響應面法優化蕎麥莖中蘆丁的提取工藝

李白存

(陜西學前師范學院 生物工程研究所，陜西 西安 710100)

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響應面法優化蕎麥莖中蘆丁的提取工藝

李白存

(陜西學前師范學院 生物工程研究所，陜西 西安 710100)

以蕎麥莖為原料，研究蘆丁的最佳提取工藝。通過單因素實驗及響應面法實驗考察了料液比、提取溫度、乙醇體積分數、提取時間4個因素對蘆丁提取量的影響。結果表明，各因素對蘆丁提取量的影響大小依次為：料液比>提取溫度>乙醇體積分數>提取時間；蕎麥莖中蘆丁的最佳提取工藝條件為：料液比1∶22(g∶mL)、提取溫度65 ℃、乙醇體積分數60%、提取時間2.0 h，在該條件下，蘆丁提取量達到6.752 mg·(100 g)-1。

蕎麥莖；蘆丁；提取工藝；響應面法；優化

蕎麥(buckwheat)是蓼科(polygonaceae)蕎麥屬(Fagopyrum)植物，主要有苦蕎和甜蕎兩個栽培品種,具有生長周期短、適應性強的特點，是很好的救災補種及填閑作物[1]。蕎麥營養豐富，其籽粒、莖、葉、花中的蛋白質、脂肪酸、維生素和礦物質等營養元素的含量都高于小麥、大米和玉米等大宗作物。此外，蕎麥中還含有其它禾谷類作物含量少或不含的蘆丁物質等[2-3]。

蘆丁，又名蕓香甙、紫槲成甙，廣泛存在于植物中。如蕓香、苦蕎麥、槐花蕾、楸樹葉、蒲公英、番茄莖、赤豆等均含有豐富的蘆丁，尤以槐花蕾和苦蕎麥中含量最高[4]。蘆丁屬黃酮類化合物，具有涼血止血、清肝瀉火、消炎抑菌、抗氧化及降血壓等作用[5]，能降低毛細血管通透性和脆性，保持及恢復毛細血管的正常彈性[6]。

邵美紅等[7]研究發現，蕎麥莖葉中也含有較高的蘆丁類物質。我國蕎麥資源豐富，在部分地區已成為優勢農作物之一。但是，長期以來僅有傳統蕎麥食品加工生產，蕎麥莖葉一直被作為飼料和稈肥，甚至丟棄，未得到高價值利用。鑒于此，作者以蕎麥莖為原料，通過單因素實驗和響應面法實驗優化蕎麥莖中蘆丁的提取工藝，以期為蕎麥莖資源化利用提供依據。

1　實驗

1.1材料、試劑與儀器

蕎麥莖，陜西淳化福基農業科技貿易有限責任公司。

蘆丁標準品，上海滬宇生物試劑有限公司；無水乙醇、甲醇，天津富宇精細化工有限公司；亞硝酸鈉、硝酸鋁，重慶吉元化學試劑廠；氫氧化鈉，天津紅巖試劑廠。以上試劑均為分析純。

FW177型高速粉碎機，鄭州中原華通機械廠；電子分析天平，上海安亭電子儀器廠；752型紫外可見分光光度計，上海菁華科技儀器有限公司；DK-98-Ⅰ型電子恒溫水浴鍋，上海光學儀器廠。

1.2方法

1.2.1材料預處理

挑選干凈的蕎麥莖于60 ℃下烘干，用高速粉碎機粉碎，過50目篩后備用。

1.2.2蘆丁標準曲線的繪制

1.2.2.1最大吸收波長的選擇

分別配制濃度(mg·mL-1)為0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05的蘆丁標準溶液，用紫外可見分光光度計在400～600 nm范圍內掃描。以試劑空白為對照，確定最大吸收波長。結果顯示：蘆丁標準溶液在510 nm處有最大吸收峰，故本實驗以510 nm作為測定波長[8]。

1.2.2.2蘆丁標準曲線的繪制

精確稱取蘆丁標準品2.000 mg于100 mL容量瓶中，加入60%乙醇2.0 mL溶解，定容至刻度，即為0.20 mg·mL-1蘆丁標準溶液。精密吸取蘆丁標準溶液0.0 mL、0.4 mL、0.8 mL、1.2 mL、1.6 mL、2.0 mL，分別置于10 mL容量瓶中，加入5%亞硝酸鈉溶液0.2 mL，搖勻后靜置6 min，加入10%硝酸鋁溶液0.2 mL，搖勻后靜置6 min，加入4%氫氧化鈉溶液2.0 mL，再加入60%乙醇定容至刻度，搖勻，靜置15 min。在510 nm處測定吸光度，以蘆丁濃度(c)為橫坐標、吸光度(A)為縱坐標繪制標準曲線。

1.2.3蘆丁提取量的測定

準確吸取提取液1.0 mL，放入10 mL容量瓶中，加入60%乙醇2.0 mL、5%亞硝酸鈉溶液0.5 mL，搖勻后靜置6 min，加入10%硝酸鋁溶液0.5 mL，搖勻后靜置6 min，加入4%氫氧化鈉溶液4.0 mL，再加入60%乙醇定容至刻度，搖勻，靜置15 min。于510 nm處測定吸光度。根據標準曲線方程計算提取液中蘆丁濃度，按下式計算蘆丁的提取量[mg·(100 g)-1]。

式中：c為提取液中蘆丁的濃度，mg·mL-1；V為提取液的定容體積，mL；m為蕎麥莖樣品質量，g。

1.2.4單因素實驗

1.2.4.1料液比對蘆丁提取的影響

準確稱取蕎麥莖樣品5.000 g，放入具塞三角瓶中，分別按料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30(g∶mL，下同)加入60%乙醇，60 ℃水浴浸提1 h后于510 nm處測定吸光度，根據標準曲線方程計算蘆丁提取量，考察料液比對蘆丁提取的影響。

1.2.4.2提取溫度對蘆丁提取的影響

準確稱取蕎麥莖樣品5.000 g，放入具塞三角瓶中，按料液比1∶20加入60%乙醇，分別放入55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃、75 ℃水浴浸提1 h后于510 nm處測定吸光度，根據標準曲線方程計算蘆丁提取量，考察提取溫度對蘆丁提取的影響。

1.2.4.3乙醇體積分數對蘆丁提取的影響

準確稱取蕎麥莖樣品5.000 g，放入具塞三角瓶中，按料液比1∶20加入體積分數分別為40%、50%、60%、70%、80%的乙醇，60 ℃水浴浸提1 h后于510 nm處測定吸光度，根據標準曲線方程計算蘆丁提取量，考察乙醇體積分數對蘆丁提取的影響。

1.2.4.4提取時間對蘆丁提取的影響

準確稱取蕎麥莖樣品5.000 g，放入具塞三角瓶中，按料液比1∶20加入60%乙醇，在60 ℃水浴分別浸提1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h后于510 nm處測定吸光度，根據標準曲線方程計算蘆丁提取量，考察提取時間對蘆丁提取的影響。

1.2.5響應面法實驗

根據單因素實驗結果，選擇提取時間(A)、乙醇體積分數(B)、料液比(C)、提取溫度(D)4個因素，以蘆丁提取量為響應值，用Design Expert 8.0軟件，按Box-Behnken設計4因素3水平響應面法實驗，進一步確定最優提取工藝。響應面法實驗的因素與水平見表1。

2　結果與討論

2.1蘆丁標準曲線(圖1)

由圖1可知，蘆丁標準曲線方程為A=0.02611c-0.002707，R2=0.99974。

表1 響應面法實驗的因素與水平

Tab.1Factors and levels of response surface methodology

水平因素A.提取時間hB.乙醇體積分數%C.料液比g∶mLD.提取溫度℃-11.5501∶156002.0601∶206512.5701∶2570

圖1　蘆丁標準曲線Fig.1　Standard curve of rutin

2.2單因素實驗結果

2.2.1料液比對蘆丁提取的影響(圖2)

圖2　料液比對蘆丁提取的影響Fig.2　Effect of solid-liquid ratio on extraction of rutin

由圖2可知，蕎麥莖中蘆丁提取量隨著提取溶劑用量的增加先升高后降低，在料液比達到1∶20時，蘆丁提取量達到最高。這是因為，乙醇用量過多，乙醇與蕎麥莖有效接觸率降低，影響了有效成分溶出，導致蘆丁提取量降低，且增加乙醇用量會增加提取成本。故選擇料液比1∶20作為響應面法實驗的中心條件。

2.2.2提取溫度對蘆丁提取的影響(圖3)

由圖3可知，隨著提取溫度的升高，蘆丁提取量先升高后降低，在提取溫度達到65～70 ℃時，提取量較高。這是因為，提取溫度升高加速了蘆丁的擴散及溶解，提取量相應升高；但提取溫度過高會導致蘆丁氧化，

圖3　提取溫度對蘆丁提取的影響Fig.3　Effect of extraction temperature on extraction of rutin

提取量相應降低。因此，選擇提取溫度65～70 ℃作為響應面法實驗的中心條件。

2.2.3乙醇體積分數對蘆丁提取的影響(圖4)

圖4　乙醇體積分數對蘆丁提取的影響Fig.4　Effect of ethanol volume fraction on extraction of rutin

由圖4可知，隨著乙醇體積分數的增加，蘆丁提取量先升高后降低，在乙醇體積分數為60%時蘆丁提取量達到最高。這是因為，當乙醇體積分數增加到一定值后，一些脂溶性有機物溶出量相應增加，抑制了蘆丁的浸出。因此，選擇乙醇體積分數60%作為響應面法實驗的中心條件。

2.2.4提取時間對蘆丁提取的影響(圖5)

圖5　提取時間對蘆丁提取的影響Fig.5　Effect of extraction time on extraction of rutin

由圖5可知，隨著提取時間的延長，蘆丁提取量先升高后降低，在提取時間為1.5～2.0 h時蘆丁提取量較高。因此，選擇提取時間2.0 h作為響應面法實驗的中心條件。

2.3響應面法實驗結果

2.3.1二次響應面回歸模型與分析

響應面法實驗Box-Behnken設計與結果見表2。

表2 Box-Behnken設計與結果

Tab.2 Design and results of Box-Behnken

應用Design Expert 8.0軟件對表2數據進行回歸分析，得到蘆丁提取量(Y)與4個因素的擬合方程為：Y=6.70-1.66×10-3A-0.087B+0.22C-0.13D-0.057AB-0.22AC-0.59AD-5.0×10-3BC-0.11BD+0.08CD-0.63A2-0.37B2-0.25C2-0.77D2。

該回歸模型的方差分析結果如表3所示。

表3 回歸模型的方差分析

Tab.3 Variance analysis of regression model

注：**：P<0.05，差異顯著；***：P<0.001，差異極顯著。

2.3.2兩因素交互作用比較分析

根據響應面曲線的陡峭程度及等高線的形狀可分析因素間交互作用和影響程度。曲面越陡，等高線呈橢圓形，表明兩因素間交互作用顯著；反之，曲面平緩，等高線接近于圓形則交互作用不明顯[10]。各因素間交互作用的響應面圖和等高線圖如圖6所示。

圖6各因素間的交互作用對蘆丁提取量影響的響應面圖和等高線圖

Fig.6Response surface plots and contour plots for the effects of the interaction between each factors on extraction amount of rutin

由圖6可知，料液比與提取時間、提取溫度與提取時間、提取溫度與乙醇體積分數、提取溫度與料液比之間有顯著的交互作用；而乙醇體積分數與提取時間、料液比與乙醇體積分數之間的交互作用不明顯。蘆丁提取量隨著提取溫度的升高和提取時間的延長均表現出先升高后降低的趨勢(圖6c)。這是因為，根據費克定律，適當延長提取時間有利于蘆丁的浸出和擴散，升高提取溫度有利于蘆丁擴散與吸附。但是提取溫度過高或提取時間過長，蘆丁會發生氧化分解，導致提取量降低。

由圖6f可知，隨著提取溫度的升高提取量先升高后降低。隨著料液比的減小，即提取溶劑用量的增加，蘆丁提取量不斷升高；但是提取溶劑用量增加到一定程度后，蘆丁提取量升幅減小，說明有效物質基本達到了分配平衡；若再增加提取溶劑用量，提取效果將不再明顯，反而增加了生產成本。因此，需要選擇適宜的料液比。

2.3.3最佳工藝條件驗證實驗

通過Design Expert 8.0軟件分析計算得出最佳提取工藝條件為：提取時間1.97 h、乙醇體積分數58.88%、料液比1∶22.35、提取溫度64.88 ℃，蘆丁提取量預測值為6.754 mg·(100 g)-1。

結合生產實際，將各參數調整為：提取時間2.0 h、乙醇體積分數60%、料液比1∶22、提取溫度65 ℃。在此條件下提取3次，蕎麥莖蘆丁平均提取量為6.752 mg·(100 g)-1，RSD為0.347%。表明該模型優化的提取工藝穩定性好，與實際情況擬合性良好。

3　結論

通過單因素實驗和響應面法實驗確定乙醇提取蕎麥莖中蘆丁的最佳工藝條件為：提取時間2.0 h、乙醇體積分數60%、料液比1∶22、提取溫度65 ℃，此工藝下，蘆丁提取量達到6.752 mg·(100 g)-1。該優化工藝能在較低溫度和較短時間內提取蕎麥莖中的蘆丁，且提取量與模型預測值接近，工藝穩定、安全可行。本研究可為蕎麥莖的開發和利用提供參考，并為相關食品和藥品的開發奠定基礎。

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Optimization of Extraction Process of Rutin from Buckwheat Straw by Response Surface Methodology

LI Bai-cun

(InstituteofBio-Engineering,ShaanxiXueqianNormalUniversity,Xi′an710100,China)

Theextractionprocessofrutinwasoptimizedusingbuckwheatstrawasarawmaterial.Effectsoffourfactorsincludingsolid-liquidratio,extractiontemperature,ethanolvolumefractionandextractiontimeonextractionamountofrutinwereinvestigatedbysinglefactorexperimentandresponsesurfacemethodology.Resultsindicatedthat,factorsinfluencingtherutinextractionamountwereintheorderasfollows:solid-liquidratio>extractiontemperature>ethanolvolumefraction>extractiontime.Theoptimumextractionconditionsofrutinfrombuckwheatstrawwereasfollows:solid-liquidratioof1∶22(g∶mL),extractiontemperatureof65 ℃,ethanolvolumefractionof60%,andextractiontimeof2.0h.Underaboveconditions,theextractionamountofrutinreached6.752mg·(100g)-1.

buckwheatstraw;rutin;extractionprocess;responsesurfacemethodology;optimization

陜西省農業科技創新與攻關項目(2015NY041)，陜西學前師范學院科研項目(2015YBKJ030)

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.10.009

R 284.2

A

1672-5425(2016)10-0039-06

李白存.響應面法優化蕎麥莖中蘆丁的提取工藝[J].化學與生物工程，2016，33(10)：39-44.