多糖的超声提取工艺
b
图 8 浸提温度(X2)和浸提时间(X3)
对多糖提取率影响的响应面图
a
b
图 9 浸提温度(X2)和液料比(X4)
对多糖提取率影响的响应面图
a
b
图 10 浸提时间(X3)和液料比(X4)
对多糖提取率影响的响应面图
由图 5 ～ 10 可以直观看出各因素对多糖提取
率的影响，响应面的坡度越陡峭，表明响应值对于
操作条件的改变越敏感，曲面坡度越小，表明操作
条件改变对响应值的影响也越小，等高线图表明
多糖提取率最大条件应该在圆心处． 将图 5 ～ 10
对比分析可知多糖提取率随试验因子的增大均呈
现先增大后减小的趋势，且响应曲面开口朝下，表
明该模型有稳定点，且稳定点即为最大值［13-17］．
利用 SAS 软件 ＲSＲEG 语句对模型进行典型
性分析，得到灯心草多糖提取最佳工艺为超声时
间 25． 86 min、浸提温度 78． 91 ℃、浸提时间 2． 05 h、
液料比 86． 64 1 mL /g，在此工艺条件下灯心草多
糖的提取率理论值得到 0． 607 4%，但考虑实际情
况，将最佳工艺条件修正为超声时间 25． 9 min、浸
提温度 78． 9 ℃、浸提时间 2． 05 h、料液比 86． 6
1 mL /g．在此修正工艺条件下进行试验验证，重复
3 次，测得多糖平均提取率为 0． 613 2%，多糖提
取工艺验证试验值与理论值的差值仅占理论值的
42 吉 林 化 工 学 院 学 报 2014 年
0． 95% ．可见预测模型较好地反映出灯心草多糖
的提取工艺条件，从而也证明了响应面法确定灯
心草多糖的提取工艺条件的可行性．
3 结 论
本研究通过单因素实验考察了超声时间、浸
提温度、浸提时间、料液比对多糖提取率的影响，
将超声时间考察范围定为 10 ～ 50 min，浸提温度
考察范围定为 60 ～ 80 ℃、浸提时间考察范围定为
1 ～ 3 h，液料比考察范围定为 1 70 ～ 1 110．通过
星点设计-响应面法，建立了超声提取灯心草多糖
的数学模型，模型的决定系数为 0． 954 5，方程显
著，拟合良好，可以进行实际预测，并最终确定灯
心草多糖超声提取的最佳工艺参数为:超声时间
25． 9 min、浸提温度 78． 9 ℃、浸提时间 2． 05 h、液
料比 86． 6 1 mL /g．
参考文献:
［1］ 中国科学院《中国植物志》编辑委员会．中国植物志［M］．
北京:科学出版社，1999．
［2］ 南京中医药大学．中药大辞典［M］．上海:上海科学
技术出版社，2005．
［3］ 陈玉，杨光忠． 灯心草属植物菲类化合物结构和生
物活性的研究进展［J］． 天然产物研究与开发，
2005，17(4):505-507．
［4］ M． Delia Greca，A． Fiorentino，L，Mangoni，et al． 9，10-
dihydrophenanthrene metabolites from Juncus effusus
L． ［J］． Tetrahedron Letters，1992，33，(36 ) :
5257-5258．
［5］ Maria Michela Corsaro，Marina della Greca，Antonio
Fiorentino，et al． Cycloartane glucosides from juncus
effuses［J］． Phytochemistry，1994，37(2) :515-517．
［6］ Marina Dellagreca，Pietro Monaco，Lucio Previtera，et
al． Minor Bioactive Dihydrophenanthrenes from Juncus
effusus［J］． J． Nat． Prod．，1997，60 (12) :1265-1268．
［7］ 李红霞，钟芳芳，陈玉，等．灯心草抗菌活性成分的
研究［J］． 华中师范大学学报:自然科学版，2006，
40(2):205-208．
［8］ 王衍龙，黄建梅，张硕峰，等．灯心草镇静作用活性
部位的研究［J］． 北京中医药大学学报，2006，
29(3):181-183．
［9］ 刘丹．对多糖测定方法的探讨［J］．四川文理学院学
报:自然科学版，2008，18(2):49-51．
［10］张崇禧，黄建军，施威，等． 不同采收期刺五加叶中
多糖含量测定［J］．人参研究，2008，21(1):12-15．
［11］吴竹青，黄群，余佶，等． 响应面法优化枇杷核多糖
的提取工艺［J］． 食品工业科技，2013，34 (1):
242-246．
［12］ Gupta S，Manohar C S． An improved response surface
method for the determination of failure probability and
importance measures［J］． Structural Safety，2004，
26(2) :123-132．
［13］豆亚静，张晓龙，常丽新，等． 响应面优化超声波法
提取黑豆异黄酮的工艺研究［J］． 食品工业科技，
2013，34(5):259-263．
［14］崔凤杰，许泓瑜，舒畅，等． 响应曲面法优化灰树花
水溶性多糖提取工艺的研究［J］． 食品科学，2006，
27(4):142-146．
［15］ Chee-Yuen Gan，Aishah A． Latiff． Extraction of antioxidant
pectic-polysaccharide from mangosteen (Garcinia man-
gostana) rind:Optimization using response surface
methodology ［J］． Carbohydrate Polymers，2011，
83(2) :600-602．
［16］赵翾，李红良，张惠妹．响应面法优化火麻仁黄酮提
取工艺［J］．食品科学，2011，32(2):129-130．
［17］侯学敏，李林霞，张直峰，等． 响应面法优化薄荷叶
总黄酮提取工艺及抗氧化活性［J］． 食品科学，
2013，34(6):126-127．
Optimization of the Extraction Technology of Polysaccharide from
Juncus Effuses by Ｒesponse Surface Methodology
CHEN Shuai，WANG Hui-zhu，XUE Jian-fei
(College of Chemical and Pharmaceutical Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin City 132022，China)
Abstract:The extraction technology of polysaccharide from Juncus effuses was optimized with the extraction
rate of polysaccharides as the evaluation index． On the basis of single test，response surface analysis was
studied through the central composite design． In the optimization，a quadratic regression model predicting
polysaccharides yield as a function of 4 extraction factors，i． e．，ultrasonic time，extraction temperature，
extraction time and liquid-to-solid ratio was set up and the effects of the four extraction factors on
polysaccharides yield were evaluated． Experiment result showed that extration time had the most significant
effect on polysaccharides yield． The optimum extraction technology was determined as follows:ultrasonic time
25． 9 min，extraction temperature 78． 1 ℃，extraction time 2． 05 h and liquid-to-solid ratio 86． 6 1 mL /g for an
extraction． Under such conditions，the predicted and experimental values of polysaccharide from Juncus effuses
yield were 0． 607 4% and 0． 613 2%，respectively．
Key words:Juncus effusus;polysaccharide;response surface methodology;etraction technology
52第 1 期 陈 帅，等:响应面法优化灯心草多糖的超声提取工艺