响应面优化花生壳中木犀草素超声提取工艺

崔建强,刘 荣

(陕西国际商贸学院 医药学院,陕西 西安 710246)

随着社会的不断发展进步，经济水平的提高，人们对生活的质量品质也提出了更高的要求[1]。木犀草素具有许多生理活性如抑菌性、抗氧化性，故可以用作食品的防腐，用于抑制油脂的腐败变质[2～6]。但由于木犀草素的生产量低，达不到工业所需的量产要求，故并未被应用于食品的防腐中去，从而有必要进一步对木犀草素的提取工艺进行研究。以花生壳为原材料提取木犀草素，不仅成本低廉，还可以提高花生壳的利用价值。因此，本课题利用响应面法就超声法提取花生壳中木犀草素进行研究，对影响木犀草素提取率的因素进行考察，确定超声提取法提取花生壳中木犀草素的最优提取工艺，为今后花生壳开发利用提供有效数据，并为今后实践提供借鉴。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

花生壳，市售；木犀草素标准品(纯度98%)，南京森贝伽生物科技有限公司；无水乙醇，陕西润泰化工科技有限公司；石油醚(沸程60-90)，陕西慈缘生物技术有限公司。

KQ2200DB型超声波清洗器，上海精密仪器仪表有限公司；SHZ-D(Ш)循环式多用真空泵，上海圣科仪器设备有限公司。FW-100D型高速万能粉碎机，天津泰斯特仪器有限公司。离心机TGL-15B,济南来宝实验室设备有限公司。

1.2 花生壳前处理

首先准备花生壳，进行简单挑选，确保没有霉变部分；用水进行冲洗，直到完全干净；将处理好的花生壳自然晾干，去除上面水分；准备粉碎机，将完全干燥的花生壳投入，充分粉碎。

1.3 木犀草素提取

在不同的乙醇浓度下，调节超声波参数，调节温度、时间和液固比，提取，过滤，将溶剂分滤出，对残余物质进行挤压，再次去除水分；沉淀，清除杂质，纯化后得到木犀草素成品，称取一定量木犀草素成品，并加入一定量的无水乙醇在超声波的条件下进行溶解，配成待测溶液，测定其吸光度，计算获得提取率。

1.4 木犀草素提取率测定

本文主要采用紫外分光光度法对木犀草素的提取率进行测定，制备单因素实验所得样品的供试品溶液。测定其吸光度，计算获得提取率R。

y=79.1x+0.031 (x：代表浓度 y：代表吸光度)

R=(d·C·V/1 000 M)×100% (d：代表稀释倍数 C：代表测得的木犀草素的浓度(mg·mL-1)V：代表样液体积(mL) M：代表花生壳样品的质量(g))

1.5 提取工艺优化

1.5.1 单因素实验 在乙醇用量为100 mL、分别考察乙醇浓度(50%、60%、70%、80%、90%)、液料比(10∶ 1 mL·g-1、15∶ 1 mL·g-1、20∶ 1 mL·g-1、25∶ 1 mL·g-1，30∶ 1 mL·g-1)、超声功率(120 W、140 W、160 W、180 W、200 W)、提取时间(20 min、30 min、40 min、50 min、60 min)对提取率的影响。

1.5.2 响应曲面法实验 响应曲面法实验设计是统计学的处理实验数据的方法。据上述实验结果，行三水平Box-Behnken实验，获最优提取工艺[7～10]。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

通过图1可知，随着超声时间(图1 d)的延长，木犀草素的提取率开始时缓慢上升，在40min后逐渐下降，但总体的波动情况不大。故超声时间对提取率波动较小。因此，考虑到高效、节能等因素，选择40min为最优超声时间，其它3个因素通过响应曲面法优化。

图1 单因素实验结果

2.2 响应曲面法实验结果

2.2.1 实验设计 根据单因素的试验结果，选取对木犀草素提取率影响最为明显的3个因素为乙醇的浓度、液料比、超声功率作为自变量，以木犀草素的提取率作为因变量，根据Box-Behnken实验原理，获取最优提取工艺，因素与水平见表1，响应曲面法优化见表2。

表1 实验因素与水平

表2 响应曲面实验结果

2.2.2 检验结果 通过Design-Expert8.0.6软件对实验所得数据进行多元回归拟合分析，可以得到木犀草素提取率对乙醇浓度(A)、液料比(B)、超声功率(C)的二次多元回归方程式：Y=0.42+5.000×10-3A+2.500×10-3B+0.020C-7.500×10-3AB-2.500×10-3AC-7.500×10-3BC-0.030A2-0.020B2-0.075C2,(R2=0.9950，P<0.0001)。通过采用ANOVA软件分析，结果如表3。

表3 方差分析

(注：“***”为P<0.0001，差异极显著；“**”为P<0.05，差异较显著；)

2.2.3 交互作用 乙醇的浓度、液料比和超声功率这三个实验参数两两交互作用对提取率作用结果分别见下面图2、图3、图4。

图2 A与B的响应面图和等高线

图2为 A与B对花生壳中木犀草素提取率响应曲面图。由三维图可知，液料比的坡面比乙醇浓度的坡面稍缓，说明液料比的二次项对提取率的影响小于乙醇浓度。由右图可以确定的最优条件范围为：乙醇浓度65%～75%，液料比为19:1-21:1(mL·g-1)。

图3 A与C的响应面图和等高线

由图3三维图可以看出，超声功率的坡面比乙醇浓度的坡面陡峭，说明超声功率的二次项对提取率有明显的影响，而乙醇浓度相对来说影响较小。由右图可以确定的最佳参数范围为：超声功率为156 W-172 W，乙浓度65%～75%。

图4 B与C的响应面图和等高线

由图4可以看出，液料比的坡面比超声功率的坡面缓，说明液料比的二次项对提取率的影响小于超声功率。由等高线图可以确定的最佳参数范围为：超声功率为156 W-172 W，液料比为19∶ 1-21∶ 1(mL·g-1)。由响应面得出的最佳的方案：乙醇浓度为70.74%、液料比20.12∶ 1(mL·g-1)、超声功率为162.62 W，在此方案下提取率为0.42%。

2.2.4 回归模型验证 为了检验该回归模型是否准确，将实验系数修正为乙醇浓度为70%、液料比20∶ 1 mL·g-1、超声功率为180 W。进行5次验证试验，木犀草素的提取率值为0.43%，与预测的值拟合，证明该模型设计的合理。

表4 验证实验

3 结论

本课题首先通过单因素的实验选取乙醇的浓度、液料比、超声功率三个因素。然后用响应面法对这三个因素进行了三因素三水平的实验设计，构造了关于木犀草素提取率的二次多项式回归方程的模型。运用该模型进行软件的分析和计算，获最优提取工艺为：乙醇浓度70%，液料比为20：1 mL·g-1，超声功率为180 W，时间为40 min。并进行了验证，结果与预测值相似。