響應(yīng)曲面法優(yōu)化超聲-微波協(xié)同提取百合渣中總皂苷工藝的研究

潘青友，童群義

（江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122）

響應(yīng)曲面法優(yōu)化超聲-微波協(xié)同提取百合渣中總皂苷工藝的研究

潘青友，童群義*

（江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122）

以宜興百合淀粉生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物百合渣為原料，采用超聲-微波協(xié)同提取工藝提取其中的總皂苷，通過(guò)乙醇濃度、液料比、微波功率、提取時(shí)間各單因素實(shí)驗(yàn)確定各因素對(duì)總皂苷得率的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)原理，采用了四因素三水平的響應(yīng)面分析法，以總皂苷的得率作為響應(yīng)值，根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，優(yōu)選出提取的最佳工藝為：乙醇濃度77%，液料比11∶1（mL/g），微波功率503W，提取時(shí)間139s，在此最佳條件下，測(cè)得總皂苷的得率為6.59‰。該工藝運(yùn)用了超聲與微波的協(xié)同效應(yīng)，集取了超聲與微波二者優(yōu)勢(shì)，具有提取時(shí)間短、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

百合渣，超聲-微波協(xié)同提取，響應(yīng)面設(shè)計(jì)法，總皂苷

Abstract：The residue of the by-products in the starch production process of Yixing lily was analyzed as the extracted material to study the optimum procedures of the ultrasound-microwave synergy extraction method．Effects of thanol concentration，liquid-solid ratio，microwave power and extraction time on yield of total saponins were determined.Based on the results of single factor test，as well as Box-Behnken experiment principle，the four factors and three levels response surface method（RSM）test was designed and the yield of total saponins was determined as response value.The optimum extracting parameters to achieve the highest total saponins yield of 6.59‰ was obtained as follows：ethanol concentration（v/v） of 77%，liquid to solid ratio of 11∶1（mL/g），microwave power of 503W，and extraction time 139s.The ultrasound-microwave synergy extraction technique combined with the advantages of microwave and ultrasonic was a new method of higher efficiency，lower temperature and less time consumption.

Key words：lily residue；ultrasound-microwave synergy extraction；response surface method；total saponins

百合是國(guó)家衛(wèi)生部首批頒布的“藥食兼用”傳統(tǒng)資源，其鱗莖性甘微寒，有潤(rùn)肺止咳、清心安神、調(diào)理脾胃、補(bǔ)中益氣、利尿、增強(qiáng)免疫等功效[1-3]，近幾年國(guó)內(nèi)外研究表明百合的保健功效與其所含的皂苷密切相關(guān)[4]。超聲-微波協(xié)同萃取為近年來(lái)發(fā)展的一門(mén)新技術(shù)，把超聲-微波協(xié)同技術(shù)用于百合渣總皂苷的提取，既降低操作費(fèi)用，又合乎環(huán)境保護(hù)的要求，是具有良好發(fā)展前景的新工藝[5-7]。響應(yīng)曲面法（response surface methodology，RSM）是一種實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方法，可以建立連續(xù)變量曲面模型，對(duì)因子及其交互作用也可以進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定最佳水平范圍[7]。近年來(lái)，百合淀粉的需求量不斷攀升，百合生產(chǎn)淀粉過(guò)程中產(chǎn)生的百合渣和上清水往往要廢棄，而百合的功效成分正是殘留在百合渣及上清水中，本工作擬利用超聲-微波協(xié)同萃取裝置提取百合渣中的總皂苷，應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析，得出從百合渣中提取總皂苷的最優(yōu)條件，為百合生產(chǎn)淀粉企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最大化提供科學(xué)依據(jù)和可行性參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

百合 購(gòu)于江蘇無(wú)錫菜市場(chǎng)；鱗莖 洗凈后用組織搗碎機(jī)搗碎，搗碎液經(jīng)紗布過(guò)濾，并用清水沖洗至洗出液澄清，洗出液在常溫下靜置2h后得沉淀物，即百合淀粉；百合渣 紗布中殘?jiān)?0℃烘箱內(nèi)烘至水分含量低于10%，經(jīng)萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎后過(guò)60目篩，得供試樣品；乙醇、乙醚、冰乙酸、正丁醇、高氯酸、甲醇、香草醛 均為分析醇；薯蕷皂苷對(duì)照品 購(gòu)于中檢所。

UV-2100型紫外分光光度儀 上海龍尼柯儀器有限公司；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海申生科技有限公司；CW-2000型超聲-微波協(xié)同萃取儀 上海新拓微波溶樣測(cè)試技術(shù)有限公司；FW-80-I高速萬(wàn)能粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司；DS-200高速組織粉碎機(jī) 江蘇江陰科研器械廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作[8]準(zhǔn)確稱(chēng)取薯蕷皂苷對(duì)照品5mg，置于50mL容量瓶中，加適量甲醇溶解后定容，準(zhǔn)確移取薯蕷皂苷對(duì)照液0.4、0.8、1.2、1.6、2.0mL置于具塞試管內(nèi)并揮干溶劑，分別加5%香草醛-冰醋酸溶液0.2mL和高氯酸0.8mL，混勻、密塞、置于60℃恒溫水浴中加熱15min后，取出后立即以冰水冷卻5min，各加入冰醋酸5.0mL，搖勻，靜置l0min，對(duì)照組為試劑空白，于540nm處測(cè)其吸光度。并以樣品取樣量為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.2 樣品中總皂苷的提取及測(cè)定 按2.00g/份取樣，樣品在相應(yīng)濃度的乙醇中浸泡充分，再用不同濃度、不同體積的乙醇在不同微波功率下進(jìn)行超聲-微波協(xié)同提取不同時(shí)間，真空過(guò)濾后旋蒸回收乙醇。殘?jiān)铀怪芙?，乙醚萃取至醚層無(wú)色，棄醚液，水層用水飽和的正丁醇萃取水層至正丁醇層無(wú)色，回收正丁醇。所得溶液用甲醇溶解定容至100mL，吸取百合渣總皂苷提取液1.0mL置于具塞試管內(nèi)。按標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定方法，測(cè)定其吸光度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算總皂苷含量并按公式轉(zhuǎn)換成總皂苷得率。

轉(zhuǎn)換公式：總皂苷得率（‰）=總皂苷測(cè)得量X×100/2=50X

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn) 以百合總皂苷得率為響應(yīng)指標(biāo)，研究乙醇濃度、液料比、微波功率、微波時(shí)間各個(gè)因素對(duì)百合總皂苷得率的影響規(guī)律。

1.2.4 響應(yīng)曲面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，選取A乙醇濃度（%）、B液料比（mL/g）、C微波功率（W）、D提取時(shí)間（s）四個(gè)主要因素，采用中心組合實(shí)驗(yàn)Box-Behnken設(shè)計(jì)方案進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1。

表1 總皂苷超聲-微波提取實(shí)驗(yàn)的因素與水平Table 1 Factors and levels of ultrasound-microwave synergy extraction test of total saponins

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)分析

2.1.1 乙醇濃度對(duì)總皂苷得率的影響 選擇液料比10∶1（mL/g）、微波功率500W、微波時(shí)間135s，以總皂苷得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察乙醇濃度對(duì)百合渣總皂苷得率的影響。由圖1可知，百合皂苷得率在乙醇濃度為80%時(shí)得率最高。乙醇濃度小于80%時(shí)總皂苷得率隨濃度的升高而升高，在60%后上升加快；這是因?yàn)楦邼舛纫掖加欣诖既苄缘脑碥疹?lèi)物質(zhì)溶出。乙醇濃度超過(guò)80%后總皂苷得率隨乙醇濃度的升高反而降低；這可能是因?yàn)檫^(guò)高濃度的乙醇不利于水溶性較大的皂苷類(lèi)物質(zhì)溶出；另外一個(gè)因素可能是由于高濃度乙醇溶出較多醇溶性雜質(zhì)，這些成分阻礙了皂苷類(lèi)化合物的溶出。

圖1 乙醇濃度對(duì)總皂苷得率的影響Fig.1 Effect of ethanol concentration on yield of total saponins

2.1.2 液料比對(duì)總皂苷得率的影響 選擇乙醇濃度80%，微波功率500W、微波時(shí)間135s，以總皂苷得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察液料比對(duì)百合渣總皂苷得率的影響。由圖2可知，液料比12∶1之前，總皂苷得率隨著液料比的增加而增加；這是因?yàn)殡S著溶劑量的變大總皂苷溶出量增加。液料比超過(guò)12∶1之后，總皂苷得率隨著液料比的增加而略有下降；這可能是因?yàn)槿軇┝窟^(guò)大時(shí)微波和超聲的能量過(guò)多作用于溶劑，物料吸收的能量反而變少，從而導(dǎo)致總皂苷的溶出量下降。

圖2 液料比對(duì)總皂苷得率的影響Fig.2 Effect of liquid-solid ratio on yield of total saponins

2.1.3 微波功率對(duì)總皂苷得率的影響 選擇乙醇濃度80%、液料比10∶1（mL/g）、微波時(shí)間為135s，以總皂苷得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察微波功率對(duì)百合渣總皂苷得率的影響。由圖3可知，在微波功率低于500W時(shí)總皂苷得率隨著微波功率的增強(qiáng)而增加；這是因?yàn)殡S著微波功率的提高，被提取物吸收的微波能量增多，物系的溫度上升加快，分子的擴(kuò)散速度加快，從而總皂苷得率有所上升。超過(guò)500W之后，微波的熱效應(yīng)可能使局部溫度升高過(guò)快，部分皂苷分解，導(dǎo)致總皂苷得率有所下降。

圖3 微波功率對(duì)總皂苷得率的影響Fig.3 Effect of microwave power on yield of total saponins

2.1.4 提取時(shí)間對(duì)總皂苷得率的影響 選擇乙醇濃度80%、液料比10∶1（mL/g）、微波功率為500W，以總皂苷得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察提取時(shí)間對(duì)百合渣總皂苷得率的影響。由圖4可知，提取時(shí)間小于135s時(shí)，總皂苷得率隨著時(shí)間的增加而增加。超過(guò)135s后，總皂苷得率隨時(shí)間的增加略有下降，這可能是因?yàn)椴糠衷碥赵陂L(zhǎng)時(shí)間微波輻射后局部高溫致其分解。達(dá)到180s后，總皂苷得率隨時(shí)間的增加變化很小，這說(shuō)明不耐熱的皂苷基本分解完全，而且總皂苷的提取已接近完全。

圖4 提取時(shí)間對(duì)總皂苷得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on yield of total saponins

2.2 百合生產(chǎn)淀粉廢渣總皂苷提取工藝的響應(yīng)面分析[9-10]

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)Box—Benhnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以總皂苷得率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)四因素三水平響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，利用Design-Expert軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1.1 微波-超聲協(xié)同提取百合生產(chǎn)淀粉廢渣總皂苷實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果 Box—Benhnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果見(jiàn)表2。

2.1.2 模型建立及顯著性分析 利用Design Expert軟件進(jìn)行多元回歸擬合，建立總皂苷得率與乙醇濃度、液料比、微波功率、提取時(shí)間四因素的數(shù)學(xué)回歸模型。由F值可知，各因素對(duì)總皂苷提得率的影響程度大小順序依次為：乙醇濃度＞液料比＞提取時(shí)間＞微波功率。去掉不顯著項(xiàng)，得到二次回歸方程為：

Y=6.51+0.4x1+0.11x2+0.33x2x4-0.097x1x4-1.12x12-0.56x22-0.31x32-0.29x42

該方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.9908，模型擬合程度良好，可用該模型對(duì)未知條件下總皂苷得率進(jìn)行預(yù)測(cè)。由表3可知，整體模型達(dá)極顯著水平（p＜0.01），表明該二次方程模型極顯著，不同處理間的差異高度顯著。失擬項(xiàng)不顯著（p=0.9927），表明模型選擇合適。

運(yùn)用二次模型進(jìn)行變異分析（Analysis of variance，ANOVA），結(jié)果表明，響應(yīng)值總皂苷得率（Y）模型極顯著。由表3可知，一次項(xiàng)乙醇濃度（A）、液料比（B）極顯著，微波功率（C）、提取時(shí)間（D）不顯著。二次項(xiàng)均達(dá)到極顯著水平。交互項(xiàng)BD極顯著，AD顯著，其余交互項(xiàng)不顯著。

表2 實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Test designs and extraction results

表3 回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of significance test of regression coefficient

2.1.3 各因素對(duì)總皂苷得率的交互影響 由圖5可知，乙醇濃度對(duì)總皂苷得率影響極顯著。微波功率和提取時(shí)間在零水平時(shí)，在一定的液料比下，總皂苷得率隨乙醇濃度的變化先快速上升（＜75%）后緩慢下降（＞75%），在乙醇濃度為75%左右的時(shí)候，總皂苷得率達(dá)到最大值；隨著液料比的由小變大，乙醇濃度與總皂苷得率相關(guān)曲線呈現(xiàn)由平緩到明顯然后又趨于平緩的狀態(tài)。液料比對(duì)總皂苷得率影響顯著?？傇碥盏寐孰S液料比的變化呈現(xiàn)先快速上升后略有下降的趨勢(shì)；但這一相關(guān)曲線受乙醇濃度變化的影響不大。通過(guò)圖5及方差分析中的F值可以得出乙醇濃度對(duì)總皂苷得率的影響大于液料比對(duì)總皂苷得率的影響。

圖5 Y=f（A，B）的響應(yīng)曲面Fig.5Response surface plot of Y=f（A，B）

圖6 Y=f（A，C）的響應(yīng)曲面Fig.6Response surface plot of Y=f（A，C）

由圖6可知，總皂苷得率隨乙醇濃度的變化呈先快速上升后緩慢下降的曲線關(guān)系，但微波功率的變化對(duì)這一曲線影響不大。總皂苷得率隨著微波功率的變化不明顯，只是略有一個(gè)先上升后下降的趨勢(shì)。通過(guò)圖6及方差分析中的F值可以得出乙醇濃度對(duì)總皂苷得率的影響大于微波功率對(duì)總皂苷得率的影響。

圖7 Y=f（A，D）的響應(yīng)曲面Fig.7Response surface plot of Y=f（A，D）

由圖7可知，乙醇濃度和提取時(shí)間交互作用顯著。在一定的提取時(shí)間下，總皂苷得率隨乙醇濃度的變化總體呈現(xiàn)先快速上升后緩慢下降的曲線關(guān)系。隨著提取時(shí)間由小到大，總皂苷得率與乙醇濃度相關(guān)曲線呈現(xiàn)由平緩到明顯然后又趨于平緩的狀態(tài)?？傇碥盏寐孰S著提取時(shí)間的變化不明顯。通過(guò)圖7及方差分析中的F值可以得出乙醇濃度對(duì)總皂苷得率的影響大于提取時(shí)間對(duì)總皂苷得率的影響。

圖8 Y=f（B，D）的響應(yīng)曲面Fig.8Response surface plot of Y=f（B，D）

由圖8可以看出，提取時(shí)間和液料比的交互作用極顯著。在較短的提取時(shí)間下，總皂苷得率隨液料比的變化呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的曲線關(guān)系；而在較長(zhǎng)的提取時(shí)間下，曲線的最高點(diǎn)右移，總皂苷得率隨液料比的變化在圖中呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在較小的液料比下，總皂苷得率隨提取時(shí)間的變化呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的曲線關(guān)系；而在較大的液料比下，曲線的最高點(diǎn)向大數(shù)值方向移動(dòng)，總皂苷得率隨提取時(shí)間的變化在圖中呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

3 結(jié)論

用超聲-微波協(xié)同萃取手段提取百合渣中總皂苷，利用曲面響應(yīng)發(fā)探索最優(yōu)條件，得出：在實(shí)驗(yàn)的參數(shù)范圍內(nèi)，各因素對(duì)總皂苷得率的影響大小順序?yàn)椋阂掖紳舛龋疽毫媳龋咎崛r(shí)間＞微波功率。通過(guò)對(duì)總皂苷得率工藝進(jìn)行的優(yōu)化，得到的優(yōu)化條件為：77%的乙醇，液料比11∶1（mL/g），微波功率503W，提取時(shí)間139s條件下，測(cè)得總皂苷的得率為6.59‰。

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Optimization of ultrasound-microwave synergistic extraction of total saponins from lily residue by response surface methodology

PAN Qing-you，TONG Qun-yi*
（School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

TS201.1

B

1002-0306（2012）16-0273-04

2011－11－09 *通訊聯(lián)系人

潘青友（1987-），男，碩士，研究方向：碳水化合物功能及應(yīng)用。