全 文 ：基金项目:国家林业科技公益项目(编号:200804033)
作者简介:郑菲(1986-),女 ,中南林业科技大学在读硕士生。
E-mail:zh engfeifei8486@126.com
通信作者:黄亮
收稿日期:2010-11-01
第 27 卷第 1 期
2 0 1 1 年 1 月
Vol.27 , No.1
Jan .2 0 1 1
10.3969/ j.issn.1003-5788.2011.01.014
响应面法优化橡实壳中多酚提取工艺条件
Optimization of ultrasound assisted extraction of polyphenols from
the acorn shuck using response surface methodology
郑　菲
ZHENG Fei
　 黄　亮
HUANG Liang
　李安平
LI An-ping 　
谢碧霞
X IE Bi-x ia 　
朱　培
Z HU Pei
(中南林业科技大学食品科学与工程学院 ,湖南 长沙　410004)
(Central south University of Forestry and Technology , College of f ood Science and
Energ y , Changsha , H unan 410004 , China)
摘要:探讨橡实壳中多酚的超声波提取工艺。以普鲁士蓝法
测定多酚含量 , 采用响应面分析法优化工艺条件。结果表
明 ,橡实壳中植物多酚提取的最佳工艺条件为:提取时间
17.4 min , 超声波功率325.6 W ,料液比 l∶29(m∶V), 提取
率预测值为 10.76%, 验证值为 10.56%。
关键词:响应面;橡实壳多酚;超声提取
Abstract:Ult rasonic p reparation conditions for acom shu ck poly phe-
n ol have been condu cted fo r using response su rface methodology and
th e polyphenols content was determined by Pru ssian Blue specIro-
ph otomet ry.The result s demon st rated that the optim um condi tion of
preparation t ime , ul t rasonic p ow er and ratio of material to liquid for
polyphenol ult rasonic p reparation is 17.4 min , 325.6 W and 1∶
29(m∶V), respectively.The p redicted value and validated value for
th e ratio of preparat ion is 10.76% and 10.56%, respectively.
Keywords:response su rface analysis methodology;aco rn shu ck- poly-
ph enols;u lt ras ou nd ext raction
橡实是泛指除大量栽培种植板栗以外的壳斗科植物果
实的总称 ,主要用作淀粉和鞣料资源[ 1] 。中国是橡实的主产
地 ,有 7 个种属 300 多种 ,分布极为广泛[ 2] 。据资料统计 ,中
国约有橡实林 1.33×107 ～ 1.67×107 m2[ 3] , 年产量大约
60 ～ 70 亿 kg[ 4] 。作为中国最大的野生木本粮食资源 , 橡实
的保健功能近年来开始引起研究人员的关注。
多酚可止血愈伤 ,抑菌抗过敏 , 尤其是具有抗氧化 、抗癌
变 、防止心脑血管疾病的功效 , 成为近年酚类物质的研究热
点[ 5-6] 。橡实中的活性物质种类多 , 多酚含量丰富且橡实价
格低廉 ,是提取多酚物质比较优良的原料。但对于橡实多酚
的研究报道很少。超声波浸提法利用超声波的机械破碎和
空化作用 ,使细胞破碎 , 进而加速浸提物从原料向溶剂的扩
散速率 , 具有提取效率高 ,反应条件温和 , 能耗低 ,提取时间
短等优点[ 7] 。本试验采用超声波提取和响应面法优化橡实
多酚提取工艺。
1　材料与方法
1.1　材料与设备
1.1.1　材料
橡实果实:多脉青冈(采自湖南衡山), 低温干燥粉碎后
过 100目筛。
多酚酸标准液(0.1 mg/ mL), 丙酮 , FeCl3 , K3 [ Fe
(CN)6] , HCl等试剂:均为国产分析纯。
1.1.2　仪器与设备
电热鼓风干燥箱:101-型 ,上海实验仪器厂有限公司;
电热恒温水浴锅:BSK2-HSQ3 , 北京周华医疗器械厂;
微型植物试样粉碎机:FZ102 , 天津市泰斯特仪器有限
公司;
电子分析天平:AR1140 , 奥豪斯(上海)公司;
可见分光光度计:722S , 上海精密科学仪器有限公司;
旋转蒸发器:R201D-Ⅱ ,郑州长城科工贸有限公司;
超声波细胞粉碎机:KS-600 , 宁波科生仪器厂。
1.2　试验方法
1.2.1　多酚含量的测定　取一定量样品溶液于 25 m L容量
瓶中 , 依次加入 0.1 mo l/ L FeCl3 0.5 mL , 0.008 mo l/ L
K3[ Fe(CN)6] 0.5 mL 和 0.1 mo l/ L HCl 0.5 m L , 定容 , 在
695 nm 处用分光光度计测定吸光度 A。
测定步骤:吸取多酚提取液 1 mL , 按普鲁士蓝法 , 在
49
695 nm 波长下 ,以空白试剂调零 , 测定 A695 与标准曲线对
照 , 根据回归方程计算样品溶液中总多酚的浓度。
1.2.2　标准曲线的绘制　取 25 mL 容量瓶 6 个编号 , 分别
添加多酚酸标准液 0.00 , 0.20 , 0.40 , 0.60 , 0.80 , 1.00 m L ,
按普鲁士蓝法 , 在 695 nm 处用分光光度计测定吸光度 A ,
由结果得到标准曲线的回归方程为:A = 1.071 9C +
0.035 2(A 为吸光度;C 为多酚浓度 , mg/ mL), 回归系数为
R2 =0.999 8。
1.2.3　提取率计算　称取 12.5 g 橡实壳粉末(m)加入一
定量的 60%丙酮 , 采用超声波浸提法进行提取 , 真空抽滤 ,
旋转蒸发 ,测定其体积(V), 稀释倍数(n), 按照测定步骤进行
操作 ,根据回归方程得提取液中的多酚浓度(ρ)。多酚提取率
按式(1)计算:
多酚的提取率 =ρ×n× v
m
×100% (1)
1.2.4　单因素试验对橡实壳多酚提取条件的优化
(1)提取时间对橡实壳多酚提取率的影响:以 60%的丙
酮为溶剂 ,在料液比为 1∶20(m∶V), 超声波功率为 300 W
时 ,分别提取 0.5 , 5 , 10 , 20 , 30 min , 比较不同超声提取时间
对橡实壳多酚提取的影响。
(2)超声波功率对橡实壳多酚提取率的影响:以 60%的
丙酮为溶剂 ,在料液比为 1∶20(m∶V), 超声时间按 1.2.4
(1)节选取的最优时间 , 分别选择 240 , 300 , 360 , 400 , 450 W
的超声波功率进行提取 ,选择最合适的超声波功率。
(3)料液比对橡实壳多酚提取率的影响:以 60%的丙酮
为溶剂 ,超声时间和功率按方法 1.2.4(1)和 1.2.4(2)优化
的结果 ,分别考察料液比为 1∶10 , 1∶20 , 1∶30 , 1∶40 , 1∶
50(m∶V)对橡实壳多酚提取率的影响。
1.3　数据分析
试验数据的处理均采用 Design Expe rt 7.1.6 软件进行
分析。
2　结果与分析
2.1　响应面分析法优化工艺设计及试验结果
根据单因素试验的结果 ,依照 Centra l Composite中心组
合 ,进行 3 因素 3 水平的试验设计 , 试验因素与水平设计见
表 1。
提取时间 、超声功率及料液比对多酚提取率的影响结果
见表 2。
表 1　响应面分析因子及水平表
Table 1　Facto rs and levels of RSM analysis
水平 A 时间/min B功率/W C料液比(m∶V)
-1 10 260 1∶20
0 15 300 1∶30
1 20 340 1∶40
表 2　响应面试验设计及结果
Table 2　Prog ram and experim enta l re sults o f RSA
试验号 A B C 提取率(R)/ %
1 0 0 1.68 9.26
2 -1 -1 -1 4.70
3 1 -1 1 7.44
4 0 0 0 10.61
5 1 -1 -1 8.02
6 0 0 0 10.65
7 -1 1 -1 6.74
8 0 -1.68 0 6.27
9 0 0 0 10.76
10 1.68 0 0 8.99
11 -1 -1 1 7.88
12 1 1 1 10.85
13 -1 1 1 11.93
14 0 0 0 10.61
15 0 0 0 9.79
16 -1.68 0 0 6.47
17 0 0 -1.68 8.06
18 1 1 -1 9.64
19 0 0 0 9.89
20 0 1.68 0 8.98
利用 Design Expe rt 软件对表 2 试验数据进行回归拟合
得到回归模型方程:
R =10.367 58+0.654 48 A+1.147 97B+0.806 79C-
0.132 50AB -0.967 50AC +0.475 00BC -0.824 86A2 -
0.861 99B2 -0.496 06C2 (2)
由表 3可知 ,模型 P 值小于 0.01极显著 , 失拟项 P 值大
于 0.05 不显著 ,说明该二次方程模型试验设计可靠 , 可以用
来确定超声波提取橡实壳多酚的最佳工艺条件。
由 P值可见:A(提取时间), B(超声功率)和 C(液料比)3
个因素对多酚提取率的影响都是极显著的 , 交互作用 AC 显
著 , BC 和 AB 不显著 ,说明三因素之间对多酚提取率的影响
非线性关系。
2.2　橡实壳多酚提取率的响应面分析与优化
图 1 ～ 3 直观地反映了各因素交互作用对响应值的影
响。比较 3组图可知:液料比与提取时间对橡实壳多酚提取
率的交互效应最为显著 , 表现为曲线较陡;而液料比与功率
对橡实壳多酚提取率的交互效应次之 , 功率与提取时间对橡
实壳多酚提取率的交互效应不显著。
50
提取与活性 　 2011年第 1期
表 3　回归分析结果
Table 3　Results o f reg ression analy sis
变异来源 平方和 自由度 均方 F值 P值
模型 62.57 9 6.95 13.85 0.000 2
A 5.85 1 5.85 11.65 0.006 6
B 18.00 1 18.00 35.85 0.000 1
C 8.89 1 8.89 17.71 0.001 8
AB 0.14 1 0.14 0.28 0.608 4
AC 7.49 1 7.49 14.92 0.003 1
BC 1.81 1 1.81 3.60 0.087 2
A 2 9.81 1 9.81 19.53 0.001 3
B2 10.71 1 10.71 21.33 0.001 0
C2 3.55 1 3.55 7.06 0.024 0
残差 5.02 10 0.50
失拟项 4.11 5 0.82 4.51 0.062 0
纯误差 0.91 5 0.18
总变异 67.59 19
通过软件 Design-Expert 求解方程 , 即对模型方程求一
阶偏导 , 可以求出模型的极值点:A = 0.48 , B = 0.64 ,
C =-0.1 , 经过转换得出最优提取条件为:提取时间为
17.4 min , 超声功率为 325.6 W ,料液比为 1∶29(m∶V), 最
大提取率为 10.76%。而采用该试验条件进行验证实验得到
提取率为 10.56%, 这说明该方程与实际情况符合得很好。
图 1　料液比与时间对橡实壳多酚提取率的交互影响
F igure 1　The contour plot o f the effect of liquid to
material ratio and ex traction time on
aco rn shuck-polypheno ls yield
3　结论
依据回归分析确定最优提取工艺条件 , 得到橡实壳多酚
超声波提取最佳条件为:提取时间 17.4 min、(下转第 77 页)
51
第 27卷第 1期 郑　菲等:响应面法优化橡实壳中多酚提取工艺条件 　
x——— 算子模板行坐标;
y ——— 算子模板列坐标。
加权系数 p 中 A 的值分别为:图 6(b)A =5 , 图 6(c)
A =7 , 图 6(d)A =9。由图 6 可知 ,(b)图栅格点不够清晰
难以有效分辨 ,(d)图栅格点部分相连 , (c)图栅格点清晰可
有效分辨。
试验对 30 帧图像纵向栅格点进行统计(见表 2), 并做分
布统计图(见图 7)。由图 7 可知 , 栅格点数全部都在 22 以
上 ,纵轴长度为 44 mm , 激光纵轴分辨率小于 2 mm。若提高
托盘运动速度达到 0.3 m/ s ,则激光横轴分辨率可达 2 mm。
表 2　栅格数统计表
Table 2　Grid statistical table
图像
帧数
图栅格
点数
1 39
2 36
3 41
4 37
5 40
6 37
7 39
8 26
9 34
10 38
图像
帧数
图栅格
点数
11 40
12 36
13 41
14 25
15 39
16 38
17 35
18 40
19 34
20 37
图像
帧数
图栅格
点数
21 37
22 34
23 38
24 36
25 32
26 38
27 39
28 35
29 41
30 38
图 7　激光栅格分布统计图
Figure 7　Laser g rid statistical image
5　结论
肉碎骨图像采集控制系统设计完成后 , 经过安装与调
试 ,可通过步进电动机带动传送带运动 , 实现托盘和物块的
往复运动以及多个自动循环 ,系统运行良好。本试验对系统
采集的激光及 X射线图像经行了试验分析 ,激光图像分辨率
可达 2 mm , X射线图像分辨率可达 1 mm , 系统有效的提高
了数据采集的效率和准确性。利用本系统采集的激光图像
可测量肉激光图像立体轮廓信息 ,用以补偿采集的肉 X射线
图像受肉厚度不规则影响产生的图像灰度偏差 , 补偿后的 X
射线肉图像易于识别碎骨异物 ,为肉加工碎骨自动化剔除作
业提供新的技术手段。
参考文献
1　边振瑚 ,杨胜军.中国农产品出口分析[ R] .北京:中华人民共和
国商务部 , 2010.
2　周林妹.数字图像边缘检测算法及其在农产品加工中的应用[ J] .
食品与机械 , 2009 , 25(3):139～ 142.
3　刘晓艳 ,李晓芳, 成坚 ,等.机械去骨禽肉糜的应用及研究进展
[ J] .食品与机械 , 2009 , 25(3):132～ 134.
4　黎移新.柑橘病虫害疤痕的计算机视觉识别[ J] .食品与机械 ,
2009 , 25(3):78～ 81.
5　张还.三菱电机株式会社[ M ] .北京:机械工业出版社 , 2009:
103～ 141.
6　钟肇新.可编程控制器原理及应用[ M] .北京:华南理工大学出
版社 , 2008.
7　迟君平 ,王斌 ,李业友.模块化编程方法在 PLC程序开发中的应
用[ J] .微计算机信息 , 2005(6):26～ 27.
8　袁清珂 ,周鹏 ,刘奕华 ,等.挤压式织物脱水机的设计与开发[ J] .
机床与液压 , 2010 , 38(9):54～ 56.
9　樊金荣 ,张志俊.PLC的顺序功能图控制设计法[ J] .机电工程技
术 , 2008 , 37(3):59～ 84.
10　高士杰.基于 PLC技术的果汁生产控制系统的设计[ J] .制造自
动化 , 2010 , 32(2):129～ 131.
11　朱善君.可编程序控制系统原理应用及维护[ M ] .北京:清华大
学出版社 , 2002.
12　潘俊杰 ,赵宝升.影响 X射线像增强器分辨率的因素分析[ J] .光
子学报 , 2008 , 37(6):116～ 118.
(上接第 51页)超声波功率 325.6 W 、液料比 1∶29(m∶V),
提取率预测值为 10.76%, 验证值为 10.56%, 与预测值的相
对误差为 0.35%。说明通过响应面法得到了一个较好预测
试验结果的模型方程。
参考文献
1　胡芳名 ,李建安.湖南省主要橡子资源综合开发利用的研究[ J] .
中南林学院学报 , 2000 , 20(4):41～ 45.
2　郑万钧.中国树木志[ M] .北京:中国林业出版社 , 1984.
3　谢碧霞 ,谢涛.我国橡实资源的开发利用[ J] .中南林学院学报 ,
2002 , 22(3):37～ 41.
4　孙建霞 ,孙爱东 ,白卫滨 ,等.苹果多酚的提取工艺及其对油脂的
抗氧化作用[ J] .食品与发酵工业 , 2005 , 31(3):122～ 124.
5　王聪慧 ,张星星 ,孙莉颖 ,等.茶多酚药理作用研究进展[ J] .中国
药业 , 2010 , 19(4):62～ 63.
6　邵芳芳 ,尹卫平 ,梁菊 ,等.重要的植物多酚及其抗氧化性能的研
究概况[ J] .西北药学 , 2010 , 25(1):66～ 68.
7　曾献 ,袁英姿 ,曹清明 ,等.油茶籽多酚的提取研究[ J] .食品与机
械 , 2008 , 24(4):69～ 72.
77
包装与机械 　 2011年第 1期