響應(yīng)曲面法優(yōu)化微波提取小茴香總黃酮工藝研究

劉紅，陳燕芹，李玉華

(1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，貴州 畢節(jié) 551700；2.貴州省應(yīng)用化學(xué)特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 畢節(jié) 551700)

小茴香又稱香絲菜，是傘形科植物茴香(FoeniculumvulgareMill.)的干燥成熟果實(shí)[1,2]，文獻(xiàn)報(bào)道，小茴香的主要成分有揮發(fā)油、黃酮、多糖等[3-6]。小茴香也作為常用的傳統(tǒng)中藥，有理氣健胃、散熱止痛的功效，可治療食欲不振、腹痛、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等[7]。小茴香作為一種重要的調(diào)味香料，全國均有栽培。 相關(guān)學(xué)者已對小茴香的揮發(fā)油成分、黃酮、微量元素、多酚等進(jìn)行了研究[8,9]。

響應(yīng)面分析能研究幾種因素間交互作用等優(yōu)點(diǎn)[10]，設(shè)計(jì)合理、結(jié)果優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)[11]。關(guān)于響應(yīng)曲面法優(yōu)化小茴香黃酮的提取工藝未見報(bào)道，本文以小茴香籽為原料，通過響應(yīng)曲面法優(yōu)化微波提取小茴香總黃酮，以期為進(jìn)一步開發(fā)研究和利用提供更全面的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與設(shè)備

小茴香：購于畢節(jié)市合力超市，經(jīng)畢節(jié)市藥檢所鑒定。

亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉等：均為分析純。

DFY-300高速萬能粉碎機(jī) 浙江林大機(jī)械有限責(zé)任公司；AUY220電子分析天平 日本島津公司；TG20臺式高速離心機(jī) 邁佳森儀器設(shè)備有限公司；VIS-723G可見分光光度計(jì) 北京瑞利分析儀器公司；純水機(jī) 成都超純科技有限公司；MDS2002AT微波萃取消解工作站 上海新儀電子科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 小茴香總黃酮的提取工藝

小茴香→烘干(105 ℃)→粉碎→過篩→微波提取→離心→抽濾，定容至50 mL→吸光度測定→根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出其所含的黃酮→計(jì)算出提取率。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

參考文獻(xiàn)[12]采用NaNO2-Al(OH)3-NaOH法得曲線方程為A=10.0971C+0.0002，R2=0.9994。

1.2.3 單因素試驗(yàn)

本試驗(yàn)針對乙醇濃度、提取時(shí)間、提取溫度、液料比4個(gè)因素(本試驗(yàn)所用設(shè)備微波功率不可調(diào)，因此未對微波功率的影響進(jìn)行探討)，在其他3個(gè)因素不變的情況下，對另1個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，以小茴香提取率為依據(jù)，以確定響應(yīng)面設(shè)計(jì)的水平。

1.2.4 響應(yīng)面分析

以單因素試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，應(yīng)用Design-Expert 8.0.5b軟件的Box-Behnken響應(yīng)面分析方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)，因素及水平見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素和水平Table 1 The factors and levels of response surface analysis

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同乙醇濃度下小茴香黃酮的提取率

在提取時(shí)間為10 min、提取溫度為60 ℃、液料比為40(mL/g)的條件下研究不同乙醇濃度下小茴香黃酮的提取率，結(jié)果見圖1。

圖1 不同乙醇濃度下小茴香黃酮的提取率Fig.1 The extraction rate of flavonoids in Foeniculum vulgare Mill. under different ethanol concentration

由圖1可知，隨著乙醇濃度的增大，黃酮提取率先增大后減小，乙醇濃度為60%時(shí)黃酮提取率出現(xiàn)最大值，因此后續(xù)響應(yīng)面設(shè)計(jì)時(shí)乙醇濃度的選擇范圍為50%～70%。

2.1.2 不同提取時(shí)間下小茴香黃酮的提取率

在提取溫度為60 ℃、液料比為40(mL/g)、乙醇濃度為60%的條件下研究不同提取時(shí)間下小茴香黃酮的提取率，結(jié)果見圖2。

圖2 不同提取時(shí)間下小茴香黃酮的提取率Fig.2 The extraction rate of flavonoids in Foeniculum vulgare Mill. under different extraction time

由圖2可知，時(shí)間為10 min時(shí)黃酮提取率出現(xiàn)最大值，因此后續(xù)響應(yīng)面設(shè)計(jì)時(shí)提取時(shí)間的選擇范圍為5～15 min。

2.1.3 不同提取溫度下小茴香黃酮的提取率

在提取時(shí)間為10 min、液料比為40(mL/g)、乙醇濃度為60%的條件下研究不同提取溫度下小茴香黃酮的提取率，結(jié)果見圖3。

圖3 不同提取溫度下小茴香黃酮的提取率Fig.3 The extraction rate of flavonoids in Foeniculum vulgare Mill. under different temperatures

由圖3可知，提取溫度為60 ℃時(shí)黃酮提取率出現(xiàn)最大值，因此后續(xù)響應(yīng)面設(shè)計(jì)時(shí)提取溫度的選擇范圍為50～70 ℃。

2.1.4 不同液料比下小茴香黃酮的提取率

在提取溫度為60 ℃、乙醇濃度為60%、提取時(shí)間為10 min的條件下研究不同液料比下小茴香黃酮的提取率，結(jié)果見圖4。

圖4 不同液料比下小茴香黃酮的提取率Fig.4 The extraction rate of flavonoids in Foeniculum vulgare Mill. under different liquid-solid ratios

由圖4可知，液料比為40(mL/g)時(shí)黃酮提取率出現(xiàn)最大值，因此后續(xù)響應(yīng)面設(shè)計(jì)時(shí)液料比的選擇范圍為30～50(mL/g)。

2.2 響應(yīng)面對小茴香總黃酮的提取工藝條件及方差分析

根據(jù)表1響應(yīng)面分析因子和水平設(shè)計(jì)的Box-Behnken響應(yīng)面分析方案及結(jié)果見表2，相應(yīng)的方差分析見表3。

表2 響應(yīng)面分析方案以及小茴香黃酮的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值Table 2 Response surface analysis scheme, experimental values and predicted values of extraction rates

表3 小茴香黃酮提取參數(shù)回歸分析結(jié)果Table 3 Regression analysis results of extraction parameters of Foeniculum vulgare Mill.

續(xù) 表

注：“*”表示顯著，“**”表示極顯著。

根據(jù)表2結(jié)果，應(yīng)用Design-Expert 8.0.5b軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得出回歸模型，回歸方程為：Y=1.33-0.042C+0.004167t+0.030T-0.028R-0.005Ct+0.020CR+0.018tT-0.025tR+0.027TR-0.063C2-0.044t2-0.093T2-0.13R2。

表3是上述回歸模型的方差分析結(jié)果，由表3可知模型高度顯著(P<0.0001)，失擬項(xiàng)(P=0.2675>0.05)不顯著。調(diào)整系數(shù)R2=0.9732，模型擬合程度較好，能解釋97.32%的響應(yīng)值變化，可用于小茴香總黃酮的分析和預(yù)測。表3方差分析結(jié)果還表明乙醇濃度、提取溫度、液料比對小茴香總黃酮提取率的影響極顯著，4個(gè)因素的二次項(xiàng)的影響極顯著，此外，提取時(shí)間和液料比的交互作用、提取溫度和液料比的交互作用的影響也達(dá)到顯著水平。各因素對小茴香總黃酮提取率的影響大小為：乙醇濃度>提取溫度>液料比>提取時(shí)間。

通過固定模型中2個(gè)因素在0水平，繪制出響應(yīng)曲面圖，見圖5～圖10。乙醇濃度、提取溫度和液料比對提取率的影響都較陡，影響極顯著，而提取時(shí)間對提取率的影響較平緩，影響不顯著。

圖5 Y=[C,t]的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface diagram of Y=[C,t]

圖6 Y=[C,T]的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface diagram of Y=[C,T]

圖7 Y=[C,R]的響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface diagram of Y=[C,R]

圖8 Y=[t,T]的響應(yīng)面圖Fig.8 Response surface diagram of Y=[t,T]

圖9 Y=[t,R]的響應(yīng)面圖Fig.9 Response surface diagram of Y=[t,R]

圖10 Y=[T,R]的響應(yīng)面圖Fig.10 Response surface diagram of Y=[T,R]

用Design-Expert 8.0.5b軟件給出了能夠得到最大提取率的C，t，T，R對應(yīng)的值為C=56.43，t=10.67，T=61.55，R=38.72，即在乙醇濃度為56.43%，提取時(shí)間為10.67 min，提取溫度為61.55 ℃，液料比為38.72 (mL/g)時(shí)總黃酮的提取率為1.3458%?？紤]到實(shí)際操作條件，將工藝條件修正為：乙醇濃度56%，提取時(shí)間11 min，提取溫度62 ℃，液料比39 (mL/g)，在此條件下進(jìn)行3次試驗(yàn)，平均提取率為1.3453%，與預(yù)測值相近，表明回歸模型可靠。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用微波輔助法提取小茴香總黃酮，對總黃酮的提取參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，建立了提取率和各個(gè)因素之間的二次回歸方程Y=1.33-0.042C+0.004167t+0.030T-0.028R-0.005Ct+0.020CR+0.018tT-0.025tR+0.027TR-0.063C2-0.044t2-0.093T2-0.13R2。通過對小茴香總黃酮提取的單因素和響應(yīng)曲面分析，得出小茴香總黃酮提取的最佳工藝條件為乙醇濃度56%，提取時(shí)間11 min，提取溫度62 ℃，液料比39(mL/g)，在此條件下小茴香總黃酮的提取率為1.3453%。

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