全 文 ：响应面法优化花生壳黄酮提取工艺的研究
许　晖　孙兰萍　张　斌　马　龙　赵大庆
(蚌埠学院食品与生物工程系 ,蚌埠　233030)
摘　要　为确定花生壳中黄酮类成分乙醇回流提取的最佳工艺条件 ,以黄酮得率为指标 ,采用响应面法
对主要工艺参数进行优化并得到回归模型。方差分析结果表明:回归模型较好地反映了花生壳黄酮得率与提
取时间 、提取温度 、乙醇体积分数和液固比的关系;最优工艺条件为提取时间 2.2 h 、提取温度 67 ℃、乙醇体积
分数 85%、液固比 13 mL/g 。此工艺条件下提取花生壳黄酮得率为 3.98 g/100 g ,回归模型的预测值与实测值
的相对误差为 1.2%,该回归方程与实际情况拟合较好。
关键词　花生壳　黄酮　提取工艺　响应面法
中图分类号:TS201.1;S517　　文献标识码:A　　文章编号:1003-0174(2009)01-0107-05
　　花生(Arachis hypogaea L.)属豆科一年生草本科
植物 ,是重要经济作物 ,我国各省区均有种植 ,近年
总产量达到 14 500 kt以上。花生壳是其荚果外壳 ,
在加工过程中每年产生约 4 500 kt ,除了很少部分被
用于饲料加工 、食用菌栽培 、化工原料或药品生产等
外 ,绝大部分都被当作燃料或废弃物 ,资源利用率非
常低[ 1-2] ,其资源开发尚有很大的潜力。花生壳中
除含有碳水化合物和粗纤维外 ,还含有黄酮类物质 ,
以木犀草素含量较高 , 是主要有效成分 , 此外也含
有 β-谷甾醇等甾体化合物[ 3] 。现代医学研究表明 ,
花生壳具有较好的抗氧化 、降胆固醇 、降 β-脂蛋白 、
降血压 、增加冠状动脉流量等作用[ 4-5] ,以花生壳为
原料生产的“脉舒胶囊”是治疗高血脂症的纯中药制
剂 ,已收载入《中华人民共和国卫生部部颁标准》[ 6] 。
花生壳中以木犀草素为代表的黄酮类化合物不仅具
有降血压 、降血脂 、扩张冠状动脉等作用 ,还具有抗
氧化 、镇咳 、平喘 、抗菌抗炎 、增强免疫和抗肿瘤等药
理活性[ 7-10] 。因此从花生壳中提取黄酮类化合物作
为保健食品或药品的原料具有较好的前景。
现有花生壳黄酮提取方法主要为甲醇索氏法或
超声法[ 11-12] ,索氏法仅适于小规模提取 ,不适于工
业化生产 ,而超声提取由于噪声污染等问题应用受
到限制 。回流提取是目前工业化生产应用较为广泛
基金项目:安徽省高等学校省级自然科学研究项目资助
(KJ2008B051),蚌埠学院中青年学科带头人培养对象
资助项目(院人字[ 2006] 18号)
收稿日期:2007-12-09
作者简介:许晖 ,男 , 1969年出生 ,副教授 ,工学硕士 ,食品科学及
食品生物技术
的一种提取方法 ,对花生壳黄酮的乙醇回流提取工
艺进行研究具有重要的现实意义 。
通过研究醇法提取花生壳黄酮工艺 ,在单因素
试验的基础上 ,对影响花生壳黄酮得率的提取时间 、
提取温度 、乙醇体积分数和液固比等因子进行初步
探讨 , 再借助试验设计软件 Design Expert (version
7.1.3),采用响应面法的中心组合设计(Central Com-
posite Design , CCD)考察花生壳黄酮乙醇提取工艺中
各因素对花生壳黄酮类化合物提取效果的影响 ,对
花生壳黄酮乙醇提取工艺进行优化 ,旨在为花生壳
黄酮的进一步开发利用提供技术支持 。
1　材料与方法
1.1　材料与仪器
花生壳:花生果产于安徽省 ,手工剥壳 ,粉碎后
备用。
芦丁(生化试剂 , Sigm 公司)、甲醇 、乙醇 、
Al(NO3)3 、NaOH 、NaNO2 均为分析纯。
FW100高速粉碎机:天津市泰斯特仪器有限公
司;WFZUV-2000型紫外可见分光光度计:上海尤尼
柯仪器有限公司;RE-52AA型旋转蒸发器:上海亚
荣生化仪器厂;DZF-6030A型真空干燥箱:上海一恒
科技有限公司;SARTORIUS-BS21S 电子天平:德国
赛多利斯集团 。
1.2　试验方法
1.2.1　原料的预处理
将花生壳洗净 、自然晒干 、粉碎后使用 。原料的
2009年 1月
第24卷第 1期
中国粮油学报
Journal of the Chinese Cereals and Oils Association
Vol.24 ,No.1
Jan.2009
粒径一般为 0.5 ～ 0.8 mm ,最大不超过 1 mm 。原料
粒径过大不利于提取 ,粒径过小不利于后续分离。
1.2.2　芦丁标准曲线制作
将芦丁于120 ℃烘箱中烘至恒重 ,于干燥器中冷
却后称取 0.061 5 g 用70%乙醇溶解 ,定容至250 mL ,
得到浓度为0.246 mg/mL芦丁标准液。准确吸取芦
丁标准液 0 、3.0 、6.0 、9.0 、12.0 、15.0 mL 于50 mL容
量瓶中 ,加入 5%NaNO2 溶液 1.5 mL ,摇匀放置6 min
后加入10%Al(NO3)3溶液 1.5mL ,摇匀放置6 min后
加入 4%NaOH 溶液 20 mL ,用 70%乙醇定容 ,摇匀 ,
10 min后用 1 cm 比色皿于 510 nm 测定吸光度 A ,得
芦丁浓度 Y(mg/mL)与吸光度 A得回归方程:
Y=0.091 8 A-0.001 4(R2=0.995 2) (1)
1.2.3　花生壳中总黄酮的提取和测定
准确称取 3.0 g花生壳粉至磨口三颈烧瓶中 ,按
照要求加入一定量的提取剂 ,在一定温度下回流提
取一定时间 ,抽滤 ,滤液用 70%乙醇定容至100 mL ,
作为待测液。
取1.5mL待测液于50mL容量瓶中 ,按1.2.2试验
方法测其总黄酮质量 ,根据式(2)计算黄酮得率:
黄酮得率 Y(g/100 g)= m1V1
m2V2×103×100% (2)
式中:m1 为依据标准曲线计算出被测液中黄酮
含量 ,mg;m2 为称取的花生壳粉的质量 , g;V1为待测
液分取的体积 ,mL;V2为待测液的总体积 ,mL。
1.3　试验设计
在单因素试验结果的基础上 ,对提取时间 、提取
温度 、乙醇体积分数和液固比四个影响花生壳黄酮
得率的主要因素进行优化试验 。采用 CCD方法 ,试
验因素水平设计见表 1。
表 1　中心组合设计因素水平表
水平
因素(实际值)
提取时间
X1/ h
提取温度
X2/ ℃
乙醇体积
分数X3/ %
液固比
X4/mL·g-1
+2 2.5 75 90 25
+1 2.0 65 80 20
　0 1.5 55 70 15
-1 1.0 45 60 10
-2 0.5 35 50 5
根据相应的 CCD 试验方案进行实验后 ,对试验
数据进行二次回归拟合 ,得到合适的回归方程 ,对此
方程所代表的面进行分析 ,可以推测出最佳条件在
试验中所覆盖的区域 ,或是指明在哪些方向上再进
行试验可得到更好的结果 。试验设计与统计分析软
件为 Design Expert 7.1.3。
2　结果与分析
2.1　黄酮得率回归模型的建立及显著性检验
按照中心组合设计试验方案进行三因素五水平
试验 ,试验结果见表 2。将所得的试验数据采用 De-
sign Expert软件进行多元回归拟合 ,得到以黄酮得率
为目标函数的二次回归方程:
Y=3.36+0.18 X1+0.21 X2 +0.073 X3+0.13
X4+0.14 X1X2+0.076X1X3+0.029 X1X4-0.006 562
X2X3+0.018 X2X4 -0.008 437X3X4 -0.027X12 -
0.014 X22-0.13 X32+0.008 885 X42 (3)
式(3)中 ,提取时间 X1、提取温度 X2 、乙醇体积分
数 X3 和液固比 X4 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。由回归方程可知 ,提取温度和提取时间两
线性项 、提取温度和提取时间的交互项以及乙醇体
积分数的二次项对黄酮得率影响最大 。
表 2　中心组合设计试验结果
试验 提取时间 X1
提取
温度X2
乙醇体
积分数 X3
液固
比 X4
得率
/g/ 100 g
1 -1 -1 -1 -1 2.805
2 1 -1 -1 -1 2.685
3 -1 1 -1 -1 2.975
4 1 1 -1 -1 3.225
5 -1 -1 1 -1 2.940
6 1 -1 1 -1 3.055
7 -1 1 1 -1 2.990
8 1 1 1 -1 3.610
9 -1 -1 -1 1 3.045
10 1 -1 -1 1 2.915
11 -1 1 -1 1 3.135
12 1 1 -1 1 3.625
13 -1 -1 1 1 3.100
14 1 -1 1 1 3.245
15 -1 1 1 1 3.160
16 1 1 1 1 3.985
17 -2 0 0 0 2.780
18 2 0 0 0 3.875
19 0 -2 0 0 2.880
20 0 2 0 0 3.885
21 0 0 -2 0 2.896
22 0 0 2 0 2.930
23 0 0 0 -2 3.190
24 0 0 0 2 3.755
25 0 0 0 0 3.245
26 0 0 0 0 3.340
27 0 0 0 0 3.375
28 0 0 0 0 3.430
29 0 0 0 0 3.395
30 0 0 0 0 3.365
为了检验方程的有效性 ,对花生壳黄酮提取的
数学模型进行方差分析 ,并对各因子的偏回归系数
进行检验 ,由表 3表明:一次项中X1 、X2 和X4的偏回
108 中国粮油学报 2009年第 1期
归系数极显著 ,说明提取时间 、提取温度 、液固比对
黄酮得率有极显著影响;X3的偏回归系数显著 ,说明
乙醇体积分数对黄酮得率有显著影响;交互项 X1X2
和X1X3的偏回归系数显著 ,说明提取时间和提取温
度 、提取时间和乙醇体积分数的交互项对黄酮的得
率有显著影响;二次项中 X32 的偏回归系数达极显著
水平 ,其他各项的偏回归系数均未达到显著水平。
由表 3可见 ,回归方程失拟检验不显著 ,说明未
知因素对试验结果干扰很小。拟合检验极显著 ,同
时决定系数达 0.918 8 ,说明该方程与实际情况拟合
很好 ,较好地反映了花生壳黄酮得率与提取时间 、提
取温度 、乙醇体积分数和液固比的关系 ,因此所得的
回归方程能较好的预测花生壳黄酮提取得率随各参
数的变化规律。
表 3　中心组合设计方差分析
来源 总和 自由度 均方 F 值 Pr>F
X1 0.80 1 0.80 42.10 <0.000 1＊＊＊
X2 1.01 1 1.01 53.11 <0.000 1＊＊＊
X3 0.13 1 0.13 6.65 0.021 0＊
X4 0.39 1 0.39 20.43 0.000 4＊＊＊
X1X2 0.30 1 0.30 15.54 0.001 3＊＊
X1X3 0.092 1 0.092 4.85 0.043 7＊
X1X4 0.014 1 0.014 0.71 0.412 6
X2X3 0.000 689 1 0.000 689 0.036 0.851 6
X2X4 0.005 077 1 0.005 077 0.27 0.613 0
X3X4 0.001 139 1 0.001 139 0.060 0.810 0
X1
2 0.021 1 0.021 1.08 0.315 3
X2
2 0.005 084 1 0.005 084 0.27 0.612 8
X3
2 0.47 1 0.47 24.73 0.000 2＊＊＊
X4
2 0.002 166 1 0.002 166 0.11 0.740 5
回归检验 3.23 14 0.23 12.13 <0.000 1
失拟检验 0.020 10 0.027 6.64 0.024 8
　注:＊＊＊为差异极显著(P<0.001);＊＊为差异高度显著(P<0.01);＊为
差异显著(P<0.05)
2.2　花生壳黄酮提取的响应面分析与优化
根据回归方程预测 4个因素对黄酮得率的影响
见图 1 ～ 图6。
图 1　提取温度和提取时间对黄酮得率的响应面分析
109第 24卷第 1期 许　晖等　响应面法优化花生壳黄酮提取工艺的研究
图 6　液固比和乙醇体积分数对黄酮得率的响应面分析
由图 1可以看出 ,黄酮得率随提取时间的延长
和温度的提高快速增加 ,且二者有明显的交互作用 ,
且黄酮得率在高温 、长时间条件下增加极显著 ,如在
提取温度 35 ℃下提取 1 h时得率为 2.95 g/100 g ,而
在65 ℃下提取 2 h 时得率为 3.84 g/100 g 。根据提
取动力学理论 ,时间的延长有助于黄酮的充分扩散
析出 ,同时温度的升高使得分子解附和扩散运动速
度加快 ,从而提高了黄酮的析出速率和得率 ,因此适
当延长时间和提高温度有助于提高黄酮的得率。
由图 2可以看出 ,提取时间较长 、乙醇体积分数
较高条件下黄酮得率较高;而在长时间低乙醇体积
分数区域和短时间高乙醇体积分数区域得率较低 ,
即两因素间有显著的交互效应 ,如在乙醇体积分数
80%提取 1 h时得率为 3.01 g/100 g ,而提取2.5 h得
率为 3.71 g/100 g ,但在乙醇体积分数 60%提取 2.5
h得率为 3.26 g/100 g 。分析其主要原因是 ,乙醇体
积分数较低时黄酮溶解度较差 ,水作为提取剂 ,易把
蛋白质 、糖类等易溶于水的物质提取出来 ,提取时间
的延长使大量水溶性杂质如多糖溶出 ,提取液变得
黏稠 ,对黄酮产生吸附作用 ,不利于黄酮的快速扩散
溶出;乙醇浓度太大时产生很大的渗透压 ,花生壳黄
酮溶解性较差 ,因此得率也较低。
由图 3可以看出 ,黄酮得率随液固比的增加呈
直线上升趋势。液固比的增加能降低提取溶液中黄
酮的含量 ,从而增加液固两相黄酮的浓度梯度 ,进而
提高黄酮溶出的速度 ,最终提高得率 。但是随着溶
剂量的增加 ,回收溶剂的时间较长 ,能耗较高 ,造成
资源浪费 。
由图 4可以看出 ,黄酮得率与乙醇体积分数具
有明显的二次抛物线关系 ,在 70%～ 80%附近出现
峰值 ,根据相似相溶原理可以认为 ,花生壳黄酮极性
与此范围乙醇溶液的极性相当 ,因此在这一体积分
数溶液中溶解性较好。黄酮得率随温度的增加显著
增加 ,呈直线上升趋势。
由图 5可以看出 ,黄酮得率随液固比的增加和
温度的提高快速增加 ,且二者有明显的交互作用 ,且
黄酮得率在高温 、高液固比条件下增加显著 。
由图 6可以看出 ,液固比和乙醇体积分数对黄
酮得率的交互影响类似于图 4。
2.3　花生壳黄酮最佳提取条件的确定和试验验证
在选取的各因素范围内 ,根据回归模型通过 De-
sign Expert软件分析得出 ,花生壳黄酮最佳提取条件
为:提取时间 2.21 h 、提取温度 67.28 ℃、乙醇体积分
数 85.43%、液固比 13.29 mL/g ,黄酮得率的预测值
为 3.93 g/100 g 。考虑到实际操作的便利 ,确定花生
壳黄酮的乙醇回流提取工艺条件为:提取时间2.2 h 、
提取温度 67 ℃、乙醇体积分数 85%、液固比
13 mL/g 。
为了证实预测的结果 ,用试验中得到的最佳提
取工艺条件重复实验 3次 ,平均花生壳黄酮得率为
(3.98±0.08)g/100 g ,与预测值为 3.93 g/100 g 基本
一致(相对误差 1.2%),说明该方程与实际情况拟合
很好 ,充分验证了所建模型的正确性 ,说明响应面法
适用于对花生壳黄酮的乙醇回流提取工艺进行回归
分析和参数优化。
3　结论
3.1　通过采用中心组合设计试验和响应面分析分
别表明了提取时间 、提取温度 、乙醇体积分数以及液
固比间四因素对花生壳黄酮得率的影响。花生壳黄
酮回流提取工艺参数的回归方程为:
Y=3.36+0.18 X1+0.21 X2 +0.073 X3+0.13
X4+0.14 X1X2+0.076X1X3+0.029 X1X4-0.006 562
X2X3+0.018X2X4-0.008 437X3X4-0.027X12-0.014
X2
2-0.13 X32+0.008 885 X42
方差分析结果表明拟合检验极显著 ,决定系数
达 0.918 8 ,该方程能较好的预测花生壳黄酮提取得
率随各参数变化的规律 。
3.2　优化得到的最佳工艺条件为:提取时间 2.2 h 、
提取温度67 ℃、乙醇体积分数 85%、液固比13mL/g ,此
工艺条件下的黄酮得率为 3.98 g/100 g 。
3.3　响应面法能较好地对花生壳黄酮的乙醇回流
提取工艺进行回归分析和参数优化。
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30.
Optimization of Extraction Technique of Flavonoids from
Peanut Hull Using Response Surface Methodology
Xu Hui　Sun Lanping　Zhang Bin　Ma Long　Zhao Daqing
(Department of Food and Bioengineering , Bengbu College , Bengbu　233030)
Abstract　With the aim of optimization of the alcohol reflux process for extracting flavonoid from peanut hull , a cen-
tral composite design (CCD)experiment was conducted and the response surface methodology(RSM)was employed to in-
vestigate the influence of four main factors including temperature , time , concentration of ethanol , ratio of solvent to raw
material on the yield of flavonoid , and to establish a regression model.Regression coefficient and variance analysis show the
regression model fits the actual process well.The obtained optimum extraction parameters are temperature 67 ℃, time
2.2 h , concentration of ethanol 85%(v/v), and ratio of solvent to raw material 13 mL/g.The flavonoid yield with the
optimized procedure is 3.98 g/100 g.The experimental values agree with those predicted from the regression model within
a relative error of 1.2%, indicating a good fitness.
Key words　peanut hull , flavonoids , extraction technology , response surface methodology
111第 24卷第 1期 许　晖等　响应面法优化花生壳黄酮提取工艺的研究