響應(yīng)面優(yōu)化花生殼中木犀草素超聲提取工藝

崔建強(qiáng),劉 榮

(陜西國際商貿(mào)學(xué)院 醫(yī)藥學(xué)院,陜西 西安 710246)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對(duì)生活的質(zhì)量品質(zhì)也提出了更高的要求[1]。木犀草素具有許多生理活性如抑菌性、抗氧化性，故可以用作食品的防腐，用于抑制油脂的腐敗變質(zhì)[2～6]。但由于木犀草素的生產(chǎn)量低，達(dá)不到工業(yè)所需的量產(chǎn)要求，故并未被應(yīng)用于食品的防腐中去，從而有必要進(jìn)一步對(duì)木犀草素的提取工藝進(jìn)行研究。以花生殼為原材料提取木犀草素，不僅成本低廉，還可以提高花生殼的利用價(jià)值。因此，本課題利用響應(yīng)面法就超聲法提取花生殼中木犀草素進(jìn)行研究，對(duì)影響木犀草素提取率的因素進(jìn)行考察，確定超聲提取法提取花生殼中木犀草素的最優(yōu)提取工藝，為今后花生殼開發(fā)利用提供有效數(shù)據(jù)，并為今后實(shí)踐提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

花生殼，市售；木犀草素標(biāo)準(zhǔn)品(純度98%)，南京森貝伽生物科技有限公司；無水乙醇，陜西潤(rùn)泰化工科技有限公司；石油醚(沸程60-90)，陜西慈緣生物技術(shù)有限公司。

KQ2200DB型超聲波清洗器，上海精密儀器儀表有限公司；SHZ-D(Ш)循環(huán)式多用真空泵，上海圣科儀器設(shè)備有限公司。FW-100D型高速萬能粉碎機(jī)，天津泰斯特儀器有限公司。離心機(jī)TGL-15B,濟(jì)南來寶實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司。

1.2 花生殼前處理

首先準(zhǔn)備花生殼，進(jìn)行簡(jiǎn)單挑選，確保沒有霉變部分；用水進(jìn)行沖洗，直到完全干凈；將處理好的花生殼自然晾干，去除上面水分；準(zhǔn)備粉碎機(jī)，將完全干燥的花生殼投入，充分粉碎。

1.3 木犀草素提取

在不同的乙醇濃度下，調(diào)節(jié)超聲波參數(shù)，調(diào)節(jié)溫度、時(shí)間和液固比，提取，過濾，將溶劑分濾出，對(duì)殘余物質(zhì)進(jìn)行擠壓，再次去除水分；沉淀，清除雜質(zhì)，純化后得到木犀草素成品，稱取一定量木犀草素成品，并加入一定量的無水乙醇在超聲波的條件下進(jìn)行溶解，配成待測(cè)溶液，測(cè)定其吸光度，計(jì)算獲得提取率。

1.4 木犀草素提取率測(cè)定

本文主要采用紫外分光光度法對(duì)木犀草素的提取率進(jìn)行測(cè)定，制備單因素實(shí)驗(yàn)所得樣品的供試品溶液。測(cè)定其吸光度，計(jì)算獲得提取率R。

y=79.1x+0.031 (x：代表濃度 y：代表吸光度)

R=(d·C·V/1 000 M)×100% (d：代表稀釋倍數(shù) C：代表測(cè)得的木犀草素的濃度(mg·mL-1)V：代表樣液體積(mL) M：代表花生殼樣品的質(zhì)量(g))

1.5 提取工藝優(yōu)化

1.5.1 單因素實(shí)驗(yàn) 在乙醇用量為100 mL、分別考察乙醇濃度(50%、60%、70%、80%、90%)、液料比(10∶ 1 mL·g-1、15∶ 1 mL·g-1、20∶ 1 mL·g-1、25∶ 1 mL·g-1，30∶ 1 mL·g-1)、超聲功率(120 W、140 W、160 W、180 W、200 W)、提取時(shí)間(20 min、30 min、40 min、50 min、60 min)對(duì)提取率的影響。

1.5.2 響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn) 響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是統(tǒng)計(jì)學(xué)的處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，行三水平Box-Behnken實(shí)驗(yàn)，獲最優(yōu)提取工藝[7～10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過圖1可知，隨著超聲時(shí)間(圖1 d)的延長(zhǎng)，木犀草素的提取率開始時(shí)緩慢上升，在40min后逐漸下降，但總體的波動(dòng)情況不大。故超聲時(shí)間對(duì)提取率波動(dòng)較小。因此，考慮到高效、節(jié)能等因素，選擇40min為最優(yōu)超聲時(shí)間，其它3個(gè)因素通過響應(yīng)曲面法優(yōu)化。

圖1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素的試驗(yàn)結(jié)果，選取對(duì)木犀草素提取率影響最為明顯的3個(gè)因素為乙醇的濃度、液料比、超聲功率作為自變量，以木犀草素的提取率作為因變量，根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)原理，獲取最優(yōu)提取工藝，因素與水平見表1，響應(yīng)曲面法優(yōu)化見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平

表2 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 檢驗(yàn)結(jié)果 通過Design-Expert8.0.6軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析，可以得到木犀草素提取率對(duì)乙醇濃度(A)、液料比(B)、超聲功率(C)的二次多元回歸方程式：Y=0.42+5.000×10-3A+2.500×10-3B+0.020C-7.500×10-3AB-2.500×10-3AC-7.500×10-3BC-0.030A2-0.020B2-0.075C2,(R2=0.9950，P<0.0001)。通過采用ANOVA軟件分析，結(jié)果如表3。

表3 方差分析

(注：“***”為P<0.0001，差異極顯著；“**”為P<0.05，差異較顯著；)

2.2.3 交互作用 乙醇的濃度、液料比和超聲功率這三個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)兩兩交互作用對(duì)提取率作用結(jié)果分別見下面圖2、圖3、圖4。

圖2 A與B的響應(yīng)面圖和等高線

圖2為 A與B對(duì)花生殼中木犀草素提取率響應(yīng)曲面圖。由三維圖可知，液料比的坡面比乙醇濃度的坡面稍緩，說明液料比的二次項(xiàng)對(duì)提取率的影響小于乙醇濃度。由右圖可以確定的最優(yōu)條件范圍為：乙醇濃度65%～75%，液料比為19:1-21:1(mL·g-1)。

圖3 A與C的響應(yīng)面圖和等高線

由圖3三維圖可以看出，超聲功率的坡面比乙醇濃度的坡面陡峭，說明超聲功率的二次項(xiàng)對(duì)提取率有明顯的影響，而乙醇濃度相對(duì)來說影響較小。由右圖可以確定的最佳參數(shù)范圍為：超聲功率為156 W-172 W，乙濃度65%～75%。

圖4 B與C的響應(yīng)面圖和等高線

由圖4可以看出，液料比的坡面比超聲功率的坡面緩，說明液料比的二次項(xiàng)對(duì)提取率的影響小于超聲功率。由等高線圖可以確定的最佳參數(shù)范圍為：超聲功率為156 W-172 W，液料比為19∶ 1-21∶ 1(mL·g-1)。由響應(yīng)面得出的最佳的方案：乙醇濃度為70.74%、液料比20.12∶ 1(mL·g-1)、超聲功率為162.62 W，在此方案下提取率為0.42%。

2.2.4 回歸模型驗(yàn)證 為了檢驗(yàn)該回歸模型是否準(zhǔn)確，將實(shí)驗(yàn)系數(shù)修正為乙醇濃度為70%、液料比20∶ 1 mL·g-1、超聲功率為180 W。進(jìn)行5次驗(yàn)證試驗(yàn)，木犀草素的提取率值為0.43%，與預(yù)測(cè)的值擬合，證明該模型設(shè)計(jì)的合理。

表4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

本課題首先通過單因素的實(shí)驗(yàn)選取乙醇的濃度、液料比、超聲功率三個(gè)因素。然后用響應(yīng)面法對(duì)這三個(gè)因素進(jìn)行了三因素三水平的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，構(gòu)造了關(guān)于木犀草素提取率的二次多項(xiàng)式回歸方程的模型。運(yùn)用該模型進(jìn)行軟件的分析和計(jì)算，獲最優(yōu)提取工藝為：乙醇濃度70%，液料比為20：1 mL·g-1，超聲功率為180 W，時(shí)間為40 min。并進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果與預(yù)測(cè)值相似。