響應面法優化超聲溶劑法提取甜菊糖苷工藝

陳虎 *，侯麗娟 ，路付勇，李貴禎

1.河北省天然色素工程技術研究中心（邯鄲 057250）；2.晨光生物科技集團股份有限公司（邯鄲 057250）

甜菊糖學名甜菊糖苷（stevioside），也稱甜菊苷，是從菊科植物甜菊（又稱甜葉菊）的葉片中提取的食品添加劑，是唯一一種高甜度、純天然甜味劑，具有安全、低熱值和保健作用等優勢，應用領域越來越廣，發展前景十分廣闊，甜菊糖甜度約為蔗糖的300倍[1-4]，且甜味接近蔗糖，產生的熱量遠低于蔗糖[5]。

國內外提取甜菊糖苷的工藝主要采用熱水浸泡法[8-9]，該法簡單易行，提取成本較低，因此一直以來被廣泛使用。此外，還有水提法、酶法等[10]，但是由于這些傳統提取法存在提取時間長、溶劑用量大、原料利用率低等缺點，因此，不少學者對甜菊糖苷的提取進行多方面探索，越來越多新的工藝技術被引進，如超聲波提取技術、超臨界提取技術、微波提取技術、超高壓提取技術等。近年來，利用超聲波提取植物中的多糖備受關注[6-7]。試驗采用超聲波輔助溶劑法，通過響應面法優化工藝參數，旨在探索甜菊糖苷的提取方法，確定合適的提取工藝，為甜菊糖苷的快速有效提取提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甜葉菊干葉（晨光生物科技集團股份有限公司）；乙腈（色譜純）；磷酸二氫鈉（色譜純）；磷酸（色譜純）；水（GB/T 6682—2008中規定的一級水）；正丁醇（分析純）；甜菊糖苷標準品：瑞鮑迪苷A含量（質量分數，以干基計量≥99.0%）。

1.2 儀器與設備

Agilent 1260液相色譜儀（安捷倫科技公司）；R213B旋轉蒸發器（上海申生科技有限公司）；SHB-3循環水式多用真空泵（鄭州長城科工貿有限公司）；DK-S24電熱恒溫水浴鍋（上海森信實驗儀器有限公司）；AUY120電子天平（日本島津）；TH-200BQ數控超聲波清洗機（濟寧天華超聲電子儀器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 試驗方法

甜葉菊干葉→粉碎→過篩→乙醇溶液預浸泡→超聲提取→過濾→濃縮→加入7#溶劑→靜置→離心沉淀→重相濃縮→加水稀釋→甜菊糖萃取液

稱取50 g甜葉菊干葉粉碎過0.180 mm（80目）篩子，透過篩孔的粉末放入燒杯中，加入80%甲醇溶液進行預浸泡，浸泡2 h后進行超聲提取，設置超聲功率90%，連續萃取3次，合并每次萃取液，檢測甜菊糖苷含量。

1.3.2 檢測方法

萃取液中甜菊糖苷含量的測定，參考GB 8270—2014。

1.3.2.1 色譜條件

色譜柱，C18反相色譜柱，250 mm×4.6 mm，粒徑5 μm，或其他等效的色譜柱；流動相，乙腈和磷酸鈉緩沖液體積比32∶68；流動相流速1.0 mL/min；檢測波長210 nm；進樣量10 μL；柱溫40 ℃。

1.3.2.2 標準曲線繪制

乙腈水溶液：乙腈和水體積比30∶70；磷酸鈉緩沖液（pH 2.6）：稱取1.20 g磷酸二氫鈉（NaH2PO4），溶于800 mL水中，用磷酸調節至pH 2.6，用水稀釋至1 000 mL。

分別稱取0.030，0.040，0.050，0.060和0.070 g瑞鮑迪苷A（甜菊糖苷）標準品，于105 ℃干燥2 h，分別置于25 mL容量瓶中，用乙腈水溶液溶解后稀釋至刻度，得到RA標準溶液。Y=3 175 152.36X+235.99，R2=0.999 5。

1.3.2.3 產品測定

將甜菊糖苷樣品在105 ℃下干燥2 h后稱取約0.04 g，置于25 mL容量瓶中，用乙腈水溶液溶解后稀釋至刻度，得到試樣溶液。經0.45 μm微孔過濾后進樣。

1.3.3 甜葉菊糖苷萃取得率計算

式中：甜菊糖含量是指上述方法檢測值；10%是指甜葉菊干葉中甜菊糖苷含量。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 超聲提取次數對甜菊糖萃取得率的影響

確定萃取溫度50 ℃、超聲萃取時間40 min、料液比1∶6（g/mL），觀察不同超聲提取次數對甜菊糖萃取得率的影響，試驗數據見圖1。

圖1 超聲提取次數對甜菊糖萃取得率的影響

由圖1可知，甜菊糖萃取得率隨著超聲提取次數增加而提高，超聲提取次數從1次增加到2次時，甜菊糖提取得率明顯上升，從2次增加到3次時，甜菊糖萃取得率趨于平緩，所以從經濟合理性考慮，最佳超聲提取次數為2次。

2.1.2 超聲提取時間對甜菊糖萃取得率的影響

確定超聲萃取次數2次、萃取溫度50 ℃、料液比1∶6（g/mL），觀察不同超聲萃取時間對甜菊糖萃取得率的影響，試驗數據見圖2。

由圖2可知，20～35 min時，甜菊糖萃取得率隨著超聲提取時間增加而明顯提高，35 min之后，隨著超聲提取時間增加，甜菊糖萃取得率下降。導致這種現象的原因可能是：在20～35 min這段時間里，隨著超聲時間增加，甜葉菊細胞膜的破碎度逐漸增大，溶出物的含量也隨之增多，甜菊糖苷含量增加；隨著時間的進一步增加，溶解度達到飽和時，有效成分不再被溶解，得率不再有明顯提高；超聲時間繼續延長，雜質的含量相應增多，有效成分的溶解量隨之減少，即甜菊糖萃取得率下降。因此，最佳超聲提取時間為35 min。

圖2 超聲萃取時間對甜菊糖萃取得率的影響

2.1.3 超聲提取溫度對甜菊糖萃取得率的影響

確定超聲萃取次數2次、萃取時間35 min、料液比1∶6（g/mL），觀察不同超聲提取溫度對甜菊糖萃取得率的影響，試驗數據見圖3。

圖3 超聲提取溫度對甜菊糖萃取得率的影響

由圖3可知，提取溫度低于50 ℃時，甜菊糖萃取得率隨著溫度升高而大幅提高，這可能是溫度較低時，一部分胞壁結構未受到根本性破壞，而僅發生變形和裂紋，而隨著溫度的提高，熱效應使分子的運動加速，進一步破壞了胞壁結構，從而使甜葉菊中水溶性糖苷得到更充分的釋放，溫度超過50 ℃后，甜菊糖萃取得率呈現下降趨勢。分析原因，可能是溫度高于50 ℃后，在高溫和超聲波的協同作用下，部分甜菊糖苷分解，導致甜菊糖萃取得率下降。所以，最佳超聲提取溫度為50 ℃。

2.1.4 料液比對甜菊糖萃取得率的影響

確定超聲萃取次數2次、萃取時間35 min、萃取溫度50 ℃，考察不同料液比對甜菊糖萃取得率的影響，試驗數據見圖4。

由圖4可知，料液比1∶3～1∶5（g/mL）時，甜菊糖萃取得率隨著液體比例增加而逐漸提高，料液比1∶5（g/mL）時出現最大值。這是因為隨著液體比例增大，萃取液中甜菊糖苷以及雜質含量同時增加，但料液比達到一定值后，雜質的提取效率將明顯影響提取物中甜菊糖苷含量，因而最佳料液比為1∶5（g/mL）。

圖4 料液比對甜菊糖提取率的影響

2.2 響應面設計試驗

2.2.1 Box-Behnken設計方案

在單因素試驗結果基礎上，選取對甜菊糖萃取得率影響較大的因素，即超聲提取時間、超聲提取溫度、料液比，采用三因素三水平Box-Behnken試驗設計進行響應面試驗，試驗因素與水平設計見表1，響應面分析方案見表2，回歸方程各項的方差分析見表3。

表1 試驗因素水平表

根據單因素試驗結果，采用Box-Behnken設計模型進行優化試驗，以A、B、C為自變量，以甜菊糖萃取得率為響應值Y，結果如表2所示。擬合得到的回歸方程為Y=92.12+2.40A+3.74B+0.99C+0.33AB+1.27AC+1.05BC-2.21A2-5.13B2-3.69C2。

表2 Box-Behnken設計方案及響應值

從表3可以看出，模型的顯著水平遠遠小于0.001，說明回歸方差模型高度顯著，而且失擬誤差不顯著，表明該模型不存在失擬因素。從表3可以看出，超聲提取時間、超聲提取溫度、料液比對甜菊糖均有高度顯著性影響（p＜0.001），其中超聲提取溫度影響最顯著，其次為超聲提取時間和料液比。

表3 方差分析表

2.2.2 等高線圖和響應面圖分析

響應面3D分析圖如圖5～圖7所示，直觀反映各因素交互作用對響應值的影響。可以看出，超聲萃取時間與超聲萃取溫度對甜菊糖萃取得率的交互作用不顯著，超聲萃取溫度與料液比交互作用影響明顯。由圖5和圖6可知，料液比和超聲萃取溫度一定時，甜菊糖萃取得率隨超聲時間增加先增加后減少。由圖5和圖7可知，固定料液比和超聲時間，甜菊糖萃取得率隨超聲溫度升高先增加后減少，結果與單因素試驗結果一致。

圖5 萃取時間與萃取溫度對甜菊糖萃取得率的影響

圖6 萃取時間與料液比對甜菊糖萃取得率的影響

圖7 提取溫度與料液比對甜菊糖萃取得率的影響

回歸模型預測的甜菊糖苷萃取的最佳條件為原料預浸泡2 h，超聲功率90%，超聲萃取2次，每次超聲萃取時間35.84 min，超聲萃取溫度49.72 ℃，料液比1∶5（g/mL）。此條件下得到的甜菊糖萃取得率理論上可達94.82%。

2.3 驗證試驗

為檢驗響應面分析法的準確性，采取上述最優萃取條件對甜菊糖苷的提取進行驗證，考慮到在實際操作中的局限，將甜菊糖苷萃取工藝參數調整為原料預浸泡2 h，超聲功率90%，超聲萃取2次，每次超聲萃取時間35 min，超聲萃取溫度50 ℃，料液比1∶5（g/mL）。在此條件下進行3次平行試驗，結果如表4所示。以擬定的條件重復試驗3次，甜菊糖萃取得率平均值為95.05%，與預測值基本吻合，說明優化試驗方案可行。

表4 試驗結果

3 結論

采用超聲萃取法萃取甜菊糖，在單因素試驗基礎上選取試驗因素與水平，根據中心組合（Box-Behnken）試驗設計原理采用三因素三水平的響應面分析法，得到甜菊糖最佳萃取條件：原料預浸泡2 h，超聲功率90%，超聲萃取2次，每次超聲萃取時間35 min，超聲萃取溫度50 ℃，料液比1∶5（g/mL）。甜菊糖萃取得率可達95.05%。此次試驗結果對甜菊糖萃取的進一步研究提供參考，具有一定實際應用前景。