响应面法优化超声波提取平卧菊三七多酚工艺

魏晶，叶芝红，林乐珍，郑国栋

（江西农业大学食品科学与工程学院，江西省天然产物与功能食品重点实验室，江西南昌330045）

响应面法优化超声波提取平卧菊三七多酚工艺

魏晶，叶芝红，林乐珍，郑国栋*

（江西农业大学食品科学与工程学院，江西省天然产物与功能食品重点实验室，江西南昌330045）

以平卧菊三七粉末为原料，在单因素的基础上，选取乙醇浓度，超声温度，超声时间，超声功率为自变量，平卧菊三七多酚提取率为响应值，根据中心组合（Box-Benhnken）试验设计原理，采用四因素三水平的响应面分析法模拟得到二次多项式回归方程的预测模型，优化平卧菊三七多酚超声提取工艺。所得最佳提取工艺参数为：乙醇浓度55%，超声温度70℃，超声时间53 mim，超声功率106 W，在此条件下，平卧菊三七多酚提取率为0.522%，与预测值0.524%基本一致。

平卧菊三七；多酚；超声波提取；响应面法

Abstract：On the basis of single-factor test，the response surface methodology was used to investigate the effects of processing parameters，including solvent concentration，temperature，extraction time and ultrasound power.The extraction rate of GPM polyphenols was chosen as response value，mathematical model was established by implementing four factors and three levels at the basic of Box-Behnken design.The optimum technological conditions were 55%aqueous ethanol concentration，ultrasonic temperature of 70℃，extraction time of 53 min and ultrasonic power of 106 W.Under the optimum conditions，the yield rate of polyphenol was 0.522%，which general accorded with the predicted value（0.524%）according to the modal.

Key words：Gynura procumbens（Lour.）Merr；polyphenols；ultrasonic extraction；response surface analysis method

平卧菊三七（Gynura procumbens（Lour.）Merr）为菊科菊三七属多年生草本植物，一般分布于东南亚及我国南部及西南部地区[1]。近代药理研究表明平卧菊三七具有抑菌、降压、降糖降脂、抗氧化、抗癌、消肿、散瘀、活血生肌等功效[2-4]。是一种极具潜力和高经济价值的药食两用植物[5]。“植物多酚”也叫植物单宁，是分子中具有多个羟基酚类的植物成分的总称，它是植物的次生代谢产物，广泛分布于植物体的根、皮、果肉和壳中，它在植物中的含量仅次于半纤维素，纤维素和木质素[7]。植物多酚具有多种生物活性功能，例如：抗氧化、抗衰老、抗肿瘤、防癌等[8-9]。故被广泛应用于农业、食品、化工、医药、材料等领域，成为当今天然产物研究的热点[10]。植物多酚萃取常用的方法有很多，例如超声波法、微波法、有机溶剂水提法等。超声波法提取作为一种新兴技术，具有高效率，低能耗，和节约溶剂等特点。已被用于多种植物有效成分的提取[11]。目前，国内外对平卧菊三七多酚超声提取工艺的研究较少，故本文以平卧菊三七为原料，采用超声波辅助提取平卧菊三七中多酚，通过考察乙醇浓度、超声时间、超声温度、超声功率等因素对平卧菊三七多酚提取率影响的研究，再结合响应面法优化工艺条件，为进一步开发平卧菊三七多酚产品研究与开发提供一定的理论基础。

1 材料

平卧菊三七：江西鑫植源农业生态科技开发股份有限公司提供。没食子酸标准品：成都曼思特生物科技有限公司；其它试剂均为分析纯。

2 方法

2.1 没食子酸标准曲线的绘制

参照文献[12]。配置0.2 mg/mL的没食子酸溶液，分别吸取 1、2、3、4、5、6、7 mL 没食子酸标准液于 10 mL容量瓶中并定容，吸取上述溶液0.2 mL于试管中，加入福林酚试剂0.5 mL，1 mol/L Na2CO3溶液1 mL，蒸馏水2.3 mL，在25℃反应2 h，在765 nm波长处测量其吸光度。绘制纵坐标为吸光度（A）与横坐标为浓度（C）的标准曲线。

2.2 平卧菊三七中多酚物质含量的测定方法

将平卧菊三七干燥粉碎后，过40目筛，称量0.25 g于离心管中，按1∶20（g/mL）的料液比加入50%的乙醇溶液，在50℃的超声温度和100 W的超声功率下超声提取30 min。将提取液离心（4 000 r/min，10 min）后，取其上清液置于10 mL容量瓶中并定容后，按照方法2.1，测定吸光值，根据所得回归方程计算出多酚的提取率。

2.3 单因素试验

选择提取次数、乙醇浓度、料液比、提取时间、超声功率、提取温度等6个因素作单因素试验，考察各种单因素对平卧菊三七中多酚提取率的影响。

2.4 响应面优化试验

在单因素试验的基础上，采用响应面分析法优化提取工艺，依据Box-Benhnken原理，以乙醇浓度、提取温度、提取时间、超声功率4个因素为自变量，总多酚提取提取率为响应值，设计出了四因素三水平的响应面试验方案[13]。其因素水平分析选取见表1。

表1 响应面分析因子及水平表Table 1 Factors and levels of response surface methodology

2.5 方法学考察

2.5.1 重复性试验

称取6份平卧菊三七粉末，每份0.25 g，在最佳工艺条件下进行提取，按照方法2.2测定吸光度并计算平卧菊三七多酚的平均提取率。

2.5.2 稳定性试验

称取平卧菊三七粉末0.25 g，在最佳工艺条件下进行提取，按方法2.1测定吸光度，之后每10 min测定一次吸光度，考察2 h内多酚的稳定性。

2.6 数据处理

单因素试验中均采取3次平行试验的平均值进行分析作图，作图采用OriginPro 8.5软件进行处理；响应面试验数据采用Design-Expert 6.0.1软件进行分析处理。

3 结果与分析

3.1 没食子酸的标准曲线及线性回归方程

没食子酸的标准线性回归方程为y=0.078 81x＋0.012 67，R2=0.998 03。根据回归方程计算出多酚的含量见图1。

图1 没食子酸标准曲线Fig.1 Standard curve of gallic acid

3.2 单因素试验结果

本研究采用之前试验研究结果，固定提取料液比为1∶20（g/mL）提取次数为2次。

3.2.1 乙醇浓度对平卧菊三七多酚提取率的影响

乙醇浓度对平卧菊三七多酚提取率的影响见图2。

图2 乙醇浓度对平卧菊三七多酚提取率的影响Fig.2 The effect of ethanol concentration on the yield of GPM polyphenols

从图2可以观察到，当乙醇溶液体积分数小于50%时，平卧菊三七中多酚物质的提取率随乙醇溶液体积分数的增加而上升，但是当乙醇溶液体积分数超过50%后，多酚物质的提取率随乙醇溶液体积分数的增加反而下降，原因可能是在低浓度范围内随着乙醇溶液体积分数的增加，多酚与多糖和蛋白质之间的氢键与疏水作用力越容易断裂，使多酚在乙醇溶液中的溶解度增加[14]；但当乙醇溶液体积分数超过50%时，溶液极性差异逐渐增大，从而导致多酚类物质的溶解度下降。因此，乙醇溶液的体积分数以50%为宜。

对息肉进行内镜下的微创治疗，创伤小、恢复快、疗效确切，但并不是一劳永逸的，息肉摘除后，需要进行肠镜随访。随访的时间要根据不同息肉类型而定，一般1到2年复查。

3.2.2 超声时间对平卧菊三七多酚提取率的影响

提取时间对平卧菊三七多酚提取率的影响见图3。

图3 提取时间对平卧菊三七多酚提取率的影响Fig.3 The effect of extract time on the yield of GPM polyphenols

从图3可看出，随着超声时间的增加平卧菊三七多酚提取率是逐渐上升的，且在30 min至50 min上升明显，当超声时间为50 min左右时，其提取率达到峰值，当超声时间超过50 min时，多酚提取率开始下降。原因可能是超声波提取可以加快介质质点运动速度，同时产生空化作用，从而加速提取物质的浸出。然而，提取时间过长，会使多酚物质发生氧化分解，多酚提取率下降[15]。因此，超声提取时间选择50 min为宜。

3.2.3 超声功率对平卧菊三七多酚得提取率的影响

超声功率对平卧菊三七多酚得提取率的影响见图4。

图4 超声功率对平卧菊三七多酚提取率的影响Fig.4 The effect of power of ultrasound generator on the yield of GPM polyphenols

从图4可看出，随着超声波功率的增大，平卧菊三七中多酚物质的提取提取率呈现逐渐上升趋势，但当超声波功率超过110 W时，超声功率的增大却使提取率有所下降。这说明超声功率到达一定值时，会产生大量的热会破坏提取液中的多酚，从而使平卧菊三七多酚提取率下降[16]。因此，超声波提取功率为110 W为宜。

3.2.4 超声温度对平卧菊三七多酚提取率的影响

超声提取温度对平卧菊三七多酚提取率的影响见图5。

图5 超声提取温度对平卧菊三七多酚提取率的影响Fig.5 The effect of temperature on the yield of GPM polyphenols

由图5可知，平卧菊三七多酚提取率是在30℃～60℃之间是随温度升高而升高的，原因可能是温度的升高加快了多酚物质的渗透，溶解，扩散速度，从而使多酚易被提出，但当温度超过60℃后随着温度的升高，提取率反而呈现下降趋势。温度过高时会导致平卧菊三七多酚的氧化损耗，且水和乙醇蒸发，杂质溶出率增大导致多酚提取率下降[17]。故超声波提取平卧菊三七的温度为60℃时最佳。

3.3 响应面优化试验

经软件分析确定对平卧菊三七中多酚提取率影响较为显著的4个因素分别为乙醇浓度、提取时间、提取温度、超声功率，通过Design-Expert 6.0.1软件得到响应面试验方案及平卧菊三七多酚提取率的测定结果见表2，回归方程方差分析见表3。

表2 设计方案及平卧菊三七多酚提取率的测定结果Table 2 Design and results of response surface methodology

续表2 设计方案及平卧菊三七多酚提取率的测定结果Continue table 2 Design and results of response surface methodology

表3 回归方程方差分析Table 3 Variance analysis of quadratic response surface regression model

通过Design-Expert 6.0.1软件进行响应面分析，经二次回归拟合，对表2的数据进行方差分析后得到4个因素与平卧菊三七多酚提取率之间的回归方程为：Y=0.48+0.011A+0.045B+0.028C-0.000 8D-0.046A2-0.020B2-0.057C2-0.058D2+0.03AB-0.015AC-0.028AD+0.005BC-0.015BD-0.035CD

由表3可知此回归模型P＜0.000 1，在a=0.01水平下为极显著，失拟项较小且决定系数r2=0.909 8，表明拟合方程与实际情况比较相符，误差也较小，可充分反映各因素和响应值之间的关系，其影响不是简单的线性关系[13，18]。通过观察回归方程可知，各因素之间是有一定交互影响的，从表3 可知B，C，A2，C2，D2呈极显著影响（P＜0.01），AB，AD，CD呈显著影响 （P＜0.05），B，D，B2，AC，BC，BD均不显著。

观察表3，得到单因素的影响顺序：B（超声温度）＞C（超声时间）＞A（乙醇浓度）＞D（超声功率），在有交互作用存在下，对平卧菊三七多酚提取率的影响顺序为：CD＞AB＞AD＞BD＞AC＞BC。

观察响应面图形（图6），若曲线走势越陡，则表明其影响越显著，若曲线走势平滑，则表明其影响较小[18]。超声温度，超声的时间图形曲线走势较陡，说明其影响显著，由Design-Expert 6.0.1软件进行系统分析，得出平卧菊三七多酚的最佳提取条件为乙醇浓度54.97%，超声温度70℃，超声时间53.35 min，超声功率106.46 W，结合实际操作过程，确定最终工艺条件为：乙醇浓度55%，提取温度70℃，提取时间53 min，提取功率106 W，在该条件下平行试验6次，平卧菊三七多酚提取率为0.522%，其相对标准偏差为RSD=2.864 4，测定结果稳定，偏差不大，证明该结果合理可靠。

图6 各因素间交互作用的响应面图Fig.6 Response surface plots for the effects of crose interactions among different factors

3.4 方法学考察

重复性试验：平卧菊三七多酚平均提取率为0.522%；稳定性试验：在2 h内平卧菊三七所测吸光度的变化RSD=0.707，说明2 h内平卧菊三七中多酚物质较稳定。所测结果可靠。

4 结论

通过响应面分析法对试验结果的分析得出平卧菊三七多酚的最佳提取工艺条件为，乙醇浓度为55%，超声时间为53 min，超声温度为70℃，超声功率为106 W。在此条件下做6次平行试验，平卧菊三七多酚平均提取率为0.522%，RSD为2.864 4，实际值为预测值的99%，说明所优化工艺参数准确可靠且稳定可行。

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Optimization of Ultrasonic Assisted Extraction of Polyphenols from Gynura procumbens（Lour.）Merr by Response Surface Methodology

WEI Jing，YE Zhi-hong，LIN Le-zhen，ZHENG Guo-dong*
（College of Food Science and Engineering，Jiangxi Agricultural University，Jiangxi Key Laboratory of Natural Product and Functional Food ，Nanchang 330045，Jiangxi，China）

2017-02-08

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.19.006

国家863项目子课题（2013BAD10B04）

魏晶（1994—），女（汉），硕士研究生，主要从事天然产物与功能食品研究。

*通信作者：郑国栋（1969—），男，教授，从事天然产物与功能食品研究。