響應(yīng)面法優(yōu)化花椒總多酚的吸附分離工藝

盧桃玲，歐陽玉祝，張曉旭，唐頊婉

(吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000)

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響應(yīng)面法優(yōu)化花椒總多酚的吸附分離工藝

盧桃玲，歐陽玉祝，張曉旭，唐頊婉

(吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000)

摘要：以花椒籽為原料，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，用響應(yīng)面法優(yōu)化花椒總多酚的大孔樹脂吸附分離工藝，考察了pH值、吸附溫度和吸附時(shí)間對(duì)總多酚提取率的影響，建立了數(shù)學(xué)模型，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)和方差分析.結(jié)果表明，在pH值6.0，70 ℃吸附90 min后，總多酚提取率為3.867 2%，模型預(yù)測(cè)值為3.929 7%，組合實(shí)驗(yàn)結(jié)果比模型預(yù)測(cè)值小0.062 5%.

關(guān)鍵詞：花椒；總多酚；吸附分離；響應(yīng)面法

花椒(Zanthoxylumbungeagum)屬蕓香科落葉灌木，是中國特有的食用香料，其種子含油率為25%~30%，廣布于中國四川省、甘肅省、湖南省、湖北省、重慶省、貴州省等20多個(gè)省市[1-2].研究表明，花椒果皮中含有豐富的揮發(fā)油、生物堿、酰胺、黃酮、脂肪酸、甾醇和香豆素類成分[3-6].植物多酚是一種存在于植物體內(nèi)的多環(huán)多酚羥基化合物，具有良好的抗衰老、抗氧化和清除自由基等作用[7-10]，用于食品、醫(yī)藥和日用化工領(lǐng)域.響應(yīng)面法是一種先進(jìn)的工藝優(yōu)化方法，在天然產(chǎn)物研究和礦產(chǎn)加工領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[11-13].本實(shí)驗(yàn)用響應(yīng)面法優(yōu)化花椒總多酚的分離工藝，研究結(jié)果對(duì)花椒的開發(fā)利用有較大的應(yīng)用價(jià)值.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

1.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器UV-2450型紫外可見分光光度計(jì)(日本島津公司)；RE-85Z旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海市青浦儀器公司)；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵(鄭州市長城科工貿(mào)有限公司)；KQ-250E型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；JA2003N型電子天平(上海市精密儀器廠)；M22型中量制備儀(天津市玻璃廠).

1.1.2 實(shí)驗(yàn)試劑花椒購置于湖南省吉首市市場(chǎng)，干花椒用粉碎機(jī)粉碎到30目，備用；無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、鎢酸鈉、鉬酸鈉、磷酸、硫酸鋰、雙氧水均為國產(chǎn)分析純；沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)品購置于上海市滬宇生物科技有限公司；D-101大孔吸附樹脂購置于天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 大孔樹脂的預(yù)處理新購的D-101型大孔吸附樹脂按文獻(xiàn)[10]進(jìn)行預(yù)處理，濕樹脂貯存于冰箱中，使用時(shí)充分搖勻.

1.2.2 總多酚的提取取100 g干花椒粉末于1 000 mL圓底燒瓶中，加入70%乙醇水溶液700 mL，置于超聲波清洗器中，60 ℃超聲提取60 min，抽濾，濾液中加過量的飽和澄清石灰水溶液沉淀，抽濾，濾渣用3%的稀硫酸分解，抽濾，棄濾渣，濾液定容到2 000 mL容量瓶中，備用.

1.2.3 總多酚的吸附分離取按1.2.2節(jié)方法制得的花椒提取液50 mL于100 mL具塞錐形瓶中，按固液比1∶10(g/mL)加經(jīng)預(yù)處理的濕D-101型大孔吸附樹脂，在不同溫度和不同pH值下攪拌靜態(tài)吸附一定時(shí)間，抽濾，樹脂加60%乙醇溶液50 mL，在振動(dòng)器上常溫震蕩90 min，抽濾，濾液定容到50 mL容量瓶中，用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)總多酚質(zhì)量濃度.

1.3 分析方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制準(zhǔn)確稱取10.000 0 mg沒食子酸對(duì)照品溶解后定容于100 mL容量瓶中，配成0.100 0 g/L標(biāo)準(zhǔn)貯備液，采用梯度稀釋法稀釋成系列標(biāo)準(zhǔn)溶液.根據(jù)文獻(xiàn)[14]按Folin￣Ciocaileu比色法用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)760 nm處的吸光度，以吸光度為橫坐標(biāo)、質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線.實(shí)驗(yàn)結(jié)果用計(jì)算機(jī)進(jìn)行線性回歸得回歸方程C=0.036 4A，相關(guān)系數(shù)為R2=0.998 9，其中C為沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度(g/L)，A為標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度.

1.3.2 樣品中總多酚含量測(cè)定準(zhǔn)確吸取2 mL提取液于25 mL容量瓶中，按1.3.1節(jié)方法用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)760 nm波長處的吸光度，將吸光度代入回歸方程計(jì)算總多酚質(zhì)量濃度和質(zhì)量，按下式計(jì)算總多酚的提取率：

2結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 pH值的影響本實(shí)驗(yàn)的吸附樹脂是中性D-101型大孔吸附樹脂，因此吸附液的pH值將直接影響樹脂的吸附量.為了考察pH值對(duì)總多酚提取率的影響，取按1.2.2節(jié)方法制得的花椒果皮提取液50 mL，按1.2.3節(jié)方法進(jìn)行吸附，60 ℃溫度下靜態(tài)吸附120 min，結(jié)果如圖1所示.圖1表明，在pH值為5時(shí)多酚的提取率最大，為4.022 9%.大孔樹脂對(duì)花椒多酚的吸附在一定的pH值時(shí)達(dá)到吸附平衡，平衡時(shí)吸附到樹脂上的總多酚與解吸下來的總多酚相等，pH值太大或太小都將影響大孔樹脂對(duì)總多酚的吸附量，pH值為5時(shí)，樹脂對(duì)總多酚的吸附量最大，所以總多酚提取率最大.

2.1.2 吸附時(shí)間的影響取按1.2.2節(jié)方法制得的花椒果皮提取液50 mL，調(diào)節(jié)溶液pH值為5，按1.2.3節(jié)方法在60 ℃溫度下分別吸附30，60，90，120，150，180 min，考察吸附時(shí)間對(duì)總多酚提取率的影響，結(jié)果如圖2所示.圖2表明，花椒多酚的提取率隨吸附時(shí)間的增加而增大.當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)120 min時(shí)，總多酚提取率達(dá)最大值4.015 6%，吸附時(shí)間大于120 min后提取率稍有減少.這說明吸附時(shí)間太短，吸附未達(dá)平衡，樹脂沒有達(dá)到最大吸附量，吸附時(shí)間大于120 min后，吸附在樹脂上的總多酚會(huì)被氧化，導(dǎo)致總多酚提取率稍有減少.

圖1　pH值對(duì)總多酚提取率的影響

圖2　吸附時(shí)間對(duì)總多酚提取率的影響

圖3　吸附溫度對(duì)總多酚提取率的影響

2.1.3 吸附溫度的影響總多酚含有多個(gè)酚羥基，具有較強(qiáng)的還原性，對(duì)吸附溫度比較敏感.為了考察溫度對(duì)大孔樹脂吸附總多酚的提取率影響，取按1.2.2節(jié)方法制得的花椒果皮提取液50 mL，調(diào)節(jié)溶液pH值為5，按1.2.3節(jié)方法分別在30，40，50，60，70，80℃吸附120 min，結(jié)果如圖3所示.圖3表明，吸附溫度在60 ℃時(shí)總多酚的提取率最大，為3.999 3%.這說明溫度過低，吸附不能達(dá)到最大吸附量，而溫度過高會(huì)導(dǎo)致總多酚氧化.

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 Box￣behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)單因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行Box￣behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì).選擇吸附溫度、時(shí)間和pH值3個(gè)影響因素，每個(gè)因素設(shè)3個(gè)水平，設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，試驗(yàn)水平結(jié)果見表1.

表1　Box￣behnken試驗(yàn)因素水平

2.2.2 Box￣behnken實(shí)驗(yàn)結(jié)果以總多酚提取率為響應(yīng)值，按1.2.3節(jié)方法進(jìn)行Box￣behnken吸附分離試驗(yàn)，結(jié)果見表2.

表2　Box￣behnken實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 模型的建立與顯著性檢驗(yàn)將表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Designexpert8.0軟件進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)分析，得總多酚提取率(Y)對(duì)吸附溫度(X1)、吸附時(shí)間(X2)和pH值(X3)的二次多項(xiàng)式回歸方程為

Y=3.71+0.17X1+0.12 X2+0.09 X3-0.15 X1X2+0.2 X1X3-

表3　模型的顯著性檢驗(yàn)與方差分析

注“**”表示極顯著(P<0.01)，“*”表示顯著(0.01

2.2.4 響應(yīng)面分析根據(jù)回歸模型繪制各因素交互影響的響應(yīng)面圖，用Design expert 8.0軟件考察擬合響應(yīng)曲面的形狀，分析各因素的交互影響大小和各因素對(duì)總多酚提取率的影響，結(jié)果如圖4所示.響應(yīng)面圖的曲面陡峭程度能夠反映出各因素交互影響的大小，曲面陡峭表明交互影響顯著，曲面平緩則交互影響不顯著.圖4表明，圖4a和圖4b曲面陡峭，說明吸附溫度與時(shí)間、吸附溫度與pH值的交互影響很顯著；圖4c曲面平緩，說明pH值與時(shí)間兩因素的交互影響不顯著，與表3結(jié)果吻合.利用Design expert 8.0軟件結(jié)合回歸模型，預(yù)測(cè)吸附分離花椒總多酚的最佳工藝條件為：吸附溫度70 ℃，吸附時(shí)間90 min，pH值6，模型預(yù)測(cè)值3.929 7%.

圖4　因素交互影響的響應(yīng)面圖

2.2.5 優(yōu)化工藝組合試驗(yàn)為了檢驗(yàn)響應(yīng)面法優(yōu)化模型所預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，在模型優(yōu)化的最佳條件(吸附溫度70 ℃，吸附時(shí)間90 min，pH值6)下進(jìn)行組合驗(yàn)證試驗(yàn)，平行試驗(yàn)5次，取平均值，結(jié)果見表4.表4結(jié)果表明，模型優(yōu)化條件組合試驗(yàn)的總多酚提取率為3.867 2%，比模型預(yù)測(cè)值小0.062 5%，說明模型預(yù)測(cè)結(jié)果是合理的.

表4　優(yōu)化試驗(yàn)條件組合實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3結(jié)論

大孔樹脂吸附法分離花椒總多酚，有分離效果好、操作簡單、不影響分離產(chǎn)物活性等特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值.試驗(yàn)以總多酚提取率為響應(yīng)值，在固液比為1∶10(g/mL)，吸附pH值為6，70 ℃溫度下吸附90 min，總多酚提取率為3.867 2%，組合實(shí)驗(yàn)結(jié)果比模型預(yù)測(cè)值小0.062 5%，優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型合理.

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(責(zé)任編輯向陽潔)

Optimization on Adsorption Separation Technology of Total Polyphenol in

ZanthoxylumBungeagumby Response Surface Methodology

LU Taoling,OUYANG Yuzhu,ZHANG Xiaoxu,TANG Xuwan

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Jishou University,Jishou 416000,Hunan Chian)

Abstract:With Zanthoxylum bungeagum seed as test raw material,adsorption separation technology of total polyphenol by macroporous resin was optimizated by response surface methodology on basis single￣factor experiment.Influence of pH,adsorption temperature and time on extraction yield of total polyphenols was investigated.Mathematic model was established,and the significance testing and variance analysis were accomplished.Experimental results show that extraction ratio of total polyphenol was 3.862 7% at 70 ℃ adsouption in pH 6.0 for 90 min.The predicted value of experimental model was 3.929 7.Experimental results decreased by 0.062 5% in comparison with predicted content of model.

Key words:Zanthoxylum bungeagum;total polyphenol;adsorption separation;response surface methodology

作者簡介：盧桃玲(1994—)，女，湖南江永人，吉首大學(xué)碩士研究生，主要從事天然產(chǎn)物化學(xué)研究通信作者：歐陽玉祝(1956—)，男，湖南寧遠(yuǎn)人，吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事天然產(chǎn)物化學(xué)研究；E￣mail:ouyanghxhg@163.com.

基金項(xiàng)目：湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(湘教通[2014]248號(hào))；吉首大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(2014ZXCX06)

收稿日期：2015-01-12

中圖分類號(hào)：TS202.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.03.015

文章編號(hào)：1007-2985(2015)03-0068-05