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Extraction of antimicrobials from pomegranate peel optimized by response surface methodology

效应面法优化石榴皮抑菌物的提取工艺



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