全 文 ：253
响应面法优化超声辅助提取野木瓜多酚工艺
夏 季1，郑 炯1，2，3，陈光静1，王晓静1，阚建全1，2，3，*
(1.西南大学食品科学学院，重庆 400715;
2.重庆市农产品加工及贮藏重点实验室，重庆 400715;
3.农业部农产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(重庆) ，重庆 400715)
摘 要:以野木瓜为原料，采用响应面法优化超声波辅助提取野木瓜多酚的工艺条件。在单因素实验的基础上，采用
Box－Behnken设计，对超声时间、超声温度、丙酮体积分数、料液比等工艺参数进行优化。结果表明，野木瓜多酚提取
的最佳工艺条件为超声时间 20min，超声温度 63℃，丙酮体积分数 58%，料液比 1∶20(g /mL)。经验证，该条件下野木
瓜多酚的得率为 8.402mg /g，与预测值 8.426mg /g的相对误差为 0.3%。该法所得的优化提取条件工艺参数可靠，可行
性强，可为野木瓜中多酚产品的开发利用提供科学依据。
关键词:野木瓜，多酚，响应面法，超声辅助提取
Optimization of ultrasonic－assisted extraction of polyphenols
from Stauntonia chinensis using response surface methodology
XIA Ji1，ZHENG Jiong1，2，3，CHEN Guang－jing 1，WANG Xiao－jing1，KAN Jian－quan1，2，3，*
(1.College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400715，China;
2.Chongqing key Laboratory of Produce Processing and Storage，Chongqing 400715，China;
3.Laboratory of Quality ＆ Safety Ｒisk Assessment for Agro－products on Storage and
Preservationg(Chongqing) ，Ministry of Agriculture，Chongqing 400715，China)
Abstract:The ultrasonic － assisted extraction of polyphenols from Stauntonia chinensis was optimized using
response surface methodology. Based on the single factor experimental analysis，Box － Behnken experimental
design was used to explore the optimal processing conditions to extract polyphenols from Stauntonia chinensis
including ultrasonic treatment time，ultrasonic temperature，acetone concentration and solid－ to－ solvent ratio.The
results showed that the optimal extraction conditions were ultrasonic treatment time of 20min，ultrasonic
temperature of 63℃，acetone concentration of 58% and solid－ to－solvent ratio of 1∶20(g /mL).Through certification，
the extraction yield of polyphenols from Stauntonia chinensis was 8.402mg /g under the optimal conditions. In
conclusion，the optimized extraction process is reliable and can be utilized to develop products based on
Stauntonia chinensis polyphenols.
Key words:Stauntonia chinensis;polyphenols;response surface methodology;ultrasonic－assisted extraction
中图分类号:TS255.1 文献标识码:B 文 章 编 号:1002－0306(2014)21－0253－06
doi:10． 13386 / j． issn1002 － 0306． 2014． 21． 046
收稿日期:2014－03－05
作者简介:夏季(1991－) ，女，硕士研究生，研究方向:食品化学与营
养学。
* 通讯作者:阚建全(1965－) ，男，博士，教授，研究方向:食品化学与
营养学、食品生物技术、食品质量与安全。
野木瓜(Stauntonia chinensis)属蔷薇科野木瓜属
植物，果无蒂，果成熟后，香气浓郁，在我国分布广，
资源丰富，能人工栽培，但利用率较低［1－2］。野木瓜
中含有丰富的多酚类物质［3］，主要包括黄酮类、酚酸、
单宁、芪类和木脂素类等物质［4］，具有抗炎、抗菌、抗
癌、抗过敏、抗氧化、预防糖尿病、肥胖和心血管疾病
等作用，可作为功能食品的有效成分［5－12］。相关研究
表明，黄酮类物质能有效预防人和动物的增龄性认
知能力衰退和神经退行性变［13］。近年来，植物多酚
因其在人体健康方面的积极作用已成为研究热
点［14］，但国内外关于野木瓜的研究主要集中在野木
瓜中的多糖［15－17］和皂苷成分［18－24］、野木瓜产品开
发［25－26］及野木瓜的药理作用［27］，关于野木瓜多酚的
报道较少。对野木瓜中的多酚物质进行提取并用于
保健食品的开发具有十分广阔的市场前景。
超声波提取法是利用超声波的机械破损和空化
作用，以期达到缩短浸提时间的效果，该方法具有提
取温度低、得率高、操作简便快捷、提取物结构不易
被破坏等特点，目前已广泛应用于多种天然植物资
源如茶叶［28］、葡萄［29］、石榴［30］、玉米［31］、板栗［32］、苹
果［33］中多酚的提取，但其对野木瓜多酚的提取研究
尚未见报道。本实验拟采用超声波提取法提取野木
瓜多酚，运用 Folin－Ciocalteu法测定野木瓜多酚的得
254
率，并在单因素实验的基础上采用响应面法优化实
验设计，得到野木瓜多酚提取的最佳工艺条件，以期
为野木瓜多酚的工业化生产提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
重庆綦江吹角村的野木瓜，粉碎后得野木瓜粉
备用。石油醚、丙酮、钨酸钠、钼酸钠、硫酸锂(均为
分析纯) 成都金山化学试剂有限公司;无水碳酸钠
(分析纯) 重庆川东化工(集团)有限公司化学试剂
厂;没食子酸标准品 美国 Sigma公司。
DD－5000 型立式低速离心机 成都彼岸生物科
技有限责任公司;DY － 10 － 200DT 型超声波清洗
器 重庆东悦仪器有限公司;HHS－24 电热恒温水浴
锅 上海齐欣科学仪器有限公司;ＲE－5220 旋转蒸
发器 重庆东悦仪器有限公司;SHZ－Ⅲ型循环水真
空泵 郑州长城科工贸有限公司;UV－2450 紫外可
见分光光度计 日本岛津;WF130 万能粉碎机 江
阴市天元药化机械有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 没食子酸标准曲线的绘制 向 100mL 容量瓶
中精确加入没食子酸标准品 0.010g，用蒸馏水溶解并
定容至 100mL。分别吸取 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mL 上
述标准溶液加入到 10mL 容量瓶中，添加 1mL 事先
制备好的 Folin－ ciocalten 试剂［34］，摇匀后，加入 15%
Na2CO3溶液 2mL，用蒸馏水定容至刻度线。室温下
反应 2h，于 765nm 波长下测定吸光度值［35］，以没食
子酸质量浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标，绘制标
准曲线。
1.2.2 野木瓜多酚的提取与测定 准确称取 1.0g 野
木瓜粉，按一定料液比加入一定体积分数的丙酮溶
液后，于一定时间和温度条件下超声处理，然后以
4000r /min离心提取液 8min，收集上层清液，重复离
心两次，合并两次离心所得上层清液，再 40℃旋转蒸
发，收集残留物并定容至 25mL 棕色容量瓶中
待测［36］。
向 10mL容量瓶中依次准确加入 0.1mL 待测提
取液、1mL Folin－Ciocalteu试剂、2mL 15% Na2CO3 溶
液，用蒸馏水定容至刻度线，摇匀后室温下反应 2h，
于 765nm 波长下测定吸光度值，根据上述标准曲线
回归方程计算其对应的多酚质量浓度，根据下式计
算多酚得率:
野木瓜多酚得率(mg /g)= C × N × Vm
式中:C 为待测提取液中多酚的质量浓度，
mg /mL;N为稀释倍数;V为待测提取液定容后体积，
mL;m为野木瓜粉质量，g。
1.2.3 单因素实验
1.2.3.1 超声时间对野木瓜多酚得率的影响 固定
丙酮体积分数 60%，料液比 1∶16，提取温度 50℃，超
声功率 100W，分别采用 10、20、30、40、50min 的超声
时间提取多酚，平行实验 3 次，测定多酚得率。
1.2.3.2 超声温度对野木瓜多酚得率的影响 固定
丙酮体积分数 60%，料液比 1∶16，提取时间 30min，超
声功率 100W，分别采用 40、50、60、70、80℃的超声温
度提取多酚，平行实验 3 次，测定多酚得率。
1.2.3.3 丙酮体积分数对野木瓜多酚得率的影响
固定料液比 1∶16，提取温度 60℃，提取时间 30min，超
声功率 100W，分别采用体积分数为 50%、60%、
70%、80%、90%的丙酮溶液提取多酚，平行实验 3
次，测定多酚得率。
1.2.3.4 料液比对野木瓜多酚得率的影响 固定丙
酮体积分数 60%，超声温度 60℃，超声时间 30min，
超声功率 100W，分别采用 1∶8、1∶10、1∶12、1∶16、1∶20
的料液比提取多酚，平行实验 3 次，测定多酚得率。
1.2.4 响应面优化实验设计 分别以超声时间(A)、
超声温度(B)、丙酮体积分数(C)、料液比(D)为变
量，研究单因素对野木瓜多酚得率的影响，在单因素
实验的基础上采用 Box－Behnken 设计，通过响应曲
面分析优化野木瓜多酚提取的工艺条件。实验的因
素水平编码表见表 1。
表 1 响应面分析因素和水平表
Table 1 Factors and levels of response surface experiment
水平
因素
A超声时间
(min)
B超声温度
(℃)
C丙酮体积
分数(%)
D料液比
(g /mL)
－ 1 20 50 50 1∶12
0 30 60 60 1∶16
1 40 70 70 1∶20
1.3 数据处理及统计分析
利用 Design－Expert 8.0.5 软件进行响应面设计
和分析，采用 OＲIGIN 8.6 进行统计分析和制图。
2 结果与分析
2.1 标准曲线的绘制
得出标准曲线方程 y = 15.33x－0.0115，式中 x 为
没食子酸质量浓度 (mg /mL) ，y 为吸光度，Ｒ2
= 0.9994。
2.2 单因素实验结果与分析
2.2.1 超声时间对野木瓜多酚得率的影响 由图 1
可知，野木瓜多酚得率随超声时间的延长先增加后
减少，在超声提取 30min 时达到最大，之后降低，其
原因可能是超声时间过长使细胞内温度升高，以及
多酚暴露在空气中时间的延长，使得多酚发生氧化、
缩合、降解等反应的概率增加，导致野木瓜多酚的表
观得率下降［32，37－38］。因此，选取 30min 作为较佳超声
时间。
2.2.2 超声温度对野木瓜多酚得率的影响 由图 2
可知，野木瓜多酚得率随超声温度的升高先增加后
减少，当超声温度升高到 60℃时，野木瓜多酚得率达
到最大，随后开始下降。其原因是超声温度的升高
加剧分子的运动，使多酚更容易渗出，但过高的温度
会破坏多酚的结构，降低野木瓜多酚的得率。因此，
选取 60℃为较佳提取温度。
2.2.3 丙酮体积分数对野木瓜多酚得率的影响 由
图 3 可以看出，随着丙酮体积分数的增加，总酚得率
先增加后减小，丙酮体积分数为 60%时提取效果最
255
图 1 超声时间对野木瓜多酚提取的影响
Fig.1 Effects of extraction time on the extraction
of polyphenols from Stauntonia chinensis
图 2 超声温度对野木瓜多酚提取的影响
Fig.2 Effects of extraction temperature on the
extraction of polyphenols from Stauntonia chinensis
佳。这是由于多酚是水溶性物质，根据相似相溶原
理，提取多酚需使用与多酚极性相似的溶剂以使其
充分溶出［39］。多酚在植物体内常以氢键的形式与蛋
白质等形成稳定复合物，过低体积分数的丙酮不足
以使氢键破坏或破坏程度不够，导致多酚得率不
高［40］;过高体积分数的丙酮使溶剂极性降低，导致多
酚得率下降，并且丙酮体积分数过高会增加脂溶性
物质的溶出［41］，不利于后续多酚的分离纯化。因此，
确定丙酮体积分数为 60%。
图 3 不同体积分数的丙酮对野木瓜多酚提取的影响
Fig.3 Effects of different concentrations of acetone on the
extraction of polyphenols from Stauntonia chinensis
2.2.4 料液比对野木瓜多酚得率的影响 由图 4 可
知，随着料液比的增加，野木瓜多酚得率增加，说明
溶剂比例大有利于多酚物质的溶出。但当料液比增
加到 1∶16 后，多酚得率基本保持不变，且料液比过大
容易造成溶剂的浪费，综合考虑多酚得率及提取成
本，最终确定最优料液比为 1∶16。
图 4 料液比对野木瓜多酚提取的影响
Fig.4 Effects of ratio of material to liquid on the
extraction of polyphenols from Stauntonia chinensis
2.3 响应面优化法确定野木瓜多酚的最佳提取条件
2.3.1 响应模型的建立与分析 实验采用 Box －
Behnken设计，利用 Design－Expert 8.0.5 软件分析超
声时间 A、超声温度 B、丙酮体积分数 C、料液比 D 4
个影响因素对野木瓜多酚得率的影响，实验设计及
结果见表 2。
表 2 实验设计与结果
Table 2 Experiment design and the result
实验号
A超声
时间
(min)
B超声
温度
(℃)
C丙酮
体积分数
(%)
D料液比
(g /mL)
Ｒ1 多酚
得率
(mg /g)
1 － 1 － 1 0 0 7.6
2 1 － 1 0 0 7.1
3 － 1 1 0 0 7.5
4 1 1 0 0 6.9
5 0 0 － 1 － 1 7.32
6 0 0 1 － 1 7.44
7 0 0 － 1 1 7.62
8 0 0 1 1 7.83
9 － 1 0 0 － 1 7.46
10 1 0 0 － 1 7.29
11 － 1 0 0 1 8.39
12 1 0 0 1 7.15
13 0 － 1 － 1 0 7.03
14 0 1 － 1 0 7.13
15 0 － 1 1 0 7.15
16 0 1 1 0 7.35
17 － 1 0 － 1 0 7.98
18 1 0 － 1 0 6.84
19 － 1 0 1 0 7.55
20 1 0 1 0 7.29
21 0 － 1 0 － 1 7.2
22 0 1 0 － 1 7.02
23 0 － 1 0 1 6.97
24 0 1 0 1 7.91
25 0 0 0 0 7.97
26 0 0 0 0 8.13
27 0 0 0 0 8.08
28 0 0 0 0 8.1
29 0 0 0 0 7.98
256
表 3 二次响应模型方差分析
Table 3 ANOVA results for response surface quadratic model
方差来源 平方和 自由度 df 均方 F值 p值
模型 4.96 14 0.35 22.94 ＜ 0.0001＊＊
A－超声时间 1.27 1 1.27 82.48 ＜ 0.0001＊＊
B－超声温度 0.048 1 0.048 3.12 0.0993
C－丙酮体积分数 0.040 1 0.040 2.57 0.1313
D－料液比 0.38 1 0.38 24.71 0.0002＊＊
AB 2.500E－003 1 2.500E－003 0.16 0.6935
AC 0.19 1 0.19 12.53 0.0033*
AD 0.29 1 0.29 18.53 0.0007＊＊
BC 2.500E－003 1 2.500E－003 0.16 0.6935
BD 0.31 1 0.31 20.30 0.0005＊＊
CD 2.025E－003 1 2.025E－003 0.13 0.7227
A2 0.47 1 0.47 30.75 ＜ 0.0001＊＊
B2 1.92 1 1.92 124.43 ＜ 0.0001＊＊
C2 0.73 1 0.73 47.29 ＜ 0.0001＊＊
D2 0.26 1 0.26 17.11 0.0010*
残差 0.22 14 0.015
失拟 0.20 10 0.020 3.70 0.1093
纯误差 0.021 4 5.270E－003
总误差 5.18 28
注:* 为显著(＜ 0.05) ;＊＊为极显著(＜ 0.01)。
由表 3 方差分析可知，模型的 p ＜ 0.0001，表明该
模型具有高度显著性。失拟项 p = 0.1093 在 p ＜ 0.05
水平上差异不显著，表明该模型具有较高拟合度，实
验误差小，说明该模型具有实际应用意义。超声时
间(A)和料液比(D)对野木瓜多酚得率影响极显著，
二项式 A2、B2、C2 的 p值都达到极显著水平，D2 对野
木瓜多酚得率影响显著，超声时间是对野木瓜多酚
得率影响最大的因素。野木瓜多酚得率与各因素变
量的二次方程模型为:
Ｒ1 = 8.05200－0.32583A + 0.063333B + 0.057500C
+ 0.17833D－0.025000AB + 0.22000AC－0.26750AD +
0.025000BC + 0.28000BD + 0.022500CD－0.27058A2 －
0.54433B2－0.33558C2－0.20183D2。
各因素之间的响应面图如图 5 所示。若响应曲
面坡度趋于陡峭，表明响应值对于操作条件的改变
非常敏感，若曲面坡度相对平缓，则表明操作条件的
改变对响应值影响较小。响应面在底面的投影即等
高线趋向椭圆且椭圆的轴线与坐标轴存在一定角
度，则表明两因素交互作用明显，若等高线的形状趋
于圆形或椭圆的轴线与坐标轴角度较小，则表明两
因素交互作用较弱［42］。根据上述响应面的性质分
析，超声时间与丙酮体积分数、超声时间与料液比、
超声温度与料液比间交互显著，其余 3 组间交互不
显著，与方差分析表结果一致。图 5(a)显示，当丙酮
体积分数和料液比一定时，多酚得率随超声时间的
变化较快，超声时间约为 25min、超声温度约为 60℃
时多酚得率最大。由图 5(b)可以看出，当超声温度
与料液比一定时，在丙酮体积分数较低的情况下，多
酚得率对超声时间的变化敏感，超声时间为 25min
左右多酚得率最大。图 5(c)显示，当超声温度与丙
酮体积分数一定时，在超声时间为 20min 的情况下，
多酚得率随料液比的增大而较快增加，料液比为1∶20
时多酚得率最大，超声时间为 40min 时，多酚得率随
料液比的增加变化不明显。图 5(d)中，固定超声时
间和料液比，多酚得率随超声温度和丙酮体积分数
的增加先增大后减小，超声温度为 60℃、丙酮体积分
数为 60%时多酚得率达到最大。由图 5(e)可以看
出，固定超声时间和丙酮体积分数，多酚得率随超声
温度的增加先增加后减少，超声温度在 60～65℃范围
内多酚得率最大。图 5(f)显示，当超声温度和超声
时间一定时，多酚得率随丙酮体积分数的增加先增
大后减小，但变化缓慢，料液比为 1 ∶18、丙酮体积分
数为 60%左右多酚得率较大。
2.3.2 验证实验 根据所建立的模型进行工艺条件
的优化组合，得到最佳工艺条件为超声时间 20min，
超声温度 63.3℃，丙酮体积分数 58%，料液比 1 ∶20，
此时野木瓜多酚得率预测值为 8.426mg /g。为了操
作方便，以超声时间 20min，超声温度 63℃，丙酮体积
分数 58%，料液比 1∶20 为工艺条件进行 3 次平行实
验验证，结果显示在该工艺条件下，野木瓜多酚得率
为 8.402mg /g，与上述预测值的相对误差为 0.3%，证
实该模型可用于野木瓜多酚的提取。
3 结论
采用超声辅助提取法提取野木瓜中的多酚物
质，通过单因素实验和 Box－Behnken 响应面实验得
到优化的工艺条件:超声时间 20min，超声温度 63℃，
丙酮体积分数 58%，料液比 1 ∶20，在最优条件下，野
木瓜多酚的得率为 8.402 mg /g，与预测值 8.426mg /g
257
图 5 各两因素交互作用对野木瓜多酚得率影响的响应面图
Fig.5 Ｒesponse surface showing the pairwise interactive effects
of four operating parameters on the
extraction of polyphenols from Stauntonia chinensis
固定水平:超声时间 30min;超声温度 60℃;
丙酮体积分数 60%;料液比 1∶16(g /mL)。
的相对误差为 0.3%，此工艺条件可以为野木瓜多酚
的工业化生产提供参考。
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