超声波辅助提取芦笋总皂苷的工艺

张若洁，王鲁峰，缪文华，徐晓云，潘思轶

(华中农业大学食品科学技术学院，湖北 武汉 430070)

超声波辅助提取芦笋总皂苷的工艺

张若洁，王鲁峰，缪文华，徐晓云，潘思轶*

(华中农业大学食品科学技术学院，湖北 武汉 430070)

采用Box-Behnken设计和响应面分析法，对芦笋总皂苷的超声辅助提取工艺进行优化。以提取温度、提取时间及超声功率为自变量，芦笋总皂苷得率为响应值，研究各自变量及其交互作用对超声波辅助提取法提取芦笋总皂苷得率的影响。结果表明：最佳工艺条件为乙醇体积分数95%、提取温度71℃、提取时间23min、超声功率70W、提取次数2次，在此条件下获得总皂苷的提取率为23.96mg/g。

芦笋；总皂苷；超声辅助提取

芦笋(Asparagus officinalis L.)又名石刁柏、龙须菜，为百合科天门冬属宿根性多年生草本植物。芦笋原产于地中海东岸及小亚细亚，已有2000年以上的栽培历史，我国栽培芦笋从清代开始，仅100余年历史。从20世纪80年代开始，我国福建、河南、陕西、安徽、四川、天津等地市大规模地发展芦笋生产[1]。芦笋因具有抗癌[2]、抗肿瘤[3]、抗真菌[4]、保肝作用[5]、调节免疫力[6]等多种药理作用引起了世界普遍的关注。据报道[7]，芦笋中主要的生物活性物质是甾体皂苷类化合物。

目前，已有对芦笋总皂苷提取的研究[8-9]，其均是采用热浸提的方法，尚未见采用超声波辅助提取法提取芦笋总皂苷工艺研究的报道。近年来，由于超声波法具有省时、高效、耗能小等优点，此法广泛的应用于从植物中提取总皂苷[10-11]。据此，本实验在单因素分析的基础上应用响应面分析法对芦笋总皂苷的超声辅助提取工艺进行优化，以芦笋总皂苷得率为响应值，分析优化得出最佳工艺参数。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

芦笋原料采自湖北省黄陂蔡甸芦笋产业园。

乙醇、甲醇、正丁醇、乙醚、高氯酸(均为分析纯)；纯净水 广东乐百氏集团；乙腈(色谱纯)。

KQ2200DB型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；JYL-A130粉碎机 九阳公司；BT-220S电子天平 赛多利斯科学仪器有限公司；752型分光光度计 上海光谱仪器有限公司；TDL-5-A离心机 上海安亭科学仪器厂；R-215旋转蒸发仪 瑞士步琪有限公司；2695高效液相色谱 美国Waters公司。

1.2 方法

1.2.1 芦笋预处理

将鲜芦笋切段(约5cm)后，于60℃烘箱中干燥2d，而后用粉碎机粉碎过60目筛，得芦笋干粉。

1.2.2 超声波辅助萃取方法

精确称取1g芦笋粉末，置于索氏提取器内，用乙醚萃取脱色，样品挥干溶剂后，至超声波提取器中，按不同工艺条件提取，离心并收集上清液，减压过滤，然后将滤液置旋转蒸发仪上蒸干，加25mL蒸馏水溶解，用25mL水饱和正丁醇萃取4次，合并正丁醇部分，再用25mL正丁醇饱和水洗涤4次，减压回收至干，即得芦笋总皂苷。将芦笋总皂苷定容至50mL即为待测样品溶液。

1.2.3 单因素影响试验

根据前期探索性试验结果，选取乙醇体积分数、超声功率、提取温度、提取时间、提取次数等因素进行单因素影响试验。

1.2.4 响应面分析因素水平的选取[12-14]

本试验依照Box-Behnken中心组合设计原理，使用Design Expert 7.6英文版软件设计试验。根据单因素试验结果，选取提取温度、提取时间、超声波功率3个因素为自变量，以芦笋总皂苷得率为响应值，采用3因素3水平的响应面分析方法，因素与水平设计见表1。

表1 响应面分析因素水平表Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization factors used in the response surface analysis

1.2.5 芦笋皂苷分析方法

含量测定方法：精确吸取样品溶液适量，至于10mL比色管中，水浴挥干溶剂，加高氯酸5mL，摇匀，65℃水浴15min，取出后冰水冷却5min，在310nm处测定吸光度。以菝葜皂苷元为标准品同法制备标准曲线，得回归方程为y=0.0032χ＋0.0026(R2=0.9992)，其线性范围为72～216μg。

2 结果与分析

2.1 单因素试验及其分析

2.1.1 乙醇体积分数对芦笋总皂苷得率的影响

图1 乙醇体积分数对芦笋总皂苷得率的影响Fig.1 Effect of ethanol concentration on extraction yield of total saponins

由图1可知，芦笋总皂苷得率随乙醇体积分数的增大呈增大趋势，乙醇体积分数达到95%时，芦笋总皂苷得率最高，此时溶剂极性与皂苷极性最为相似，皂苷溶出量最大，因此，选择95%的乙醇为提取溶剂。

图2 超声功率对芦笋总皂苷得率的影响Fig.2 Effect of ultrasound power on extraction yield of total saponins

2.1.2 超声功率对芦笋总皂苷得率的影响由图2可知，超声功率小于60W时，芦笋总皂苷得率随超声功率的增大而增大，当超声功率大于60W

时，芦笋总皂苷得率随超声功率的增大而减小。这是因为增大超声功率，超声波的空化作用与微绕效应增强，增大皂苷分子的溶出，但超声功率过大会在短时间内产生并聚集大量的热量，导致皂苷分子发生热敏损失，而使得率降低。

2.1.3 提取温度对芦笋总皂苷得率的影响

图3 提取温度对芦笋总皂苷得率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction yield of total saponins

由图3可知，提取温度低于70℃时，芦笋总皂苷得率随温度的升高呈上升趋势，提取温度高于70℃，随温度升高，芦笋总皂苷得率出现明显下降趋势。这是因为提高温度有利于皂苷分子的扩散及溶出，但过高温度可能导致皂苷的热敏损失[7]，从而使得率下降。

2.1.4 提取时间对芦笋总皂苷得率的影响

图4 提取时间对芦笋总皂苷得率的影响Fig.4 Effect of extraction time on extraction yield of total saponins

由图4可知，时间对芦笋总皂苷得率有显著影响，在30min中前，芦笋总皂苷得率随时间延长而增加，30min后，芦笋总皂苷得率出现下降趋势。说明短时间内随超声时间的延长，有利于芦笋皂苷的溶出，但过长时间的提取会导致大量杂质的溶出，增大传质阻力影响有效成分溶出，而使得率降低[15]。

2.1.5 提取次数对芦笋总皂苷得率的影响

图5 提取次数对芦笋总皂苷得率的影响Fig.5 Effect of number of extractions on extraction yield of total saponins

由图5可知，2次提取芦笋总皂苷得率几近1次提取的2倍，而3次提取，芦笋总皂苷得率没有几乎没有增加，因此，从得率及节省能源两方面考虑选择2次提取。

2.2 响应面法确定芦笋参总皂苷提取最佳工艺

2.2.1 模型建立与显著性检验

设计并优化出的17组试验方案及结果见表2。

利用Design Expert 软件对表2数据进行多元回归拟合，获得响应值(得率)对影响得率的关键因素的二次多项式。回归模型为：Y=23.11＋0.61A＋1.93B＋1.42C-0.55AB＋0.10AC＋0.38BC-2.23A2-3.52B2-1.07C2。

表2 芦笋总皂苷提取响应面分析方案及试验结果Table 2 The experimental design and results for response surface analysis

对模型进行方差分析及回归系数显著性检验，结果见表3、4。

表3 回归方程的方差分析表Table 3 Analysis of variance for the established regression equation

由表3方差分析可知，模型显著性检验F=75.30＞F0.01(9,5)=10.16，P＜0.0001失拟项检验F=1.67＜F0.05(3,2)=19.16，P=0.3101＞0.05，表明方程极显著，失拟项很小，残差由随机误差引起；R2=0.9898，说明模型拟合程度好，试验误差小，可以用此模型对芦笋总皂苷得率进行分析和预测[16]。

由表4可知，模型的一次项A(P=0.0063)、B(P＜0.0001)与C(P＜0.0001)影响极显著；二次项A2(P＜0.0001)、B2(P＜0.0001)与C2(P=0.0018)影响极显著；交互项AB(P=0.0431)影响显著，AC、BC影响不显著。此结果表明提取时间与超声功率对芦笋总皂苷得率主效应明显。

表4 回归模型系数的显著性检验Table 4 The regression coefficient and significance of each term in the established regression equation

2.2.2 模型交互项的解析

图6 各两因素交互作用响应面与等高线图Fig.6 Response surface and contour plots of total saponin as a function of temperature and time, temperature and ultrasound power, and time and ultrasound power

根据响应面回归分析结果做出相应的响应面图和等高线图，结果如图6所示。各图表示A、B、C中任意一个变量取零时，其余两个变量对芦笋总皂苷得率的影响。由图6可知，时间对响应值影响最大，当时间处在低水平时，即使功率及温度处在高水平时，其响应值也处在相应比较低的水平，延长提取时间，响应值向高水平方向移动，但过长时间及过提取高温度都会对使响应值下降，这与单因素试验结果相吻合。随超声功率的增大，响应值始终保持增大趋势，表明在实验水平中，提高超声功率有利于皂苷分子的溶出，不会导致过热热敏反应。

2.2.3 模型验证

基于Design Expert软件的优化功能获得最优的提取条件，芦笋总皂苷得率最大预测值为23.96mg/g，此时3个关键因素的取值为提取温度71.15℃、提取时间23.05min、超声功率67.29W。实际操作中，关键因素取值为提取温度71℃、提取时间23min、超声功率70W。为了验证模型的有效性，取响应值为23.96mg/g进行了3组模型验证实验，其结果见表5。

表5 回归模型的3组参数及其验证结果Table 5 Predicted and experimental extraction yield of total saponins under optimum extraction conditions

由表5可知，芦笋总皂苷得率预测值与真实值相近，相对误差均在2%以下，证明应用响应面法优化超声波辅助提取总皂苷工艺的关键因素是可行的。

3 结 论

3.1 在单因素试验的基础上，应用响应面法优化芦笋总皂苷提取工艺研究。得到芦笋总皂苷提取的回归模型为：Y=23.11＋0.61A＋1.93B＋1.42C-0.55AB＋0.10AC＋0.38BC-2.23A2-3.52B2-1.07C2。

3.2 经归方差分析及模型验证结果表明，该方法有效可行。超声辅助提取芦笋总皂苷最佳工艺参数为乙醇体积分数95%、提取温度71℃、提取时间23min、超声功率70W、提取次数2次，在此条件下获得总皂苷的提取率为23.96mg/g。

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Use of Response Surface Methodology for Optimization of Ultrasound-assisted Extraction of Total Saponins from Asparagus officinalis L.

ZHANG Ruo-jie，WANG Lu-feng，MIAO Wen-hua，XU Xiao-yun，PAN Si-yi*
(College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

Response surface methodology based on a three-variable, three-level Box-Behnken experimental design was used to optimize ultrasound-assisted extraction of total saponins from Asparagus officinalis L. The extraction yield of total saponins was investigated with respect to temperature, extraction time and ultrasonic power. The optimal extraction conditions were found to be∶ ethanol concentration 95%, temperature 71 ℃, extraction time 23 min, ultrasound power 70 W, and number of extractions 2. Under these conditions, the extraction yield of total saponins was 23.96 mg/g.

Asparagus officinalis L.；total saponins； ultrasound-assisted extraction

S644.6；TQ464.3

A

1002-6630(2011)14-0047-05

2010-10-19

张若洁(1986—)，女，硕士研究生，研究方向为农产品加工化学。E-mail：zhangruojie@126.com

*通信作者：潘思轶(1956—)，男，教授，博士，研究方向为农产品加工化学。E-mail：pansiyi@mail.hzau.edu.cn