全 文 : 第33卷 第6期 吉首大学学报(自然科学版) Vol.33 No.6
2012年11月 Journal of Jishou University(Natural Science Edition) Nov.2012
文章编号:1007-2985(2012)06-0089-06
响应面法优化田基黄总黄酮的吸附工艺
*
杨佳宇,徐勇威,孙亚丽,张珍贞,李雪峰,欧阳玉祝
(吉首大学化学化工学院,湖南 吉首 416000)
摘 要:以田基黄为原料,选择乙醇质量分数、吸附温度和吸附时间为影响因子,总黄酮吸附率为响应值优化了大孔树
脂对田基黄总黄酮的吸附工艺条件,应用Box-Behnken设计建立数学模型,并进行响应面分析.结果表明,用12%乙醇为溶
剂,28℃温度下吸附36min,总黄酮的吸附率为87.14%.
关键词:响应曲面法;田基黄;总黄酮;吸附
中图分类号:TQ28 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1007-2985.2012.06.021
田基黄(Hypericum japonicum)系藤黄科金丝桃属植物地耳草的干燥全草,具有清热利湿、散瘀止
痛、消肿解毒之功效[1-2].研究表明[3],田基黄中含有丰富的槲皮苷、异槲皮苷、槲皮素-7-鼠李糖苷、3,5,7,
3’,4’-五羟基黄酮-7-鼠李糖苷、异鼠李素、芦丁等黄酮化合物,广泛用于临床治疗肝炎、伤寒、副伤寒和感
冒.目前田基黄的研究主要集中在化学成分分析上.傅芃等[4]用色谱法对田基黄乙醇提取物中黄酮化合物
的分离分析进行研究;席仲洪等[5]对不同采收季节和不同部位的田基黄中黄酮化合物的含量进行测定;龚
受基等[6]用高效液相色谱法测定田基黄中槲皮素含量并优化大田基黄总黄酮的提取工艺.大孔树脂吸附
法是近年来发展起来的一种化学稳定性高、吸附容量大、选择性好、吸附速度快、解吸条件温和、再生方便、
分离费用低的先进分离技术,广泛用于化工、医药、食品和环保领域[7-12].笔者以田基黄为原料,用曲面响
应法优化大孔树脂对总黄酮的吸附工艺,希望能为田基黄中黄酮化合物的吸附分离提供理论依据.
1 实验部分
1.1实验仪器和药品
1.1.1实验仪器 UV-2450型紫外可见分光光度计(日本岛津公司);KQ-250E型超声波清洗器(昆山市
超声仪器有限公司);SHB-III循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司);DF-101S集热式恒温加热
磁力搅拌器(郑州长城科工贸有限公司);JA2003N型电子天平(上海精密仪器厂);800型离心机(江苏金
坛大地自动化仪器厂);HY-4调速多用振荡器(江苏大地自动化仪器厂/环保仪器厂金坛).
1.1.2实验药品 田基黄是采自湖南省吉首地区的新鲜植株.植株采回后经洗净、晾干、切碎,于60℃,
0.08MPa真空干燥,用植物粉碎机粉碎,置于干燥器中备用;D101型大孔吸附树脂为天津光复精细化工
研究所生产;无水乙醇、亚硝酸钠、硝酸铝、氢氧化钠为国产分析纯试剂;芦丁对照品由中国药品生物制品
鉴定所提供.
1.2实验方法
1.2.1大孔树脂的预处理 D-101大孔吸附树脂按参考文献[13]进行预处理.
1.2.2总黄酮的提取 取一定量的田基黄粉末,按1∶25(g/mL)料液比加60%乙醇,60℃下超声提取
* 收稿日期:2012-09-01
基金项目:吉首大学化学实验教学中心大学生创新性实验项目(2011ZXJJ07)
作者简介:杨佳宇(1990-),女,江苏南通人,吉首大学化学化工学院学生,主要从事天然产物加工利用研究
通讯作者:欧阳玉祝(1956-),男,吉首大学化学化工学院教授,硕士生导师,主要从事天然产物的开发利用研究;E-
mail:ouyang1227@126.com.
1.5h,抽滤、定容得提取液,贮存于冰箱冷藏室中备用.
1.2.3总黄酮的树脂吸附 取30mL田基黄提取液于100mL锥形瓶中,按一定固液比加入实验量的D-
101大孔树脂,在一定温度下吸附一定时间,抽滤,滤液定容于50mL容量瓶中,用紫外可见光分光光度计
测吸附前后溶液的吸光度,结合标准曲线和回归方程计算总黄酮质量浓度,按下式计算吸附率:
E(%)=
C0-Ct
C0
×100.
其中:E为吸附率(%);C0 为开始吸附时溶液总黄酮浓度,Ct 为吸附时间为t时总黄酮质量浓度(g/L).
1.3分析方法
1.3.1总黄酮标准曲线的绘制 用芦丁作标样,按参考文献[14]配制标准溶液,测510nm处吸光度;以吸
光度为横坐标,质量浓度为纵坐标绘图,实验结果用计算机进行线性回归得回归方程C=0.093 9A,相关
系数R=0.999 8,其中C为芦丁质量浓度(g/L),A 为吸光度.
1.3.2总黄酮的质量浓度测定 吸取1mL总黄酮样品溶液于25mL容量瓶中,加5.0mL水和1.0mL
5%亚硝酸钠溶液,摇匀,放置6min;再加入10%硝酸铝溶液1.0mL,摇匀,放置6min;再加入4%氢氧化
钠溶液10.0mL,加水至刻度,摇匀,放置15min.以蒸馏水代替溶液做参比,用紫外可见分光光度计于
510nm处测定其吸光度.将吸光度代入回归方程计算样品中总黄酮的质量浓度.
2 结果与讨论
2.1吸附工艺单因素实验
图1 乙醇质量分数对吸附率的影响
2.1.1乙醇质量分数对总黄酮吸附率的影响 提取
黄酮所用乙醇的质量分数不同将导致吸附液乙醇质
量分数不同,黄酮化合物的吸附率也将不同.按照
1.2.3方法,按1∶5(g/mL)固液比添加不同乙醇
质量分数提取的田基黄提取液,40℃温度下吸附
90min,考察乙醇浓度对田基黄总黄酮吸附率的影
响,结果见图1.
图1表明,乙醇质量分数对田基黄总黄酮吸附
率的影响在12%时出现最大值85.56%.乙醇质量
分数大于12%后,黄酮吸附率下降.这是因为D101大孔树脂是一种非极性聚合物吸附树脂,具有多孔海
绵状结构,主要依靠树脂骨架与被吸附分子之间的范德华力,通过树脂巨大的比表面积进行物理吸附来提
取分离水溶性差的有机大分子.树脂内部孔表面带有弱极性基团,对水相扩散到树脂相阻力较大的疏水性
黄酮化合物吸附速度较快,吸附量较大.乙醇浓度过小,扩散速度慢,导致吸附速度降低,吸附率减小;乙醇
浓度过大,溶剂对黄酮化合物的亲和力大,不利于吸附.
图2 固液比对吸附率的影响
2.1.2固液比对总黄酮吸附率的影响 固液比是树
脂用量与吸附液用量的比值.固液比不同,黄酮化合
物的量不同,吸附率也将不同.为了考察固液比对田
基黄中总黄酮吸附率的影响,按照1.2.3方法,在乙
醇质量分数12%、40℃温度、吸附90min条件下进
行吸附实验,结果如图2所示.
图2表明,D101树脂对田基黄总黄酮的吸附率
随固液比的增大而减小,固液比为1∶5(g/mL)时,
吸附率最大为83.13%.这是因为固液比增大,在树
脂不变的情况下,提取液用量增加,尽管树脂都达到吸附平衡,但是因提取液中总黄酮量增加较大,影响吸
附平衡,导致吸附率相对减小.因此选择固液比为1∶5(g/mL)进行静态吸附较宜.
2.1.3吸附温度对总黄酮吸附率的影响 吸附温度通过吸附热力学影响吸附平衡,因此吸附温度对总黄
09 吉首大学学报(自然科学版) 第33卷
图3 吸附温度对吸附率的影响
酮吸附率有较大的影响.为了考察吸附温度对田基
黄中总黄酮吸附率的影响,按照1.2.3方法,在固液
比1∶5(g/mL)、乙醇质量分数12%、吸附时间
90min条件下进行吸附实验,结果如图3所示.
图3表明,总黄酮的吸附率随温度升高呈现出
先增加后减小的趋势,30℃时吸附率达到最大值
84.76%.这是因为该吸附是物理吸附,升高温度不
利于吸附进行,同时,温度过高还会导致黄酮化合物
氧化,所以在30℃以上时吸附率减小;而在30℃以
下时,分子内能较低,扩散速度慢,也不利于黄酮化合物的吸附.
图4 吸附时间对吸附率的影响
2.1.4吸附时间对总黄酮吸附率的影响 吸附时间
长短影响到吸附平衡的建立,因此吸附时间对总黄
酮吸附率也有一定的影响.按照1.2.3方法,在固液
比1∶5(g/mL)、乙醇浓度12%、吸附温度40℃的
条件下,考察吸附时间对田基黄中总黄酮吸附率的
影响,结果如图4所示.
图4表明,随着吸附时间增加,D101大孔树脂
对田基黄总黄酮的吸附率不断增大,50min时达到
最大值85.85%,随后基本恒定,说明吸附50min达
到平衡.
2.2响应面优化实验
2.2.1模型的建立及实验结果 结合单因素实验结果,利用Box-Behnken设计数学模型[15-16],选择影响较
显著的乙醇质量分数(%)、吸附温度(℃)、吸附时间(min)为影响因素,以总黄酮吸附率为响应值R1,采用
三因素三水平响应曲面法进行实验,利用Design expert 7.00软件进行数据处理和回归分析.Box-Be-
hnken实验方案设计见表1.
表1 Box-Behnken实验方案设计
因素
编码水平
-1 0 1
乙醇浓度A/% 10 12.5 15
吸附温度B/℃ 20 30 40
吸附时间C/min 30 40 60
对田基黄中总黄酮提取工艺进行三因素三水平Box-Behnken优化实验设计,其数学模型通过最小二
乘法拟合二次多项式方程,表达式为
R1=β0+∑βiXi+∑βiiX2i +∑βijXiXj. (1)
其中:R1为预测响应值;β0为常数项;βi为线性系数;βii为二次项系数;βij为交互项系数;Xi,Xj(i≠j)为
自变量编码值.模型的实验设计及实验结果见表2.
表2 Box-Behnken方案设计及响应曲面法实验结果
实验编号 A B C
吸附率/%
预测值 实际值
1 -0.2 1 1 84.74 84.74
2 -0.2 -1 1 85.90 85.95
3 1 0 1 83.92 84.00
4 -1 0 1 84.79 84.66
5 -0.2 1 -1 85.71 85.66
19第6期 杨佳宇,等:响应面法优化田基黄总黄酮的吸附工艺
续表
实验编号 A B C
吸附率/%
预测值 实际值
6 -0.2 -1 -1 86.05 86.05
7 -1 -1 0 85.15 85.22
8 1 0 -1 84.75 84.87
9 1 -1 0 84.51 84.39
10 -0.2 0 0 87.11 87.20
11 -0.2 0 0 87.11 87.31
12 -0.2 0 0 87.11 86.94
13 -1 0 -1 85.16 85.09
14 1 1 0 83.74 83.66
15 -1 1 0 84.40 84.53
16 -0.2 0 0 87.11 87.00
17 -0.2 0 0 87.11 87.08
2.2.2模型的显著性检验 对表2结果采用Design expert 7.00软件对方程(1)进行模拟回归分析,得到
吸附率(R1)对乙醇浓度(A)、吸附温度(B)、吸附时间(C)的二次多项式回归方程为
R1=87.11-0.32A-0.38B-0.30C-(5.392E-003)AB-
0.11AC-0.21BC-1.81A2-0.86B2-0.65C2.
对该回归模型进行方差分析,结果见表3,并对模型系数进行显著性检验,结果见表4.
表3 方差分析表
方差来源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值 显著性
模型 23.03 9 2.56 97.96 <0.000 1 显著
残差 0.18 7 0.026
失拟项 0.093 3 0.031 1.38 0.370 5 不显著
纯误差项 0.090 4 0.022
总和 23.21 16
相关系数(R2) R2=0.992 1
调整后复相关系数(R2Adj) R2adj=0.982 0
表4 回归模型系数显著性检验
因素 回归系数 自由度 标准误差 95%置信下限 95%置信上限 F 值 P 值 显著性
截距 87.11 1 0.075 86.94 87.29 97.96 <0.0001 显著
A -0.32 1 0.057 -0.46 -0.46 31.86 0.0008 显著
B -0.38 1 0.058 -0.51 -0.51 42.93 0.000 3 显著
C -0.30 1 0.058 -0.44 -0.44 27.30 0.0012 显著
AB -5.392×10-3 1 0.080 -0.19 -0.19 4.542×10-3 0.9482 不显著
AC -0.11 1 0.080 -0.30 -0.30 2.06 0.1948 不显著
BC -0.21 1 0.081 -0.40 -0.40 6.44 0.0388 显著
A2 -1.81 1 0.083 -2.00 -2.00 475.84 <0.0001 显著
B2 -0.86 1 0.079 -1.04 -1.04 117.99 <0.0001 显著
C2 -0.65 1 0.079 -0.84 -0.84 68.22 <0.0001 显著
由表3方差分析结果可知,实验所选模型P<0.000 1,模型极其显著;失拟项P=0.370 5>0.05,没
有显著性意义,说明数据中没有异常点,不需要引入更高次数的项.校正后的复相关系数R2adj=0.982 0,表
明响应值(吸附率)变化的98.20%来自于所选变量.因此,该回归模型对实验拟合情况较好,应用此模型
可以分析和预测田基黄中总黄酮的提取工艺优化.
由表4模型系数显著性检验结果可知,模型的一次项A,B,C均达到极显著水平(P<0.01),对D101
树脂吸附田基黄中总黄酮的线性效应显著;二次项A2,B2,C2 对D101树脂吸附田基黄中总黄酮的曲面效
应显著;交互项BC交互效应显著(P<0.05).由此可知,在实验设计范围内,乙醇质量分数、吸附温度、吸
29 吉首大学学报(自然科学版) 第33卷
附时间这3个因素对D101树脂吸附田基黄中总黄酮的线性效应和曲面效应都显著,且吸附温度和吸附时
间有一定的交互作用.剔除不显著项后的数学模型表达式为
R1=87.11-0.32A-0.38B-0.21BC-1.81A2-0.86B2-0.65C2.
2.2.3响应曲面分析 根据回归模型作出相应的响应曲面图和等高线图(图5—7),考察拟合响应曲面的
形状,分析各因素对D101树脂吸附田基黄中总黄酮的吸附率影响.等高线的形状反应了交互效应的强弱,
椭圆形表示两因素交互影响显著,圆形则与之相反.图5中乙醇浓度与吸附温度之间的交互作用最小,图7
中吸附温度与吸附时间的交互作用最大.
图5 R1=f(A;B;C=40min)的等高线和响应面
图6 R1=f(A;C;B=30℃)的等高线和响应面
图7 R1=f(B;C;A=12.5%)的等高线和响应面
2.2.4田基黄中总黄酮的吸附工艺条件优化 利用Design expert 7.0.0软件结合回归模型,预测D101树
脂吸附田基黄总黄酮吸附率的最佳工艺条件为乙醇质量分数12.28%、吸附温度28.03℃、吸附时间
36.15min、固液比1∶5,在此条件下,吸附率最高为87.193 3%.
2.2.5模型验证 为了检验响应曲面法所得结果的可靠性,同时考虑到实际操作的便利,将提取工艺参数
调整为乙醇质量分数12%、吸附温度28℃、吸附时间36min、固液比1∶5(g/mL).在此条件下进行验证
实验,平行实验5次取平均值,结果如表5所示.
39第6期 杨佳宇,等:响应面法优化田基黄总黄酮的吸附工艺
表5 最佳吸附条件组合实验
序号 1 2 3 4 5 平均
吸附率/% 87.19 86.96 87.27 87.09 87.20 87.142
表5结果表明在最佳吸附条件下,田基黄中总黄酮的平均吸附率为87.142%,与预测值87.193 3%相
比,相对偏差为0.058 9%,这说明基于响应曲面法所得的优化吸附条件准确可靠,进一步验证了数学回归
模型的合理性.
3 结论
树脂吸附法分离天然产物中的活性成分,具有吸附容量大、吸附速度快、分离效果好、操作简单、不影
响分离产物活性等优点,有较高的应用价值.实验在单因素实验基础上,通过Box-Behnken设计,用响应曲
面法优化D101大孔树脂吸附田基黄中总黄酮的工艺条件,建立了吸附数学模型.实验结果表明:用12%
乙醇作为溶剂、按固液比为1∶5(g/mL)添加吸附树脂,28℃下吸附36min,总黄酮的吸附率为87.14%.
参考文献:
[1] 陈天宇,余世春.田基黄化学成分及药理作用研究进展 [J].现代中药研究与实践,2009,23(2):78-81.
[2] 王晓炜,张大威,魏小龙,等.田基黄的研究进展 [J].中国现代药物应用,2009,3(22):183-186.
[3] 张 琳,金媛媛,田景奎.田基黄的化学成分研究 [J].中国药学杂志,2007,42(5):341-344.
[4] 傅 芃,李廷钊,刘润辉,等.田基黄黄酮类化学成分的研究 [J].中国天然药物,2004,2(5):283-284.
[5] 席仲洪,虞金宝,吕武清,等.不同采收季节及部位田基黄药材中黄酮类成分的含量测定 [J].中国药房,2009,20(21):
1 635-1 638.
[6] 龚受基,黄耀锋,滕翠琴,等.大田基黄中槲皮素含量分析和总黄酮的提取工艺优化 [J].食品科技,2010,35(5):199-204.
[7] ZHANG Ying-lao,YIN Cai-ping,KONG Li-chuan,et al.Extraction Optimisation,Purification and Major Antioxidant
Component of Red Pigments Extracted from Camelia Japonica[J].Food Chemistry,2011,129(2):660-664.
[8] LIU Peng-wei,DU Ying-feng,ZHANG Xiao-wei,et al.Rapid Analysis of 27Components of Isodon Serra by LC-ESI-
MS-MS[J].Chromatographia,2010,72(3-4):265-273.
[9] LI Hua,LIU Juan,LI Dan,et al.Study on Separation and Purification of Genistein in the Soybean Residue Using Macroporous
Resin Adsorption[J].Industrial &Engineering Chemistry Research,2012,51(1):44-49.
[10] LIN Lian-zhu,ZHAO Hai-feng,DONG Yi,et al.Macroporous Resin Purification Behavior of Phenolics and Rosmarin-
ic Acid from Rabdosia Serra(MAXIM.)HARA Leaf[J].Food Chemistry,2012,130(2):417-424.
[11] 白 伟,王维敏,兰晓继,等.大孔树脂分离纯化隐丹参酮的研究 [J].林产化学与工业,2011,31(2):82-86.
[12] 李坤平,潘天玲,贲永光,等.均匀设计法优选大孔树脂纯化七叶莲总皂苷工艺研究 [J].林产化学与工业,2009,29
(2):110-114.
[13] 欧阳玉祝,李佑稷,石爱华,等.大孔树脂对单宁酸的吸附与解吸行为研究 [J].食品工业科技,2009,30(2):152-154.
[14] 欧阳玉祝,车少林,黄伟涛.大孔树脂吸附法分离海金沙总黄酮的研究 [J].中国野生植物资源,2010,29(6):40-43.
[15] 陈言勤,陈德军,杨再磊,等.基于响应曲面法优化文冠果种仁油的提取工艺研究 [J].化学与生物工程,2012,29(2):
33-53.
[16] 郭元亨,马李一,郑 华.等.响应曲面法优化微波辅助提取胭脂虫红色素工艺 [J].林产化学与工业,2011,31(4):87-92.
Optimization of the Adsorption Technology of the Total Flavones from
Hypericum Japonicumby Response Surface Methodology
YANG Jia-yu,XU Yong-wei,SUN Ya-li,ZHANG Zhen-zhen,LI Xue-feng,OUYANG Yu-zhu
(Colege of Chemistry and Chemical Engineering,Jishou University,Jishou 416000,Hunan China)
Abstract:With hypericum japonicumas material,adsorption technology of macroporous resin on the to-
tal flavones was optimized with ethanol concentration,adsorption temperature and adsorption time as in-
fluencing factors and the adsorption rate of total flavones as response value.The mathematical model was
established according to Box-Behnken design method,and response surface of the experiment result was
analysed.The results showed that adsorption rate of the total flavones was 87.14% with 12%ethanol as
solvent at 28℃for 36min.
Key words:response surface methodology;hypericum japonicum;total flavones;adsorption
(责任编辑 易必武)
49 吉首大学学报(自然科学版) 第33卷