响应面法优化微波辅助提取芋头生物碱工艺

施帅，张焕新，李志方，吴明亮（江苏农牧科技职业学院，江苏泰州225300）

响应面法优化微波辅助提取芋头生物碱工艺

施帅，张焕新，李志方，吴明亮
（江苏农牧科技职业学院，江苏泰州225300）

摘要：研究微波辅助提取芋头生物碱工艺。采用酸性染料法确定芋头生物碱的提取率，并通过试验设计法优化芋头生物碱的提取条件，得到最佳提取工艺为微波功率350W、作用时间2 h、料液比1∶15（g/mL）、提取温度60℃。

关键词：芋头；微波提取；响应面；生物碱

芋头俗称芋子、毛芋，为单子叶植物天南星科植物芋的块茎，远看似荷叶。毛芋头的汁液和加工下脚料里面含有生物碱[1]，这种成分对皮肤有刺激性，所以接触皮肤时会让其感到很痒。生物碱是一类具有生理活性的物质，是许多药用植物的有效成分，具有多种生物活性，但相关的研究较少。本试验利用微波辅助提取芋头中的生物碱，通过响应曲面法确定芋头生物碱的最佳提取工艺参数，为进一步研究芋头生物碱类活性物质提供一定参考[2]。

1　材料与方法

1.1材料、试剂及仪器

1.1.1材料与试剂

芋头：购于泰州市东风菜市场；盐酸小檗碱标准品、浓硝酸、蒸馏水、柠檬酸、柠檬酸钠、95%乙醇、三氯甲烷、浓盐酸、浓硫酸、溴甲酚绿、氢氧化钠、邻苯二甲酸氢钾、碘化铋钾、冰乙酸：均为分析纯。

1.1.2仪器及设备

MKJ-J1-8微波炉：青岛迈可威微波应用技术有限公司；RE-5203旋转蒸发仪：上海亚容生化仪器厂；SHD-D（Ш）循环水式真空泵：巩义市予华仪器有限责任公司；UV-1600紫外可见分光光度计：北京瑞利分析仪器公司。

1.2方法

1.2.1提取工艺

微波提取生物碱的工艺流程为：干芋头皮渣称量→加入乙醇浸泡→微波辅助浸提→离心、取上清液→旋转浓缩得胶质→2%HCl酸化处理→抽滤→10%NaOH碱化处理→过滤除沉淀→抽滤→称量计算提取率[3]。

1.2.2芋头皮渣生物碱的测定

以盐酸小檗碱为标准物质，采用酸性染料比色法测定生物碱含量。标准曲线回归方程为Y=0.006 04X+ 0.056 1（X为盐酸小檗碱浓度，μg/mL；Y为吸光度），线性相关系数R2为0.998 4，在浓度为0～0.09mg/mL范围内，有良好的线性关系[4-5]。

式中：C为由标准曲线计算得出的样品的生物碱浓度，μg/mL；V为样品溶液的体积，mL；M为干芋头皮渣质量，mg。

1.2.3微波辅助提取工艺的设计

研究料液比、提取温度、微波提取功率、提取时间对芋头皮渣生物碱提取率的影响。在单因素试验的基础上，通过Design-Expert9.0中的响应面试验设计法（RSE），设计了四因素三水平共29个试验点的响应面试验，以优化芋头皮渣中生物碱的提取条件。因素水平编码值见表1。

表1　参数因素水平表Table1　Factorsand test levelsof Box-Behnken experim ent

2　结果与分析

2.1微波辅助提取工艺条件的确定

2.1.1微波功率对芋头皮渣生物碱提取得率的影响

准确称取5 g粉碎过筛的芋头皮渣粉末放入500mL烧杯，按照料液比为1∶10（g/mL）加入70%乙醇溶液，保持温度为60℃，在不同的微波功率下辅助提取2 h，计算芋头皮渣生物碱提取率，结果见图1。

图1　微波功率对生物碱提取得率的影响Fig.1　Effectofm icrowavepower on extraction yield of alkaloids

由图1可知，在其它因素一定的情况下，随着微波功率的增加，提取效率越高，在微波功率300W～400W之间增长幅度最大，但在400W之后提取率几乎不变，同时功率太大，溶剂沸腾容易溅出提取容器，造成结果偏低，不利于经济效益。

2.1.2料液比对芋头皮渣生物碱提取得率的影响[6]

准确称取5 g粉碎过筛的芋头皮渣粉末放入500mL烧杯，分别按照料液比为1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25（g/mL）加入70%乙醇溶液，保持温度为60℃，在400W的微波功率下辅助提取2 h，计算不同料液比的情况下，芋头皮渣生物碱提取率，结果见图2。

由图2可知，在保证其它因素不变的情况下，料液比选定1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25（g/mL）的5个水平中，在料液比为1∶10（g/mL）之前生物碱提取率逐渐上升，而在1∶10（g/m L）之后，生物碱提取率上升趋势变缓，考虑到成本及劳动强度，因此，将料液比缩小在1∶10（g/mL）～1∶20（g/mL）之间较为适宜。

图2　料液比对生物碱提取得率的影响Fig.2　Effect of ratio of solid to liquid on extraction yield of alkaloids

2.1.3时间对芋头皮渣生物碱提取得率的影响

准确称取5g粉碎过筛的芋头皮渣粉末放入500mL烧杯中，微波功率设为400W、料液比1∶10（g/mL），在其它条件不变的情况下（乙醇浓度70%，提取温度70℃），计算在不同提取时间的情况下，芋头皮渣生物碱提取率，平均做3次，结果见图3。

图3　提取时间对生物碱提取得率的影响Fig.3　Effectextraction timeofon yield ofalkaloids

由图3可知，随着时间的延长，芋头生物碱的浸出量也增加，提取时间在前2 h内，生物碱浸出量变化较大，2 h后变化逐渐变缓，生物碱在固液之间的传递趋于平衡状态，因此选择最佳提取时间为2 h。

2.1.4温度对芋头皮渣生物碱提取得率的影响

准确称取5g粉碎过筛的芋头皮渣粉末放入500mL烧杯中，微波功率设为400W、料液比1∶10（g/mL），在其它条件不变的情况下（乙醇浓度70%，提取时间2h），计算在不同提取温度的情况下，芋头皮渣生物碱提取率，平均做3次，结果见图4。

图4　提取温度对生物碱提取得率的影响Fig.4　Effectextraction tem peratureofon yield ofalkaloids

由图4可知，随着温度的升高，总生物碱的浸出量也增加，当温度达到60℃，提取量达到最高。但是温度超过60℃，总生物碱的浸出量反而下降，因此，60℃为最适温度。温度的升高使总生物碱的浸出量反而下降，这很可能是由于有些含氮杂环的生物碱极易发生氧化还原反应，从而造成生物碱的分子结构破坏或者降解。

2.2响应面试验结果

响应面试验结果见表2，回归模型方差分析见表3。

表2　芋头皮渣生物碱提取工艺优化响应而试验设计及结果Table2　Code valuesand corresponding actualvaluesof the optim ization param eters tested in response surfaceanalysis

表2数据经回归拟合后可得模型：Y=0.71-0.087A+15.85B+0.024C+0.075D-0.11AB+13.59AC+ 0.078AD-0.13BC-0.19BD+0.17CD-0.18A2-0.15B2-0.16C2-0.018D2。

由表3可知，模型的一次项B、C不显著，A、D显著，二次项A2、B2、C2显著，交互项BD、CD显著。模型的F值为80.64，整体模型的显著水平P<0.01，表明该模型显著。模型R2=0.978 6，说明回归方程的拟合程度良好，失拟较小，可以用该方程代替真实试验点进行分析。按照得到的数学模型绘制响应曲面图，见图5。

表3　回归模型方差分析表Table3　Experimentaldesign and results for responsesur face analysis

注：*表示影响显著，P<0.05；**表示影响极显著，P<0.01。

图5　各两因素交互作用对提取液吸光度影响的响应而及等高线图Fig.5　Responsesurface and contour plots for theeffectsofprocess parameterson alkaloid extraction

由图5可看出，料液比、提取温度、提取时间和微波功率交互对芋头生物碱的提取效果都有影响，尤其是料液比比较明显，特别是提取时间和微波功率的交互作用影响较大，在响应曲面图中表现为曲面坡度大，变化明显。

2.3生物碱提取条件优化

利用Design-Expert软件对边界值和求得的极值进行分析后，得到最优的提取条件为料液比1∶15（g/mL）、提取温度60℃、微波功率350W、微波作用时间2 h，理论提取率=0.642%。按照修正条件：A=1∶15（g/mL）、B=60℃、C=350W、D=2 h进行验证试验，重复3次，其平均提取率=0.685%，与理论预测值相符。

3　结论

通过响应面分析法确定微波辅助提取芋头生物碱的最佳工艺参数为微波功率350W、作用时间2 h、料液比1∶15（g/mL）、提取温度60℃，为芋头生物碱的进一步分离纯化及功能性研究提供了科学参考，奠定了一定的理论基础。

参考文献：

[1]程红娜.芋艿皮渣生物碱提取工艺研究[J].中国食品添加剂,2012 (2):113-116

[2]张海悦,李茜.响应面法优化超声波辅助提取狭叶荨麻生物碱工艺[J].食品科学,2012(12):123-127

[3]姜绍通,汪洪普,潘丽军.响应面法优化微波辅助提取芋头多糖工艺研究[J].食品工业科技,2013(3):215-219

[4]孙天玮.三种魔芋的主要成分及加工下脚料生物碱的研究[D].长沙:湖南农业大学,2008

[5]相炎红,王浩云,杨明俊,等.响应面法优化超声波辅助提取苦豆子生物碱的工艺研究[J].食品工业科技,2012(7):275-278

[6]杨海涛,刘军海.微波法提取魔芋中总生物碱工艺的研究[J].安徽农业科学,2008(7):846-847

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.22.009

基金项目：院大学生实践创新训练计划（201312806024X）

作者简介：施帅（1980—），男（汉），讲师，硕士研究生，研究方向：食品加工。

收稿日期：2014-06-04

Op tim ization of M icrowave-assisted Extraction of Alkaloids from Taros Using Response Surface M ethodology

SHIShuai，ZHANGHuan-xin，LIZhi-fang，WUMing-liang
（Jiangsu Agri-AnimalHusbandry VocationalCollege，Taizhou 225300，Jiangsu，China）

Abstract：Response surfacemethodology was used to optimize themicrowave-assisted extraction of alkaloids from taros.The optimal extraction conditionsweremicrowave power 350W，extraction time of 2 h，material/ liquid ratioof1∶15（g/mL）and extraction temperature of60℃.

Keywords：taros；microwave extraction；responsesurface；alkaloids