響應(yīng)面法優(yōu)化桑葚果渣中白藜蘆醇的提取工藝

陳瓊玲，薛霖莉，樊 迎，戴銘成

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西太谷030800）

響應(yīng)面法優(yōu)化桑葚果渣中白藜蘆醇的提取工藝

陳瓊玲，薛霖莉，樊 迎，戴銘成

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西太谷030800）

采用響應(yīng)面法優(yōu)化高壓提取桑葚果渣中白藜蘆醇的工藝條件。以白藜蘆醇提取量為考察指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Benhnken中心組合設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn)，以確定最佳提取參數(shù)。結(jié)果表明，最佳提取參數(shù)為：料液比1∶25（m/V）、乙醇濃度78%、提取壓力270 MPa、提取時(shí)間5.5 min；在此條件下，白藜蘆醇提取量可達(dá)（8.29±0.20）μg/g。

白藜蘆醇；桑葚果渣；響應(yīng)面優(yōu)化；提取

桑葚又名桑實(shí)、文武實(shí)、桑棗，為?？浦参锷５墓隱1]。成熟桑葚營養(yǎng)豐富，具有抗衰老、降血糖、增強(qiáng)機(jī)體免疫力、控制血糖升高、保護(hù)肝臟等多種功效[2-4]，被譽(yù)為“民間圣果”、“中華果王”[5]，國家衛(wèi)生部將其列為“既是食品又是藥品”的農(nóng)產(chǎn)品之一[6-7]。但由于桑葚鮮果采收期短且極易腐爛，難以長期貯存，目前多將其用于榨汁與釀酒，下腳料果渣大多被廢棄掉[8-9]。

白藜蘆醇作為存在于植物中的多酚化合物，具有較多生物活性，如抑菌消炎、預(yù)防癌癥、清除自由基、雌激素樣作用、抗艾滋病等，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和深入研究[10-12]。目前，國內(nèi)外用于提取白藜蘆醇的主要天然原材料為虎杖、花生根莖和紅衣、葡萄皮渣及籽粒等，但這些資源受地域、季節(jié)等條件限制，開發(fā)程度有限[13-16]。占鵬飛等[17]研究表明，桑資源中含有白藜蘆醇，且各部位含量依次為桑葚果渣＞根皮＞枝皮＞桑葉＞果汁。但目前對于桑葚果渣中白藜蘆醇提取工藝的研究少見報(bào)道。因此，研究桑葚果渣中白藜蘆醇的提取工藝，對于促進(jìn)桑葚產(chǎn)業(yè)深加工，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和較大的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義[18]。

本試驗(yàn)以桑葚果渣為原料，采用高壓法提取白藜蘆醇，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用Box-Benhnken中心組合設(shè)計(jì)對提取條件進(jìn)行優(yōu)化，以確定最佳工藝參數(shù)，旨在為桑產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品綜合利用提供借鑒和指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 材料

桑葚采集于湖北省宜昌市桑葚產(chǎn)區(qū)。

1.2 試劑與儀器

白藜蘆醇標(biāo)品為美國Sigma公司產(chǎn)品；無水乙醇（分析純）為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；乙腈、冰醋酸（色譜純）為美國Fisher公司產(chǎn)品。

HPP.L2型超高壓處理裝置（華泰森淼有限公司）；LGJ-25C冷凍干燥機(jī)（北京四環(huán)科學(xué)儀器有限公司）；FDV粉碎機(jī)（日本佑崎有限公司）；MX5型微量電子天平（德國METTLER TOLEDO公司）；LXJ-ⅡB型低速大容量離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）；AS 200振動(dòng)式篩分儀（德國Retsch公司）；1525型高效液相色譜儀（美國Waters公司）。

1.3 方法

1.3.1 白藜蘆醇提取方法 取新鮮桑葚洗凈瀝干，冷凍干燥后粉碎過篩（355 μm），備用。稱取5 g桑葚果渣置于塑料袋中，加入一定量的乙醇水溶液，塑封后置于高壓設(shè)備中提取一段時(shí)間。取出后于低速離心機(jī)中4 500 r/min離心10 min，取上清液測定體積（V），并采用高效液相色譜法（HPLC）測定其中白藜蘆醇的質(zhì)量濃度（C）[11]。

計(jì)算白藜蘆醇的提取量m，即m（μg/g）＝CV/m0。式中，C為桑葚果渣提取液中白藜蘆醇的質(zhì)量濃度（μg/mL）；V為提取液體積（mL）；m0為桑葚果渣總質(zhì)量（g）。

1.3.2 單因素試驗(yàn) 以白藜蘆醇提取量作為考察指標(biāo)，依次研究料液比、乙醇濃度、提取壓力、提取時(shí)間等單因素對提取效果的影響，設(shè)計(jì)因素和水平如表1所示。單因素試驗(yàn)的基本條件為：料液比1∶20，乙醇濃度80%，提取壓力200 MPa，提取時(shí)間3 min。

表1 單因素試驗(yàn)因素和水平

1.3.3 Box-Benhnken中心組合設(shè)計(jì)（BBD）試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇乙醇濃度（X1）、提取壓力（X2）、提取時(shí)間（X3）進(jìn)行3因素3水平Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)，以白藜蘆醇提取量為響應(yīng)值。試驗(yàn)因素的水平編碼及對應(yīng)值列于表2。

表2 BBD因素水平

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 料液比對白藜蘆醇提取量的影響 由圖1可知，料液比太低時(shí)，原料與提取溶劑呈濃糊狀，難以提取與分離；隨著提取溶劑用量的增加，白藜蘆醇溶出量呈近似線性增加，當(dāng)料液比達(dá)到1∶25時(shí)白藜蘆醇接近飽和溶出度；乙醇使用量繼續(xù)增加時(shí)，白藜蘆醇提取量保持水平，再無顯著增加?？紤]到成本和后續(xù)分離純化，選擇料液比為1∶25。

2.1.2 乙醇濃度對白藜蘆醇提取量的影響 由圖2可知，隨著提取液中乙醇濃度增加，溶劑極性降低，白藜蘆醇提取量呈遞增趨勢，當(dāng)乙醇濃度為80%時(shí)，提取量達(dá)最大值；當(dāng)超過80%時(shí)，桑葚細(xì)胞中揮發(fā)油、磷脂等脂溶性的成分會(huì)競爭乙醇，導(dǎo)致藜蘆醇的提取量出現(xiàn)顯著下降趨勢。因此，提取溶劑選用75%～85%乙醇水溶液。

2.1.3 提取壓力對白藜蘆醇提取量的影響 由圖3可知，白藜蘆醇提取量隨壓力增大而增加，當(dāng)壓力為250 MPa時(shí)，提取量達(dá)最大，可能是由于高壓會(huì)促進(jìn)桑葚細(xì)胞壁破壞加深，促進(jìn)了溶劑與白藜蘆醇的充分接觸[19]；但當(dāng)壓力超過250 MPa時(shí)，白藜蘆醇提取量略有降低，因?yàn)閴毫^高會(huì)導(dǎo)致桑葚果渣細(xì)胞徹底性粉碎，其他醇溶性雜質(zhì)競爭提取溶劑，白藜蘆醇提取量逐漸下降。因此，確定提取壓力為200～300 MPa。

2.1.4 提取時(shí)間對白藜蘆醇提取量的影響 由圖4可知，高壓處理時(shí)間在1～5 min范圍內(nèi)，隨著時(shí)間的延長提取量增加，時(shí)間延長會(huì)促進(jìn)白藜蘆醇溶出；但當(dāng)處理時(shí)間大于5 min時(shí)，提取量呈略降低的趨勢，可能是因?yàn)橐讶艹龅陌邹继J醇出現(xiàn)氧化變性。因此，從節(jié)約能源和操作時(shí)間角度來看，選擇提取時(shí)間為4～6 min。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，固定料液比為1∶25，考察乙醇濃度（X1）、提取壓力（X2）、提取時(shí)間（X3）對提取量（Y）的影響。由SASv8.0專業(yè)版軟件設(shè)計(jì)出的試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

2.2.1 回歸模型的建立及檢驗(yàn) 運(yùn)用SAS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在α＝0.05水平剔除不顯著項(xiàng)，得到多元二次回歸方程如下。

從表4可以看出，回歸模型F值為79.897 1，顯著性檢驗(yàn)P＝0.000 1＜0.01，且失擬項(xiàng)檢驗(yàn)P＝0.134 4＞0.05，表明失擬項(xiàng)差異不顯著?；貧w模型相關(guān)系數(shù)R2＝0.993 1，調(diào)整系數(shù)AdjR2＝0.980 7，說明模型擬合程度很好，且總變異中只有1.93%不能用此模型解釋。綜上所述，可以認(rèn)為所選用的二次回歸模型是適當(dāng)?shù)?，未知因素對試?yàn)結(jié)果干擾很小，所得到的方程能對響應(yīng)值進(jìn)行正確的預(yù)測。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.2.2 各因素的影響程度及交互作用 由表4可知，乙醇濃度、提取壓力和提取時(shí)間的一次項(xiàng)均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）；由F值可知，各因素對白藜蘆醇提取效果的影響程度大小依次為：提取壓力＞提取時(shí)間＞乙醇濃度；且二次項(xiàng)X12，X22，X32對回歸模型均達(dá)到極顯著影響，因此，各因素對白藜蘆醇提取量的影響不是簡單的線性關(guān)系。響應(yīng)面所建立模型中，乙醇濃度與提取壓力以及提取壓力與提取時(shí)間之間有明顯的二次拋物線關(guān)系，交互作用顯著。

根據(jù)回歸方程做出對應(yīng)的響應(yīng)面和等高線（圖5，6）。2個(gè)交互作用的響應(yīng)面都為開口向下的凸形曲面，即在試驗(yàn)范圍內(nèi)有白藜蘆醇提取量的極高值。由圖5可知，料液比為1∶25、提取時(shí)間為5 min時(shí)，X1X2交互作用曲面呈先增高后陡峭下降趨勢。中心點(diǎn)處即乙醇濃度（X1）為80%，提取壓力（X2）為250 MPa時(shí)，白藜蘆醇提取效果最好。

表4 回歸模型方差分析

由圖6可知，料液比為1∶25、乙醇濃度為80%時(shí)，隨著提取壓力和時(shí)間增加，桑葚果渣細(xì)胞壁破碎程度加劇，白藜蘆醇與提取溶劑充分接觸，溶出量逐漸增加；但提取壓力過大、提取時(shí)間過長時(shí)，一方面導(dǎo)致非極性雜質(zhì)滲透出來，與提取溶劑發(fā)生作用，另一方面已溶出的白藜蘆醇本身性質(zhì)不穩(wěn)定，可能會(huì)發(fā)生氧化作用導(dǎo)致失活，所以白藜蘆醇提取量急劇下降。

2.2.3 提取條件的優(yōu)化與驗(yàn)證 在選取因素范圍內(nèi)，通過SAS軟件分析得出理論最佳工藝參數(shù)為：乙醇波度78%、提取壓力271MPa、提取時(shí)間5.5 min，在此條件下，白藜蘆醇理論預(yù)測提取量為8.33 μg/g。考慮試驗(yàn)操作的可行性，將壓力修正為270 MPa，其他參數(shù)不變。為證實(shí)結(jié)果的可靠性，在上述條件下，重復(fù)試驗(yàn)3次，得到白藜蘆醇提取量為（8.29± 0.20）μg/g，與預(yù)測理論值相符，因此，此響應(yīng)面得到的回歸模型具有一定的可靠性和實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

以桑葚果渣為原料，采用高壓法提取其中白藜蘆醇，探討料液比、乙醇濃度、提取壓力、提取時(shí)間等單因素對提取效果的影響。并通過Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)，確定白藜蘆醇最佳提取工藝為：乙醇濃度78%、料液比1∶25、提取壓力270 MPa、提取時(shí)間5.5 min，在此條件下，白藜蘆醇提取量達(dá)（8.29±0.20）μg/g。

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Study on Optimization of Extraction Process of Resveratrol from Mulberry Pomace by Response Surface Methodology

CHENQiongling，XUE Linli，F(xiàn)ANYing，DAI Mingcheng
（College ofInformation，Shanxi Agricultural University，Taigu 030800，China）

The response surface methodology was employed to optimize the extraction conditions of resveratrol from mulberry pomace by high pressure technology.The Box-Benhnken central composite design with three factors and three levels on the basis of single factors experiments was used to optimize the extraction conditions,taking resveratrol amount as response value.The results showed that the extraction amount could be up to（8.29±0.20）μg/gat the conditions as follows:rate ofsolution tosolid 1∶25（m/V）,ethanol concentration 78%,pressure 270 MPa with treatment time 5.5 min.

resveratrol;mulberrypomace;response surface optimization;extraction

TQ463＋.23

A

1002-2481（2016）06-0836-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.06.29

2016-03-29

陳瓊玲（1988-），女，湖北荊門人，助教，碩士，主要從事糧油加工與功能食品研究工作。