響應面法優化蘆薈活性成分提取工藝

龍明華

（楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100）

蘆薈屬百合科多年生綠肉質植物，在熱帶、亞熱帶地區較多種植。蘆薈約有500余種，按其用途可分為藥用蘆薈、食用蘆薈和觀賞蘆薈三類。目前探明的藥用蘆薈有10多種，食用蘆薈有五六種，觀賞蘆薈則有幾十種[1]。

蘆薈含有160多種化學成分[2]，其中，功能成分72種，蒽醌類化合物是主要的有效活性成分，其余還有多糖、酶、氨基酸、抗生素、皂角素等。這些活性成分具有醫療、美容、保健、食用等多種功能[3]。尤其是蘆薈的藥理作用具有悠久的歷史，據史料記載，早在唐朝蘆薈的藥用情況就有記載。宋朝《開寶本草》：“治熱風煩悶，胸隔間熱氣，明目鎮心，小兒癲癇驚風”。《本草匯言》：“盧薈，涼肝殺蟲之藥也”。目前，蒽醌類化合物的藥理作用主要集中在瀉下作用、對肝損傷的保護作用、清除動物體內乙醇的作用、抗腫瘤作用、治療創傷等方面。

蘆薈活性功效成分雖多，但活性成分的獲得目前主要集中在傳統提取工藝的研究上，有Coats冷熱處理法、Mcanalley冷處理法[4]，其提取物得率和有效成分的含量均受限。

本研究在傳統提取工藝的基礎上引入現代超聲波輔助提取技術[5]，同時采用響應面優化方法，探索蘆薈蒽醌類化合物活性成分提取的最佳工藝，旨在為科學利用蘆薈的功能成分提供依據。

1 材料和方法

1.1 材料

供試材料為庫拉索蘆薈（市售盆栽）的葉片中上部[6]。

1.2 試劑

1，8-二羥基蒽醌（廣州蘇喏化工有限公司）、甲醇（西安化學試劑廠）、乙醇（西安化學試劑廠）、硫酸（廣州萬從化工有限公司）、醋酸鎂（廊坊天科生物科技有限公司），以上試劑均為分析純。

1.3 儀器設備

組織搗碎機（金壇市友聯儀器研究所）、紫外可見分光光度計（METTLER TOLEDO公司）、恒溫水浴鍋（北京科偉水興儀器有限公司）、SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵（鄭州長城科工貿有限公司）、KQ-700GVDV型超聲波儀（功率700 W，可調因素40%～100%，本研究以可調百分數表示功率。昆山市超聲儀器有限公司）、真空干燥箱（上海環競試驗設備廠）。

1.4 方法

1.4.1 提取工藝流程[7-11]蘆薈原料預處理→準確稱量200.0 g→機械破碎至漿狀→添加萃取劑超聲波輔助萃取→過濾除去濾渣→真空濃縮濾液干燥→活性物質粗提物。

1.4.2 活性成分含量測定 采用醋酸鎂-甲醇比色法[12]測定提取物中蒽醌化合物的含量。

1.4.3 單因素試驗[13-16]

1.4.3.1 料液比（m/V） 準確稱取原料200.0 g，利用組織搗碎機破碎至漿狀，以 1∶5，1∶6，1∶7，1∶8，1∶9（g/mL）的料液比添加無水乙醇溶液（乙醇有利于安全生產），50%功率超聲處理10min，在30℃條件下浸提30 min，過濾后取適當濾液真空干燥4 h，比色法測定活性成分含量并計算得率，考察不同料液比對提取率的影響。

1.4.3.2 溫度 準確稱取原料200.0 g，利用組織搗碎機破碎至漿狀，以1∶6（g/mL）的料液比添加無水乙醇溶液，50%功率超聲處理 10 min，分別在30，35，40，45，50 ℃條件下浸提 30 min，過濾后真空干燥4 h，比色法測定活性成分含量并計算得率，考察不同溫度對提取率的影響。

1.4.3.3 時間 準確稱取原料200.0 g，利用組織搗碎機破碎至漿狀，以1∶6（g/mL）的料液比添加無水乙醇溶液，50%功率超聲處理10 min，在30℃條件下分別浸提 20，30，40，50，60 min，過濾后真空干燥4 h，比色法測定活性成分含量并計算得率，考察不同時間對提取率的影響。

1.4.3.4 超聲功率 準確稱取原料200.0 g，利用組織搗碎機破碎至漿狀，以1∶6（g/mL）的料液比添加無水乙醇溶液，分別利用40%，50%，60%，70%，80%的功率超聲處理10min，在30℃條件下浸提30min，過濾后真空干燥4 h，比色法測定活性成分含量并計算得率，考察不同超聲功率對提取率的影響。

1.4.4 響應面試驗設計[17]在單因素試驗的基礎上，以蘆薈活性成分提取率為考察指標，選取4因素3水平進行響應面試驗設計，試驗因素及水平如表1所示。

表1 試驗設計因素與水平

1.5 數據分析

試驗結果采用Design-Expert 8.0.6軟件進行數據計算及分析，得出最佳提取工藝參數，同時進行驗證試驗。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 料液比對蘆薈活性成分提取率的影響 從圖1可以看出，提高溶劑用量，蘆薈活性成分提取率增加，料液比（1∶5）～（1∶6）（g/mL）增加幅度較大，料液比為1∶6（g/mL）時，蘆薈活性成分提取率達到 0.79%，但料液比（1∶6）～（1∶9）（g/mL）之間曲線趨于平緩，說明再次提高溶劑用量對提取率影響不大，據實際操作需要，料液比選擇1∶6（g/mL）為宜。

2.1.2 溫度對蘆薈活性成分提取率的影響 從圖2可以看出，當溫度為35～40℃時，蘆薈活性成分提取率提高較大，45℃達到最大提取率（1.23%）；溫度升高到50℃時提取率略有下降，可能溫度對可測活性成分造成損失，導致得率下降。綜合考慮，選擇40℃有利于活性成分的提取。

2.1.3 浸提時間對蘆薈活性成分提取率的影響從圖3可以看出，浸提30 min，能導致活性物質大幅溶出；浸提30～50 min，活性成分提取率增加緩慢；50 min時活性成分提取率達到最大值0.79%；再延長浸提時間至60 min，活性成分得率稍有下降，這可能是有機溶劑與部分活性成分發生了有機化學反應，因此，選擇30 min作為提取時間。

2.1.4 超聲功率對蘆薈活性成分提取率的影響由圖4可知，超聲處理能提升蘆薈活性成分提取率，超聲功率在40%～60%時，活性成分提取率增加較慢，超聲對植物細胞的處理效果不明顯；超聲功率為70%時，活性成分提取率達最大值（1.20%）；超聲功率為80%時，活性成分為1.13%，這可能是由于超聲對活性成分的破壞所致。因此，實際操作中選擇超聲功率為70%為宜。

2.2 響應面試驗結果[18-19]

2.2.1 響應面試驗結果及方差分析 利用Design-Expert 8.0.6軟件中的Box-Behnken程序進行試驗設計及分析，試驗方案及結果列于表2，分析結果列于表3。

表2 響應面試驗方案及結果

從表 3可以看出，料液比（A）、處理時間（C）、超聲功率（D）的一次項達到顯著水平（P＜0.05），表明這3個因素對蘆薈活性成分得率的線性效應顯著；AC，CD交互效應顯著（P＜0.05），說明各因素對蘆薈活性成分得率的影響是非線性的；所有二次項對蘆薈活性成分得率的曲面效應達到極顯著（P＜0.000 1）；二次方程模型達極顯著水平（P＜0.000 1），失擬項不顯著（P＞0.05），說明回歸方程對數據進行了較好的擬合，R2＝0.95，R2adj＝0.90，試驗結果是可信的。

二次回歸方程為 ：R1＝1.49＋0.044A＋5.642E－003B＋0.052C＋0.091D－0.032AB＋0.066AC＋0.016AD＋9.000E－004BC－0.034BD＋0.066CD－0.17A2－0.15B2－0.21C2－0.28D2。

表3 回歸模型方差分析

2.2.2 響應面分析及最優參數確定 因素對提取 率影響力的向應面和等高線如圖5所示。

從圖5可以看出，任何2個交互因素在試驗水平范圍內的響應值都有最大提取率。其中，料液比與提取時間的交互作用顯著，2個因素對提取率的影響程度比較均衡；提取時間與超聲功率的交互作用顯著，超聲功率對提取率的影響效果稍大于提取時間，說明了超聲對蘆薈組織細胞的破壞作用能提高提取率，其他交互作用不顯著。

根據軟件分析得出，蘆薈活性成分提取各因素的影響從大到小排序為D＞C＞A＞B，最佳工藝條件為：料液比為1∶6.17（g/mL），提取溫度為39.90℃，提取時間為31.79 min，超聲功率為71.87%，蘆薈活性成分得率理論預測值為1.50%。

3 結論

在單因素試驗的基礎上，采用響應面法對蘆薈活性成分提取工藝進行了優化，根據實際生產需要，最佳工藝參數為：料液比1∶6（g/mL），提取溫度40℃，提取時間30 min，超聲功率70%，建立了可信的預測模型，以獲得的最佳工藝參數進行了驗證試驗，蘆薈活性成分的得率為1.49%，與分析預測值1.50%比較接近，充分證明此優化方案可行，能夠為實際生產提供指導。