全 文 ：第 49 卷第 5 期
2014 年 9 月
生 物 质 化 学 工 程
Biomass Chemical Engineering
Vol． 49 No． 5
Sep． 2014
doi:10． 3969 / j． issn． 1673-5854． 2014． 05． 005
·研究报告———生物质化学品·
响应面法优化超声波辅助提取豹皮樟多酚工艺
收稿日期:2014-04-17
基金项目:“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2011BAD33B02);国际科技合作专项(2014DFＲ31300)
作者简介:张宇思(1986—)，男，安徽芜湖人，博士生，主要从事天然产物化学研究;E-mail:nmczhang@ 126． com
* 通讯作者:王成章(1966—)，男，研究员，博士，博士生导师，主要从事天然产物研究与利用;E-mail:wangczlhs@ sina． com。
张宇思1，王成章1，2* ，舒阿庆3，叶建中1
( 1．中国林业科学研究院林产化学工业研究所; 生物质化学利用国家工程实验室; 国家林业局林产化学工程
重点开放性实验室; 江苏省生物质能源与材料重点实验室，江苏 南京 210042; 2．中国林业科学研究院
林业新技术研究所，北京 100091; 3．宁国市亿邦生物科技有限公司，安徽 宁国 242300)
摘 要:在单因素试验的基础上，选定提取时间、液固比、超声波功率为自变量，以多酚得率为响应值，采用 Box-Benhnken
法设计 3 因素 3 水平的响应面分析试验优化超声波辅助提取豹皮樟多酚工艺。结果表明，回归模型拟合度高，最佳工艺
条件为: 5 g样品，提取时间 22 min，液固比 21 ∶ 1 ( mL ∶ g，下同) ，超声波功率 300 W，在此条件下，豹皮樟多酚得率可达
3． 76%。
关键词:豹皮樟;多酚;超声波辅助提取;响应面优化
中图分类号:TQ35 文献标识码:A 文章编号:1673-5854( 2014) 05-0019-05
Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction of Polyphenol
from Litsea Coreana using Ｒesponse Surface Methodology
ZHANG Yu-si1，WANG Cheng-zhang1，2* ，SHU A-qing3，YE Jian-zhong1
(1． Institute of Chemical Industry of Forest Products，CAF;National Engineering Lab． for Biomass Chemical Utilization;
Key and Open Lab． of Forest Chemical Engineering，SFA;Key Lab． of Biomass Energy and Material，Jiangsu Province，
Nanjing 210042，China;2． Ｒesearch Institute of Forestry New Technology，CAF，Beijing 100091，China;
3． Ningguo Yibang Biotechnology Co．，Ltd．，Ningguo 242300，China)
Abstract:Based on single factor test，a 3-factor，3-level Box-Behnken experimental was adopted，including dependent variables
(extraction time，liquid-solid ratio and ultrasonic wave power)and independent variable (polyphenol yield)． The optimum
conditions of ultrasonic-assisted extraction technology for polyphenol from Litsea coreana were determined by using response
surface method． The results showed that the regression model fitted well with experimental data． The optimum conditions were 5 g
samples，extraction time 22 min，liquid-solid ratio 21 ∶ 1，ultrasonic wave power 300 W． Under these conditions，the polyphenol
yield was 3． 76% ．
Key words:Litsea coreana;polyphenol;ultrasonic-assisted extraction;response surface optimization
豹皮樟(Litsea coreana var． sinensis (Allen)Yang et H． P． Huang)是樟科木姜子属植物，分布于安
徽、浙江、四川、贵州、云南等地［1］。豹皮樟鲜叶经加工后可作为一种植物代用茶，俗称老鹰茶、白茶，为
我国南方民间长期饮用，具有解毒消肿、明目益思、生津止渴、解表防暑的功效，是一种无毒副作用、无污
染、风味较佳的纯天然野生饮品［2］。研究表明，豹皮樟中含有多种人体所需的氨基酸、矿物元素、维生
素［3］，还含有黄酮类、多酚类、皂苷等多种生物活性成分，具有抗氧化、降血糖、降血脂、保肝护肝、抗炎
及免疫调节等作用［4］。目前关于豹皮樟活性成分的研究报道主要集中在黄酮类、皂苷、挥发油上［5－7］，
对豹皮樟多酚的研究报道较少。植物多酚也称单宁，是一类广泛存在于植物体内的天然大分子化合物，
20 生 物 质 化 学 工 程 第 49 卷
对人的营养和健康有着重要的影响，随着研究的深入，植物多酚在医学、食品、制革工业、日用化工等方
面都表现出了越来越重要的作用［8］。超声波提取方法由于操作简单快捷，提取率高，提取温度低，提取
物的结构不易被破坏等特点，在热敏成分的提取中有明显的优势，已被广泛用于植物多酚的提取［9－10］。
响应面法作为一种现代试验设计优化方法，优于线性回归分析和正交试验设计，可在给定范围内找到影
响因素与响应值之间明确的函数表达式，找到最佳的因素组合和最优响应值，目前已成为降低成本、优化
加工条件的一种有效方法，广泛地应用于农业、生物、食品、化工等领域［11］。本研究在单因素试验的基础
上，采用响应面法优化超声波辅助提取豹皮樟多酚工艺，旨在为豹皮樟资源的综合开发利用提供科学
依据。
1 实 验
1． 1 材料与仪器
豹皮樟(Litsea coreana var． sinensis (Allen)Yang et H． P． Huang)叶，2013 年 5 月采自安徽宁国，阴
干后粉碎备用;没食子酸，福林酚试剂，均为国产分析纯。
Xo-1200 超声波细胞破碎仪，南京先欧仪器制造有限公司;UNICO UV-2102PC型紫外可见分光光度
计，上海精密仪器仪表有限公司;WK-400A型高速药物粉碎机;H-1650 高速台式离心机。
1． 2 试验方法
1． 2． 1 标准曲线的绘制［12］ 分别量取 0． 2、0． 4、0． 6、0． 8、1． 0 mL质量浓度为 0． 1 g /L的没食子酸标
准溶液于 10 mL容量瓶中，各自加入 1 mL福林酚试剂和 2 mL质量分数为 15%的 Na2CO3 溶液，然后加
入蒸馏水补齐至刻度，室温避光静置 60 min，于 760 nm处测定吸光度值。以吸光度(Y)为纵坐标，没食
子酸质量浓度 X，(g /L)为横坐标，绘制标准曲线，回归方程为:Y = 6． 895X + 0． 046 5，相关系数
Ｒ = 0． 999 85。
1． 2． 2 多酚的提取及含量测定［13］ 称取 5 g豹皮樟粉末，以一定的液固比加入 70%乙醇溶液，在一定
的功率下超声波提取一定的时间，离心后取上清液，转入到 200 mL容量瓶中定容，即为豹皮樟多酚提取
液，取适量提取液稀释 10 倍作为待测溶液。量取 1 mL待测溶液，按照标准曲线的绘制方法测定吸光度
值，代入回归方程计算得到待测溶液浓度。多酚得率(y)按式(1)计算:
y =(C × V × N)/m (1)
式中:C—待测溶液质量浓度，g /L;V—提取液体积，mL;N—稀释倍数;m—干叶质量，g。
1． 2． 3 单因素试验 选定提取时间、液固比、超声波功率 3 个因素进行单因素试验，考察各因素对豹皮
樟多酚得率的影响，重复 3 次测定，取其平均值。
1． 2． 4 响应面法优化试验 在单因素试验的基础上，为了考察各因素交互作用对豹皮樟多酚得率的影
响，运用 Design-Expert 7． 0 软件，根据 Box-Behnken 的中心组合设计原则，以提取时间、液固比、超声波
功率 3 个因素为自变量，多酚得率为响应值，设计 3 因素 3 水平试验，建立响应值与影响因素间的数学
模型，得到最佳提取条件并进行验证。
2 结果与分析
2． 1 单因素试验
2． 1． 1 提取时间对多酚得率的影响 称取 5 g 豹皮樟粉末，设定液固比 20 ∶ 1(mL ∶ g，下同)，超声波功
率 300 W，不同提取时间对豹皮樟多酚得率的影响见表 1。结果表明:提取时间为 20 min 时，多酚得率
达到最大值，此后随着时间的增加多酚得率下降，这与超声波作用时间过长导致多酚类物质结构被破坏
有关，因此，选择提取时间为 20 min左右进行进一步优化试验。
2． 1． 2 液固比对多酚得率的影响 设定提取时间 20 min，超声波功率 300 W，改变液固比，不同液固比
对豹皮樟多酚得率的影响见表 1。结果表明:液固比为 20 ∶ 1时，多酚得率达到最大值，此后随着液固比
的增大多酚得率下降，这与溶剂用量过大导致热负荷增大有关，因此，选取液固比为 20 ∶ 1左右进行进一
第 5 期 张宇思，等:响应面法优化超声波辅助提取豹皮樟多酚工艺 21
步优化试验。 表 1 不同试验条件对多酚得率的影响
Table 1 Effects of different experimental conditions
on the polyphenol yield
反应条件
reaction conditions
多酚得率 /%
polyphenol yield
10 min 3． 55
20 min 3． 75
提取时间 30 min 3． 66
extraction time 40 min 3． 60
50 min 3． 46
60 min 3． 29
5 ∶ 1 3． 20
10 ∶ 1 3． 41
液固比(mL ∶ g) 15 ∶ 1 3． 49
liquid-solid ratio 20 ∶ 1 3． 76
25 ∶ 1 3． 64
30 ∶ 1 3． 45
超声波功率
ultrasonic wave power
100 W
200 W
300 W
400 W
500 W
3． 42
3． 64
3． 73
3． 63
3． 54
2． 1． 3 超声波功率对多酚得率的影响 设定提取
时间 20 min，液固比为 20 ∶ 1，改变超声波功率，不
同超声波功率对豹皮樟多酚得率的影响见表 1。
结果表明:超声波功率为 300 W时，多酚得率达到
最大值，此后随着功率的增大多酚得率下降，这与
超声波功率过大导致多酚类物质结构被破坏有
关，因此，选择超声波功率为 300 W左右进行进一
步优化试验。
2． 2 响应面法优化试验
2． 2． 1 响应面试验设计及结果 根据单因素试
验结果，以提取时间、液固比、超声波功率 3 个因
素为自变量(X)，多酚得率为响应值(Y) ，设计了
3 因素 3 水平共 17 组试验，其中 1 ～ 12 组为析因
试验，13 ～ 17 组为中心试验以分析误差。响应面
因素水平设计及试验结果见表 2。
对所得数据进行多元回归拟合，方差分析结
果见表 3，得到的回归模型为:Y = 0． 341 +
0． 033 675X1 + 0． 217 2X2 + 4． 857 5 × 10
－3 X3 +
5 × 10 －4X1X2 + 1． 75 × 10
－5X1X3 － 1． 107 5 × 10
－3X1
2 － 5． 33 × 10 －3X2
2 － 8． 575 × 10 －6X3
2。由表 3 可知，
回归模型的 P ＜ 0． 000 1，影响极显著，失拟项 P = 0． 675 5 ＞ 0． 05，影响不显著，计算数值与实测数值拟
合较好，模型能够用于预测真实的试验数据。在一次项中，提取时间和液固比影响极显著，超声波功率
影响不显著;二次项中，3 者影响均为极显著;在交互项中，提取时间和液固比交互项影响显著，其它则
不显著。各因素对多酚得率影响程度大小顺序为:液固比 ＞提取时间 ＞超声波功率。
表 2 响应面因素水平设计及试验结果
Table 2 Factors and levels of response surface design and the experimental results
试验号
No．
X1
提取时间 /min
extraction time
X2
液固比 /(mL∶ g)
liquid-solid ratio
X3
超声波功率 /W
ultrasonic wave power
Y
多酚得率 /%
polyphenol yield
1 10 15 ∶ 1 300 3． 44
2 30 15 ∶ 1 300 3． 49
3 10 25 ∶ 1 300 3． 52
4 30 25 ∶ 1 300 3． 67
5 10 20 ∶ 1 200 3． 54
6 30 20 ∶ 1 200 3． 59
7 10 20 ∶ 1 400 3． 53
8 30 20 ∶ 1 400 3． 65
9 20 15 ∶ 1 200 3． 48
10 20 25 ∶ 1 200 3． 63
11 20 15 ∶ 1 400 3． 48
12 20 25 ∶ 1 400 3． 63
13 20 20 ∶ 1 300 3． 78
14 20 20 ∶ 1 300 3． 76
15 20 20 ∶ 1 300 3． 80
16 20 20 ∶ 1 300 3． 78
17 20 20 ∶ 1 300 3． 75
22 生 物 质 化 学 工 程 第 49 卷
表 3 回归模型的方差分析
Table 3 Variance analysis of items in regression equation
方差来源
source
平方和
sum of squares
自由度
df
均方
MS
F值
F value
P值
P value
模型
Model 0． 235431 9 0． 026159 85． 36754 ＜ 0． 0001
X1 0． 017113 1 0． 017113 55． 84499 0． 0001
X2 0． 0392 1 0． 0392 127． 9254 ＜ 0． 0001
X3 0． 000312 1 0． 000312 1． 019814 0． 3462
X1X2 0． 002500 1 0． 0025 8． 158508 0． 0245
X1X3 0． 001225 1 0． 001225 3． 997669 0． 0857
X2X3 0 1 0 0 1． 0000
X1 2 0． 051644 1 0． 051644 168． 5367 ＜ 0． 0001
X2 2 0． 07476 1 0． 07476 243． 9729 ＜ 0． 0001
X3 2 0． 03096 1 0． 03096 101． 0358 ＜ 0． 0001
残差
residual 0． 002145 7 0． 000306
失拟项
lack of fit 0． 000625 3 0． 000208 0． 548246 0． 6755
纯误差
pure error 0． 00152 4 0． 00038
总离差
cor total 0． 237576 16
根据回归方程，绘制响应面图，结果见图 1。提取时间和液固比交互项响应面坡度较陡，说明两者
交互作用对多酚得率有较大影响。从等高线的疏密度可以看出，液固比对响应值的影响大于提取时间
和超声波功率。上述分析与模型回归的方差分析基本一致。
图 1 不同反应条件对多酚得率影响的响应面图
Fig． 1 Ｒesponse surface for effects of different experimental conditions on the polyphenol yield
2． 2． 2 最佳条件的预测及验证试验 通过回归模型的预测，得到超声波辅助提取豹皮樟多酚的最佳工
艺为:5 g样品，提取时间 22． 46 min，液固比 21． 43 ∶ 1，超声波功率 306． 09 W，在此条件下多酚得率可达
3． 79%。结合实际操作，将各因素调整为:提取时间 22 min，液固比 21 ∶ 1，超声波功率 300 W。在此条件
下进行 3 次平行试验进行验证，多酚平均得率为 3． 76%，与模型预测值的相对误差 ＜ 1%，证明由该模
型推测得到的最佳工艺参数真实可靠。
3 结 论
3． 1 采用超声波辅助提取豹皮樟多酚，在单因素试验的基础上，通过响应面 Box-Benhnken 试验设计，
建立了多酚得率的二次多项式数学模型，优化出的最佳工艺条件为:5 g样品，提取时间 22 min，液固比
21 ∶ 1，超声波功率 300 W，在此条件下，豹皮樟多酚得率可达 3． 76%，所优化的工艺参数准确可靠，稳定
可行。
3． 2 超声波提取法具有操作简便、安全无毒、成本低、提取得率高的优点，容易实现工业化生产。本试
验为豹皮樟多酚的进一步研究与开发奠定了基础。
第 5 期 张宇思，等:响应面法优化超声波辅助提取豹皮樟多酚工艺 23
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73－78．
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