响应面法优化毛竹笋笋头中β-谷甾醇提取工艺的研究

林丽静，吕国提，2，李积华，*，朱德明，朱冰清，2，陈宣年

（1.中国热带农业科学院农产品加工研究所，广东湛江 524001；

2.华中农业大学食品科技学院，湖北武汉 430070；

3.闽西丰农食品有限公司，福建龙岩 364204）

响应面法优化毛竹笋笋头中β-谷甾醇提取工艺的研究

林丽静1，吕国提1，2，李积华1，*，朱德明1，朱冰清1，2，陈宣年3

（1.中国热带农业科学院农产品加工研究所，广东湛江 524001；

2.华中农业大学食品科技学院，湖北武汉 430070；

3.闽西丰农食品有限公司，福建龙岩 364204）

采用响应面分析法研究了乙醇浓度、时间、温度和料液比对毛竹笋笋头中β-谷甾醇得率的影响。结果表明，β-谷甾醇提取的最佳工艺条件为：乙醇浓度95%、提取时间20min、料液比15∶1、提取温度55℃，在此条件下，β-谷甾醇提取含量为365.52mg/100g。

笋头，β-谷甾醇，提取工艺，响应面分析

β-谷甾醇作为最常见的植物甾醇之一，其含量较高，广泛分布于植物油、种子、坚果、蔬菜和水果中，研究表明，β-谷甾醇具有重要的药理活性和生理功能，如降胆固醇，抗氧化，消炎，治疗乳腺癌、结肠癌和前列腺癌等，在医药、食品和化妆品等领域应用广泛[1-4]。毛竹笋笋头中含有一定量的β-谷甾醇，对其进行研究开发可以使废弃的笋头资源合理利用。β-谷甾醇一般采用皂化、结晶法从植物油脱臭馏出物中制得[3]。本实验采用Box-Behnken响应面分析法对乙醇溶剂萃取过程中影响β-谷甾醇的关键因素（料液比、提取温度、提取时间、乙醇浓度）进行分析，以β-谷甾醇得率为考察指标，探讨并验证其最佳提取工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

毛竹笋笋头干粉 闽西丰农食品有限公司；β-谷甾醇（≧97%）、乙醇 均为分析纯；甲醇 为色谱级。

LC-10A型高效液相色谱仪 岛津公司；AL204型电子天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；电热恒温水浴锅 南通凯达实验仪器公司。

1.2 β-谷甾醇的提取工艺

毛竹笋笋头干粉→105℃烘干→加乙醇振荡提取→过滤→检测

1.3 β-谷甾醇的分析测定方法

采用高效液相色谱法；标准曲线方程：Y= 4353978.17X-8836.6（R2=0.9998）。

β-谷甾醇提取含量（mg/100g）=[β-谷甾醇浓度（mg/m L）×体积（m L）]/原料质量（g）

1.4 响应面法实验设计

预实验结果显示，毛竹笋笋头中β-谷甾醇提取影响较显著的因素为：乙醇浓度、提取时间、料液比、提取温度。根据Box-Behnken的中心组合实验设计原理，采用四因素三水平的响应曲面分析法，各因子编码值见表1。

表1 Box-Behnken实验设计因素和水平编码值表Table 1 Factors and levels of Box-Behnken

2 结果与分析

2.1 实验结果

Box-Behnken实验设计结果如表2所示，实验重复5次，用以估算实验误差。

表2 Box-Behnken实验设计与结果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiment

2.2 模型的建立及其显著性检验

利用Design-Expert 8.0.5.0软件对表2实验数据进行多元回归拟合，得到毛竹笋头中β-谷甾醇提取含量对乙醇浓度（X1）、提取时间（X2）、料液比（X3）和提取温度（X4）的二次多项回归模型：

对模型进行显著性检验，结果见表3，回归模型系数显著性检验结果见表4。

由表3可知，模型极显著（p＜0.0001）；失拟项p= 0.1484＞0.05，不显著；复相关系数R2=0.9921，R2Adj= 0.9842，说明该模型与实际情况拟合度良好，实验误差较小，信噪比=12.341＞4，说明用此模型可以得到足够强的响应信号。因此可以用此模型分析和预测β-谷甾醇提取工艺的结果。

由表4回归模型系数显著性检验结果可知，一次项X3极显著，X4非常显著，X1显著，X2不显著，二次项X12、X22、X32、X42均极显著。交互相除X2X4外均影响显著，对得率的影响依次为X3＞X4＞X1＞X2，即料液比＞提取温度＞乙醇浓度＞提取时间。

表3 回归模型方差分析Table 3 Analysis of regressionmodel

表4 回归模型系数的显著性检验结果Table 4 Results of the regressionmodel

2.3 β-谷甾醇提取工艺的响应面分析

根据回归模型做出的响应曲面见图1～图6。

图1显示了料液比15∶1，乙醇浓度90%时，提取温度与提取时间之间的交互作用对β-谷甾醇提取含量的影响。等高线的形状反映交互作用的强弱大小，圆形表示两因素的交互作用不显著，椭圆形表示交互作用显著[5]。由图1可知，提取时间和提取温度交互作用不显著。

图1 提取时间与提取温度交互作用对β-谷甾醇得率的影响Fig.1 Effect of extracting time and temperature on extraction results

图2 乙醇浓度与料液比交互作用对β-谷甾醇提取含量的影响Fig.2 Effect of ethanol concentration and ratio of liquid to solid on extraction results

图2显示了提取时间30min，提取温度55℃时乙醇浓度和料液比交互作用对β-谷甾醇提取含量的影响显著。随着料液比的增大，β-谷甾醇提取含量略增大后呈下降趋势，随着乙醇浓度的增大先显著增加而后下降。这可能是因为当料液比增加到一定程度时，β-谷甾醇和乙醇溶剂接触面达到饱和，乙醇溶剂富余而挥发掉，已经无助于提取[6]。二者交互作用非常显著（p=0.0012＜0.01），乙醇浓度在87%～91%之间，料液比在12.5∶1～14.5∶1之间时，β-谷甾醇提取含量达到本次实验的最大值。

由图3可知，提取时间30m in，料液比15∶1时，乙醇浓度和提取温度的交互作用对β-谷甾醇提取含量影响极显著，随着提取温度的升高，β-谷甾醇提取含量呈现出先增加后显著下降的趋势。当温度达到一定程度时，随着乙醇浓度的增大呈现出缓慢增大而后显著降低趋势，这是因为温度较高时，高浓度的乙醇变成蒸气挥发掉，不利于β-谷甾醇的提取。

图3 乙醇浓度与提取温度交互作用对β-谷甾醇提取含量的影响Fig.3 Effectof ethanol concentration and temperature on extraction results

由图4可知，乙醇浓度90%，提取温度55℃时，提取时间和料液比交互作用对β-谷甾醇提取含量的影响极显著。随着提取时间的延长，提取含量呈现出缓慢增大再显著降低的趋势，当提取时间较短时，提取含量随着料液比的增大显著降低。提取时间在20～ 30m in，料液比在12.5∶1～14.5∶1之间时，实验过程中提取含量达到最大值[7]。

由图5可知，料液比15∶1，提取温度55℃时，乙醇浓度和提取时间的交互作用对β-谷甾醇提取含量的影响显著（p=0.0122＜0.05）。乙醇浓度在89%～93%，提取时间在20～30m in之间时，β-谷甾醇得率可以到达最大值。

图4 提取时间与料液比交互作用对β-谷甾醇提取含量的影响Fig.4 Effectof extracting time and ratio of liquid to solid on extraction results

图5 乙醇浓度与提取时间交互作用对β-谷甾醇提取含量的影响Fig.5 Effectof ethanol concentration and extracting time on extraction results

图6 提取温度与料液比交互作用对β-谷甾醇提取含量的影响Fig.6 Effectof temperature and ratio of liquid to solid on extraction results

图6显示了在乙醇浓度为90%，提取时间为30m in时，提取温度和料液比的交互作用对β-谷甾醇得率的影响。由图6可知，它们的交互作用对提取含量的影响极显著（p=0.0008＜0.001）。

2.4 提取条件优化

通过Design-Expert 8.0.5.0软件分析，得到毛竹笋笋头中β-谷甾醇提取的最佳工艺为：乙醇浓度95%，提取时间20m in，料液比15∶1，提取温度55℃。实际测得的平均提取含量为365.52mg/100g，与理论预测值相比，其相对误差＜1.25%。因此，基于响应曲面法所得的优化提取工艺参数准确可靠，具有实用价值。

3 结论

3.1 基于实验设计软件Design-Expert 8.0.5.0，通过二次回归设计得到了β-谷甾醇提取含量与乙醇浓度、提取时间、料液比和提取温度的回归模型，经检验证明该模型准确可靠，可以用来预测毛竹笋笋头中β-谷甾醇的提取含量。

3.2 利用模型的响应面，对影响β-谷甾醇提取含量的关键因素及其相互作用进行探讨，得到的最优工艺参数为乙醇浓度95%，提取时间20m in，料液比15∶1，提取温度55℃，在此条件下，β-谷甾醇提取含量为365.52mg/100g。

[1]陆伯益.竹笋中甾醇类化合物的研究-竹笋甾醇化学、工艺学及生物学功能[D].杭州：浙江大学，2007.

[2]李平安，谢碧霞，钟秋平，等.毛竹春笋提取物抗氧化活性研究[J].食品科学，2008，28（5）：97-98.

[3]韦继康.植物甾醇提取工艺研究[D].杭州：浙江大学，2002.

[4]Sarangthem K，Singh T N，Thongam W.Transformation of fermented bamboo（Dendrocalamus hamiltonii） shoots into phytosterols by microorganisms[J].Journal of Food Science and Technology Mysore，2003，40（6）：622-625.

[5]杨文雄，高彦祥.响应面法及其在食品工业中的应用[J].中国食品添加剂，2005（2）：68-71.

[6]张燕飞，谷克仁，张海峰，等.从芝麻饼中提取木酚素工艺的响应面优化研究[J].粮油食品科技，2009，17（3）：21-31.

[7]汪一红，胡纱纱，王承明，等.响应曲面法优化棉籽毛油中磷脂的分离工艺研究[J].粮油加工，2002（2）：46-51.

Study on optim ization of solventextraction ofβ-sitosterol from Phyllostachys pubescens bamboo shoothead using response surface analysis

LIN Li-jing1，LV Guo-ti1，2，LIJi-hua1，*，ZHU De-m ing1，ZHU Bing-qing1，2，CHEN Xuan-nian3
（1.Agricultural Products Processing Research Institute，Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences，Zhanjiang 524001，China；
2.College of Food Science and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China；3.West Fujian Food Co.，Ltd.，Longyan 364204，China）

The cond itions inc luding the ethanol solution concentration，time，tem perature and solid-liquid ratio of β-sitosterol from Phyllostachys pubescens bamboo shoot head was stud ied by response surface analysis.The results showed the op timalextraction cond itions were 95%ethanol，extrac ting time 20m in，ratio of liquid to solid 15∶1，tem perature 55℃.Under this cond ition，the yield ofβ-sitosterolwas 365.52mg/100g.

bamboo shoot head；β-sitosterol；extraction technology；response surface analysis

TS221

B

1002-0306（2012）22-0269-04

2012－08－16 *通讯联系人

林丽静（1978-），男，博士，研究方向：天然产物化学。

农业部948项目（2012-Z10）；国家工程技术研究中心再建项目（2011FU125Z09）。