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響應(yīng)面分析法優(yōu)化槐米中蘆丁提取工藝

2018-01-17 08:34:58邱嵐梁琍邱學(xué)云付素靜
食品研究與開(kāi)發(fā) 2018年2期
關(guān)鍵詞:工藝優(yōu)化

邱嵐,梁琍,邱學(xué)云,付素靜

(銅仁學(xué)院農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院,貴州省梵凈山特色動(dòng)植物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州銅仁554300)

蘆?。≧utin),又名蕓香苷(5,7,3c,4c,-四羥基-3-蕓香糖黃酮),為黃酮類化合物廣泛存在于多種藥材和食材中,豆科植物槐(Sophora japonica L.)的干燥花蕾即槐米(flossophorae)中尤為豐富,且具有較高的利用價(jià)值,在藥用方面,用于預(yù)防和治療糖尿病及合并高血脂癥,同時(shí)還有抗炎、抗病毒等作用[1]。蘆丁可改變細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)、外膜的滲透性而使細(xì)胞膜受到破壞[2],因此有抑菌、抗氧化的等作用。另外,在食品、化妝品登方面應(yīng)用也很廣泛。國(guó)外也常用蘆丁做食品及飲料的染色劑[3],除此之外,可用作抗氧劑及天然食用黃色素。另外,蘆丁對(duì)紫外線有較強(qiáng)的吸收作用,能吸收A區(qū)(波長(zhǎng)320 nm~400 nm)紫外線,所以蘆丁可單用或與黃芩苷[能吸收B區(qū)(波長(zhǎng)280~320 nm)紫外線]合用,作防曬霜的主要成分[4]。因此,在化妝品行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前,人們對(duì)槐米中蘆丁的提取方法已有部分研究,如舒曉宏等[5]對(duì)槐花米中蘆丁提取最佳pH值的實(shí)驗(yàn)研究。張來(lái)新[6]主要對(duì)槐花米中提取蘆丁的幾種方法比較。如“水提法”,“堿水(石灰水)提取法”,“有機(jī)溶劑(乙醇)回流法”。除此之外,對(duì)槐米中蘆丁的提取方法還有采用堿提酸沉法[7],滲漉法[8],微波輔助提取法[9]、“超聲波法[10]”進(jìn)行提取。但各種方法均各有不足,即存在浪費(fèi)材料、條件難控制、提取率低,或是僅在單因素上進(jìn)行研究,沒(méi)有對(duì)超聲提取條件進(jìn)行優(yōu)化,或未考慮蘆丁分子因含有鄰二酚羥基而在堿性條件下更易氧化分解對(duì)提取率產(chǎn)生影響等問(wèn)題。廖華衛(wèi)等[11]雖然利用正交法對(duì)槐米中蘆丁的提取進(jìn)行優(yōu)化,可是仍用煎煮的方法提取,也存在成本高,得率低的缺點(diǎn)。因此為了縮短提取時(shí)間、降低成本、提高產(chǎn)率,本試驗(yàn)采用超聲輔助提取綜合堿溶酸沉的原理提取槐米中的蘆丁,通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)選出最佳的提取工藝。響應(yīng)面法最早出現(xiàn)在1951年,由英國(guó)的兩位學(xué)者Box和Wilson提出。是利用統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[12],采用多元二次回歸方程將多因素試驗(yàn)中的各因素與指標(biāo)的相互關(guān)系進(jìn)行擬合,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)建立數(shù)學(xué)模型然后進(jìn)行分析研究因素與響應(yīng)面之間、因素與因素之間的相互關(guān)系,從而來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析方法。其優(yōu)點(diǎn)在于試驗(yàn)次數(shù)少,試驗(yàn)精度高[13],且適合于多因素、多水平的試驗(yàn),彌補(bǔ)了正交優(yōu)化法只能考慮單一因素對(duì)提取率的影響,并且得到國(guó)內(nèi)外科研學(xué)者的廣泛利用。

銅仁學(xué)院校園內(nèi)乃至整個(gè)銅仁地區(qū)每到春天都開(kāi)滿了槐花,彌漫著槐花的香味,而目前為止它們大多都被當(dāng)作行道樹(shù),僅僅體現(xiàn)其園林應(yīng)用價(jià)值,對(duì)槐米中蘆丁的提取工藝及蘆丁藥用和在化妝品行業(yè)中利用價(jià)值的開(kāi)發(fā)研究卻還比較少。本項(xiàng)目對(duì)銅仁學(xué)院槐米中蘆丁提取工藝進(jìn)行探索研究,為今后進(jìn)一步合理開(kāi)發(fā)槐米資源提供一定參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料

槐米采自銅仁市銅仁學(xué)院老校區(qū),干燥后室溫密封保存。

1.1.2 試劑

無(wú)水甲醇:天津市富宇金細(xì)化工有限公司;亞硝酸鈉溶液:天津市博迪化工有限公司;硝酸鋁溶液:天津市密歐化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉溶液:天津市石英終廠霸州分廠;鹽酸溶液:衡陽(yáng)市凱信試劑有限公司;硼砂:天津市巴斯天化工有限公司;亞硫酸氫鈉:天津市博迪化工有限公司;蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品:北京化學(xué)試劑公司;蒸餾水。

1.1.3 儀器

FW80高速萬(wàn)能粉碎機(jī):北京科偉永興儀器有限公司;101-3型電熱鼓風(fēng)干燥箱:北京科偉永興儀器有限公司;GUTEL超聲波清洗器:上海冠特超聲儀器有限公司;W201B恒溫水浴鍋:上海申順生物科技有限公司;TDL-5臺(tái)式離心機(jī):上海安亭科學(xué)儀器廠;KQ-C玻璃儀器氣流烘干器:鞏義市予華有限責(zé)任公司;PL602-5電子分析天平:奧豪斯儀器上海有限公司;SHZ-DIII予華牌循環(huán)水真空泵:鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;T6新世紀(jì)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì):北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料預(yù)處理

將采摘后的槐花蕾除去雜質(zhì)、枝條、梗,即刻于110℃烤箱內(nèi)殺青再調(diào)溫到60℃烘干至恒重,經(jīng)萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎獲得槐米粉末,粉末于室溫下密封保存。

1.2.2 超聲波輔助提取槐米蘆丁及得率測(cè)定

采集槐米樣品→干燥→粉碎→按一定的料液比加溶劑(并加入硼砂、亞硫酸氫鈉)→調(diào)pH值(8~9)→超聲波輔助提取→過(guò)濾→濾液鹽酸調(diào)pH值(2~3)→靜置→抽濾→干燥→蘆丁粗提物。

稱取蘆丁粗品→加甲醇溶解并定容→量取經(jīng)稀釋后的樣品液→加入5%亞硝酸鈉溶液→10%硝酸鋁溶液→4.3%氫氧化鈉→加蒸餾水定容至25 mL→揺均放置→500 nm波長(zhǎng)下吸測(cè)定光值[14]。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

準(zhǔn)確稱取蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品2 mg,置于10 mL容量瓶中,加入一定量甲醇,水浴微熱溶解后,放冷,繼續(xù)加甲醇溶液至刻度,搖勻。精密吸取2.5 mL,置25 mL容量瓶中,加水至刻度,搖勻即得蘆丁標(biāo)準(zhǔn)液(含量為0.2 mg/mL)。分別精密量取上述標(biāo)準(zhǔn)溶液0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL與6.0 mL置于6個(gè)25 mL容量瓶中,并加水至6mL,之后加入5%亞硝酸鈉溶液1 mL搖勻(放置6 min),再加入10%硝酸鋁溶液1 mL搖勻(放置6 min),然后加入4.0%NaOH溶液10 mL,最后加水至刻度,搖勻,靜置15 min,于紫外分光光度儀中,在500 nm的波長(zhǎng)[15]下測(cè)定蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品的吸光值,并以標(biāo)準(zhǔn)溶液的含量為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo),制得作標(biāo)準(zhǔn)曲線圖(見(jiàn)圖1)依圖得到的趨勢(shì)線回歸方程為:Y=16.429x+0.021 6,R2=0.998(n=6)。

圖1 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of rutin

1.2.4 樣品蘆丁含量的測(cè)定

蘆丁提取率計(jì)算公式為:

式中:A為提取蘆丁溶液的吸光度;M為槐米干粉,g;M1為稱取的干燥蘆丁粗品,g;M2為提取的總干燥蘆丁粗品,g。

1.2.5 單因素試驗(yàn)

選取料液比、超聲波時(shí)間、超聲次數(shù)為單因素,分別依次按照1.2.2進(jìn)行槐米中蘆丁提取的單因素試驗(yàn)。

1.2.6 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素的試驗(yàn)基礎(chǔ)之上,根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,利用Design-Expert.V8.0進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面分析法[16]。以100 W的超聲波固定功率,選取料液比(A)、超聲波時(shí)間(B)、超聲波次數(shù)(C)為自變量,蘆丁提取率(Y)為響應(yīng)值。進(jìn)行優(yōu)化超聲波提取蘆丁的工藝條件[14]。各因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 The response surface test factors level tables

1.2.7 數(shù)據(jù)的處理與分析

標(biāo)注曲線制作及單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)是采用Origin pro7.5處理。響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert.V 8.0進(jìn)行分析處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 料液比對(duì)蘆丁提取率的影響

準(zhǔn)確稱取5.00 g槐米粉末5份,分別放入錐形瓶中按 1 ∶5、1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25(g/mL)的料液比加入蒸餾水,在室溫下放入超聲波裝置中,室溫下超聲時(shí)間20 min,超聲固定功率100 W,超聲提取2次,最后得到最佳的料液比,平行試驗(yàn)3次,求平均值。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 料液比對(duì)蘆丁提取率的影響Fig.2 Effects of liquid ratio on rutin yield

由圖 2 看出,料液比在 1 ∶5(g/mL)~1∶15(g/mL)之間,料液比增加,蘆丁提取率也隨著增加,在1∶15(g/mL)時(shí)達(dá)到最大值,在此之后料液比逐漸增大蘆丁提取率出現(xiàn)下降趨勢(shì),其原因?yàn)樵谔J丁提取全過(guò)程中,原料及成品總會(huì)有損失,料液比越大,損失越嚴(yán)重,而在1∶15(g/mL)時(shí)提取蘆丁的量達(dá)到最大,故在 1 ∶15(g/mL)是蘆丁提取最適合的料液比,提取率達(dá)到最大值。

2.1.2 超聲提取時(shí)間對(duì)蘆丁提取率的影響

準(zhǔn)確稱取5.00 g槐米粉末5份,分別放入錐形瓶中,按1∶15(g/mL)料液比加入蒸餾水于室溫下放入超聲波,超聲時(shí)間為 5、10、20、30、40 min,超聲波固定功率為100 W,超聲提取2次,最后得到最佳的超聲提取時(shí)間,平行試驗(yàn)3次,求平均值。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 提取時(shí)間對(duì)蘆丁提取率的影響Fig.3 Effect of time on rutin yield

由圖3看來(lái),在20 min之前,蘆丁提取率隨時(shí)間增長(zhǎng)而增加,其原因是超聲輻射時(shí)間過(guò)短,未能很好地使原料細(xì)胞壁被破壞,依此推理,若超聲輻射時(shí)間越長(zhǎng),蘆丁提取率將會(huì)不斷提高,而從圖中可知在20 min時(shí)蘆丁提取率最大,之后蘆丁提取率呈下降趨勢(shì),這是由于原材料在超聲輻射下時(shí)間越長(zhǎng),空化作用越明顯即是會(huì)形成越細(xì)的顆粒,在過(guò)濾的環(huán)節(jié)中則造成更多損失,從而造成蘆丁提取率下降[17]。

2.1.3 超聲提取次數(shù)對(duì)蘆丁提取率的影響

準(zhǔn)確稱取5.00 g槐米粉末5份,分別放入錐形瓶中,按1∶15(g/mL)料液比加入蒸餾水于室溫下放入超聲波,超聲時(shí)間為20 min,超聲波固定功率為100 W,超聲次數(shù)分別是1次、2次、3次、4次、5次,最后得到最佳的超聲提取次數(shù),平行試驗(yàn)3次,求平均值。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 提取次數(shù)對(duì)蘆丁提取率的影響Fig.4 Effect of number of extraction times on rutin yield

從圖4可知,超聲波輻射1次蘆丁提取率明顯較低,輻射2次提取率達(dá)最大值,隨后超聲輻射次數(shù)增多蘆丁提取率卻未增加,其原因有提取次數(shù)增多提取液漸漸黏稠過(guò)濾困難造成材料的大量損失,另外,當(dāng)超聲輻射次數(shù)增多,按理說(shuō)提取率應(yīng)該不斷增大然后不變,實(shí)際上隨提取次數(shù)的增多,蘆丁會(huì)被氧化的量就會(huì)增大,從而造成蘆丁提取率降低[18]。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化槐米中蘆丁超聲提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

為了優(yōu)化超聲提取蘆丁的最佳工藝條件。以料液比(A)、超聲提取時(shí)間(B)、超聲提取次數(shù)(C)為自變量,以蘆丁提取率(Y)為響應(yīng)值,進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)[19-20],試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。共17個(gè)試驗(yàn)。1~12為析因試驗(yàn),13~17為中心試驗(yàn),用以估計(jì)試驗(yàn)誤差,方差分析見(jiàn)表3?;貧w模型可靠性分析見(jiàn)表4。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results and experimental designs of the response surface

表3 回歸方程方差分析Table 3 Analysis of variance of the regression equation

表4 回歸模型可靠性分析Table 4 Credibility analysis of the regression model

利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化超聲輔助提取槐米中蘆丁的工藝參數(shù),并采用Design Expert V 8.0軟件進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表2,對(duì)表2結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可建立如下多元二次回歸方程:Y=17.97+0.74A+0.36B+0.41C-0.073AB+0.14AC-0.69BC-1.79A2-1.32B2-1.23C2,對(duì)二次回歸方程進(jìn)行方差及可靠性分析,結(jié)果見(jiàn)表3、表4,從表3可知,該二次回歸方程的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)及交互項(xiàng)中的 A、B、C、A2、B2、C2、BC 均表現(xiàn)出了顯著水平,該二次回歸方程整體模型比較顯著,并且失擬項(xiàng)不顯著,該回歸模型與實(shí)測(cè)值能較好地?cái)M合。

2.2.2 響應(yīng)面分析

為了考察交互項(xiàng)對(duì)提取率的影響,在其他因素條件不變的情況下,考察交互項(xiàng)對(duì)提取率的影響,對(duì)模型進(jìn)行降維分析,經(jīng)Design-Expert V 8.0軟件分析所得的響應(yīng)面圖見(jiàn)圖5。

圖5 料液比、超聲時(shí)間、超聲次數(shù)對(duì)蘆丁提取率交互影響響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface plot showing the effects of interaction between solid-liquid ratio,ultrasonic time and ultrasonic times on the yieid of rutin

由圖5可知,隨著每個(gè)因素的增大,響應(yīng)值增大,當(dāng)響應(yīng)值增大到極限值后,隨著因素的增大,響應(yīng)值逐漸減??;在交互項(xiàng)BC交互作用明顯,與方差分析結(jié)果一致。影響超聲提取槐米蘆丁的主次因素為A>C>B,即料液比>超聲提取次數(shù)>超聲提取時(shí)間。

2.2.3 最佳工藝的確定

通過(guò)Design-Expert V 8.0 RSM計(jì)算出最佳提取工藝條件和蘆丁提取率最大值,最佳提取條件為料液比1 ∶16.06(g/mL)、超聲提取時(shí)間 20.90 min、超聲提取次數(shù)2.16次,理論提取率為18.09%。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件將最佳提取工藝條件進(jìn)行修正[21],修正后的提取條件為料液比 1 ∶16.00(g/mL)、超聲提取時(shí)間 20.00 min、超聲提取次數(shù)2.00次。在修正后的條件下,重復(fù)試驗(yàn)5次測(cè)蘆丁的提取率,并計(jì)算RSD試驗(yàn)條件與結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Verification testing results

由表5可知,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件在最佳提取工藝條件下重復(fù)試驗(yàn),蘆丁提取率為17.96%,接近理論提取率18.09%,RSD為1.15%,說(shuō)明響應(yīng)面法建立的槐米中蘆丁的提取數(shù)學(xué)模型具有穩(wěn)定可靠性,試驗(yàn)結(jié)果與模型符合良好。

3 結(jié)論與討論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用Design-Expert V 8.0軟件中的Box-Behnken(BBD)中心組合原理設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)以及響應(yīng)面分析法,建立了以料液比(A)、超聲提取時(shí)間(B)、超聲提取次數(shù)(C)為自變量,槐米蘆丁提取率為響應(yīng)值(Y)的多元二次回歸數(shù)學(xué)模型、方差和可信度分析,回歸決定系數(shù)達(dá)0.969 3,回歸模型極顯著,無(wú)失擬項(xiàng),根據(jù)優(yōu)化條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),取料液比1 ∶16(g/mL)、超聲提取時(shí)間 20 min、超聲提取次數(shù)2次,提取率為17.96%與預(yù)測(cè)值相差較小,RSD為1.15%,說(shuō)明響應(yīng)面法建立的槐米中蘆丁提取率數(shù)學(xué)模型對(duì)槐米中蘆丁提取具有穩(wěn)定可靠性,因此該提取條件合理可行。本次研究采用超聲波提取槐米中蘆丁,提取原理則是基于超聲波的空化作用和蘆丁的堿溶酸沉,即是將二者相結(jié)合,利用響應(yīng)面法來(lái)優(yōu)化提取槐米中蘆丁的最佳工藝。與正交設(shè)計(jì)比較,正設(shè)計(jì)法只能從預(yù)先設(shè)計(jì)的幾個(gè)水平中優(yōu)化組合,所得的最佳工藝條件只是理想條件,不是真實(shí)意義的最佳條件。因此,采用RSM法優(yōu)化得到的提取條件可靠準(zhǔn)確,具有實(shí)用價(jià)值。與傳統(tǒng)的“水提法”、“堿提法”、“微波輔助提取法”等方法相比,超聲輔助提取法提取率高,其原因可能是,以上幾種提取方法未能很好地使植物細(xì)胞內(nèi)的蘆丁最大限度溶于提取溶劑中,而超聲波具有空化作用,因此超聲輔助提取法即在蘆丁溶于提取溶劑中占優(yōu)勢(shì)。與馬國(guó)剛[18]、薩燕平[22]、郭乃妮[23]等的超聲輔助提取的研究相比,本研究使用的超聲清洗器頻率和功率與之不同,且對(duì)蘆丁提取的影響因素選擇,提取溶劑,堿提或酸沉過(guò)程中pH值的大小(堿提為8~9,酸沉為2~3較好),原料粒度,原料產(chǎn)地及采取時(shí)間都有差異。

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