全 文 :第 12卷第 2期
2014年 3月
生 物 加 工 过 程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol 12 No 2
Mar 2014
doi:10 3969 / j issn 1672-3678 2014 02 007
收稿日期:2013-05-14
基金项目:山东省自然科学基金(ZR2012HL48)
作者简介:迟 雪(1988—),女,黑龙江齐齐哈尔人,硕士研究生,研究方向:中药活性成分的提取与活性研究及新药开发;张丹丹(联系人),副
教授,E⁃mail:312685423@ qq com
效应面法优化石榴皮抑菌物的提取工艺
迟 雪,张丹丹
(青岛科技大学 化工学院,青岛 266042)
摘 要:采用单因素和效应面法对石榴皮抑菌物提取条件进行优化,并对结果进行验证。 结果发现:最佳提取温度
为59 ℃、时间为 73 min、液料比为 40 ∶1(mL / g)。 实验证明石榴皮提取物对枯草杆菌具有很强的抑制作用,且所用
工艺简单易行,说明效应面优化法建立的数学模型预测结果可靠。
关键词:抑菌;提取;石榴皮;效应面优化法
中图分类号:R284 2 文献标志码:A 文章编号:1672-3678(2014)02-0033-05
Extraction of antimicrobials from pomegranate peel optimized by
response surface methodology
CHI Xue,ZHANG Dandan
(College of Chemical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266042,China)
Abstract:The extraction condition of pomegranate bacteriostatic materials was optimized by single factor
test and response surface methodology.The optimum conditions were found as follows:the liquid to solid
ratio 40 ∶1,extraction time 73 min,temperature 59 ℃ The result showed that the pomegranate extracts
had strong antimicrobial effects on Bacillus subtilis The extraction method was simple, and the model
established by response surface methodology could provide predictive accuracy
Key words:antimicrobial;extraction;pomegranate peel;response surface methodology
石榴皮(Pericarpium Granati)是石榴科石榴属
植物石榴(Punica granatum L )的干燥果皮。 具有
镇痛、抗氧化、抗病毒、抗肿瘤、预防心脑血管疾病、
抑菌[1-3]等功效。
目前多用正交法考察各实验条件对石榴皮抑
菌能力的影响,采用效应面法的报道则较罕见。 效
应面法比正交法简化,试验精度高,可对未做过的
试验进行预测[4-5]。 因此,本实验采用效应面法对
石榴皮中抑菌物质的提取条件进行优化,以期建立
的数学模型可以准确预测不同实验条件下的抑菌
能力,并确定最大抑菌能力下的提取条件。
1 材料与方法
1 1 试剂与仪器
石榴皮(由新鲜石榴皮晒干后粉碎),购于青
岛京城百草厅大药房;牛肉膏,北京鸿润宝顺科技
有限公司;蛋白胨,北京奥博星生物技术责任有限
公司;琼脂,青岛正业试剂仪器有限公司;乙醇,烟
台三和化学试剂有限公司;NaOH,天津博迪化工
股份有限公司;NaCl,天津市瑞金特化学品有限公
司;枯草芽胞杆菌,青岛科技大学生物实验室
提供。
FA1004 型电子天平,上海精密科学仪器分公
司;RE 52 型旋转蒸发仪,上海亚荣生化仪器厂;
四两装高速中药粉碎机,山东青州精诚医药装备
制造有限公司;KH 250DB 型数控超声波清洗器,
昆山禾创超声仪有限公司;SHB Ⅲ型循环水式多
用真空泵,郑州长城科工贸有限公司;RXZ 智能型
人工气候箱,宁波市科技园新江南仪器有限公司;
立式压力灭菌器,上海博迅实业有限公司;Sw
Cj 1F型单人双面净化工作台,苏州净化设备有
限公司。
1 2 抑菌直径的测定
将粉碎的石榴皮在不同条件下用乙醇超声
提取,水浴干燥。 用 6 mm 打孔器将培养皿中含
有细菌的培养基打孔,将石榴皮提取物稀释至
相同体积,用移液枪吸取 80 μL 加至各孔中。
37 ℃恒温培养 24 h,测抑菌直径,发现与汝绍
刚等 [ 6]的研究结果一致,抑菌直径越大,抑菌能
力越强。
1 3 石榴皮粗提物的提取
1 3 1 单因素实验
称取石榴皮 2 0 g,用超声波提取法,考察不同
液料比、温度、提取时间对抑菌能力的影响。
1 3 2 星点实验
在单因素基础上,进行三因素五水平实验,并通
过 Statistica 6 0软件进行优化,确定最佳提取条件。
1 3 3 验证实验
根据模型确定最佳提取条件,在该相同条件下
分别进行 3次提取及抑菌实验,测定抑菌直径以验
证抑菌能力的稳定性。
2 结果与讨论
2 1 单因素实验
2 1 1 液料比对抑菌结果的影响
称取石榴皮 2 0 g,采用体积分数 60%乙醇,提
取时间和温度各组相同,进行平行的 4 组实验。 液
料比(mL / g)分别设为 20 ∶1、30 ∶1、40 ∶1和 50 ∶1,抑
菌结果如图 1所示。
图 1 液料比对抑菌直径的影响
Fig 1 Effects of raw liquid to solid on
different inhibition diameters
从图 1可以看出:液料比为 40 ∶1(mL / g)时,石
榴皮粗提物的抑菌能力最大。 可能是由于液料比
小于 40 ∶1(mL / g)时石榴皮中有效成分没有被完全
提取出来,所以抑菌能力会随着液料比的增加而增
强;当超过 40 ∶1(mL / g)时提取出来的有效成分趋
于稳定,但因为溶液体积的增加导致过滤及旋干的
时间增加而使一些不稳定的成分有少量降解继而
导致抑菌能力降低。
2 1 2 温度对抑菌结果的影响
称取石榴皮 2 0 g,液料比为 40 ∶1(mL / g),乙醇
浓度 60%,提取时间同上,在温度分别为 50、60、70
和 80 ℃时进行提取,抑菌结果如图 2所示。
图 2 提取温度对抑菌直径的影响
Fig 2 Effects of different extraction temperatures
on inhibition diameters
从图 2可以看出:温度为 60 ℃时,石榴皮粗提
物抑菌能力最大。 这可能是由于温度越高,溶剂分
43 生 物 加 工 过 程 第 12卷
子运动速度越快,促进了有效成分的溶解,然而温
度过高会破坏药物中的有效成分而导致抑菌能力
下降。
2 1 3 提取时间对抑菌结果的影响
称取石榴皮 2 0 g,液料比为 40 ∶1(mL / g),乙醇
浓度 60%,提取温度为 60 ℃,分别提取 45、60、75和
90 min,抑菌结果如图 3所示。
图 3 提取时间对抑菌直径的影响
Fig 3 Effects of extraction time on different
inhibition diameters
从图 3可以看出:提取时间为 75 min 时,石榴
皮粗提物抑菌能力最大。 抑菌能力随时间的增加
呈现先增强后减弱的趋势,这可能是由于超声时间
越长,细胞破坏越完全,有效成分溶出越多,但超过
一定时间后有效成分被破坏的量超过溶出的量,从
而导致了抑菌能力下降。
2 2 以效应面法实验设计优化因素和条件
2 2 1 效应面法的实验设计
在单因素实验的基础上,对液料比(X1)、温度
(X2),时间(X3)进行三因素五水平的星点实验,用
Statistica6 0软件对实验数据进行统计分析,星点设
计因素水平见表 1[7]。
表 1 星点设计的因素和水平表
Table 1 Variables and codes of central composite design
因素
水平
-1 732 -1 0 1 1 732
液料比 /
(mL·g-1) 30 ∶1 34 2 ∶1 40 ∶1 45 8 ∶1 50 ∶1
温度 / ℃ 50 54 60 66 70
时间 / min 60 66 3 75 83 7 90
2 2 2 效应面法实验设计的优化结果与分析
效应面法实验的结果见表 2。 分别用二项式拟
合和线性拟合对表 2的实验数据进行处理。 经比较
发现二项式拟合所得的 r值相对于线性拟合有了较
大幅度的提高,因此,选择二项式拟合模型处理
数据。
回归方程:Y = B0 +B1 X1 +B2 X2 +B3 X3 +B4 X21 +
B5X22+B6X23+B7X1X2+B8X1X3+B9X2X3,得到的复相关
系数r= 0 986,用 Statistica6 0 统计分析软件进行多
元回归分析,对回归方程进行显著性检验、方差分
析及各因素最佳点值分析,结果见表 3。
表 2 星点设计实验结果
Table 2 Results of experiment designed by central
composite design test
试验号 X1 X2 X3 抑菌直径 / cm
1 34 2 ∶1 54 66 3 2 32
2 45 8 ∶1 54 66 3 2 42
3 34 2 ∶1 66 66 3 2 32
4 45 8 ∶1 66 66 3 2 19
5 34 2 ∶1 54 83 7 2 28
6 45 8 ∶1 54 83 7 2 09
7 34 2 ∶1 66 83 7 2 35
8 45 8 ∶1 66 83 7 2 11
9 30 ∶1 60 75 2 29
10 50 ∶1 60 75 2 15
11 40 ∶1 50 75 2 30
12 40 ∶1 70 75 2 15
13 40 ∶1 60 60 2 25
14 40 ∶1 60 90 2 11
15 40 ∶1 60 75 2 59
16 40 ∶1 60 75 2 61
17 40 ∶1 60 75 2 58
18 40 ∶1 60 75 2 59
19 40 ∶1 60 75 2 60
20 40 ∶1 60 75 2 61
53 第 2期 迟 雪等:效应面法优化石榴皮抑菌物的提取工艺
表 3 二次多项式非线性估计的结果
Table 3 Results of binomial model fitting
二项式系数 估计值 标准误差 T P
B0 -25 628 8 2 593 935 -9 880 3 0 000 002
B1 0 404 0 0 044 334 9 111 7 0 000 004
B2 0 385 1 0 049 073 7 846 9 0 000 014
B3 0 243 2 0 031 017 -7 840 6 0 000 014
B4 -0 003 4 0 000 328 -10 517 3 0 000 001
B5 -0 003 4 0 000 328 -10 364 8 0 000 001
B6 -0 001 7 0 000 146 -11 737 2 0
B7 -0 001 0 0 000 457 -2 277 2 0 046 003
B8 -0 001 0 0 000 305 -3 253 2 0 008 674
B9 0 000 8 0 000 305 2 602 5 0 026 377
2 3 响应面的优化和预测
利用 Statistica6 0软件分别绘制各因素的三维
效应面(图 4、图 5和图 6)。
图 4 X1 和 X2 与抑菌直径的二维等高线图
Fig 4 X1, X2 and inhibition diameters
of contour plot
二维等高线图中心的最小圈是最佳提取范围,
综合 3个等高线图,可以看出提取条件的最佳范围:
X1液料比 ( mL / g) 为 ( 37 ∶ 1 ~ 41 ∶ 1); X2温度为
(57 2~60 8) ℃;X3时间为(71 2~75 1) min。
对方程 Y = - 25 627 7 + 0 404X1 + 0 358 1X2 +
0 243 2X3 - 0 003 4X21 - 0 003 4X22 - 0 001 7X23 -
0 001X1X2-0 001X1X3+0 000 8X2X3进行分析得出
最佳提取工艺,液料比为 40 ∶1(mL / g)、温度 59 ℃、
时间 73 min。
图 5 X1 和 X3 与抑菌直径的二维等高线图
Fig 5 X1, X3 and inhibition diameters
of contour plot
图 6 X2 和 X3 与抑菌直径的二维等高线图
Fig 6 X2, X3 and inhibition diameters
of contour plot
2 4 优选工艺的验证
根据效应面法的最佳提取工艺,在液料比为
40 ∶1(mL / g)、温度 59 ℃、时间 73 min 条件下提取,
抑菌结果见表 4。
表 4 验证实验表
Table 4 Verification form of experimental results
批次
实际值 / cm
Z Z
预测值 / cm
1 2 75
2 2 79 2 80 2 83
3 2 87
由表 4可知:抑菌直径的实际平均值为 2 80 cm,
63 生 物 加 工 过 程 第 12卷
和预测值 2 83 cm基本吻合,说明效应面法的提取工
艺是比较可靠稳定的,对未做的实验条件具有较好的
预测性。 本实验最佳工艺条件下的抑菌直径为 2 80
cm,明显高于孔阳等[1]的最大抑菌直径 2 10 cm,说
明效应面法具有一定的优势。
3 结 论
通过单因素和效应面优化法优化了石榴皮抑
菌成分的提取条件,主要考察了液料比、温度、时间
对抑菌能力的影响。 得出最佳提取条件为液料比
40 ∶1(mL / g)、温度 59 ℃、时间 73 min。 发现最佳条
件下验证实验的抑菌直径与预测值基本吻合,说明
本方法具有较好的预测性。
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(责任编辑 周晓薇)
73 第 2期 迟 雪等:效应面法优化石榴皮抑菌物的提取工艺