全 文 ：兰香草[Caryopteris incana]是马鞭草科莸属
的一种重要的药用植物，最早可见记载于《植物
名实图考》[1]。其别名较多，比较常见的有婆绒花、
石母草、段菊等[2]。兰香草具有多种药用功能，风
第 27卷 第 6期
2013年 12月
商洛学院学报
Journal of Shangluo University
Vol．27 No．6
Dec. 2013
摘 要:采用 NaNO2-Al(NO3)3-NaOH 体系分光光度法，测定吸光度，比较不同条件下兰香
草总黄酮提取率； 在单因素试验的基础上利用响应面法对提取工艺进行优化设计； 通过
Plackett-Burman 软件对试验因素进行筛选； 应用 Design Expert 7.0 软件对试验因素进行中
心组合设计，并将实验结果进行回归分析。 结果表明，乙醇浓度、液料比、提取时间为影响兰
香草总黄酮提取率的主要因素；试验所得模型与试验数据拟合度较高，可用来预测不同提取
条件下的兰香草总黄酮得率；由回归方程求得的最佳提取工艺为在 40℃温度下，用 73%乙醇
为溶剂，控制液料比为 45 mL·g－1，提取 32 min。
关键词:响应面法；兰香草；总黄酮；提取工艺
中图分类号：Q946.8 文献标识码：A 文章编号：1674-0033（2013）06-0068-07
(1.商洛学院 生物医药工程系，陕西商洛 726000；2.西北大学 化工学院，陕西西安 710069)
收稿日期： 2013-10-20
作者简介： 李筱玲，女，陕西华县人，讲师，硕士研究生
响应面法优化兰香草总黄酮超声提取工艺
李筱玲 1，李稳宏 2
Optimizing the Design of Ultrasonic Extraction
Technology of Total Flavonoids in Caryopteris Incana
Using Response Surface Method
LI Xiao-ling, LI Wen-hong
(1 .Department of Biopharmaceutical Engineering, Shangluo University, Shangluo,Shaanxi 726000;
2.Chemical College of Northwest University, Xian, Shaanxi 710069)
Abstract：The extraction rate of total flavonoids in caryopteris incana(thunb.) miq. were calculated under
different conditions using NaNO2-Al (NO3)3-NaOH spectrophotometric method to detect the absorbance;
the extraction process of total flavonoids were optimized using the response surface method on the basis
of single factor experiment method; the experimental factors were screened by Plackett-Burman software;
application of Design Expert 7 software was used to test the central composite design factors and the
experimental results of regression analysis. The results show that the main factors of flavonoids
extraction rate in caryopteris incana were ethanol concentration, solid-liquid ratio and extraction time ;
the model can be used to predict the yield of total flavonoids in caryopteris incana (thunb.) miq in
different extraction conditions because of its high fitting degree with the experimental data; extraction
technology obtained from the regression equation is that the liquid material ratio and the extraction
time are 45 mL·g-1 and 32 min respectively under the condition of 40℃, 73% ethanol.
Key words：response surface method; caryopteris incana; flavonoids; extraction technology
DOI:10.13440/j.slxy.1674-0033.2013.06.010
寒感冒、风湿痹痛等症可用兰香草内服治疗；外
伤出血、疮疖痛肿等可用兰香草外敷治疗[3]。兰香
草全草含有精油、黄酮类、生物碱、酚类、氨基酸、
有机酸、鞣质等物质，其中犹以黄酮类物质含量
较为丰富[4]。黄酮类化合物具有抗心率失常、抑制
肿瘤、抗氧化、降血糖、抗菌杀虫等药理作用[5-10]。
目前，关于兰香草中黄酮类化合物提取、分离、纯
化的相关报道较少，尤其用响应面分析法对兰香
草总黄酮的提取条件的优化，未见报道。鉴于商
洛市兰香草较为常见以及黄酮类化合物广泛的
药理作用，本文对兰香草总黄酮的超声提取工艺
用响应面分析法进行优化，以期为兰香草资源的
工业化开发打下一定的基础。
1 材料与方法
1.1 材料
兰香草，采自陕西省商州区二龙山水库周边地
区，经商洛学院生物医药工程系张小斌教授鉴定
为马鞭草科莸属植物兰香草[Caryopteris incana]。
1.2 仪器与设备
实验用仪器与设备见表 2 。
表2 主要试验仪器与设备
序号 仪器名称 规格 生产厂家
1 电子天平 FA1104 上海精科天平厂
2 紫外-可见分光光度仪 UV 755 B 上海精科
3 水循环真空泵 SHB-ⅢB 河南巩义科瑞仪器有限公司
4 电热鼓风干燥箱 101A-1 上海试验仪器厂
5 三支组 0-100%酒精计 河北省沧州兴化仪表厂
6 高速万能粉碎机 FW 80 天津泰斯特仪器有限公司
7 集热式恒温加热磁拌器 DF-101S 巩义市英峪予华仪器厂
8 电热恒温水浴 HHS 江苏医疗器械厂
9 旋转蒸发仪 RE-52 上海亚荣生化仪器厂
1.3 方法
吸光度测定采用NaNO2-Al (NO3)3 -NaOH体系分光光度法。
1.3.1 提取流程
具体提取流程如图 1所示。
1.3.2 提取率计算方法
准确称取兰香草干燥样品适量，测定得其含
水量为 7.24%，按(1)式计算不同处理下的各次提
取率。
图 1 超声波法提取兰香草总黄酮流程
测定含水量 兰香草干样
超声波浸提
不同浓度乙醇
控制温度、时间、液料比等因素
测定吸光度 过滤，收集滤液
计算提取液中总黄酮浓度 粗提液
计算总黄酮提取率
减压浓缩
总黄酮粗提物
第 6期 69李筱玲，李稳宏：响应面法优化兰香草总黄酮超声提取工艺
Y= C×VW×(1-0.0724) ×100% (1)
式中：Y表示黄酮提取率；C表示提取液浓
度；V表示提取液体积；W表示物料总重；其中
0.0724是样品粉末的含水率。
1.3.3 单因素试验方案
本文选定天然产物提取中常涉及的提取温
度、提取时间、乙醇浓度、液料比等 4个因素进行
单因素试验。具体试验方案见表 3。
表3 兰香草提取工艺单因素实验设计
编号 因素
水平
1 2 3 4 5
A 乙醇浓度/% 40 50 60 70 80
B 料液比/(mL·g-1) 10 20 30 40 50
C 温度/℃ 30 40 50 60 70
D 时间/min 10 20 30 40 50
1.3.4 Plackett-Burman试验与响应面设计
通过单因素试验虽然能确定各因素的最佳
水平，从而得到最佳工艺条件，但这样确定的最
佳工艺条件未能说明各因素之间的交互影响。在
单因素试验的基础之上，本文采用 Plackett-
Burman软件对这上述提到的 4个因素进一步做
了筛选；根据筛选结果，确定影响较为显著的因
素，再应用 Design Expert 7.0软件进行中心组合
设计，并对实验结果做回归分析，确定最佳提取
工艺条件。
1.3.5 验证试验
应用 Design Expert 7.0软件进行响应面分
析和优化后可得到最优超声提取工艺条件；利用
所得回归方程计算可预测兰香总草黄酮理论提
取率。为验证上述试验结果的可靠性，按照最优
工艺条件进行兰香草总黄酮的提取与测定，将实
际所得提取率与理论提取率进行比较，证明响应
面法对兰香草总黄酮提取条件的优化是否可行。
2 结果与分析
2.1 单因素试验结果
2.1.1 乙醇浓度试验
精确称量粉碎后的兰香草样品 5份，每份 1 g，
分置于 5个 250 mL的具塞三角瓶内，以不同浓
度的乙醇作溶剂，液料比为 10 mL·g－1，在 40℃温
度条件下，超声处理 20 min。提取结果见图 2。
由图 2可知，随乙醇浓度增加，提取率呈现
先增后减变化。乙醇浓度为 70%时，提取率达到
最高值，超过 70%后，提取率逐渐下降。其原因是
因为黄酮类化合物为弱极性物质，其不易溶于纯
水中。根据相似相溶的原则，推断是由于兰香草
总黄酮与 70%的乙醇极性最为接近，因此其在
70%乙醇中有最大溶解度。
2.1.2 液料比试验
精确称量粉碎后的兰香草样品 5份，每份 1 g，
分置于 5个 250 mL的具塞三角瓶内，在不同料
液比条件下，以 70%乙醇作溶剂，在 40℃温度
下，超声处理 20 min。提取结果见图 3。
由图 3可知，提取率随着料液比的增加呈逐
渐上升趋势，但当液料比大于 40 mL·g－1后，提
取率趋于稳定。其原因应是更多的提取溶剂有利
于药材中活性成分的溶出，但当溶剂体积的增加
到一定程度后，活性成分在提取液中达到饱和，
从而浓度不再增加。
2.1.3 提取温度的影响
精确称量粉碎后的兰香草样品 5份，每份 1 g，
分置于 5个 250 mL的具塞三角瓶内，在不同温
图2 乙醇浓度对兰香草总黄酮提取率的影响
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
提
取
率
/%
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
乙醇浓度/%
图3 液料比对总黄酮提取率的影响
6
5
4
3
2
1
0
提
取
率
/%
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
液料比/(mL·g-1)
2013年 12月商洛学院学报70
度条件下，以 70%乙醇作溶剂，液料比 10 mL·g－1，
超声处理 20 min。提取结果见图 4。
由图 4可知，在 60℃前提取率随提取温度的
增加而增加，当提取温度高于 60℃后，提取率随
温度增加开始缓慢降低，推测是高温虽有助于药
材中有效成分的溶出，但在过高的温度下兰香草
总黄酮中某些成分可能会遭到破坏，导致上述现
象的产生。
2.1.4 提取时间的影响
精确称量粉碎后的兰香草样品 5份，每份 1 g，
分置于 5个 250 mL的具塞三角瓶内，以 70%乙
醇作溶剂，在液料比 10 mL·g－1，提取温度为 40℃
条件下，超声处理不同时间。提取结果图 5。
由图 5可知，30 min 前提取率随提取时间
的增加而增加，30 min后，提取率随时间增加
而下降。提取时间越长对药材中活性成分的
提取就越充分，但长时间的超声波处理提取
可能会对兰香草中黄酮类成分造成破坏，从
而使得提取率随时间的变化而呈现出先增后
减的趋势。
2.2 Plackett-Burman 设计结果与分析
由单因素试验结果得知，乙醇浓度、液料比、
提取温度、提取时间 4个因素均能影响兰香草总
黄酮的提取率。为了减少试验次数，提高优选工
作效率，本文采用 Plackett-Burman软件对这上
述 4个因素进一步做了筛选见表 4、表 5。表中，
A-乙醇浓度、B-料液比、C-温度、D-时间、Y-黄
酮提取率。
表4 Plackett-Burman设计方案及其响应值
序号 A/% B/(mL·g-1) C/℃ D/min Y/%
1 80 50 50 40 4.96
2 80 30 70 40 4.77
3 60 50 70 40 4.72
4 80 30 50 20 4.43
5 60 30 50 40 4.65
6 60 30 70 20 4.58
7 60 39 50 20 4.25
8 80 30 70 40 4.94
9 80 50 70 20 4.81
10 80 50 50 20 4.87
11 60 50 70 20 4.73
12 60 50 50 40 4.76
表5 方差分析表
方差来源 偏差平方和 自由度 均方 F P
回归方程 0.360 4 0.091 6.17 0.0189
A-A 0.099 1 0.099 6.71 0.0360
B-B 0.130 1 0.130 8.54 0.0223
C-C 0.033 1 0.033 2.24 0.1781
D-D 0.110 1 0.110 7.21 0.0313
在表 5中，P值、F值的大小能反应各因素显
著性的大小。若 P值小于 0.05，代表此项具有高
度显著性；F值越大，代表该项目的显著性就越
强。因此，表中几个因素显著性水平由高到低排
列顺序为：B>D>A>C，其中 C项 P=0.1781>0.05值，
说明 C项不具有显著性，所以，本文选择 A（乙醇
浓度）；B（液料比）以及 D（提取时间）三个因素进
行响应面分析，以确定最终提取工艺参数。
2.3 响应面分析结果
2.3.1 响应面设计
据 Plackett -Burman 实验的结果，应用
Design Expert 7.0软件对乙醇浓度、液料比、提
取时间进行中心组合设计。响应面设计见表 6，
结果见表7。
图4 温度对总黄酮提取率的影响
5
4
3
2
1
0
提
取
率
/%
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 76
温度/℃
图5 提取时间对总黄酮提取率的影响
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
时间/min
提
取
率
/%
第 6期 71李筱玲，李稳宏：响应面法优化兰香草总黄酮超声提取工艺
由表 7可以看出，乙醇浓度、液料比、提取时
间均是显著项。由表 8可知交互项的 F值很小，
表明这 3因素之间的交互影响不显著。
2.3.2 回归曲线模型及检验
对实验结果做了回归分析及拟合，得回归方
程为：Y=5.02+0.073A+0.055B+0.078D-0.023AB+
0.018AC-0.038BD-0.18A2-0.045B2-0.040D2
由表 8可以看出，回归方程的 P<0.05，F=30.18，
失拟检验 P=0.0711>0.05，证明方程显著性明显，
能较好的拟合实际情况。可用该方程来预测兰香
草总黄酮的提取率。
2.3.3 三个因素的响应面分析及优化
根据二次多项回归方程模型做出实验各
点分布与回归方程关系图及响应曲面图，见
图 6-图 9所示。利用所得图形，可看出各因素
间的相互作用。响应面法的图形是特定的响
应面 Y 对应的因素 A、B、D 构成的一个三维
空间在二维平面上的等高图，可以直观地反映
各因素对响应值的影响，从实验所得的响应面
分析图上可以找到它们在反应过程中的相互
作用。
2.3.4 最佳条件的确定及验证实验
应用 Design Expert7.0软件进行以上响应面
分析和优化，可得30组优化条件，利用软件综合
分析后，确定最优超声提取工艺条件为：乙醇浓度
72.69%，液料比 44.81 mL·g－1，提取时间 32.45 min，
在此条件下，计算兰香总草黄酮理论提取率为
5.05%。
表6 试验因素水平编码
因素 -1 0 1
A/% 60 70 80
B/(mL·g-1) 30 40 50
D/min 20 30 40
表 7 Box-Behnken设计方案及其响应
试验序号 A/% B/(mL·g-1) D/min Y/%
1 70.00 40.00 30.00 5.03
2 60.00 40.00 40.00 4.77
3 70.00 40.00 30.00 4.99
4 70.00 50.00 40.00 5.03
5 70.00 30.00 20.00 4.76
6 60.00 50.00 30.00 4.81
7 70.00 30.00 40.00 5.03
8 70.00 40.00 30.00 5.01
9 80.00 30.00 30.00 4.82
10 70.00 40.00 30.00 5.02
11 70.00 40.00 30.00 5.04
12 60.00 30.00 30.00 4.62
13 60.00 40.00 20.00 4.69
14 80.00 50.00 30.00 4.92
15 70.00 50.00 20.00 4.91
16 80.00 40.00 20.00 4.79
17 80.00 40.00 40.00 4.94
表8 方差分析表
方差来源 平方和 自由度 均方 F P
模型 0.280 9 0.032 30.18 <0.0001
A-A 0.042 1 0.042 38.22 0.0004
B-B 0.024 1 0.024 23.59 0.0019
C-C 0.048 1 0.048 46.85 0.0003
AB 2.025×103 1 2.025×103 1.97 0.2069
AC 1.225×103 1 1.225×103 1.19 0.3153
BC 5.625×103 1 5.625×103 5.48 0.0536
A2 0.140 1 0.14 130.64 <0.0001
B2 8.621×103 1 8.621×103 8.23 0.0240
D2 6.821×103 1 6.821×103 6.51 0.0380
残差 7.330×103 7 1.047×103
失拟误差 5.850×103 3 1.950×103 5.27 0.0711
纯误差 1.480×103 4 3.700×104
总和 0.290 16
2013年 12月商洛学院学报72
为验证预测结果的可靠性，按照最优工艺进
行兰香草总黄酮的提取与测定。为便于操作，调
整最优工艺参数为提用乙醇浓度 73%，液料比
45 mL·g－1；提取时间 32 min，提取温度为 40℃，
进行三组重复试验，以验证优化条件的可靠性。
结果在最优试验条件下，兰香草总黄酮提取率平
均值为 5.04%，与预测值基本相符。
3 结论与讨论
本文运用 Plackett-Burman 筛选和 Design
Expert 7.0设计，建立了以兰香草总黄酮提取率
为响应值，以乙醇浓度、液料比和超声时间为因
子的数学模型，通过方差分析可知其拟合度较
好。经优化后，最终得到最佳提取工艺条件为：乙醇
浓度 73%，提取时间 32 min，液料比 45 mL·g－1。在
此最优条件下得到兰香草总黄酮提取率为
5.04%，与预测所得理论提取率值相近。证明利用
响应面法对兰香草总黄酮提取条件进行优化是
可行的。
天然产物活性成分的提取研究中多使用
线性回归、正交设计等方法分析数据，估算试
验结果、确定最佳试验条件。但上述两种方法
各有缺陷，正交试验不能够在给出的范围之内
找出因素与试验结果之间的函数关系；线性回
归虽然能满足上述要求，但要求有大量的数据
做支撑，且无法考察多因素之间的交互作用。
本研究用的响应面分析法能将体系的响应作
为一个或多个因素的函数，运用图形技术将这
种函数关系显示出来，以供选择试验设计中的
最优条件 [11-14]。响应面分析法综合了前述两种
方法的优点，既能够估算试验结果，又能够考
察多因素之间的交互作用，同时还运用图形技
术将因素与试验结果之间的函数关系显示出
来，以供凭借直觉的观察来选择试验设计中的
最优化条件。
本研究只初步探索了兰香草中黄酮类化合
物的利用，而兰香草中包括黄酮类的多种活性成
分还需要进一步研究，以便加快兰香草资源综合
开发利用的步伐。
Y/
%
99
95
90
80
70
50
30
20
10
5
1
-2.32 -1.16 0.00 1.16 2.32
Internally Studentized Residuals
图6 实验数据与回归方程关系图
A/%
B/(mL·g -1)
Y/
%
5.05
4.945
4.84
4.735
4.63
50.00
45.00
40.00
35.00
30.00 60.00
65.00
70.00
75.00
80.00
图7 Y=f(A,B)的响应面与等高线
Y/
%
D/min A/%
5.07
4.9675
4.865
4.7625
4.66
40.00
35.00
30.00
25.00 65.00
60.0020.00
70.00
75.00
80.00
图 8 Y=f(A,C) 的响应面与等高线
Y/
%
D/min B/(m
L·g
-1 )
5.07
4.99
4.91
4.83
4.75
40.00
35.00
30.00
25.00
20.00 30.00
35.00
40.00
45.00
50.00
图 9 Y=f(B,C) 的响应面与等高线
第 6期 73李筱玲，李稳宏：响应面法优化兰香草总黄酮超声提取工艺
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2013年 12月商洛学院学报74