響應(yīng)面法優(yōu)化菠蘿皮黃酮的超聲-微波協(xié)同萃取工藝研究

趙娟娟 吳軍梅 李維娜 馬夢(mèng)雪 劉佳娜

（1 衡水學(xué)院生命科學(xué)系 河北 衡水 053000；.衡水湖旅游服務(wù)中心 河北 衡水 053000；3 衡水市桃城區(qū)社會(huì)保險(xiǎn)事業(yè)管理所 河北 衡水 053000）

黃酮類物質(zhì)是一類廣泛存在于自然界的多酚類化合物，不僅具有較強(qiáng)的天然抗氧化性，而且具有抗癌、抗腫瘤、抗衰老、降脂、降壓、免疫調(diào)節(jié)、抗炎鎮(zhèn)痛、降血糖等多種作用[1]。黃酮類物質(zhì)在菠蘿皮中含量較高[2，3]。從當(dāng)前現(xiàn)狀來看，菠蘿皮被當(dāng)作廢物丟棄，造成很大浪費(fèi)的同時(shí)還污染環(huán)境。在菠蘿皮中提取黃酮類物質(zhì)，可以變廢為寶，解決其造成的環(huán)境污染問題。

1 材料和方法

1.1 主要材料與試劑。菠蘿皮取自衡水市吉美超市。試驗(yàn)使用新鮮的菠蘿皮，清洗干凈除去雜質(zhì)后烘干，粉碎，將粉碎后的菠蘿皮置于干燥器中避光備用。

蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品，國(guó)家生物制品檢定所；無水乙醇、Al(NO3)3、NaNO2、NaOH 等均為分析純，衡水瑞豐化玻儀器有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備。XH-300A 型微波超聲波組合合成/萃取儀，北京祥鵠科技發(fā)展有限公司；F123602微量可調(diào)單道移液器，法國(guó)吉爾森；X5 紫外可見分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 黃酮含量測(cè)定方法[4]。采用亞硝酸鈉硝酸鋁顯色法，使用紫外可見分光光度計(jì)在波長(zhǎng)510 nm 下測(cè)出黃酮物質(zhì)吸光度，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線A.10.682C -0.0011(R=0.9999)，計(jì)算出黃酮提取率。

1.3.2 菠蘿皮總黃酮提取單因素試驗(yàn)[5]。設(shè)計(jì)乙醇體積分?jǐn)?shù)(50%、60%、70%、80%、90%)，微波功率(50 w、100 w、150 w、200 w、250 w)，超聲波功率(200 w、300 w、400 w、500 w、600 w)，料液比(1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50)，提取溫度(45 ℃、55 ℃、65℃、75℃、85℃)，提取時(shí)間(5 min、10 min、15min、20 min、25 min)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

1.3.3 響應(yīng)面分析法對(duì)菠蘿皮中總黃酮提取工藝的優(yōu)化。本試驗(yàn)利用Design-Expert 軟件，對(duì)料液比、超聲波功率、提取溫度、提取時(shí)間四個(gè)對(duì)提取率影響較大的因素進(jìn)行四因素三水平試驗(yàn)[6]，以黃酮得率為響應(yīng)值，得出最佳提取條件。具體設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)因素與水平表

2 結(jié)果及分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 提取溶劑體積分?jǐn)?shù)的確定。由表2 可知，當(dāng)乙醇的體積分?jǐn)?shù)在50%～70%之間時(shí)，黃酮的提取率呈上升趨勢(shì)，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)在70%～90%之間時(shí)，黃酮的提取率不斷下降。由此可知，乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%時(shí)黃酮提取率最高。

表2 不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇對(duì)菠蘿皮中黃酮提取率的影響

2.1.2 微波功率的確定。微波有快速升溫的作用，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，微波停止工作。通過試驗(yàn)可知，微波功率對(duì)黃酮得率影響不大，當(dāng)微波功率為150.時(shí)黃酮提取率最穩(wěn)定。因此設(shè)定的微波功率為150 w。

2.1.3 超聲波功率的確定。由圖1 可知，當(dāng)超聲波功率為200～400.時(shí)，菠蘿皮中黃酮的提取率呈上升趨勢(shì)；當(dāng)功率為400～600.時(shí)，黃酮提取率呈下降趨勢(shì)；在超聲波為400.時(shí)，黃酮得率出現(xiàn)峰值，即當(dāng)前功率下黃酮的提取率最高。

2.1.4 最佳液料比的確定。由圖2 知，增加料液比，黃酮類物質(zhì)的提取率也增加，當(dāng)料液比為1∶30 時(shí)，菠蘿皮中黃酮得率達(dá)1.043%。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加料液比，黃酮的提取率變化幅度不明顯，既浪費(fèi)溶劑又不易回收黃酮。因此料液比以1∶30 為宜。

圖1 不同超聲波功率對(duì)黃酮提取率的影響圖

2.1.5 最佳提取溫度的確定。由圖3 可知，隨著溫度逐漸增加，黃酮的提取率呈先升高后下降的趨勢(shì)。溫度為65 ℃時(shí)黃酮的提取率最高為1.06%。可能是因?yàn)楦邷貢?huì)破壞黃酮結(jié)構(gòu)或由于溫度過高會(huì)溶出其它雜質(zhì)。由此可知，提取溫度為65 ℃時(shí)對(duì)黃酮類物質(zhì)的提取有利。

2.1.6 最佳提取時(shí)間的確定。由圖4 可知，當(dāng)時(shí)間低于10 min 時(shí)，隨著提取時(shí)間的增加，黃酮提取率也不斷增大。當(dāng)時(shí)間大于10 min 時(shí)，黃酮的提取率不斷減小。在10 min 時(shí)，黃酮的提取率達(dá)到最大值1.06%；所以提取時(shí)間設(shè)定為10 min。

圖3 不同溫度對(duì)菠蘿皮黃酮提取率的影響

圖4 不同時(shí)間對(duì)菠蘿皮黃酮提取率的影響

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

表3 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果。按照表1 進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，計(jì)算黃酮得率，結(jié)果見表3。

2.2.2 方差分析。應(yīng)用Design-Expert 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，得結(jié)果如表4。

表4 擬合二次項(xiàng)模型的方差分析

通過方差分析，得到四個(gè)因素對(duì)黃酮提取率的回歸方程：Y=1.10-0.18A-0.016B+0.013C+0.012D+0.068AB.7.500E.003AC.0.040AD.0.035BC +0.040BD.0.052CD.0.15A2- 0.25B2- 0.28C2- 0.30D2，該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為R2=0.9854，矯正系數(shù)AdjR2=0.9708，說明試驗(yàn)的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值擬合度較好。

由表4 可知，模型P＜0.0001，說明該模型極顯著，失擬項(xiàng)P=0.3355＞0.05，說明試驗(yàn)誤差較小。因素A 的P 值小于0.01，表明因變量和自變量之間的線性關(guān)系顯著。二次項(xiàng)P 都小于0.01，表明四個(gè)因素對(duì)黃酮提取率的影響都達(dá)到極顯著水平。交互項(xiàng)AB 的P 值小于0.01，說明料液比和超聲波功率的交互作用對(duì)菠蘿皮總黃酮提取率的影響顯著。

2.2.3 響應(yīng)面交互作用分析。通過Design-Expert 軟件，做出響應(yīng)面曲線圖和等高線圖，結(jié)果見圖5。

圖5 響應(yīng)面圖(A，B) 和等高線圖

根據(jù)圖5 可知，圖的顏色由藍(lán)色變?yōu)榧t色，說明提取量由少變多，圖形弧度越大變化得越快，說明變量之間的交互作用對(duì)黃酮提取率是有顯著影響的。超聲波功率和料液比的交互作用顯著。在等高線圖中，曲線越密，相應(yīng)的響應(yīng)曲面則越陡，那么響應(yīng)值對(duì)該因素的變化就較敏感。對(duì)于響應(yīng)曲面來說，圖像呈上凸的形狀，而且等高線為橢圓時(shí)，向上凸的程度越大。每個(gè)響應(yīng)曲面的最高點(diǎn)就是優(yōu)化工藝中的最佳條件，在這一點(diǎn)菠蘿皮中黃酮類物質(zhì)的提取率最高。

2.2.4 優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)響應(yīng)面結(jié)果可知，最佳提取條件為：料液比1∶32.8，超聲波功率404.97 w，提取溫度65.07 ℃，提取時(shí)間10.18 min，此時(shí)菠蘿皮總黃酮的提取率為1.124%。為了保證操作的方便可行，選取料液比為1∶32.8、超聲波功率400 w、提取溫度65.1℃、提取溫度10.2 min，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，平行3 次，菠蘿皮總黃酮提取率的平均值為1.112%。實(shí)際所測(cè)提取率與預(yù)測(cè)值相差0.012%，說明該模型的可靠性強(qiáng)，工藝的重復(fù)性好。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)采取單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面法優(yōu)化的方法從菠蘿皮中提取總黃酮。建立料液比、超聲功率、提取溫度、提取時(shí)間等單因素與總黃酮提取率之間的回歸方程，確定乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、料液比1∶32.8，超聲功率400 w、微波功率150 w、提取溫度65.1 ℃、提取時(shí)間10.2 min 為菠蘿皮總黃酮提取的最佳工藝條件，最佳提取率為1.11%。試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值基本吻合。

該試驗(yàn)表明超聲—微波協(xié)同萃取法對(duì)于提取菠蘿皮中黃酮類物質(zhì)效率高，方法簡(jiǎn)便，為以后的工藝研究提供了可靠的理論依據(jù)。