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响应面法优化番木瓜叶总黄酮提取工艺

2020-06-04吕金慧马洁王府润于靖陈萍

南方农业学报 2020年4期
关键词:响应面法总黄酮叶片

吕金慧 马洁 王府润 于靖 陈萍

摘要:【目的】利用響应面法优化番木瓜叶总黄酮的超声波辅助提取工艺,为番木瓜叶中黄酮类成分提取及番木瓜叶综合开发利用提供技术支持。【方法】利用超声波提取番木瓜叶片总黄酮,采用氯化铝显色法测定总黄酮含量,选取乙醇体积分数(A)、料液比(B)、超声波时间(C)和超声波温度(D)为试验因素,总黄酮提取率(Y)为响应值,在单因素试验的基础上进行Box-Behnken中心组合试验设计,建立回归方程,优化总黄酮提取工艺。【结果】建立的回归方程:Y=4.54-0.11A+0.29B+0.023C-8.333×10-4D-0.18AB+0.19AC-0.068AD+0.23BC+0.017BD+0.18CD-1.13A2-0.72B2-0.44C2-0.61D2。4个因素对番木瓜叶总黄酮提取率的影响排序为料液比>乙醇体积分数>超声波时间>超声波温度,两因素间的交互作用以料液比与超声波时间的交互作用对总黄酮提取率影响最大,而料液比与超声波温度的交互作用影响最小。最佳提取工艺条件:乙醇体积分数79%、料液比1∶72(g/mL)、超声波时间42 min、超声波温度50 ℃,实际总黄酮提取率为4.15%,与理论预测值(4.18%)接近。【结论】采用响应面法优化超声波辅助提取番木瓜叶总黄酮的工艺条件稳定可行,可在生产实际中推广。

关键词: 番木瓜;叶片;总黄酮;超声波提取;响应面法

Abstract:【Objective】The response surface methodology(RSM) was used to optimize the ultrasonic-assisted extraction process of total flavonoids in papaya leaves,providing technical support for the extraction and separation of flavonoids in papaya leaves and the comprehensive development and utilization of papaya leaves. 【Method】Ultrasound-assisted extraction of total flavonoids from papaya leaves was carried out. The total flavonoids content was determined by AlCl3 chromogenic method.  The volume fraction of ethanol(A), the material-liquid ratio(B), ultrasonic time(C),and  ultrasonic temperature(D) were selected as different experimental factors. Based on the experiment of single factor,the combined experimental design of Box-Behnken center was carried out. Establishing regression equation to optimize the extraction process of total flavonoids. 【Result】Established regression equation:Y=4.54-0.11A+0.29B+0.023C-8.333×10-4D-0.18AB+0.19AC-0.068AD+0.23BC+0.017BD+0.18CD-1.13A2-0.72B2-0.44C2-0.61D2. The influence order of the four factors on yield of total flavonoids in papaya leaves was material-liquid ratio>ethanol volume fraction>ultrasonic time>ultrasonic temperature. The interaction between the material-liquid ratio and the ultrasonic time had the greatest effect on the extraction rate of total flavonoids, and the interaction between the material-liquid ratio and the ultrasonic temperature had the least effect. The optimal process conditions were:ethanol volume fraction 79%,solid-liquid ratio 1∶72(g/mL),ultrasonic time 42 min,and ultrasonic temperature 50 ℃. The actual verification value of the total flavonoid extraction rate was 4.15%,which was close to the theoretical prediction(4.18%). 【Conclusion】The response surface method is used to optimize the ultrasonic-assisted extraction of the total flavonoids in papaya leaves,which is stable and feasible,and can be popularized in production.

0 引言

【研究意义】番木瓜(Carica papaya L.)为番木瓜科番木瓜属植物,原产于中美洲地区(Liu et al.,2018),被称为“岭南果王”(周常清等,2014)。番木瓜含有丰富的营养成分,具有一定的药用和食用价值(Ikram et al.,2015),其乳液可治疗烫伤、溃疡等病症,提高人体免疫力和抗病原体(Saeed et al.,2014),其果实可制作泻药(de Oliveira and Vitória,2011)。番木瓜中富含的总黄酮具有很强的抗氧化、消炎和抑菌能力(肖健和谭恩灵,2012)。黄酮类物质是一种天然植物产生的次生代谢产物(Routray and Orsat,2012),有降低胆固醇、预防老年人高血壓和脑出血等功效(侯学敏等,2013)。番木瓜中的黄酮类化合物还具有抗肿瘤作用(Otsuki et al.,2010)。番木瓜叶片中富含黄酮类物质,因此,优化番木瓜叶中总黄酮的提取工艺,不仅能有效提取总黄酮成分,节约成本,还可更好地利用番木瓜植株叶片,减少环境污染。【前人研究进展】近年来,许多学者开始研究番木瓜中生物活性成分。李泽友等(2011)利用气相色谱法检测到番木瓜种子中的异硫氰酸苄酯含量最高;汪修意等(2013)综述了近几年来关于番木瓜中黄酮类物质的研究进展;汪修意(2014)研究发现番木瓜叶和果中均含有番木瓜碱,番木瓜叶中还含有去氢番木瓜碱Ⅰ、去氢番木瓜碱Ⅱ和伪番木瓜碱。对于番木瓜叶有效成分的提取和测定,Owoyele等(2008)研究发现番木瓜叶片的乙醇提取物具有抗炎作用;袁竹连(2013)以丙醇和乙醇为提取剂,提取并测定了番木瓜叶片的叶绿素含量;杜丽清等(2016)利用甲醇作提取剂,研究了番木瓜叶片中总酚的抗氧化活性;但鲜见提取番木瓜叶中总黄酮的研究报道。近年来,响应面法优化超声波辅助提取工艺被广泛应用于提取植物叶片总黄酮,如提取枸杞叶(韩爱芝等,2013)、蜡梅叶(徐萌等,2016)、华中枸骨叶(杜银香等,2019)、柿叶(袁秀平等,2019)的总黄酮。通过超声波破坏植物细胞壁,让溶剂进入细胞,酮类物质能充分扩散,从而提高提取效率(Patist and Bates,2008)。【本研究切入点】目前关于番木瓜总黄酮提取工艺的研究较少,利用响应面法(Khuri and Mukhopadhyay,2010)优化超声波辅助提取番木瓜叶总黄酮工艺的研究更是鲜见报道。【拟解决的关键问题】在单因素试验基础上,利用响应面法优化超声波辅助提取番木瓜叶总黄酮工艺,以期有效提取其总黄酮,为番木瓜叶片综合开发利用提供技术支持。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

番木瓜叶片采自海南大学热带农林学院实践基地,干燥、粉碎后密封备用。氢氧化钠、氯化铝、芦丁、乙醇和亚硝酸钠均为分析纯,购自广州化学试剂厂。主要仪器设备:新世纪紫外可见分光光度计(T6,北京普析通用仪器有限公司)、台式高速冷冻离心机(TGL-16S,四川蜀科仪器有限公司)、数显恒温水浴锅(HH-4A,金坛市精达仪器制造有限公司)、超声波清洗机(KQ5200E,昆山市超声仪器有限公司)。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 标准曲线绘制 参考赵熙等(2010)的方法,并进行一定优化。称取5 mg芦丁,用无水乙醇定容至50 mL,得到质量浓度为0.10 g/L的芦丁溶液,稀释成0.01、0.02、0.04、0.06、0.08和0.10 g/L。稀释后的不同质量浓度芦丁溶液均按顺序依次加入5%亚硝酸钠0.15 mL,放置6 min;10%氯化铝0.15 mL,放置6 min;4%氢氧化钠2 mL和蒸馏水5 mL,静置15 min;最后在510 nm波长处测吸光值。以标准芦丁溶液质量浓度为横坐标、吸光值为纵坐标绘制标准曲线。标准曲线方程:y=1.6867x+0.0058(R2=0.9973),线性关系良好(图1)。

1. 2. 2 番木瓜叶总黄酮提取 称取一定质量的番木瓜叶粉末,变换不同的反应条件进行提取。

1. 2. 3 番木瓜叶总黄酮测定 参考于靖(2015)的方法,稍作修改。使用1.2.2中提取的样品,吸取上清液1 mL,根据1.2.1的方法测定样品吸光值,计算总黄酮提取率。

1. 2. 4 单因素试验

1. 2. 4. 1 料液比对番木瓜叶总黄酮提取率的影响 称取0.1 g叶片粉末,超声波功率200 W,超声波处理1 h,离心20 min,吸取上清液,比较不同料液比[1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80、1∶100、1∶120和1∶140(g/mL,下同)]对番木瓜叶中总黄酮提取率的影响。

1. 2. 4. 2 乙醇体积分数对番木瓜叶总黄酮提取率的影响 根据1.2.4.1优化的结果,超声波处理1 h,离心20 min,设乙醇体积分数分别为40%、50%、60%、70%、80%和90%。

1. 2. 4. 3 超声波温度对番木瓜叶总黄酮提取率的影响 使用优化的料液比和乙醇体积分数,超声波处理1 h,设超声波温度分别为30、40、50、60和70 ℃。

1. 2. 4. 4 超声波时间对番木瓜叶总黄酮提取率的影响 使用优化后的料液比、乙醇体积分数和超声波温度,设超声波时间分别为20、40、60、80、100和120 min。

1. 2. 5 响应面试验设计 根据单因素试验结果确定各因素的水平范围,以番木瓜叶总黄酮提取率(Y)为响应值,利用Design-Expert 8.0.6进行Box-Behnken试验设计(傅予等,2017)。Box-Behnken相应试验的设计因子和编码值见表1。

1. 3 统计分析

利用Design-Expert 8.0.6进行Box-Behnken试验设计及数据分析,同时利用Excel 2017进行数据整理和绘制图表。

2 结果与分析

2. 1 单因素试验结果

2. 1. 1 料液比对番木瓜叶总黄酮提取率的影响 由图2可知,料液比在1∶20~1∶70范围内,提取溶剂体积不断增大,番木瓜叶总黄酮提取率逐渐升高,当料液比为1∶70时,总黄酮提取率达最大值(1.23%);之后提取溶剂体积继续增大,料液比继续减小,总黄酮提取率反而降低。综合节约原料成本和总黄酮物质提取效率两方面考虑,选择料液比1∶70为宜。

2. 1. 2 乙醇体积分数对番木瓜叶总黄酮提取率的影响 从图3可看出,在一定范围内,番木瓜叶总黄酮提取率随乙醇体积分数的增加而逐渐升高,乙醇体积分数为80%时总黄酮提取率达最大值(3.09%)。这可能是因为相似相溶,即溶出度最大出现在极性相似时,乙醇体积分数为80%时乙醇和番木瓜叶片有相似的极性;随着乙醇体积分数的继续增大,总黄酮提取率有所降低。

2. 1. 3 超声波温度对番木瓜叶总黄酮提取率的影响 从图4可看出,提取开始阶段番木瓜叶总黄酮提取率随着超声波温度的升高而增大,温度为50 ℃时,总黄酮提取率最高(2.98%);温度继续升高,提取率反而降低,可能是温度过高会造成黄酮类物质部分降解,故选择50 ℃为最佳超声波温度。

2. 1. 4 超声波时间对番木瓜叶总黄酮提取率的影响 由图5可知,提取开始时,番木瓜叶总黄酮提取率随超声波时间的延长不断提高,在40 min达最大值(3.06%);之后随着超声波时间的继续延长,总黄酮提取率逐渐降低。这是因为过长时间的超声波处理使得溶液温度逐渐上升,影响了黄酮类物质的相对稳定性,导致提取率降低(吴现芳等,2013) 。因此,选择40 min为最佳超声波时间。

2. 2 响应面试验结果

2. 2. 1 回归方程建立及方差分析结果 Box-Behn-ken相应试验的编排组合和结果见表2。通过Design-Expert 8.0.6对表2数据进行方差分析,所得结果如表3所示。番木瓜叶总黄酮提取率(Y)为响应值,利用回归拟合后,得到回归方程:Y=4.54-0.11A+0.29B+0.023C-8.333×10-4D-0.18AB+0.19AC-0.068AD+0.23BC+0.017BD+0.18CD-1.13A2-0.72B2-0.44C2-0.61D2。

由方差分析结果(表3)可知,建立的回归模型P=0.0004<0.01(极显著),表明本研究方法可靠,对4因素4水平的模拟可行;失拟项检验的P=0.0848>0.05(不显著),表明未知因素对试验的相关结果影响较小;响应面的决定系数R2=0.8940,表明模型与试验数据间结合较好,可使用该模型进行番木瓜叶总黄酮提取率的预测(Sin et al.,2006;邹建国等,2012),可利用此回归方程确定番木瓜叶总黄酮提取的最优工艺。

由表3可看出,一次项B表现为显著(P<0.05,下同),其余一次项不显著(P>0.05,下同),说明料液比对番木瓜叶中总黄酮提取率的影响较大;二次项A2、B2、C2和D2的P均小于0.01,表现为极显著,说明对总黄酮提取率有较大影响;交互项均表现为不显著,说明不同因素间的交互作用对番木瓜叶总黄酮提取率的影响较小。4个因素对总黄酮提取率的影响作用排序为料液比(B)>乙醇体积分数(A)>超声波时间(C)>超声波温度(D),交互作用的影响排序为BC>AC>AB=CD>AD>BD。

2. 2. 2 交互作用分析结果 响应曲面图可详细且形象地描述各因素间的相互作用(Jang et al.,2017) ,响应曲面坡度越大,说明响应值变化对于改变不同的操作条件越灵敏;曲面坡度越小,说明改变操作条件对响应值的影响越小(刘奉强等,2011)。等高线图呈圆形,表明不同因素的交互作用影响越小;等高线呈椭圆形,表明不同因素的交互作用影响越大(高丹丹等,2015)。图6~图11反映出不同因素交互作用对响应值的变化情况,其中图9的曲面陡峭,料液比和超声波时间均为先增后减的变化趋势,且等高线图呈现较大的椭圆形,表明料液比与超声波时间的交互作用对番木瓜叶总黄酮提取率有明显影响;其次是图7中超声波时间和乙醇体积分数所构成的响应曲面也较陡峭,等高线呈较小的椭圆形,表明超声波时间与乙醇体积分数对总黄酮提取率有一定的交互作用。其余图中的两两交互作用均不明显,表现为曲面较平缓,等高线基本为圆形,与表3的方差分析结果吻合。

2. 3 总黄酮提取的验证优化试验结果

使用Design-Expert 8.0.6计算回归方程,保证超声波功率200 W,每次提取0.1 g叶片粉末,3次重复的试验因素不变,发现超声波辅助提取番木瓜叶总黄酮的最优条件为:乙醇体积分数79.40%、料液比1∶72.21、超声波时间41.50 min、超声波温度50.17 ℃,预测得到的总黄酮提取率为4.18%。因实际条件具有一定的局限性,对最优条件进行修正:乙醇体积分数79%、料液比1∶72、超声波时间42 min、超声波温度50 ℃。3次平行试验总黄酮提取率的平均值为4.15%,与模型预测值相近,說明试验结果与模型拟合良好,通过响应面分析法优化超声波辅助提取工艺可行。

3 讨论

本研究选用对总黄酮提取效率影响较大的4个因素(乙醇体积分数、料液比、超声波时间和超声波温度)作为考察对象,通过单因素和响应面试验对超声波辅助提取番木瓜叶总黄酮的工艺条件进行优化。在料液比单因素试验中,可能是因为随着提取溶剂的增多,溶剂与番木瓜叶粉间的浓度差增大,传质速率得到提高;之后,料液比继续减小,但总黄酮提取率下降,可能是因为溶质体积增大,番木瓜叶中含有的非黄酮类物质溶解度也在增加,而影响总黄酮提取率,总黄酮提取率随料液比的变化趋势与周向军等(2011)提取黄花菜中总黄酮、王波等(2018)提取马齿苋中黄酮的结果一致。在乙醇体积分数单因素试验中,随着乙醇体积分数的增大,总黄酮提取率先升后降,乙醇体积分数与总黄酮的极性相近,乙醇体积分数升高有利于总黄酮溶出;随后提取率下降可能是由于乙醇体积分数过高会导致某些非酮类物质、色素等其他成分溶解出来,与朱珠和冷进松(2010)提取仙人掌黄酮、高丹丹等(2015)提取薄荷全草中总黄酮的研究结果一致。在超声波温度单因素试验中,番木瓜叶总黄酮提取率呈先升高后降低的变化趋势,是因为在一定范围内,温度升高加快了分子扩散运动速度,达到提高总黄酮提取率的目的,但过高的温度导致其化学结构受到破坏,降低提取率,与韩爱芝等(2013)提取黑果枸杞叶片总黄酮的研究结果一致。此外,本研究使用超声波时会导致试验过程中温度的变化,需时刻观察、控制温度。

利用超声波辅助提取番木瓜叶中的总黄酮,操作简易,具有一定的生产应用前景。在单因素试验的基础上使用Box-Behnken中心组合实验设计,得出结果后利用Design-Expert 8.0.6对数据进行分析拟合并建立相应的数学模型,回归分析结果表明料液比对番木瓜叶总黄酮提取率的影响显著,料液比与超声波时间的交互作用对番木瓜叶总黄酮提取率有较大影响。利用响应面法不仅能分析各因素间交互作用对响应值的影响,还可优化番木瓜叶总黄酮提取工艺,预测出最优值,减少不必要的浪费。为更深入地了解番木瓜总黄酮效用,下一步将对提取出的总黄酮作用效果和化学成分等方面进行研究。

4 结论

本研究采用响应面法对超声波辅助提取番木瓜叶总黄酮的工艺进行优化,得到最佳工艺条件为:乙醇体积分数79%、料液比1∶72、超声波时间42 min、超声波温度50 ℃,实际总黄酮提取率(4.15%)与理论预测值(4.18%)接近。试验精确度较高,同时操作简单,且经济,可用于番木瓜叶总黄酮提取。

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(責任编辑 罗 丽)

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