响应面优化超声辅助提取胡萝卜叶多酚工艺研究

蓝志福

(漳州职业技术学院食品工程学院，福建 漳州363000)

胡萝卜(Daucuscarota)叶又名胡萝卜缨，具有很高的营养价值。其味辛、甘，主治浮肿、小便不通、脘腹痛、淋痛，还可以作为理气止痛药，具有一定的药理作用[1,2]。胡萝卜叶因为有香气而不易感染病虫害，因此很少使用农药，是非常好的绿色食品原料[3]。但在收获的时候，往往将胡萝卜叶当作饲料或弃之不用，造成极大的浪费。多酚是存在于植物叶、根、皮、壳和果肉中的一种多羟基酚类化合物的总称，其含量仅次于纤维素、半纤维素和木质素。多酚具有抗肿瘤、抗氧化、抗动脉硬化、防治冠心病与中风等心脑血管疾病以及抗菌等多种生理功能，在日常生活中得到了广泛的应用，已经引起了越来越多学者的重视[4,5]。

近些年来，超声提取法在提取天然植物有效成分中运用较广，具有提取温度低、提取时间短、提取率高等优点[6]。本研究以胡萝卜叶为原料，通过单因素试验，考察超声时间、乙醇浓度、液料比、超声温度等因素对多酚提取率的影响，并利用响应面分析法对胡萝卜叶多酚的提取工艺进行优化，以为充分开发利用胡萝卜叶资源提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器与试剂

KQ-100DE型数控超声波清洗器：江苏省昆山市超声仪器有限公司；UV-200型紫外-可见分光光度计：上海美普达仪器有限公司。

胡萝卜叶：采购于漳州市赤湖蔬菜基地，用蒸馏水将胡萝卜叶洗净并晾干，后于烘箱中烘干，粉碎过60目筛后备用。硫酸锂：分析纯，西陇化工股份有限公司；食用酒精：食品级，河南浩宇食品添加剂有限公司；钨酸钠：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；其他试剂均为市售分析纯。

1.2 试验方法

1.2.1 标准曲线的制作

分别加入不同体积(0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2mL)的100mg/L没食子酸标准溶液和0.5mL福林-酚试剂到10mL的容量瓶中，按福林-酚法进行测试，得到没食子酸质量浓度y与光密度x的线性回归方程为y= 0.083x+ 0.02733，R2= 0.9991。

1.2.2 胡萝卜叶多酚的提取及含量的测定

在100mL圆底烧瓶中加入1g的胡萝卜叶粉末，按工艺条件加入乙醇进行超声提取，结束后取出烧瓶静置冷却，移取上清液1mL，稀释一定倍数后备用。采用福林-酚法测定多酚含量，量取1mL经稀释倍数后的提取液于10mL容量瓶中，根据标准曲线测定方法于765nm处测定光密度值。根据标准曲线计算出多酚浓度，从而得到多酚物质的提取率。

式中：C为胡萝卜叶多酚质量浓度，mg/L；V为提取液体积，mL；N为稀释倍数；M为胡萝卜叶质量，g。

1.2.3 单因素试验方法

1)超声时间 称取胡萝卜叶粉末1g，加入35mL 70%的乙醇，在65℃下考察超声时间对多酚提取率的影响。

2)乙醇浓度 称取胡萝卜叶粉末1g，加入35mL不同浓度的乙醇溶液，在65℃下浸提40min，考察乙醇浓度对多酚提取率的影响。

3)液料比 称取胡萝卜叶粉末1g，加入不同体积浓度为70%的乙醇，在65℃下浸提40min，考察液料比对多酚提取率的影响。

4)超声温度 称取胡萝卜叶粉末1g，加入35mL 70%的乙醇，在不同超声温度下浸提40min，考察超声温度对多酚提取率的影响。

1.2.4 响应面试验设计

表1 因素与水平编码表

通过对单因素试验结果进行分析，选取超声时间、乙醇浓度、液料比和超声温度为试验因素，以多酚提取率为响应值，采用响应面分析法，并结合Box-Behnken设计原理设计4因素3水平试验，对胡萝卜叶多酚的提取工艺进行优化。因素与水平编码表详见表1。

2 结果与分析

2.1 超声时间对胡萝卜叶多酚提取率的影响

图1 不同超声时间下的多酚提取率

如图1所示，多酚提取率在超声时间为40min时达到最大，超过40min后，提取率反而降低。这是因为超声时间越长会使多酚的溶出更彻底，但超声时间过长时，由于超声的热效应，过长的超声时间会导致多酚中热敏感组分的降解[7]。因此，适宜的超声时间为40min。

2.2 乙醇浓度对胡萝卜叶多酚提取率的影响

如图2所示，多酚提取率在乙醇浓度为70%时达到最大，超过70%后，提取率反而降低。这是因为随着乙醇浓度逐渐增大，溶剂极性减弱，多酚与胡萝卜叶颗粒内物质间氢键及疏水作用力容易断裂，使得提取率较增大；而乙醇浓度过高时，胡萝卜叶颗粒中蛋白质等会加快溶出并与多酚物质产生溶出竞争[8]。因此，适宜的乙醇浓度为70%。

图2 不同乙醇浓度下的多酚提取率

图3 液料比对多酚提取率的影响

图4 不同超声温度下的多酚提取率

2.3 液料比对胡萝卜叶多酚提取率的影响

如图3所示，多酚提取率在液料比为35mL/g时达到最大，超过35mL/g后，提取率反而降低。这是因为液料比的增大增加了原料与溶剂之间的接触面积，使多酚能够较多地溶解出来；当液料比为35mL/g时，原料与溶剂充分结合，达到饱和，取得最大提取率。液料比不断增加过程中，由于液料比过大会造成杂质过多地溶出，导致多酚提取率的下降，同时考虑到降低溶剂原料和能耗等方面的因素[9]，因此适宜的液料比为35mL/g。

2.4 超声温度对胡萝卜叶多酚提取率的影响

如图4所示，多酚提取率在超声温度为65℃时达到最大，超过65℃后，提取率反而降低。这是因为超声温度的升高，增加了多酚的溶出速度，提取率随之增大；但超声温度过高，会破坏多酚物质结构，容易造成溶剂挥发损失及胡萝卜叶中其他成分的溶出，降低提取率[10]。因此，适宜的超声温度为65℃。

2.5 响应面试验

在单因素试验的基础上，采用超声时间、乙醇浓度、液料比和超声温度4因素3水平设计Box-Behnken试验，得出29组的试验方案，试验设计及结果如表2所示。

利用Design-Expert V8.0.6件对表2中的试验数据进行响应面回归分析，可得以胡萝卜叶多酚提取率为响应值的二次多项回归模型为：

Y=31.51+0.39A+0.63B+0.8C+0.44D+0.32AB-0.06AC-0.21AD+0.035BC+0.5BD+0.15CD-1.34A2-1.59B2-1.28C2-1.53D2

表2 响应面试验结果

2.5.1 响应面图分析

图5是在超声温度为65℃和液料比为35mL/g时，超声时间与乙醇浓度的二次交互作用对胡萝卜叶多酚提取率的影响。由图5可知，当超声时间一定时，胡萝卜叶多酚提取率随着乙醇浓度的变化呈现先增后减的趋势，超声时间的趋势亦是如此。在超声时间40min、乙醇浓度70%的条件下，胡萝卜叶多酚的提取率达到最大值。

表3 方差分析

注：*表示影响显著(P<0.05)；** 表示影响极显著(P<0.01) 。

图5 超声时间与乙醇浓度的交互作用

图6是在超声温度为65℃和乙醇浓度为70%时，超声时间和液料比的二次交互作用对胡萝卜叶多酚提取率的影响。由图6可知，当超声时间一定时，适当增加液料比可提高多酚提取率。当液料比超过35mL/g时，多酚提取率下降明显。液料比的变化曲线明显较陡，说明液料比对多酚提取率的影响比超声时间的影响更显著。

图6 超声时间与液料比的交互作用

图7是在液料比35mL/g和乙醇浓度为70%时，超声时间和超声温度的二次交互作用对胡萝卜叶多酚提取率的影响。由图7可知，超声时间固定时，为加快多酚的溶出，可以适当增加超声温度；当超声温度不变时，随着时间的延长，多酚提取率呈现先增后减的趋势。

图7 超声时间与超声温度的交互作用

图8是在超声时间35min和超声温度65℃的条件下，乙醇浓度和液料比的二次交互作用对胡萝卜叶多酚提取率的影响。由图8可知，乙醇浓度在65%～75%时、液料比在30～40mL/g时，胡萝卜叶多酚提取率呈现先升高后下降的趋势。

图8 乙醇浓度与液料比的交互作用

图9是在超声时间35min和液料比35mL/g时，乙醇浓度和超声温度的二次交互作用对胡萝卜叶多酚提取率的影响。由图9可知，当乙醇浓度固定时，适当提高超声温度可以加快多酚物质的溶出速度，但温度过高时，多酚提取率随之下降；当超声温度固定时，增加乙醇的浓度，多酚提取率呈现先升高后降低的趋势。响应面图较陡峭，表明乙醇浓度和超声温度的交互作用影响显著。

图9 超声温度与乙醇浓度的交互作用

图10所示为超声时间35min和乙醇浓度70%时，液料比和超声温度的二次交互作用对胡萝卜叶多酚提取率的影响。由图10可知，当液料比一定时，提高超声温度可以有效增强提取效果；当超声温度一定时，随着液料比的增加，多酚提取率逐渐增加，在液料比35 mL/g时达到最大值，之后再增大液料比，提取率逐渐下降。

图10 超声温度与液料比的交互作用

2.5.2 验证试验

对响应面方程进行分析，得到超声辅助提取胡萝卜叶多酚的最佳工艺条件为：超声时间40.77min、乙醇浓度71.23%、液料比36.61mL/g和超声温度65.94℃，此条件下多酚提取率预测值为31.79mg/g。考虑操作的方便性，选取超声时间41min、乙醇浓度71%、液料比37 mL/g和超声温度66 ℃为最佳工艺条件进行平行验证实验，测得胡萝卜叶多酚提取率为32.13mg/g，与理论预测值(31.79mg/g)相对误差为1.07%，说明利用响应面法所得的提取工艺参数可靠，可行性强。

3 结论

采用超声对胡萝卜叶中的多酚进行辅助提取，并对影响多酚提取率的各工艺进行了考察，用响应面法进行优化，建立了胡萝卜叶多酚提取率回归模型，优化得出提取胡萝卜叶多酚的最佳工艺条件为：超声时间41min、乙醇浓度72%、液料比37mL/g和超声温度66℃，在此条件下得到的多酚提取率为32.13mg/g，与理论预测值(31.79mg/g)相对误差为1.07%。