全 文 ：响应面法优化提取荚果蕨总
黄酮的工艺研究
施伟梅，王 杨，张颖豪
(赣南医学院药学院，江西 赣州 341000)
摘 要:采用响应面法优化荚果蕨总黄酮的热浸提取工艺。在单因素试验的基础上，采用
响应面法考察了提取温度、提取时间、液料比和乙醇浓度对总黄酮提取率的影响，并利用 Design-
Expert 8．0．6软件和 Box-Behnken中心组试验设计原理对各工艺参数进行了回归分析。结果表
明:提取温度是对响应值影响最大的因素，最佳提取条件为提取温度 73℃、提取时间 158min、液
料比 27、乙醇浓度 74%，在此条件下，荚果蕨总黄酮的提取率为 1．06%，与理论值相比略有增加，
相对误差为 0．95%，验证了回归模型的有效性。响应面法对荚果蕨总黄酮的提取条件优化合理
可行，为荚果蕨总黄酮的开发与利用提供了理论依据。
关键词:荚果蕨;总黄酮;提取;响应面分析
中图分类号:Ｒ284．2 文献标识码:A 文章编号:1674－0408(2016)02－0011－06
收稿日期:2016－05－16
基金项目:赣南医学院科研课题(YB201429)
作者简介:施伟梅，女，赣南医学院药学院讲师。
荚果蕨(Matteuccia struthiopteris(L．)Todaro)
又名黄瓜香、广东菜，是球子蕨科荚果蕨属多年生
草本植物［1］。荚果蕨富含蛋白质、多糖及多种微
量元素，还有黄酮、蜕皮甾酮等天然活性成分，具
药食两用的属性［2-4］。荚果蕨清香可口，质地脆
嫩，已被开发成罐头制品［5］。然而，迄今为止对荚
果蕨的利用主要为其嫩叶的食用，而占其大部分
重量的茎和老叶却没有得到很好的利用，因此对
荚果蕨资源的全面利用尚待进一步的研究和开
发。目前，已有文献对荚果蕨中营养叶的黄酮成
分［6］及不同采收时期的总黄酮含量［7］进行了研
究，但是，其提取过程只考虑荚果蕨中的营养叶，
而忽视了对全草的总黄酮的提取。本研究选用乙
醇回流提取［8-9］荚果蕨中的总黄酮，在单因素实验
的基础上，采用响应面法优化提取工艺，为荚果蕨
的开发利用提供科学依据。
一、实验部分
(一)仪器与试剂
DHG-9070电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪
器有限公司;Lambda 35 紫外可见分光光度计，美
国珀金埃尔默公司;TDL-50B 台式离心机，上海安
亭科学仪器厂;AB135-S 电子分析天平，上海树信
仪表有限公司;Q-250B高速万能粉碎机，上海冰都
电器有限公司。
荚果蕨:采于四川省南充市西山，将全草浸泡
于蒸馏水中，晾干，在 50℃烘箱中干燥至恒重后粉
碎，过 60目筛，置于干燥皿中密封保存备用;芦丁
对照品，中国药品生物制品检定所;乙醇，分析纯，
国药集团化学试剂有限公司生产，使用时，配制成
不同体积浓度的乙醇溶液;其他试剂均为分析纯。
(二)试验方法
1．总黄酮标准曲线的建立
以芦丁为标准品，采用 NaNO2-Al(NO3)3 比色
法［10］，在波长 510nm处测定吸光度，以芦丁浓度 X
为横坐标，吸光度 Y 为纵坐标，绘制标准曲线，并
将实验结果进行线性回归，得回归方程。
2．荚果蕨总黄酮的提取及检测
荚果蕨粉末 2．000g→乙醚脱脂 8h→乙醇水浴
提取→趁热抽滤→定容→提取液→按 1．2．1 项的
11
第 10卷第 2期
2 0 1 6年 6月
广 州 城 市 职 业 学 院 学 报
Journal of Guangzhou City Polytechnic
Vol ．10 NO．2
Jun ． 2 0 1 6
方法测吸光度 Y，根据回归方程标准曲线，按下式
计算总黄酮的提取率。
总黄酮提取率% =
b·n·V
W
×100%
式中:b为荚果蕨提取液总黄酮的质量浓度，
mg /ml;n为提取液稀释倍数;V为提取液体积，ml;
W为荚果蕨粉末的质量，g。
(三)试验设计
1．单因素试验
单因素试验研究了提取温度、提取时间、液料
比和乙醇浓度对荚果蕨总黄酮提取率的影响。
2．响应面试验设计
在单因素试验结果的基础上，采用 Box-Be-
hnken中心组试验法对荚果蕨总黄酮的提取工艺
进行优化，确定荚果蕨总黄酮的最佳工艺条件及
在此条件下的总黄酮的最大提取率。
应用 Design-Expert 8． 0． 6 软件采用 Box-Be-
hnken Design(BBD)进行试验设计。以提取温度
(X1)、提取时间(X2)、液料比(X3)和乙醇浓度
(X4)为自变量，荚果蕨总黄酮提取率为指标，进行
响应曲面分析，因素水平设计见表 1。
表 1 响应曲面因素与水平表
因素
水平
－1 0 +1
提取温度 /℃ X1 60 70 80
提取时间 /min X2 120 150 180
液料比 /mL·g－1 X3 20 25 30
乙醇浓度 /% X4 60 70 80
3．验证与比较试验
通过软件分析获得最佳提取工艺条件后，按
照优化条件进行提取测定，比较实验结果和方程
计算值的差异。
二、结果与分析
(一)单因素试验
1．提取温度对总黄酮提取率的影响
设定乙醇浓度为 80%、液料比为 20、提取时间
为 2h的条件下，考察了不同提取温度对总黄酮提
取率的影响，结果如图 1 所示。从图 1 可看出，随
着温度升高，总黄酮提取率不断升高，当温度到达
70℃时总黄酮提取率达到最大，继续升高温度，提
取率反而下降。这是因为随着温度升高，一方面
溶剂分子和黄酮类物质分子的平均动能增加，另
一方面体系的粘度下降，二者共同作用，使得黄酮
类物质的扩散作用增强，有利于黄酮类物质的溶
出;当超出 70℃之后，温度过高，乙醇汽化严重，同
时温度过高，黄酮类物质会被氧化而遭到破坏［11］，
从而导致总黄酮提取率的下降。因此，最佳提取
温度选择为 70℃。
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图 1 提取温度对总黄酮提取率的影响
2．提取时间对总黄酮提取率的影响
设定提取温度为 70℃、乙醇浓度为 80%、液料
比为 20的条件下，考察了不同提取时间对总黄酮
提取率的影响，结果如图 2 所示。从图 2 可看出，
荚果蕨总黄酮提取率随着提取时间的增加，呈先
增加后下降的趋势，当提取时间为 150min时，提取
率达到最高。这是因为提取时间过长时，溶出的
杂质增多与黄酮类物质产生竞争，且黄酮类物质
在较长时间的高温下容易被氧化而遭到降解［12］，
从而导致提取率的不升反降。因此，最佳提取时
间选定为 150min。
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图 2 提取时间对总黄酮提取率的影响
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广州城市职业学院学报 2016年第 2期
3．液料比对总黄酮提取率的影响
设定提取温度为 70℃、提取时间为 150min、乙
醇浓度为 80%的条件下，考察了不同液料比对总
黄酮提取率的影响，结果如图 3所示。从图 3可看
出，随着液料比的增加，总黄酮的溶出量逐渐增
加，当液料比为 25 时黄酮类物质提取率达到最大
值，继续增大液料比，提取率反而下降，这是因为
过大的液料比，会增加浓缩成本，造成黄酮类物质
的损失以及溶剂和资源的浪费［13］，因此，最佳液料
比选择为 25。
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图 3 液料比对总黄酮提取率的影响
4．乙醇浓度对总黄酮提取率的影响
设定提取温度为 70℃、提取时间为 150min、液
料比为 25的条件下，考察了不同乙醇浓度对总黄
酮提取率的影响，结果如图 4 所示。从图 4 可看
出，随着乙醇浓度增加，总黄酮的提取率呈现先增
后减的趋势，当乙醇浓度为 70%时总黄酮提取率
达到最大值。这是因为乙醇浓度过大时，亲脂性
强的物质溶出随之增加［14］，干扰因素也随之加大，
因此，本实验设定最佳乙醇浓度为 70%。
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图 4 乙醇浓度对总黄酮提取率的影响
(二)响应面试验结果
1．响应面试验结果及方差分析
根据 Box-Behnken的中心组合实验设计原理，
选取提取温度(X1)、提取时间(X2)、液料比(X3)
和乙醇浓度(X4)四个因素进行优化实验，实验因
素和水平设计见表 2，响应面分析方案见表 3。
表 2 响应曲面试验以及响应值
试验
号
超声温
度 /℃
乙醇浓
度 /%
液料比 /
ml·g－1
超声时
间 /℃
黄酮提
取率 /%
1 －1 －1 0 0 0．778
2 1 －1 0 0 0．861
3 －1 1 0 0 0．784
4 1 1 0 0 0．963
5 0 0 －1 －1 0．96
6 0 0 1 －1 0．972
7 0 0 －1 1 0．986
8 0 0 1 1 0．989
9 －1 0 0 －1 0．792
10 1 0 0 －1 0．915
11 －1 0 0 1 0．869
12 1 0 0 1 0．923
13 0 －1 －1 0 0．901
14 0 1 －1 0 0．903
15 0 －1 1 0 0．895
16 0 1 1 0 0．989
17 －1 0 －1 0 0．821
18 1 0 －1 0 0．866
19 －1 0 1 0 0．818
20 1 0 1 0 0．977
21 0 －1 0 －1 0．818
22 0 1 0 －1 0．861
23 0 －1 0 1 0．966
24 0 1 0 1 0．989
25 0 0 0 0 1．011
26 0 0 0 0 1．032
27 0 0 0 0 1．052
28 0 0 0 0 1．043
29 0 0 0 0 1．017
31
施伟梅，等:响应面法优化提取荚果蕨总黄酮的工艺研究
表 3 响应曲面方差分析表
方差来源 离差平方和 自由度 均方 F值 P值 显著度
模型 0．18 14 0．013 13．57 ＜0．000 1 ＊＊＊
X1－X1 0．034 1 0．034 36．56 ＜0．000 1 ＊＊＊
X2－X2 6．075×10－3 1 6．075×10－3 6．45 0．023 6 *
X3－X3 3．434×10－3 1 3．434×10－3 3．64 0．077 0
X4－X4 0．014 1 0．014 14．34 0．002 0 ＊＊
X1X2 2．304×10－3 1 2．304×10－3 2．45 0．140 2
X1X3 3．249×10－3 1 3．249×10－3 3．45 0．084 5
X1X4 1．190×10－3 1 1．190×10－3 1．26 0．280 0
X2X3 2．116×10－3 1 2．116×10－3 2．25 0．156 2
X2X4 1．000×10－4 1 1．000×10－4 0．11 0．749 4
X3X4 2．025×10－5 1 2．025×10－5 0．021 0．885 5
X1
2 0．093 1 0．093 98．23 ＜0．000 1 ＊＊＊
X2
2 0．038 1 0．038 40．64 ＜0．000 1 ＊＊＊
X3
2 6．117×10－3 1 6．117×10－3 6．49 0．023 2 *
X4
2 8．098×10－3 1 8．098×10－3 8．59 0．010 9 *
残差 0．013 14 9．423×10－4
失拟度 0．012 10 1．201×10－3 4．06 0．094 4
绝对误差 1．182×10－3 4 2．955×10－4
总离差 0．19 28
注:* P＜0．05;＊＊P＜0．01;＊＊＊P＜0．001。
表 4 Box-Behnken 的试验设计和实验结果
响应值 相关系数 调整系数 均方根误差 变异系数
提取率(Y) 0．9314 0．8627 0．031 3．33%
从方差分析表 3可知，由试验数据所得模型的
F值为 13．57，P 值为＜0．0001，表示该模型显著。由
模型拟合得到的回归方程为:Y=+1．031+0．053 6X1
+0．022 5X2 + 0．016 9X3 + 0．033 7X4 + 0．024 0X1X2 +
0．028 5X1X3－0．017 2X1X4 +0．023 0X2X3 －5．000×10
－3
X2X4－2．250 0×10
－3 X3X4 － 0．119 5X12 － 0．076 8X2
2－0．030 7X32－0．035 3X42，其方程的 Ｒ
2 = 0．931 4，
表明该回归方程拟合度较好，实验误差较小。方
程中 P＜0．05 的项代表显著项，包括 X1-提取温度、
X2-提取时间、X4-乙醇浓度及二次项 X1
2、X2
2、X3
2、
X4
2。由此可知，各影响因素与响应值的关系并不
是简单的线性关系。方程的失拟度 F 值为 4．06，P
=0．094 4＞0．05，表示失拟度不显著，说明该回归方
程可以较好地描述各因素与响应值之间的真实关
系，调整系数为 0．8627，表明有 86．27%的数值可以
用该模型来解释。综合上述结果可知，此回归方程
可以用于对荚果蕨总黄酮的提取率进行预测分析。
由此得到荚果蕨总黄酮提取率最大预测值为1．05%，
最优提取工艺为:提取温度 72． 81℃、提取时间
157．51min、液料比为 27．43，乙醇浓度 73．75%。
2．试验因素交互作用对响应值影响的 3D分析
各因素及其相互作用对响应值的影响可以通
过相应曲面 3D图直观反映出来，具体结果见图 5。
由图 5可知，并不是所有因素对荚果蕨总黄酮的提
取都有显著的影响，提取温度的影响最为显著，随
着提取温度的升高，总黄酮提取率随之增大，随后
提取温度继续增大，总黄酮提取率则明显下降，表
现为曲面较陡;提取时间的影响次之，表现为曲面
较平缓，响应值变化较小;乙醇浓度和液料比影响
最小，曲面基本表现为一平直线。各具体试验因
素对响应值的影响大小主次因素顺序为提取温度
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广州城市职业学院学报 2016年第 2期
＞提取时间＞乙醇浓度＞液料比。
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图 5 各因素交互作用对总黄酮得率 Y影响的响应曲面(3D)
A．提取温度和提取时间对黄酮提取率的响应面图;B．提取温度和乙醇浓度对黄酮提取率的响应面图;C．提取时间和乙醇浓
度对黄酮提取率的响应面图;D．液料比和乙醇浓度对黄酮提取率的响应面图;E．提取时间和液料比对黄酮提取率的响应面
图;F．液料比和提取温度对黄酮提取率的响应面图
3．最佳提取工艺的优化及验证
为检验模型的可靠性，采用上述最优提取条
件进行荚果蕨总黄酮的提取验证试验。考虑到实
际操作的便利，将最佳工艺条件修正为:提取温度
73℃、提取时间 158min、液料比为 27，乙醇浓度
74% ，在此条件下进行 3次平行试验，实际提取率
为 1．06%。该实验重现性良好，结果相对于预测值
误差为 1．03%，表明采用响应面法优化得到的提取
条件参数可靠，得到的总黄酮提取条件具有实际
应用价值。
三、结论
利用乙醇为溶剂提取荚果蕨总黄酮，并通过
响应面分析得到了最佳提取条件，回归模型预测
的荚果蕨总黄酮提取的最佳工艺条件为:提取温
度 73℃、提取时间 158min、液料比为 27，乙醇浓度
74%，实际提取率为 1．06%，相对于预测值相对误
差为 0．95%。响应面法对荚果蕨总黄酮的提取条
件优化合理可行，为提高荚果蕨总黄酮的提取率
提供了理论依据。
51
施伟梅，等:响应面法优化提取荚果蕨总黄酮的工艺研究
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(责任编辑 夏侯国论)
Optimization of Extracting Flavonoids from Matteuccia Struthiopteris(L．)
Todaro by Ｒesponse Surface Methodology
Shi Wei-mei，Wang Yang，Zhang Ying-hao
(College of Pharmacy，Gannan Medical University，Ganzhou 341000，China)
Abstract:Ｒesponse surface methodology was employed to determine optimum conditions for extraction of total flavonoids from
Matteuccia struthiopteris(L．)Todaro． The temperature on extraction，extraction time，liquid-solid ratio and the concentration of
ethanol were chosen to conduct the single factor experiments． And regression analysis on various process parameters was carried out
according to the Design-Expert 8．0．6 software and the Box-Behnken center combination experimental principles． The results showed
that the largest effect on response was the extraction temperature，and the optimum extraction condition was:extraction temperature
73℃，extraction time 158min，liquid-solid ratio 27 and the concentration of ethanol 74%，respectively． Under these conditions，the
actual value was 1． 06%，which had a slight increase as compared to the predicted value，and the relative error was 0． 95%，
indicating that the regression model fitted well with the experimental data． This study could provide a theoretical direction for
extracting flavonoids from Matteuccia struthiopteris(L．)Todaro on a large scale．
Key words:Matteuccia struthiopteris(L．)Todaro;flavonoids;extraction;response surface methodology
61
广州城市职业学院学报 2016年第 2期