全 文 ：书第 36 卷 第 3 期
2011 年 6 月
广西大学学报:自然科学版
Journal of Guangxi University:Nat Sci Ed
Vol． 36 No． 3
June 2011
收稿日期:2011-03-15;修订日期:2011-04-24
基金项目:广西科技攻关项目(桂科攻 0718002-4) ;广西大学科研项目(X081039)
通讯联系人:童张法(1963-) ，男，浙江慈溪人，广西大学教授，博士，博士生导师;E-mail:bioche@ gxu． edu． cn。
文章编号:1001-7445(2011)03-0363-06
响应面法优化高压脉冲电场
提取匙羹藤总皂苷
孙建华1，2，韦泽沼1，2，刘 斌1，廖丹葵1，2，陈晓光1，2，童张法1，2
(1. 广西大学 化学化工学院，广西 南宁 530004;
2. 广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西 南宁 530004)
摘要:匙羹藤总皂苷具有降血糖等活性。采用高压脉冲电场辅助提取匙羹藤总皂苷，以匙羹藤总皂苷提取率
为指标，在单因素实验基础上采用响应曲面法考察了高压脉冲电场强度、脉冲频率和提取时间对匙羹藤总皂
苷提取率的影响，得到提取匙羹藤总皂苷最优工艺条件为:料液比为 1∶ 20，电场强度为 16. 0 kV /cm，脉冲频率
30 Hz，提取时间为 1. 2 h，此时总皂苷提取率为 88. 74%。通过回归方程求解和响应曲面分析，得到了二次多
项式提取回归模型，经验证实验值与模型预测值拟合性良好。
关键词:匙羹藤;皂苷;高压脉冲电场;响应面
中图分类号:R284. 2 文献标识码:A
Optimization of high voltage pulsed electric field on extraction of the
total saponins of Gymnema sylvestre by response surface methodology
SUN Jian-hua1，2，WEI Ze-zhao1，2，LIU Bin1，LIAO Dan-kui1，2，
CHEN Xiao-guang1，2，TONG Zhang-fa1，2
(1. College of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China;
2. Guangxi Key Laboratory Petrochemical Resources Processing and Process Intensification Technology，
Nanning 530004，China)
Abstract:The total saponins of Gymnema sylvestre has been discovered to have hypoglycemic activi-
ty． In this study，the total saponins of Gymnema sylvestre was extracted by high voltage pulsed elec-
tric field． Single factor examination and response surface analysis experiments were used to investi-
gate the effects of electric field intensity，pulse frequency，extraction time on the extraction of the to-
tal saponins of Gymnema sylvestre． The results showed that the optimal process parameters for this
method were:material to liquid ratio of 1∶ 20，the electric field intensity of 16． 0 kV /cm，pulse fre-
quency of 30 Hz，and extraction time of 1． 2 h． The optimized total saponins extraction yield was
88． 74% ． A predictive polynomial quadratic equation model was developed by solving the quadratic
equation and analyzing the response surface plots． The predicted values were in good agreement with
the experimental results．
Key words:Gymnema sylvestre;saponin;high voltage pulsed electric field (HEF) ;response sur-
face methodology (RSM)
DOI:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2011.03.026
广西大学学报:自然科学版 第 36 卷
匙羹藤(Gymnema sylvestre(Retz．)Schult，简称 GS)为萝科匙羹藤属(Gymnema R. Br. )类植物，其中
主要有效成分为匙羹藤总皂苷。研究表明，匙羹藤总皂苷具有降血糖、降血脂等药理活性［1-2］。皂苷提
取主要有传统溶剂浸提法、超声辅助提取法和微波辅助提取法［3-4］。高压脉冲电场(high voltage pulsed
fields，简称 PEF)破壁是利用瞬间脉冲高压电穿孔原理破除细胞壁，使细胞膜电位混乱，改变其通透性，
使细胞内活性组分在极短的壁与膜可逆与不可逆的破坏过程中回收的提取技术。PEF技术作为一种崭
新的食品加工技术，具有传递均匀、处理时间短、能耗低、能有效保护食品营养成分和天然色香味等特
征，早期主要用于非热灭菌［5］，近年来已有涉及用高压脉冲电场辅助提取植物有效成分的研究［6-7］，但
尚未见采用此技术提取匙羹藤总皂苷的文献报道。
本研究采用高压脉冲电场辅助提取匙羹藤叶中的匙羹藤总皂苷，以总皂苷的提取率为响应因子，在
单因素实验的基础上对提取过程中的各主要因素采用响应面法(response surface methodology，RSM)进
行了优化，为匙羹藤总皂苷的提取和开发提供基础数据。
1 材料与方法
1. 1 材料与仪器
匙羹藤药材购自广西武鸣县医药公司(经南宁市食品药品检验所鉴定为匙羹藤) ;齐墩果酸标准品
购自中国药品生物制品检定所;香草醛、甲醇、乙醇、冰醋酸、高氯酸试剂均为国产分析纯。
UV2501PC紫外可见分光光度计(尤尼克 －上海仪器有限公司) ;AE240 电子分析天平(瑞士梅特勒
－托利多仪器有限公司) ;101AS － 2 电热恒温干燥箱(上海实验仪器有限公司) ;DZF － 250 真空干燥箱
(郑州长城科工贸有限公司) ;R －210 旋转蒸发仪(瑞士步琪仪器公司)。
1. 2 实验方法
1. 2. 1 匙羹藤总皂苷含量测定
匙羹藤总皂苷含量测定及总皂苷提取率参照文献［4］。
1. 2. 2 匙羹藤总皂苷提取方法
准确称取干燥恒重的匙羹藤叶粉末 5. 0 g，按一定条件在高压脉冲电场中提取一段时间后，提取液
经纱布过滤后浓缩，采用等体积的石油醚萃取 3 次，每次 3 h，收集下层溶液，再用等体积饱和水的正丁
醇萃取 3 次，每次 24 h，合并正丁醇层，浓缩后烘干。测吸光值，计算匙羹藤总皂苷提取率。
1. 2. 3 总皂苷提取的单因素实验
采用单因素实验法，分别考察高压脉冲电场强度、高压脉冲频率、电场作用时间、料液比对匙羹藤总
皂苷提取率的影响。
1. 2. 4 响应面法优化实验
表 1 响应面分析因素水平实验设计
Tab. 1 Experiment design of three factors and three levels of RSM
水平
X1(电场强度)/
(kV·cm －1)
X2(脉冲频率)/ Hz X3(作用时间)/ h
－ 1 10 20 0. 5
0 15 40 1. 0
1 20 60 1. 5
综合单因素试验结果，选择对匙
羹藤总皂苷提取率(Y)有显著影响
的因素(X1、X2、X3) ，考察它们的交
互作用对提取率的影响，实验因素与
水平见表 1。根据 Box-Behnken 的中
心组合试验设计原理［8］，以 X1、X2、
X3为自变量，提取率(Y)为响应值，
绘制等值线与响应面图。采用最小二乘法拟合二次多项方程式
Y = D0 +∑
3
i = 1
DiXi +∑
3
i = 1
DiiX
2
i + ∑
3
i ＜ j = 2
DijXiXj 。
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第 3 期 孙建华等:响应面法优化高压脉冲电场提取匙羹藤总皂苷
2 结果与讨论
2. 1 单因素实验结果
2. 1. 1 电场强度对匙羹藤总皂苷提取率的影响
在匙羹藤与水料液比为 1∶ 40，电场频率为 10 Hz，不同电场强度下分别提取 1 h，匙羹藤总皂苷提取
率的变化如图 1 所示。可以看出，匙羹藤总皂苷提取率随着电场强度的增大而增大，当电场强度超过
20 kV /cm后匙羹藤总皂苷提取率基本不变。介电破坏理论［9］认为，电场中匙羹藤颗粒细胞可以近似看
作电容，而积累电场提供的电荷一般聚集在颗粒表面，当外加电场增加，细胞壁内外电位差增大，当穿透
膜电位高于细胞膜的临界电位差，电场对匙羹藤细胞膜的作用将逐渐增强，从而使得细胞膜结构紊乱和
通透性提高，胞内物通过细胞膜的渗透性加大，有效成分释放能力增强，当电场强度达到 20 kV /cm 时
可认为细胞膜渗透性已达到最大，因而以 20 kV /cm为提取匙羹藤总皂苷的电场强度。
2. 1. 2 脉冲频率对匙羹藤总皂苷提取率的影响
在匙羹藤与水料液比为 1∶ 40，电场强度为 20 kV /cm，改变脉冲频率提取 1 h，不同脉冲频率下匙羹
藤总皂苷提取率变化如图 2 所示。由图可知，脉冲频率从 10 Hz增至 40 Hz，匙羹藤总皂苷提取率变化
不大，当脉冲频率超过 40 Hz后，匙羹藤总皂苷提取率反而降低。这可能是由于冲击波频率增大，导致
细胞振动和膜破裂使有效成分流出，但电场强度及脉冲频率对提取物质的结构有一定的影响［10-11］，振
动增大后亦容易改变提取物质的结构，从而导致匙羹藤总皂苷提取率降低，因此选取脉冲频率 40 Hz作
为提取脉冲频率。
图 1 电场强度对总皂苷提取率的影响
Fig. 1 Effects of electric field intensity
on extraction yield of saponin
图 2 脉冲频率对总皂苷提取率的影响
Fig. 2 Effects of pulse frequency
on extraction yield of saponin
2. 1. 3 提取时间对匙羹藤总皂苷提取率的影响
匙羹藤与水料液比为 1∶ 40，提取电场强度为 20 kV /cm，脉冲频率为 40 Hz，不同提取时间匙羹藤总
皂苷提取率变化如图 3 所示。由图可知，在高压脉冲电场下提取 1 h后，匙羹藤总皂苷提取率增加并不
明显。这可能是由于当体系中匙羹藤物料一定，随着电场作用时间的增加，细胞膜内的有效成分逐渐溶
出，当溶解达到饱和，有效成分不再被溶解，提取率不再有明显提高，因此提取时间确定为 1 h。
2. 1. 4 料液比对匙羹藤总皂苷提取率的影响
提取电场强度为 20 kV /cm，脉冲频率 40 Hz，提取 1 h，改变匙羹藤与水料液比时匙羹藤总皂苷提取
率的变化如图 4 所示。由图 4 可知，匙羹藤总皂苷提取率随着料液比增大表现为先增后降，料液比从
1∶ 20到 1∶ 40 的范围，皂苷提取率变化不大，当料液比超过 1∶ 40，提取率下降明显。这可能是由于电场
中匙羹藤颗粒细胞被当作电容，电荷聚集在颗粒表面的过程受到一定电场强度作用，液体量增加后，电
场作用面积不变的情况下，电场作用力对细胞膜破坏的作用减弱，导致有效成分溶入减少，提取率下降，
因此料液比选取 1∶ 20。
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广西大学学报:自然科学版 第 36 卷
图 3 电场作用时间对总皂苷提取率的影响
Fig. 3 Effects of electric field time
on extraction yield of saponin
图 4 料液比对总皂苷提取率的影响
Fig. 4 Effects of ratio of material to water
on extraction yield of saponin
2. 2 响应面法(RSM)对匙羹藤总皂苷提取工艺的优化
由单因素实验结果可知，料液比从 1∶ 20 到 1∶ 40 范围内匙羹藤总皂苷提取率变化并不明显，因此，
利用响应面法实验考察各因素交互作用的影响时只选取电场强度、脉冲频率和提取时间对皂苷提取率
的影响。按 Box-Behnken试验设计的实验结果如表 2 所示。
表 2 Box-Benhnken试验方案及结果
Tab. 2 Box-Benhnken experiment plan and result
实验序号 X1 X2 X3 提取率 / % 实验序号 X1 X2 X3 提取率 / %
1 0 1 1 80. 18 10 1 0 － 1 69. 46
2 － 1 － 1 0 80. 96 11 1 － 1 0 84. 26
3 0 － 1 － 1 73. 51 12 － 1 0 1 78. 05
4 1 1 0 77. 32 13 0 0 0 86. 79
5 1 0 1 82. 06 14 0 0 0 86. 55
6 0 － 1 1 84. 97 15 0 0 0 85. 54
7 － 1 0 － 1 64. 67 16 0 0 0 86. 20
8 － 1 1 0 72. 84 17 0 0 0 86. 91
9 0 1 － 1 65. 64
采用 Design-Expert软件进行拟合［12］，得到多元回归拟合模型，各实验因子对响应值(提取率)的影
响可用二次回归方程表示为:
Y = 86. 40 + 207X1 － 3. 47X2 + 6. 50X3 + 0. 29X1X2 － 0. 19X1X3 +
0. 77X2X3 － 5. 03X
2
1 － 2. 52X
2
2 － 7. 80X
2
3。 (1)
对表 2 中的数据进行统计分析，得到回归方程式(1)的方差分析如表 3 所示。表 3 中模型方程的
F = 337. 91 ＞ f0. 01(9，9) = 5. 351 1，说明拟合的方程高度显著，方程的失拟项 F = 0. 93 ＜ f0. 01(9，3)=
27. 345 2。表明方程对试验拟合情况好，试验误差小。因此，可用该回归方程代替试验真实点对试验结
果进行分析。
从表 3 可知，预测值与实测值之间具有高度的相关性，且拟合模型能解释 98. 28%响应值的变化。
拟合方程系数的显著性检验结果见表 4，结果显示方程一次项、二次项与交互项影响显著，可知各试验
因素对响应值的影响不是简单的线性关系。各因素交互作用的响应面图分别见图 5、图 6 和图 7。
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第 3 期 孙建华等:响应面法优化高压脉冲电场提取匙羹藤总皂苷
表 3 回归方程的方差分析
Tab. 3 Variance analysis of regression equation
方差来源 平方和 自由度 均方差 F值 P
模型 896. 87 9 99. 65 337. 91 ＜ 0. 000 1
残差 2. 06 7 0. 29
失拟项 0. 85 3 0. 28 0. 93 0. 502 6
纯误差 1. 21 4 0. 30
总和 898. 93 16
R2 = 0. 997 7，R 2校正 = 0. 982 8，信噪比 = 51. 86 7
表 4 回归方程系数的显著性检验
Tab. 4 Test of significance for regression equation coefficient
因素 回归系数 自由度 均方差 标准误差 F值 P
X1 2. 07 1 34. 36 0. 19 116. 52 ＜ 0. 000 1
X2 － 3. 47 1 96. 05 0. 19 325. 69 ＜ 0. 000 1
X3 6. 50 1 337. 74 0. 19 1145. 23 ＜ 0. 000 1
X1X2 0. 29 1 0. 35 0. 27 1. 18 0. 313 3
X1X3 － 0. 19 1 0. 15 0. 27 0. 52 0. 495 9
X2X3 0. 77 1 2. 37 0. 27 8. 04 0. 025 2
X12 － 5. 03 1 106. 70 0. 26 361. 80 ＜ 0. 000 1
X22 － 2. 52 1 26. 72 0. 26 90. 59 ＜ 0. 000 1
X32 － 7. 80 1 256. 43 0. 26 869. 52 ＜ 0. 000 1
图 5 ～ 7 直观反映了各因素对响应值提取率的影响。由各交互作用的响应面图可以看出存在极值
并在圆心附近。由图可知，提取时间对匙羹藤总皂苷提取率的影响最显著，其次为电场强度和脉冲频
率。通过表 4 中回归方程 Y的回归系数检验，各因素对匙羹藤总皂苷提取率的影响与图一致，即随着高
压脉冲提取时间和电场强度的增大，匙羹藤总皂苷提取率逐渐增大至稳定，而脉冲频率的增大则导致匙
羹藤总皂苷提取率降低。这与单因素试验结果是一致的。
图 5 电场强度和脉冲频率
对总皂苷提取率的响应面图
Fig. 5 Response surface plot of
effect of electric field intensity
and impulse frequency on
extraction yield of saponin
图 6 电场强度和提取时间
对总皂苷提取率的响应面图
Fig. 6 Response surface plot of
effect of electric field intensity
and extraction time on
extraction yield of saponin
图 7 脉冲频率和提取时间
对总皂苷提取率的响应面图
Fig. 7 Response surface plot of
effect of impulse frequency and
extraction time on extraction
yield of saponin
求二次回归方程式(1)中 Y的极值，可得到最大皂苷提取率以及相应的自变量 X1、X2、X3的值，此组
合为理论最佳工艺条件，按此最佳提取条件检验响应面法的可靠性，进行了 3 次重复实验验证，即料液
比 1∶ 20 时，电场强度为 16. 0 kV /cm，脉冲频率为 30 Hz，提取时间为 1. 20 h，得到匙羹藤总皂苷提取率
实际平均值为 88. 74%，式(1)模型理论预测提取率为 88. 90%，相对误差为 0. 18%，说明采用响应面法
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广西大学学报:自然科学版 第 36 卷
优化得到的提取参数准确可靠，该提取模型具有一定的实用价值。
3 结 语
采用高压脉冲电场辅助提取匙羹藤总皂苷，通过单因素实验分别考察了高压脉冲电场强度、脉冲频
率、料液比和提取时间对匙羹藤总皂苷提取率的影响。在此基础上，采用响应面法考察了电场强度、脉
冲频率和提取时间的交互作用对提取率的影响，建立了以总皂苷提取率为响应值的二次多项式回归方
程的提取模型，并得到提取匙羹藤总皂苷的最优工艺条件为:料液比为 1∶ 20，电场强度为 16. 0 kV /cm，
脉冲频率 30 Hz，提取时间为 1. 2 h，此时匙羹藤皂苷提取率为 88. 74%。模型理论预测值与实际值基本
吻合，说明该提取模型具有一定的实用价值。
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(责任编辑 张晓云 裴润梅)
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