響應面法優化微波輔助提取芋頭生物堿工藝

施帥，張煥新，李志方，吳明亮（江蘇農牧科技職業學院，江蘇泰州225300）

響應面法優化微波輔助提取芋頭生物堿工藝

施帥，張煥新，李志方，吳明亮
（江蘇農牧科技職業學院，江蘇泰州225300）

摘要：研究微波輔助提取芋頭生物堿工藝。采用酸性染料法確定芋頭生物堿的提取率，并通過試驗設計法優化芋頭生物堿的提取條件，得到最佳提取工藝為微波功率350W、作用時間2 h、料液比1∶15（g/mL）、提取溫度60℃。

關鍵詞：芋頭；微波提取；響應面；生物堿

芋頭俗稱芋子、毛芋，為單子葉植物天南星科植物芋的塊莖，遠看似荷葉。毛芋頭的汁液和加工下腳料里面含有生物堿[1]，這種成分對皮膚有刺激性，所以接觸皮膚時會讓其感到很癢。生物堿是一類具有生理活性的物質，是許多藥用植物的有效成分，具有多種生物活性，但相關的研究較少。本試驗利用微波輔助提取芋頭中的生物堿，通過響應曲面法確定芋頭生物堿的最佳提取工藝參數，為進一步研究芋頭生物堿類活性物質提供一定參考[2]。

1　材料與方法

1.1材料、試劑及儀器

1.1.1材料與試劑

芋頭：購于泰州市東風菜市場；鹽酸小檗堿標準品、濃硝酸、蒸餾水、檸檬酸、檸檬酸鈉、95%乙醇、三氯甲烷、濃鹽酸、濃硫酸、溴甲酚綠、氫氧化鈉、鄰苯二甲酸氫鉀、碘化鉍鉀、冰乙酸：均為分析純。

1.1.2儀器及設備

MKJ-J1-8微波爐：青島邁可威微波應用技術有限公司；RE-5203旋轉蒸發儀：上海亞容生化儀器廠；SHD-D（Ш）循環水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責任公司；UV-1600紫外可見分光光度計：北京瑞利分析儀器公司。

1.2方法

1.2.1提取工藝

微波提取生物堿的工藝流程為：干芋頭皮渣稱量→加入乙醇浸泡→微波輔助浸提→離心、取上清液→旋轉濃縮得膠質→2%HCl酸化處理→抽濾→10%NaOH堿化處理→過濾除沉淀→抽濾→稱量計算提取率[3]。

1.2.2芋頭皮渣生物堿的測定

以鹽酸小檗堿為標準物質，采用酸性染料比色法測定生物堿含量。標準曲線回歸方程為Y=0.006 04X+ 0.056 1（X為鹽酸小檗堿濃度，μg/mL；Y為吸光度），線性相關系數R2為0.998 4，在濃度為0～0.09mg/mL范圍內，有良好的線性關系[4-5]。

式中：C為由標準曲線計算得出的樣品的生物堿濃度，μg/mL；V為樣品溶液的體積，mL；M為干芋頭皮渣質量，mg。

1.2.3微波輔助提取工藝的設計

研究料液比、提取溫度、微波提取功率、提取時間對芋頭皮渣生物堿提取率的影響。在單因素試驗的基礎上，通過Design-Expert9.0中的響應面試驗設計法（RSE），設計了四因素三水平共29個試驗點的響應面試驗，以優化芋頭皮渣中生物堿的提取條件。因素水平編碼值見表1。

表1　參數因素水平表Table1　Factorsand test levelsof Box-Behnken experim ent

2　結果與分析

2.1微波輔助提取工藝條件的確定

2.1.1微波功率對芋頭皮渣生物堿提取得率的影響

準確稱取5 g粉碎過篩的芋頭皮渣粉末放入500mL燒杯，按照料液比為1∶10（g/mL）加入70%乙醇溶液，保持溫度為60℃，在不同的微波功率下輔助提取2 h，計算芋頭皮渣生物堿提取率，結果見圖1。

圖1　微波功率對生物堿提取得率的影響Fig.1　Effectofm icrowavepower on extraction yield of alkaloids

由圖1可知，在其它因素一定的情況下，隨著微波功率的增加，提取效率越高，在微波功率300W～400W之間增長幅度最大，但在400W之后提取率幾乎不變，同時功率太大，溶劑沸騰容易濺出提取容器，造成結果偏低，不利于經濟效益。

2.1.2料液比對芋頭皮渣生物堿提取得率的影響[6]

準確稱取5 g粉碎過篩的芋頭皮渣粉末放入500mL燒杯，分別按照料液比為1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25（g/mL）加入70%乙醇溶液，保持溫度為60℃，在400W的微波功率下輔助提取2 h，計算不同料液比的情況下，芋頭皮渣生物堿提取率，結果見圖2。

由圖2可知，在保證其它因素不變的情況下，料液比選定1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25（g/mL）的5個水平中，在料液比為1∶10（g/mL）之前生物堿提取率逐漸上升，而在1∶10（g/m L）之后，生物堿提取率上升趨勢變緩，考慮到成本及勞動強度，因此，將料液比縮小在1∶10（g/mL）～1∶20（g/mL）之間較為適宜。

圖2　料液比對生物堿提取得率的影響Fig.2　Effect of ratio of solid to liquid on extraction yield of alkaloids

2.1.3時間對芋頭皮渣生物堿提取得率的影響

準確稱取5g粉碎過篩的芋頭皮渣粉末放入500mL燒杯中，微波功率設為400W、料液比1∶10（g/mL），在其它條件不變的情況下（乙醇濃度70%，提取溫度70℃），計算在不同提取時間的情況下，芋頭皮渣生物堿提取率，平均做3次，結果見圖3。

圖3　提取時間對生物堿提取得率的影響Fig.3　Effectextraction timeofon yield ofalkaloids

由圖3可知，隨著時間的延長，芋頭生物堿的浸出量也增加，提取時間在前2 h內，生物堿浸出量變化較大，2 h后變化逐漸變緩，生物堿在固液之間的傳遞趨于平衡狀態，因此選擇最佳提取時間為2 h。

2.1.4溫度對芋頭皮渣生物堿提取得率的影響

準確稱取5g粉碎過篩的芋頭皮渣粉末放入500mL燒杯中，微波功率設為400W、料液比1∶10（g/mL），在其它條件不變的情況下（乙醇濃度70%，提取時間2h），計算在不同提取溫度的情況下，芋頭皮渣生物堿提取率，平均做3次，結果見圖4。

圖4　提取溫度對生物堿提取得率的影響Fig.4　Effectextraction tem peratureofon yield ofalkaloids

由圖4可知，隨著溫度的升高，總生物堿的浸出量也增加，當溫度達到60℃，提取量達到最高。但是溫度超過60℃，總生物堿的浸出量反而下降，因此，60℃為最適溫度。溫度的升高使總生物堿的浸出量反而下降，這很可能是由于有些含氮雜環的生物堿極易發生氧化還原反應，從而造成生物堿的分子結構破壞或者降解。

2.2響應面試驗結果

響應面試驗結果見表2，回歸模型方差分析見表3。

表2　芋頭皮渣生物堿提取工藝優化響應而試驗設計及結果Table2　Code valuesand corresponding actualvaluesof the optim ization param eters tested in response surfaceanalysis

表2數據經回歸擬合后可得模型：Y=0.71-0.087A+15.85B+0.024C+0.075D-0.11AB+13.59AC+ 0.078AD-0.13BC-0.19BD+0.17CD-0.18A2-0.15B2-0.16C2-0.018D2。

由表3可知，模型的一次項B、C不顯著，A、D顯著，二次項A2、B2、C2顯著，交互項BD、CD顯著。模型的F值為80.64，整體模型的顯著水平P<0.01，表明該模型顯著。模型R2=0.978 6，說明回歸方程的擬合程度良好，失擬較小，可以用該方程代替真實試驗點進行分析。按照得到的數學模型繪制響應曲面圖，見圖5。

表3　回歸模型方差分析表Table3　Experimentaldesign and results for responsesur face analysis

注：*表示影響顯著，P<0.05；**表示影響極顯著，P<0.01。

圖5　各兩因素交互作用對提取液吸光度影響的響應而及等高線圖Fig.5　Responsesurface and contour plots for theeffectsofprocess parameterson alkaloid extraction

由圖5可看出，料液比、提取溫度、提取時間和微波功率交互對芋頭生物堿的提取效果都有影響，尤其是料液比比較明顯，特別是提取時間和微波功率的交互作用影響較大，在響應曲面圖中表現為曲面坡度大，變化明顯。

2.3生物堿提取條件優化

利用Design-Expert軟件對邊界值和求得的極值進行分析后，得到最優的提取條件為料液比1∶15（g/mL）、提取溫度60℃、微波功率350W、微波作用時間2 h，理論提取率=0.642%。按照修正條件：A=1∶15（g/mL）、B=60℃、C=350W、D=2 h進行驗證試驗，重復3次，其平均提取率=0.685%，與理論預測值相符。

3　結論

通過響應面分析法確定微波輔助提取芋頭生物堿的最佳工藝參數為微波功率350W、作用時間2 h、料液比1∶15（g/mL）、提取溫度60℃，為芋頭生物堿的進一步分離純化及功能性研究提供了科學參考，奠定了一定的理論基礎。

參考文獻：

[1]程紅娜.芋艿皮渣生物堿提取工藝研究[J].中國食品添加劑,2012 (2):113-116

[2]張海悅,李茜.響應面法優化超聲波輔助提取狹葉蕁麻生物堿工藝[J].食品科學,2012(12):123-127

[3]姜紹通,汪洪普,潘麗軍.響應面法優化微波輔助提取芋頭多糖工藝研究[J].食品工業科技,2013(3):215-219

[4]孫天瑋.三種魔芋的主要成分及加工下腳料生物堿的研究[D].長沙:湖南農業大學,2008

[5]相炎紅,王浩云,楊明俊,等.響應面法優化超聲波輔助提取苦豆子生物堿的工藝研究[J].食品工業科技,2012(7):275-278

[6]楊海濤,劉軍海.微波法提取魔芋中總生物堿工藝的研究[J].安徽農業科學,2008(7):846-847

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.22.009

基金項目：院大學生實踐創新訓練計劃（201312806024X）

作者簡介：施帥（1980—），男（漢），講師，碩士研究生，研究方向：食品加工。

收稿日期：2014-06-04

Op tim ization of M icrowave-assisted Extraction of Alkaloids from Taros Using Response Surface M ethodology

SHIShuai，ZHANGHuan-xin，LIZhi-fang，WUMing-liang
（Jiangsu Agri-AnimalHusbandry VocationalCollege，Taizhou 225300，Jiangsu，China）

Abstract：Response surfacemethodology was used to optimize themicrowave-assisted extraction of alkaloids from taros.The optimal extraction conditionsweremicrowave power 350W，extraction time of 2 h，material/ liquid ratioof1∶15（g/mL）and extraction temperature of60℃.

Keywords：taros；microwave extraction；responsesurface；alkaloids