超聲波法提取荸薺塊莖果肉植物甾醇的工藝研究

摘要

[目的] 優化超聲波法提取荸薺塊莖果肉中的植物甾醇的最佳工藝參數。[方法]采用超聲波法提取荸薺塊莖果肉中的植物甾醇，對提取溶劑的種類、溶劑體積分數（V/V）、料液比、提取時間、超聲波功率分別進行單因素試驗，并在此基礎上利用BoxBenhnken中心組合試驗和響應面分析法確定了植物甾醇提取的最佳工藝。[結果]試驗表明，荸薺塊莖果肉植物甾醇的最佳提取工藝條件：乙醇體積分數為60%，料液比為1∶20 g/ml，提取時間為9 min，提取功率為395 W，在此條件下測得吸光值為1.502。[結論]研究可為荸薺的進一步開發利用提供參考依據。

關鍵詞 荸薺;植物甾醇;響應面;超聲波

中圖分類號 S645.3 "文獻標識碼 A "文章編號 0517-6611（2014）32-11492-04

Study on Phytosterols Extraction from Chufa Tubers Pulp by Ultrasonic

LIU Qian， YANG Zhigang*， LUO Bing et al

（Department of Bioengineering， Changshu Institute of Technology， Changshu， Jiangsu 215500）

Abstrsct [Objective] To optimize technical parameters for extracting phytosterols from chufa tubers pulp by ultrasonic method. [Method] The ultrasonic method was used to extract phytosterols from chufa tubers pulp. Single factor experiments were conducted on extraction solvent types， solvent volume fraction（V/V）， " solidliquid ratio， extraction time，ultrasonic power， on the basis of this， BoxBenhnken combination experiment and response surface analysis method were adopted to determine the optimal technique of phytosterols extraction. [Result] The results show that the best technological conditions of phytosterols extraction from chufa tubers pulp are： alcohol concentration 60%， the ratio of solid to liquid 1∶20 g/ml， extraction time 9 min， ultrasonic power 395 W. Under the above condition， the ultraviolet spectrophotometer absorbance was 1.502. [Conclusion] The study can provide reference basis for further development and utilization of chufa.

Key words "Chufa; Phytosterols; Response surface; Ultrasonic

荸薺屬莎草科多年生水生草本植物，喜生于池沼中或栽培在水田里，具匍匐莖，先端膨大為球莖，是我國典型的傳統中藥，具有藥膳同源之功效，不光其質脆味佳，營養豐富，而且能清心降火、補肺涼肝、消食化痰、破積滯、利膿血等。《中藥大辭典》上記載，荸薺中含有抑菌成分——馬蹄英，該物質對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌及產氣桿菌均有抑制作用[1]。還有報道發現，荸薺的各種制劑在動物體內均有抑制腫瘤細胞的作用[2]。

植物甾醇是一類以環戊烷全氫菲為骨架的天然醇類化合物。天然植物甾醇種類繁多，主要包括β谷甾醇、豆甾醇、菜籽甾醇和菜油甾醇4種無甲基甾醇[3]。植物甾醇主要存在于油脂中，特別是精煉油后的脫臭餾出物中富含植物甾醇，所以在大多數已報道的研究中，一般都以脫臭餾出物作為提取原料，用不同的方法加以提取[4-8]。甾醇屬天然物質，本身無毒性，且具有乳化性和穩定性等特點，因此在醫藥、食品、化妝品、動物生長劑、植物生長激素及化工、紡織等領域都得到廣泛應用[9]。植物甾醇提取方法有多種，常見的提取方法有溶劑結晶法、絡合法、皂化法、蒸餾法（簡單蒸餾法、分子蒸餾法）、吸附法（柱吸附法、高壓流體吸附法）、超臨界CO2萃取法、酶法等[10-11]，近年來也有使用超聲法提取植物甾醇的研究報道[12-13]。筆者采用超聲波法提取荸薺塊莖果肉中的植物甾醇并確定最佳工藝參數。

1 "材料與方法

1.1 材料

1.1.1

主要原料試劑。荸薺，產地蘇州，購于農貿市場;植物甾醇混合標準品，上海奧宇生物科技有限公司;無水乙醇、乙酸乙酯、正己烷、石油醚，均為分析純;試驗用水為蒸餾水。

1.1.2

儀器設備。電子天平（LP502B）;TU1901雙光束紫外可見分光光度計，北京普析通用器材有限公司;高速中藥粉碎機（DFT200），溫嶺市林大機械有限公司制造;超聲波細胞粉碎機（FQIID），南京菲齊工貿有限公司;烘箱（2023），上海實驗儀器廠。

1.2 "試驗方法

1.2.1

原料預處理。將荸薺洗凈、去皮、烘干、粉碎備用。

1.2.2

最大紫外吸收波長的測定。精確稱取20 mg植物甾醇混合標準品，用無水乙醇溶解定容至25 ml容量瓶，以無水乙醇為空白對照，檢測植物甾醇混合標準品的最大紫外吸收波長。

1.2.3

荸薺塊莖果肉植物甾醇提取與提取量測定。準確稱取2 g荸薺塊莖果肉粉末，用一定濃度的提取溶劑以一定的料液比在一定的超聲功率條件下提取一定時間，過濾后，在50 ml容量瓶內以相應濃度的提取溶劑將濾液定容至50 ml，于檢測的最大紫外吸收波長處測定吸光值。結果以吸光值表示。

1.2.4

最佳提取溶劑的確定。在超聲波提取條件下，選取幾種常用溶劑進行比較試驗。固定條件：提取時間60 min，料液比1∶20 g/ml，超聲功率600 W。在超聲波提取條件下，選用無水乙醇、乙酸乙酯、正己烷、石油醚進行提取，確定最佳提取溶劑。

1.2.5

單因素試驗。

精確稱取荸薺塊莖粉末2 g，以“1.2.4”確定的最佳溶劑為提取溶劑，分別考察不同體積分數的提取溶劑（50%、60%、70%、80%、90%）、料液比（1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 g/ml）、提取時間（5、10、15、20、25 min）、超聲功率（200、300、400、500、600 W）對植物甾醇提取率的影響。

1.2.6

響應面法試驗。在單因素試驗的基礎上，采用BoxBehnken設計，以紫外吸光值為響應值，選取對甾醇產量影響較大的單因素進行響應面試驗，通過回歸方程和方差分析確定最佳提取工藝條件，并對最佳條件進行驗證試驗。統計分析軟件為DesignExpert 7.0專業版本。

2 結果與分析

2.1 提取荸薺塊莖果肉中植物甾醇的單因素試驗

2.1.1

最佳提取溶劑的選擇。通過圖1可以看出，以石油醚作為提取溶劑時，荸薺塊莖果肉植物甾醇的提取量最高，吸光度達到0.183，其次是無水乙醇，其吸光度為0.155，兩者相差不是很大，而以石油醚作為提取溶劑時，由于其易揮發，溶劑損耗大。所以綜合考慮，將乙醇作為提取溶劑。

圖1 不同溶劑對荸薺塊莖果肉植物甾醇提取量的影響

2.1.2

乙醇體積分數對荸薺塊莖果肉植物甾醇提取量的影響。由圖2可見，當乙醇體積分數介于60%～70%時，植物甾醇的提取量出現峰值。隨著乙醇體積分數的增大，植物甾醇的提取量呈現先增大后減小的變化。這是由于不同體積分數的乙醇極性和揮發性不同，植物甾醇具有活性基團——羥基，能與乙醇和水形成氫鍵，而當乙醇體積分數太大時，乙醇揮發損耗大，提取量會降低。因乙醇體積分數60%和70%的植物甾醇提取量接近，是以乙醇體積分數取60%為宜。

圖2 乙醇體積分數對荸薺塊莖果肉植物甾醇提取量的影響

2.1.3

料液比對荸薺塊莖果肉植物甾醇提取量的影響。由圖3可以看出，當料液比大于1∶20 g/ml時，植物甾醇的提取量隨著料液比中溶劑用量的增大而增大。這主要是由于隨著料液比中溶劑用量的增大，荸薺塊莖果肉粉末與提取液接觸面的濃度差增大，植物甾醇就容易滲透出來;但是當料液比小于1∶20 g/ml時，植物甾醇的提取量卻隨著料液比中溶劑用量的增大而減少。這主要是因為受試驗條件所限，超聲提取時燒杯口是敞開的，料液比中溶劑用量增大，溶劑損耗增大，所以提取量減少。因此，確定料液比為1∶20 g/ml最佳。

圖3 料液比對荸薺塊莖果肉植物甾醇提取量的影響

2.1.4

超聲提取時間對荸薺塊莖果肉植物甾醇提取量的影響。由圖4可以看出，當超聲提取時間小于10 min時，超聲提取時間越長，植物甾醇的提取量就越大，但當超聲提取時間超過10 min后，隨著超聲提取時間的延長，植物甾醇的提取量反而下降。這是由于隨著時間的延長，超聲提取使得乙醇的損耗增加，另一方面也是由于乙醇的揮發導致的損耗。因此，超聲提取時間選擇在10 min左右達到較高的提取效果。

圖4 超聲提取時間對荸薺塊莖果肉植物甾醇提取量的影響

2.1.5

超聲功率對荸薺塊莖果肉植物甾醇提取量的影響。由圖5可以看出，當超聲功率小于400 W時，超聲功率越大，植物甾醇的提取量就越大，這是因為超聲功率越大，細胞分子運動加劇，加速了有效成分的溶解和釋放，所以植物甾醇的提取量增大。但當超聲功率大于400 W時，隨著超聲功率的增大，植物甾醇的提取量反而下降，這或許是因為超聲功率增大溶解的雜質的含量也相應增加，從而導致有效成分的提取量下降。

圖5 超聲功率對荸薺塊莖果肉植物甾醇提取量的影響

2.2 提取荸薺塊莖果肉中植物甾醇的響應面試驗

單因素試驗結果表明，料液比、超聲提取時間、超聲功率對荸薺塊莖果肉中植物甾醇的提取量有顯著影響。因此，固定乙醇體積分數為60%，通過響應面分析對料液比、超聲提取時間、超聲功率3個因素進行更深入的研究。分析因素與水平設計見表1，響應面分析方案及試驗結果見表2。

表1 荸薺塊莖果肉中植物甾醇提取響應面試驗因素與水平

水平因素

料液比（X1）∥g/ml提取時間（X2）∥min超聲功率（X3）∥W

-11∶155300

01∶2010400

11∶2515500

通過試驗軟件DesignExpert 7.0將表2的結果進行擬合，得到了按實際值計的擬合方程：

Y=-5.964 00+0.367 18X1+0.145 63X2+0.014 927X3-0.001 94X1X2+0.000 010 5X1X3+0.000 021X2X3-0.008 519X12-0.005 869X22-0.000 019 397 5X32。

試驗的方差分析顯示：F模型=19.62，P模型=0.000 4;FX1=8.42，PX1=0.022 9;FX2=0.31，PX2=0.595 7;FX3=0.78，PX3=0.405 4;FX1X2=3.14，PX1X2=0.119 5;FX1X3=0.037，PX1X3=0.853 3;FX2X3=0.15，PX2X3=0.712 5;FX21=63.80，PX21lt;

0.000 1;FX22=30.28，PX22=0.000 9;FX23=52.92，PX23=0.000 2;F失擬=109.19，P失擬=0.000 3。

表2 響應面法提取荸薺塊莖果肉植物甾醇的試驗結果

試驗號因素

料液比

（X1）∥g/ml超聲提取時間

（X2）∥min超聲功率

（X3）∥W吸光值

A214

11∶2053001.194

21∶15154001.176

31∶20104001.486

41∶25154001.112

51∶20104001.502

61∶2055001.175

71∶20155001.122

81∶20104001.487

91∶2554001.178

101∶20104001.482

111∶25105001.147

121∶25103001.207

131∶20104001.484

141∶15105000.945

151∶15103001.026

161∶20153001.099

171∶1554001.048

由此可知，方程的F值為19.62，Fgt;f0.01（9，7）=5.61，說明因變量和全體自變量之間的線性關系顯著;模型的R2=0.961 9，說明擬合程度較高，即試驗方法是可靠的。

由RSA預測最高紫外吸光值為1.493，條件是X1=1∶20.69 g/ml，X2=9.69 min，X3=395.55 W。因此，用超聲波法提取荸薺塊莖果肉植物甾醇的最佳工藝條件為：乙醇體積分數為60%，料液比1∶20.69 g/ml，超聲提取時間為9.69 min，超聲功率為395.55 W。

響應曲面圖及其等高線圖見圖6～8。由圖6～8可看出，3個響應面均為開口向下的凸曲面，X1、X2和X3 3個因素與甾醇提取量呈拋物線關系，且在考察范圍內存在響應值的極高值。

圖6 "料液比與超聲提取時間對植物甾醇提取量的響應面分析

為檢驗RSA法的可靠性，采用上述最優提取條件進行植物甾醇的提取試驗，考慮到實際操作的方便，將條件修正為料液比1∶20 g/ml，超聲提取時間9 min，超聲功率395 W。實際測得提取的植物甾醇紫外吸光值為1.502，與理論預測值相比，相對誤差是0.6%。因此，采用RSA法優化得到的工藝條件參數準確可靠，具有使用價值。

安徽農業科學 " " " " " " " " " " " " 2014年

3 "結論

體積分數為60%的乙醇為超聲提取荸薺塊莖果肉中植物甾醇的理想溶劑，響應面優化得到的最佳提取工藝條件為：料液比為1∶20 g/ml，超聲提取時間為9 min，超聲功率為395 W，2 g荸薺塊莖粉末提取的植物甾醇的紫外吸光值理論可達到1.493，驗證試驗值為1.502，與理論值相對誤差為0.6%。

荸薺塊莖果肉植物甾醇提取的優化數學回歸模型：Y=-5.964 00+0.367 18X1+0.145 63X2+0.014 927X3-0.001 94X1X2+0.000 010 5X1X3+0.000 021X2X3-0.008 519X12-0.005 869X22-0.000 019 397 5X32。

圖7 料液比與超聲功率對植物甾醇提取量的響應面分析

圖8 超聲提取時間與超聲功率對植物甾醇提取量的響應面分析

參考文獻

[1]

劉欣，趙力超，周愛梅.荸薺產粉廢漿中功能組分及其功能效果的初步研究[J].食品科學，2006，27（2）：251-255.

[2] 盛繼群.孝感荸薺種質資源及應用價值[J].氨基酸和生物資源，2002，24（3）：11-13.

[3] 諸愛士，李盧川.響應面優化菜籽毛油甾醇提取[J].中國糧油學報，2011，26（7）：63-67.

[4] 劉亮，楊根.皂化酸解法提取菜籽油脫臭餾出物中植物甾醇的工藝研究[J].浙江化工，2008，39（9）：1-5.

[5] 姜洪峰，錢俊青.菜籽油脫臭餾出物中天然VE和植物甾醇提取工藝研究[J].中國糧油學報，2007，22（3）：115-121.

[6] 姜紹通，邵平，潘麗軍.菜籽油脫臭餾出物中甾醇分離的甲酯化過程優化研究[J].農業工程學報，2006，22（2）：164-167.

[7] 李脈，王艦平.脫臭餾出物酶法制備植物甾醇酯的研究[J].現代食品科技，2006，22（3）：96-99.

[8] 高晶.脫臭餾出物中甾醇的提取與精制工藝研究[J].華南理工大學學報，2004，21（1）：49-53.

[9] 周寶蘭.植物甾醇的應用[J].中國油脂，1992，17（4）：33-38.

[10] THOMAS S C，THOMAS H J，JOHNC G.Phytosterol contene of sea buckthorn（Hippophae mamnoides L.） seed oil：extraction and identification[J].Food Chemistry，2007，101：1633-1639.

[11] 龐利蘋，徐雅琴.植物甾醇提純及單體分離工藝的研究進展[J].中國糧油學報，2010，25（3）：124-128.

[12] 張澤生，于衛濤.超聲波法提取米糠中植物甾醇的工藝研究[J].食品研究與開發，2007，28（1）：43-46.

[13] 陳紅梅.超聲波法提取紅曲中麥角甾醇的條件優化研究[J].安徽農學通報，2007，13（7）：84-85.