超聲波法輔助提取荸薺塊莖皮中甾醇的工藝研究

盧敏等

摘要：采用超聲波法提取荸薺[Heleocharis dulcis （Burm. f.） Trin.]塊莖皮中的甾醇，對(duì)提取溶劑的種類(lèi)、溶劑體積分?jǐn)?shù)、料液比、提取時(shí)間、超聲波功率分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上利用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)和響應(yīng)面分析法確定了植物甾醇提取的最佳工藝。結(jié)果表明，荸薺塊莖皮中甾醇的最佳提取工藝條件為60%乙醇、料液比為1∶40（g∶mL）、提取時(shí)間為14 min、超聲波功率為600 W，實(shí)際測(cè)得的植物甾醇的紫外吸光度為1.375。

關(guān)鍵詞：荸薺[Heleocharis dulcis （Burm. f.） Trin.]；超聲波；甾醇；響應(yīng)面法

中圖分類(lèi)號(hào)：S645.3；R284.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）12-2987-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.12.047

Study on Phytosterols Extraction from Chufa Tubers Leather by Ultrasonic Method

LU Min，YANG Zhi-gang， LUO Bing，SUN Hai-yan

（Department of Bioengineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500， Jiangsu，China）

Abstract：Using the method of ultrasonic to extract phytosterols from chufa tubers leather， based on single factor experiment， the factors which affected the amount of phytosterols including extraction solvent， alcohol concentration， the ratio of solid to liquid， extraction time and ultrasonic power were studied by Box-Benhnken center combination experiment and the response surface method. The results showed that the best technological conditions of phytosterols extraction from chufa tubers leather were alcohol concentration 60%， the ratio of solid to liquid 1：40， extraction time 14 min， and ultrasonic power 600W. Under the conditions， the ultraviolet spectrophotometer absorbance was 1.375.

Key words： Chufa； ultrasonic；Phytosterols； response surface method

荸薺[Heleocharis dulcis （Burm. f.） Trin.]屬莎草科（Cyperaceae）多年生水生草本植物，生長(zhǎng)于池沼中或栽培在水田里。具匍匐莖，先端膨大為球莖。古稱(chēng)鳧茨，又稱(chēng)烏芋、馬蹄、地栗，是中國(guó)典型的傳統(tǒng)中藥，具有藥膳同源之功效，不僅質(zhì)脆味佳，營(yíng)養(yǎng)豐富，而且能清心降火、補(bǔ)肺涼肝、消食化痰、破積滯、利膿血等。《中藥大辭典》上記載荸薺中含有抑菌成分-馬蹄英，該物質(zhì)對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌及產(chǎn)氣桿菌均有抑制作用[1]。還有報(bào)道發(fā)現(xiàn)荸薺的各種制劑在動(dòng)物體內(nèi)均有抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的作用[2]。

植物甾醇是一類(lèi)以環(huán)戊烷全氫菲為骨架的天然醇類(lèi)化合物。天然植物甾醇種類(lèi)繁多，主要包括β-谷甾醇、豆甾醇、菜子甾醇和菜油甾醇4種無(wú)甲基甾醇[3]。植物甾醇主要存在于油脂中，特別是精煉油后的脫臭餾出物中含量較大，所以在大多數(shù)已報(bào)道的研究中，一般都以脫臭餾出物作為提取原料，用不同的方法加以提取[4-8]。甾醇屬天然物質(zhì)，本身無(wú)毒性，且具有乳化性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)，因此在醫(yī)藥、食品、化妝品、動(dòng)物生長(zhǎng)劑、植物生長(zhǎng)激素及化工、紡織等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用[9]。植物甾醇提取方法有多種，常見(jiàn)的提取方法有溶劑結(jié)晶法、絡(luò)合法、皂化法、蒸餾法（簡(jiǎn)單蒸餾法、分子蒸餾法）、吸附法（柱吸附法、高壓流體吸附法）、超臨界CO2萃取法、酶法等[10，11]。近年來(lái)也有使用超聲波法提取植物甾醇的研究報(bào)道[12，13]。本研究采用超聲波法提取荸薺塊莖皮中的植物甾醇并確定其最佳工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

荸薺：產(chǎn)地為蘇州，購(gòu)于農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)；植物甾醇混合標(biāo)準(zhǔn)品：上海奧宇生物科技有限公司；無(wú)水乙醇、乙酸乙酯、正己烷、石油醚（均為分析純）；試驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 儀器設(shè)備

LP502B型電子天平、TU-1901型雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（北京普析通用器材有限公司）、DFT-200型高速中藥粉碎機(jī)（溫嶺市林大機(jī)械有限公司制造）、FQ-IID型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)（南京菲齊工貿(mào)有限公司）、202-3型烘箱（上海實(shí)驗(yàn)儀器廠）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原料預(yù)處理 將荸薺洗凈削皮，將皮烘干粉碎備用。

1.3.2 最大波長(zhǎng)的測(cè)定 精確稱(chēng)取20 mg植物甾醇混合標(biāo)準(zhǔn)品，用無(wú)水乙醇溶解并定容至25 mL容量瓶，以無(wú)水乙醇為空白對(duì)照，檢測(cè)植物甾醇混合標(biāo)準(zhǔn)品的最大紫外吸收波長(zhǎng)。

1.3.3 荸薺塊莖皮中植物甾醇的提取 準(zhǔn)確稱(chēng)取荸薺塊莖皮粉末0.5 g，用一定濃度的提取溶劑以一定的料液比在一定的超聲波功率條件下提取一定時(shí)間后過(guò)濾，在50 mL容量瓶?jī)?nèi)用相應(yīng)濃度的提取溶劑將濾液定容至50 mL，于檢測(cè)的最大紫外吸收波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光度。

1.3.4 最佳提取溶劑的確定 在超聲波提取條件下，選取幾種常用溶劑進(jìn)行比較試驗(yàn)。固定條件：提取時(shí)間60 min，料液比1∶20（g∶mL，下同），超聲波功率600 W。在超聲波提取條件下，選用無(wú)水乙醇、乙酸乙酯、正己烷、石油醚進(jìn)行提取，確定最佳提取溶劑。

1.3.5 單因素試驗(yàn) 精確稱(chēng)取荸薺塊莖皮粉末0.5 g，以“1.3.4”確定的最佳溶劑為提取溶劑，分別考察不同體積分?jǐn)?shù)的提取溶劑（50%、60%、70%、80%、90%）、料液比（1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60）；提取時(shí)間（5、10、15、20、25 min）；超聲波功率（200、300、400、500、600 W）對(duì)植物甾醇提取的影響。

1.3.6 響應(yīng)面法試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)，以紫外吸光度為響應(yīng)值，選取對(duì)甾醇提取影響較大的單因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，通過(guò)回歸方程和方差分析確定最佳提取工藝，并對(duì)最佳條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)分析軟件為Design-Expert 7.0專(zhuān)業(yè)版本。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 最佳提取溶劑的選擇 4種提取溶劑對(duì)吸光度的影響見(jiàn)圖1。由圖1可知，以無(wú)水乙醇作為提取溶劑時(shí)，荸薺塊莖皮中植物甾醇的提取量最高，吸光度達(dá)到0.497，其次是正己烷，其吸光度為0.217，兩者相差較大，故將無(wú)水乙醇作為提取溶劑。

2.1.2 乙醇體積分?jǐn)?shù) 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)荸薺塊莖皮中植物甾醇提取的影響見(jiàn)圖2。由圖2可知，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)小于60%時(shí)，植物甾醇的吸光度隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，而當(dāng)乙醇的體積分?jǐn)?shù)大于70%時(shí)，植物甾醇的吸光度隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大而減小。這是由于不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇極性和揮發(fā)性不同，植物甾醇具有活性基團(tuán)—羥基，能與乙醇和水形成氫鍵，而當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)太大時(shí)，乙醇揮發(fā)損耗大，吸光度會(huì)降低。

2.1.3 料液比 料液比對(duì)荸薺塊莖皮中植物甾醇提取的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知，當(dāng)料液比大于1∶40時(shí)，植物甾醇的吸光度隨著料液比的降低而增大，這主要是由于隨著料液比的降低，荸薺塊莖皮粉末被稀釋?zhuān)参镧薮季腿菀诐B透出來(lái)；但是當(dāng)料液比小于1∶40時(shí)，植物甾醇的吸光度卻隨著料液比的降低而減少，這主要是因?yàn)槭茉囼?yàn)條件所限，超聲波提取時(shí)燒杯口是敞開(kāi)的，料液比降低，溶劑損耗增大，所以提取量減少，因此，確定最佳料液比為1∶40。

2.1.4 提取時(shí)間 超聲提取時(shí)間對(duì)荸薺塊莖皮中植物甾醇提取的影響見(jiàn)圖4。由圖4可知，當(dāng)超聲波提取時(shí)間小于15 min時(shí)，超聲波提取時(shí)間越長(zhǎng)，植物甾醇的吸光度就越大，但當(dāng)超聲波提取時(shí)間超過(guò)15 min后，隨著超聲提取時(shí)間的延長(zhǎng)，植物甾醇的吸光度反而下降，這是由于隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，超聲波提取使得乙醇的損耗增加，另一方面也是由于乙醇的揮發(fā)導(dǎo)致的損耗。因此超聲波提取時(shí)間應(yīng)選擇在15 min左右。

2.1.5 超聲波功率 超聲波功率對(duì)荸薺塊莖皮中植物甾醇提取的影響見(jiàn)圖5。由圖5可知，當(dāng)超聲波功率小于500 W時(shí)，超聲波功率越大，植物甾醇的吸光度就越大，這是因?yàn)槌暡üβ试酱螅?xì)胞分子運(yùn)動(dòng)加劇，加速了有效成分的溶解和釋放，所以植物甾醇的吸光度增大，但當(dāng)超聲波功率大于500 W時(shí)，隨著超聲波功率的增大，植物甾醇的吸光度反而下降，這或許是因?yàn)槌暡üβ试龃笕芙獾碾s質(zhì)的含量也相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致有效成分的提取量下降。

2.2 響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 方程擬合 單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，料液比、提取時(shí)間、超聲波功率對(duì)荸薺塊莖皮中植物甾醇的提取有顯著影響。因此，固定乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%，通過(guò)響應(yīng)面分析對(duì)料液比、超聲波時(shí)間、超聲波功率3個(gè)因素進(jìn)行更深入的研究。分析因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)試驗(yàn)軟件Design-Expert 7.0將表2的結(jié)果進(jìn)行擬合，得到了按實(shí)際值計(jì)的擬合方程：

Y=-3.232 30+0.145 53A+0.177 12B+0.001 57C+0.000 455AB+0.000 019 2AC-0.000 008 5BC-0.002 062 25A2-0.006 909B2-0.000 001 722 5C2。試驗(yàn)的方差分析見(jiàn)表3。由表3可知，方程的F值為5.00，F(xiàn)>f0.05（9，7）=3.29，說(shuō)明因變量和全體自變量之間的線性關(guān)系顯著；模型的R2=0.963 8，說(shuō)明擬合程度較高，即試驗(yàn)方法是可靠的。在所選取的各因素水平范圍內(nèi)，對(duì)結(jié)果的影響排序?yàn)榱弦罕?超聲波功率<提取時(shí)間。用超聲波法提取荸薺塊莖皮植物甾醇的最佳工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%，料液比1∶39.6，提取時(shí)間為13.7 min，超聲功率為600 W，理論吸光度為1.383。

2.2.2 響應(yīng)面圖 響應(yīng)曲面及其等高線見(jiàn)圖6至圖8。由圖6至圖8可看出，3個(gè)響應(yīng)面均為開(kāi)口向下的凸曲面， 3個(gè)因素與甾醇吸光度呈拋物線關(guān)系，且在考察范圍內(nèi)存在響應(yīng)值的極值。采用上述最優(yōu)提取條件進(jìn)行荸薺塊莖皮中植物甾醇提取試驗(yàn)，同時(shí)考慮到實(shí)際操作的便利，將條件修正為乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%、料液比為1∶40、提取時(shí)間為14 min、超聲波功率為600 W，實(shí)際測(cè)得提取的植物甾醇紫外吸光度為1.375，與理論預(yù)測(cè)值相比，相對(duì)誤差是0.58%。因此，采用該法優(yōu)化得到的工藝條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有使用價(jià)值。

3 小結(jié)

60%的乙醇為超聲波提取荸薺塊莖皮中植物甾醇的理想溶劑，響應(yīng)面優(yōu)化得到的最佳提取工藝條件：料液比為1∶40，提取時(shí)間為14 min，超聲功率為600 W，0.5 g荸薺塊莖皮粉末提取的植物甾醇的紫外吸光度達(dá)到1.375，與理論值相對(duì)誤差為0.58%。

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