響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化泡沫分離黃姜中薯蕷皂苷工藝

高中超，張 煒*，陳元濤，劉海彬，劉 龍，雷 蕾

（青海師范大學(xué)化學(xué)系，青海 西寧 810008）

響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化泡沫分離黃姜中薯蕷皂苷工藝

高中超，張 煒*，陳元濤，劉海彬，劉 龍，雷 蕾

（青海師范大學(xué)化學(xué)系，青海 西寧 810008）

在酶解黃姜的基礎(chǔ)上，對黃姜薯蕷皂苷進(jìn)行超聲醇提，進(jìn)而建立泡沫分離黃姜薯蕷皂苷的新方法。通過單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，探討稀釋倍數(shù)、溫度、裝液量對泡沫法分離黃姜中薯蕷皂苷回收率及富集比的影響。結(jié)果得出，泡沫分離最佳條件為稀釋倍數(shù)84、溫度20 ℃、裝液量436 mL，此條件下薯蕷皂苷的回收率為91.08%，富集比為7.53。研究表明，泡沫分離法是一種有效、簡便、易于工業(yè)化生產(chǎn)和環(huán)境友好的黃姜薯蕷皂苷的分離富集方法。

黃姜；薯蕷皂苷；泡沫分離法；響應(yīng)面分析法

高中超， 張煒， 陳元濤， 等. 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化泡沫分離黃姜中薯蕷皂苷工藝［J］. 食品科學(xué)， 2016， 37（8）: 26-31.

GAO Zhongchao， ZHANG Wei， CHEN Yuantao， et al. Optimization of foam separation of dioscin from Dioscorea zingiberensis C. H. Wright by response surface methodology［J］. Food Science， 2016， 37（8）: 26-31. （in Chinese with English abstract） DOI:10.7506/spkx1002-6630-201608005. http://www.spkx.net.cn

黃姜（Dioscorea zingiberensis C. H. Wright）學(xué)名盾葉薯蕷，又名火頭根、枕頭根［1-2］，是我國特有的薯蕷科薯蕷屬多年生草質(zhì)纏繞性藤本植物，主要分布在河南、湖南、湖北、陜西、甘肅、四川［3-5］。其根莖中的多種薯蕷皂苷水解后得到的薯蕷皂苷元是合成避孕藥、甾體激素類藥物的重要原料，有“激素之母”、“藥用黃金”的美稱，含量約1.0%～5.0%［6-9］，是目前世界上最好的激素類來源的天然藥物，進(jìn)而為從植物中大量獲取天然甾體激素原料開辟了新途徑［10-11］。

薯蕷皂苷元是薯蕷屬植物中薯蕷皂苷的配基，主要以薯蕷皂苷的形式與纖維素結(jié)合存在于細(xì)胞壁中，即在C3位通過皂苷鍵與糖鏈相連，進(jìn)而與植物細(xì)胞壁緊密連接［12-13］。工業(yè)上主要采用鹽（硫）酸破壞薯蕷植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和組成，斷開薯蕷皂苷元與糖（纖維素）連接的苷鍵，使薯蕷皂苷元游離出來，利用它不溶于水而溶于有機(jī)溶劑的性質(zhì)，用丙酮或石油醚等把它提取出來［14-15］。此法雖工藝簡單，但存在水解不完全、能耗高、收率低、淀粉和纖維素等成分不能被綜合利用、后續(xù)提取的溶劑量較大和嚴(yán)重污染環(huán)境等問題。另外黃姜皂素生產(chǎn)企業(yè)主要集中在鄂西北和陜南地區(qū)［16-17］，這些區(qū)域既是黃姜主產(chǎn)區(qū)，又與我國南水北調(diào)中線工程的水源地重疊［18］，成為中線工程的重要污染源，黃姜皂素行業(yè)污染屢屢成為國家環(huán)保掛牌督辦的案件。所以研究開發(fā)黃姜薯蕷皂苷元的清潔生產(chǎn)工藝已成為皂素產(chǎn)業(yè)面臨的亟待解決的問題。

近年來許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)紛紛致力于開發(fā)黃姜薯蕷皂苷元的清潔生產(chǎn)工藝，目前主要提出了兩種解決方案：一是用反應(yīng)專一性好、條件溫和的酶水解代替酸水解；二是減少進(jìn)入酸水解環(huán)節(jié)的非皂苷物料。但是現(xiàn)行的研究結(jié)果表明，選用特定的糖苷酶進(jìn)行水解，存在選擇性差、水解不完全等缺點(diǎn)，但至今尚未發(fā)現(xiàn)活性較高、選擇性較好的糖苷酶菌種［19］，因此在目前酸水解核心工藝無法被替代的情況下，第2種方案即從黃姜中把薯蕷皂苷提取出來后，經(jīng)濃縮、水解得到薯蕷皂苷元，才是行之有效的解決辦法。

泡沫分離是一種基于溶液中溶質(zhì)組分間表面活性的差異進(jìn)行分離的新型技術(shù)，由于泡沫分離法具有設(shè)備簡單、操作方便、運(yùn)行成本低、環(huán)境友好和適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)［20-22］，已被成功地用于金屬離子、表面活性劑、蛋白質(zhì)、皂苷及中藥有效成分的分離富集。眾所周知，溶液中含有表面活性物質(zhì)是泡沫分離的必要條件之一，薯蕷皂苷具有親水性的糖基和疏水性的皂苷元，是一種優(yōu)良的天然非離子型表面活性成分，具有良好的起泡性。因此黃姜粗提液具備了泡沫分離的必要條件。采用泡沫分離法提取黃姜中的薯蕷皂苷，可一步完成上述第2種方案的提取和濃縮薯蕷皂苷工序，避免了非皂苷物料進(jìn)入下一步的酸水解環(huán)節(jié)，從而大幅減少酸和有機(jī)溶劑的使用量，同時(shí)也降低了廢水排放量，可實(shí)現(xiàn)黃姜薯蕷皂苷元高效、簡便和環(huán)境友好的分離提取。迄今為止，泡沫分離法提取黃姜中薯蕷皂苷的研究鮮見報(bào)道。

本研究選用黃姜薯蕷皂苷作為分離對象，考察了稀釋倍數(shù)、溫度、空氣流速和裝液量對薯蕷皂苷泡沫分離過程的影響，并通過響應(yīng)面優(yōu)化工藝條件，為開發(fā)和探索黃姜薯蕷皂苷元的清潔生產(chǎn)工藝提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

新鮮黃姜，經(jīng)青海省食品藥品檢定所姜世賢研究員鑒定，產(chǎn)地湖北恩施神農(nóng)架；薯蕷皂苷標(biāo)準(zhǔn)品（含量≥98%，色譜純） 上海雅吉生物科技有限公司；高氯酸（分析純） 天津市化學(xué)試劑一廠；無水乙醇（分析純） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；其他試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2儀器與設(shè)備

TU-1901紫外-可見分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；RV10BS25旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、RCT加熱磁力攪拌器 艾卡（廣州）儀器設(shè)備有限公司；BSA224SCW分析天平 賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；101A-1E電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海五久自動(dòng)化設(shè)備有限公司；HK-2A超級恒溫水浴 南京大學(xué)物理應(yīng)用物理研究所；恒溫泡沫分離柱（內(nèi)徑35 mm、外徑40 mm、柱高1 050 mm（加彎頭150 mm），分布器微孔孔徑為30 μm；外有夾套，通循環(huán)水，控制溫度） 自制（圖1）；LZB型轉(zhuǎn)子流量計(jì) 上海帆揚(yáng)機(jī)電有限公司；FB45/7空氣壓縮機(jī) 上海捷豹壓縮機(jī)制造有限公司。

圖1　泡沫分離裝置圖Fig.1 Experimental apparatus for foam separation

1.3方法

1.3.1薯蕷皂苷標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制［23］

精確稱量薯蕷皂苷標(biāo)準(zhǔn)品8.8 mg，加甲醇定容至25 mL，搖勻得標(biāo)品溶液。分別準(zhǔn)確量取薯蕷皂苷標(biāo)品溶液0.01、0.04、0.08、0.12、0.16、0.20 mL于6 支10 mL具塞試管中，置入烘箱，于65 ℃揮發(fā)盡溶劑；每支試管加入5 mL高氯酸，塞緊旋塞于70 ℃水浴顯色反應(yīng)15 min，取出，放入冰水中冷卻5 min；以高氯酸作為參比，紫外-可見分光光度計(jì)測得薯蕷皂苷在406.5 nm波長處有最大吸收；以標(biāo)量量和吸光度的關(guān)系作線性回歸，結(jié)果表明，薯蕷皂苷量品量在3.52×10-3～70.4×10-3mg范圍內(nèi)與吸光度呈線性關(guān)系，得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：y=0.003 03x-0.000 88，R2=0.999 1。

1.3.2量品溶液的制備

新鮮黃姜烘干后粉碎，過80 目篩；準(zhǔn)確稱取10.0 g黃姜干粉，加入0.2 g纖維素酶、30 mL去離子水，50 ℃水浴條件下，電磁攪拌酶解2 h；傾入120 mL無水乙醇，超聲浸提1 h，減壓過濾，重復(fù)1次（80%乙醇溶液50 mL）；合并兩次濾液得約200 mL。

1.3.3單因素試驗(yàn)

選取稀釋倍數(shù)、溫度、空氣流速、裝液量4 個(gè)因素進(jìn)行單因素考察。采用分光光度法測定其薯蕷皂苷含量，以富集比、回收率為指標(biāo)評價(jià)泡沫分離效果，計(jì)算見式（1）、（2）。

式中：C0、Cf、Cs分別為初始液、泡沫層和殘留液中薯蕷皂苷質(zhì)量濃度/（mg/mL）；V0、Vs、Vf分別為原液、殘留液和泡沫層的體積/mL。

1.3.4響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-Behnken原理設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法進(jìn)一步試驗(yàn)。選擇稀釋倍數(shù)、裝液量、溫度3 個(gè)因素為自變量，以薯蕷皂苷回收率和富集比為響應(yīng)值，確定這3 個(gè)自變量對黃姜薯蕷皂苷回收率和富集比的影響，以及最佳工藝條件組合。試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1　Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Three factors and their coded levels used in Box-Behnken design

2　結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1稀釋倍數(shù)對薯蕷皂苷泡沫分離的影響

在同臺設(shè)備上，25 ℃進(jìn)行間歇式操作，空氣流速60 mL/min、裝液量400 mL，考察稀釋倍數(shù)對分離效果的影響。

圖2　稀釋倍數(shù)對薯蕷皂苷泡沫分離的影響Fig.2 Effect of dilution factor on foam separation

由圖2可知，薯蕷皂苷富集比隨料液質(zhì)量濃度的增大而降低，回收率隨料液質(zhì)量濃度的增大反而升高。隨著料液質(zhì)量濃度的增大，溶液中所含的表面活性物質(zhì)的質(zhì)量濃度也增大，使泡沫的穩(wěn)定性增加，泡沫所夾帶的液體量增多，因此薯蕷皂苷富集比下降而回收率升高。綜合可知，當(dāng)稀釋倍數(shù)在100 倍左右時(shí)，泡沫分離效果較好。

2.1.2溫度對薯蕷皂苷泡沫分離的影響

同臺設(shè)備上，進(jìn)行間歇式操作，空氣流速60 mL/min，進(jìn)料液中薯蕷皂苷質(zhì)量濃度一定，裝液量400 mL，考察溫度對分離效果的影響。

圖3　溫度對薯蕷皂苷泡沫分離的影響Fig.3 Effect of initial temperature on foam separation

由圖3可見，隨著溫度升高，薯蕷皂苷回收率隨之降低，富集比卻隨之增大。實(shí)驗(yàn)過程中，溫度的升高會(huì)降低泡沫液膜的表面黏度，減小了擴(kuò)散阻力，吸附阻力降低，吸附量增大，但表面黏度是泡沫穩(wěn)定性的主要影響因素，當(dāng)黏度減小時(shí)，泡沫液膜易變薄，泡沫不穩(wěn)定，容易破裂，破碎的泡沫更容易鼓出；過高或過低的溫度都不利于泡沫穩(wěn)定的存在，因此只有溫度適宜才能得到好的泡沫分離效果［24］。綜合回收率與富集比之間關(guān)系，當(dāng)原料液溫度為25 ℃左右時(shí)，分離效果較好。

2.1.3空氣流速對薯蕷皂苷泡沫分離的影響

同臺設(shè)備上，25 ℃進(jìn)行間歇式操作，裝液量為400 mL，進(jìn)料液中薯蕷皂苷質(zhì)量濃度一定，考察空氣流速對分離效果的影響。

圖4　空氣流速對薯蕷皂苷泡沫分離的影響Fig.4 Effect of airflow rate on foam separation

由圖4可見，隨著空氣流速的增大，薯蕷皂苷富集比降低，回收率卻隨之增大。較低的空氣流速條件下，由于泡沫到達(dá)塔頂?shù)臅r(shí)間較長，延長了排水時(shí)間，使進(jìn)入泡沫間隙的主體溶液減少，泡沫中夾帶的液體量也減少，從而導(dǎo)致濃縮倍數(shù)高和收率低；在較高的空氣流速條件下，泡沫中夾帶液體的量增加，使吸附于泡沫中的薯蕷皂苷被有效地“稀釋”，從而致使?jié)饪s倍數(shù)低；同時(shí)，由于進(jìn)入泡沫間隙液體中的夾帶液增多，導(dǎo)致皂苷的收率較高［25］。綜合以上指標(biāo)可得，當(dāng)空氣流速在60 mL/min左右時(shí)，有較好的分離效果。

2.1.4裝液量對薯蕷皂苷泡沫分離的影響

同臺設(shè)備上，25 ℃條件下進(jìn)行間歇式操作，空氣流速60 mL/min，進(jìn)料液中薯蕷皂苷質(zhì)量濃度一定，考察裝液量對分離效果的影響。

圖5　裝液量對薯蕷皂苷泡沫分離的影響Fig.5 Effect of loading volume on foam separation

由圖5可知，回收率隨著裝液量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，富集比隨著裝液量的增加呈下降趨勢。這是因?yàn)殡S著裝液量的增大，鼓泡區(qū)變大，相應(yīng)的泡沫分離區(qū)就小了，泡沫中更多的夾帶液在回流前被鼓出，因此回收率增大。另外，由于進(jìn)料量的增加，液體回流時(shí)間減少，使得更多的泡沫夾帶液被收集，則富集比呈現(xiàn)下降的趨勢。綜合以上2 個(gè)指標(biāo)可見，當(dāng)裝液量在400 mL左右時(shí)，泡沫分離效果較好。

2.2響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

黃姜中甾體皂苷含量高，溶液起泡性好，較高氣速導(dǎo)致皂苷難與溶液本體分離（皂苷帶出液體過多），故本試驗(yàn)空氣流速偏低，但在較低空氣流速條件下試驗(yàn)周期較長，且氣速影響與裝液量影響一致；因此選取稀釋倍數(shù)、溫度、裝液量3 個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表2　響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

2.2.2回歸模型的建立與檢驗(yàn)

對表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)用多元回歸量合后，得到薯蕷皂苷回收率（R）及富集比（E）與稀釋倍數(shù)、溫度和裝液量的回歸方程：

對兩回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3、4。

表3　回收率的線性回歸方差分析Table 3 Analysis of variance （ANOVA） of the linear regression equation of dioscin recovery

由表3可知，該模型達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），模型的調(diào)整確定系數(shù)R2=0.995 8，該模型能解釋99.58%響應(yīng)值的變化，校正決定系數(shù)=0.990 4，可知該回歸方程量合度和可信度均很高，因而該模型量合程度比較好，試驗(yàn)誤差小，故可用于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的預(yù)測。對表3回歸模型系數(shù)的顯著性分析可見，一次項(xiàng)中，X1、X2、X3極顯著；平方項(xiàng)中X22、X32極顯著，說明裝液量和溫度與薯蕷皂苷回收率之間存在明顯的二次關(guān)系；交互項(xiàng)中X2X3顯著，說明X2X3之間存在顯著的交互作用。

由表4可知，該模型達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），模型的調(diào)整確定系數(shù)R2=0.994 5，該模型能解釋99.45%響應(yīng)值的變化，校正決定系數(shù)=0.987 3，可知該回歸方程量合度和可信度均很高，因而該模型量合程度比較好，試驗(yàn)誤差小，故可用于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的預(yù)測。對表4回歸模型系數(shù)的顯著性分析可見，一次項(xiàng)中，X1、X2、X3極顯著；平方項(xiàng)中極顯著，說明各因素與薯蕷皂苷富集比之間存在明顯的二次關(guān)系；交互項(xiàng)中X1X3極顯著，說明X1X3之間存在極顯著的交互作用。

表4　富集比的線性回歸方差分析Table 4 Analysis of variance （ANOVA） of linear regression equation of enrichment ratio

2.2.3響應(yīng)面圖分析及最佳條件優(yōu)化

圖6　各因素交互作用對回收率及富集比影響的響應(yīng)面Fig.6 Response surface graphs for the interactive effects of operating parameters on foam separation

如圖6所示，薯蕷皂苷回收率隨著裝液量與溫度的變化會(huì)產(chǎn)生較大變化，裝液量越大，溫度越低，薯蕷皂苷回收率越高。同理，由稀釋倍數(shù)與溫度交互響應(yīng)面可知，稀釋倍數(shù)越小，溫度越低，薯蕷皂苷富集比越高。根據(jù)確立的響應(yīng)面模型，通過Design-Expert 8.0.6.1軟件得出泡沫分離黃姜中薯蕷皂苷最優(yōu)分離條件（確立最大回收率的前提下，優(yōu)選較大富集比）：稀釋倍數(shù)83.89、溫度20.01℃、裝液量436.18 mL，預(yù)測薯蕷皂苷的最優(yōu)回收率為90.89%，富集比為7.67。為驗(yàn)證此試驗(yàn)確立的最佳工藝條件，結(jié)合實(shí)際需求，控制稀釋倍數(shù)84、溫度20 ℃、裝液量436 mL，在上述條件下，平行實(shí)驗(yàn)3 次，得到薯蕷皂苷回收率為91.08%，富集比為7.53，說明該試驗(yàn)優(yōu)化的工藝條件可靠。

3　結(jié) 論

建立了黃姜薯蕷皂苷回收率（R）、富集比（E）與稀釋倍數(shù)、裝液量以及溫度的回歸方程：R=86.16+ 0.77X1+3.41X2-2.37X3-0.050X1X2+0.000X1X3+ 0.45X2X3+0.016X12-1.08X22+0.76X32；E=7.37-2.53X1-1.14X2+2.08X3+0.37X1X2-0.76X1X3-0.25X2X3+ 1.84X12+0.83X22+1.30X32。方差分析表明量合較好、可信度均很高，可用于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的預(yù)測。

通過單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合實(shí)際操作，得出分離薯蕷皂苷的最佳工藝條件是稀釋倍數(shù)84、溫度20 ℃、裝液量436 mL/min，在此條件下進(jìn)行提取，薯蕷皂苷的回收率為91.08%，富集比為7.53。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫分離法是一種有效、簡便和環(huán)境友好的黃姜薯蕷皂苷的分離富集方法，可為黃姜薯蕷皂苷的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

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Optimization of Foam Separation of Dioscin from Dioscorea zingiberensis C. H. Wright by Response Surface Methodology

GAO Zhongchao， ZHANG Wei*， CHEN Yuantao， LIU Haibin， LIU Long， LEI Lei
（Department of Chemistry， Qinghai Normal University， Xining 810008， China）

A novel method for recovering dioscin produced from the rhizomes of Dioscorea zingiberensis C. H. Wright by enzymatic hydrolysis and ultrasonic extraction with aqueous ethanol as the solvent was established by foam separation in this study. The effect of dilution factor， temperature and filling volume in the separation column on the recovery and enrichment ratio of dioscin was addressed using combination of one-factor-at-a-time method and response surface methodology. A dilution factor of 84， an operating temperature of 20 ℃ and filling 436 mL of sample into the separation column provided optimal conditions for separation of dioscin. Under these conditions， the maximum enrichment ratio and recovery of dioscin of 7.53 and 91.08% respectively were obtained. The procedure presented in this study is an effective， simple and environmentally compatible method thathas a great potential to be industrialized to separate dioscin from Dioscorea zingiberensis C.H. Wright using foam separation.

Dioscorea zingiberensis C. H. Wright； dioscin； foam separation； response surface methodology

10.7506/spkx1002-6630-201608005

O629.9

A

1002-6630（2016）08-0026-06

10.7506/spkx1002-6630-201608005. http://www.spkx.net.cn

2015-08-10

科技部科技人員服務(wù)企業(yè)項(xiàng)目（2009GJG20039）

高中超（1988—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物分離與提取。E-mail：39635128@qq.com

張煒（1972—），女，教授，碩士，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物分離與提取。E-mail：zhangwei@qhnu.edu.cn

引文格式：