全 文 ：第 3 期 赵小菁，等:仿生信号转导系统中的化学振荡:囊泡表面引入 DPIP后诱发的机械－光信号转换
第 25 卷第 3 期
2013 年 3 月
化 学 研 究 与 应 用
Chemical Research and Application
Vol． 25，No． 3
Mar．，2013
文章编号:1004-1656(2013)03-0303-08
超声萃取-响应面法优化淡竹叶多糖提取方法研究
张海容1* ，白 娟1，魏增云2，刘勇麟1，陈金娥1，王迎进1
(1．忻州师范学院生化分析技术研究所，山西 忻州 034000;2．忻州职业技术学院，山西 忻州 034000)
摘要:利用超声辅助萃取—响应面法提取淡竹叶多糖工艺进行研究。在单因素试验基础上，采用五因素三水
平响应面分析法，使用中心组合(Box-Benhnken)试验设计原理得到二次线性回归方程，以多糖产率为响应面
值作响应面图，确定超声提取淡竹叶多糖最佳工艺条件为:功率 200W，温度 50℃，液料比 35，超声时间 30min，
提取次数 2 次，多糖产率为 3. 42%。验证实验表明，所得模型方程能较好地预测实验结果，拟合度较好。
关键词:淡竹叶;多糖;超声提取;响应面分析
中图分类号:O658. 2 文献标志码:A
Optimization of ultrasound-assisted extraction of polysaccharides from
Lophantherum gracile brongn by response surface methodology
ZHANG Hai-rong1，BAI Juan1，WEI Zeng-yun2，LIU Yong-lin1，CHEN Jin-e1，WANG Yin-jin1
(1. Lab of Biochemical Analysis，Xinzhou Teachers College，Xinzhou 034000，China;
2. Department of Basic，College of Xinzhou Occupation Technology，Xinzhou 034000，China)
Abstract:The technology of ultrasound-assisted extraction of polysaccharides from Lophantherum gracile brongn leaves was investi-
gated with response surface methodology. On the basis of a series of one-factor experiments，second linear regression equation was
obtained with polysaccharid yield as a response surface value，the optimum extraction conditions of polysaccharides from Lophan-
therum gracile brongn were determined by the Box-Benhnken design with five factors and three levels，which were as follows:200W
of extraction power，30min of extraction time，50℃ of extraction temperature and 35 ∶1(mL·g－1)of liquid-to-solid ratio，and the ex-
tration efficiency of polysaccharides was up to 3. 42% under the optimized conditions. The confirmative test showed that the estab-
lished model can well predict experimental results，and its fitting degree was good．
Key words:Lophantherum gracile brongn;polysaccharides;ultrasonic-assisted extraction;response surface methodology
淡竹叶，又名竹叶麦冬，始载于《本草纲目》第
16 卷，为禾本科多年生草本植物淡竹叶的茎叶，主
要生长分布在我国长江流域与南方各省;常植于
庭院之中，采新鲜叶入药，具有清泻心肺胃之火而
除烦、兼甘寒生津利尿止咳［1］。它的茎、叶含三萜
化合物如芦竹素、印白茅素等及有机酸、多糖类［2］
多种生物活性物质。植物多糖具有优良的抗自由
基、抗氧化、抗衰老、降血脂和血胆固醇，又是很好
的免疫增强剂，它能增强 T 细胞，B 细胞，NK 细胞
等免疫细胞的功能，具有抗癌作用［3］。因此，开展
淡竹叶多糖的提取工艺研究具有重要的科学与实
际价值。
收稿日期:2012-06-19;修回日期:2012-10-31
基金项目:山西省教育厅国际交流项目(2011-63)资助;山西省高校科技开发项目(晋教科 20101122)资助;忻州师范学院院级科研基金项
目(2011-52)资助
联系人简介:张海容(1957-) ，男，教授，主要从事天然植物分离及分析研究。E-mail:hairong1015@ 163. com
化 学 研 究 与 应 用 第 25 卷
响应面分析法［4，5］系采用多元二次回归方法，
将多因素试验中因素与指标的相互关系用多项式
近似拟合，依此可对函数的响应面和等高线进行
分析，研究因素与响应面之间、因素与因素之间的
相互关系。由于其合理的设计和优良的结果，已
被越来越多用于植物有效成分化
工处理过程的优化。经文献调研，有关淡竹
叶多糖的响应面法优化超声萃取条件的研究未见
报道［6，7］。采用传统热水浸提多糖工艺，不仅提取
时间长、消耗溶剂多，且萃取温度高使生产成本增
大。超声辅助萃取是利用超声波的空化效应增加
溶剂穿透力，提高药物溶出速度和溶出次数［8］。
该法既可以在常温较温和地将植物组织分解、保
持生物活性，又可较大幅度提高有效成分得率，已
逐渐成为近年来植物活性成分提取工艺研究的热
点［9］。本文应用响应面分析法对超声波提取淡竹
叶多糖工艺进行优化，并与传统水煮法进行对比
研究，为淡竹叶多糖的深度开发和综合利用提供
科学依据。
1 实验部分
1. 1 材料、试剂与仪器
淡竹叶(产地江西，购自忻州本草堂大药房) ，
干燥后粉碎过 60 目筛，装入磨口瓶中备用;浓硫
酸、苯酚、葡萄糖均为国产分析纯。
723 型可见分光光度计(上海光谱仪器有限公
司) ;KQ-400KDE型高功率数控超声清洗器(昆山
市超声仪器有限公司) ;旋转蒸发器(上海亚荣生
化仪器厂)。
1. 2 实验方法
1. 2. 1 淡竹叶多糖的制备 准确称取 0. 2g 淡竹
叶样品于试管中，加一定量的水溶解，置于超声波
清洗器中，按设定条件进行超声波提取，滤液用旋
转蒸发仪浓缩，乙醇沉淀、抽滤，称重后用蒸馏水
定容，得淡竹叶多糖样品溶液。
1. 2. 2 淡竹叶多糖含量的测定［10］ 精密称取
(100mg·mL－1)葡萄糖标准溶液 0. 2mL、0. 4mL、
0. 6mL、0. 8mL、1. 0mL、1. 2mL 分别置于 10mL 容
量瓶中，补水至 4mL，再加入 5%苯酚溶液 1. 00mL
摇匀，后迅速加入浓硫酸定容、摇匀，沸水浴 20min
后冷却至室温，蒸馏水作空白对照，在 490nm波长
处测定吸光度值，得回归方程 A = 0. 0492C －
0. 0593，R2 = 0. 9364。
淡竹叶多糖产率用下式计算:
多糖产率(%)=
浓度(μg·mL－1)× 样品稀释倍数 × 样品液体积(mL)
原料干重 × 106
× 100
1． 3 提取工艺优化
1． 3. 1 单因素实验 称取 0. 2g 淡竹叶粉，选用
不同超声功率、提取温度、提取时间、液固比及提
取次数为基本参数，在一定范围内改变其中任一
项因素，研究各单因素对多糖提取率影响。
1． 3. 2 响应面法优化提取工艺 分析因素水平
的选取。根据 Box-Behnken 的中心组合试验设计
原理，综合单因素试验所得结果，确定提取次数为
2 次，选取提取功率、温度、提取时间、液固比 4 个
对多糖提取率影响显著的因素，分别以 A、B、C、D
为代表，每一个自变量的低、中、高试验水平分别
以－1、0、1 进行编码(见表 1)。以淡竹叶多糖提取
率为响应值(P) ，在单因素试验基础上，采用响应
面分析方法，试验因素与水平设计见表 1。
表 1 淡竹叶多糖萃取的响应面分析因素水平实验设计［4，5］
Table 1 Variables and levels of response surface design of
extraction polysaccharide of Lophantherum gracile brongn
因素
水 平
－1 0 +1
A功率(w) 160 240 320
B温度(℃) 40 50 60
C时间(min) 20 30 40
D固液比(ml /g) 20 30 40
以 A = (a-240)/80，B = (b-50)/10，C = (c-
30)/10，D=(d-30)/10 为自变量，以多糖产率为响
应值(p) ，进行响应面分析实验。
2 结果与讨论
2. 1 单因素实验
2. 1. 1 超声功率对淡竹叶多糖产率的影响 称
取 0. 2g淡竹叶粉 4 份，分别置于锥形瓶中，然后分
别加入 10mL 的水，超声温度 50℃，超声时间
30min，液固比 30 ∶ 1，超声功率分别为 160W、
240W、320W、400W进行提取，分离上清液，二次提
取，合并两次上清液定容到 50ml 的容量瓶中，测
多糖产率。
403
第 3 期 张海容，等:超声萃取-响应面法优化淡竹叶多糖提取方法研究
图 1 超声功率对淡竹叶多糖产率的影响
Fig. 1 Effect of ultrasonic power on the yield
of polysaccharide of Lophantherum gracile brongn
图 2 超声温度对淡竹叶多糖产率的影响
Fig. 2 Effect of extraction temperature on the yield
of polysaccharide of Lophantherum gracile brongn
从图 1 可知，在一定范围内提高超声功率，淡
竹叶多糖产率随之升高，超声功率 240W时产率最
大;其后多糖产率随功率升高而下降，原因可能是
功率升高使分子的解附和扩散速度加快，部分多
糖类化合物分解失活，因此确定 240W为最佳提取
功率。
2. 1. 2 超声温度对淡竹叶多糖产率的影响 取
0. 2g的淡竹叶粉 5 份分别置于 18mL试管中，选取
料液比为 1 ∶30，功率为 240W，温度分别为 30℃、
40℃、50℃、60℃、70℃时，超声 30min，进行提取，
分离上清液，二次提取，合并两次上清液定容到
50mL的容量瓶中，测多糖产率，结果见图 2。由图
2 看出，不同超声温度对淡竹叶多糖的提取率的影
响不同，随着温度的升高，多糖提取率增加，50℃
时提取率最大，继续增大温度提取率开始下降。
故选择提取温度在 50℃左右为宜。
2. 1. 3 液料比对淡竹叶多糖产率的影响 称取
0. 2g淡竹叶粉 5 份，分别置于试管中，然后分别加
入 10mL的水，超声功率 240w，超声温度 50℃，超
声时间 30min，固液比分别为 1 ∶20;1 ∶30;1 ∶40;1 ∶
50;1 ∶60 进行提取，然后离心，取上清液，再进行二
次提取，将两次的上清液定容到 50ml 的容量瓶
中，测吸光度并计算其产率。
图 3 液固比对淡竹叶多糖产率的影响
Fig. 3 Effect of liquid-solid ratio on the yield of
polysaccharide of Lophantherum gracile brongn
图 4 超声时间对淡竹叶淡竹叶多糖产率的影响
Fig. 4 Effect of extraction time on the yield of
polysaccharide of Lophantherum gracile brongn
图 3 可知，随溶剂量的增加，产率先增大后迅
速减小。随着溶剂的增加，有效成分多糖解附和
析出速度增大;因此，考虑成本和提取率，本实验
确定固液比为 1 ∶30。
2. 1. 4 超声时间对淡竹叶多糖产率的影响 称
取 0. 2g淡竹叶粉，按照上述优化条件，超声时间
选择 20min，30min，40min，50min 进行提取，将两
次的上清液定容到 50mL的容量瓶中，测吸光度并
计算其产率，超声时间影响见图 4。超声时间不同
对多糖的提取率也不同，随着时间的增长，提取率
呈先增加后降低的总体趋势，在 20min 出现最大
值。说明多糖的浸出过程与时间密切相关，时间
过短，产物溶解不充分，但时间过长，可能引起产
物结构的破坏使提取率降低，所以提取时间在
20min左右为宜。
2. 1. 5 提取次数对淡竹叶多糖产率的影响 称
取 0. 2g淡竹叶 5 份，按照上述优化条件，将滤渣分
三次提取，测吸光度并计算其产率，提取次数影响
见图 5。
503
化 学 研 究 与 应 用 第 25 卷
图 5 提取次数对淡竹叶多糖提取率的影响
Fig． 5 Effect of extraction times on the yield of polysaccharide
of Lophantherum gracile brongn
图 5 表明，随着提取次数的增加，多糖提取率
依次降低，第 3 次提取产率已经很低，考虑多糖产
率和成本增加，故选提取次数为 2 次。
2. 2 响应面分析法优化淡竹叶多糖提取条件
2. 2. 1 中心组合设计实验结果以提取产率为响
应值，采用多元二次回归方程拟合试验结果，对实
验数据进行多项拟合回归，得多元二次回归方程:
产率(%)= 3. 43－0. 29A－0. 34B+9. 0×10－3C+
0. 17D－0. 12AB－0. 091AC－5. 0×10－3AD+0. 088BC
－0. 016BD + 0. 28CD － 0. 23A2 － 0. 25B2 － 0. 28C2 －
0. 21D2
表 2 淡竹叶多糖得率响应面实验方案及结果
Table 2 Experiment design and results of polysaccharide of Lophantherum gracile brongn by response surface methodology
No
A
/W
B
/℃
C
/ml·g－1
D
/min
p /%
Predicted
value
Actual
value
1 －11 －1 0 0 3. 59 3. 144
2 1 －1 0 0 3. 00 3. 264
3 －1 1 0 0 2. 85 3. 104
4 1 1 0 0 2. 52 2. 737
5 0 0 －1 －1 2. 93 3. 192
6 0 0 1 －1 2. 87 2. 493
7 0 0 －1 1 2. 99 3. 080
8 0 0 1 1 3. 23 3. 484
9 －1 0 0 －1 3. 21 3. 168
10 1 0 0 －1 2. 76 2. 372
11 －1 0 0 1 3. 43 3. 576
12 1 0 0 1 2. 95 2. 760
13 0 －1 －1 0 3. 17 3. 372
14 0 1 －1 0 2. 55 2. 332
15 0 －1 1 0 3. 26 3. 248
16 0 1 1 0 2. 65 2. 559
17 －1 0 －1 0 3. 07 3. 080
18 1 0 －1 0 2. 79 2. 436
19 －1 0 1 0 3. 34 3. 412
20 1 0 1 0 2. 70 2. 404
21 0 －1 0 －1 3. 21 3. 216
22 0 1 0 －1 2. 62 2. 352
23 0 －1 0 1 3. 45 3. 436
24 0 1 0 1 2. 80 2. 508
25 0 0 0 0 3. 43 3. 404
26 0 0 0 0 3. 43 3. 452
27 0 0 0 0 3. 43 3. 444
28 0 0 0 0 3. 43 3. 444
29 0 0 0 0 3. 43 3. 412
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第 3 期 张海容，等:超声萃取-响应面法优化淡竹叶多糖提取方法研究
式中的微波时间、功率、固液比在设计中均经
量纲线性编码处理，因此方程中各项系数绝对值
的大小直接反映了各因素对指标值的影响程度，
系数的正负反映了影响的方向。为了检验方程的
有效性，对淡竹叶多糖提取的数学模型进行方差
分析，方差分析结果见表 3。相关系数 R2 =
0. 8364，说明模型响应值能反映 83. 64%响应值的
变化，因而该模型拟合程度较好，实验误差小，较
好地反映了淡竹叶多糖产率与超声波功率、时间、
固液比、提取次数的关系，可以用该模型对淡竹叶
多糖提取进行分析和预测。
表 3 回归模型方差分析
Table 3 Analysis of variance for quadric regression model
变异来源 平方和 自由度 均方 F值
p-value
Prob＞F
Model模型 4. 19 14 0. 30 5. 11 0. 0021*
A-功率 1. 03 1 1. 03 17. 55 0. 0009
B-温度 1. 39 1 1. 39 23. 79 0. 0002
C-液料比 9. 720E-004 1 90750E-004 0. 017 0. 8996
D-时间 0. 35 1 0. 35 5. 99 0. 0282
AB 0. 059 1 0. 059 1. 01 0. 3313
AC 0. 033 1 0. 033 0. 57 0. 4644
AD 1. 000E-004 1 1. 000E-004 1. 708E-003 0. 9676
BC 0. 031 1 0. 031 0. 53 0. 4802
BD 1. 024E-003 1 1. 024E-003 0. 017 0. 8967
CD 0. 30 1 0. 30 5. 19 0. 0388
A2 0. 34 1 0. 34 5. 89 0. 0293
B2 0. 42 1 0. 42 7. 13 0. 0183
C2 0. 49 1 0. 49 8. 45 0. 0115
D2 0. 28 1 0. 28 4. 79 0. 0460
Residual剩余项 0. 82 14 0. 059
Lack of fit失拟值 0. 82 10 0. 082 175. 04 ＜0. 0001＊＊
Pure error纯误差 1. 869E-003 4 4. 672E-004
Cor total 总和 5. 01 28
R2 模型确定系数:0. 8364 C. V%变异系数:7. 98
Adj-R2 模型调整确定系数:0. 6728 Std. Dev:0. 24
＊＊表示极显著水平(P＜0. 01) ;* 表示显著水平(0. 01＜P＜0. 05)
由表 3 可知，本实验所选模型不同处理间差
异极显著(模型的 P 值＜0. 05) ，说明回归方程描
述各因子与响应值之间的关系时，其相应变量与
全体自变量之间的线性关系是显著的，即这种实
验方法是可靠的;变异系数 C. V值 7. 98 ﹪说明稳
定性好;模型的相关系数 R2 = 0. 8364 说明模型可
靠。从回归方程模型因变量的方差分析可知，模
型一次项 A(P=0. 0009)、B(P=0. 0002)差异极显
著，C(P= 0. 8993)差异不显著，D(P = 0. 0282)差
异显著;交互项 AB(P = 0. 3313)AC(P = 0. 4644) ，
AD(P = 0. 9676) ，BC (P = 0. 4802) ，BD (P =
0. 8967)差异不显著，二次项 A2(P = 0. 0293) ，B2
(P=0. 0183) ，C2(P = 0. 0115) ，D2(P = 0. 0460)差
异显著。表明超声功率和温度对多糖产率的主效
应明显，且在超声功率、超声温度，液料比与超声
时间之间存在交互作用。依据系数值 A = 0. 29，B
=0. 34，C=0. 009，D = 0. 17，可知因素的主效应关
703
化 学 研 究 与 应 用 第 25 卷
系为:超声温度＞超声功率＞超声时间＞液料比。考
察两两因素之间对淡竹叶多糖提取率的响应面
图，可直观反映各因素和响应值及考察因子之间
的交互作用，见图 6、图 7、图 8、图 9、图 10、图 11。
图 6 超声功率与提取温度交互作用对多糖产率的影响
Fig． 6 The mutual interactions of ultrasonic power( A)
and extraction temperature( B) on the yield of polysaccharide
图 7 超声功率与液固比交互作用对多糖产率的影响
Fig． 7 The mutual interactions of ultrasonic power( A)
and liquid-solid ratio( C) on the yield of polysaccharide
图 8 超声功率与提取时间交互作用对多糖产率的影响
Fig． 8 The mutual interactions of ultrasonic power( A)
and extraction time( D) on the yield of polysaccharide
图 9 超声温度与固液比交互作用对多糖产率的影响
Fig． 9 The mutual interactions of extraction temperature( B)
and liquid-solid ratio( C) on the yield of polysaccharide
图 10 超声时间与提取温度交互作用对多糖产率的影响
Fig． 10 The mutual interactions of extraction time( D)
and extraction temperature( B) on the yield of polysaccharide
图 11 超声时间与固液比交互作用对多糖产率的影响
Fig． 11 The mutual interactions of extraction time( D)
and liquid-solid ratio( C) on the yield of polysaccharide
由图 6 可知，多糖产率随着温度的升高和功
率的增大呈上升的趋势，二者有明显的交互作用。
适当增大超声功率和增加超声温度，有利于淡竹
叶多糖充分扩散析出提高产率。其结果与单因素
实验结果相符合。由图 7 可知，随着功率由低到
高和液固比的增大，淡竹叶多糖产率呈迅速上升
803
第 3 期 张海容，等:超声萃取-响应面法优化淡竹叶多糖提取方法研究
后下降的趋势，与单因素实验分析的结果相符合。
由图 8 可知，多糖提取率随着功率增大和时间的
延长，呈先增加后减少趋势。分析主要原因，超声
波功率增大可使淡竹叶细胞破裂，使得淡竹叶多
糖从细胞膜中析出，而超声时间过长会引起多糖
结构破坏而水解［11］，从而影响提取率。由图 9 可
知，多糖提取率随着温度升高和固液比的增加也
呈先增后减趋势，固液比一定时，温度提高使得分
子的解附和扩散速度加快，多糖析出率提高。而
液固比增大，使得多糖的浓度更低更容易从细胞
中析出。由图 10 可知，多糖产率随着时间增长和
温度升高，呈先增加后减少趋势，且二者由明显的
交互作用。由图 11 可知，当时间或液固比一定
时，淡竹叶多糖产率随超声时间、液固比呈先增大
后减小变化趋势，而时间对多糖产率的影响可能
与多糖水解有关［11］。
2． 2. 2 最优工艺条件确定［12］ 为了进一步确证
最佳值，对回归方程取一阶偏导等于零，可以得到
曲面的最大点，求导方程整理得:
－0. 29－0. 12B－0. 091C－0. 005D－0. 23×2A=0
－0. 34－0. 12A+0. 088C－0. 016D－0. 25×2B=0
0. 009－0. 091A+0. 088B+0. 28D－0. 28×2C=0
0. 0000017－1. 0×10－3A－0. 016B+0. 28C－0. 21
×2D=0
求解方程组得:A= －0. 6155，B = －0. 3845，C =
0. 4615，D=0. 8460
最后求的超声提取功率、超声温度、液固比、
超声时间的最后值分别为:a = 191W、b = 52℃、c =
35ml·g－1、d = 28min。此时，多糖的最大产率为
3. 43%。经过中心组合设计［13，14］优化提取条件，
最佳的提取工艺参数为超声功率为 191W、超声温
度为 52℃、液固比为 35ml· g－1、超声时间为
28min，此时多糖的最大产率为 3. 43%，在实验条
件允许的条件下选取超声功率为 200W，液固比为
35(mL·g－1) ，超声时间 30min、温度 50℃，验证性
实验表明产率为 3. 32%，与理论预测值相近。因
此，采用响应面法优化的提取条件可靠，具有实际
的应用价值。
2. 3 超声提取法与常规水煮提取法的对比实验
利用实验确定的超声提取工艺条件和实验参
数并与常规水煮法进行对比。准确称取 10. 0g 的
淡竹叶样品，加入二次蒸馏水 300mL，在电热恒温
水浴锅煮 8h，然后抽滤，收集滤液，再加入 300mL
二次蒸馏水，在恒温水浴锅中煮 8h，用旋转蒸发器
浓缩至 100mL，乙醇沉淀，热水稀释，冷却至室温，
定容于 250mL 容量瓶中，将滤液稀释 25 倍，测吸
光度 A。对比结果见表 4。
表 4 超声提取与传统水煮淡竹叶多糖产率
Table 4 Comparison study of extraction polysaccharide
with ultrasonic and traditional hot water extraction
传统水煮 超声提取
功率 /W 0 200
温度 /℃ 80 50
液料比 /ml /g 30 35
时间 /min 480 30
次数 2 2
多糖产率(%) 2. 86 3. 42
由表 4 可知，超声提取淡竹叶多糖，产率高于
传统水煮法，不仅萃取时间短，而且超声所需的温
度远低于传统热水法，对热不稳定产物更加有利。
3 结论
根据回归模型通过 Box-Benhnken 优化分析，
确定了淡竹叶多糖提取的最佳工艺条件为:超声
功率为 200W，超声提取时间为 30 min，超声温度
50℃ 液固比为 35 ∶1，提取次数为 2 次。为了验证
预测结果，在最佳试验条件下重复试验 3 次，结果
多糖提取率可达 3. 43%，与预测值 3. 42%基本一
致，说明该方程与实际拟合度好，验证了所建模型
的正确性，说明响应面法适用淡竹叶多糖的超声
提取工艺进行回归分析和参数优化及预测模型建
立。超声提取法与常规水煮法的对比实验证明，
采用超声提取工艺提取淡竹叶中多糖，产率高于
常规水煮法。
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( 责任编辑 李 方)
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