星点设计-效应面法优化麦冬山楂甘草共提工艺

张萌，张晓丹，凌晓冬，戴一朋，曹晖*

扬州大学旅游烹饪学院（扬州 225127）

麦冬、山楂、甘草均为药食同源原料，也是日常生活中比较常见的原料，其食用历史悠久。麦冬具备止咳润肺、生津养胃的作用；甘草可调和益气；山楂能促进食欲，健脾开胃[1]。三者合用可达到补脾益气、增强体魄的效果。

3种原料的传统共提方法有煎煮法、浸渍法、渗漉法、回流提取法、连续回流提取法等。其中煎煮法是运用最广泛的一种方法，但是水提液中除了有效成分外还包括很多无效成分或杂质，会影响原料功效的发挥。最常见的除杂方法就是醇沉法，水提醇沉法是指在原料水提浓缩液中，加乙醇到适当体积分数，使难溶于乙醇的杂质沉淀析出，采用固液分离法达到精制目的的方法[2]。该法具有使用方便，操作简单，提取液较为澄清，有效成分损失较少等优点。

星点设计-效应面法将数学与统计学知识结合，是近年来新兴的一种试验设计方法，用总评“归一值”作为评价指标，优化提取工艺，以求达到最佳的功效，为工业化生产提供理论依据[3]。相对于常用的正交试验法和均匀设计试验法，星点设计-效应面法在提取优化研究方面具有显著的优势，不仅可以减少试验的次数，而且能够进行适宜的非线性拟合，能够比较多种影响因素和水平，考察这些条件对试验结果的影响，具有所得信息量较大、效率高、精度高、数据直观等特点，已经被广泛应用于工艺优化[4]。探讨麦冬、山楂、甘草三者共提优化工艺，以期为后续固体饮料制作提供依据。

1 材料与方法

1.1 主要仪器与设备

旋转蒸发仪（上海亚荣生化仪器厂）；HH-8数显恒温水浴锅（国华电器有限公司）；紫外分光光度计（上海棱光技术有限公司）；台式高速离心机（北京时代北利离心机有限公司）。

1.2 原料及试剂

甘草、山楂、麦冬（安徽华鼎堂中药饮片科技有限公司）；鲁斯可皂苷元标准品（上海源叶生物科技有限公司）；高氯酸、正丁醇等比色用试剂（国产分析纯）。

1.3 试验方法

1.3.1 提取液的制备[5]

麦冬、山楂、甘草加水浸泡→煎煮→过滤→合并滤液→浓缩→加乙醇→搅拌后室温下静置30 min→4 ℃冰箱中静置1 120 min→析出沉淀→过滤，取滤液

1.3.2 单因素试验方法

以麦冬、山楂、甘草共提液中总酸含量、鲁斯可皂苷元含量、出膏率为试验指标，分析浸泡时间（30～150 min）、煎煮次数（1～3次）、煎煮时间（30～150 min）、加水倍量（4～12）4个因素对共提液上述指标的影响。固定参数为：浸泡30 min，煎煮2次，加水倍量10倍。

1.3.3 星点设计-效应面法试验方法[6]

在单因素试验基础上，确定煎煮时间和加水倍量为考察因素，以出膏率、总酸含量、鲁斯可皂苷元含量三者总评“归一值”作评价指标，做二因素五水平的星点设计，试验设计见表1。

表1 麦冬山楂甘草共提工艺星点试验因素水平

1.3.4 指标测定

1.3.4.1 鲁斯可皂苷元含量测定

1.3.4.1.1 标准曲线的制备

吸取0.5，1.0，2.0，3.0，4.0和5.0 mL鲁斯可皂苷元标准溶液对照品溶液（50 μg/mL鲁斯可皂苷元标准溶液，甲醇为溶剂）于50 mL具塞试管中，在40 ℃恒温水浴锅中挥干溶剂。挥干后，加入10 mL高氯酸充分摇匀，置于60 ℃恒温水浴锅中保温15 min，取出，冰水浴冷却，以相应试剂为空白对照，在397 nm波长处测定吸光度[7]。以鲁斯可皂苷元浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，制得标准曲线Y=0.103 8X-0.079 9，R2=0.999 3。

1.3.4.1.2 样品溶液的制备[7]

取10 mL 1.3.1中提取液→用10 mL水饱和正丁醇萃取振摇（重复5次）→合并上层正丁醇液→取10 mL正丁醇液→用5 mL 40%氨试液萃取（2次）→静置分层，弃去下层氨液→合并上层样液→在75 ℃恒温水浴锅中蒸发挥干正丁醇液→80%甲醇溶解残渣并定容至25 mL容量瓶，即得样品溶液

1.3.4.1.3 样品中鲁斯可皂苷元含量测定

吸取2 mL样品溶液于50 mL具塞试管中，参照标准曲线的制备的方法，从“在40 ℃恒温水浴锅中挥干溶剂”步骤起，依法测定吸光度，从标准曲线上读出样品溶液中鲁斯可皂苷元的质量，根据吸光度计算含量[8]。

鲁斯可皂苷元含量=C1×D/W×100% （1）式中：C1为样品中鲁斯可皂苷元含量，mg；D为样品溶液的稀释倍数；W为原料总质量，mg。

1.3.4.2 样品中总酸含量测定[7]

取1.3.1中提取液，精密吸取1 mL，加蒸馏水定容至100 mL，加4～5滴酚酞指示液，用0.1 mol/L NaOH溶液滴定，溶液颜色稍显微红，即为滴定终点。

式中：V为氢氧化钠滴定液量，mL；K为6.404 g/mL（即每毫升中0.1 mol/L氢氧化钠滴定液相当于主要酸即枸橼酸的克数[7]；D为样品溶液的稀释倍数；W为样品总质量，g。

1.3.4.3 样品出膏率的测定[9]

将提取液定容，然后精确吸取50 mL置于干燥且已恒质量的蒸发皿中，95 ℃水浴蒸干溶剂后放入烘箱，105 ℃干燥至恒质量，计算出膏率。

式中：M1为原料质量，g；M2为干膏质量，g；V1为提取液体积，mL；V2为取样体积，mL。

2 结果与分析

2.1 煎煮次数对麦冬山楂甘草共提的影响

在参考文献基础上，为了节省时间和成本，选3个水平进行试验。结果表明，煎煮次数对各个指标的影响较小，煎煮2次时，各个指标较佳。综合考虑，确定煎煮次数2次。

图1 煎煮次数对麦冬山楂甘草共提的影响

2.2 浸泡时间对麦冬山楂甘草共提的影响

结果表明，出膏率、总酸含量和鲁斯可皂苷元含量随浸泡时间延长，增长较为平缓，并无较大变化。综合考虑，确定浸泡时间30 min。

图2 浸泡时间对麦冬山楂甘草共提的影响

2.3 煎煮时间对麦冬山楂甘草共提的影响

结果表明，煎煮时间在30～150 min之间，出膏率、总酸含量和鲁斯可皂苷元的含量存在上升趋势，因此以煎煮时间30～150 min为范围进行考察。

图3 煎煮时间对麦冬山楂甘草共提的影响

2.4 加水倍数对麦冬山楂甘草共提的影响

浸泡时间30 min，煎煮时间120 min，煎煮2次，结果表明，加水倍量在此范围之内出膏率和鲁斯可皂苷元含量存在较明显上升趋势，但是加水倍量4倍时，得到的滤液较少，因此以加水倍量6～12倍为考察范围。

图4 加水倍量对麦冬山楂甘草共提的影响

2.5 星点设计-效应面法试验结果

按照二因素五水平设计试验，以出膏率、总酸含量、鲁斯可皂苷元含量三者总评归一值作评价指标，结果如表2所示。

表2 3种中药共提工艺星点设计试验及结果

2.6 模型拟合

根据试验结果，应用Design Expert 8.0.5软件对数据进行多元回归拟合分析，得到OD值与各因素变量的二项式拟合得回归方程：Y=0.85+0.03A+0.02B+0.05AB-0.12A2-0.11B2（R2=0.978，p＜0.01）。响应面见图5。方差分析结果显示模型具有高度的显著性（p＜0.001），失拟项不显著（p＞0.05）以及R2=0.978，说明方程拟合度和可信度均良好，试验误差小，故可用此模型对三者共提工艺进行预测和分析[10]。对该模型进行方差分析，结果见表3。

表3 回归模型方差分析结果

图5 麦冬、山楂、甘草共提工艺中各因素对OD值影响的响应面图和等高线

2.7 效应面优化和验证

根据自变量较优预测范围，较佳工艺条件为：加水倍数9倍，煎煮时间95 min。为了验证此工艺条件的适用性和可行性，根据所得的工艺条件在加水倍量、提取时间最优的水平上重复试验3次进行验证，得到的出膏率、鲁斯可皂苷元含量、总酸含量的总评归一值，并与拟合方程预测的OD最大值进行比较，结果见表4。实测值与预测值十分接近，该模型预测性较好。工艺条件所得出膏率、总酸含量和鲁斯可皂苷元含量稳定，验证该工艺可行。从工艺的简易程度、资源利用率和耗时耗能方面考虑，试验得到的最优工艺具有一定优势。

表4 工艺验证结果

3 结论与讨论

试验以麦冬、山楂、甘草为原料，采用水提醇沉法进行提取，以单因素试验为基础结合星点设计-效应面法进行工艺优化。通过分析加水倍量、煎煮时间这2个因素对麦冬山楂甘草共提液出膏率、总酸含量和鲁斯可皂苷元含量的影响，确定较优提取工艺：加水倍量9倍，煎煮时间95 min。鲁斯可皂苷元含量为2.11 mg/g，总酸含量为29.9 mg/g，出膏率为20.01%。

优化的提取工艺简单可行，预测性良好，可为后续固体饮料制作提供依据，也为3种原料后续保藏提供一种可行方法。此方法能提高原料的利用率，增加其附加值。固体饮料的潜在市场广阔，发展形势很好，所以此次试验具有很大意义，可以在这方面深入研究。

通过研究试验数据，可以得出提取条件不同会影响提取率，但是在实际生产中，提取率还会受到其他因素的影响，比如原料的质量、实际操作的影响等。因此，要想得到最优结果，必须要在各个环节进行把控，最大程度保证条件相似。