響應(yīng)曲面法優(yōu)化超聲波提取紅緣擬層孔菌總?cè)乒に?/h1>

2010-03-22 03:39:55陳先暉鞠秀云蔣繼宏

食品科學(xué)訂閱 2010年20期 收藏

關(guān)鍵詞：孔菌三萜液料

陳先暉，袁 博，鞠秀云，蔣繼宏*

(徐州師范大學(xué) 江蘇省藥用植物生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

響應(yīng)曲面法優(yōu)化超聲波提取紅緣擬層孔菌總?cè)乒に?/p>

陳先暉，袁 博，鞠秀云，蔣繼宏*

(徐州師范大學(xué) 江蘇省藥用植物生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

采用響應(yīng)面法對(duì)超聲提取紅緣擬層孔菌總?cè)频墓に囘M(jìn)行優(yōu)化，在對(duì)溫度、液料比、超聲時(shí)間和超聲功率單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，根據(jù)中心組合設(shè)計(jì)原理采用四因素三水平的響應(yīng)曲面分析法，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)各因素顯著性和交互性的作用分析，得到了超聲提取紅緣擬層孔菌總?cè)频淖罴压に嚄l件為提取溶劑95%乙醇、提取溫度70℃、液料比26:1(mL/g)、超聲時(shí)間39min、超聲功率450W，此時(shí)總?cè)频膶?shí)際提取率為9.79%。

紅緣擬層孔菌；響應(yīng)曲面；超聲波提??；總?cè)?/p>

紅緣擬層孔菌(Fomitopsis pinicola (Swartz.: Fr.) Karst.)屬擔(dān)子菌綱，多孔菌目，生于松、云杉、鐵杉及落葉松立木和腐木上。偶爾生闊葉樹(shù)上，為木材褐色腐朽菌，在北半球林區(qū)是一種最顯著、廣泛分布而又極待開(kāi)發(fā)的野生資源[1-2]。該菌具祛風(fēng)除濕之功效，民間用來(lái)治療風(fēng)寒濕痹，關(guān)節(jié)疼痛等疾病[3]現(xiàn)已有保健品在市場(chǎng)上銷(xiāo)售。研究表明其具降血糖、降血脂、抗氧化、抗炎及抗腫瘤等作用[4-8]。紅緣擬層孔菌子實(shí)體化學(xué)成分主要包括多糖、倍半萜、麥角甾醇類(lèi)衍生物、pinicolic acid等羊毛甾烷類(lèi)三萜化合物以及三萜皂苷[7-11]。其中至少有5種三萜類(lèi)化合物具有抑菌作用[11]，有3種三萜類(lèi)化合物具有選擇性抑制COX-2的活性[8]?？梢?jiàn)三萜類(lèi)化合物是紅緣擬層孔菌的主要活性成分之一，其含量的多少也會(huì)影響到紅緣擬層孔菌的藥用價(jià)值。到目前為止，盡管已有關(guān)于紅緣擬層孔菌三萜成分分離純化、鑒定及其生物活性的文獻(xiàn)，但對(duì)紅緣擬層孔菌總?cè)频奶崛」に囇芯窟€未見(jiàn)報(bào)道。

超聲技術(shù)是利用超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)、空化作用和粉碎作用，可以有效地將植物中的活性成分提取到溶劑中[12]。該法簡(jiǎn)單、提取效率高、副產(chǎn)物少，能達(dá)到比常規(guī)提取更理想的效果，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于植物等的活性成分提取。

響應(yīng)曲面法(response surface methodology，RSM)通過(guò)數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、建立模型、評(píng)估試驗(yàn)因素效果并尋求最優(yōu)化工藝參數(shù)，是一種優(yōu)化反應(yīng)條件和加工工藝參數(shù)的有效方法[13]，通過(guò)對(duì)函數(shù)響應(yīng)面和等高線的分析，能夠精確的研究各因子與響應(yīng)值的關(guān)系，從而減少單一的數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的誤差[14]。運(yùn)用響應(yīng)面法可以以最經(jīng)濟(jì)的方式對(duì)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行全面的分析和研究。本研究在前期單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用RSM進(jìn)一步綜合分析比較影響超聲波提取紅緣擬層孔菌總?cè)频年P(guān)鍵因素，確定最佳提取條件，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用紅緣擬層孔菌中三萜類(lèi)活性物質(zhì)提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

紅緣擬層孔菌子實(shí)體 徐州師范大學(xué)藥用植物生物技術(shù)江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

熊果酸對(duì)照品 中國(guó)藥品生物制品檢定所；乙醇、冰乙酸、乙酸乙酯、高氯酸、香草醛均為分析純。

SpectraMax M2 酶標(biāo)儀 Molecular Devices公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海申生科技有限公司；KQ-500型高頻數(shù)控超聲波清洗器(80kHz，500W) 昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品的提取

紅緣擬層孔菌干燥子實(shí)體5g，經(jīng)粉碎混勻后，置于圓底燒瓶中，乙醇作為提取溶劑，按一定溫度、液料比、浸提時(shí)間和超聲功率進(jìn)行超聲提取，抽濾后取濾液檢測(cè)三萜含量。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

采用分光光度法檢測(cè)三萜含量[15]。精確稱(chēng)取熊果酸標(biāo)準(zhǔn)品5.0mg，溶于50.0mL乙酸乙酯，混合均勻得標(biāo)準(zhǔn)溶液(100μg/mL)。吸取標(biāo)準(zhǔn)溶液0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00mL，分別置于具塞試管中，加熱揮去溶劑，然后加入0.20mL新配制的5%香草醛-冰乙酸溶液和1.2mL高氯酸，在70℃恒溫水浴中加熱15min后冷卻至室溫，并加入乙酸乙酯至總體積為5.0mL，搖勻后置于室溫，15min后在550nm處測(cè)定其吸光度。以熊果酸質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。標(biāo)準(zhǔn)曲線線性回歸方程為：

A=0.0041C－0.0189，R2=0.9990

式中：A為吸光度；C為熊果酸溶液質(zhì)量濃度/ (μg/mL)。結(jié)果表明，熊果酸在10～100μg/mL范圍內(nèi)與吸光度線性關(guān)系良好。

1.2.3 單因素試驗(yàn)

以95%乙醇提取液、溫度70℃、液料比20:1(mL/g)、超聲時(shí)間30min和超聲功率500W為基本條件，在其他條件不變的情況下，分別選取乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取溫度、液料比、超聲時(shí)間和超聲功率做單因素試驗(yàn)，按照1.2.1節(jié)方法提取，并計(jì)算提取率。

式中：m1為提取液中三萜化合物總量/g；m2為紅緣擬層孔菌樣品稱(chēng)樣量/g。

1.2.4 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)沒(méi)計(jì)

綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用響應(yīng)面法建立數(shù)學(xué)模型對(duì)紅緣擬層孔菌總?cè)瞥曁崛」に囘M(jìn)行優(yōu)化，分別用X1、X2、X3、X4表示提取溫度、液料比、超聲時(shí)間和超聲功率。利用Box-Benhnken中心組合設(shè)計(jì)(CCD)原理設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平表Table1 Factors and levels in the response surface design

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

從圖1可以看出，5種單因素變量對(duì)紅緣擬層孔菌子實(shí)體總?cè)频奶崛÷识加休^大影響。由圖1(a)可知，95%乙醇提取率最高，無(wú)水乙醇提取率反而有所下降，可能是95%乙醇更有利于三萜皂苷的提取，因此，后繼試驗(yàn)均使用95%乙醇作為提取溶劑。

由圖1(b)可知，隨著提取溫度的不斷升高，三萜提取率亦隨之增加，70℃時(shí)三萜提取率最高，但在80℃時(shí)反而明顯下降，其原因可能是由于80℃下雜質(zhì)溶出較多并對(duì)三萜的提取產(chǎn)生影響，也可能是由于溶劑散失較多從而導(dǎo)致提取率下降。

由圖1(c)可知，當(dāng)所加溶劑用量為5倍量時(shí)，溶劑未能將材料充分覆蓋，故提取率很低；當(dāng)所加溶劑用量增至20、30、40倍量時(shí)，提取率較高且相近?？紤]到液料比太高對(duì)后續(xù)的濃縮以及純化工作帶來(lái)不便，因此，本實(shí)驗(yàn)采用20:1為合適的液料比。

由圖1(d)可知，提取率隨超聲時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，但超聲時(shí)間分別為30、40、50min時(shí)，提取率增長(zhǎng)并不大?？紤]到時(shí)間成本，故選擇超聲時(shí)間為30min。

從圖1(e)可知，隨著超聲功率的提高，提取率也隨之增大，但在500W左右變化不大。這是由于增大超聲功率強(qiáng)化傳質(zhì)同時(shí)使細(xì)胞的破碎程度增加，從而有利于三萜類(lèi)化合物的提取。

圖1 各因素對(duì)紅緣擬層孔菌總?cè)铺崛÷实挠绊慒ig.1 Results of single factor investigations on the effects of temperature, material/liquid ratio, ultrasonic treatment time and ultrasonic power on the yield of total triterpenoids

2.2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果及方差分析

響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，模型方差分析結(jié)果見(jiàn)表3，當(dāng)P＜0.05時(shí)，即表示該項(xiàng)指標(biāo)顯著。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果Table2 Arrangement and results of the four-variable/three-level response surface central composite design

表3 回歸模型方差分析表Table3 Variance analysis of the developed regression equation

結(jié)果表明，對(duì)總?cè)铺崛÷仕⒌亩味囗?xiàng)模型具有高度顯著性(P＜0.0001)。失擬項(xiàng)P=0.0951，不顯著；模型的調(diào)整確定系數(shù)R2=0.8564，說(shuō)明該模型能解釋85.64%響應(yīng)值的變化，由圖2可知，殘差點(diǎn)幾乎分布在同一條直線上。因而該模型擬合程度較好，試驗(yàn)誤差小，可以用此模型對(duì)超聲波提取紅緣擬層孔菌總?cè)七M(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

圖2 總?cè)铺崛÷实臍埐罘植紙DFig.2 Distribution of internally studentized residuals of the yield of total triterpenoids

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table4 Significance test for the regression coefficients of the developed regression equation

模型方程回歸系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)表4，結(jié)果表明一次項(xiàng)和二次項(xiàng)都有顯著性因素，各試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因素間的交互作用影響較小。由此推斷，可以利用該回歸方程來(lái)確定紅緣擬層孔菌子實(shí)體總?cè)谱罴烟崛」に嚄l件。

2.2.2 擬合模型的建立

進(jìn)行響應(yīng)面分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，以提取率為因變量(Y)，建立回歸方程，因素代碼形式如下：

通過(guò)表1下方公式換算為因素實(shí)際值形式：

2.2.3 響應(yīng)面分析

圖3 提取溫度和液料比對(duì)紅緣擬層孔菌總?cè)铺崛÷视绊懙捻憫?yīng)曲面和等高線Fig.3 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction temperature and material/liquid ratio on the yield of total triterpenoids

圖4 液料比和超聲時(shí)間對(duì)紅緣擬層孔菌總?cè)铺崛÷视绊懙捻憫?yīng)曲面和等高線Fig.4 Response surface and contour plots showing the interactive effects of ultrasonic treatment time and material/liquid ratio on the yield of total triterpenoids

圖5 提取溫度和超聲功率對(duì)紅緣擬層孔菌總?cè)铺崛÷视绊懙捻憫?yīng)曲面和等高線Fig.5 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction temperature and ultrasonic power on the yield of total triterpenoids

通過(guò)模型方程所作的響應(yīng)曲面圖及其等高線，結(jié)果見(jiàn)圖3～5，可以看出液料比、超聲功率對(duì)紅緣擬層孔菌總?cè)铺崛÷实挠绊懽铒@著，其次是提取溫度，這與方差分析的結(jié)果一致。通過(guò)Design Expert分析得到模型最佳數(shù)據(jù)為溫度70℃、液料比26.24:1、超聲時(shí)間38.57min、超聲功率468.95W、模型預(yù)測(cè)總?cè)铺崛÷蕿?.815%。為檢驗(yàn)上述方法的可靠性，采用得到的最佳條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，同時(shí)考慮到實(shí)際操作情況，將最佳提取條件修正為提取溫度70℃、液料比26:1、超聲時(shí)間39min、超聲功率450W，3次平行試驗(yàn)的平均提取率為9.79%，與理論值相差0.25%。因此采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化得到的超聲波提取條件參數(shù)基本準(zhǔn)確可靠，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立可信的各因素和響應(yīng)值的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用響應(yīng)曲面法對(duì)超聲波提取紅緣擬層孔菌總?cè)乒に囘M(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)模型分析，得到的優(yōu)化條件為提取溶劑95%乙醇，提取溫度70℃，液料比為26:1(mL/g)，超聲時(shí)間39min，超聲功率450W，此時(shí)紅緣擬層孔菌總?cè)频奶崛÷蕿?.79%。通過(guò)回歸分析和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明了該響應(yīng)面法的合理性和可行性，為紅緣擬層孔菌的開(kāi)發(fā)利用提供參考。

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Using Response Surface Methodology to Optimize the Ultrasonic-aided Extraction of Total Triterpenoids from Fruit Bodies of Fomitopsis pinicola (Swartz.: Fr.) Karst.

CHEN Xian-hui，YUAN Bo，JU Xiu-yun，JIANG Ji-hong*
(Key Laboratory of Biotechnology for Medicinal Plant, Xuzhou Normal University, Xuzhou 221116, China)

For the optimization of the ultrasonic-aided extraction of total triterpenoids from the fruit bodies of Fomitopsis pinicola (Swartz.: Fr.) Karst., a series of single factor experiments were carried out to explore the effects of temperature, material/ liquid ratio, ultrasonic treatment time and ultrasonic power on the yield of total triterpenoids and four-variable, three-level response surface methodology based on the principle of central composite design was employed to analyze the significance and interactions of the above four factors affecting the yield of total triterpenoids by mathematical modeling. The optimal extraction conditions were determined as follows: extraction solvent, 95% ethanol; extraction temperature, 70 ℃; material/liquid ratio, 26:1; ultrasonic treatment time, 39 min; and ultrasonic power, 450 W. The actual yield of otal triterpenoids was 9.79% under such conditions.

Fomitopsis pinicola；response surface methodology；ultrasonic-aided extraction；total triterpenoids

R284.2

A

1002-6630(2010)20-0006-05

2009-12-31

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA021506)；江蘇省高校自然科學(xué)重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(08KJA350001)

陳先暉(1973—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗幱弥参锷锛夹g(shù)。E-mail：chxianhui@163.com

*通信作者：蔣繼宏(1962—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槲⑸镔Y源生物技術(shù)。E-mail：jhjiang@xznu.edu.cn

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