響應曲面法優化花生殼中木犀草素的微波提取工藝

崔建強，唐 靜，王 燕，張 爽

(陜西國際商貿學院醫藥學院，陜西 咸陽 710246)

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響應曲面法優化花生殼中木犀草素的微波提取工藝

崔建強，唐 靜，王 燕，張 爽

(陜西國際商貿學院醫藥學院，陜西 咸陽 710246)

以木犀草素得率為評價指標，采用單因素實驗和響應曲面法優化花生殼中木犀草素微波提取工藝。確定最優提取工藝為：乙醇體積分數80%、微波提取時間70 s、料液比1∶20(g∶mL)、微波功率1 000 W，在此條件下，木犀草素得率可達到0.713%。該方法設計合理，可用于花生殼中木犀草素的提取。

木犀草素；響應曲面法；微波提取

花生(Arachis hypogaea)，一年生草本植物，在我國已有500多年種植歷史，多個省份均有種植，產量和種植面積位居世界前列[1]。花生殼含有黃酮類物質木犀草素[2]，木犀草素具有抑菌、抗炎、抗氧化等[3]多種生理功能。近年來，微波提取技術因提取效率高、能耗低、提取時間短等優點[4]被廣泛應用于天然產物有效物質的提取。響應曲面法是目前較為先進的提取工藝優化方法[5-6]。目前，對花生殼中木犀草素的提取工藝優化大多采用正交實驗法，尚未見到響應曲面法優化花生殼中木犀草素微波提取工藝的報道。鑒于此，作者在單因素實驗的基礎上，以木犀草素得率為評價指標，用響應曲面法優化花生殼中木犀草素微波提取工藝，擬為進一步開發利用花生殼資源提供參考。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

花生殼，市售。

無水乙醇，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；石油醚(沸程60～90 ℃)，分析純，天津科密歐化學試劑有限公司；木犀草素標準品(純度≥98%)，上海友思生物技術公司。

WF-4000型微波快速反應系統，上海屹堯儀器科技發展有限公司；FA1104型電子分析天平、FW-100D型高速萬能粉碎機，天津鑫博得儀器有限公司；KQ2200DB型數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 花生殼前處理

取新鮮的花生殼，清洗，干燥，用高速萬能粉碎機粉碎成一定粒徑的粗粉，用石油醚超聲脫脂2次(每次20min，溫度40 ℃，功率200W)，得到花生殼干粉。

1.3 花生殼中木犀草素的提取

按照一定料液比(花生殼干粉與乙醇的比例)稱取一定質量的花生殼干粉加到100 mL一定體積分數的乙醇中，搖勻，靜置2 h；在微波快速反應系統中于一定功率、70 ℃下提取一定時間；待溶液溫度降至室溫后抽濾，收集濾液，濾渣再在相同條件下提取1次；合并濾液，加熱干燥使其揮醇并濃縮成浸膏，用石油醚對浸膏進行超聲脫脂處理，干燥使石油醚揮干，用醇溶水沉法純化，濃縮，干燥，得木犀草素粉末。

1.4 木犀草素得率的測定

1.4.1 標準品溶液的制備

精密稱取2.0 mg干燥至恒重的木犀草素標準品，置于100 mL容量瓶中，用無水乙醇定容，搖勻后備用。

1.4.2 檢測波長的確定

取木犀草素標準品溶液，在200～600 nm之間進行全波長掃描。結果發現，木犀草素在351 nm處出現最大吸收。因此，以351 nm作為檢測波長。

1.4.3 標準曲線的繪制

分別精密量取木犀草素標準品溶液1 mL、2 mL、3 mL、4 mL、5 mL于10 mL容量瓶中，定容至刻度，搖勻。用紫外分光光度計測定351 nm處吸光度，以吸光度(y)為縱坐標、木犀草素濃度(x)為橫坐標繪制標準曲線，擬合得線性回歸方程。

1.4.4 木犀草素得率的計算

精密稱取一定量的木犀草素粉末，加入一定量的無水乙醇超聲溶解，配成不同濃度的待測溶液，測定其吸光度(每種濃度測定3次)，根據擬合的線性回歸方程計算木犀草素含量，按下式計算木犀草素得率。

式中：m0為木犀草素含量，mg；V為樣液總體積，mL；V0為測定所用樣液的體積，mL；m為花生殼干粉質量，g。

1.5 提取工藝優化

1.5.1 單因素實驗

在乙醇用量為100 mL、提取溫度為70 ℃的條件下，分別考察乙醇體積分數(50%、60%、70%、80%、90%)、微波功率(300 W、450 W、600 W、750 W、900 W)、微波提取時間(40 s、50 s、60 s、70 s、80 s)、料液比(1.5∶100、2.5∶100、5.0∶100、7.5∶100、10.0∶100，g∶mL)對木犀草素得率的影響。

1.5.2 響應曲面法實驗

根據單因素實驗結果，找出對木犀草素得率影響最大的3個因素，采用Box-Behnken實驗設計3個水平進行響應曲面法實驗，根據響應曲面構建的三維圖確定最優的微波提取工藝。

2 結果與討論

2.1 木犀草素的標準曲線(圖1)

圖1 木犀草素的標準曲線Fig.1 The standard curve of mignonette

由圖1可知，木犀草素在0.002～0.010 mg·mL-1范圍內線性關系良好。

2.2 單因素實驗結果

2.2.1 乙醇體積分數對木犀草素得率的影響

在提取溫度為70 ℃、微波功率為1 000 W、料液比為1∶20(5.0 g花生殼干粉∶100 mL乙醇，乙醇體積分數為50%～90%，下同)、微波提取時間為70 s的條件下，考察乙醇體積分數對木犀草素得率的影響，結果見圖2。

圖2 乙醇體積分數對木犀草素得率的影響Fig.2 Effect of volume fraction of ethanol on mignonette yield

由圖2可以看出，隨著乙醇體積分數的增大，木犀草素得率先升高后降低，在乙醇體積分數約為80%時得率較高。實驗發現，乙醇體積分數為50%～70%時，水含量較高，易溶于水的糖類、蛋白質易溶出，導致提取液腐敗變質，得率較低；當乙醇體積分數超過80%后，水含量過低不利于微波發揮作用，提取液顏色變淺，得率降低，同時，脂溶性成分溶出率提高也給后續的精制帶來較大的困難。綜合考慮，選擇乙醇體積分數為80%較為適宜。

2.2.2 微波功率對木犀草素得率的影響

稱取5.0 g花生殼干粉，按1∶20的料液比加入80%乙醇100 mL，在提取溫度為70 ℃、不同微波功率下提取70 s，考察微波功率對木犀草素得率的影響，結果見圖3。

圖3 微波功率對木犀草素得率的影響Fig.3 Effect of microwave power on mignonette yield

由圖3可以看出，隨著微波功率的增大，木犀草素得率不斷升高，在600 W以后上升趨勢較緩。可能是因為，在微波輻射的過程中，溶質吸收微波的能力逐漸趨于飽和，故微波功率增大到一定程度時，對木犀草素的溶出影響不大。因此，微波功率不是影響木犀草素得率的關鍵因素。由于本實驗所用微波儀的最大功率為1 000 W，因此后續實驗微波功率均為1 000 W。

2.2.3 微波提取時間對木犀草素得率的影響

稱取5.0 g花生殼干粉，按1∶20的料液比加入80%乙醇100 mL，在提取溫度為70 ℃、微波功率為1 000 W下分別提取不同時間，考察微波提取時間對木犀草素得率的影響，結果見圖4。

由圖4可以看出，隨著微波提取時間的延長，木犀草素得率先升高后降低，在微波提取時間為70 s時，得率達到最高。這可能是由于，長時間的微波輻射使木犀草素有所變性，或者是產生的熱效應時間較長，使溶劑有所揮發，減少了木犀草素的溶出。因此，選擇微波提取時間為70 s較為適宜。

2.2.4 料液比對木犀草素得率的影響

分別稱取花生殼干粉1.5 g、2.5 g、5.0 g、7.5 g、10.0 g，加入80%乙醇100 mL，在提取溫度為70 ℃、微波功率為1 000 W、微波提取時間為70 s的條件下，考察料液比對木犀草素得率的影響，結果見圖5。

圖4 微波提取時間對木犀草素得率的影響Fig.4 Effect of microwave extraction time on mignonette yield

圖5 料液比對木犀草素得率的影響Fig.5 Effect of solid-liquid ratio on mignonette yield

由圖5可以看出，隨著料液比的增大，木犀草素得率先驟降再緩緩下降。表明在溶劑用量一定時，加入的花生殼干粉越少，木犀草素得率越高。這是因為，濃度差較大利于有效物質的溶出。但是，在實際應用中，溶劑用量過大，回收時耗時耗能，增加回收成本。綜合考慮，選擇料液比為5.0∶100(即1∶20)較為適宜。

2.3 響應曲面法實驗結果

2.3.1 實驗設計

根據單因素實驗結果，選取乙醇體積分數、微波提取時間、料液比作為自變量，以木犀草素得率為因變量(即響應值)，通過Box-Behnken實驗設計[7]，構建三維數學模型來優化木犀草素的微波提取工藝。實驗設計的因素與水平見表1，響應曲面法實驗結果見表2。

2.3.2 數學模型的建立及顯著性的檢驗結果

對表2數據進行二次多項式的回歸方程擬合，得到回歸方程模型為：Y=-4.47383+0.10651A+0.029868B+0.015158C+5.28375AB+8.84852AC-17.4716BC-19.80843A2-6.11295B2-17.95291C2(R2=0.9697，P<0.0001)。采用響應面的ANOVA進行回歸參數分析，檢驗回歸方程模型和各項參數的顯著性，結果如表3所示。

表1 Box-Behnken實驗設計的因素與水平

Tab.1 Factors and levels of Box-Behnken design

表2 響應曲面法實驗結果

Tab.2 Results of response surface methodology

表3 響應面回歸方程模型的方差分析

Tab.3 Variance analysis of regression requation model for response surface

2.3.3 交互作用的分析和優化

用Design-Expert 8.0.6軟件得出乙醇體積分數、微波提取時間和料液比3個實驗參數兩兩交互作用對得率影響的趨勢圖如圖6所示。

由圖6a可以看出，微波提取時間的響應面曲線變化幅度小且較平緩，對得率影響不明顯；乙醇體積分數的響應面曲線振幅較大，對得率的影響較顯著；二者等高線趨于圓形，說明二者交互作用對木犀草素得率無顯著影響。由圖6b可以看出，料液比和乙醇體積分數響應面曲線振幅都較大，對得率的影響較顯著，料液比在(2.50～5.00)∶100范圍時得率較高；二者等高線呈橢圓形，說明二者交互作用對得率的影響較明顯。由圖6c可以看出，料液比的響應面曲線較陡，微波提取時間的響應面曲線較平緩，說明料液比對得率影響較顯著；二者等高線呈圓形，說明二者交互作用對得率影響不明顯。等高線圖和響應面圖分析結果與方差分析結果基本一致。

2.3.4 回歸模型驗證

從圖6可以看出有最大的響應值，通過軟件分析預測最佳提取工藝為：乙醇體積分數80%、微波提取時間70 s、料液比5.0∶100(即1∶20)。為了檢驗該回歸模型是否準確，分別在預測的最優提取工藝條件下進行5次驗證實驗，木犀草素得率平均值為0.713%。表明該模型設計合理。

圖6 等高線圖和響應面圖Fig.6 The contour map and the response surface map

3 結論

通過單因素實驗和響應曲面法確定花生殼中木犀草素的最優微波提取工藝為：乙醇體積分數80%、微波提取時間70 s、料液比1∶20(g∶mL)、微波功率1 000 W，在此條件下，木犀草素得率為0.713%。

[1] 張艷.花生殼中木犀草素的分離純化及其化學合成[D].西安：西安理工大學,2010.

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[4] 熊清平,張強華,石瑩瑩,等.花生殼中木犀草素的微波輔助提取工藝研究[J].中國釀造,2011(9):30-33.

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Optimization on Microwave Extraction Process of Mignonette from Peanut Shells by Response Surface Methodology

CUI Jian-qiang,TANG Jing,WANG Yan,ZHANG Shuang

(SchoolofMedicine,ShaanxiInstituteofInternationalTrade&Commerce,Xianyang710246,China)

Usingmignonetteyieldasanevaluationindex,themicrowaveextractionprocessofmignonettefrompeanutshellswasoptimizedbyasinglefactorexperimentandresponsesurfacemethodology.Theoptimumextractionconditionswereasfollows:ethanolvolumefractionof80%,microwaveextractiontimeof70s,solid-liquidratioof1∶20(g∶mL),andmicrowavepowerof1 000W.Underaboveconditions,mignonetteyieldreached0.713%.Thismethodisfeasible,andcanbeusedtoextractmignonettefrompeanutshells.

mignonette;responsesurfacemethodology;microwaveextraction

陜西省教育廳專項科研計劃項目(16JK2036)，2016年陜西國際商貿學院科研項目(SMXY201605)

2016-12-06

崔建強(1979-)，男，陜西西安人，講師，研究方向：藥物分析化學，E-mail:1030287236@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.04.010

R284.2

A

1672-5425(2017)04-0042-05

崔建強，唐靜，王燕，等.響應曲面法優化花生殼中木犀草素的微波提取工藝[J].化學與生物工程，2017，34(4)：42-46.