超聲波輔助提取蘆筍總皂苷的工藝

張若潔，王魯峰，繆文華，徐曉云，潘思軼

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

超聲波輔助提取蘆筍總皂苷的工藝

張若潔，王魯峰，繆文華，徐曉云，潘思軼*

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

采用Box-Behnken設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析法，對蘆筍總皂苷的超聲輔助提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。以提取溫度、提取時(shí)間及超聲功率為自變量，蘆筍總皂苷得率為響應(yīng)值，研究各自變量及其交互作用對超聲波輔助提取法提取蘆筍總皂苷得率的影響。結(jié)果表明：最佳工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)95%、提取溫度71℃、提取時(shí)間23min、超聲功率70W、提取次數(shù)2次，在此條件下獲得總皂苷的提取率為23.96mg/g。

蘆筍；總皂苷；超聲輔助提取

蘆筍(Asparagus officinalis L.)又名石刁柏、龍須菜，為百合科天門冬屬宿根性多年生草本植物。蘆筍原產(chǎn)于地中海東岸及小亞細(xì)亞，已有2000年以上的栽培歷史，我國栽培蘆筍從清代開始，僅100余年歷史。從20世紀(jì)80年代開始，我國福建、河南、陜西、安徽、四川、天津等地市大規(guī)模地發(fā)展蘆筍生產(chǎn)[1]。蘆筍因具有抗癌[2]、抗腫瘤[3]、抗真菌[4]、保肝作用[5]、調(diào)節(jié)免疫力[6]等多種藥理作用引起了世界普遍的關(guān)注。據(jù)報(bào)道[7]，蘆筍中主要的生物活性物質(zhì)是甾體皂苷類化合物。

目前，已有對蘆筍總皂苷提取的研究[8-9]，其均是采用熱浸提的方法，尚未見采用超聲波輔助提取法提取蘆筍總皂苷工藝研究的報(bào)道。近年來，由于超聲波法具有省時(shí)、高效、耗能小等優(yōu)點(diǎn)，此法廣泛的應(yīng)用于從植物中提取總皂苷[10-11]。據(jù)此，本實(shí)驗(yàn)在單因素分析的基礎(chǔ)上應(yīng)用響應(yīng)面分析法對蘆筍總皂苷的超聲輔助提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，以蘆筍總皂苷得率為響應(yīng)值，分析優(yōu)化得出最佳工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘆筍原料采自湖北省黃陂蔡甸蘆筍產(chǎn)業(yè)園。

乙醇、甲醇、正丁醇、乙醚、高氯酸(均為分析純)；純凈水 廣東樂百氏集團(tuán)；乙腈(色譜純)。

KQ2200DB型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；JYL-A130粉碎機(jī) 九陽公司；BT-220S電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；752型分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司；TDL-5-A離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；R-215旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 瑞士步琪有限公司；2695高效液相色譜 美國Waters公司。

1.2 方法

1.2.1 蘆筍預(yù)處理

將鮮蘆筍切段(約5cm)后，于60℃烘箱中干燥2d，而后用粉碎機(jī)粉碎過60目篩，得蘆筍干粉。

1.2.2 超聲波輔助萃取方法

精確稱取1g蘆筍粉末，置于索氏提取器內(nèi)，用乙醚萃取脫色，樣品揮干溶劑后，至超聲波提取器中，按不同工藝條件提取，離心并收集上清液，減壓過濾，然后將濾液置旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上蒸干，加25mL蒸餾水溶解，用25mL水飽和正丁醇萃取4次，合并正丁醇部分，再用25mL正丁醇飽和水洗滌4次，減壓回收至干，即得蘆筍總皂苷。將蘆筍總皂苷定容至50mL即為待測樣品溶液。

1.2.3 單因素影響試驗(yàn)

根據(jù)前期探索性試驗(yàn)結(jié)果，選取乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲功率、提取溫度、提取時(shí)間、提取次數(shù)等因素進(jìn)行單因素影響試驗(yàn)。

1.2.4 響應(yīng)面分析因素水平的選取[12-14]

本試驗(yàn)依照Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，使用Design Expert 7.6英文版軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取提取溫度、提取時(shí)間、超聲波功率3個(gè)因素為自變量，以蘆筍總皂苷得率為響應(yīng)值，采用3因素3水平的響應(yīng)面分析方法，因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素水平表Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization factors used in the response surface analysis

1.2.5 蘆筍皂苷分析方法

含量測定方法：精確吸取樣品溶液適量，至于10mL比色管中，水浴揮干溶劑，加高氯酸5mL，搖勻，65℃水浴15min，取出后冰水冷卻5min，在310nm處測定吸光度。以菝葜皂苷元為標(biāo)準(zhǔn)品同法制備標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程為y=0.0032χ＋0.0026(R2=0.9992)，其線性范圍為72～216μg。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)及其分析

2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對蘆筍總皂苷得率的影響

圖1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對蘆筍總皂苷得率的影響Fig.1 Effect of ethanol concentration on extraction yield of total saponins

由圖1可知，蘆筍總皂苷得率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大呈增大趨勢，乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)到95%時(shí)，蘆筍總皂苷得率最高，此時(shí)溶劑極性與皂苷極性最為相似，皂苷溶出量最大，因此，選擇95%的乙醇為提取溶劑。

圖2 超聲功率對蘆筍總皂苷得率的影響Fig.2 Effect of ultrasound power on extraction yield of total saponins

2.1.2 超聲功率對蘆筍總皂苷得率的影響由圖2可知，超聲功率小于60W時(shí)，蘆筍總皂苷得率隨超聲功率的增大而增大，當(dāng)超聲功率大于60W

時(shí)，蘆筍總皂苷得率隨超聲功率的增大而減小。這是因?yàn)樵龃蟪暪β?，超聲波的空化作用與微繞效應(yīng)增強(qiáng)，增大皂苷分子的溶出，但超聲功率過大會在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生并聚集大量的熱量，導(dǎo)致皂苷分子發(fā)生熱敏損失，而使得率降低。

2.1.3 提取溫度對蘆筍總皂苷得率的影響

圖3 提取溫度對蘆筍總皂苷得率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction yield of total saponins

由圖3可知，提取溫度低于70℃時(shí)，蘆筍總皂苷得率隨溫度的升高呈上升趨勢，提取溫度高于70℃，隨溫度升高，蘆筍總皂苷得率出現(xiàn)明顯下降趨勢。這是因?yàn)樘岣邷囟扔欣谠碥辗肿拥臄U(kuò)散及溶出，但過高溫度可能導(dǎo)致皂苷的熱敏損失[7]，從而使得率下降。

2.1.4 提取時(shí)間對蘆筍總皂苷得率的影響

圖4 提取時(shí)間對蘆筍總皂苷得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on extraction yield of total saponins

由圖4可知，時(shí)間對蘆筍總皂苷得率有顯著影響，在30min中前，蘆筍總皂苷得率隨時(shí)間延長而增加，30min后，蘆筍總皂苷得率出現(xiàn)下降趨勢。說明短時(shí)間內(nèi)隨超聲時(shí)間的延長，有利于蘆筍皂苷的溶出，但過長時(shí)間的提取會導(dǎo)致大量雜質(zhì)的溶出，增大傳質(zhì)阻力影響有效成分溶出，而使得率降低[15]。

2.1.5 提取次數(shù)對蘆筍總皂苷得率的影響

圖5 提取次數(shù)對蘆筍總皂苷得率的影響Fig.5 Effect of number of extractions on extraction yield of total saponins

由圖5可知，2次提取蘆筍總皂苷得率幾近1次提取的2倍，而3次提取，蘆筍總皂苷得率沒有幾乎沒有增加，因此，從得率及節(jié)省能源兩方面考慮選擇2次提取。

2.2 響應(yīng)面法確定蘆筍參總皂苷提取最佳工藝

2.2.1 模型建立與顯著性檢驗(yàn)

設(shè)計(jì)并優(yōu)化出的17組試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

利用Design Expert 軟件對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得響應(yīng)值(得率)對影響得率的關(guān)鍵因素的二次多項(xiàng)式?；貧w模型為：Y=23.11＋0.61A＋1.93B＋1.42C-0.55AB＋0.10AC＋0.38BC-2.23A2-3.52B2-1.07C2。

表2 蘆筍總皂苷提取響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The experimental design and results for response surface analysis

對模型進(jìn)行方差分析及回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3、4。

表3 回歸方程的方差分析表Table 3 Analysis of variance for the established regression equation

由表3方差分析可知，模型顯著性檢驗(yàn)F=75.30＞F0.01(9,5)=10.16，P＜0.0001失擬項(xiàng)檢驗(yàn)F=1.67＜F0.05(3,2)=19.16，P=0.3101＞0.05，表明方程極顯著，失擬項(xiàng)很小，殘差由隨機(jī)誤差引起；R2=0.9898，說明模型擬合程度好，試驗(yàn)誤差小，可以用此模型對蘆筍總皂苷得率進(jìn)行分析和預(yù)測[16]。

由表4可知，模型的一次項(xiàng)A(P=0.0063)、B(P＜0.0001)與C(P＜0.0001)影響極顯著；二次項(xiàng)A2(P＜0.0001)、B2(P＜0.0001)與C2(P=0.0018)影響極顯著；交互項(xiàng)AB(P=0.0431)影響顯著，AC、BC影響不顯著。此結(jié)果表明提取時(shí)間與超聲功率對蘆筍總皂苷得率主效應(yīng)明顯。

表4 回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)Table 4 The regression coefficient and significance of each term in the established regression equation

2.2.2 模型交互項(xiàng)的解析

圖6 各兩因素交互作用響應(yīng)面與等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots of total saponin as a function of temperature and time, temperature and ultrasound power, and time and ultrasound power

根據(jù)響應(yīng)面回歸分析結(jié)果做出相應(yīng)的響應(yīng)面圖和等高線圖，結(jié)果如圖6所示。各圖表示A、B、C中任意一個(gè)變量取零時(shí)，其余兩個(gè)變量對蘆筍總皂苷得率的影響。由圖6可知，時(shí)間對響應(yīng)值影響最大，當(dāng)時(shí)間處在低水平時(shí)，即使功率及溫度處在高水平時(shí)，其響應(yīng)值也處在相應(yīng)比較低的水平，延長提取時(shí)間，響應(yīng)值向高水平方向移動，但過長時(shí)間及過提取高溫度都會對使響應(yīng)值下降，這與單因素試驗(yàn)結(jié)果相吻合。隨超聲功率的增大，響應(yīng)值始終保持增大趨勢，表明在實(shí)驗(yàn)水平中，提高超聲功率有利于皂苷分子的溶出，不會導(dǎo)致過熱熱敏反應(yīng)。

2.2.3 模型驗(yàn)證

基于Design Expert軟件的優(yōu)化功能獲得最優(yōu)的提取條件，蘆筍總皂苷得率最大預(yù)測值為23.96mg/g，此時(shí)3個(gè)關(guān)鍵因素的取值為提取溫度71.15℃、提取時(shí)間23.05min、超聲功率67.29W。實(shí)際操作中，關(guān)鍵因素取值為提取溫度71℃、提取時(shí)間23min、超聲功率70W。為了驗(yàn)證模型的有效性，取響應(yīng)值為23.96mg/g進(jìn)行了3組模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見表5。

表5 回歸模型的3組參數(shù)及其驗(yàn)證結(jié)果Table 5 Predicted and experimental extraction yield of total saponins under optimum extraction conditions

由表5可知，蘆筍總皂苷得率預(yù)測值與真實(shí)值相近，相對誤差均在2%以下，證明應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取總皂苷工藝的關(guān)鍵因素是可行的。

3 結(jié) 論

3.1 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化蘆筍總皂苷提取工藝研究。得到蘆筍總皂苷提取的回歸模型為：Y=23.11＋0.61A＋1.93B＋1.42C-0.55AB＋0.10AC＋0.38BC-2.23A2-3.52B2-1.07C2。

3.2 經(jīng)歸方差分析及模型驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法有效可行。超聲輔助提取蘆筍總皂苷最佳工藝參數(shù)為乙醇體積分?jǐn)?shù)95%、提取溫度71℃、提取時(shí)間23min、超聲功率70W、提取次數(shù)2次，在此條件下獲得總皂苷的提取率為23.96mg/g。

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Use of Response Surface Methodology for Optimization of Ultrasound-assisted Extraction of Total Saponins from Asparagus officinalis L.

ZHANG Ruo-jie，WANG Lu-feng，MIAO Wen-hua，XU Xiao-yun，PAN Si-yi*
(College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

Response surface methodology based on a three-variable, three-level Box-Behnken experimental design was used to optimize ultrasound-assisted extraction of total saponins from Asparagus officinalis L. The extraction yield of total saponins was investigated with respect to temperature, extraction time and ultrasonic power. The optimal extraction conditions were found to be∶ ethanol concentration 95%, temperature 71 ℃, extraction time 23 min, ultrasound power 70 W, and number of extractions 2. Under these conditions, the extraction yield of total saponins was 23.96 mg/g.

Asparagus officinalis L.；total saponins； ultrasound-assisted extraction

S644.6；TQ464.3

A

1002-6630(2011)14-0047-05

2010-10-19

張若潔(1986—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工化學(xué)。E-mail：zhangruojie@126.com

*通信作者：潘思軼(1956—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工化學(xué)。E-mail：pansiyi@mail.hzau.edu.cn