全 文 ：第 28卷　第 4期
2012年 7月
福建师范大学学报 (自然科学版 )
Journal of Fujian Normal Univ e rsity ( Na tural Science Edition)
Vo l. 28　 No. 4
Jul. 2012
文章编号: 1000-5277( 2012) 04-0099-05
响应面法优化荔枝壳粗多酚提取工艺条件的研究
谢三都 1, 2 , 陈惠卿 1
( 1. 福建师范大学闽南科技学院 , 福建 泉州　 362332;
2. 闽南科技学院食品科学技术研究所 , 福建 泉州　 362332)
　　摘要: 在单因素实验的基础上 , 利用 Box-Benhnken中心组合设计 , 采用响应曲面法对荔枝壳粗多酚的
提取工艺进行优化 . 结果表明 , 荔枝壳粗多酚的最佳提取工艺条件为荔枝壳在低温 ( 4℃ ) 下用体积分数为
20%的丙酮溶液浸提 1 h后 , 用 150 W的超声波功率处理 15 min, 荔枝壳粗多酚提取率为 37. 10% , 显著
缩短了提取时间 , 提高了荔枝壳粗多酚的提取率 .
关键词: 多酚 ; 响应面法 ; 荔枝壳 ; 超声波
中图分类号: TS209　　　文献标识码: A
　收稿日期: 2011-12-26
　通讯作者: 谢三都 ( 1984— 　 ) , 男 , 助教 , 研究方向: 天然产物的研究与应用 . xsdfs t@ 163. com
Study on Response Surface Methodology for Optimization of
Technology for Extraction of Litchi Pericarp Polyphenols
XIE San-du
1, 2
, CHEN Hui-qing
1
( 1. Minnan Science and Technology Institute , Fujian Normal University , Quanz hou 362332, China;
2. Minnan Science and Technology Institute Food Science and Technology
Institute , Quanz hou 362332, China)
Abstract: Based on the single-factor experiments, a four-facto r-th ree-level experiment
design was developed by Box-Behnken central composi te design method, and the ex t raction
process of polyphenols f rom li tchi perica rp w as optimized by using response surface method-
olo gy. The result show s that optimal process condition is being treated fo r 15 minutes by ul-
t rasonic w aves of 150 W after soaked in 20% acetone a t 4℃ for 1 hour. Polyphenols ex t rac-
tion reaches up to 37. 10% , which improved that ex t raction time w as reduced and ex t raction
ra te increased. This can serve as a theo retical basis fo r the fur ther processing and uti li zing of
li tchi.
Key words: po lypheno ls; response surface methodo logy; litchi perica rp; ult rasonic
w aves
荔枝壳为无患子科植物荔枝的外果皮 ,含有大量的多酚类物质 [1- 2 ] .多酚类物质有明显的抗氧化作
用 , 可清除活性氧自由基 , 抑制脂质过氧化反应 , 螯合金属离子 , 激活细胞内抗氧化防御系统 . 另外 ,
有研究表明 , 植物多酚在抑制肿瘤 [3 ]、 预防心血管疾病 [4- 5 ]等方面有良好的保健作用 . 但在荔枝加工过
程中 , 荔枝壳一般作为加工副产物而丢弃 , 降低了荔枝的综合利用率 , 造成资源的极大浪费 .
本文以 “乌叶”、 “早红”、 “兰竹” 品种的荔枝壳为原料 , 利用超声波辅助溶剂法提取荔枝壳多酚
类物质 , 通过响应面法获取最优提取工艺条件 , 拓宽了多酚资源的开发利用空间 , 提高了荔枝综合利
用率 , 为荔枝的深加工利用提供理论基础 .
1　材料与方法
1. 1　原料和试剂
“乌叶”、 “早红”、 “兰竹” 品种荔枝 , 购于漳州龙海 .
没食子酸 (购自 Sigma公司 , ≥ 99. 9% ) , 钨酸钠、 钼酸钠、 磷酸、 硫酸锂、 双氧水、 无水碳酸
钠、 丙酮溶液等均为分析纯 .
1. 2　主要仪器设备
AL204型精密分析天平 /PL602-S型电子天平 (梅特勒 -托利多仪器 (上海 ) 有限公司 )、 JY88-Ⅱ
型超声波细胞粉碎机 (宁波新艺超声设备有限公司 )、 RV数显型旋转蒸发仪 (广州仪科实验室技术有
限公司 )、 W FZ UV-2802SH型紫外可见分光光度计 (尤尼柯 (上海 ) 仪器有限公司 ) .
1. 3　荔枝壳粗多酚提取工艺流程
新鲜荔枝壳 40℃烘 10 h、 粉碎、 过 40目标准样筛→用丙酮溶液低温 ( 4℃左右 , 下同 ) 浸提 1 h
→超声波处理→过滤除渣→滤液经旋转蒸馏浓缩 ( 40℃ , 60 r· min- 1 , 30 min) →浓缩液 (荔枝壳粗
多酚 ) .
1. 4　实验方法
1. 4. 1　荔枝壳粗多酚测定方法
准确称取 0. 005 0 g没食子酸于 50 mL容量瓶中 , 定容备用 . 以没食子酸为基准 , 采用福林 -酚比
色法 [6 ]测定粗多酚含量 . 所得标准曲线方程: Y = 0. 033 8X - 0. 001( Y: 吸光度 ,X: 质量浓度 ,μg
m L- 1;适用范围: 0～ 15μg mL- 1 ) , R2 = 0. 999 8 .
1. 4. 2　响应面法优化实验
在单因素实验基础上 , 选取料液比、 超声波处理时间、 超声波功率、 丙酮体积分数 4个因素中对
荔枝壳粗多酚提取率有显著影响的不同水平 , 根据 Box-Benhnken的中心组合实验设计原理 [7 ]进行 4
因素 3水平的二次多项回归组合设计实验 , 确定超声波辅助溶剂提取的最优条件 . 响应面因素水平编
码设计见表 1.
表 1　响应面因素水平编码表
Tab. 1　 Facto rs and levels o f response sur fa ce experiments
水平 因素
A (料液比 ) /( g m L- 1 ) B ( t) /min C (P ) /W D (h) /%
- 1 1∶ 20 10 100 10
0 1∶ 25 15 150 20
1 1∶ 30 20 200 30
1. 4. 3　数据分析
采用 Design-Expert7. 1. 3软件对响应面的实验数据进行二次多项回归拟合、 方差分析、 显著性检
测和响应面分析 .
2　结果与讨论
2. 1　单因素实验结果
以 “乌叶” 荔枝壳为原料 , 通过单因素实验 , 得出各因素的较佳条件: 料液比 1∶ 25, 超声波功率
150 W , 超声波处理时间 15 min, 丙酮体积分数 20% .
2. 2　响应曲面法实验结果
2. 2. 1　回归方程的建立
以 “乌叶” 荔枝壳为原料 , 采用 Box-Benhnken设计方案对单因素实验结果进一步优化 , 所得实验
数据采用 Design-Expert7. 1. 3软件进行多元回归拟合 , 得到荔枝壳粗多酚提取率对料液比、 超声波处
100 福 建 师 范 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 　　　　　　　　　　　 2012年　
理时间、 超声波功率、 丙酮体积分数的二次多项回归方程:
Y = 37. 050 0 - 0. 183 3A - 0. 107 5B+ 0. 987 5C+ 0. 226 7D - 0. 120 0AB -
0. 175 0AC+ 0. 635 0AD - 0. 607 5BC+ 0. 010 0BD - 0. 720 0CD - 2. 048 7A2 -
3. 492 5B
2
- 2. 187 5C
2
- 2. 578 7D
2
.
　　该方程中各项系数绝对值的大小直接反映各因素对响应值的影响程度 , 系数的正、 负反映了影响
的方向 [8 ] .由于该方程的二次项系数均为负值 ,可以推断方程代表的抛物面开口向下 ,因而具有极大值
点 ,可以进行优化分析 [ 9] .由方程的一次项系数可以得出影响荔枝壳粗多酚提取率因素的主次顺序为超
声波功率> 丙酮体积分数> 料液比> 超声波处理时间 .
2. 2. 2　回归方程的方差分析
对 2. 2. 1所建立的响应模型进行方差分析 , 所得结果如表 2所示 .
表 2　回归模型方差分析
Tab. 2　 Variance ana ly sis of the r eg r ession equation
变异来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性
模型 99. 184 6 14. 000 0 7. 084 6 509. 964 5 < 0. 000 1 * * *
失拟差 0. 164 9 100. 016 5 18. 323 1 0. 052 8
纯误差 0. 001 8 20. 000 9
总和 99. 351 3 26. 000 0
R2 = 0. 998 3 R2Adj = 0. 996 4
　　　　注: * * * 为差异极显著 ( P < 0. 001) ; * * 为差异高度显著 ( P < 0. 01) ;* 为差异显著 ( P < 0. 05)
由表 2可知 ,方程的模型显著性 P < 0. 000 1,是极显著的 ,说明模型有意义 ;失拟差为 0. 052 8 >
0. 05,不显著 ,即模型与实验值的差异较小 ; R2Adj = 0. 996 4,说明该模型能解释 99. 64% 响应值的变化 ;
相关系数 R2 = 0. 998 3 , 说明该模型拟合程度良好 , 实验误差小 , 因此该模型可以用于对荔枝壳粗多
酚提取率进行分析 .
2. 2. 3　回归方程系数的显著性检验
对回归方程各系数的显著性进行检验 , 所得结果如表 3所示 .
表 3　回归方程系数显著性检验
Tab. 3　 Significance valida tion o f coefficient estimate o f reg ression equa tion
系数项 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性
A 0. 403 3 1 0. 403 3 29. 032 7 0. 000 2 * * *
B 0. 138 7 1 0. 138 7 9. 982 1 0. 008 2 * *
C 11. 701 9 1 11. 701 9 842. 324 4 < 0. 000 1 * * *
D 0. 616 5 1 0. 616 5 44. 379 3 < 0. 000 1 * * *
AB 0. 057 6 1 0. 057 6 4. 146 2 0. 064 4
AC 0. 122 5 1 0. 122 5 8. 817 8 0. 011 7 *
AD 1. 612 9 1 1. 612 9 116. 099 8 < 0. 000 1 * * *
BC 1. 476 2 1 1. 476 2 106. 261 6 < 0. 000 1 * * *
BD 0. 000 4 1 0. 000 4 0. 028 8 0. 868 1
CD 2. 073 6 1 2. 073 6 149. 261 9 < 0. 000 1 * * *
A2 22. 386 0 1 22. 386 0 1 611. 389 8 < 0. 000 1 * * *
B2 65. 053 6 1 65. 053 6 4 682. 690 9 < 0. 000 1 * * *
C2 25. 520 8 1 25. 520 8 1 837. 040 7 < 0. 000 1 * * *
D2 35. 466 4 1 35. 466 4 2 552. 943 2 < 0. 000 1 * * *
　　　　　　注: * * * 为差异极显著 ( P < 0. 001) ;* * 为差异高度显著 ( P < 0. 01) ;* 为差异显著 ( P < 0. 05)
由表 3可知 ,在一次项、交互项和二次项中都有显著性因素 .一次项 A、C、D达到极显著水平 ,B达
到高度显著水平 ;交互项 AD、BC、CD达到极显著水平 , AC达到显著水平 ;二次项均达到极显著水平 .
比较一次项系数的 F值和 P值 , 超声波功率、 丙酮体积分数对荔枝壳多酚提取率的影响最大 , 其次是
料液比 , 超声波处理时间次之 .
101　第 4期　　　　　　　　　　谢三都等: 响应面法优化荔枝壳粗多酚提取工艺条件的研究
2. 3　荔枝壳粗多酚提取率的响应曲面分析
响应面图形是响应值对各实验因子 A、B、C、D所构成的三维空间曲面图 , 从响应面分析图上可以
形象地看出最优参数及各参数之间的相互作用 . 当响应面分析图为山丘形曲面时 , 有极大值存在 ; 当
响应面分析图为山谷形曲面时 , 有极小值存在 ; 当响应面分析图为马鞍形曲面时 , 无极值存在 [ 10] . 如
果响应面坡度非常陡峭 , 表明响应值对于各因素的改变非常敏感 ; 如果响应面坡度相对平缓 , 表明实
验指标可以忍受各因素的变异 , 而不影响到响应值的大小 [11 ] .
由图 1- 6可知 , 料液比、 超声波处理时间、 超声波功率、 丙酮体积分数 4个影响因素对荔枝壳粗
多酚提取率的影响均显著 ; 当任意 2个因素的水平为 0时 , 另外 2个因素对荔枝壳粗多酚提取率的交
互效应显著 , 响应面坡度陡峭 . 图 1- 3显示 , 分别使超声波处理时间、 功率和丙酮体积分数处于 0水
平时 , 料液比过小或过大均不利于荔枝壳粗多酚的提取 , 当料液比低于 1∶ 25时 , 提取率随料液比增
加而升高 , 而当料液比大于 1∶ 25时 , 提取率则随料液比增加而降低 ; 由图 1、 4、 5可知 , 分别当料
液比、 超声波功率和丙酮体积分数处于 0水平时 , 荔枝壳粗多酚提取率随超声波处理时间的延长快速
升高 , 当处理时间超过 15 min时提取率出现下降趋势 ; 由图 2、 4、 6可得 , 分别当料液比、 超声波处
理时间和丙酮体积分数处于 0水平时 , 适当增大超声波功率有利于组织破碎 , 使荔枝壳粗多酚更容易
从细胞中析出 , 但功率增大到 150 W时 , 提取率出现缓慢下降的趋势 ; 由图 3、 5、 6可知 , 分别当料
液比、超声波处理时间和超声波功率处于 0水平时 ,荔枝壳粗多酚提取率在丙酮体积分数为 20%左右
达到最高值 , 过大或过小的丙酮体积分数均不利于荔枝壳粗多酚的提取 .
图 1　料液比和超声波处理时间对
荔枝壳多酚提取率的响应面
Fig . 1　 There-dimensional response surface g raph s
showing combined effects o f mate rial-liquid ratio
and ult rasonic ex tr action time on ex tr action rate
of litchi pericarp -po lyphenols
图 2　料液比和超声波功率对
荔枝壳多酚提取率的响应面
Fig. 2　 Th ere-dimensiona l r esponse surface g raphs
showing combined effects of ma terial-liquid ra tio
and ultrasonic ex tr action power on ex trac tion r ate
o f litchi pericarp -polypheno ls
图 3　料液比和丙酮体积分数对
荔枝壳多酚提取率的响应面
Fig . 3　 There-dimensional response surface g raph s
showing combined effects o f mate rial-liquid ratio
and concentr ation of acetone on ex traction ra te
of litchi pericarp -po lyphenols
图 4　超声波处理时间和超声波功率对
荔枝壳多酚提取率的响应面
Fig. 4　 Th ere-dimensiona l r esponse surface g raphs
showing combined effects of ultrasonic ex traction
time and ultr asonic ex trac tion pow er on ex traction
rate o f litchi pe ricarp -po lyph eno ls
102 福 建 师 范 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 　　　　　　　　　　　 2012年　
图 5　超声波处理时间和丙酮体积分数对
荔枝壳多酚提取率的响应面
Fig . 5　 There-dimensional response surface g raph s
showing com bined effects of mat ultra sonic ex traction
time and concentra tion o f acetone on ex t raction rate
of litchi pericarp -po lyphenols
图 6　超声波功率和丙酮体积分数对
荔枝壳多酚提取率的响应面
Fig. 6　 Th ere-dimensiona l r esponse surface g raphs
showing combined effects of ultrasonic ex traction
pow er and concentra tion o f acetone on ex tr action rate
o f litchi pericarp -polypheno ls
2. 4　工艺验证实验
采用 Design-Expert7. 1. 3软件分析回归模型 , 在各因素编码水平范围内 , 得出荔枝壳粗多酚的最
优提取工艺参数: 料液比 1∶ 24. 73, 丙酮体积分数 20. 05% , 161. 59 W超声处理 14. 83 min, 荔枝壳
粗多酚提取率的预测值为 37. 171 7% . 考虑到实际操作的便利 , 确定最优提取工艺参数: 料液比 1∶
25, 丙酮体积分数 20% , 150 W超声处理 15 min. 为验证 Box-behnken实验设计所得结果的可靠性 ,
采用上述优化的提取工艺条件进行实验 ,所得荔枝壳粗多酚提取率为 37. 10% ,与理论预测值相比 , 相
对误差为 0. 19% , 结果较理想 .
2. 5　不同品种荔枝壳粗多酚提取率的研究
采用最终优化的提取工艺条件提取 “乌叶”、 “早红”、 “兰竹” 3个品种的荔枝壳粗多酚 , 研究不同
品种荔枝壳粗多酚的提取率 , 所得结果如表 4所示 .
表 4　不同品种荔枝壳多酚提取率的比较
Tab. 4　 Comparison of ex t raction rate o f po lypheno ls in differ ent litchi pericarps
品种 乌叶 早红 兰竹
多酚提取率 /% 37. 10 33. 02 29. 29
3　结语
应用响应面法优化得到的超声波辅助溶剂提取荔枝壳粗多酚的最优工艺条件:采用体积分数 20%
丙酮溶液在料液比为 1∶ 25下低温浸提 1 h, 再采用功率为 150 W的超声波处理 15 min, 荔枝壳粗多
酚提取率的理论值为 37. 171 7% , 验证实验实际值为 37. 10% , 误差为 0. 19% , 该研究结果对荔枝
壳多酚物质在各领域的深入开发提供了一定的理论基础 .
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