超聲提取長(zhǎng)白楤木嫩芽中皂苷的工藝優(yōu)化*

孟憲軍，潘璇，李天來(lái)，馮穎

1(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)，110161) 2(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)，110161)

超聲提取長(zhǎng)白楤木嫩芽中皂苷的工藝優(yōu)化*

孟憲軍1，潘璇1，李天來(lái)2，馮穎1

1(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)，110161) 2(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)，110161)

研究響應(yīng)面法超聲提取長(zhǎng)白楤木中皂苷的工藝。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用minitab15軟件設(shè)計(jì)了響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，研究乙醇濃度、料液比、超聲提取時(shí)間和超聲功率等因素對(duì)皂苷提取量的影響并確定最佳提取工藝參數(shù)。結(jié)果表明:長(zhǎng)白楤木中皂苷類(lèi)化合物的最佳超聲提取工藝為乙醇體積分?jǐn)?shù)為90%，料液比為1∶60(g∶mL)，超聲時(shí)間40 min，功率為250 W。預(yù)測(cè)模型所得提取量為45.14 mg/g，實(shí)際驗(yàn)證提取量為41.35 mg/g。

長(zhǎng)白楤木嫩芽，皂苷，響應(yīng)面，超聲波提取

長(zhǎng)白楤木(Aralia continentalis Kitag)為五加科多年生草本植物，又名草本刺嫩芽、東北土當(dāng)歸、土當(dāng)歸、舌秸顆、狗苦龍芽、牛尾大活等。長(zhǎng)白楤木的根、葉、花含揮發(fā)油，其中根含2%，葉含0.58%;葉和嫩芽有皂苷、香豆素等［1－2］。

本實(shí)驗(yàn)以長(zhǎng)白楤木嫩芽為原料，探索了超聲波功率、乙醇濃度、料液比、處理時(shí)間4個(gè)因素對(duì)皂苷提取的影響，通過(guò)響應(yīng)面分析法優(yōu)化了超聲波提取長(zhǎng)白楤木嫩芽中皂苷的工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

長(zhǎng)白楤木嫩芽，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院提供;無(wú)水乙醇、香草醛冰醋酸、高氯酸、乙酸乙酯，均為分析純?cè)噭?/p>

KQ-250DB型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司;UV-1600紫外分光光度計(jì)，尤尼柯(上海)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品中皂苷含量的測(cè)定方法

標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的測(cè)定［1］:精密稱(chēng)取齊敦果酸標(biāo)準(zhǔn)品2 mg，置10 mL容量瓶中，加甲醇溶解，并定容至刻度，搖勻，即得0.2 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)品溶液。精密吸取齊敦果酸標(biāo)準(zhǔn)品溶液 0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL分別加入7只具塞試管中，揮干甲醇，隨后加入0.2 mL新配制的5%香草醛冰醋酸溶液(現(xiàn)用現(xiàn)配)、0.8 mL高氯酸，搖勻，于60℃水浴加熱15 min，取出，冰浴冷卻中止反應(yīng);加入4 mL乙酸乙酯，搖勻，于556 nm下測(cè)定吸光度，隨行試劑做出空白。計(jì)算回歸方程為:y=8.447 1x－0.058 8，R2=0.998 1，其中y為吸光度，x為皂苷濃度(mg/g)。

準(zhǔn)確稱(chēng)取樣品1 g，放入三角瓶中加入一定體積、一定濃度的乙醇溶液，在一定溫度下超聲輔助提取一定時(shí)間，抽濾，以相應(yīng)提取溶液定容，準(zhǔn)確吸取0.1 mL加入具塞試管中，揮干乙醇，隨后加入0.2 mL新配制的5%香草醛冰醋酸溶液(現(xiàn)用現(xiàn)配)、0.8 mL高氯酸，搖勻，于60℃水浴加熱15 min，取出，冰浴冷卻中止反應(yīng);加入4 mL乙酸乙酯，搖勻，于556 nm下測(cè)定吸光度A556，隨行試劑做出空白。然后帶入回歸方程中。

皂苷提取量/(mg·g－1)=Q/R

式中:Q，提取液中皂苷的質(zhì)量(mg);R，干物料質(zhì)量(g)。

1.2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［2］

選擇乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取時(shí)間、液固比、超聲功率進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，確定其對(duì)超聲波提取皂苷的影響關(guān)系，并采用Box-Behnken設(shè)計(jì)法(表1)，設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)(采用真實(shí)值代碼)，對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

表1 Box-Behnken設(shè)計(jì)因素及水平表

模型通過(guò)最小二乘法擬合，二次多項(xiàng)方程可表達(dá)為:

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)皂苷提取量的影響

2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)皂苷提取的影響由圖1可見(jiàn)，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，長(zhǎng)白楤木嫩芽中皂苷的提取量也隨之增大，故將乙醇體積分?jǐn)?shù)選定在90%左右。

2.1.2 料液比對(duì)皂苷提取的影響

圖2 料液比對(duì)皂苷提取量的影響

圖2 可見(jiàn)，隨著料液比的增大，皂苷的提取量也隨之成上升趨勢(shì)，但是當(dāng)料液比大于1∶40時(shí)皂苷的提取量的增加緩慢，固液比太小皂苷提取不充分，太大則浪費(fèi)試劑，綜合考慮，選擇固液比為1∶40左右為佳。

2.1.3 超聲功率對(duì)皂苷提取的影響

圖3 功率對(duì)皂苷提取量的影響

超聲波提取主要是超聲波有強(qiáng)烈的生物學(xué)效應(yīng)，進(jìn)行超聲波處理時(shí)，超聲波的高頻震動(dòng)與微生物細(xì)胞的振動(dòng)不協(xié)調(diào)，造成細(xì)胞周?chē)h(huán)境局部真空，使細(xì)胞膜產(chǎn)生空穴作用，從而使之破碎。由圖3可見(jiàn)，隨著超聲波提取功率的增加，皂苷提取量也隨著增高，當(dāng)功率大于200 W時(shí)，皂苷提取量的增加趨勢(shì)減緩，所以功率取200 W左右為佳。

2.1.4 超聲時(shí)間對(duì)皂苷提取的影響

由圖4可見(jiàn)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，皂苷提取量也隨之增大，但是當(dāng)時(shí)間超過(guò)30 min時(shí)，長(zhǎng)白楤木嫩芽中皂苷提取量的增加減緩，考慮綜合因素，取時(shí)間為30 min左右為佳。

圖4 提取時(shí)間對(duì)皂苷提取量的影響

2.2 擬合模型的建立及方差分析

對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，獲得二次多元回歸方程:

由表3可以看出，回歸方程的P﹤0.01，說(shuō)明皂苷提取量所建立的二次多項(xiàng)模型具有高度顯著性。模型的總決定系數(shù)達(dá)0.929 3，說(shuō)明該模型能解釋92.93%的響應(yīng)值的變化。失擬項(xiàng)的P=0.997不顯著，表明方程對(duì)試驗(yàn)有較好的精確度和可靠性，方程對(duì)實(shí)驗(yàn)擬合良好，可以用該回歸模型代替真實(shí)試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

回歸方程顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)表4。結(jié)果表明，X1(乙醇體積分?jǐn)?shù))、X3(功率)、X4(時(shí)間)、X32、X1X3、X1X4和X2X3項(xiàng)對(duì)皂苷的提取量影響極顯著;模型一次項(xiàng)X2(料液比)，模型二次項(xiàng)X12、X22、X42，交互項(xiàng) X1X2、X2X4、X3X4不顯著。

2.3 響應(yīng)面分析

如果一個(gè)響應(yīng)曲面坡度相對(duì)平緩，表明其可以忍受處理?xiàng)l件的變異，而不影響到相應(yīng)值的大小，相反，如果一個(gè)響應(yīng)曲面坡度非常陡峭，表明響應(yīng)值對(duì)于處理?xiàng)l件的改變非常敏感［3］。

表2 響應(yīng)面法設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

表3 回歸模型方差分析

從圖5可以看出，功率對(duì)皂苷提取量的影響變化趨勢(shì)受乙醇濃度的交互作用的影響。當(dāng)功率較小時(shí)，皂苷提取量隨乙醇體積分?jǐn)?shù)增大而增加，當(dāng)功率較大時(shí)，提取量隨乙醇體積分?jǐn)?shù)增大而減小。

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

圖5 提取量與乙醇濃度、功率的曲面圖

從圖6可以看出，功率對(duì)皂苷提取量的影響變化趨勢(shì)受料液比的交互作用的影響。當(dāng)功率為較小時(shí)隨著料液比的增加提取量減小，當(dāng)功率較大時(shí)隨著料液比增大提取量也隨之增加。

圖6 提取量與料液比與功率的曲面圖

從圖7可以看出，乙醇濃度對(duì)皂苷提取量的影響變化趨勢(shì)受時(shí)間的交互作用的影響。當(dāng)乙醇濃度較小時(shí)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)提取量減小，當(dāng)乙醇濃度較大時(shí)隨著時(shí)間延長(zhǎng)提取量也隨之增加。

通過(guò)對(duì)模型中響應(yīng)面優(yōu)化，確定提取皂苷最佳條件是乙醇體積分?jǐn)?shù)90%，料液比1∶60(g∶mL)，功率250 W，時(shí)間40 min，預(yù)測(cè)最高理論值為45.14 mg/g。在最佳條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)得皂苷提取量為41.35 mg/g，達(dá)到理論模型的91.6%。

圖7 提取量與乙醇濃度和時(shí)間曲面圖

3 結(jié)論

在單因素的基礎(chǔ)上用響應(yīng)曲面法對(duì)長(zhǎng)白楤木嫩芽中皂苷的超聲波提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，乙醇濃度，功率和時(shí)間對(duì)超聲提取有顯著影響，乙醇濃度與超聲功率、乙醇濃度與超聲時(shí)間、料液比和時(shí)間都對(duì)超聲提取皂苷有顯著的交互作用。超聲輔助提取長(zhǎng)白楤木嫩芽中皂苷的最佳提取工藝為乙醇體積分?jǐn)?shù)90%，料液比1∶60(g∶mL)，功率250 W，時(shí)間40 min，預(yù)測(cè)最高理論值為45.14 mg/g。對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在最佳條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)得皂苷提取量為 41.35 mg/g，達(dá)到理論模型的91.6%。

［1］ 潘小燕，長(zhǎng)白楤木主要生長(zhǎng)生態(tài)特性和營(yíng)養(yǎng)成分研究［D］，沈陽(yáng):沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［2］ 董艷紅，李姝婧，鄭慧華，等.響應(yīng)曲面優(yōu)化超聲提取靈芝多糖工藝研究［J］，食品科學(xué)，2009，30(16):98－101.

［3］ 陳莉，屠康，王海，等.采用響應(yīng)曲面法對(duì)蔡侯紅富士蘋(píng)果熱處理?xiàng)l件的優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(2):159－163.

Optimizing Ultrasonic-assisted Extraction of Saponin from Aralia continentalis Kitag

Meng Xian-jun1，Pan Xuan1，Li Tian-lai2，F(xiàn)eng Ying1
1(Food College，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110161，China)2(Horticulture College，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110161，China)

The ultrasonic-assisted extraction process of saponin from Aralia continentalis Kitag was studied.On the basis of single factor tests，response surface methodology was designed by minitab software 15，and the effects of ethanol concentration，ratio of solid to liquid，extraction time and extraction power on the extraction amount was studied.The result showed that the optimum extraction conditions were as follow:with 90%ethanol as the extraction solven and a ratio of solid to liquid of1/60，extraction power at 250 W for 40 min.The predicted extraction amount was 45.14 mg/g，close to the practical extraction amount of 41.35 mg/g.

Aralia continentalis Kitag，saponin，response surface methodology，ultrasonic-assisted extraction

教授(馮穎教授為通訊作者)。

*中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(20080431155)

2010－04－09，改回日期:2010－06－09