響應面-Box-Behnken設計優化地參中總黃酮含量檢測方法以及不確定度評定

江春陽,鄧喬晟,王丹,許凌峰,楊青山,張華,楊勤,石汝杰*,周濃*

1(重慶三峽學院 生物與食品工程學院,重慶,404120)2(三峽庫區道地藥材綠色種植與深加工重慶市工程實驗室,重慶,404120)3(重慶三峽醫藥高等專科學校 中醫學院,重慶,404120)

地參(Lycopuslucidus)是唇形科地筍屬植物澤蘭的根部,性平或微溫,能活血化瘀、解毒消癰、利水消腫[1],是一種藥食同源的植物。在我國重慶、四川、云南、貴州等多地均有分布。經研究表明,地參含有多酚類、三萜類、黃酮類等活性成分[2-4]。總黃酮是地參中重要的活性成分之一,抗氧化、抗心腦血管缺血性疾病、抗炎能力出眾[5-8]。因此,總黃酮也是衡量地參品質的重要成分之一。但是對其含量測定的研究較少。總黃酮的測定方法多種多樣,有NaNO2-Al(NO3)3-NaOH比色法、AlCl3-KAc比色法、三乙胺比色法、HCl-Mg法、KOH比色法[9]。響應面Box-Behnken設計是一種基于三水平的二階試驗設計方法,采用多元二次方程擬合因素和響應值之間的關系,找出最優的工藝參數,此方法在食品、中藥等領域中高頻使用。測量不確定度直接影響檢測結果的判定,通過不確定度的評定,可以得到被測量值的合理分布區間,使最終實驗結果由單一數值變為可能分布的數值范圍,可以減小實驗結果被判定為不合理實驗結果的概率,大大提高檢驗結果的準確性。它也是定量說明檢測結果質量的參數,檢測結果的可靠性很大程度上取決于測量不確定度大小,測量不確定度越小,說明檢測水平越高。在有關地參黃酮的研究報告中,不同產地地參中黃酮含量差異巨大,甚至在同一產地中,不同植株地參總黃酮含量的差距也不小,因此本文優化了在NaNO2-Al(NO3)3-NaOH顯色體系下分光光度法對地參總黃酮含量檢測方法并參考 CNAS-GL006—2019《化學分析中不確定度的評估指南》,JJF1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》,GB/T 27025—2019《檢測和校準實驗室能力的通用要求》對其不確定度進行評定。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

地參,重慶市萬州區恒合鄉石桶寨村種植地;標準品蘆丁(批號:DST1812221-156)、異槲皮苷(批號:DST180108-006)、芹菜素(批號:DST171118-026)、木犀草苷(批號:DST160928-016)、槲皮素(批號:DST173637-045)、木犀草素(批號:DST180328-032),成都德思特生物技術有限公司;亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉等均為分析純。

1.2 儀器與設備

FA1004型電子天平,上海舜宇恒平科學儀器有限公司;YRE-2000A型旋轉蒸發儀,鞏義市予華儀器有限公司;V-1200型紫外可見分光光度計,上海美譜達儀器有限公司;UV-2450全波長紫外分光光度計,島津儀器(蘇州)有限公司;HSY-26型水浴鍋,上海躍進醫療器械有限公司。

儀器：傅里葉變換顯微紅外光譜儀(NICOLET-iN10 Thermo Fisher Scientific)、核磁共振波譜儀(Bruker AVANCE III 500 MHz)。

1.3 實驗方法

1.3.1 供試品溶液的制備

在傳統的教學模式下，有些教師認為學生自身對語文學習沒有明確的定位，而且缺乏主動學習的能力，從而忽略了學生在課堂中本應有的主體地位，使得學生在課堂上處于被動學習的狀態。在填鴨式的教學模式下，學生的想法很難實現，單調呆板的教學方法導致課堂效率低下，不利于達到教學目標。這就要求教師在課堂對話中轉變傳統的教學理念，在對話中不斷加強學生的主體地位，讓學生大膽主動地說出自己真實的想法，師生和學生之間建立的良好互動關系是教師采取針對性教學和完善教學策略的重要前提。

精密稱定地參粉末0.5 g(過60目篩)至茄形瓶中,加入體積分數為60%的乙醇30 mL[料液比(g∶mL)1∶60],回流2 h,溫度設置為70 ℃,回流結束后離心收集濾液,蒸干,用60%乙醇定容至20 mL容量瓶中,備用[6]。

對于剛性高分子鏈,因為a值很大,從理論上講,剛性鏈的a可以趨于無窮大,例如全反式聚乙炔鏈的a即為無窮大,此時L?a,e-L/a可以用級數展開,則式(21)可化為

2.7.3 對照品溶液的制備引入的不確定度

=0.000 112

1.3.3 標準曲線的制備

使用5 mL移液管,精密吸取蘆丁對照品溶液0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.7 mL,分別置于10 mL量瓶中,分別加入50 g/L亞硝酸鈉0.3 mL,混勻,放置3 min,然后加入100 g/L硝酸鋁0.3 mL,混勻,再放置4 min;加入1 mol/L氫氧化鈉溶液4 mL,用60%乙醇稀釋至刻度,混勻,放置11 min,以相應的試劑為空白,照紫外可見分光光度計于510 nm處測定吸光度,以蘆丁對照品溶液質量濃度(mg/mL)為橫坐標,吸光度為縱坐標,繪制標準曲線,得回歸方程Y=10.071X-0.007 4(R2=0.999 9),證明蘆丁在0.009 36～0.084 24 mg/mL的質量濃度下擁有良好的線性關系。

1.3.4 總黃酮的顯色體系

AlCl3-KAc法:取10 mL容量瓶,加供試品溶液0.2 mL,加0.1 mol/L A1Cl3溶液1 mL,1 mol/L KAc溶液1.5 mL,用60%乙醇定容,搖勻即得。測定吸光度并記錄[11]。

三乙胺法:取10 mL容量瓶。加供試品溶液0.2 mL,加60%乙醇溶液5 mL,再用1%(體積分數)三乙胺溶液定容,搖勻即得,測定吸光度并記錄[12]。

2 結果與分析

2.1 顯色體系和吸收波長的選擇

精密量取適量蘆丁、槲皮素、異槲皮苷、芹菜素、木犀草素、木犀草苷6種對照品溶液和供試品溶液,分別置于10 mL容量瓶中,按照“1.3.4”節下的3種顯色體系進行顯色試驗,在波長200～600 nm內測量吸光度,部分吸收波長結果見圖1。在NaNO2-Al(NO3)3-NaOH顯色體系中,供試品與蘆丁對照品吸收波長最為相似,且兩者的最大吸收波長最為接近,故本文采用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH體系進行顯色試驗,并選擇蘆丁為對照品,吸收波長為510 nm。

在導致污染的諸多原因中，農業面源污染問題最為突出，對洞庭湖總磷、總氮的貢獻率已超過70%。種植業化肥施用量每公頃超過400kg，高出國際標準1倍，農藥施用量高出全國平均水平20%。區內年生豬出欄約2 000萬頭，部分養殖場糞污治理未到位。投肥養魚問題較為嚴重，高峰時每畝水面年投肥量接近500kg；其次是城鄉生活污染，尤其是鄉鎮生活污染治理率相對偏低；同時，湖區工業污染治理也還存在不少欠賬。

現行的水權交易市場一定程度上可以解決上述問題。譬如，借助水權交易市場水資源可以進行有效分配，一方面滿足歷史使用者的權利，另一方面滿足其他新的水需求。此外，水權交易市場使得缺水者通過市場而非開發新水源來滿足用水需求，這顯然有利于環境保護。長遠來看，水權交易市場能夠激勵人們發展和使用水資源保護技術。可見，水權交易市場既可以滿足新的用水需求，又可以推進環境保護，有利于公共利益的保護。

A-NaNO2-Al(NO3)3-NaOH法顯色;B-AlCl3-KAc法顯色;C-三乙胺法顯色圖1 供試品和對照品溶液顯色后的吸收光譜圖Fig.1 Absorption spectra of test and reference solutions after color reaction

2.2 NaNO2-Al(NO3)3-NaOH顯色體系單因素考察

2.2.1 亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉加入量和顯色溫度的考察

壓鉚過程是一個比較復雜的材料非線性和幾何非線性的問題。壓鉚螺母和板的連接是面-面接觸，選用CONTA172和TARGE169面-面接觸單元來模擬壓鉚連接，建立接觸對，在屬性中對接觸算法、接觸剛度、摩擦系數等進行設置[4-5]。此外，在求解設置選項中采用大變形，并且通過減少載荷步時間和增加迭代計算的次數來提高壓鉚過程的收斂。

各取10 mL容量瓶,照“2.1”節選擇的顯色體系進行顯色試驗,加入供試品溶液0.2 mL,加入亞硝酸鈉溶液0.5、0.7、0.9、1.1、1.3 mL;加入硝酸鋁溶液0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 mL;氫氧化鈉溶液加入量2、3、4、5、6 mL;顯色溫度分別是20、30、40、50、60 ℃。單因素考察圖如圖2所示。

A-亞硝酸鈉溶液;B-硝酸鋁溶液;C-氫氧化鈉溶液;D-溫度圖2 亞硝酸鈉、硝酸鋁及氫氧化鈉加入量和溫度對地參黃酮提取液含量的影響Fig.2 Effects of sodium nitrite, aluminum nitrate and sodium hydroxide additional content and temperature on the content influence of Lycopus lucidus flavonoids extract solution

2.3 Box-Behnken設計與數據分析

根據單因素試驗的結果,選擇亞硝酸鈉(X1)、硝酸鋁(X2)、氫氧化鈉(X3)、溫度(X4)為自變量,所測得的含量(Y)為因變量運用Design-Expert 12進行Box-Behnken設計(以下簡稱BBD設計)和數據分析,具體試驗因素和水平見表1。

表1 Box-Behnken設計因素和水平Table 1 The factors and levels of Box-Behnken design

圖3表明了X1(亞硝酸鈉溶液加入量)、X2(硝酸鋁溶液加入量)、X3(氫氧化鈉溶液加入量)和X4(溫度)4個因素之間的交互作用。響應面的陡峭程度與該交互的因素對提取率的影響成正比。通過對以上結果的分析發現,實驗優化后的最佳顯色條件為50 g/L亞硝酸鈉0.9 mL,100 g/L硝酸鋁0.6 mL,1 mol/L氫氧化鈉4.8 mL和顯色溫度在42 ℃時為最佳顯色條件,此條件下檢測出黃酮含量為91.352 mg/g,提取率為9.1%。

表2 Box-Behnken設計試驗與結果Table 2 The experiment and results of Box-Behnken design

由表3可知,含量的回歸模型顯著(P<0.05),表明模型具有統計學意義;失擬項P=0.256 2>0.05;校正系數AdjR2=0.843 5;PredictR2=0.603,表明模型能很好的反應實驗結果,模型擬合度良好。

表3 含量的回歸方程系數及方差分析表Table 3 Regression equation coefficient and variance analysis table of content

2.4 工藝優化與預測

根據BBD方法原理,采用Design-Expert 12軟件設計4因素3水平的試驗,測定時,每次試驗平行測定4次,試驗方案及結果見表2。利用Design-Expert 12建立含量(Y)與亞硝酸鈉(X1)、硝酸鋁(X2)、氫氧化鈉(X3)、溫度(X4)的二次多項回歸方程模型:

圖3 各因素對響應值影響的三維效應曲面圖Fig.3 3D Effect surface plot of the effects of various factors on the response value

2.5 驗證實驗

為檢驗分析結果的可靠性,按照“1.3.4”節下NaNO2-Al(NO3)3-NaOH法的條件對同一批供試品顯色,平行測定3次,測得總黃酮平均含量為(91.052±2.75) mg/g。預測值與實際值之間偏差極小,說明響應面所得到的優化條件符合設計目標。

2.6 方法學驗證

2.6.1 精密度實驗

精密量取蘆丁對照品溶液2 mL,置10 mL容量瓶中,平行配制6份,按“1.3.4”節NaNO2-Al(NO3)3-NaOH法方法進行顯色,在510 nm測定吸光度。結果RSD為0.23%,表明方法精密度良好。

2.6.2 重復性試驗

按“1.3.1”節制備供試品溶液6份,按“1.3.4”節NaNO2-Al(NO3)3-NaOH法方法進行顯色,在510 nm 測定吸光度,計算含量。結果供試品總黃酮平均含量為89.994 mg/g,RSD為0.01%, 表明方法重復性良好。

供試品溶液制備主要使用的儀器有:萬分之一分析天平[13]、50 mL量筒[14]和20 mL容量瓶[15],制備的溶液在標定和實驗時的溫差在±3 ℃,其不確定度來源,分布情況,不確定度和標準不確定見表5。

按“1.3.1”節制備供試品溶液,于制備供試品溶液后的0、1、2、4、8 h精密量取供試品溶液0.2 mL于10 mL容量瓶中,按“1.3.4”節NaNO2-Al(NO3)3-NaOH法方法進行顯色,在510 nm測定吸光度,結果在預定的時間內,供試品溶液吸光度平均值為0.443,RSD為2.6%,表明在8 h內,供試溶液穩定性良好。

2.6.4 加樣回收率試驗

取總黃酮質量分數已知的樣品1 g,精密稱定6份,分別加入對照品50.3 mg, 按“1.3.1”節方法制備供試品溶液,按“1.3.4”節NaNO2-Al(NO3)3-NaOH法方法進行顯色,在510 nm測定吸光度,計算加樣回收率,結果顯示平均加樣回收率為(99.93±1.49)%,其RSD為1.49%,見表4,表明方法的加樣回收率符合要求。

表4 總黃酮加樣回收率試驗結果Table 4 The recovery results of total flavonoids

2.7 總黃酮含量檢測的不確定度評定

2.7.1 本實驗不確定度的主要來源

(1)供試品溶液制備引入的不確定度;(2)對照品溶液制備引入的不確定度;(3)顯色體系引入的不確定度;(4)標準曲線擬合引入的不確定度。

2.7.2 供試品溶液的制備引入的不確定度

2.6.3 穩定性試驗

表5 供試品溶液的制備引入的不確定度Table 5 The uncertainties introduced by preparation of test solutions

1.3.2 對照品溶液的制備

對照品溶液制備[16]主要使用的儀器有:十萬分之一分析天平和25 mL容量瓶。其不確定度來源,分布情況,不確定度和標準不確定見表6。

表6 對照品溶液的制備引入的不確定度Table 6 The uncertainties introduced by preparation of standards solutions

2.7.4 顯色體系引入的不確定度

供試品溶液制備主要使用的儀器有[17]:1 mL移液管、5 mL移液管和10 mL容量瓶,其不確定度來源、分布情況、不確定度和標準不確定見表7。

表7 顯色體系引入的不確定度Table 7 Uncertainty introduced by the color reaction

2.7.5 標準曲線擬合引入的不確定度

精密吸取蘆丁對照品溶液0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.7 mL,分別置于10 mL量瓶中,分別加入50 g/L亞硝酸鈉0.3 mL,混勻,放置3 min,然后加入100 g/L硝酸鋁0.3 mL,混勻,再放置4 min;加入1 mol/L氫氧化鈉溶液4 mL,用60%乙醇稀釋至刻度,混勻,放置11 min,以相應的試劑為空白,照紫外可見分光光度法于510 nm處測定吸光度,以蘆丁對照品溶液質量濃度(mg/mL)為橫坐標,吸光度為縱坐標,繪制標準曲線,并求得標準曲線的回歸方程[18]:Y=10.071X-0.007 4由此可得:斜率a=10.071,截距b=-0.007 4,R2=0.999 9,證明蘆丁在0.009 36～0.084 24 mg/mL的質量濃度下擁有良好的線性關系。

取響應面優化驗證時供試品溶液一份,平行測定2次,由方程求得c0=0.045 7 mg/mL,評估方法如公式(1)所示:

(1)

測定溶液的標準偏差如公式(2)所示:

畢業班學生松散難管，這是高校教師的普遍看法，特別是近年來的學生基本上都是獨生子女，自我感覺良好，家庭社會背景和經濟基礎較好，自以為是，沒有形成良好的學習和生活習慣，生活比較散漫，生活自理能力不強，自我約束能力較差.

(2)

標準曲線的標準偏差計算過程及結果如公式(3)所示:

賽十娘平靜地說：“還是很難，只能試試看……各處都有好人壞人，東洋人也是種種色色。這里就有個叫古賀的東洋人，看著就善。他總挑著最后一個進來，來了總是先坐著，安靜地看著我。那眼光很柔和，有時還掛著淚花……明朝要是碰到他就好辦了。”

(3)

式中:Ai,標準溶液吸光度測定值;a,標準曲線的斜率,10.071;ci,標準溶液蘆丁的濃度值,mg/mL;b,標準曲線截距,-0.007 4;n,標準曲線測量次數,制備過程中測定了9個濃度,每個濃度測定2次,共18次測量。

將公式(2)、公式(3)帶入公式(1)中,得到:

精密稱取7.8 mg蘆丁和適量槲皮素、異槲皮苷、芹菜素、木犀草素、木犀草苷于25 mL容量瓶中,加甲醇溶解并稀釋至刻度,搖勻,即得。

NaNO2-Al(NO3)3-NaOH法:取10 mL 容量瓶,加入 0.2 mL 供試品溶液,先加 0.3 mL 50 g/L NaNO2溶液,搖勻,靜置 3 min;然后加入 0.3 mL 100 g/L Al(NO3)3溶液,搖勻,靜置 4 min;最后加入 1 mol/L NaOH 溶液 4.0 mL, 用 60%乙醇定容, 搖勻,放置11 min后測定吸光度并記錄[10]。

2.7.6 計算合成不確定度

由上述各不確定度分量合成地參中總黃酮的標準不確定度為[19]:

=0.015 11

先天性肌性斜頸的患兒，通常在出生后頸部迅速長出類似腫瘤的硬塊，數日后會變成蠶豆一樣大小。硬塊在寶寶出生后2～3周時最大，有的直徑可達2cm，所以很容易被媽媽們發現。此外，如果發現寶寶的頭總喜歡面向一側，搬正后很快轉回原位，因應該引起父母的重視。

據介紹，2006年以來，通過大量的田間試驗示范，施用歐化農業復合肥產品“恩泰克”在馬鈴薯、夏玉米、香蕉、果蔗、西瓜、蔬菜作物上取得了很好的節氮、增產效果，并且減少了施肥次數，節約人工。此外，盡管穩定性肥料“恩泰克”單價比傳統肥料高，但在高投入地區用量比傳統肥料少，施肥成本并未增加，產量的增加更能衡量穩定性肥料的效果。隨著營銷推廣戰略的不斷深入，“恩泰克”已經被越來越多的中國農民接受。

在此基礎上，予以觀察組丹參伍川芎治療，選擇丹參川芎嗪注射液，1次/d，劑量為10 ml/次，將其置于生理鹽水中靜脈滴注，連續使用兩周。

各不確定度分量對相對標準不確定度的貢獻率如圖4所示。

圖4 合成相對不確定度分量比較Fig.4 Comparison of relative uncertainty component

2.7.7 擴展不確定度及報告不確定度

粉彩花鳥瓷繪畫中粉彩清雅的釉色與瓷器瑩潤的玻璃白的結合與國畫中花鳥作品的線條和清雅的色彩有著異曲同工之妙。

在95%的置信概率下其包含因子k=2,將合成標準不確定度乘以包含因子計算得到測量結果的擴展不確定度U95為:

U95=k×Uadd(w)=2×0.015 11=0.030 2

U95=91.052×0.030 2=2.75

2) 多適應性：系統可在不同終端訪問。移動端設備應用的普遍性使得系統要同時支持PC端和移動設備端的訪問瀏覽，實現在不同終端下的頁面自適應。

由實驗所測得到地參中總黃酮的含量為(91.052±2.75) mg。

3 結論

本文比較了NaNO2-Al(NO3)3-NaOH、AlCl3-Kac和三乙胺3種顯色體系條件下地參總黃酮的提取液及不同對照品的光譜吸收效果,得出在NaNO2-Al(NO3)3-NaOH體系中,蘆丁標準品與地參黃酮提取液在400～600 nm范圍吸收光譜圖最相似,且兩者的最大吸收波長最接近。選擇NaNO2-Al(NO3)3-NaOH比色法,以NaNO2、Al(NO3)3、NaOH添加量及顯色溫度為單因素實驗,以蘆丁為標準品對地參總黃酮最佳含量測定條件進行了考察,并采用了Box-Behnken設計預測出了顯色劑的最優配比為0.9 mL 50 g/L亞硝酸鈉,0.6 mL 100 g/L硝酸鋁,4.8 mL 1 mol/L的氫氧化鈉和顯色溫度42 ℃。然后,對供試品溶液的制備,對照品溶液的制備,顯色體系和標準曲線擬合進行了不確定度評估,評定出了測量結果的合成標準不確定度和擴展不確定度,最終測得總黃酮量為(91.052±2.75) mg。且響應面的預測值與驗證實際值之間偏差極小,加之含有不確定度評估,結果準確可靠,為總黃酮的測定提供了新的參考方法。