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 馬夢雪 劉佳娜

（1 衡水學院生命科學系 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)社會保險事業(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]。從當前現(xiàn)狀來看，菠蘿皮被當作廢物丟棄，造成很大浪費的同時還污染環(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。

蘆丁標準品，國家生物制品檢定所；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，法國吉爾森；X5 紫外可見分光光度計，上海元析儀器有限公司。

1.3 試驗方法

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

1.3.2 菠蘿皮總黃酮提取單因素試驗[5]。設(shè)計乙醇體積分數(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℃)，提取時間(5 min、10 min、15min、20 min、25 min)進行單因素試驗。

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

表1 試驗因素與水平表

2 結(jié)果及分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

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

表2 不同體積分數(shù)的乙醇對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，當溫度達到預(yù)定溫度時，微波停止工作。通過試驗可知，微波功率對黃酮得率影響不大，當微波功率為150.時黃酮提取率最穩(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，當超聲波功率為200～400.時，菠蘿皮中黃酮的提取率呈上升趨勢；當功率為400～600.時，黃酮提取率呈下降趨勢；在超聲波為400.時，黃酮得率出現(xiàn)峰值，即當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，當料液比為1∶30 時，菠蘿皮中黃酮得率達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。溫度為65 ℃時黃酮的提取率最高為1.06%。可能是因為高溫會破壞黃酮結(jié)構(gòu)或由于溫度過高會溶出其它雜質(zhì)。由此可知，提取溫度為65 ℃時對黃酮類物質(zhì)的提取有利。

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

圖3 不同溫度對菠蘿皮黃酮提取率的影響

圖4 不同時間對菠蘿皮黃酮提取率的影響

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

表3 響應(yīng)面設(shè)計方案及結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果。按照表1 進行優(yōu)化試驗，計算黃酮得率，結(jié)果見表3。

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

表4 擬合二次項模型的方差分析

通過方差分析，得到四個因素對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，該模型的復相關(guān)系數(shù)為R2=0.9854，矯正系數(shù)AdjR2=0.9708，說明試驗的實際值和預(yù)測值擬合度較好。

由表4 可知，模型P＜0.0001，說明該模型極顯著，失擬項P=0.3355＞0.05，說明試驗誤差較小。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P 都小于0.01，表明四個因素對黃酮提取率的影響都達到極顯著水平。交互項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)值對該因素的變化就較敏感。對于響應(yīng)曲面來說，圖像呈上凸的形狀，而且等高線為橢圓時，向上凸的程度越大。每個響應(yīng)曲面的最高點就是優(yōu)化工藝中的最佳條件，在這一點菠蘿皮中黃酮類物質(zhì)的提取率最高。

2.2.4 優(yōu)化與驗證試驗。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 ℃，提取時間10.18 min，此時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，進行驗證試驗，平行3 次，菠蘿皮總黃酮提取率的平均值為1.112%。實際所測提取率與預(yù)測值相差0.012%，說明該模型的可靠性強，工藝的重復性好。

3 結(jié)論

本試驗采取單因素試驗和響應(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，確定乙醇體積分數(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%。試驗值和預(yù)測值基本吻合。

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