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紫茉莉种外皮多酚提取工艺的响应面法优化研究



全 文 :北方园艺2013(07):147~150 ·贮藏保鲜加工·
第一作者简介:王新红(1974-),女,硕士,讲师,现主要从事天然植
物活性成分的提取与活性测试方面的研究工作。E-mail:wangx-
hong1227@163.com.
基金项目:江苏省高校自然科学基础研究资助项目(12KJD150012);
2012年盐城师范学院自然科学研究资助项目(12YCKL005)。
收稿日期:2012-12-10
紫茉莉种外皮多酚提取工艺的响应面法优化研究
王 新 红,吴 秀 红,左 玉 香
(江苏盐城师范学院 化学化工学院,江苏 盐城224051)
  摘 要:以紫茉莉种外皮为原料,在单因素试验基础上,采用响应面优化设计,研究了提取时
间、超声温度、液固比和乙醇浓度对多酚提取量的影响,并分析了各因素的显著性和交互作用。
结果表明:优化的最优工艺为超声时间46min,超声温度62℃,液固比23mL∶1g,乙醇浓度
75%。在此条件下紫茉莉种外皮多酚提取量为4.41mg/g,表明响应面回归方程模型科学合理,
可用于实际预测。
关键词:紫茉莉种外皮;响应面法;多酚
中图分类号:S 685.16 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2013)07-0147-04
  紫茉莉(Mirabilis jalapaL)属紫茉莉科紫茉莉属多
年生草本花卉,在我国内地可普遍生长。紫茉莉易栽培
易管理,生命力极其旺盛。紫茉莉除观赏外,它的根、
叶、花可入药,叶、胚乳可制化妆用香粉。研究表明,其
根、茎、花、叶及种子中的主要化学成分具有一定的生物
活性和药理作用,其药用主要在于它可以治疗利尿、泻
热、活血散瘀;可治淋浊、急性关节炎、疥疮创伤、葡萄疮
等疾病[1-2]。具有重要生理活性的植物多酚类化合物可
以作为活性氧消除剂和脂质抗氧化剂的来源[3],也可以
在抗自由基、抗肿瘤和抗心脑血管疾病等方面发挥药
效[4]。但是对于紫茉莉种外皮的活性成分的提取研究
鲜见报道,对紫茉莉种外皮的活性成分提取进行深度开
发研究具有重要意义和经济价值。该试验在单因素试
验的基础上,采用响应面分析法[5-6],在Design-Expert
7.1.6软件的支持下优化提取工艺,获得最优工艺参数,
以期为紫茉莉种外皮的工业和药学利用提供一定参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
紫茉莉种外皮:紫茉莉种子于2011年8月在盐城
的花卉种植园采摘。剥开种子,弃掉内瓤,留下外皮,在
50℃下烘干至恒重,然后用植物粉碎机粉碎后过100目
筛收集粉末,即为紫茉莉种外皮原料粉,放置在密封阴
凉干燥处待用。
Folin-Ciocalteu试剂由上海国药试剂有限公司提
供;无水乙醇、铁氰化钾、磷酸钠、氯化高铁、碳酸钠、磷酸
二氢钠、磷酸氢二钠等均为分析纯。试验用水为双纯蒸
馏水。
仪器与设备:德国耶拿公司SPECORD-50紫外分光
光度计;FA2004N型电子分析天平,上海精密科学仪器
有限公司;KQ-500E超声波仪器,昆山市超声仪器有限
公司;HH-6型数显恒温水浴锅,金坛市富华仪器有限公
司;SHZ?Ⅲ型循环水式真空泵,上海亚荣生化仪器厂;
RE-52AA型旋转蒸发器,上海亚荣生化仪器厂。
1.2 试验方法
1.2.1 紫茉莉种外皮多酚类物质的提取 精确称取紫
茉莉种外皮原料粉2.00g放入烧瓶中,加入一定量的提
取溶剂,在一定超声波条件下提取多酚类物质,抽滤后
40℃浓缩至一定体积,定容至100mL后密封避光储存
待测。
1.2.2 多酚的测定 采用Folin-Ciocalteu试剂法测
定[7]:准确吸取不同体积提取液于具塞比色管中,加入
2.0mL Folin-Ciocalteu试剂,4min后加入2.0mL饱
和Na2CO3溶液,室温下静置90min后,在760nm处测
量吸光度。根据标准曲线计算提取液中的多酚含量。
用没食子酸做标准物质,提取液中总酚含量表示为每克
干重植物中含有的没食子酸的量。没食子酸标准曲线
方程:y=0.0629x+0.0018,R2=0.9947,其中y表示吸
光度,x表示没食子酸含量(单位:mg/g)。
1.2.3 紫茉莉种外皮多酚提取的单因素试验 分别以
超声温度、超声时间、液固比和乙醇浓度4个因素作单
因素试验,研究各因素对多酚提取量的影响。
1.2.4 响应面分析法优化工艺条件 根据单因素试验
结果,利用Design-Expert 7.1.6软件进行响应曲面设
计,优化紫茉莉种外皮多酚的提取工艺。
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·贮藏保鲜加工· 北方园艺2013(07):147~150
2 结果与分析
2.1 单因素试验结果
2.1.1 乙醇浓度的确定 试验采用乙醇浓度分别为
0%、30%、50%、70%、90%,在超声温度50℃,超声时间
40min,液固比20∶1(mL∶g)的条件下,研究不同浓度
的乙醇对紫茉莉种外皮中多酚提取率的影响。结果表
明,多酚提取率随乙醇浓度增加呈现递增趋势,到乙醇
浓度为70%时提取率最大,而70%以后多酚提取率呈下
降趋势,因此试验选范围为50%~90%的乙醇作溶剂较
合适。
2.1.2 超声时间的确定 在超声温度50℃、液固比
20∶1(mL∶g)的条件下,分别采用70%的乙醇溶液浸
提紫茉莉种外皮,研究超声时间从10~60min对多酚提
取率的影响。结果表明,随时间延长,超声波对物料的
提取效应更加充分,多酚提取率随时间增加而增加,到
达40min时达到最大值,随时间的增加,提取量有所下
降。因此超声提取时间的最合适范围为30~40min。
2.1.3 超声温度的确定 采用70%的乙醇溶液,按液
固比20∶1(mL∶g),超声时间40min,分别在20、30、40、
50、60、70℃的条件下对紫茉莉种外皮超声提取。结果表
明,多酚提取量随着温度升高逐渐增大,在到达50℃后提
取量逐渐趋于平缓,可能是由于随着温度升高,多酚的化
学结构遭到破坏,另外在高温下乙醇挥发使料液比改变,
影响提取量。因此超声提取温度的最适范围为30~70℃。
2.1.4 液固比的确定 在50℃分别以液固比10∶1、
15∶1、20∶1、25∶1、30∶1(mL∶g)的70%乙醇溶液对紫
茉莉种外皮超声浸提50min,考察液固比对多酚提取率的
影响。由结果可知,多酚提取量随液固比增大而逐渐增
大,20∶1后提取量趋于平缓,说明多酚的浸出量已达饱
和,因此,液固比最合适范围为15∶1~25∶1(mL∶g)。
2.2 响应面分析法优化工艺条件
2.2.1 响应面设计及结果分析 综合单因素试验结果,
应用Design Expert 7.1.6软件,采用Box-Behnken Design
(BBD)建立数学模型[8],以紫茉莉种外皮多酚提取量(Y)
为响应值,以超声时间(A)、超声温度(B)、液固比(C)和
乙醇浓度(D)为自变量,通过响应曲面分析法优化提取
条件。试验采用4因素3水平共29个试验组进行响应
面分析。提取工艺响应面分析试验因素与水平设计见
表1,由BBD设计方案所得的结果见表2。利用Design
Expert 7.1.6统计软件对表2中试验数据进行回归拟
合,得到紫茉莉种外皮多酚的提取量对所选4个因素的
二次多项回归模型为:Y=-0.47925+0.015976X1+
0.038708X2+0.021339X3 +0.082955X4 -4.37500×
10-5 X1X2+4.07500×10-4 X1X3-6.75000×10-5 X1X4-
4.0×10-5 X2X3-1.78125×10-4 X2X4+1.63750×10-4
X3X4 -2.00375×10-4 X12 -1.86938×10-4 X22 -
1.08275×10-3 X32-4.84750×10-4 X42 (1)。…………
表1 提取工艺响应面分析试验因素与水平
  Table 1 Factors and levels in response surface analysis
因素
水平
-1  0  1
A超声时间/min  30  40  50
B超声温度/℃ 40  50  60
C液固比/mL·g-1  15∶1  20∶1  25∶1
D乙醇浓度/% 50  70  90
  表2 提取工艺响应面分析试验设计及结果
  Table 2 Experimental design and results for response surface analysis
试验号 X1 X2 X3 X4 Y多酚提取量/mg·g-1
1  0 -1 -1  0  4.011
2  0  0  1 -1  3.892
3  0  0  0  0  4.351
4  0  0 -1  1  4.138
5  1  0  0 -1  3.991
6  0 -1  0 -1  3.807
7  0  1  0  1  4.204
8  0  1  0 -1  4.105
9 -1  0  0  1  4.211
10  0  0  0  0  4.348
11 -1  0  0 -1  3.899
12  1  0  0  1  4.195
13  0  1 -1  0  4.267
14  1 -1  0  0  4.147
15  0  0  1  1  4.269
16  0  0  0  0  4.340
17 -1  1  0  0  4.278
18  1  0  1  0  4.309
19  0  0  0  0  4.362
20 -1  0 -1  0  4.168
21  0 -1  0  1  4.191
22  0  1  1  0  4.303
23  1  1  0  0  4.316
24 -1  0  1  0  4.115
25 -1 -1  0  0  4.039
26  1  0 -1  0  4.036
27  0  0  0  0  4.338
28  0  0 -1 -1  3.892
29  0 -1  1  0  4.079
  表3 方差分析结果
  Table 3 Results of variance analysis
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性
模型 0.708  14  0.0505  73.857 <0.0001 ***
X1 0.007  1  0.0067  9.823  0.0073 **
X2 0.120  1  0.1198  175.078 <0.0001 ***
X3 0.017  1  0.0173  25.213  0.0002 **
X4 0.219  1  0.2192  320.402 <0.0001 ***
X1X2 0.001  1  0.0012  1.790  0.2022
X1X3 0.027  1  0.0266  38.828 <0.0001 ***
X1X4 0.003  1  0.0029  4.262  0.0580
X2X3 0.000  1  0.0003  0.374  0.5506
X2X4 0.020  1  0.0203  29.676 <0.0001 ***
X3X4 0.004  1  0.0043  6.270  0.0253 *
X12  0.042  1  0.0417  60.896 <0.0001 ***
X22  0.036  1  0.0363  53.003 <0.0001 ***
X32  0.076  1  0.0760  111.133 <0.0001 ***
X42  0.244  1  0.2439  356.402 <0.0001 ***
残差 0.010  14  0.0007
失拟项 0.009  10  0.0009  9.9900  0.0200 *
纯误差 0.000  4  0.0001
总离差 0.717  28
  注:***差异极度显著(P<0.0001);**差异高度显著(P<0.01);*差异显
著(P<0.05)。
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北方园艺2013(07):147~150 ·贮藏保鲜加工·
对以上模型进行方差分析的结果见表3。由表3可
知,失拟项P=0.0200<0.05,表明差异显著。模型
P<0.0001,表明回归模型极度显著,拟合程度好。各因
素中一次项(X1、X2、X3)和二次项(X21、X22、X23)的P值
均在0.05以下说明其对响应值Y影响显著,而交互项
(X1X2、X1X4、X2X3)的P值有的大于0.05,说明其对结
果影响不显著。
2.2.2 模型优化 为进一步确定最佳提取工艺参数,对
回归模型(1)进行手动优化,删除不显著项,回归方程如
   
下:Y=-0.16275+9.06333×10-3 X1+0.036158X2+
0.019339X3+0.080255X4 +4.07500×10-4 X1X3 -
1.78125×10-4 X2X4+1.63750×10-4 X3X4-2.00375×
10-4 X12-1.86938×10-4 X22-1.08275×10-3 X32-
4.84750×10-4 X42……(2),由结果可知,删除不显著项
后,失拟项(P=0.0154<0.05)差异不显著,R2=0.9805,
说明模型拟合度良好,试验误差较小,因此可用该模型
对超声波辅助提取紫茉莉种外皮多酚的工艺进行分析
预测。
图1 2个因素交互作用对多酚提取量的影响
Fig.1 Interactive efects of liquid-to-solid ratio,ethanol concentration,temperature and extract time on total phenol content
2.2.3 响应曲面图分析 响应面图形是响应值对各因
素所构成的三维空间的曲面图。根据回归方程(2),作
响应曲面图(图1左),图1是根据优化后的模型作出的
提取时间(A)、超声温度(B)、液固比(C)和乙醇浓度(D)
分别对提取量(Y)的交互影响曲面图。由图1可以看
出,3个因素对提取量的影响与单因素试验结果基本一
致,呈现先增大后缓降的趋势,但乙醇浓度对多酚的影
响较明显,其次是液固比,最后是时间。响应曲面对应
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的等高线如图1右所示。图1中的等高线的形状均为
椭圆形,则说明2个因素交互作用显著。图1直观地反
映了各因素对响应值的影响。对图1进行分析可得出,
乙醇浓度与液固比之间的交互作用最显著,其次是温度
与乙醇浓度之间的交互作用,最弱液固比与时间的交互
作用。
2.2.4 紫茉莉种外皮多酚提取工艺条件的优化与验证
 从优化后模型中可求得最优工艺参数为超声时间
46.37min,超声温度61.78℃,液固比23.35∶1(mL∶g)
和乙醇浓度为75.37%(体积百分数),此时紫茉莉种外皮
多酚的最大提取量为4.41mg/g。对于优化后的最佳未
包括在在响应面优化的试验中,所以需要进行验证。考虑
到实际操作的可行性,将以上提取工艺条件做了修正,超
声时间46min,超声温度62℃,液固比23∶1(mL∶g),乙
醇浓度75%。试验进行3次平行试验,得到多酚的最终
平均提取量为4.397mg/g,与理论预测值基本接近。这
说明模型方程与实际情况拟合很好,优化的提取工艺参
数真实可靠说明响应面分析法适用于工艺的回归分析
和参数优化,具有实用价值。
3 结论
利用 Design Expert 7.1.6,采用 Box-Behnken
Design响应面分析法,建立了4个因素对多酚含量测定
的模型。由模型进行回归分析表明,乙醇浓度对多酚的
提取影响最显著,其次是液固比。由建立的回归模型显
著进一步得到了超声波辅助提取紫茉莉种外皮多酚最
优工艺:在以75%乙醇溶液为提取溶剂、液固比23∶1
(mL∶g)、62℃浸提46min,多酚提取量为4.397mg/g,
与理论预测值基本接近,证明在BBD响应面法优化得到
的提取工艺条件下,可得到高的多酚提取量,结果准确
可靠,可用于实际预测。这为该法在天然植物的活性成
分的提取和分离中的应用提供了依据。
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Study on Optimization of Extraction Process by Response Surface from
Total Phenol of Mirabilis jalapaSeed Epicarp
WANG Xin-hong,WU Xiu-hong,ZUO Yu-xiang
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Yancheng Teachers University,Yancheng,Jiangsu 224051)
Abstract:Taking Mirabilis jalapaseed epicarp as material,using response surface methodology(RSM),based on single
factor experiments,the efect of extraction temperature,extraction temperature,liquid-to-solid ratio and ethanol
concentration on extraction content of total phenol were investigated,and the significance of the various factors and
interactions were analyzed.The results showed that the optimal extraction conditions were extraction time of 46min,
extraction temperature of 62℃,liquid-solid ratio of 23∶1mL/g and ethanol concentration of 75% (V/V).Under the
optimization extraction conditions,the experimental yield of total phenol obtained was 4.41mg/g.The established
regression equation for total phenol extraction had an excelent fit,which was credible and can be used for practical
prediction.
Key words:Mirabilis jalapaseed epicarp;response surface methodology;total phenol
051