響應面法優化超聲波輔助提取豹皮樟多酚工藝

張宇思，王成章，2* ，舒阿慶，葉建中

(1.中國林業科學研究院林產化學工業研究所;生物質化學利用國家工程實驗室;國家林業局林產化學工程重點開放性實驗室;江蘇省生物質能源與材料重點實驗室，江蘇 南京 210042;2.中國林業科學研究院林業新技術研究所，北京 100091;3.寧國市億邦生物科技有限公司，安徽 寧國 242300)

豹皮樟(Litsea coreana var.sinensis(Allen)Yang et H.P.Huang)是樟科木姜子屬植物，分布于安徽、浙江、四川、貴州、云南等地［1］。豹皮樟鮮葉經加工后可作為一種植物代用茶，俗稱老鷹茶、白茶，為我國南方民間長期飲用，具有解毒消腫、明目益思、生津止渴、解表防暑的功效，是一種無毒副作用、無污染、風味較佳的純天然野生飲品［2］。研究表明，豹皮樟中含有多種人體所需的氨基酸、礦物元素、維生素［3］，還含有黃酮類、多酚類、皂苷等多種生物活性成分，具有抗氧化、降血糖、降血脂、保肝護肝、抗炎及免疫調節等作用［4］。目前關于豹皮樟活性成分的研究報道主要集中在黃酮類、皂苷、揮發油上［5-7］，對豹皮樟多酚的研究報道較少。植物多酚也稱單寧，是一類廣泛存在于植物體內的天然大分子化合物，對人的營養和健康有著重要的影響，隨著研究的深入，植物多酚在醫學、食品、制革工業、日用化工等方面都表現出了越來越重要的作用［8］。超聲波提取方法由于操作簡單快捷，提取率高，提取溫度低，提取物的結構不易被破壞等特點，在熱敏成分的提取中有明顯的優勢，已被廣泛用于植物多酚的提取［9-10］。響應面法作為一種現代試驗設計優化方法，優于線性回歸分析和正交試驗設計，可在給定范圍內找到影響因素與響應值之間明確的函數表達式，找到最佳的因素組合和最優響應值，目前已成為降低成本、優化加工條件的一種有效方法，廣泛地應用于農業、生物、食品、化工等領域［11］。本研究在單因素試驗的基礎上，采用響應面法優化超聲波輔助提取豹皮樟多酚工藝，旨在為豹皮樟資源的綜合開發利用提供科學依據。

1 實驗

1.1 材料與儀器

豹皮樟(Litsea coreana var.sinensis(Allen)Yang et H.P.Huang)葉，2013年5月采自安徽寧國，陰干后粉碎備用;沒食子酸，福林酚試劑，均為國產分析純。

Xo-1200超聲波細胞破碎儀，南京先歐儀器制造有限公司;UNICO UV-2102PC型紫外可見分光光度計，上海精密儀器儀表有限公司;WK-400A型高速藥物粉碎機;H-1650高速臺式離心機。

1.2 試驗方法

1.2.1 標準曲線的繪制［12］分別量取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL 質量濃度為0.1 g/L 的沒食子酸標準溶液于10 mL容量瓶中，各自加入1 mL福林酚試劑和2 mL質量分數為15%的Na2CO3溶液，然后加入蒸餾水補齊至刻度，室溫避光靜置60 min，于760 nm處測定吸光度值。以吸光度(Y)為縱坐標，沒食子酸質量濃度 X，(g/L)為橫坐標，繪制標準曲線，回歸方程為:Y=6.895X+0.046 5，相關系數R=0.999 85。

1.2.2 多酚的提取及含量測定［13］稱取5 g豹皮樟粉末，以一定的液固比加入70%乙醇溶液，在一定的功率下超聲波提取一定的時間，離心后取上清液，轉入到200 mL容量瓶中定容，即為豹皮樟多酚提取液，取適量提取液稀釋10倍作為待測溶液。量取1 mL待測溶液，按照標準曲線的繪制方法測定吸光度值，代入回歸方程計算得到待測溶液濃度。多酚得率(y)按式(1)計算:

式中:C—待測溶液質量濃度，g/L;V—提取液體積，mL;N—稀釋倍數;m—干葉質量，g。

1.2.3 單因素試驗 選定提取時間、液固比、超聲波功率3個因素進行單因素試驗，考察各因素對豹皮樟多酚得率的影響，重復3次測定，取其平均值。

1.2.4 響應面法優化試驗 在單因素試驗的基礎上，為了考察各因素交互作用對豹皮樟多酚得率的影響，運用Design-Expert 7.0軟件，根據Box-Behnken的中心組合設計原則，以提取時間、液固比、超聲波功率3個因素為自變量，多酚得率為響應值，設計3因素3水平試驗，建立響應值與影響因素間的數學模型，得到最佳提取條件并進行驗證。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 提取時間對多酚得率的影響 稱取5 g豹皮樟粉末，設定液固比20∶1(mL∶g，下同)，超聲波功率300 W，不同提取時間對豹皮樟多酚得率的影響見表1。結果表明:提取時間為20 min時，多酚得率達到最大值，此后隨著時間的增加多酚得率下降，這與超聲波作用時間過長導致多酚類物質結構被破壞有關，因此，選擇提取時間為20 min左右進行進一步優化試驗。

2.1.2 液固比對多酚得率的影響 設定提取時間20 min，超聲波功率300 W，改變液固比，不同液固比對豹皮樟多酚得率的影響見表1。結果表明:液固比為20∶1時，多酚得率達到最大值，此后隨著液固比的增大多酚得率下降，這與溶劑用量過大導致熱負荷增大有關，因此，選取液固比為20∶1左右進行進一步優化試驗。

表1 不同試驗條件對多酚得率的影響Table 1 Effects of different experimental conditions on the polyphenol yield

2.1.3 超聲波功率對多酚得率的影響 設定提取時間20 min，液固比為20∶1，改變超聲波功率，不同超聲波功率對豹皮樟多酚得率的影響見表1。結果表明:超聲波功率為300 W時，多酚得率達到最大值，此后隨著功率的增大多酚得率下降，這與超聲波功率過大導致多酚類物質結構被破壞有關，因此，選擇超聲波功率為300 W左右進行進一步優化試驗。

2.2 響應面法優化試驗

2.2.1 響應面試驗設計及結果 根據單因素試驗結果，以提取時間、液固比、超聲波功率3個因素為自變量(X)，多酚得率為響應值(Y)，設計了3因素3水平共17組試驗，其中1～12組為析因試驗，13～17組為中心試驗以分析誤差。響應面因素水平設計及試驗結果見表2。

對所得數據進行多元回歸擬合，方差分析結果見表 3，得到的回歸模型為:Y=0.341+0.033 675X1+0.217 2X2+4.857 5 × 10-3X3+5 ×10-4X1X2+1.75 ×10-5X1X3-1.107 5 ×10-3X12-5.33 ×10-3X22-8.575 ×10-6X32。由表3可知，回歸模型的P＜0.000 1，影響極顯著，失擬項P=0.675 5＞0.05，影響不顯著，計算數值與實測數值擬合較好，模型能夠用于預測真實的試驗數據。在一次項中，提取時間和液固比影響極顯著，超聲波功率影響不顯著;二次項中，3者影響均為極顯著;在交互項中，提取時間和液固比交互項影響顯著，其它則不顯著。各因素對多酚得率影響程度大小順序為:液固比＞提取時間＞超聲波功率。

表2 響應面因素水平設計及試驗結果Table 2 Factors and levels of response surface design and the experimental results

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of items in regression equation

根據回歸方程，繪制響應面圖，結果見圖1。提取時間和液固比交互項響應面坡度較陡，說明兩者交互作用對多酚得率有較大影響。從等高線的疏密度可以看出，液固比對響應值的影響大于提取時間和超聲波功率。上述分析與模型回歸的方差分析基本一致。

圖1 不同反應條件對多酚得率影響的響應面圖Fig.1 Response surface for effects of different experimental conditions on the polyphenol yield

2.2.2 最佳條件的預測及驗證試驗 通過回歸模型的預測，得到超聲波輔助提取豹皮樟多酚的最佳工藝為:5 g樣品，提取時間22.46 min，液固比21.43∶1，超聲波功率306.09 W，在此條件下多酚得率可達3.79%。結合實際操作，將各因素調整為:提取時間22 min，液固比21∶1，超聲波功率300 W。在此條件下進行3次平行試驗進行驗證，多酚平均得率為3.76%，與模型預測值的相對誤差＜1%，證明由該模型推測得到的最佳工藝參數真實可靠。

3 結論

3.1 采用超聲波輔助提取豹皮樟多酚，在單因素試驗的基礎上，通過響應面Box-Benhnken試驗設計，建立了多酚得率的二次多項式數學模型，優化出的最佳工藝條件為:5 g樣品，提取時間22 min，液固比21∶1，超聲波功率300 W，在此條件下，豹皮樟多酚得率可達3.76%，所優化的工藝參數準確可靠，穩定可行。

3.2 超聲波提取法具有操作簡便、安全無毒、成本低、提取得率高的優點，容易實現工業化生產。本試驗為豹皮樟多酚的進一步研究與開發奠定了基礎。

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