响应面优化-微波辅助提取吴茱萸多糖工艺

魏增云，张海容，陈金娥（.山西省忻州职业技术学院，山西忻州034000；.山西省忻州师范学院生化分析技术研究所，山西忻州034000）



响应面优化-微波辅助提取吴茱萸多糖工艺

魏增云1，张海容2，陈金娥2
（1.山西省忻州职业技术学院，山西忻州034000；2.山西省忻州师范学院生化分析技术研究所，山西忻州034000）

利用微波辅助技术进行吴茱萸多糖提取，通过单因素试验确定因素与水平。在其基础上，依据响应面分析法研究了微波功率、提取时间、提取次数和液料比对吴茱萸多糖提取率的影响，确定微波提取吴茱萸多糖的最佳工艺参数为：微波功率390W、提取时间为101s、提取次数2次、料液比为103∶1（mL/g）。经验证试验测定多糖提取率为21.01%，与预测的最大响应值（吴茱萸多糖提取率为21.90%）的相对偏差为4.06%。

微波辅助提取；响应面法；吴茱萸多糖

吴茱萸（Tetradium ruticarpum）为芸香科植物，落叶灌木或小型乔木。中药材吴茱萸为吴茱萸将近成熟的果实晒干，具有健脾和胃、散寒止痛、疏肝下气、燥湿止泻之功效［1］，还用于咽喉肿痛、口舌生疮［2］、高血压、心血管等病症的治疗［3-5］，《神农本草经》中记载为中药中品。吴茱萸有两千年的人工种植栽培历史，分布于我国中部、南部多省份，如四川、贵州、广西、湖南等［6］。吴茱萸富含生物碱、挥发油、吴茱萸烯、多糖等多种有效成分。

多糖是一种结构复杂的糖类，有均一性和不均一性两种。近年来，植物多糖受到了医药领域的广泛重视［7-8］，具有抗氧化性、抑制肿瘤、抗辐射及免疫功能［9-10］。微波提取技术优点突出，易实施、易操作、节时节能无污染，微波作用几分钟的提取效果与传统方式提取几个小时的效果等同［11］。近年来微波提取发展迅速，已广泛应用于食品、化工和中药提取等领域。该研究采用微波辅助对吴茱萸多糖进行提取并对影响吴茱萸多糖含量的几个重要因素进行了响应面分析，并优化了其工艺条件，以期为工业化提取吴茱萸多糖提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验材料

吴茱萸购自忻州当地药店，55℃恒温干燥3 h，粉碎后过40目筛待用。

D（+）-无水葡萄糖（分析纯）、浓硫酸（分析纯）：天津耀华化学试剂有限责任公司；苯酚（分析纯）：中国医药公司天津公司。

SP-723紫外可见光风光光度计：上海光谱；微电脑微波化学反应器LWMC-201：南京陵江科技开发有限责任公司；SHZ-D（Ⅲ）循环水式真空泵：巩义市予华责任公司；AB204-N型电子天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司。

1.2试验方法

1.2.1葡萄糖标准曲线的绘制

用移液管准确量取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL的100 μg/mL的葡萄糖工作液于7支10 mL比色管中，补水到2 mL，加5%的苯酚溶液各1 mL，摇匀，迅速再加98%的浓硫酸各5 mL，标定至10 mL，沸水浴中煮沸15 min，冷水中冷却。在最大吸收波长490 nm处，以试剂空白作参比，测定吸光值，并以吸光值为纵坐标，浓度c（μg/mL）为横坐标绘出标准曲线，标准曲线和拟合方程如图1所示。

多糖提取液的浓度（μg/mL）

图1　葡糖糖工作曲线Fig.1　Work curve of glucose

1.2.2吴茱萸多糖的提取和测定

准确称取0.2 g吴茱萸粉末，利用二次水作为提取试剂，设定微波提取功率、提取时间、提取次数和液料比进行微波处理，抽滤得到的多糖滤液，定容到25 mL比色管。进行梯度稀释后，准确吸取1 mL多糖提取液，加入1 mL 5%的苯酚，摇匀后迅速加入5 mL浓硫酸，标定至10 mL，沸水浴中煮沸15 min，冷水中冷却后，在490 nm处测定其吸光值，计算多糖提取率。

1.2.3多糖提取单因素试验

微波功率对多糖提取率的影响：准确称取吴茱萸粉0.2 g，在液料比为60∶1（mL/g）条件下，采用不同微波功率（130、260、390、520、680 W）处理90 s，提取两次，考察不同微波功率对多糖提取率的影响；微波辐射时间对多糖提取率影响：准确称取吴茱萸粉0.2 g，在已优化条件微波功率390 W，液料比60∶1（mL/g）条件下，不同微波辐射时间（30、60、90、120、150 s）提取两次，考察不同微波辐射时间对多糖提取率的影响；液料比对多糖提取率影响：准确称取吴茱萸粉0.2 g，在已优化条件微波功率390 W、微波辐射时间120 s条件下，不同液料比（30∶1、60∶1、90∶1、120∶1、150∶1，mL/g）提取两次，考察不同液料比对多糖提取率的影响；提取次数对多糖提取率影响：准确称取吴茱萸粉0.2 g，在已优化条件微波功率390 W、微波辐射时间120 s、液料比60∶1（mL/g）条件下，考察不同提取次数（1、2、3、4、5）对多糖提取率的影响。

1.2.4响应面优化设计试验

结合单因素实验结果，选取微波时间（X1）、液料比（X2）、微波功率（X3）3个考察因素，应用DesignExpert 7 Docoument软件设计中心组合试验和响应面分析法，根据表1设定的试验因素和水平，以吴茱萸多糖提取率为响应值，进行三因素三水平的响应面分析试验，并利用响应面法对吴茱萸多糖微波提取条件进行优化。

表1　微波辅助提取吴茱萸多糖试验因素、水平及编码Table 1　Codes and levels of factors of microwave assisted extraction of Evodia polysaccharide

2　结果与讨论分析

2.1单因素试验结果分析

2.1.1微波功率对多糖提取率的影响

不同微波功率对吴茱萸多糖提取效果的影响见图2。

图2　不同微波功率对吴茱萸多糖提取效果的影响Fig.2　Effect of different microwave power on extraction rate of evodia polysaccharide

由图2可知，随着微波功率升高，多糖提取率逐渐升高，当微波功率达到260 W～650 W时提取率不再升高。考虑到微波功率与其它条件交互影响时可留有更加优化的空间，选择390 W为最适宜微波功率条件。

2.1.2微波辐射时间对吴茱萸多糖提取率的影响

不同微波时间对吴茱萸多糖提取效果的影响见图3。

图3　不同微波时间对吴茱萸多糖提取效果的影响Fig.3　Effect of different microwave time on extraction rate of evodia polysaccharide

由图3可知，随着微波辐射时间的增加，多糖提取率明显升高，120 s时达到最高。继续延长时间提取率并无明显变化。因此，选择微波辐射时间120 s为最佳微波辐射时间条件。

2.1.3料液比对吴茱萸多糖提取率的影响

不同液料比对吴茱萸多糖提取效果的影响见图4。

图4　不同液料比对吴茱萸多糖提取效果的影响Fig.4　Effect of the liquid-solid ratio on extraction rate of evodia polysaccharide

由图4可知，随着料液比的增大多糖提取率也逐渐增大，当料液比增大到1∶60（g/mL）时，之后继续增大再无明显变化。因此确定最佳料液比条件为1∶60（g/mL）。

2.1.4提取次数对吴茱萸多糖提取率的影响

不同提取次数对吴茱萸多糖提取效果的影响见图5。

由图5可知，随着提取次数的增加，多糖得率依次升高，但2次后虽有升高但并不明显。考虑到工艺成本等因素选择提取2次为最佳提取次数条件。

2.2响应面法对微波提取吴茱萸多糖提取条件的优化

2.2.1模型建立与显著性检验

图5　不同提取次数对吴茱萸多糖提取效果的影响Fig.5　Effect of different extraction times on eth extraction rate of evodia polyaccharide

以X1、X2、X3为自变量，以吴茱萸多糖吸光值为响应值、采用Design-Exper软件中的Box-Behnken设计方法［12-14］对试验结果进行拟合。析因试验1～12号，中心试验13号～17号。析因点和零点为17个试验点，析因点为自变量取值构成的三维顶点；零点为中心点。试验验设计与结果见表2。

表2　微波辅助提取吴茱萸多糖试验设计与结果Table 2　Microwave-assisted extraction evodia polysaccharide experimental design and results

为了表明各因素对响应值Y的影响关系，采用DesignExpert 7 Docoument软件对表2的数据进行多元回归分析，建立回归模型，求的到如下回归方程。

Y=0.56+0.044X1+0.038X2+0.036X3+0.043X12-0.024X22-0.036X32+0.005X1X2+0.003X1X3+0.031X2X3

回归方程系数显著性检验（表3）可以看出，X1X2、X1X3、X22的P值大于0.05，为不显著项，其余各项均显著。为了进一步确证最佳点的取值，对回归方程取一阶偏导等于零数并整理得：0.044+0.005 X2+0.003 X3+0.086 X1=0

0.038+0.005 X1+0.031 X3-0.048 X2=0

0.036+0.003 X1+0.031 X2-0.072 X3=0

求解方程得到：X1=-0.633，X2=1.429，X3=1.089

即：提取时间、液料比、微波功率分别为101 S、102.87∶1（mL/g）、401.57W，实际生产情况下，提取时间、液料比、微波功率可分别修正为101 S、103∶1（mL/g）、390 W为最佳生产工艺参数。为了进一步验证吴茱萸多糖最优的微波辅助提取工艺，采用上述条件进行了3次重复试验，结果吴茱萸多糖提取液的吸光值均达到了0.570±0.003（即提取率为21.01%）与0.592理论值（即提取率为21.90%）基本一致，与预测的最大响应值的相对偏差为4.06%。

表3　回归方程系数显著性检验表Table 3　Significance test for regression coefficient

回归模型的方差分析（表4）可以看出，该模型的确定系数R2=0.936 7，说明该模型能够解释93.67%的变化，方程模型显著性P=0.004 1，表明该回归方程的拟合度良好。可以很好解释模型的变化，试验误差小，自变量与响应值线性关系显著，可以用于吴茱萸多糖微波提取实验的理论预测。

表4　回归模型方差分析表Table 4　Analysis of variance for regression equation

2.2.2吴茱萸多糖提取率的响应面分析与优化

根据回归分析结果作出响应曲面如图6～图8。

图6　微波功率和时间对提取液中吴茱萸多糖吸光值影响的响应曲面和等高线Fig.6　Response surface and contour line for the effect of microwave power and time on absorption of evodia polysaccharide

图7　微波提取时间和液料比对提取液中吴茱萸多糖吸光值影响的响应曲面和等高线Fig.7　Response surface and contour line for the effect of extraction time and the ratio of liquid to solid on absorption of evodia polysaccharide

图8　微波功率和液料比对提取液中吴茱萸多糖吸光值影响的响应曲面和等高线Fig.8　Response surface and contour line for the effect of power and the ratio of liquid to solid on absorption of evodia polysaccharide

从图6～图8可以看出，多糖提取率存在极大值，即响应面的最高点由DesignExpert 7 Docoument软件分析可得最大响应值为0.592（即提取率为21.90%），提取时间、液料比、微波功率分别为101 s、102.87∶1（mL/g）、401.57 W，为了验证响应面的可行性，采用所得到的优化条件进行吴茱萸多糖提取的验证试验，结果表明提取时间、液料比、微波功率分别修正为101 s、103∶1（mL/g）、390 W时，多糖提取率为21.01%，与预测的最大响应值的相对偏差为4.06%。

3　结论

通过DesignExpert 7 Docoument软件设计的响应面分析法，能够可靠地进行优化试验以及数据处理，试验应用这一方法对吴茱萸多糖提取的工艺条件进行了优化。

在单因素的基础上应用DesignExpert 7 Docoument软件设计三因素三水平的试验，确定出了吴茱萸多糖提取的优化工艺条件为：提取时间101 s、提取次数2次、液料比102.87∶1（mL/g）、微波功率401.57 W。多糖提取率高达21.90%，修正条件后，验证试验提取率相对偏差并不大，试验研究的最优的工艺参数可靠，指导实践生产可行。

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Optimization of Microwave-Assisted Extraction of Polysaccharides from Evodia with Response Surface Methodology

WEI Zeng-yun1，ZHANG Hai-rong2，CHEN Jin-e2
（1.College of Xinzhou Occupation Technology，Xinzhou 034000，Shanxi，China；2.Institute of Biochemical Analysis，Xinzhou Teachers'College，Xinzhou 034000，Shanxi，China）

The extraction of polysaccharide of evodia with microwave-assisted method，the factors and levels were determined through single factor experiment.The effects of microwave power，extraction time，extraction times and material-liquid ratio on extraction rates of ERP were studied based on of single factor experiment with response surface methodology.The optimum conditions for the extraction polysaccharides of evodia were as follows：390 W of microwave power，101 s of extraction time，twice for extraction times and the material-liquid ratio of 103∶1（mL/g）.Under this condition，the model predictive and experimental value of evodia polysaccharides yield were 21.90%and 21.01%，respectively.The relative standard deviation was 4.06%.

microwave-assisted extraction；the response surface method；polysaccharide of evodia

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.13.010

山西省高等学校科技创新项目资助（20141120）；忻州师范学院物理化学重点学科资助项目（XK201402）

魏增云（1975—），男（汉），副教授，硕士，主要从事植物成分分离分析方向研究。

2015-07-24