響應曲面法優(yōu)化微波提取小茴香總黃酮工藝研究

劉紅，陳燕芹，李玉華

(1.貴州工程應用技術(shù)學院化學化工實驗教學中心，貴州 畢節(jié) 551700；2.貴州省應用化學特色重點實驗室，貴州 畢節(jié) 551700)

小茴香又稱香絲菜，是傘形科植物茴香(FoeniculumvulgareMill.)的干燥成熟果實[1,2]，文獻報道，小茴香的主要成分有揮發(fā)油、黃酮、多糖等[3-6]。小茴香也作為常用的傳統(tǒng)中藥，有理氣健胃、散熱止痛的功效，可治療食欲不振、腹痛、風濕性關(guān)節(jié)炎等[7]。小茴香作為一種重要的調(diào)味香料，全國均有栽培。 相關(guān)學者已對小茴香的揮發(fā)油成分、黃酮、微量元素、多酚等進行了研究[8,9]。

響應面分析能研究幾種因素間交互作用等優(yōu)點[10]，設計合理、結(jié)果優(yōu)良，被廣泛應用于食品行業(yè)[11]。關(guān)于響應曲面法優(yōu)化小茴香黃酮的提取工藝未見報道，本文以小茴香籽為原料，通過響應曲面法優(yōu)化微波提取小茴香總黃酮，以期為進一步開發(fā)研究和利用提供更全面的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與設備

小茴香：購于畢節(jié)市合力超市，經(jīng)畢節(jié)市藥檢所鑒定。

亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉等：均為分析純。

DFY-300高速萬能粉碎機 浙江林大機械有限責任公司；AUY220電子分析天平 日本島津公司；TG20臺式高速離心機 邁佳森儀器設備有限公司；VIS-723G可見分光光度計 北京瑞利分析儀器公司；純水機 成都超純科技有限公司；MDS2002AT微波萃取消解工作站 上海新儀電子科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 小茴香總黃酮的提取工藝

小茴香→烘干(105 ℃)→粉碎→過篩→微波提取→離心→抽濾，定容至50 mL→吸光度測定→根據(jù)標準曲線計算出其所含的黃酮→計算出提取率。

1.2.2 標準曲線繪制

參考文獻[12]采用NaNO2-Al(OH)3-NaOH法得曲線方程為A=10.0971C+0.0002，R2=0.9994。

1.2.3 單因素試驗

本試驗針對乙醇濃度、提取時間、提取溫度、液料比4個因素(本試驗所用設備微波功率不可調(diào)，因此未對微波功率的影響進行探討)，在其他3個因素不變的情況下，對另1個因素進行單因素試驗，以小茴香提取率為依據(jù)，以確定響應面設計的水平。

1.2.4 響應面分析

以單因素試驗結(jié)果為依據(jù)，應用Design-Expert 8.0.5b軟件的Box-Behnken響應面分析方案設計試驗，因素及水平見表1。

表1 響應面分析因素和水平Table 1 The factors and levels of response surface analysis

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 不同乙醇濃度下小茴香黃酮的提取率

在提取時間為10 min、提取溫度為60 ℃、液料比為40(mL/g)的條件下研究不同乙醇濃度下小茴香黃酮的提取率，結(jié)果見圖1。

圖1 不同乙醇濃度下小茴香黃酮的提取率Fig.1 The extraction rate of flavonoids in Foeniculum vulgare Mill. under different ethanol concentration

由圖1可知，隨著乙醇濃度的增大，黃酮提取率先增大后減小，乙醇濃度為60%時黃酮提取率出現(xiàn)最大值，因此后續(xù)響應面設計時乙醇濃度的選擇范圍為50%～70%。

2.1.2 不同提取時間下小茴香黃酮的提取率

在提取溫度為60 ℃、液料比為40(mL/g)、乙醇濃度為60%的條件下研究不同提取時間下小茴香黃酮的提取率，結(jié)果見圖2。

圖2 不同提取時間下小茴香黃酮的提取率Fig.2 The extraction rate of flavonoids in Foeniculum vulgare Mill. under different extraction time

由圖2可知，時間為10 min時黃酮提取率出現(xiàn)最大值，因此后續(xù)響應面設計時提取時間的選擇范圍為5～15 min。

2.1.3 不同提取溫度下小茴香黃酮的提取率

在提取時間為10 min、液料比為40(mL/g)、乙醇濃度為60%的條件下研究不同提取溫度下小茴香黃酮的提取率，結(jié)果見圖3。

圖3 不同提取溫度下小茴香黃酮的提取率Fig.3 The extraction rate of flavonoids in Foeniculum vulgare Mill. under different temperatures

由圖3可知，提取溫度為60 ℃時黃酮提取率出現(xiàn)最大值，因此后續(xù)響應面設計時提取溫度的選擇范圍為50～70 ℃。

2.1.4 不同液料比下小茴香黃酮的提取率

在提取溫度為60 ℃、乙醇濃度為60%、提取時間為10 min的條件下研究不同液料比下小茴香黃酮的提取率，結(jié)果見圖4。

圖4 不同液料比下小茴香黃酮的提取率Fig.4 The extraction rate of flavonoids in Foeniculum vulgare Mill. under different liquid-solid ratios

由圖4可知，液料比為40(mL/g)時黃酮提取率出現(xiàn)最大值，因此后續(xù)響應面設計時液料比的選擇范圍為30～50(mL/g)。

2.2 響應面對小茴香總黃酮的提取工藝條件及方差分析

根據(jù)表1響應面分析因子和水平設計的Box-Behnken響應面分析方案及結(jié)果見表2，相應的方差分析見表3。

表2 響應面分析方案以及小茴香黃酮的實驗值與預測值Table 2 Response surface analysis scheme, experimental values and predicted values of extraction rates

表3 小茴香黃酮提取參數(shù)回歸分析結(jié)果Table 3 Regression analysis results of extraction parameters of Foeniculum vulgare Mill.

續(xù) 表

注：“*”表示顯著，“**”表示極顯著。

根據(jù)表2結(jié)果，應用Design-Expert 8.0.5b軟件對數(shù)據(jù)進行多元回歸分析，得出回歸模型，回歸方程為：Y=1.33-0.042C+0.004167t+0.030T-0.028R-0.005Ct+0.020CR+0.018tT-0.025tR+0.027TR-0.063C2-0.044t2-0.093T2-0.13R2。

表3是上述回歸模型的方差分析結(jié)果，由表3可知模型高度顯著(P<0.0001)，失擬項(P=0.2675>0.05)不顯著。調(diào)整系數(shù)R2=0.9732，模型擬合程度較好，能解釋97.32%的響應值變化，可用于小茴香總黃酮的分析和預測。表3方差分析結(jié)果還表明乙醇濃度、提取溫度、液料比對小茴香總黃酮提取率的影響極顯著，4個因素的二次項的影響極顯著，此外，提取時間和液料比的交互作用、提取溫度和液料比的交互作用的影響也達到顯著水平。各因素對小茴香總黃酮提取率的影響大小為：乙醇濃度>提取溫度>液料比>提取時間。

通過固定模型中2個因素在0水平，繪制出響應曲面圖，見圖5～圖10。乙醇濃度、提取溫度和液料比對提取率的影響都較陡，影響極顯著，而提取時間對提取率的影響較平緩，影響不顯著。

圖5 Y=[C,t]的響應面圖Fig.5 Response surface diagram of Y=[C,t]

圖6 Y=[C,T]的響應面圖Fig.6 Response surface diagram of Y=[C,T]

圖7 Y=[C,R]的響應面圖Fig.7 Response surface diagram of Y=[C,R]

圖8 Y=[t,T]的響應面圖Fig.8 Response surface diagram of Y=[t,T]

圖9 Y=[t,R]的響應面圖Fig.9 Response surface diagram of Y=[t,R]

圖10 Y=[T,R]的響應面圖Fig.10 Response surface diagram of Y=[T,R]

用Design-Expert 8.0.5b軟件給出了能夠得到最大提取率的C，t，T，R對應的值為C=56.43，t=10.67，T=61.55，R=38.72，即在乙醇濃度為56.43%，提取時間為10.67 min，提取溫度為61.55 ℃，液料比為38.72 (mL/g)時總黃酮的提取率為1.3458%。考慮到實際操作條件，將工藝條件修正為：乙醇濃度56%，提取時間11 min，提取溫度62 ℃，液料比39 (mL/g)，在此條件下進行3次試驗，平均提取率為1.3453%，與預測值相近，表明回歸模型可靠。

3 結(jié)論

本試驗在單因素試驗的基礎上采用微波輔助法提取小茴香總黃酮，對總黃酮的提取參數(shù)進行響應面優(yōu)化，建立了提取率和各個因素之間的二次回歸方程Y=1.33-0.042C+0.004167t+0.030T-0.028R-0.005Ct+0.020CR+0.018tT-0.025tR+0.027TR-0.063C2-0.044t2-0.093T2-0.13R2。通過對小茴香總黃酮提取的單因素和響應曲面分析，得出小茴香總黃酮提取的最佳工藝條件為乙醇濃度56%，提取時間11 min，提取溫度62 ℃，液料比39(mL/g)，在此條件下小茴香總黃酮的提取率為1.3453%。

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