響應面設計法優(yōu)化鐵皮石斛總多酚的提取工藝

曹美麗，蔣玉蓉，闕淼琳，陳 棋，魏述英，陸國權

（浙江農(nóng)林大學農(nóng)業(yè)與食品科學學院，浙江臨安311300）

響應面設計法優(yōu)化鐵皮石斛總多酚的提取工藝

曹美麗，蔣玉蓉*，闕淼琳，陳 棋，魏述英，陸國權

（浙江農(nóng)林大學農(nóng)業(yè)與食品科學學院，浙江臨安311300）

利用響應面分析方法研究鐵皮石斛總多酚的最佳提取工藝及體外抗氧化性。在選取酒精濃度、料液比、溫度做單因素實驗的基礎上，進行三因素三水平的Box-Behnken中心組合研究，建立了影響因素與總多酚之間的函數(shù)關系。獲得最佳工藝條件為：乙醇濃度75%，料液比1∶40，提取溫度75℃；在此最佳條件下水浴條件下浸提1 h，總多酚含量為28.01 mg/g，實驗結果與模型預測值相符。鐵皮石斛多酚提取物具有較強的清除對DPPH·和·OH自由基能力，其IC50（半抑制濃度）分別為526.872 μg/mL和1263.024 μg/mL。

鐵皮石斛，總多酚，響應面分析，最佳工藝，抗氧化性

鐵皮石斛（Dendrobium officinale Kimura et Migo）又名黑節(jié)草、云南鐵皮，屬微子目，蘭科多年生附生草本植物，喜在溫暖、潮濕、半陰半陽的環(huán)境中生長[1-2]。其莖入藥，性味甘、微寒，歸胃、腎經(jīng)，具有益胃生津、滋陰清熱的功效[3-4]。鐵皮石斛因其神奇的藥用價值和保健成效，被歷代古籍醫(yī)書奉為“藥中之上品”[5-6]?，F(xiàn)代藥理學研究表明，鐵皮石斛具有抗衰老、抗腫瘤、降低血糖和提高免疫等生物活性[3，6-7]。其化學成分包括石斛多糖、氨基酸、微量元素、菲類化合物、聯(lián)芐類化合物、酚酸類化合物、生物堿等[1，8-10]，大部分化合物具有酚類結構[9]，酚類化合物是鐵皮石斛的藥用活性成分之一[9，11]。多酚類物質屬于植物的次生代謝產(chǎn)物，是天然抗氧化劑主要來源之一[12]。然而植物中多酚的含量受加工提取工藝，植物成熟程度，品種及儲存條件等因素的影響。迄今國內外有關鐵皮石斛中多酚提取方法的研究報道甚少[9，12]，本實驗采用響應面設計方法優(yōu)化鐵皮石斛總多酚提取工藝參數(shù)，同時測定其抗氧化活性，為鐵皮石斛多酚類物質的開發(fā)及探討其更多藥理作用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鐵皮石斛 購自杭州胡慶余堂，藥材經(jīng)干燥、粉粹過80目篩選，貯存?zhèn)溆?；沒食子酸標準品和Folin-Ciocalteu’s顯色劑 上海源葉生物科技有限公司；DPPH（1，1-Diphenyl-2-picrylhydrazyl radical） 東京化成工業(yè)株式會社；無水乙醇、無水碳酸鈉、硫酸亞鐵、過氧化氫、水楊酸等試劑 均為國產(chǎn)分析純，上海生工公司。

DHG9123A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；TP-214電子天平 丹佛儀器有限公司；XMTD-6000恒溫水浴鍋 上海申勝生物技術有限公司；SHZ-DⅢ予華牌循環(huán)水真空泵 鞏義市予華儀器有限責任公司；752PC紫外可見分光光度計 上海光譜儀器有限公司；SY-150W超聲波 上海寧商超聲儀有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 標準曲線的繪制 精確稱取沒食子酸標準品10.0 mg，置10 mL容量瓶中，用70%乙醇溶液溶解并定容至刻度，搖勻，得1 mg·mL-1的沒食子標準溶液。分別精密量取該標準溶液0、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00、1.20 mL置于25 mL容量瓶中，用蒸餾水定容，制得質量濃度為0、4、8、16、24、32、40、48 μg·mL-1沒食子酸溶液。準確移取0.2 mL稀釋后的溶液，加入1 mL Folin-Ciocalteu’s顯色劑，混勻，2 min后加入3 mL飽和碳酸鈉（7.5%），混合均勻，在室溫、避光條件下放置1 h，用分光光度計在765 nm處測定其吸光值，每個濃度做三個平行實驗，以吸光值平均值為縱坐標，濃度為橫坐標，繪制標準曲線[13]。得Y=0.0063X-0.0052，R2=0.9991。結果表明沒食子酸在濃度0～48 μg·mL-1與吸光值呈現(xiàn)良好的線性關系。

1.2.2 鐵皮石斛總多酚的提取和得率測定 準確稱取0.200 g鐵皮石斛粉末置于250 mL圓底燒瓶中，加入一定濃度的乙醇溶液，在一定溫度下水浴回流浸提1 h，并將浸提液進行過濾后收集。取不同條件下的提取液1 mL定容至50 mL，然后從中取0.2 mL提取物，按照標準曲線項下測定樣品吸光度，計算多酚得率[9]，公式如下：

式中，c為1 mL提取液定容后的多酚得率，μg·mL-1；V為多酚提取液體積，1 mL；50為1 mL提取液定容后的體積，mL；m為鐵皮石斛質量，0.2 g。

1.2.3 單因素實驗 實驗對提取溫度、料液比、乙醇濃度進行單因素分析，分別考察這3個因素對鐵皮石斛多酚提取的影響。

1.2.3.1 溫度對多酚得率的影響 以體積分數(shù)80%乙醇，料液比1∶40條件下浸提1 h，考察55、65、75、85、95℃五種不同溫度條件下對多酚得率的影響。

1.2.3.2 料液比對多酚得率的影響 以體積分數(shù)80%乙醇、65℃條件下浸提1 h，考察1∶20、1∶30、1∶40、1∶50和1∶60五種不同料液比條件下對多酚得率的影響。

1.2.3.3 乙醇體積分數(shù)對多酚得率的影響 以料液比為1∶40，在65℃條件下浸提1 h，考察50%、60%、70%、80%和90%五種不同乙醇體積分數(shù)條件下對多酚得率的影響。

1.2.4 響應面實驗設計 根據(jù)單因素實驗結果，以提取溫度、料液比、乙醇濃度3個因素為自變量，多酚得率為響應值進行三因素三水平的響應面實驗[14]。通過Design Expert 8.0.5軟件對實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析[15]，得到鐵皮石斛多酚提取的最優(yōu)工藝參數(shù)。因素水平分析選取見表1。

表1 中心組合實驗的因子及編碼值Table 1 Factors and coded value of central composite experiment design

1.2.5 DPPH·清除率的測定[16]準確稱取DPPH·標準品10 mg，溶于無水乙醇中，超聲5 min，充分振蕩，并定容于100 mL容量瓶中，配成0.1 mg/mL DPPH儲備液，置于冰箱中備用。取不同質量濃度的鐵皮石斛多酚提取液2 mL，分別加入0.1 mg/mL DPPH溶液2 mL，搖勻，在黑暗中放置30 min，以無水乙醇為空白在波長517 nm處測定其吸光度A樣品，用無水乙醇代替DPPH·溶液按上述方法測定吸光度A對照，用無水乙醇代替多酚提取液按上述方法測定吸光度為A空白。按下式計算DPPH·清除率并用SPSS分析軟件計算其半抑制率（IC50）。

DPPH·清除率（%）=（1-（A樣品-A對照）/A空白）×100

1.2.6 ·OH清除率測定[17]在試管中依次加入2 mL 6 mmol/L FeSO4溶液，2 mL不同質量濃度的鐵皮石斛多酚提取液，2 mL 6 mmol/L H2O2溶液搖勻，靜置10 min，再加入2 mL 6 mmol/L水楊酸溶液，搖勻，靜置30 min，以蒸餾水為空白于波長510 nm處測定其吸光度A樣品，用蒸餾水代替水楊酸按上述方法測定吸光度A對照，用蒸餾水代替多酚提取液按上述方法測定吸光度A空白。按下式計算·OH清除率并用SPSS分析軟件計算其半抑制率（IC50）。

·OH清除率（%）=（1-（A樣品-A對照）/A空白）×100

1.3 數(shù)據(jù)處理

單因素實驗運用方差分析，響應面實驗通過Design Expert 8.0.5軟件對實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，清除DPPH·和·OH的測定用SPSS分析軟件計算其半抑制率（IC50）。

2 結果與分析

2.1 多酚得率的單因素實驗

2.1.1 溫度對多酚得率的影響 由圖1可知，多酚得率隨著溫度的增加呈現(xiàn)先上升后下降后趨于穩(wěn)定的趨勢，當提取溫度為75℃時，多酚得率最高，這是由于溫度的提高增加了多酚物質的溶解度降低分子之間的粘滯度，使更多的酚類物質溶出[18]。但當溫度再度升高時，得率反而下降，這可能是由于高溫導致了部分鐵皮石斛多酚的氧化，該結果與鐘怡平等[19]研究結果大致一致。

圖1 提取溫度對多酚得率的影響Fig.1 Effect of temperature on the extraction yield of polyphenols

2.1.2 料液比對多酚得率的影響 由圖2可見，隨著料液比的增大多酚得率提高，當料液比為1∶40時多酚得率達到最高，再繼續(xù)增大時呈下降趨勢。這可能是因為料液比為1∶40時，溶劑對多酚的溶解已經(jīng)達到了飽和，繼續(xù)增大溶劑用量，并不能顯著提高多酚的提取量，因此選最佳液料比為1∶40。

圖2 料液比對多酚得率的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the extraction yield of polyphenols

圖3 乙醇濃度對多酚得率的影響Fig.3 Effect of ethanol concentration on the extraction yield of polyphenols

2.1.3 乙醇體積分數(shù)對多酚得率的影響 由圖3可知，多酚得率隨乙醇濃度的增加呈現(xiàn)先略微下降后上升再下降的趨勢，這可能是鐵皮石斛多酚結構比較復雜，溶劑極性過大或過小對總酚提取均有一定影響。從本實驗結果來看，當乙醇濃度為80%時，提取率達最大值。

2.2 響應面優(yōu)化實驗結果分析

2.2.1 響應面實驗安排及實驗結果 應用Design-Expert 8.0.5對表2中的數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，得到提取溫度X1、料液比X2、乙醇濃度X3與鐵皮石斛總多酚之間的二次多項回歸方程為：Y=28.14+ 0.63X1+1.14X2-1.38X3+1.05X1X2-0.59X1X3+0.95X2X3-3.06X12-2.75X22-1.96X32

由表3回歸方差顯著性檢驗表明，一次項溫度（X1）對總多酚產(chǎn)量的線性效應不顯著，料液比（X2）和乙醇濃度（X3）對多酚產(chǎn)量的顯性效應極顯著；二次項溫度（X12）、料液比（X22）和乙醇濃度（X32）對總多酚產(chǎn)量的曲面效應均極顯著；比較各因子間溫度和乙醇濃度（X1X2）、料液比和乙醇濃度（X2X3）交互作用顯著。在本實驗設計范圍內回歸方程顯著性檢測p＜0.01極顯著，該模型的調整復相關指數(shù)R2Adj=0.9705，說明該模型能解釋97.05%響應值的變化，即該模型與實際實驗擬合良好，實驗誤差小，證明應用響應曲面法優(yōu)化的提取工藝提取鐵皮石斛總多酚是可行的。

表2 中心實驗設計及實驗結果Table 2 Design and results of central composite experiment

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

圖4 溫度和料液比對總多酚提取得率影響的響應面圖Fig.4 Response surface of multualinfluence of extraction temperature and material to liquid ratio on extraction rate of polyphenols

圖5 溫度和乙醇濃度對總多酚提取得率影響的響應面圖Fig.5 Response surface of multualinfluence of extraction temperature and ethanol concentraction on extraction rate of polyphenols

圖6 料液比和乙醇濃度對總多酚含量影響的響應面圖Fig.6 Response surface of multualinfluence of extraction material to liquid ratio on extraction rate and ethanol concentration of polyphenols

2.2.2 各因素的交互作用 響應曲面圖可以形象的描述各因素之間的交互作用，如圖4～圖6所示。等高線的形狀可以反映因素間交互作用的強弱，圖形趨向橢圓且橢圓軸線與坐標軸的角度越大，則交互作用越明顯，反之交互作用越弱[13]，交互項溫度和料液比（X1X2）、料液比和乙醇濃度（X2X3）顯著，溫度和乙醇濃度（X1X3）不顯著。表明各因素對多酚的提取率存在交互影響，而不是簡單的線性關系。

2.2.3 最佳提取工藝的優(yōu)化及驗證 為驗證鐵皮石斛總多酚提取模型方程的適用性，對回歸方程求導，并令其等于零，可以得到曲面的最大點，即三個主要因素的最佳水平值，分別為：溫度76.53℃，料液比1∶42.05，乙醇濃度76.31%，在此條件下，多酚得率為28.51 mg/g。為檢驗實驗結果是否可靠，根據(jù)最優(yōu)條件進了驗證實驗，為方便實際操作，選取溫度75℃，料液比1∶40，乙醇濃度75%，在此條件下進行三次平行實驗。計算多酚得率，求其平均值為28.01 mg/g，實際與預測的多酚量較為接近，充分驗證了所建模型的正確性，說明響應面分析方法適用于鐵皮石斛總多酚的提取工藝的優(yōu)化。

2.3 鐵皮石斛多酚抗氧化活性實驗

2.3.1 對DPPH·的清除作用 DPPH·是一種穩(wěn)定的自由基，在有機溶劑中呈紫色，在517 nm波長處有較大吸收，當加入抗氧化劑時，一部分自由基被清除掉，使該波長下吸收強度減弱，可借此來評價某物質的抗氧化性[12]。以VC作為陽性對照，鐵皮石斛對DPPH·的清除作用見圖7。由圖7可知，鐵皮石斛對DPPH·表現(xiàn)出較強的清除作用，清除能力與其濃度呈正相關。在200～1200 μg/mL濃度范圍內，隨著多酚濃度的增加，對DPPH·的清除能力顯著增強。但通過SPSS軟件計算鐵皮石斛和VC的IC50值分別為526.872 μg/mL和159.2592 μg/mL，可知鐵皮石斛對DPPH·的清除能力仍低于VC。

圖7 VC和鐵皮石斛對DPPH自由基的清除作用Fig.7 DPPH radical-scavenging capability of vitamin C and polyphenols from Dendrobium officinale

2.3.2 對羥基自由基（·OH）的清除作用 以VC作為陽性對照，鐵皮石斛多酚對·OH的清除作用見圖8。由圖8可知，鐵皮石斛多酚具有較強的羥基自由基清除能力，隨著濃度的增加，其清除·OH的能力進一步增強。但通過SPSS軟件計算鐵皮石斛和VC的IC50值分別為1263.024 μg/mL和542.003 μg/mL，可知鐵皮石斛對·OH的清除能力仍低于VC。

圖8 VC和鐵皮石斛多酚對·OH的清除作用Fig.8 ·OH radical-scavenging capability of vitamin C and polyphenols from Dendrobium officinale

3 結論

采用響應面分析法提取鐵皮石斛總多酚的工藝條件進行優(yōu)化，獲得最佳提取工藝條件：提取溫度75℃，料液比1∶40，乙醇濃度75%，在此條件下鐵皮石斛多酚得率為28.01 mg/g，這種提取具有方法簡單提取效率高等優(yōu)點，是一種較理想的提取鐵皮石斛多酚的方法。鐵皮石斛多酚可有效清除DPPH自由基和羥基自由基（·OH），其清除兩種自由基的IC50值分別526.872 μg/mL和1263.024 μg/mL，在天然抗氧化劑等領域具有較好的開發(fā)潛力。

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Optimization of extraction of total polyphenols from Dendrobium officinale by response surface methodology

CAO Mei-li，JIANG Yu-rong*，QUE Miao-lin，CHEN Qi，WEI Shu-ying，LU Guo-quan
（School of Agricultural and Food Science，Zhejiang A&F University，Lin’an 311300，China）

The optimum extraction conditions of total polyphenols from Dendrobium officinale by response surface methodology，as well as their antioxidant activities in vitro，were studied in the research.The experiment method was designed according to Box-Behnken central composite design with 3 factors and 3 levels on the basis of single-factor experiment of ethanol concentration，material-to-liquid ratio and temperature.The relationship between influencing factors and response values was subsequently established.The results indicated the optimum extraction conditions were as follows：the extracting solvent was 75%ethanol，material-to-liquid ratio was 1∶40，extracting temperature was 75℃，and extracting time was 1 h.Under these conditions，the maximal yield of total polyphenols reached 28.01 mg/g，which was well matched with the predicted content.Moreover，the polyphenols extracted from Dendrobium officinale exhibited an effective scavenging effect on DPPH·and ·OH free radicals，and its IC50（half inhibitory concentration）was respectively up to 526.872 μg/mL and 1263.024 μg/mL.

Dendrobium officinale；total polyphenols；response surface methodology；the optimum extraction；antioxidant activity

TS201.1

B

1002-0306（2015）22-0272-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.22.048

2015－03－04

曹美麗（1993-），女，大學本科，研究方向：植物種質創(chuàng)新，E-mail：8047107202@qq.com。

*通訊作者：蔣玉蓉（1974-），女，博士，講師，研究方向：植物分子育種和種質創(chuàng)新研究，E-mail：yurongjiang746@126.com。

國家自然科學基金資助項目（31301372）；浙江省重大科技專項計劃項目（2011C12030）。