響應曲面法優(yōu)化超聲-微波協(xié)同提取百合渣中總皂苷工藝的研究

潘青友，童群義

（江南大學食品學院，江蘇無錫 214122）

響應曲面法優(yōu)化超聲-微波協(xié)同提取百合渣中總皂苷工藝的研究

潘青友，童群義*

（江南大學食品學院，江蘇無錫 214122）

以宜興百合淀粉生產過程中產生的副產物百合渣為原料，采用超聲-微波協(xié)同提取工藝提取其中的總皂苷，通過乙醇濃度、液料比、微波功率、提取時間各單因素實驗確定各因素對總皂苷得率的影響。在單因素實驗的基礎上，根據(jù)Box-Behnken實驗原理，采用了四因素三水平的響應面分析法，以總皂苷的得率作為響應值，根據(jù)所得實驗結果進行回歸分析，優(yōu)選出提取的最佳工藝為：乙醇濃度77%，液料比11∶1（mL/g），微波功率503W，提取時間139s，在此最佳條件下，測得總皂苷的得率為6.59‰。該工藝運用了超聲與微波的協(xié)同效應，集取了超聲與微波二者優(yōu)勢，具有提取時間短、效率高的優(yōu)點。

百合渣，超聲-微波協(xié)同提取，響應面設計法，總皂苷

Abstract：The residue of the by-products in the starch production process of Yixing lily was analyzed as the extracted material to study the optimum procedures of the ultrasound-microwave synergy extraction method．Effects of thanol concentration，liquid-solid ratio，microwave power and extraction time on yield of total saponins were determined.Based on the results of single factor test，as well as Box-Behnken experiment principle，the four factors and three levels response surface method（RSM）test was designed and the yield of total saponins was determined as response value.The optimum extracting parameters to achieve the highest total saponins yield of 6.59‰ was obtained as follows：ethanol concentration（v/v） of 77%，liquid to solid ratio of 11∶1（mL/g），microwave power of 503W，and extraction time 139s.The ultrasound-microwave synergy extraction technique combined with the advantages of microwave and ultrasonic was a new method of higher efficiency，lower temperature and less time consumption.

Key words：lily residue；ultrasound-microwave synergy extraction；response surface method；total saponins

百合是國家衛(wèi)生部首批頒布的“藥食兼用”傳統(tǒng)資源，其鱗莖性甘微寒，有潤肺止咳、清心安神、調理脾胃、補中益氣、利尿、增強免疫等功效[1-3]，近幾年國內外研究表明百合的保健功效與其所含的皂苷密切相關[4]。超聲-微波協(xié)同萃取為近年來發(fā)展的一門新技術，把超聲-微波協(xié)同技術用于百合渣總皂苷的提取，既降低操作費用，又合乎環(huán)境保護的要求，是具有良好發(fā)展前景的新工藝[5-7]。響應曲面法（response surface methodology，RSM）是一種實驗優(yōu)化方法，可以建立連續(xù)變量曲面模型，對因子及其交互作用也可以進行評價，確定最佳水平范圍[7]。近年來，百合淀粉的需求量不斷攀升，百合生產淀粉過程中產生的百合渣和上清水往往要廢棄，而百合的功效成分正是殘留在百合渣及上清水中，本工作擬利用超聲-微波協(xié)同萃取裝置提取百合渣中的總皂苷，應用響應曲面法分析，得出從百合渣中提取總皂苷的最優(yōu)條件，為百合生產淀粉企業(yè)的經濟效益最大化提供科學依據(jù)和可行性參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

百合 購于江蘇無錫菜市場；鱗莖 洗凈后用組織搗碎機搗碎，搗碎液經紗布過濾，并用清水沖洗至洗出液澄清，洗出液在常溫下靜置2h后得沉淀物，即百合淀粉；百合渣 紗布中殘渣在50℃烘箱內烘至水分含量低于10%，經萬能粉碎機粉碎后過60目篩，得供試樣品；乙醇、乙醚、冰乙酸、正丁醇、高氯酸、甲醇、香草醛 均為分析醇；薯蕷皂苷對照品 購于中檢所。

UV-2100型紫外分光光度儀 上海龍尼柯儀器有限公司；RE-52AA型旋轉蒸發(fā)儀 上海申生科技有限公司；CW-2000型超聲-微波協(xié)同萃取儀 上海新拓微波溶樣測試技術有限公司；FW-80-I高速萬能粉碎機 天津泰斯特儀器有限公司；DS-200高速組織粉碎機 江蘇江陰科研器械廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 標準曲線的制作[8]準確稱取薯蕷皂苷對照品5mg，置于50mL容量瓶中，加適量甲醇溶解后定容，準確移取薯蕷皂苷對照液0.4、0.8、1.2、1.6、2.0mL置于具塞試管內并揮干溶劑，分別加5%香草醛-冰醋酸溶液0.2mL和高氯酸0.8mL，混勻、密塞、置于60℃恒溫水浴中加熱15min后，取出后立即以冰水冷卻5min，各加入冰醋酸5.0mL，搖勻，靜置l0min，對照組為試劑空白，于540nm處測其吸光度。并以樣品取樣量為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制標準曲線。

1.2.2 樣品中總皂苷的提取及測定 按2.00g/份取樣，樣品在相應濃度的乙醇中浸泡充分，再用不同濃度、不同體積的乙醇在不同微波功率下進行超聲-微波協(xié)同提取不同時間，真空過濾后旋蒸回收乙醇。殘渣加水使之溶解，乙醚萃取至醚層無色，棄醚液，水層用水飽和的正丁醇萃取水層至正丁醇層無色，回收正丁醇。所得溶液用甲醇溶解定容至100mL，吸取百合渣總皂苷提取液1.0mL置于具塞試管內。按標準曲線測定方法，測定其吸光度。根據(jù)標準曲線計算總皂苷含量并按公式轉換成總皂苷得率。

轉換公式：總皂苷得率（‰）=總皂苷測得量X×100/2=50X

1.2.3 單因素實驗 以百合總皂苷得率為響應指標，研究乙醇濃度、液料比、微波功率、微波時間各個因素對百合總皂苷得率的影響規(guī)律。

1.2.4 響應曲面優(yōu)化實驗 在單因素實驗結果基礎上，選取A乙醇濃度（%）、B液料比（mL/g）、C微波功率（W）、D提取時間（s）四個主要因素，采用中心組合實驗Box-Behnken設計方案進行組合實驗。實驗因素與水平見表1。

表1 總皂苷超聲-微波提取實驗的因素與水平Table 1 Factors and levels of ultrasound-microwave synergy extraction test of total saponins

2 結果與分析

2.1 單因素實驗分析

2.1.1 乙醇濃度對總皂苷得率的影響 選擇液料比10∶1（mL/g）、微波功率500W、微波時間135s，以總皂苷得率為評價指標，考察乙醇濃度對百合渣總皂苷得率的影響。由圖1可知，百合皂苷得率在乙醇濃度為80%時得率最高。乙醇濃度小于80%時總皂苷得率隨濃度的升高而升高，在60%后上升加快；這是因為高濃度乙醇有利于醇溶性的皂苷類物質溶出。乙醇濃度超過80%后總皂苷得率隨乙醇濃度的升高反而降低；這可能是因為過高濃度的乙醇不利于水溶性較大的皂苷類物質溶出；另外一個因素可能是由于高濃度乙醇溶出較多醇溶性雜質，這些成分阻礙了皂苷類化合物的溶出。

圖1 乙醇濃度對總皂苷得率的影響Fig.1 Effect of ethanol concentration on yield of total saponins

2.1.2 液料比對總皂苷得率的影響 選擇乙醇濃度80%，微波功率500W、微波時間135s，以總皂苷得率為評價指標，考察液料比對百合渣總皂苷得率的影響。由圖2可知，液料比12∶1之前，總皂苷得率隨著液料比的增加而增加；這是因為隨著溶劑量的變大總皂苷溶出量增加。液料比超過12∶1之后，總皂苷得率隨著液料比的增加而略有下降；這可能是因為溶劑量過大時微波和超聲的能量過多作用于溶劑，物料吸收的能量反而變少，從而導致總皂苷的溶出量下降。

圖2 液料比對總皂苷得率的影響Fig.2 Effect of liquid-solid ratio on yield of total saponins

2.1.3 微波功率對總皂苷得率的影響 選擇乙醇濃度80%、液料比10∶1（mL/g）、微波時間為135s，以總皂苷得率為評價指標，考察微波功率對百合渣總皂苷得率的影響。由圖3可知，在微波功率低于500W時總皂苷得率隨著微波功率的增強而增加；這是因為隨著微波功率的提高，被提取物吸收的微波能量增多，物系的溫度上升加快，分子的擴散速度加快，從而總皂苷得率有所上升。超過500W之后，微波的熱效應可能使局部溫度升高過快，部分皂苷分解，導致總皂苷得率有所下降。

圖3 微波功率對總皂苷得率的影響Fig.3 Effect of microwave power on yield of total saponins

2.1.4 提取時間對總皂苷得率的影響 選擇乙醇濃度80%、液料比10∶1（mL/g）、微波功率為500W，以總皂苷得率為評價指標，考察提取時間對百合渣總皂苷得率的影響。由圖4可知，提取時間小于135s時，總皂苷得率隨著時間的增加而增加。超過135s后，總皂苷得率隨時間的增加略有下降，這可能是因為部分皂苷在長時間微波輻射后局部高溫致其分解。達到180s后，總皂苷得率隨時間的增加變化很小，這說明不耐熱的皂苷基本分解完全，而且總皂苷的提取已接近完全。

圖4 提取時間對總皂苷得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on yield of total saponins

2.2 百合生產淀粉廢渣總皂苷提取工藝的響應面分析[9-10]

在單因素實驗基礎上，根據(jù)Box—Benhnken中心組合實驗設計原理，以總皂苷得率為響應值，設計四因素三水平響應面分析實驗，利用Design-Expert軟件對所得數(shù)據(jù)進行分析。

2.1.1 微波-超聲協(xié)同提取百合生產淀粉廢渣總皂苷實驗方案與結果 Box—Benhnken中心組合實驗設計方案與結果見表2。

2.1.2 模型建立及顯著性分析 利用Design Expert軟件進行多元回歸擬合，建立總皂苷得率與乙醇濃度、液料比、微波功率、提取時間四因素的數(shù)學回歸模型。由F值可知，各因素對總皂苷提得率的影響程度大小順序依次為：乙醇濃度＞液料比＞提取時間＞微波功率。去掉不顯著項，得到二次回歸方程為：

Y=6.51+0.4x1+0.11x2+0.33x2x4-0.097x1x4-1.12x12-0.56x22-0.31x32-0.29x42

該方程的相關系數(shù)R2=0.9908，模型擬合程度良好，可用該模型對未知條件下總皂苷得率進行預測。由表3可知，整體模型達極顯著水平（p＜0.01），表明該二次方程模型極顯著，不同處理間的差異高度顯著。失擬項不顯著（p=0.9927），表明模型選擇合適。

運用二次模型進行變異分析（Analysis of variance，ANOVA），結果表明，響應值總皂苷得率（Y）模型極顯著。由表3可知，一次項乙醇濃度（A）、液料比（B）極顯著，微波功率（C）、提取時間（D）不顯著。二次項均達到極顯著水平。交互項BD極顯著，AD顯著，其余交互項不顯著。

表2 實驗方案與結果Table 2 Test designs and extraction results

表3 回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗結果Table 3 Results of significance test of regression coefficient

2.1.3 各因素對總皂苷得率的交互影響 由圖5可知，乙醇濃度對總皂苷得率影響極顯著。微波功率和提取時間在零水平時，在一定的液料比下，總皂苷得率隨乙醇濃度的變化先快速上升（＜75%）后緩慢下降（＞75%），在乙醇濃度為75%左右的時候，總皂苷得率達到最大值；隨著液料比的由小變大，乙醇濃度與總皂苷得率相關曲線呈現(xiàn)由平緩到明顯然后又趨于平緩的狀態(tài)。液料比對總皂苷得率影響顯著?？傇碥盏寐孰S液料比的變化呈現(xiàn)先快速上升后略有下降的趨勢；但這一相關曲線受乙醇濃度變化的影響不大。通過圖5及方差分析中的F值可以得出乙醇濃度對總皂苷得率的影響大于液料比對總皂苷得率的影響。

圖5 Y=f（A，B）的響應曲面Fig.5Response surface plot of Y=f（A，B）

圖6 Y=f（A，C）的響應曲面Fig.6Response surface plot of Y=f（A，C）

由圖6可知，總皂苷得率隨乙醇濃度的變化呈先快速上升后緩慢下降的曲線關系，但微波功率的變化對這一曲線影響不大?？傇碥盏寐孰S著微波功率的變化不明顯，只是略有一個先上升后下降的趨勢。通過圖6及方差分析中的F值可以得出乙醇濃度對總皂苷得率的影響大于微波功率對總皂苷得率的影響。

圖7 Y=f（A，D）的響應曲面Fig.7Response surface plot of Y=f（A，D）

由圖7可知，乙醇濃度和提取時間交互作用顯著。在一定的提取時間下，總皂苷得率隨乙醇濃度的變化總體呈現(xiàn)先快速上升后緩慢下降的曲線關系。隨著提取時間由小到大，總皂苷得率與乙醇濃度相關曲線呈現(xiàn)由平緩到明顯然后又趨于平緩的狀態(tài)?？傇碥盏寐孰S著提取時間的變化不明顯。通過圖7及方差分析中的F值可以得出乙醇濃度對總皂苷得率的影響大于提取時間對總皂苷得率的影響。

圖8 Y=f（B，D）的響應曲面Fig.8Response surface plot of Y=f（B，D）

由圖8可以看出，提取時間和液料比的交互作用極顯著。在較短的提取時間下，總皂苷得率隨液料比的變化呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的曲線關系；而在較長的提取時間下，曲線的最高點右移，總皂苷得率隨液料比的變化在圖中呈現(xiàn)上升趨勢。在較小的液料比下，總皂苷得率隨提取時間的變化呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的曲線關系；而在較大的液料比下，曲線的最高點向大數(shù)值方向移動，總皂苷得率隨提取時間的變化在圖中呈現(xiàn)上升趨勢。

3 結論

用超聲-微波協(xié)同萃取手段提取百合渣中總皂苷，利用曲面響應發(fā)探索最優(yōu)條件，得出：在實驗的參數(shù)范圍內，各因素對總皂苷得率的影響大小順序為：乙醇濃度＞液料比＞提取時間＞微波功率。通過對總皂苷得率工藝進行的優(yōu)化，得到的優(yōu)化條件為：77%的乙醇，液料比11∶1（mL/g），微波功率503W，提取時間139s條件下，測得總皂苷的得率為6.59‰。

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Optimization of ultrasound-microwave synergistic extraction of total saponins from lily residue by response surface methodology

PAN Qing-you，TONG Qun-yi*
（School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

TS201.1

B

1002-0306（2012）16-0273-04

2011－11－09 *通訊聯(lián)系人

潘青友（1987-），男，碩士，研究方向：碳水化合物功能及應用。