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    響應(yīng)面法優(yōu)化牛蒡根總黃酮超聲波提取工藝

    2019-05-24 01:45:36劉群群邱艷明毛群芳
    農(nóng)產(chǎn)品加工 2019年10期
    關(guān)鍵詞:牛蒡黃酮乙醇

    劉群群,王 燕,邱艷明,毛群芳

    (1.湖南農(nóng)業(yè)大學食品科技學院,湖南長沙 410128;2.湖南中醫(yī)藥高等??茖W校,湖南株洲 412000)

    牛蒡(Arctium lappa L.),又名惡實、大力子、東洋參,又名東洋牛鞭菜等,主要分布于中國、西歐、克什米爾地區(qū)、歐洲等地。我國牛蒡的種植地主要分布于江蘇省和山東省,尤以江蘇省的徐州豐縣、沛縣,山東省的蒼山種植歷史悠久、面積規(guī)模較大[1]。牛蒡根中含有許多藥用成分,如小分子的揮發(fā)油、多酚類、黃酮類化合物[2]、醛類,以及多炔類物質(zhì),如綠原酸、牛蒡甙、木脂素等[3-4],其具有多種藥物作用及保健功效,特別是對心腦血管保護、抗氧化、抗衰老、抗菌及抗病毒、保護肝腎胃腸損傷、抗疲勞、抗腫瘤、抗突變、調(diào)節(jié)糖代謝和脂代謝紊亂、免疫調(diào)節(jié)、抗炎、調(diào)整腸道菌群、潤腸通便和預防男性疾病等方面都具有一定的作用[5]。已有相關(guān)研究表明,黃酮類化合物具有降血脂、降血壓、抑制血小板聚集、鎮(zhèn)痛等多種藥理作用及保健功效,是一種特別有開發(fā)意義的保健品原材料[6]。

    超聲波產(chǎn)生的機械振動和強烈的空化效應(yīng)會破壞細胞的結(jié)構(gòu),能夠加速目標成分的溶出。超聲波輔助提取不僅能縮短提取時間,還避免了高溫對有效成分的破壞[7]。試驗在超聲波輔助前提下研究了提取牛蒡根總黃酮的影響因素,優(yōu)化了牛蒡根總黃酮的提取工藝條件,為牛蒡根黃酮的開發(fā)和利用提供了研究的基礎(chǔ)。

    1 材料和方法

    1.1 材料與儀器

    牛蒡根,徐州大自然公司提供;蘆丁對照品,中國藥品生物制品檢定所提供;NaNO2、無水乙醇、Al(NO3)3、NaOH等試劑,均為分析純。

    QE-5A型高速中藥粉粹機,武義縣屹立工具有限公司產(chǎn)品;CPA225D型電子分析天平,賽多利斯科學儀器(北京)有限公司產(chǎn)品;101A-4型電熱鼓風恒溫干燥箱,上??德穬x器設(shè)備有限公司產(chǎn)品;KQ-100B型超聲波清洗器,鞏義市予華儀器有限責任公司產(chǎn)品;L5S型紫外可見分光光度計,上海儀電科學儀器股份有限公司產(chǎn)品。

    1.2 試驗方法

    1.2.1 牛蒡根的預處理

    將新鮮的牛蒡根清洗干凈、切片,并用0.75%維C溶液浸泡30 min,瀝干水分后于40℃條件下鼓風干燥至恒質(zhì)量,粉粹過60篩,得牛蒡根干粉,低溫冷凍儲存以備用。

    1.2.2 黃酮含量的測定

    黃酮含量的測定采用 NaNO2-Al(NO3)3法[8]。以蘆丁為標準品,制作標準曲線,得到吸光度與黃酮質(zhì)量濃度的方程:

    Y=0.012 1X+0.029 8,R2=0.999 0.將0.5 mL牛蒡根總黃酮提取液加入到25 mL比色管中,再加5%的NaNO2溶液0.4 mL,搖勻,靜置6 min后加入10%Al(NO3)3溶液0.4 mL,搖勻后靜置6 min,最后加入4%NaOH溶液4.0 mL,用純水定容至25 mL刻度,在室溫下靜置15 min后,于波長509 nm處測定處吸光度,并將其代入標準曲線,求得比色管中牛蒡根總黃酮的質(zhì)量濃度,計算牛蒡根總黃酮的提取率。

    式中:C——牛蒡根總黃酮的質(zhì)量濃度,μg/mL;

    V1——25 mL(比色管量程);

    V2——0.5 mL(反應(yīng)體系中牛蒡根總黃酮提取液的體積);

    V——牛蒡根總黃酮提取液的總體積,mL;

    m——牛蒡粉質(zhì)量,g。

    1.2.3 總黃酮提取單因素試驗

    (1)料液比對牛蒡根中總黃酮提取率的影響。選取料液比 1∶5,1∶10,1∶15,1∶20,1∶25,1∶30(g∶mL),在超聲功率100 W,乙醇體積分數(shù)60%,提取時間30 min,提取溫度40℃條件下,研究料液比對牛蒡根總黃酮提取率的影響。

    (2)乙醇體積分數(shù)對牛蒡根總黃酮提取率的影響。分別選用體積分數(shù)為20%,40%,60%,80%,100%的乙醇溶液作為溶劑,在超聲功率100 W,提取時間30 min、料液比1∶20(g∶mL),提取溫度40℃條件下,研究乙醇體積分數(shù)對牛蒡根總黃酮提取率的影響。

    (3)提取時間對牛蒡根總黃酮提取率的影響。選擇提取時間分別為20,30,40,50,60,70 min,在超聲功率100 W,提取溫度40℃,乙醇體積分數(shù)60%,料液比1∶20(g∶mL)條件下,研究提取時間對牛蒡根總黃酮提取率的影響。

    (4)提取溫度對牛蒡根總黃酮得率的影響。選取提取溫度30,40,50,60,70,80℃,在超聲功率100 W、乙醇體積分數(shù)60%,料液比1∶20(g∶mL),提取時間30 min條件下,研究不同提取溫度對牛蒡根總黃酮提取率的影響。

    1.2.4 響應(yīng)面設(shè)計

    在單因素試驗的基礎(chǔ)上,以料液比、乙醇體積分數(shù)、提取時間、提取溫度為考查因素,牛蒡根總黃酮的提取率為響應(yīng)值進行Box-Behnken的中心組合設(shè)計(四因素三水平)。通過Design Expert 10.0.3軟件進行數(shù)據(jù)分析和試驗設(shè)計,優(yōu)化牛蒡根總黃酮在超聲波輔助下的提取條件。

    Box-Behnken的中心組合因素水平見表1。

    表1 Box-Behnken的中心組合因素水平

    2 結(jié)果與分析

    2.1 單因素試驗結(jié)果分析

    2.1.1 料液比對牛蒡根總黃酮提取率的影響

    料液比對牛蒡根總黃酮提取率的影響見圖1。

    圖1 料液比對牛蒡根總黃酮提取率的影響

    由圖1可知,料液比為1∶10~1∶20(g∶mL)時,黃酮提取率隨料液比的增加而增加;料液比為1∶20時,總黃酮提取率達到最大;料液比超過1∶20時,提取率反而下降。這是由于隨著溶劑與原料的比值增大濃度差也就增大,這雖然促進了傳質(zhì)的過程,但是當比例過大時,影響了超聲波產(chǎn)生的效應(yīng),使得黃酮提取率不增加反而下降[9]。因而,最適料液比選擇為1∶20(g∶mL)。

    2.1.2 乙醇體積分數(shù)對牛蒡根總黃酮提取率的影響

    乙醇體積分數(shù)對牛蒡根總黃酮提取率的影響見圖2。

    由圖2可知,牛蒡根總黃酮提取率隨乙醇體積分數(shù)的增加先增加后急速降低,當乙醇體積分數(shù)為80%時,其提取率最高,此結(jié)果與蔡茜彤等人的研究結(jié)果一致;現(xiàn)有研究表明[10],植物中的黃酮類化合物主要以苷元和苷類的形式存在,高體積分數(shù)的乙醇更適于黃酮苷元的提取,而低體積分數(shù)的乙醇(60%以下)適于黃酮苷的提取。這也說明牛蒡根中黃酮苷元比黃酮苷類含量更高,因此最佳的乙醇體積分數(shù)選為80%。

    2.1.3 提取時間對牛蒡根總黃酮提取率的影響

    提取時間對牛蒡根總黃酮提取率的影響見圖3。

    圖2 乙醇體積分數(shù)對牛蒡根總黃酮提取率的影響

    圖3 提取時間對牛蒡根總黃酮提取率的影響

    由圖3可知,在60 min以內(nèi),牛蒡根總黃酮提取率隨著提取時間的延長而增大;而60 min以后,其隨時間的增加而減少,由此確定最佳提取時間為60 min。由于細胞的破裂和黃酮類物質(zhì)的溶出都需要時間,黃酮類物質(zhì)隨著提取時間的增加提取也越充分,但是時間過長,超聲波巨大的機械能會破壞黃酮類物質(zhì),而使黃酮類物質(zhì)提取率下降[11]。

    2.1.4 提取溫度對牛蒡根總黃酮提取率的影響

    提取溫度對牛蒡根總黃酮得率的影響見圖4。

    圖4 提取溫度對牛蒡根總黃酮得率的影響

    由圖4可知,提取溫度在30~60℃時,黃酮提取率迅速增加;但當提取溫度大于60℃時,黃酮提取率隨溫度的增加反而降低,呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。這主要是因為升高的提取溫度,增大了擴散系數(shù),降低了提取液黏度,加快了分子熱運動的速度,從而促進了物質(zhì)的溶出。但溫度過高,會破壞牛蒡根總黃酮的組織結(jié)構(gòu),使其被氧化分解,同時,溶劑會隨溫度的升高而損失,雜質(zhì)溶出也會大量增加,而使總黃酮的提取率降低[12]。由此,牛蒡根總黃酮最適提取溫度為60℃。

    2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果分析

    2.2.1 響應(yīng)面結(jié)果

    根據(jù)Box-Beknhen中心組合試驗設(shè)計,以料液比、乙醇體積分數(shù)、提取溫度、提取時間為考查因素,在單因素基礎(chǔ)上進行了四因素三水平的響應(yīng)面試驗設(shè)計。

    響應(yīng)面試驗設(shè)計見表2。

    利用Design Expert 10.0.3軟件對表2中的試驗數(shù)據(jù)進行了多元回歸擬合,并對影響牛蒡根總黃酮提取的因素進行條件優(yōu)化,得到牛蒡根總黃酮提取的回歸方程:

    2.2.2 響應(yīng)面分析

    對響應(yīng)面試驗結(jié)果進行方差分析。

    方差分析見表3。

    表3 方差分析

    圖5 料液比和乙醇體積分數(shù)交互影響

    圖6 料液比和提取溫度的交互影響

    圖7 提取時間和料液比的交互影響

    圖8 乙醇體積分數(shù)和提取時間的交互影響

    圖9 提取時間和提取溫度的交互影響

    圖10 乙醇體積分數(shù)和提取溫度的交互影響

    由表3可知,該回歸模型的p<0.001,為極顯著水平,相關(guān)系數(shù)R2=0.928 5,說明自變量和響應(yīng)值之間、預測值與試驗值之間有顯著的關(guān)系,試驗模型與實際試驗能較好的擬合。而且失擬項p=0.534 8>0.05,差異不顯著,試驗誤差小,這說明該模型能較好的擬合牛蒡根總黃酮提取率的實際值與預測值。變異系數(shù)(CV%)為2.34%,較小,說明試驗結(jié)果重復性較好。從檢驗值F可以看出,影響牛蒡根中總黃酮提取率的因素的主次順序為料液比(A)>乙醇體積分數(shù)(B)>提取溫度(C)>提取時間(D),其中乙醇體積分數(shù)、乙醇體積分數(shù)的二次項、料液比、料液比的二次項、提取溫度的二次項都是極顯著水平,而其他的則不顯著。

    料液比和乙醇體積分數(shù)的交互影響見圖5,料液比和提取溫度的交互影響見圖6,提取時間和料液比的交互影響見圖7,乙醇體積分數(shù)和提取時間的交互影響見圖8,提取溫度和提取時間的交互影響見圖9,乙醇體積分數(shù)和提取溫度的交互影響見圖10。

    由圖5~圖10可知,響應(yīng)面圖呈現(xiàn)凸狀,開口朝下,并且有最高點,且從最高點向四周邊緣逐漸下降,這表明各因素作用增大時,響應(yīng)面值也增大,達到最高點后,各因素作用增大,響應(yīng)面值反而減小[13]。

    2.2.3 驗證試驗

    經(jīng)過Design Expert 10.0.3軟件進行分析,牛蒡根總黃酮在超聲波功率為100 W輔助提取下的最優(yōu)提取條件為料液1∶23.48(g∶mL),提取溫度60.05℃,乙醇體積分數(shù)61.05%,提取時間59.03 min,從該條件得出的牛蒡根總黃酮提取率為28.19 mg/g。為了方便實際操作,將各因素稍作調(diào)整,分別取整數(shù)為料液比1∶23(g∶mL),提取溫度60℃,乙醇體積分數(shù)61%,提取時間59 min,該條件下測得的牛蒡根總黃酮提取率為27.96 mg/g,和理論值比較,相對誤差為0.82%,試驗值與理論值能夠吻合較好。說明該模型對牛蒡根總黃酮提取條件擬合較好,得到的優(yōu)化條件可行。

    3 結(jié)論

    以牛蒡根為原料,在單因素試驗的基礎(chǔ)上,通過響應(yīng)面法優(yōu)化提取條件,得出超聲功率為100 W時的牛蒡根中總黃酮的最佳提取條件為料液比1∶23(g∶mL),乙醇體積分數(shù)61%,提取溫度 60℃,提取時間59 min,在此條件下,得到牛蒡根總黃酮提取率為27.96 mg/g。研究結(jié)果表明,牛蒡根中總黃酮含量豐富,是黃酮提取的良好原材料,具有較好的開發(fā)潛能,為進一步研究牛蒡黃酮提供了理論基礎(chǔ)。

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