全 文 ：书山 东 化 工
收稿日期:2016 － 09 － 23
基金项目:忻州师范学院大学生科技创新项目(院政字 2015 － 88);忻州师范学院应用化学创新实践基地(2013 － 31)
作者简介:张翰韬(1994—)，女，本科在读，研究方向:天然植物活性成分分离;通讯作者:张海容(1957 －)，男，教授，博士，研
究方向:有机分析。
响应面法优化超声辅助萃取凤尾草多糖工艺
张翰韬，张海容*
(忻州师范学院 生化分析技术研究所，山西 忻州 034000)
摘要:本实验利用响应面分析法研究超声辅助萃取凤尾草多糖的提取工艺。在单因素的实验基础上，采用四因素三水平的响应面优化
法，根据 Box － Behnken的中心组合试验设计原理，以多糖产率为响应面值，确定超声提取凤尾草多糖的最佳提取条件是超声功率 400W，
温度 40℃，时间 30min，液固比 43∶1。验证性实验证明多糖的产率为 14． 60%，与模型预测值 14． 83%非常接近。对比试验说明，超声提
取节能省时，可用于多糖的提取工艺。
关键词:凤尾草;多糖;超声提取;响应面分析法
中图分类号:O658． 2 文献标识码:A 文章编号:1008 － 021X(2016)21 － 0028 － 04
Optimization of Ultrasound － assisted Extraction of Polysaccharides from All － grass of
Chinese Brake by Ｒesponse Surface Methodology
Zhang Hantao，Zhang Hairong*
(Institute of Biochemical Analysis Technology，Xinzhou Teachers University，Xinzhou 034000，China)
Abstract:The technology of ultrasound － assisted extraction of polysaccharides from all － grass of chinese brake was investigated
with response surface methodology． On the basis of single factor experiment，according to the principle of the centre of the Box －
Behnken combination experiment design with the four factors and three levels，the optimum conditions of ultrasonic extraction all
－ grass of Chinese Brake polysaccharide were determined with polysaccharide yield as a response surface value． The best
extraction conditions were 400W of ultrasonic power，40℃ of extraction temperature，30min of extraction time and 43∶1(mL/g)of
liquid － solid ratio． The extraction efficiency of polysaccharides was up to 14． 60% under the optimized conditions and the model
predicted value was 14． 83% ． Contrast test showed that the method was energy － saving and time － saving extraction technology，
which can be used for polysaccharide industrial extraction process．
Key words:all － grass of Chinese Brake;polysaccharides;ultrasound － assisted extraction;response surface methodology
凤尾草，学名 all － grass of Chinese Brake，一种蕨类植物，属
于凤尾蕨科、凤尾蕨属。以全草入药，性凉，味微苦，具有清热
利湿、凉血止血、消肿解毒等功效，用于治疗痢疾、肠炎、黄疸型
肝炎、吐血、便血、尿血等病症［1］。凤尾草作为传统中草药，具
有很高的药用价值。它的化学成分主要有黄酮类、萜类化合
物、甾醇类、苯丙素类及多糖类、氨基酸等［2］。醇提物与水提物
两种提取物有抑菌活性［3］和抗肿瘤作用［4］。多糖具有复杂重
要和多方面的生物学活性，它能控制细胞增殖分化，调节细胞
生长与衰老，可抗肿瘤、抗病毒、抗氧化、降血脂、降血糖等［5］。
中药多糖是一种重要的天然大分子物质，在抗肿瘤的药理作用
方面已得到肯定，且相比于其他化疗药物无毒副作用［6］。因此
开展凤尾草多糖的提取工艺研究有多种潜在应用价值。
响应曲面设计方法［7］(Ｒesponse Surface Methodology，ＲSM)
是通过中心组合设计实验，采用多元二次回归方程来拟合，从
而建立回归方程和响应面模型对提取工艺进行优化。响应面
分析已被越来越多的用于中药有效成分化工处理过程的优化。
超声辅助萃取是采用超声波辅助溶剂进行提取，超声波产生高
速、强烈的空化效应和搅拌作用破坏植物药材的细胞，使溶剂
渗透到药材细胞中，可大大缩短提取时间，提高提取率，且不破
坏生物活性［8］。经文献调研，对凤尾草的研究多集中在黄酮类
物质的提取，有关凤尾草多糖超声萃取方法未见报道。本文应
用响应面分析法对凤尾草多糖提取工艺进行优化，并与传统水
煮法，进行对比研究，为凤尾草多糖的深入研究提供科学依据。
1 实验部分
1． 1 材料与仪器
凤尾草(购于忻州市五台山大药房)，干燥后粉碎过 60 目
筛，装入磨口瓶中备用。d －无水葡萄糖(北京化工厂);苯酚
(天津市风船化学试剂科技有限公司);浓硫酸(天津市风船化
学试剂科技有限公司)。所用试剂均为分析纯。
UV －1800 型紫外可见分光光度计(日本岛津);HH － 2 数
显恒温水浴锅(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司);AB204
－ N型电子分析天平;SHZ － D(Ⅲ)循环水式真空泵(巩义市予
华仪器有限公司);KQ － 400KDE 型高功率数控超声波清洗器
(昆山市超声仪器有限公司)。
·82· SHANDONG CHEMICAL INDUSTＲY 2016 年第 45 卷
DOI:10.19319/j.cnki.issn.1008-021x.2016.21.011
第 21 期
1． 2 实验方法
1． 2． 1 凤尾草多糖的制备
精确称取 0． 2 g凤尾草样品于试管中，加一定比例的蒸馏
水溶解，按设定的条件置于超声波清洗器中进行超声提取，分
离上清液，过滤，蒸馏水定容，得凤尾草多糖样品溶液。
1． 2． 2 凤尾草多糖含量的测定
硫酸―苯酚法［9］:精密量取(100μg /mL)葡萄糖工作液
0． 2、0． 4、0． 6、0． 8、1． 0、1． 2、1． 4 mL置于 7 支比色管中，用二次
蒸馏水补水至 2 mL，各加入 1 mL 5%的苯酚溶液，再加 98%浓
硫酸 5mL，摇匀，沸水浴 10min后冷却至室温。以试剂空白作参
比，在 490 nm 波长处测定吸光度值，以吸光度 A 为纵坐标，浓
度 C(μg /mL)为横坐标绘制标准曲线，得回归方程 A =0． 0135C
－ 0． 0270，Ｒ2 = 0． 9973。
凤尾草多糖产率的计算:
多 糖 产 率 (%) =
浓度(μg /mL)×样品稀释倍数 ×样品液体积(mL)
原料干重 × 106
× 100%
1． 3 响应面法提取工艺优化
根据 Box － Behnken的中心组合试验设计原理，在单因素试
验基础上，选取对多糖产率影响显著的 4 个因素，A代表超声功
率、B代表超声温度、C代表超声时间、D代表液固比，以凤尾草
多糖提取率为响应值(P)，每一个自变量的低、中、高试验水平
分别以 － 1、0、1 进行编码，采用响应面分析法，试验与水平设计
见表 1。
表 1 试验因素与水平设计
Table1 The design of experimental factors and levels
因素 水平
A功率 /W 240 320 400
B温度 /℃ 30 40 50
C时间 /min 20 30 40
D液固比 /(mL /g) 30 40 50
2 结果与讨论
2． 1 响应面优化实验［10］
2． 1． 1 中心组合设计实验结果
根据单因素优化实验结果的基础上(见表 1)，利用实验设
计软件 Design － Expert，根据 Box － Behnken Design，设计得到四
因素三水平的响应面分析试验方案及结果见表 2 所示。以提
取产率为响应值，经多元回归拟合，得到多糖产率预测值对 A、
B、C、D编码值的二次回归模型方程:产率(%)= 14． 86 + 0． 72A
－ 0． 42B － 0． 16C + 0． 50D + 0． 56AB － 1． 84AC + 0． 33AD － 0． 38
BC － 5 × 10 －3 BD － 0． 94CD － 1． 38A2 － 1． 31B2 － 2． 44C2 － 1． 33
D2，回归模型方差分析见表 3。
表 2 响应面分析试验方案及结果
Table 2 The experimental methods and results with response surface analysis
实验号 A B C D 多糖产率 /%
1 0 0 0 0 13． 38
2 0 0 0 0 13． 26
3 1 0 0 1 12． 34
4 － 1 0 1 0 12． 35
5 0 0 1 1 9． 65
6 － 1 0 0 1 11． 14
7 0 － 1 0 － 1 12． 86
8 0 － 1 1 0 10． 39
9 1 0 0 － 1 13． 52
10 0 1 0 1 11． 94
11 1 1 0 0 12． 72
12 1 0 － 1 0 13． 77
13 0 0 0 0 15． 59
14 1 0 1 0 11． 15
15 － 1 0 － 1 0 7． 60
16 0 0 － 1 1 12． 29
17 － 1 0 0 － 1 13． 63
18 0 0 0 0 15． 88
19 0 － 1 0 1 16． 53
20 0 0 1 － 1 10． 34
21 0 1 1 0 11． 57
22 1 － 1 0 0 11． 47
·92·张翰韬，等:响应面法优化超声辅助萃取凤尾草多糖工艺
山 东 化 工
表 2(续表)
Table 2 The experimental methods and results with response surface analysis
实验号 A B C D 多糖产率 /%
23 － 1 1 0 0 10． 31
24 0 1 － 1 0 13． 62
25 0 0 0 0 16． 17
26 0 0 － 1 － 1 9． 20
27 0 － 1 － 1 0 10． 91
28 0 1 0 － 1 8． 29
29 － 1 － 1 0 0 11． 32
表 3 回归模型方差分析
Table 3 Analysis of variance for quadric regression model
变异来源 平方和 自由度 均方 F － value P(prob ＞ F)
Model 81． 72 14 5． 84 1． 43 0． 2573
A －功率 6． 19 1 6． 19 1． 51 0． 2389
B －温度 2． 11 1 2． 11 0． 52 0． 4846
C －时间 0． 31 1 0． 31 0． 077 0． 7859
D －液固比 3． 05 1 3． 05 0． 75 0． 4024
AB 1． 28 1 1． 28 0． 31 0． 5852
AC 13． 58 1 13． 58 3． 32 0． 0899
AD 0． 43 1 0． 43 0． 10 0． 7508
BC 0． 59 1 0． 59 0． 14 0． 7109
BD 0． 0001 1 0． 0001 0． 00002445 0． 9961
CD 3． 57 1 3． 57 0． 87 0． 3659
A2 12． 42 1 12． 43 3． 04 0． 1032
B2 11． 10 1 11． 10 2． 71 0． 1218
C2 38． 75 1 38． 75 9． 47 0． 0082
D2 11． 53 1 11． 53 2． 82 0． 1154
残差 57． 27 14 4． 09
失拟 49． 23 10 4． 92 2． 45 0． 2011
误差 8． 04 4 2． 01
Cor Total 总和 138． 99 28
由表 3 模型方差分析知，该模型反应了凤尾草多糖产率与
超声时间、功率、温度以及液固比的关系，整体模型 P ＞ 0． 05，表
明二次方程模型显著性不很理想，失拟项 P ＞ 0． 05，差异性不显
著，说明该模型拟合程度良好，该模型可借鉴用于对凤尾草多
糖超声提取效果进行分析和预测。从回归方程模型因变量的
方差分析可知，一次项、交互项差异不显著，二次项 C2 差异性
极显著，超声功率和液固比对多糖产率的主效应明显。根据系
数值 A =0． 72，B = 0． 42，C = 0． 16，D = 0． 50，可知因素的主效应
关系为:超声功率 ＞液固比 ＞超声温度 ＞超声时间。(极显著:
P ＜ 0． 01，显著:0． 01 ＜ P ＜ 0． 05)。
2． 1． 2 最佳工艺条件确定［11］
求解回归方程，可确定最佳的条件，另方程的一阶导数等
于零，可以得到曲面的最大点，求导后方程整理得:
－ 2． 76A + 0． 56B － 1． 84C + 0． 33D + 0． 72 = 0
0． 56A － 2． 26B － 0． 38C － 5 × 10 － 3D － 0． 42 = 0
－ 1． 84A － 0． 38B － 4． 48C － 0． 94D － 0． 16 = 0
0． 33A － 5 × 10 －3B － 0． 94C － 2． 66D + 0． 50 = 0
解之得:A = 0． 487684，B = － 0． 01575，C = － 0． 28254，D =
0． 348347
又可由 A =(a － 320)/80，B =(b － 40)/10，C =(c － 30)/
10，D =(d － 40)/10
解得 a = 359W，b = 40℃，c = 27min，d = 43 mL /g 即超声功
率、温度、时间、液固比分别为 359W，40℃，27min，43 mL /g，此时
多糖的产率最大。所以响应面优化最佳提取条件超声功率
359W，超声温度 40℃，超声时间 27min，液固比为 43 mL /g，所得
多糖的最大产率为 14． 83%。为了检验响应面法的可行性，采
用得到的最佳提取条件进行凤尾草多糖浸提的验证实验，在实
验条件允许的条件下选取超声功率为 400W，温度 40℃，时间
·03· SHANDONG CHEMICAL INDUSTＲY 2016 年第 45 卷
第 21 期
27min，液固比 43 mL /g，进行验证性实验，验证性实验表明产率
为 14． 60%。
2． 2 超声提取法与传统水煮法的对比实验
对超声辅助萃取与传统水煮法进行对比。精确称取 2 g凤
尾草样品，以固液比为 1∶ 43 加入蒸馏水 86 mL，80℃恒温水浴
煮 420min，过滤，取滤液定容，测定吸光度。称取凤尾草样品
0． 2 g于锥形瓶中，加 8． 6 mL蒸馏水，置于超声清洗器中 27min，
超声温度控制为 40℃，取出后过滤定容，测其吸光度，计算其产
率。对比结果见表 4。
表 4 传统水煮与超声提取对比试验
Table 4 Comparison of traditional hot water extraction
to ultrasonic extraction
因素 传统水煮 超声提取(本法)
功率 /W / 400
温度 /℃ 80 40
液固比 /(mL /g) 43 43
时间 /min 420 27
多糖产率 /% 13． 58 14． 60
经对比可以看出，超声法提取凤尾草多糖的产率略高于传
统法。传统法所用时间是超声法的大约 14 倍，所需温度是其
的 2 倍，耗时长且耗能多。超声法所用温度低，可为一些热稳
定性差的物质的提取提供有利条件。所以超声辅助多糖的萃
取既可节省时间，又可降低能耗，可以应用于多糖的提取工艺。
3 结论
(1)本实验在单因素实验的基础上，应用响应面法优化凤
尾草多糖的提取。根据回归分析得到凤尾草多糖提取的最佳
条件为:超声功率 400W，超声温度 40℃，超声时间 30min，液固
比为 43∶1，得到凤尾草多糖的实际产率为 14． 60%。与模型预
测值 14． 83%十分接近，说明响应面法适用于优化凤尾草多糖
的超声提取工艺。
(2)实验用本法与常规水煮法进行对比，由结果知超声萃
取产率高于常规提取，超声提取节能省时，因此超声法可优化
多糖的传统提取工艺。
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