全 文 ：西北林学院学报 2010 , 25(3):170 ～ 174
Journal o f No r thw est Fo restry Univer sity
星点设计-效应面法优化梓树果实总黄酮的超声提取工艺
　收稿日期:2009-05-09　修回日期:2009-07-14
　作者简介:乔东东 , 男 , 在读硕士研究生 , 主要从事药用植物化学成分研究。
＊通讯作者:王俊儒 , 男 ,博士 , 教授 , 主要从事植物资源化学方面的研究。 E-mail:w angjr07@163.com。
乔东东1 ,张　云1 ,尤新军1 ,雷　鸣1 ,王俊儒2＊
(1.西北农林科技大学 生命科学学院 ,陕西 杨陵 712100;2.西北农林科技大学 理学院 ,陕西杨陵 712100)
摘　要:以梓树果实为材料 ,利用星点设计 —效应面法对总黄酮的超声提取工艺参数进行优化研
究。选择乙醇浓度 、料液比 、提取时间为自变量 ,总黄酮提取量为因变量 ,对自变量各水平进行多元
线性回归和多项式拟合 ,采用效应面法选取较佳工艺条件 ,并进行预测分析 。结果表明:梓树果实
总黄酮的最佳提取工艺参数为乙醇浓度 59%,料液比 1∶44 ,提取时间 39 min。在此工艺条件下梓
树果实总黄酮提取量测定值为 22.289 4 mg · g-1 , 最佳工艺验证结果与模型预测值相差
-1.84%。
关键词:梓树果实;总黄酮;超声提取工艺;星点设计-效应面法
中图分类号:S789.5;R 284.1　　　文献标志码:A　　　文章编号:1001-7461(2010)03-0170-05
Optimization of the Ultrasonic Wave Aided Ex traction of Flavoniods from the Fruits of
Catalpa ovata by Cent ral Composite Desig n-response Surface Methodology
QIAO Dong-dong1 , ZHANG Yun1 ,YOU Xin-jun1 ,LEI Ming1 , WANG Jun-ru2
(1.Col lege o f Li fe S ciences , Northwest A&F Univer sity , Yang l ing , Shaan xi 712100 , Ch ina;
2.Col lege o f S ciences , Northwest A&F Un iver sity , Yang l ing , Shaan xi 712100 , Ch ina)
Abstract:The optimum conditions for the ult rasonic wave aided ext raction of f lavonoids f rom the fruit s of
Catalpa ovata were investigated by using central composite design-response surface methodolo gy.Inde-
pendent variables we re ex t raction t ime , rat io of material to solvent and ethano l concentration , and depend-
ent variable w as ex traction quantity o f flavoniods.Bo th linear and nonlinear mathemat ic models w ere used
to evaluate the relationship betw een independent and dependent variables.Response surface me thodo logy
w as used to opt imize the process of ex t ract ion.Prediction w as car ried out through comparing the obse rved
and predicted values.The resul ts indicated that the optimum extraction condi tions w ere:39 min ul t rasonic
w ave aided ex t raction wi th the rato o f mate rial to solvent at 1∶44 and 59% ethanol.Under the optimum
condi tions , the predicted ex traction rate o f flavonoids w as 22.289 4 mg · g-1.The deviation betw een ob-
served and predicted values of ex traction quantity w as -1.84%.
Key words:Catalpa ovata f ruit;f lavoniods;ul trasonic w ave aided ex t raction;central composite design-re-
sponse surface methodo logy
　　梓树(Catalpa ovata)为紫葳科梓属植物 , 原产
于中国 ,分布于长江流域及以北地区。梓属植物的
果实称为梓实 ,供药用[ 1] 。研究表明 ,梓树果实中含
有酚类 、黄酮类 、蒽醌类 、萜类 、强心甙类 、甾体及生
物碱等[ 2] 。梓实具有清热 、解毒 、杀虫和利尿的功
能 ,此外还具有抗痉挛 、降血糖 、抗饱胀感和增强抗
癌药作用的功效。黄酮类化合物作为梓树果实中的
化学成分 ,具有广泛的生物活性 。因此 ,提取和分离
出具有较高生物活性的黄酮类化合物对梓实在医药
及食品工业中的应用十分重要。
目前 ,国内文献报道中多采取正交设计和均匀设
计法优化选择较佳的提取工艺[ 3-6] ,这 2种方法采用
线性数学模型 ,虽有简便 、实验次数较少等优点 ,但精
度不高。星点设计 —效应面法是近几年来国外医药
工作者常用的实验设计和优化法 ,通过描绘效应对考
察因素的效应面 ,从效应面上选择较佳的效应区 ,从
而确定自变量取值范围即最佳实验条件。由于该法
采用非线性数学模型拟合 ,在中心点进行重复性实验
以提高实验精度 ,具有精度高 、预测性好 、可信度高 、
试验次数较少等优点[ 7-11] 。笔者采用超声波提取法 ,
在试验设计上采用星点设计—效应面法 ,优选梓树果
实中总黄酮的提取工艺 ,为梓树果实的开发利用提供
科学依据。
1　材料与方法
1.1　材料与仪器
材料　梓树果实 2007 年 10 月采自秦岭林区 ,
阴干粉碎后过 40目筛 ,石油醚(60 ～ 90℃)水浴回流
脱脂 2次 ,每次 4 h ,干燥后备用。
试剂　芦丁标准品(国药集团化学试剂有限公
司);无水乙醇 、石油醚 、亚硝酸钠 、硝酸铝 、氢氧化钠
均为分析纯。
仪器　主要有 SP-2100 型紫外-可见分光光度
计(上海光谱仪器有限公司)、电子分析天平
UX620H(日本岛津公司)、SB25-12DT 型超声波清
洗机(宁波新芝生物科技股份有限公司)、Anke
LXJ-ⅡB 低速大容量多管离心机(上海安亭科学仪
器厂)。
1.2　方法
1.2.1　试验设计　单因素(乙醇浓度 、提取时间 、料
液比及提取温度)预试验研究表明 ,乙醇浓度 、提取
时间和料液比 3个因素对梓树果实中总黄酮提取率
的影响较大 ,因此 ,利用星点设计-效应面法对 3个
因素做进一步优化。根据星点设计的原理 ,每因素
设 5水平 ,分别用代码值-α、-1 、0 、1 、α来表示(3
因素星点设计的 α=1.732),表 1为代码值所代表
的实际操作物理量 ,表 2为星点实验设计。
表 1　星点设计因素水平
Table 1　Levels of independent variables in coded
因素 水平-1.732 -1 0 1 1.732
提取时间(X 1)/min 30.0 34.2 40 45.8 50.0
料液比(X2)① 20.0 26.3 35 43.7 50.0
乙醇浓度(X3)/ % 45.0 51.3 60 68.7 75.0
①直接以数值表示。
1.2.2　提取方法　称取预处理后的干燥梓树果实
粉末 1.000 g , 置于 50 mL 离心管中 , 在温度为
60℃、超声功率为 600 W 的条件下 ,按照表 2 中各
因素设置的水平超声提取 2次 ,离心 ,取上清液 ,定
容于 100 mL 的容量瓶 ,每组试验重复 3次 。
表 2　3 因素 5水平星点实验设计
Tab le 2　Experiment design of 3-factor 5-level
cent ral composi te design
序号 X 1(提取时间)/min X 2(料液比) X3(乙醇浓度)/ %
1 -1 -1 -1
2 1 -1 -1
3 -1 1 -1
4 1 1 -1
5 -1 -1 1
6 1 -1 1
7 -1 1 1
8 1 1 1
9 -1.732 0 0
10 1.732 0 0
11 0 -1.732 0
12 0 1.732 0
13 0 0 -1.732
14 0 0 -1.732
15～ 20 0 0 0
1.2.3　测定方法　(1)标准曲线绘制 。称取芦丁标
准品 10 mg ,置于 50 mL 容量瓶中 ,加入 30%乙醇
溶解并稀释至刻度 。量取芦丁标准品溶液 0 、0.5 、
1.0 、1.5 、2.0 、2.5 、3.0 mL ,分别置于 10 mL 具塞试
管中 ,各加入 30%乙醇至 4.0 mL ,加入 5%NaNO2
溶液 0.6 mL , 摇匀 , 静 置 6 min;加入 10%
Al(NO 3)3 溶液 0.6 mL ,摇匀 ,静置 6 min;加入 4%
NaOH 溶液4 mL ,30%乙醇定容至刻度 ,摇匀 ,静置
15 min 后 ,测定各标准溶液吸光度 A510 ,以吸光度
为纵坐标 ,样品浓度为横坐标 ,绘制标准曲线:
A=10.496 0x +0.002 1 　(R2 =0.999 2)(1)
式中:A 为吸光度 , x 为芦丁浓度(mg ·mL -1)。线
性范围为 0.01 ～ 0.06 mg ·mL ,线性关系良好。
(2)提取液中黄酮的测定。量取“1.2.2”中定容
的提取液 2 mL ,置于 10 mL 具塞试管中 ,按照“标
准曲线绘制”的方法进行反应 ,测定吸光度 。计算梓
树果实总黄酮提取量(以芦丁计),取 3 次重复的平
均值作为该条件下提取液中总黄酮的提取量。
Y =(A-0.002 1)×500
10.496×m (2)
式中:Y 为总黄酮提取量(mg · g-1), A 为样液的吸
光度 ,m 为各组试验样品质量(g)。
1.2.4　模型拟合及工艺优化　以总黄酮提取量为
因变量 ,对各因素运用 SAS(8.01)统计软件进行多
元线性回归和二次多项式拟合。对所拟合的模型进
行适合性检验 ,以通过检验的数学模型为基础绘制
三维效应面图 ,从效应面上选取最佳工艺条件 ,并进
171第 3 期 乔东东 等　星点设计-效应面法优化梓树果实总黄酮的超声提取工艺
行试验验证。
2　结果与分析
2.1　星点设计试验结果及模型拟合
梓树果实总黄酮的提取量对提取时间 、料液比及
乙醇浓度分别进行多元线性回归和二次多项式拟合。
多元线性回归方程:Y =b0 +b1 X 1 +b2 X 2
+b3X 3
拟合结果:Y =22.105 0-0.064 3X1 +0.069 8X2
-0.022 8X3
其中 ,复相关系数 r≈0.661 9 ,在 p<0.01水平
上显著 ,但数值偏低 ,说明多元线性回归拟合度不
佳 ,预测性较差 。
二次多项式方程:Y =b0 +b1X 1 +b2 X2 +b3 X 3
+b4 X 1 2 +b5X 2 2 +b6 X 3 2 +b7 X 1 X2 + b8 X 2 X3
+b9 X 1X 3
拟合 结 果:Y = -28.161 6 +0.928 2X1
+0.085 1X2 +1.106 9X3-0.010 6X 1 2-0.001 7X2 2
-0.008 1X3 2 +0.004 8X1 X2 -0.005 2X 2X3
+0.001 4X1 X3
其中 ,复相关系数 r≈0.952 1 ,在 p<0.01水平
上显著 ,且较多元线性模型的复相关系数高 ,说明二
次多项式模型较线性模型的拟合度高 ,预测性好 。
参照袁志发[ 12] 多元统计分析中的方法对建立
的二次多项式模型进行残差分析(表 3)。由表 3
知 ,二次多项式模型的标准残差 ei′ <3 ,初步判定
无离群值出现 ,即所有观测值均无异常。
表 3　总黄酮提取的星点试验结果及残差分析
Table 3　Result s of cent ral com posite design and residual analysis
序号 测定值 预测值 残差(ei) 标准残差(ei′) 顺序残差(ü i) ui
1 20.479 2 20.332 3 0.146 9 0.364 7 -1.547 9 -1.87
2 19.571 4 19.636 0 -0.064 6 -0.160 4 -1.369 7 -1.40
3 21.384 3 20.851 2 0.533 1 1.323 4 -0.641 7 -1.13
4 21.193 8 21.109 1 0.084 7 0.210 2 -0.565 0 -0.92
5 20.526 9 20.247 8 0.279 1 0.692 7 -0.562 5 -0.74
6 18.335 6 18.504 9 -0.169 3 -0.420 4 -0.420 4 -0.59
7 21.622 5 21.194 0 0.428 5 1.063 7 -0.328 7 -0.45
8 20.622 1 20.405 2 0.216 9 0.538 5 -0.160 4 -0.31
9 20.336 3 20.959 9 -0.623 6 -1.547 9 -0.092 1 -0.19
10 19.812 3 19.673 8 0.138 5 0.343 8 0.144 5 -0.06
11 20.002 9 19.936 3 0.066 6 0.165 2 0.165 2 0.06
12 21.479 6 22.031 4 -0.551 8 -1.369 7 0.210 2 0.19
13 19.669 4 19.896 0 -0.226 6 -0.562 5 0.341 6 0.31
14 18.954 8 19.213 3 -0.258 5 -0.641 7 0.343 8 0.45
15 21.146 2 21.373 8 -0.227 6 -0.565 0 0.364 7 0.59
16 21.432 0 21.373 8 0.058 2 0.144 5 0.499 2 0.74
17 21.574 9 21.373 8 0.201 1 0.499 2 0.538 5 0.92
18 21.336 7 21.373 8 -0.037 1 -0.092 1 0.692 7 1.13
19 21.241 4 21.373 8 -0.132 4 -0.328 7 1.063 7 1.40
20 21.511 4 21.373 8 0.137 6 0.341 6 1.323 4 1.87
　　以顺序残差为纵坐标 ,顺序残差的期望值为横
坐标 ,建立模型的残差正态概率图 ,即 ranki t图(图
1)。由图 1可以看出 ,该模型的 ranki t图线性关系
良好 ,其相关系数 r≈0.984 0 ,在 p<0.01水平上显
著 ,可直观判断残差服从正态分布 ,说明建立的模型
是合适的 。
2.2　效应面优化与预测
根据拟合方程 ,绘制总黄酮提取量随因素变化
的效应面和等高线。
由图 2 、图 3 、图 4可以看出 ,每个效应面都具有
较优区域 ,将各较优区域重叠 ,选取总黄酮提取量最
佳工艺范围围为:提取时间(X 1)37 ～ 42 min;料液
比(X 2)44 ～ 50 ,乙醇浓度(X 3)55%～ 63%。考虑到
节约成本 、简化试验 、投入产出比等因素 ,最终确定
试验优化工艺为提取时间(X 1)39 min ,料液比(X 2)
1∶44 ,乙醇浓度(X 3)59%。
图 1　rankit图
Fig.1　Rankit grap h
172 西北林学院学报 25 卷　
图 2　料液比(X 2)和乙醇浓度(X3)的效应面(左)和等高线(右)
Fig.2　Response su rface(l ef t)and contou r lines(righ t)of X2/ rat io of material to solven t and X 3/ ethanol concent ration
图 3　提取时间(X1)和乙醇浓度(X 3)的效应面(左)和等高线(右)
Fig.3　Respon se su rface(lef t)an d con tou r lin es(right)of X 1/ ext raction t ime and X 3/ eth anol concen tration
图 4　提取时间(X 1)和料液比(X2)的效应面(左)和等高线(右)
Fig.4　Respon se su rface(lef t)an d con tou r lines(right)of X 1/ ext raction t ime and X 2/ ratio of material to s olvent
　　
2.3　优化试验验证
在优选出的最佳工艺条件下提取 ,取平均值与
二次多项式在优选出的最佳工艺条件下模拟的结果
进行比较 ,结果表明 ,预测值为 21.886 mg · g-1 ,实
测值为 22.289 mg · g-1 ,偏差率-1.84%。
实测值与预测值之间偏差率较小 ,说明验证试
验的预测值和实测值相吻合 ,星点设计 —效应面优
化具有较好的预测效果。
3　结论与讨论
在单因素预试验基础上 ,选取对提取影响较大
的 3种因素即提取时间 、乙醇浓度和料液比进行考
察 ,通过效应面法建立了总黄酮提取量与 3个因素
之间关系的二次多项式方程模型 ,并绘制出三维曲
面图 ,在对三维曲面图综合分析的基础上得出最佳
工艺条件:提取时间 39 min ,料液比 1∶44 ,乙醇浓
度 59%。
梓树果实含有大量油脂 ,采用石油醚脱脂处理
173第 3 期 乔东东 等　星点设计-效应面法优化梓树果实总黄酮的超声提取工艺
在不造成总黄酮损失的情况下有利于黄酮的溶出 。
超声提取方法大幅度缩短了提取时间 ,并在减少溶
剂消耗的同时 ,提高了提取效率。近年来 ,众多学者
对不同植物黄酮的提取工艺进行了研究。姜少娟
等[ 13]及兰昌云等[ 14] 等分别采用超声法提取沙棘果
渣 、槐花中总黄酮 ,并与回流提取法比较 ,结果均表
明超声提取法优于传统热回流提取法。吴梅林[ 15]
等采用酶法辅助提取银杏黄酮 ,认为与传统的乙醇
提取工艺相比 ,酶法辅助的提取率高 ,提出进一步研
究酶法辅助超声提取的方法。
参考文献:
[ 1] 　王奇志 , 梁敬钰.梓实化学成分研究[ J] .中草药 , 2005 , 36
(1):15-17.
WANG Q Z , LIANG J Y.Chemical const ituents in f ruit s of
Catalpa ovata [ J] .Chinese Tradi tional and Herbal Drugs ,
2005 , 36(1):15-17.
[ 2] 　宫玉婷 , 阿不都拉·阿巴斯.梓树果实有效成分的初步研究
[ J] .食品科学 , 2008 , 29(5):205-207.
GONG Y T , ABDULLA A.Preliminary s tu dy on effective
con sti tu en ts of Cata lp a ovata G.Don f ruit s[ J] .Food S ci-
ence , 2008 , 29(5):205-207.
[ 3] 　陈宝玉 , 管庆霞.均匀设计优化葛根总黄酮提取工艺[ J] .黑
龙江医药 , 2006 , 19(5):373-374.
CHEN B Y , G UAN Q X.Optimization of ext ract proces sing
of total f lavone in P uerar ia lobata by uniform design [ J] .Hei-
longjiang Medicine Jou rnal , 2006 , 19(5):373-374.
[ 4] 　谢果.超声波法均匀设计提取葛根总黄酮的研究[ J] .广州化
工 , 2006 , 34(2):40-42.
XIE G.S tudy on the ex tract ion of f lavones in Pueraria by th e
uni from design used ul t rasonic w ave [ J] .Guangzh ou Chemical
Indus t ry , 2006 , 34(2):40-42.
[ 5] 　史小萌 , 马柏林 , 王艳芬 , 等.超声法提取银鹊树种皮总黄酮
的工艺研究[ J] .西北林学院学报 , 2007 , 22(2):146-148.
SHI X M , MA B L , WANG Y F , et a l.A study on u lt rasonic
w ave aided ext ract ion of f lavonoids f rom the seed coat of
Tap isicia sinensi s[ J] .Jou rnal of Northw est Forest ry Univer-
si ty , 2007 , 22(2):146-148.
[ 6] 　楚冬海 , 许又凯 , 高锦明 , 等.海巴戟总黄酮提取工艺的研究
[ J] .西北林学院学报 , 2008 , 23(4):160-162.
CHU D H , XU Y K , GAO J M , et al.Study on the ext rac-
t ion of total f lavonoids f rom Morinda ci tr i f olia[ J] .Jou rnal of
Northw est Forest ry University , 2008 , 23(4):160-162.
[ 7] 　ZHANG Q A , ZHANG Z Q , YUE X F , et a l.Response sur-
f ace optimization of ult rasound-assis ted oil ext raction f rom au-
t oclaved almond pow der[ J] .Food Chemist ry , 2009 , 116(2):
513-518.
[ 8] 　刘艳杰 , 项荣武.星点设计效应面法在药学试验中的应用[ J] .
中国现代应用药学杂志 , 2007 , 24(6):455-457.
LIU Y J , XIANG R W.Application of cent ral comp osi te de-
sign/ response su rface methodology in pharmacy experiment
desig n[ J] .C hinese Journal of M odern Applied Pharmacy ,
2007 , 24(6):455-457.
[ 9] 　陆刚 , 杜国栋 , 王俊儒 , 等.星点设计—效应面法优化丹参须
根有效成分的酶法提取工艺[ J] .中国中药杂志 , 2008 , 33
(16):1886-1891.
LU G , DU G D , WANG J R , et al.Opt imiz at ion of enzymat-
i c ext ract ion of effective con sti tu ents f rom fibrous roots of
Sa lvia mi lt iorrhiza by cent ral composi te design and response
surface meth od[ J] .China Journal of C hinese Materia Medica ,
2008 , 33(16):1886-1891.
[ 10] 　陈卫卫 , 徐冬英 , 邓超澄 , 等.星点设计—效应面法优选胃
宁分散片的提取工艺[ J] .中成药 , 2009 , 31(1):39-43.
CHEN W W , XU D Y , DENG C C , et a l.Selection on the
optimal ex t raction of w eining-dispersible tab let by cent ral
composi te design-response su rface methodology[ J] .Chinese
T radit ional Paten t Medicine , 2009 , 31(1):39-43.
[ 11] 　NEM UKU LA A , M UTANDA T , WILHELMI B S , et a l.
Respon se su rface meth odology:S ynthesis of sh ort chain f ruc-
t o- oligosacch arides w i th a f ructosyl t ransferase f rom A sper-
g i llus acu leatus[ J] .Bioresource Technology , 2009 , 100(6):
2040-2045.
[ 12] 　袁志发 , 周静芋.多元统计分析[ M ] .北京:科学出版社 ,
2002.121-125.
YUAN Z F , ZHOU J Y.Mul tivariate s tati st ical analysis
[ M] .Beijing:Science Press , 2002.121-125.
[ 13] 　姜少娟 , 马养民 , 孔东宁 , 等.超声波法提取沙棘果渣中总
黄酮的最佳工艺研究[ J] .西北农林科技大学学报 :自然科学
版), 2006 , 34(10):184-188.
JIANG S J , MA Y M , KONG D N , et a l.Research on ult ra-
sonic w ave ext raction of total f lavonoids from fruit marc of
Hippophae rhamnoides L.[ J] .Jou rn al of Northw es t S ci-
T ech Universi ty of Ag riculture and Forest ry :Natu ral S cience
Edit ion , 2006 , 34(10):184-188.
[ 14] 　兰昌云 , 周崇松 , 范必威 , 等.超声波法提取槐花中黄酮的
最佳工艺研究[ J] .天然产物研究与开发 , 2005 , 17(1):55-
58.
LAN H Y , ZHOU C S , FAN B W , et a l.Research on ult ra-
sonic w are ext ract ion of f lavone f rom bud of Sophora japoni-
ca [ J] .Natu ral Produ ct Research an d Developmen t , 2005 ,
17(1):55-58.
[ 15] 　吴梅林 , 周春山 , 陈龙胜 , 等.酶法提取银杏黄酮类化合物
研究[ J] .天然产物研究与开发 , 2004 , 16(6):557-560.
WU M L , ZHOU C S , CHEN L S , et al.S tudy on the ex-
t raction of total f lavon oid s fron gin kgo leaves b y enzy me hy-
drolysis [ J] .Natural Product Research and Development ,
2004 , 16(6):557-560.
174 西北林学院学报 25 卷