免费文献传递   相关文献

响应面法优化箬叶总黄酮的超声提取工艺



全 文 :黑龙江农业科学2016(11):131~135
Heilongjiang Agricultural Sciences
响应面法优化箬叶总黄酮的超声提取工艺
贺伟强1,陈召桂2,高 璇1,洪丽芝1
(1.嘉兴职业技术学院,浙江 嘉兴314001;2.浙江五芳斋实业股份有限公司,浙江 嘉兴314000)
摘要:为了优化箬叶黄酮的提取工艺,在乙醇体积分数、液料比、提取时间和超声功率4个单因素试验的基础
上,采用响应面法优化箬叶总黄酮的提取工艺,考察各因素的影响效应及其交互作用。结果表明:确定最佳
提取工艺条件为液料比50∶1,乙醇体积分数76%,提取时间80min,超声功率234W,提取2次。采用此工艺
条件,箬叶总黄酮得率预测值为2.052%,验证值为2.017%。回归方程的预测值与验证值的相对误差为
1.71%,该回归方程与实际情况拟合良好。
关键词:箬叶;总黄酮;提取工艺;响应面法
中图分类号:S795.9 文献标识码:A 文章编号:1002-2767(2016)11-0131-05 DOI:10.11942/j.issn1002-2767.2016.11.0131
收稿日期:2016-07-16
基金项目:2015年浙江省高校访问工程师资助项目(2015〔66〕)
第一作者简介:贺伟强(1979-),男,河南省新郑市人,硕士,
副教授,从事植物活性成分的提取与开发技术研究。E-mail:
hwq2005003@163.com。
  箬叶为箬竹的叶子,箬竹为禾本科、箬竹属植
物,主要分布于我国长江以南各省区。箬叶当前
主要作为食品包装物用于包裹粽子,被国家卫生
部确认为药食两用资源,是一种可以开发利用的
新型食用、药用资源[1]。现代药物分析研究表明,
箬叶中含有箬叶黄酮、箬叶多糖、有机硒、锌、碘、
钙、多种维生素和氨基酸等对人体有益的活性成
分。其中的黄酮类化合物与银杏黄酮类化合物具
有相似的化学组成,具有明显的清除自由基、抗脂
质过氧化和调节血脂的功效[2-4]。
响应面分析法(response surface methodolo-
gy,RSM)作为一种工艺条件优化的有效方法,可
以建立连续变量曲面模型,通过回归方程来拟合
多个响应变量和一系列试验变量之间的关系,考
察不同试验因素及其交互作用对目标响应值的影
响[5-7]。该方法能经济、有效、快速地确定多试验
因素的最佳组合条件[8-10]。本研究以乙醇溶液为
溶剂,研究了不同乙醇体积分数、液料比、超声功
率和提取时间对箬叶总黄酮的影响规律,利用响
应面分析法,获得了箬叶总黄酮超声提取的优化
工艺。
1 材料与方法
1.1 材料
供试箬叶产自湖南省张家界市。50℃烘干
后用粉碎机粉碎过筛80目备用。芦丁标准品购
于上海金穗生物科技有限公司;乙醇、氢氧化钠、
硝酸铝、亚硝酸钠等试剂均为分析纯。紫外可见
分光光度计(型号 UV1102Ⅱ),高速多功能粉碎
机(型号JP-500B-2),电子天平(型号AL104-IC),
超声波细胞粉碎机(型号JY99-IIIBN)。
1.2 方法
1.2.1 样品溶液制取与箬叶总黄酮含量测定方
法 准确称量箬叶粉1g,放入三角瓶中,加入乙
醇溶液后超声辅助提取,提取液过滤到50mL容
量瓶中并定容,混匀后测定吸光值。提取2次,2
次结果相加即为箬叶总黄酮得率。
采用亚硝酸钠-硝酸铝-氢氧化钠法,吸取提
取液1mL于10mL离心管中,加入5%硝酸钠
溶液0.3mL,震荡后静置5min,再加入10%硝
酸铝溶液0.3mL,震荡后静置5min,再加入
1mol·L-1的氢氧化钠溶液4mL,静置10min后
在510nm下测定吸光度。代入回归方程,计算
出样品提取液中的总黄酮浓度C,箬叶黄酮的含
量:Y= C·50/M×100%。式中:Y为总黄酮得
率,%;M为称量的箬叶粉的准确质量,g。
1.2.2  绘制标准曲线   以芦丁的标准溶
液(400μg·mL-
1)为母液,依次稀释成400、300、
200、100、50μg·mL-
1的标准溶液。分别取1mL置
于10mL的具塞比色管中,按照1.2.1中的方法测
定吸光度,以OD510为纵坐标,质量浓度(μg·mL-
1)为
横坐 标,绘 制 标 准 曲 线。得 回 归 方 程:Y =
3.011 X+0.013 7,R2=0.999 2。
1.2.3 单因素试验设计 选择液料比50∶1,提
取时间60min,超声功率200W,考察不同乙醇
体积分数(20%、40%、60%、80%、100%)超声提
取2次对总黄酮得率的影响;选择上述试验确定
131
     黑 龙 江 农 业 科 学 11期
的最佳乙醇体积分数,提取时间60min,提取功
率200W,考察不同液料比(20∶1,30∶1,40∶1,
50∶1,60∶1)超声提取2次对总黄酮得率的影响;
选择上述试验确定的最佳乙醇体积分数和最佳液
料比,超声功率200W,考察不同提取时间(20、
40、60、80、100min)对总黄酮得率的影响;选择上
述试验确定的最佳单因素条件,考察不同超声功
率(100、150、200、250、300W)提取2次对总黄酮
得率的影响。
1.2.4 Box-Behnken中心组合设计 根据Box-
Behnken中心组合设计原理,选提取时间、提取功
率和乙醇体积分数作为对箬叶总黄酮得率影响较
显著的3个因素进行三因素三水平的中心组合实
验见表1。
表1 Box-Behnken中心组合因素水平设计
Table 1 Factors and levels of Box-Behnken
central component experiments design
水平
Levels
提取时间
(X1)/min
Extracting
time
提取功率
(X2)/W
Extracting
power
乙醇体积分
数(X3)/%
Volume fraction
of ethyl alcohol
-1  40  150  60
0  60  200  80
1  80  250  100
2 结果与分析
2.1 超声辅助提取过程中的单因素试验
2.1.1 乙醇体积分数对总黄酮得率的影响 从
图1可以看出,乙醇体积分数在20%~80%时,
总黄酮得率逐步增大,乙醇体积分数大于80%后
总黄酮得率逐渐减小。因此在其它因素确定条件
下乙醇较佳体积分数选择80%。
图1 乙醇体积分数对总黄酮得率的影响
Fig.1 Effect of ethanol concentration on the
yield of total flavonoids
2.1.2 液料比对总黄酮得率的影响 从图2可
以看出,选择乙醇体积分数为80%总黄酮得率随
着液料比的增大而增加,当液料比为50∶1时,总
黄酮得率达到较高水平,继续提高液料比总黄酮
得率曲线坡度增长不明显。因此从节约提取溶剂
和提取效率的角度来看,其它条件为确定条件下
液料比选择50∶1。
图2 液料比对总黄酮得率的影响
Fig.2 Effect of liquid-material ration on the
yield of total flavonoids
2.1.3 提取时间对总黄酮得率的影响 选择乙
醇体积分数80%、液料比50∶1,提取功率200W,
考察不同提取时间(20、40、60、80、100min)对总
黄酮得率的影响。从图3可以看出,总黄酮得率
随着提取时间的增加而升高,超声提取60min时
达到最大值,之后总黄酮得率呈现下降趋势。因
此从节能和提高效率的角度来看,其它条件确定
条件下超声时间选择60min。
图3 提取时间对总黄酮得率的影响
Fig.3 Effect of extraction time on the yield
of total flavonoids
2.1.4超声功率对总黄酮得率的影响 选择乙醇
体积分数80%、液料比50∶1、超声提取60min,考
察不同超声功率(100、150、200、250、300W)提取
两次对总黄酮得率的影响。由图4可知随着功率
升高总黄酮得率逐渐升高,200W 时总黄酮得率
231
11期   贺伟强等:响应面法优化箬叶总黄酮的超声提取工艺
达到最高,之后随着功率的升高得率降低,因此当
其它条件确定时,总黄酮较佳超声功率为200W。
图4 提取功率对总黄酮得率的影响
Fig.4 Effect of ultrasonic power on the yield
of total flavonoids
2.2 响应面结果与分析
2.2.1 回归模型的建立与分析 设定提取功率
为200W,利用响应面分析法对提取时间、液料比
和乙醇体积分数3个因素分析得到的试验设计方
案及结果见表2。
以箬叶总黄酮得率为响应值,表2数据经回
归拟合后,得到回归方程:Y=1.99+0.088 X1+
0.22 X2-0.046 X3+0.040 X1X2-0.021 X1X3
-0.054 X2X3-0.12 X21-0.19 X22-0.25 X23。通过
Design-Expert8.0.7对表2的数据分析,由表3
看出,箬叶总黄酮得率二次多项式模型P<0.01,
表2 Box-Behnken中心组合设计及试验结果
Table 2 Design and the results of the
Box-Behnken central component experiments
序号
提取时
间/min
(X1)
液料比/
(g·mL-1)
(X2)
乙醇体积
分数/%
(X3)
得率(Y)/%
Extraction
rate
1 -1 -1  0  1.390
2  1 -1  0  1.510
3 -1  1  0  1.767
4  1  1  0  2.047
5 -1  0 -1  1.492
6  1  0 -1  1.684
7 -1  0  1  1.582
8  1  0  1  1.692
9  0 -1 -1  1.402
10  0  1 -1  1.918
11  0 -1  1  1.278
12  0  1  1  1.577
13  0  0  0  1.988
14  0  0  0  2.028
15  0  0  0  1.944
表3 回归模型方差分析
Table 3 ANOVA for the regression model
方差来源
Variance source
平方和
Sum of squares
自由度
df
均方
Mean square
F  P
显著性
Significance
模型 Model  0.85  9  0.094  10.31  0.0097 **(P<0.01)
X1 0.062  1  0.062  6.76  0.0483
X2 0.37  1  0.37  40.99  0.0014 **(P<0.01)
X3 0.017  1  0.017  1.85  0.2322
X1X2 6.400×10-3  1  6.400×10-3  0.70  0.4403
X1X3 1.681×10-3  1  1.681×10-3  0.18  0.6855
X2X3 0.012  1  0.012  1.29  0.3073
X21 0.053  1  0.053  5.80  0.0609
X22 0.13  1  0.13  14.39  0.0127
X23 0.24  1  0.24  26.23  0.0037 **(P<0.01)
残差 Residual  0.046  5  9.115×10-3
失拟项Lack of fit  0.042  3  0.014  7.94  0.1139
纯误差Pure error  3.531×10-3  2  1.765×10-3
总和 Total egression  0.89  14
复相关系数 Multiple correlation coefficient R2=0.9489
调整确定系数 Adjusted determination coefficient R2=0.8569
331
     黑 龙 江 农 业 科 学 11期
达到极显著水平;模型的失拟项不显著(P=
0.113 9);该模型的复相关系数R2=0.948 9,表
明该模型的回归方程的拟合度良好,该方程为箬
叶总黄酮得率与提取工艺参数的数学模型[11-13]。
2.2.2响应面分析 根据建立的拟合函数,定性
分析提取时间、液料比和乙醇体积分数对箬叶总
黄酮得率的关系,每2个因素对总黄酮得率的等
高线和响应面见图5,从等高线可以看出总黄酮
得率最大值的条件应该在圆心处。比较3组图可
知,对箬叶总黄酮得率影响显著的因素,表现曲线
和响应曲面较为陡峭,对总黄酮得率影响不显著
的因素,表现曲线和响应曲面较为平缓[14],其中
超声功率对总黄酮得率影响显著(P<0.01)。单
因素 对 总 黄 酮 得 率 的 影 响 顺 序 为:超 声 功
率(X2)>提取时间(X1)>乙醇体积分数(X2)。
X1X2、X1X3、X2X3的交互作用均不显著(P>
0.05),说明超声功率、提取时间和乙醇体积分数
之间的交互作用对总黄酮得率的影响较小。
图5 各两因素对总黄酮得率的交互作用
Fig.5 Interaction of each two factors on the yield of total flavonoids
2.2.3 提取工艺的优化与验证 由Design ex-
pert8.0.7优化后的提取工艺为:液料比50∶1,提
取时间80min,超声功率234W,乙醇体积分数
76%,提取2次。在此工艺条件下进行3次重复
431
11期   贺伟强等:响应面法优化箬叶总黄酮的超声提取工艺
验证试验,得到箬叶总黄酮得率的平均值为
2.017%,达到模型预测值(2.052%)的98.29%,
证明应用响应面法建立的箬叶总黄酮得率预测模
型可靠。
3 结论
本试验以张家界的箬叶为材料,采用超声波
辅助法提取箬叶总黄酮得到的优化模拟方程为:
Y=1.99+0.088 X1+0.22 X2-0.046 X3+0.040
X1X2-0.021 X1X3-0.054 X2X3-0.12 X21-
0.19 X22-0.25 X23。根据响应面分析得到的优化
提取工艺条件为液料比50,提取时间80min,超
声功率234W,乙醇体积分数76%,提取2次,在
此工艺条件下,箬叶总黄酮得率达到2.017%,与
模型预测值2.052%非常接近。与传统的浸提法
相比较,不仅大大缩短了提取时间,而且提高了总
黄酮得率,是一种经济、快捷而且高效的提取
工艺。
参考文献:
[1] 苏春花,王福升,丁雨龙.长节箬竹叶总黄酮提取工艺[J].
林业科技开发,2010,24(5):87-90.
[2] 高梦祥,张佳烂,王江明.微波浸提竹叶黄酮的工艺研
究[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2005,33(7):
147-150.
[3] 黄京华.丛生竹黄酮类化合物的分析研究及其在分类上的
应用[J].竹子研究汇刊,1993,12(1):18-27.
[4] 魏凤玉,方菊,陈玮,等.竹叶黄酮在豆浆保鲜中的应用[J].
食品科学,2012,33(18):312-315.
[5] 崔大明,张益波,付璐,等.响应面法优化超声法提取枸杞中
总黄酮工艺[J].食品研究与开发,2011,32(3):55-59.
[6] Myers W R.Encycloedia of biopharmaceutical statistics[M].New
York:Marcel Dekker,2003:858-869.
[7] 陈魁.试验设计与分析[M].北京:清华大学出版社,1996:
94-180.
[8] 吴华勇,黄赣辉,顾振宇,等.响应曲面法优化竹叶总黄酮的
提取工艺研究[J].食品科学,2008,29(11):196-200.
[9] 余清,许慧星,肖小蓉,等.基于响应面分析法优化的乌饭树
叶总黄酮提取条件[J].食品科学,2008,24(1):93-98.
[10] 肖卫华,韩鲁佳,杨增玲,等.响应面法优化黄芪黄酮提取
工艺的研究[J].中国农业大学学报,2007,12(5):52-56.
[11] 邹建国,刘飞,刘燕燕,等.响应面法优化微波辅助提取枳
壳中总黄酮工艺[J].食品科学,2012,33(2):24-28.
[12] 候学敏,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):
124-128.
[13] 贺伟强,周奇迹,沈永根.微波辅助水浸提桑叶总黄酮的工
艺条件优化试验[J].蚕业科学,2014,40(2):295-300.
[14] 王丰俊,王运强,顾欣,等.响应面法优化超声波提取构树
叶中叶绿素的工艺研究[J].北京林业大学学报,2010,
32(6):135-140.
Optimization of Ultrasound-assisted Extraction of
Total Flavonoids from Indocalmus Leaves
HE Wei-qiang1,CHEN Zhao-gui 2,GAO Xuan1,HONG Li-zhi 1
(1.Jiaxing Vocational and Technical Colege,Jiaxing,Zhejiang 314001;2.Zhejiang Wufang-
zhai Industry Limited Company,Jiaxing,Zhejiang 314000)
Abstract:In order to optimize flavonoids extraction process from indocalmus leaves,based on single factor test,
response surface methodology was used to explore the factors of ethanol concentration,liquid-material ratio,ex-
traction time and ultrasonic power as wel as their cross-interactions on extraction rate of flavonoids.Based on
the results of response surface methodology,the optimum extraction conditions was ascertained as folows:liq-
uid-material ration was 50∶1,ethanol concentration was 76%,extraction time was 80min and ultrasonic power
was 234 W,extraction twice.Under the optimum extraction condition,the predicted extraction rate of fla-
vonoids was 2.052%and the actual extraction rate was 2.017%.The experimental values predicted from the
regression equation within a relative error of 1.71%,indicating agood fitness.
Keywords:indocalmus leaves;total flavonoids;extraction technology;response surface methodology
531