響應面法優(yōu)化乙醇提取芹菜中黃酮的工藝研究

黃菊，何偉平

（1.徐州工程學院化學化工學院，江蘇徐州221111；2.徐州工業(yè)職業(yè)技術學院化學工程技術學院，江蘇徐州221140）

響應面法優(yōu)化乙醇提取芹菜中黃酮的工藝研究

黃菊1，何偉平2

（1.徐州工程學院化學化工學院，江蘇徐州221111；2.徐州工業(yè)職業(yè)技術學院化學工程技術學院，江蘇徐州221140）

以乙醇為提取溶劑，采用單因素和響應面分析法相結(jié)合的手段優(yōu)選芹菜中黃酮提取工藝。首先通過單因素試驗初步探討了液料比、乙醇濃度、提取溫度和提取時間4個主要因素對黃酮得率的影響規(guī)律。然后，采用Box-Behnken中心組合設計試驗，建立了回歸方程的預測模型，方差和響應面分析結(jié)果表明：4個因素及其二次項對黃酮提取率影響顯著，料液比和提取溫度、料液比和提取時間、乙醇體積分數(shù)和提取溫度之間的交互作用顯著。最終，確定了芹菜黃酮提取的最佳工藝條件為液料比41∶1（mL/g），乙醇體積分數(shù)84%，提取溫度83℃，提取時間134 min，在此條件下黃酮提取率為3.276%。

芹菜；黃酮；響應面法；工藝優(yōu)化

芹菜（Apium graveolens L.）種屬為傘形花科類，不僅營養(yǎng)豐富作為餐桌的佳肴，且研究證實其中含有多種黃酮類化合物，在醫(yī)學上對高血壓的治療起到很大的幫助作用。由于作為食材時主要選用芹菜的嫩莖葉，其他部分則浪費較多，大量上市時價格低廉也影響菜農(nóng)收益，因此，加強芹菜副產(chǎn)品的開發(fā)利用具有一定的保健價值和實際意義。

關于芹菜黃酮的研究已有相關文獻報導，如王克勤[1-3]等對湖南地區(qū)芹菜的不同品種以及不同部位的黃酮提取量進行了系統(tǒng)研究，采用正交法優(yōu)化提取工藝，并提取物進行了定量分析；趙云玲[4]采用正交試驗法優(yōu)化了芹菜黃酮的提取工藝，Baiano[5]等研究了微波輔助和傳統(tǒng)方法提取蔬菜固體廢物中抗氧化劑工藝變量的單一和交互影響過程，Profir[6]等研究了甜菜根、胡蘿卜和芹菜混合汁經(jīng)冷藏后的抗氧化性演變規(guī)律，可見對芹菜中黃酮類化合物的研究主要集中在黃酮含量的分析、抗氧化能力和藥理學功能等方面，對芹菜黃酮提取工藝多采用正交試驗法進行優(yōu)化，而采用響應面優(yōu)化芹菜黃酮的研究報道相對較少。

本文在借鑒現(xiàn)有研究成果的基礎上，對徐州當?shù)氐那鄄巳~中黃酮化合物進行乙醇提取試驗，并采用響應面法對提取工藝條件進行優(yōu)化，通過紫外-可見分光光度計測定提取液中黃酮含量，為促進徐州本地芹菜的開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

1.1.1 主要儀器設備

T6新世紀紫外-可見分光光度計（含配套1 cm比色皿）：北京普析通用儀器有限責任公司；HH.S21-4-B型電熱恒溫水浴鍋：上海躍進醫(yī)療器械廠；101-1AB型電熱鼓風干燥箱：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；FA1004電子分析天平：上海精密科學儀器有限公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵：山東荷澤市祥龍電子科技有限公司。

1.1.2 主要試劑和樣品

蘆丁標準品：Aladdin Industrial Corporation；無水乙醇（AR）：國藥集團化學試劑有限公司；亞硝酸鈉（AR）：中國徐州試劑總廠；氫氧化鈉（AR）：天津市光復科技發(fā)展有限公司；硝酸鋁（AR）：天津市福晨化學試劑廠；芹菜：購于徐州當?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場。

1.2 方法

1.2.1 黃酮的提取與含量測定

本研究采用乙醇加熱浸提法作為芹菜中黃酮提取的基本工藝，通過紫外-可見分光光度計測定提取液中黃酮類化合物含量。試驗時先將芹菜清洗干凈，晾干粉碎，置于烘箱中，65℃干燥約8 h至烘干，研成粉末，過50目篩，放于廣口瓶中備用。準確稱取2.00 g芹菜粉末置于三口燒瓶中，控制一定溫度，加入乙醇溶液進行提取，一定時間后趁熱抽濾，將提取液用無水乙醇定容至100 mL容量瓶中，待測。測定時移取溶液2 mL于25 mL容量瓶中，滴加5%亞硝酸鈉溶液1 mL，搖勻后靜置6 min，然后滴加10%硝酸鋁溶液1 mL，搖勻后靜置6 min，再加入4%氫氧化鈉溶液10 mL，定容至刻度，搖勻靜置15 min后，于510 nm波長處測定吸光度。

1.2.2 標準曲線的繪制

提取液中黃酮含量以蘆丁計，按照標準曲線法進行測定。首先精密稱取10 mg蘆丁標準品溶于50 mL容量瓶中配制成0.2 mg/mL的標準儲備液。然后分別移取 0、2.5、5、7.5、10、12.5 mL 于 25 mL 容量瓶中，分別加入5%亞硝酸鈉溶液1 mL，搖勻后靜置6 min，10%硝酸鋁溶液1 mL，搖勻后靜置6 min，4%氫氧化鈉溶液10 mL，用乙醇定容至刻度，搖勻靜置15 min。配制成 0.00、.0.02、0.04 、0.06、0.08、0.10 mg/mL 的蘆丁標準液，于510 nm波長處測定吸光度。以吸光度值（A）對濃度（c）繪制標準曲線，經(jīng)最小二乘法得到標準曲線方程：A＝7.775 0c+0.017 6，R2＝0.994 5。說明在 0～0.1 mg/mL范圍內(nèi)，吸光度和蘆丁濃度呈良好的線性關系。

1.2.3 單因素試驗

選擇液料比（A）、乙醇體積分數(shù)（B）、提取溫度（C）和提取時間（D）對黃酮化合物提取率影響較大的4個因素，分別進行單因素試驗，確定各因素適宜的水平。

1.2.4 黃酮提取工藝參數(shù)的優(yōu)化

在單因素試驗基礎上，以黃酮提取率為響應值，采用響應面法進行優(yōu)化，試驗因素和水平見表1。

表1 響應面試驗設計因素和水平Table 1 Factors and levels of box-benhnken design test

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 液料比對黃酮提取率的影響

準確稱取2.00 g干芹菜粉末，使用60%乙醇分別以 20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1、45∶1（mL/g）的液料比在80℃的溫度下提取，120 min之后進行過濾，測定吸光度，根據(jù)吸光度計算黃酮的得率，結(jié)果見圖1。

圖1 液料比對黃酮提取率的影響Fig.1 Effects of ratio of liguid to material on yield of flavonoids

在有機溶劑的提取試驗中，本試驗中首先要選擇合適的液料比，這樣有助于原料之間充分完全反映又不會影響產(chǎn)物的生成，達到預期的得率。在該試驗中，溶劑的量越大，越有助于黃酮類化合物的溶解，使反應正向性增強。圖1的曲線反映的是黃酮提取率隨液料比升高的變化趨勢。液料比從20∶1（mL/g）變化到40 ∶1（mL/g），提取率也越來越高，30 ∶1（mL/g）到 35∶1（mL/g）之間液料比增加，提取率提升的最為迅速。液料比超過40∶1（mL/g），提取率反而略有下降，這說明這時加入溶劑不但對提取率的提高沒有幫助，也造成了資源的浪費。

2.1.2 乙醇濃度對黃酮提取率的影響

準確稱取2.00 g干芹菜粉末，分別用40%、50%、60%、70%、80%、90%的乙醇在80℃的溫度下以液料比為 40 ∶1（mL/g）提取 120 min，測定吸光度，根據(jù)吸光度來計算黃酮的得率，結(jié)果見圖2。

圖2 乙醇體積分數(shù)對黃酮提取率的影響Fig.2 Effects of ethanol concentration on yield of flavonoids

2.1.3 提取溫度對黃酮提取率的影響

準確稱取2.00 g干芹菜粉末，用70%乙醇分別在40、50、60、70、80、90 ℃下，以液料比為 40 ∶1（mL/g）提取120 min，測定吸光度，計算黃酮得率，結(jié)果見圖3。

圖3表明，從整體上看，溫度升高，黃酮的提取率也越來越高；但溫度從80℃升高到90℃時，提取率反而出現(xiàn)了下降的趨勢。可能是因為開始的時候升高溫度，會使物質(zhì)進一步溶解，分子運動劇烈程度增加，更利于滲透的進行。因此芹菜中黃酮提取率整體呈上升趨勢。但隨著溫度再升高，過高的溫度反而會破壞黃酮類化合物的活性分子。因此從試驗得出在80℃是黃酮提取的最佳溫度。

圖3 提取溫度對黃酮提取率的影響Fig.3 Effects of extraction temperature on yield of flavonoids

2.1.4 提取時間對黃酮提取率的影響

準確取2.00 g干芹菜粉末，溫度設置為70℃，控制液料比為40∶1（mL/g），在70%的乙醇下回流提取30、60、90、120、150、180 min 后，測定吸光度，計算黃酮得率，結(jié)果見圖4。

圖4 提取時間對黃酮提取率的影響Fig.4 Effects of extraction time on yield of flavonoids

可以用擴散、滲透和溶解來描述芹菜黃酮類化合物的提取。通常，提取的充分度與提取時間成正比，但是，當反應中的反應物之間達到了一種平衡了，再加入物質(zhì)來破壞其平衡，不利于最后的得率，雜質(zhì)也將變多。此外，長時間處于高溫條件下芹菜黃酮類物質(zhì)不穩(wěn)定，會氧化分解，反而使得得率有所下降。從試驗結(jié)果可以看出，當提取時間為120 min時，黃酮已經(jīng)很好的被提取出來。再增加時間，反而會使這種平衡會打破，黃酮類物質(zhì)反含量反而降低。時間過長還可能使黃酮的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，得率會因此而下降。

2.2 響應面試驗

2.2.1 響應面設計及結(jié)果

隨著我國教育體制改革在中學階段地不斷深入，學校越來越重視學生的全面發(fā)展，且學校的綜合發(fā)展呈現(xiàn)出了較好趨勢，然而，其中以中學財務工作中預算管理問題為主，主要表現(xiàn)在預算編制不夠科學，預算執(zhí)行力緩慢且隨意，以及缺乏完善的預算評價系統(tǒng)上，因此，此次課題對中學財務工作中遇到的預算管理問題展開了研究，對預算管理全新理念的豐富具有理論性意義，對中學財務實踐工作的進展具有實際意義。

根據(jù)響應面分析法中的Box-Behnken中心組合設計原理，以芹菜中黃酮提取率為響應值，取液料比（A）、乙醇濃度（B）、提取溫度（C）、提取時間（D）設計四因素三水平的響應面分析試驗。響應面試驗設計及結(jié)果見表2。

表2 響應面試驗設計與結(jié)果Table 2 Box-Behnken design matrix and the response values

2.2.2 模型的建立及其顯著性檢驗

采用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進行響應面回歸分析，得到芹菜中黃酮提取率對所選四個因素（即液料比、乙醇濃度、提取溫度、提取時間）的二次多項回歸方程為：

芹菜黃酮提取率/%=3.12+0.096×A+0.48×B+0.24×C+0.17×D+0.042×A×B+0.16×A×C-0.15×A×D+0.16×B×C+0.10×B×D+0.068×C×D-0.67×A2-0.64×B2-0.52×C2-0.47×D2

對所得模型進行顯著性檢驗，結(jié)果如表3所示；回歸方程系數(shù)及其顯著性檢驗見表3。

表3 多元回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance（ANOVA）for the response surface quadratic model

由表3可以看出，F(xiàn)檢驗顯示該模型有較高的F值（67.93）和極低的 P值（<0.000 1），可知該回歸方程模型極顯著；失擬項的P=0.056>0.05，失擬不顯著。模型的相關系數(shù)R2和調(diào)整確定系數(shù)R2Adj分別0.985 5和0.971 0，說明97.1%響應值的變化是由獨立變量決定。此外，失擬項的F=5.58，P=0.056，相對于純誤差不顯著，即該模型與實際試驗擬合程度較好，預測殘差平方和為0.15，說明此模型解釋變差的能力較強，總體擬合具有統(tǒng)計學意義，可以用來預測芹菜中黃酮提取工藝。

亦由表3方差分析結(jié)果知，模型的一次項A的P=0.0057在0.05水平顯著，B、C和D的P均小于0.0001，則極顯著；二次項 A2、B2、C2、D2的 P 均小于 0.000 1，則二次項均極顯著；交互項AC、AD、BC在0.05水平顯著，AB，BD，CD不顯著。由此可以得到不同的提取條件與黃酮提取率之間不是簡單的線性關系。另外，根據(jù) F 值，A=10.65，B=262.75，C=66.31，D=33.35，很容易得各單個因素對黃酮提取率的影響順序：B>C>D>A，即乙醇濃度>提取溫度>提取時間>液料比。

2.2.3 響應曲面圖和等高線圖分析

利用軟件對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析并生成響應曲面圖和等高線圖，如圖5所示。

圖5 響應曲面圖和各因素交互影響的等高線圖Fig.5 Response surfaces and contours plots for flavonoids extracted from Celery

響應曲面圖和等高線可以直觀地展示各個變量試驗值與響應值黃酮得率之間的關系，以及兩個被測變量間交互作用的強弱，響應曲面坡度陡峭程度越明顯，則響應值對試驗條件的改變也越敏感。等高線圖的形狀可以清晰地反映兩兩被測變量交互影響作用的顯著與否，橢圓形的等高線表示兩兩因素交互作用顯著，反之等高線越圓則表明兩兩因素交互作用越不顯著。從圖5中可以看出，AC、AD和BC交互作用較顯著，其余不顯著。

2.3 提取工藝的優(yōu)化與驗證

根據(jù)Design-Expert軟件的計算結(jié)果可得芹菜中黃酮提取的最佳工藝參數(shù)和理論提取率，結(jié)果見表4。

表4 提取工藝參數(shù)的優(yōu)化Table 4 The optimization of extration process

考慮到實際試驗條件的關系，選擇料液比41∶1（mL/g）、乙醇體積分數(shù)84%、提取溫度83℃和提取時間134 min進行驗證試驗和重復性考察，得到芹菜黃酮的平均得率為3.276%（n=3），RSD=1.53%，稍低于理論得率，但在誤差范圍內(nèi)，認為該工藝條件的優(yōu)化結(jié)果具有較高的準確率。

3 結(jié)論

本研究選擇液料比、乙醇體積分數(shù)、提取溫度和提取時間4個對芹菜黃酮提取率影響較大的因素進行單因素試驗和Box-Behnken試驗設計，根據(jù)響應面試驗結(jié)果建立了相應的二次回歸方程。方差分析和響應面分析結(jié)果表明4個因素及其二次項對黃酮提取率影響顯著，料液比和提取溫度、料液比和提取時間、乙醇體積分數(shù)和提取溫度之間的交互作用顯著。

通過相應面分析確定芹菜中黃酮提取的最佳的工藝條件為：液料比41∶1（mL/g），乙醇濃度84%，提取溫度83℃，提取時間134 min，此時黃酮的提取率為3.276%（n＝3），RSD＝1.53%，略低于理論數(shù)據(jù) 3.293%，表明該方法可用于芹菜黃酮提取工藝的分析和預測，具有一定的可靠性。

[1] 王克勤,陳靜萍,羅軍武,等.芹菜葉黃酮提取工藝條件優(yōu)化研究[J].食品與機械,2007,23(4)：95-97

[2] 王克勤,羅軍武,陳靜萍,等.芹菜提取物中芹菜素的HPLC與HPTLC定量分析研究[J].食品科學,2008,29(4)：291-295

[3] 王克勤,陳靜萍,羅軍武,等.湖南地方芹菜品種總黃酮含量的分析研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學,2007(4)：29-31

[4] 趙云玲,龔小見,周欣,等.芹菜中總黃酮的提取工藝[J].食品研究與開發(fā),2012,33(12)：31-34

[5] Baiano Antonietta,Bevilacqua Luisa,Terracone Carmela,et al.Single and interactive effects of process variables on microwave-assisted and conventional extractions of antioxidants from vegetable solid wastes[J].Journal of Food Engineering,2014,120(1)：135-145

[6] ProfirAlina G,VizireanuCamelia.Evolution of antioxidant capacity of blend juice made from beetroot,carrot andcelery during refrigerated storage[J].Annals of the University Dunarea de Jos of Galati,Fascicle VI：Food Technology,2013,37(2)：93-99

Optimization of Ethanol Extraction of Flavonoids from Celery by Response Surface Methodology

HUANG Ju1，HE Wei-ping2
（1.School of Chemistry&Chemical Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221111，Jiangsu，China；2.School of Chemical Engineering，Xuzhou College of Industrial Technology，Xuzhou 221140，Jiangsu，China）

The optimal extraction process of flavonoids from celery were investigated using ethanol as solvent by single factor experiment and response surface methodology.The effects of liquid-solid ratio，ethanol concentration，extraction temperature and extraction time on the flavonoids yield were discussed.Further，the predictive model of regression equation was established by Box-Behnken design.The results of Anova and response surface analysis indicate that，the flavonoids yield was significantly influenced by the 4 factors and their quadratic term.And the interactions were prominent among liquid-solid ratio，extraction temperature and extraction time，ethanol concentration and extraction temperature.Ultimately，the optimum extraction conditions were obtained as follows：liquid-solid ratio 41 ∶1 （mL/g），ethanol concentration 84%，extraction temperature 83 ℃ and extraction time 134 min.Under these conditions，the extraction rate is 3.276%.

celery；flavonoids；response surface methodology；process optimization

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.14.013

徐州工程學院校級科研課題（XKY2013316）

黃菊（1985—），女（漢），講師，博士，研究方向：天然藥物有效成分的提取。

2015-07-19