花椒生物堿提取工藝條件的優(yōu)化

羅建成，李杰，王瑩，程爽

（南陽(yáng)理工學(xué)院生化學(xué)院，河南南陽(yáng)473004）

花椒生物堿提取工藝條件的優(yōu)化

羅建成，李杰，王瑩，程爽

（南陽(yáng)理工學(xué)院生化學(xué)院，河南南陽(yáng)473004）

通過單因素及析因試驗(yàn)，確定對(duì)花椒生物堿得率影響顯著的因素，進(jìn)一步采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法對(duì)Box-Behnken試驗(yàn)的條件進(jìn)行優(yōu)化。綜合單因素試驗(yàn)、析因試驗(yàn)及Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果，確定最優(yōu)的花椒生物堿提取工藝條件為：乙醇濃度84%、料液比1∶16 g/mL、提取溫度72℃、提取時(shí)間90 min。在此條件下，花椒生物堿得率達(dá)0.461 2 mg/g。

花椒；生物堿；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；遺傳算法

花椒（Zanthoxylum bungeanum）是蕓香科灌木或小喬木花椒樹的果實(shí)，因其含有豐富的山椒素、植物留醇等化學(xué)成分而具有濃郁的麻香味，是上等調(diào)味香料，被稱為“八大味”之一［1-2］。除此之外，花椒中還含有生物堿、揮發(fā)油、黃酮、酰胺、香豆素等化學(xué)成分，特別是其所含的生物堿、揮發(fā)油具有較強(qiáng)的抑制血小板凝集作用、抗菌作用、抗炎鎮(zhèn)痛作用等，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)也有較強(qiáng)的藥理活性［3-5］。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）是由許多神經(jīng)元構(gòu)成的高度復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅具有普通非線性系統(tǒng)的特征，而且具有神經(jīng)元之間的廣泛互連性、自適應(yīng)性、自組織性等特征，可通過學(xué)習(xí)及訓(xùn)練達(dá)到預(yù)期的效果。BP算法具有較高的非線性映射能力和運(yùn)算水平，現(xiàn)己在函數(shù)擬合、預(yù)測(cè)、自動(dòng)控制和圖像識(shí)別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［6-8］。遺傳算法（GA）是一種借鑒生物界自然選擇和遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索算法，適用于處理復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題，能夠自適應(yīng)地控制優(yōu)化過程，并求得最優(yōu)解，廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域［9-10］。

在單因素試驗(yàn)、析因試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)花椒生物堿得率影響顯著的因素采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）結(jié)合遺傳算法（GA）對(duì)Box-Behnken（B-B）試驗(yàn)的條件進(jìn)行優(yōu)化，最終結(jié)合單因素試驗(yàn)、析因試驗(yàn)及Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果，確定最優(yōu)的花椒生物堿提取工藝條件，以期為花椒資源的深加工及綜合利用提供參考。

1材料與方法

1.1原料

花椒（超市購(gòu)買），粉碎，備用。

1.2試劑

鹽酸小檗堿標(biāo)準(zhǔn)品（購(gòu)自中國(guó)藥品生物制品檢定所）；硫酸、鹽酸（天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）、乙醇（天津化學(xué)試劑廠）等，以上試劑均為分析純。

1.3儀器設(shè)備

BS-210S電子天平：北京塞多利斯天平有限公司；CS101-A電熱恒溫干燥箱：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵：鄭州杜甫儀器廠；UV-l100可見光分光光度計(jì)：上海精密儀器廠；HH-S恒溫水浴鍋：鞏義設(shè)備有限公司；PYX-DHS-50X65-S恒溫振蕩器：上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；RE-52旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海亞榮生化儀器廠。

1.4單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別稱取2.0 g經(jīng)預(yù)處理的花椒粉，根據(jù)影響花椒生物堿得率的因素，選擇乙醇濃度、料液比、提取溫度、提取時(shí)間等4個(gè)因素作為考查因素，單因素試驗(yàn)時(shí)，每次固定其中3個(gè)因素，考查另一因素對(duì)花椒生物堿得率的影響。

1.5析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用Plaekett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)篩選單因素中對(duì)花椒生物堿得率影響顯著的因素，其中1代表每個(gè)因素中最高得率所對(duì)應(yīng)的水平，-1代表每個(gè)因素中最低得率所對(duì)應(yīng)的水平。

Plaekett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平如表1所示。

表1　Plaekett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平表Table 1Factor and level of Plaekett-Burman experiment design

1.6Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素及析因試驗(yàn)結(jié)果，確定提取時(shí)間為90 min，選取乙醇濃度、料液比、提取溫度3個(gè)因素為自變量，以生物堿得率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行三因素三水平的B-B試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平表如表2所示。

表2　Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平表Table 2Factor and level of Box-Behnken experiment design

1.7花椒生物堿檢測(cè)［11］

式中：Y為花椒生物堿得率，（mg/g）；a為花椒提取液吸光度；v為花椒提取液體積，mL；m為花椒質(zhì)量，g。

1.8BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）模型建立

隨機(jī)選擇Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)的12組數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的樣本，其余3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)用以檢驗(yàn)該網(wǎng)絡(luò)的泛化能力，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)的因素個(gè)數(shù)和待優(yōu)化指標(biāo)的個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，選擇收斂精度10-4，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

1.9遺傳算法（GA）優(yōu)化

利用遺傳算法（GA）對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）模型進(jìn)行全局尋優(yōu)，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值作為求解的目標(biāo)函數(shù)值，以Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)作為初始種群，種群規(guī)模15，交叉概率0.3，變異概率0.1。

2結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1乙醇濃度對(duì)花椒生物堿得率的影響

乙醇濃度對(duì)花椒生物堿得率的影響見圖1。

圖1　乙醇濃度對(duì)花椒生物堿得率的影響Fig.1The effect of ethanol concentration on Chinese prickly ash alkaloid

由圖1知，乙醇濃度在75%時(shí)生物堿得率最大，乙醇濃度過小，生物堿溶解度也較小，得率較低，乙醇濃度過大，樣品中的其他化合物如糖類、油脂等也會(huì)被提取出來，影響生物堿的提取。

2.1.2料液比對(duì)花椒生物堿得率的影響

料液比對(duì)花椒生物堿得率的影響見圖2。

生物堿提取時(shí)，提取過程的推動(dòng)力是濃度差，由圖2知，隨著料液比增加，當(dāng)達(dá)到1∶20 g/mL時(shí)，生物堿得率最大，此時(shí)，混合提取物已經(jīng)基本成為平衡體系，料液比超過1∶20 g/mL，由于過量的提取劑會(huì)影響整個(gè)體系的傳質(zhì)和傳熱，生物堿得率反而會(huì)降低。

圖2　料液比對(duì)花椒生物堿得率的影響Fig.2The effect of solid-liquid ratio on Chinese prickly ash alkaloid

2.1.3提取溫度對(duì)花椒生物堿得率的影響

提取溫度對(duì)花椒生物堿得率的影響見圖3。

圖3提取溫度對(duì)花椒生物堿得率的影響Fig.3The effect of extraction temperature on Chinese prickly ash alkaloid

圖3顯示隨提取溫度的升高，整個(gè)提取體系的分子熱運(yùn)動(dòng)速度加快，促進(jìn)了生物堿的浸出，故花椒中生物堿得率隨溫度的升高而增加；然而，若溫度高于60℃，繼續(xù)升高溫度，生物堿得率增加緩慢，而且，過高的溫度乙醇也易揮發(fā)，因此，提取溫度為60℃較為合適。

2.1.4提取時(shí)間對(duì)花椒生物堿得率的影響

提取時(shí)間對(duì)花椒生物堿得率的影響見圖4。

圖4　提取時(shí)間對(duì)花椒生物堿得率的影響Fig.4The effect of extraction time on Chinese prickly ash alkaloid

由圖4知，提取時(shí)間在30 min～90 min，花椒中生物堿得率呈上升趨勢(shì)，然后隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降，這可能是由于一定量的乙醇所能提取的生物堿有限，當(dāng)體系中生物堿的量已達(dá)平衡時(shí)，花椒生物堿不再溶出；隨提取時(shí)間繼續(xù)增加，已溶出的生物堿可能結(jié)構(gòu)被破壞，故生物堿得率逐漸下降。

2.2析因試驗(yàn)結(jié)果

析因試驗(yàn)結(jié)果見表3，析因試驗(yàn)結(jié)果的方差分析見表4。

表3　Plaekett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3The results of Plaekett-Burman experiment design

表4　方差分析表Table 4The analysis of variance table

由表4可知，乙醇濃度、料液比、提取溫度的P＜0.05，說明這3個(gè)因素有顯著影響，提取時(shí)間的P＞0.05，說明影響不顯著。因此，選擇乙醇濃度、料液比、提取溫度作為Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因子，進(jìn)行三因素三水平的Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.3BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立

Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果見表5。

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)的結(jié)果，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立Box-Behnken試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)及訓(xùn)練過程如圖5所示。

表5　Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 5The results of Box-Behnken experiment design

圖5　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程Fig.5The training process of BP neural network

由圖5知，隨訓(xùn)練次數(shù)增多，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差平方和逐漸減小，經(jīng)9 974次訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂，收斂精度達(dá)10-4。

2.4遺傳算法優(yōu)化結(jié)果

利用遺傳算法對(duì)所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全局尋優(yōu)，尋優(yōu)過程如圖6所示。

圖6　遺傳算法尋優(yōu)過程Figu.6The optimizing computation process of genetic algorithm

經(jīng)過100代遺傳進(jìn)化，遺傳算法預(yù)測(cè)的最佳結(jié)果為：乙醇濃度84.143 5%，料液比1∶16.177 7（g/mL），提取溫度71.745 1℃；花椒生物堿得率為0.456 9 mg/g。為便于實(shí)際操作，將遺傳算法預(yù)測(cè)的最佳條件修正為：乙醇濃度84%，料液比1∶16 g/mL，提取溫度72℃。

2.5最優(yōu)提取工藝的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素及析因試驗(yàn)結(jié)果，并與遺傳算法理論預(yù)測(cè)修正后的提取條件相結(jié)合，確定花椒生物堿最優(yōu)提取工藝條件為：乙醇濃度84%，料液比1∶16 g/mL，提取溫度72℃，提取時(shí)間90 min。根據(jù)此條件進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并取平均值，結(jié)果為0.461 2 mg/g。

3結(jié)論

1）根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)的結(jié)果，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了乙醇濃度、提取溫度、料液比對(duì)花椒生物堿提取試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)9 974次學(xué)習(xí)訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型收斂，收斂精度達(dá)10-4，說明所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型逼近能力較強(qiáng)，可將其應(yīng)用于這3個(gè)提取工藝參數(shù)的優(yōu)化。

2）根據(jù)單因素及析因試驗(yàn)結(jié)果，并與遺傳算法理論預(yù)測(cè)修正后的提取條件相結(jié)合，得到花椒生物堿最優(yōu)的提取工藝條件為：乙醇濃度84%，料液比1∶16 g/mL，提取溫度72℃，提取時(shí)間90 min。在此條件下，花椒生物堿得率可達(dá)0.461 2 mg/g。

［1］李洋，魏安智，楊途熙，等.花椒生物堿和揮發(fā)油含量的近紅外光譜無損檢測(cè)［J］.食品工業(yè)，2012，33（5）:122-125

［2］關(guān)榮琴，張鳴鏑，石雪萍，等.高速逆流色譜法分離花椒生物堿［J］.食品工業(yè)科技，2011，32（7）:257-259

［3］馬英姿，王平，楊波華.蜆殼花椒總生物堿的提取工藝［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，29（2）:68-72

［4］杜麗君，鄭國(guó)華，牛先前.花椒屬植物的藥理研究進(jìn)展與展望［J］.熱帶作物學(xué)報(bào)，2013，34（5）:995-999

［5］李宏梁，薛婷.花椒果皮的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)調(diào)味品，2014，39（1）: 124-128

［6］飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與MATLAB7實(shí)現(xiàn)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005

［7］劉冉，盧本捷.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法的對(duì)比及應(yīng)用［J］.軟件，2011（10）: 29-34

［8］張強(qiáng).BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)工程中的研究與應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)工程，2012，2（5）:17-20

［9］王萬良.人工智能及其應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2008

［10］叢爽.面向MATLAB工具箱的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用［M］.合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009

［11］徐蓉，陳鈞，徐驊，等.響應(yīng)面法優(yōu)化黃連黃柏中總生物堿的提取工藝［J］.中國(guó)實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志，2009，15（9）:26-29

The Optimization of Extracting Conditions of Chinese Prickly Ash Alkaloids

LUO Jian-cheng，LI Jie，WANG Ying，CHENG Shuang
（College of Biological and Chemical Engineering，Nanyang Institute of Technology，Nanyang 473004，Henan，China）

The significant factors effecting on the Chinese prickly ash alkaloids yield were determined through single factor experiments and factorial experiments，further Box-Behnken experiment design was used to arrange the next experiments，BP neural network combined with genetic algorithm were used to optimize the Box-Behnken test conditions.on the basis of single factor experiment，factorial experiment and Box-Behnken experiment results，the optimal extraction process conditions of Chinese prickly ash alkaloids were obtained such as follows：ethanol concentration 84%，solid-liquid ratio 1∶16 g/mL，extracting temperature 72℃，extracting time 90 minutes.The yield of Chinese prickly ash alkaloids could reach 0.461 2 mg/g under these conditions.

chinese prickly ash；alkaloid；BP neural network；genetic algorithm

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.17.019

2015-03-13

羅建成（1964—），男（漢），副教授，碩士，研究方向：生物工程。