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响应面法优化东北接骨木总黄酮的超声波提取工艺



全 文 :北方园艺2012(14):11~14 ·试验研究·
第一作者简介:张爽(1987-),女,在读硕士,研究方向为天然产物
化学。E-mail:zhangshuang5566@qq.com.
责任作者:刘洪章(1957-),男,博士,教授,博士生导师,研究方向
为作物资源。E-mail:lhz999@126.com.
基金项目:吉林省科技厅资助项目(20100254)。
收稿日期:2012-03-26
响应面法优化东北接骨木总黄酮的超声波提取工艺
张   爽,刘 淑 英,于 莉 莉,仲 文 晶,刘 洪 章
(吉林农业大学 生命科学学院,吉林 长春134001)
  摘 要:对乙醇体积分数、超声时间、液料比、超声温度进行单因素试验,在此基础上选取乙
醇体积分数、超声时间、液料比进行响应面法优化东北接骨木总黄酮的超声波提取工艺的研究,
利用响应面分析这3个因素对东北接骨木总黄酮提取的影响。结果表明:东北接骨木中总黄酮
超声提取的最佳工艺为:乙醇体积分数为76.03%,超声时间48.86min,液料比为19.53mL/g,黄
酮提取量达到5.79692mg/g。
关键词:东北接骨木;超声提取;总黄酮;响应面法
中图分类号:S 567.1+9 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2012)14-0011-04
  东北接骨木(Sambucus mandchurica Kitag.)属忍冬
科接骨木属。接骨木大约有40余种,在我国大概产20
余种[1-2],大部分生长在我国的东部、华北和东北等地,东
北地区大概生长有5~6种。东北接骨木是珍贵的药用
植物,它的主要功效有活血、祛风、治筋骨疼痛风湿等[3]。
同时东北接骨木也是我国非常重要的观赏植物之一[4],
   
具有较大的开发潜力[5],所以近些年来国内外对这种植
物的研究也日益增加[6-7]。
响应面法是利用多元二次回归方程,建立函数关
系,对函数的等高线以及响应面进行分析,然后研究各
确定因子之间的关系,最后确定最佳的工艺参数[9-11]。
响应面法具有很多的优点,尤以良好的预测性、较高的
精准度、通过函数关系可以确定最合理参数等优点最为
突出,所以近些年广泛地应用于各个领域[12]。
1 材料与方法
1.1 试验材料
东北接骨木叶采自吉林农业大学校园;芦丁标准品
由中国药品生物制品检定所提供;无水乙醇分析纯由北
   
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(致谢:贵州省遵义师范学院生物系2006、2007级学生参
加部分研究,在此表示感谢。)
The Root Distribution of Cherries Introduced to Guizhou
SHI Hong-qin1,ZOU Chen1,CHEN Rong-hua2
(1.Biology Department,Zunyi Normal Colege,Zunyi,Guizhou 563002;2.Fruit and Vegetable Station,Zunyi Agriculture Bureau,Zunyi,
Guizhou 563002)
Abstract:With‘Pitch-black’,‘Hongdeng’,‘Dazi’,‘Zhifuhong’,‘Longguan’cherry as the materials,the distribution of
their tree roots were observed with Oskamp method.The results showed that cherry tree distributed in the area of 300cm
distance from the main trunk and the depth of 90cm.The distribute rate of the roots(the diameter≤2mm)was about
33.54%,the 2mm≤the diameter≤10mm was about 59.92%and the diameter≥10cm was about 6.54%,the 40cm
lateral distance from main trunk was the dense regions of the cherry tree roots,outside of this range,the amounts of the
tree root reduced with the increase of the depth and the lateral distance from the main trunk.
Key words:cherry;root distribution;observation;Guizhou
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·试验研究· 北方园艺2012(14):11~14
京化工厂生产。主要仪器:UV1800紫外分析仪(岛津
仪器有限公司),旋转蒸发仪(上海青浦泸西仪器厂),
WB-9415B超声波清洗器(北京六一仪器厂)。
1.2 试验方法
1.2.1 标准曲线的绘制 准确称取芦丁标准试剂
0.005g,用体积分数为70%乙醇进行溶解,然后定容到
100mL的容量瓶中,摇匀即可。分别吸取对照品标准溶
液0、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0mL于容量瓶中,加入
5%NaNO2溶液0.3mL,摇匀放大约5min,再加入10%
Al(NO3)3溶液0.3mL,摇匀放大约5min,再加入1mol/L
NaOH溶液5.0mL,用体积分数为70%乙醇稀释至刻
度,然后放大约20min,在波长为510nm处测定吸光值,
然后制作标准曲线,线性回归方程为y=11.692x+
0.0077;R2=0.9995。
图1 芦丁标准曲线
Fig.1 The standard curve of rutin
1.2.2 样品溶液的制备 精确2g东北接骨木叶粉末,
放入30mL容量瓶中,用体积分数为70%乙醇定容,然
后进行超声提取30min,抽滤,即得样品溶液。
1.2.3 东北接骨木的总黄酮得率的计算 准确吸取样
品溶液2mL于10mL容量瓶中,用70%乙醇定容,按照
1.2.1的方法测定吸光度,用下列公式计算东北接骨木
总黄酮得率:总黄酮得率(%)=(C×V1×V2×10-3)/
(W×V0)×100%;C-样品溶液的浓度(mg/mL);V1-稀释
体积(mL);V2-样品溶液定容后的体积(mL);V0-吸光度
所用样品溶液体积(mL);W-样品的质量(g)。
2 结果与分析
2.1 单因素试验
2.1.1 乙醇体积分数对东北接骨木总黄酮得率的影响
 在超声提取时间为30min,超声的功率为200W,超声
的温度为40℃,料液比为1∶15的条件下,不同的乙醇
体积分数对东北接骨木总黄酮得率的影响见图2。由图
2可知,当乙醇体积分数小于70%时,随着乙醇体积分数
的提高,东北接骨木总黄酮得率也随着增大;当乙醇体
积分数达到70%时,东北接骨木总黄酮提取率达到了最
大;当乙醇体积分数超过70%的时候,东北接骨木总黄
酮提取率逐渐下降。因此,该试验最终选取了乙醇体积
分数为70%为最佳的提取溶剂,将乙醇体积分数选择在
60%~80%进行下一步的响应面优化条件。
图2 乙醇体积分数对总黄酮得率的影响
Fig.2 The efect of ethanol concentration on
extraction yield of total flavonoids
2.1.2 超声温度对东北接骨木总黄酮得率的影响 在
超声提取时间为30min,超声功率为200W,乙醇体积分
数为70%,料液比为1∶15的条件下,不同超声温度对
东北接骨木总黄酮得率的影响见图3。由图3可知,随
着温度的升高东北接骨木总黄酮得率略微提高,当温度
达到40℃以后,随着温度的升高,东北接骨木总黄酮得
率有下降的趋势,但不明显,说明温度对东北接骨木总
黄酮的提取率影响不大,所以响应面法中不考虑温度因
素对东北接骨木总黄酮提取率的影响。
图3 超声温度对总黄酮得率的影响
Fig.3 The efect of extraction temperature on
extraction yield of total flavonoids
2.1.3 超声时间对东北接骨木总黄酮得率的影响 在
超声提取温度为40℃,超声的功率为200W,乙醇体积
分数为70%,料液比为1∶15的条件下,不同超声时间
对东北接骨木总黄酮得率的影响见图4。由图4可知,
当提取时间在20~50min,东北接骨木总黄酮得率呈上
升趋势,然后随时间的延长总黄酮得率呈现逐渐下降的
趋势。该试验选取了50min作为提取的最佳时间,将提
取时间选择在40~60min作为响应面优化条件。
2.1.4 液料比对东北接骨木总黄酮得率的影响 在超
声提取时间为30min,超声的功率为200W,乙醇体积分
数为70%,提取时间为50min的条件下,不同液料比对
东北接骨木总黄酮得率的影响见图5。由图5可知,随
着液料比的增加,东北接骨木总黄酮得率逐渐升高,当
液料比达到20mL/g时总黄酮得率达到最大,随着液料
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北方园艺2012(14):11~14 ·试验研究·
图4 超声时间对总黄酮得率的影响
Fig.4 The efect of extraction time on extraction yield of
total flavonoids
图5 液料比对总黄酮得率的影响
Fig.5The efect of ratio of liquid-solid ratio extraction
yield of total flavonoids
比的增加,东北接骨木总黄酮得率下降。因此,该试验
选取20mL/g为液料比的最佳值,同时把液料比选择在
15~25mL/g作为响应面下一步优化的条件。
2.2 采用响应面法优化东北接骨木总黄酮得率工艺
2.2.1 响应面法因素和水平的选取 根据以上的单因
素试验,该试验选取了3个因素进行试验设计,分别是
乙醇体积分数、超声时间、液料比。并在每个因素中最
大的东北接骨木黄酮得率区域选择3个合适的水平,用
+1代表自变量高水平,用0代表自变量中水平,用-1
代表自变量低水平(表1)。
表1    响应面法的因素和水平
  Table 1  The factors and levels of response surface methodology
因素/水平The factors and levels -1  0  1
时间Time/min  40  50  60
液料比Liquid-solid ratio/mL·g-1  15  20  25
乙醇浓度Ethanol concentration/% 60  70  80
2.2.2 响应面试验方案及结果 取3个自变量,分别为
超声时间(A)、乙醇浓度(B)、液料比(C),在超声温度为
40℃时,以东北接骨木总黄酮提取率为响应值(R),进行
响应面试验,结果见表2、3。
2.2.3 方差分析及显著性检验 通过响应面软件进行
分析,响应面回归方程模型为:黄酮提取=-34.58164+
0.60268A+0.97916B+0.38976C-2.53400×10-3 AB+
8.72000×10-4 AC-3.71100×10-3 BC-6.04895×10-3
A2-0.014028B2-2.30845×10-3C2。模型P<0.05,表
明该模型显著。模型复相关系数为0.9834。模型中3 
  表2   响应面方案及试验结果
  Table 2    The experiments design and results of
   response surface methodology
试验序号
Experiment
numbers
时间A
Time
/min
液料比C
Liquid-solid ratio
/mL·g-1
乙醇浓度B
Ethanol concentration
/%
黄酮提取率
Extraction
ratio/%
1  1  1  0  4.9136
2 -1  0  1  5.0605
3 -1 -1  0  4.3141
4  0  0  0  5.6808
5  0  1 -1  5.0472
6  1  0  1  5.4274
7 -1  1  0  5.0338
8  0  1  1  5.3472
9  0  0  0  5.6729
10  1  0 -1  4.4859
11  0  0  0  5.7226
12  0  0  0  5.7871
13  0 -1 -1  4.5109
14  0 -1  1  5.5531
15 -1  0 -1  4.4678
16  0  0  0  5.6173
17  1 -1  0  4.7007
个二次项、乙醇体积分数(C)、交互项BC影响为极显著
水平;一次项液料比(B)、交互项AB的影响均为显著;时
间(A)、交互项AC影响为不显著。该模型的纯误差的
均方值较小为3.991×10-3,说明此模型有效,应用响应
曲面法优化提取东北接骨木总黄酮的提取工艺可行。
表3   二次响应面回归模型方差分析
  Table 3    Variance analysis of quadratic
   response surface regression mode
方差来源
Source
平方和
Sum of squares
自由度
df
均方
Mean square
F值
F value
P-value
Prob>F
Model  4.018892143  9  0.446543571 46.19744281 <0.0001
A-时间 0.053040245  1  0.053040245 5.487311523  0.0517
B-液料比 0.199396125  1  0.199396125 20.62865008  0.0027
C-乙醇体积分数 1.03420962  1  1.03420962  106.9947992 <0.0001
AB  0.06421156  1  0.06421156  6.643046861  0.0366
AC  0.03041536  1  0.03041536  3.146639979  0.1194
BC  0.13771521  1  0.13771521  14.24741267  0.0069
A2  1.540622994  1  1.540622994 159.3861097 <0.0001
B2  0.517839929  1  0.517839929 53.57345176  0.0002
C2  0.22437648  1  0.22437648  23.21300825  0.0019
Residual  0.067661862  7  0.00966598
Lack of fit  0.05169685  3  0.017232283 4.317512153  0.0958
Pure error  0.015965012  4  0.003991253
Cor total  4.086554005  16
2.2.4 响应面超声提取东北接骨木总黄酮的得率 通
过响应面法超声提取东北接骨木总黄酮的得率试验得
出最优条件,在乙醇体积分数为76.03%,超声时间
48.86min,液料比为19.53mL/g,黄酮提取量达到
5.79692mg/g。考虑到实际操作的便利,将东北接骨木
叶总黄酮提取最佳条件调整为40℃下乙醇体积分数为
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·试验研究· 北方园艺2012(14):11~14
   
图6 超声时间与乙醇浓度的响应面
Fig.6 Response surface method of A and B
图7 乙醇体积分数与液料比的响应面
Fig.7 Response surface method of B and C
图8 时间与乙醇体积分数的响应面
Fig.8 Response surface method of A and C
70%,超声的时间50min,液料比20mL/g,实际测得的
东北接骨木总黄酮的提取量为5.6612mg/g,与响应面
预测值相差不大,该模型可行,具有一定的实用价值。
3 结论
该试验通过响应面法确定了东北接骨木提取总黄
酮的最佳提取工艺条件为:乙醇体积分数为76.03%,超
声时间48.86min,液料比为19.53mL/g,黄酮提取量达
到5.79692mg/g。各因素对东北接骨木总黄酮提取率
影响由大到小为:乙醇体积分数>液料比>超声时间,
其中乙醇体积分数的影响最为显著。
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Optimization of Total Flavonoids Extraction fromSambucus mandchurica Kitag by
Response Surface Method
ZHANG Shuang,LIU Shu-ying,YU Li-li,ZHONG Wen-jing,LIU Hong-zhang
(Colege of Life Science,Jilin Agricultural University,Changchun,Jilin 134001)
Abstract:Through four factors that is ethanol concentration,extraction time,liquid-solid ratio and extraction temperature
for the single factor experiments,on the basis of selecting thethanol concentration,extraction time,liquid-solid ratio for
the optimization of total flavonoids extraction fromSambucus mandchurica Kitag,the three factors for extraction yield of
the total flavonoids by RSM were studied.The results showed that best condition to ultra the total flavonoids from
Sambucus mandchurica Kitag were ethanol concentration 76.03%,ultrasound time 48.86min and liquid solid ratio
19.53mL/g,the extraction yield of the total flavonoids was 5.79692mg/g.
Key words:Sambucus mandchurica Kitag;ultrasonic extraction;total flavonoids;response surface methodology
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