基于響應曲面法優(yōu)化天麻多酚的提取工藝

朱素英

(菏澤學院生命科學系,山東菏澤 274015)

基于響應曲面法優(yōu)化天麻多酚的提取工藝

朱素英

(菏澤學院生命科學系,山東菏澤 274015)

目的:對天麻總多酚的提取工藝進行優(yōu)化。方法:以天麻為材料在單因素實驗結果的基礎上,采用三因素三水平的Box-Behnken響應曲面設計。結果:天麻提取的最佳條件為乙醇濃度57%,提取溫度69℃,提取時間53min,該條件下多酚提取含量達44.96mg GAE/g,且提取溫度對總多酚的得率影響最大。結論:在最佳條件下天麻多酚得率實際值是預測值的98.48%,接近預測值,可用于天麻多酚的提取。

天麻,響應曲面,總多酚,提取工藝

酚類物質是植物內(nèi)常見的化學物質,因其具有較高的抗氧化性,較強的自由基清除能力,對心血管疾病、神經(jīng)退行性病變以及癌癥都有一定的預防和療效[1-2],逐漸被人們所重視。天麻為蘭科多年生寄生植物天麻GastrodiaelataBlume的干燥塊莖,為我國名貴中藥材,具有平肝息風、通絡止疼的功效。近幾年發(fā)現(xiàn)天麻還具有延緩衰老、健腦、益智功能,對老年性癡呆癥有一定的療效[3],天麻為藥食兩用植物,我國有悠久的藥用和食用歷史[4],其化學成分主要有多酚類、有機酸、甾醇類等,天麻素為主要成份[5]。天麻中已經(jīng)分離出多種包括天麻素在內(nèi)多種酚類成份,目前對總多酚的提取優(yōu)化尚未見報道,本實驗利用響應曲面法對天麻多酚進行提取優(yōu)化,以期為天麻的資源利用開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

天麻塊莖 購于山東省菏澤聯(lián)眾藥房。Folin-Ciocalteu試劑 上海荔達有限公司;沒食子酸,乙醇等 均為分析純。

FW-100型高速萬能粉碎機 北京市永光明醫(yī)療儀器廠;HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市江南儀器廠;DZF-6050型真空干燥箱 上海博訊實業(yè)公司;TU-1810型紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 天麻塊莖多酚提取流程 天麻塊莖400g→60℃真空干燥至恒重→粉碎→過60目篩→備用。

天麻細粉2g→置于50mL錐形瓶中→按照實驗設計提取條件水浴鍋中浸提→過濾→4℃保存

1.2.2 天麻多酚含量的測定方法 天麻多酚含量測定采用福林酚法[6]。

取天麻提取液2mL,加入1mL Folin-Ciocalteu(用水稀釋10倍),4mL 7.5% Na2CO3溶液,定容使反應體系達到10mL。在暗處處理2h,利用紫外分光光度計765nm下測定吸光值。以沒食子酸為標準品,得回歸曲線:y=0.7433x-0.0016，R2=0.9963,其中x代表沒食子酸的濃度(mg/mL),y為濃度不同沒食子酸的吸光值。

表1 單因素設計Table 1 The single factors design conditions

根據(jù)天麻多酚測定的吸光值和沒食子酸的標準曲線,可以算出天麻總多酚的沒食子酸當量濃度(Y,mg GAE/mL),依下式可計算總多酚的得率:

Y=(C總·V)/md

式中，C總表示天麻塊莖總多酚濃度;V表示提取液定容后體積;md表示天麻干粉質量。

1.2.3 單因素的選擇與實驗范圍 在響應曲面設計之前,要對相關自變量進行范圍選擇,選擇三個單因素(表1),研究三個單因素對因變量天麻多酚提取含量的影響。

1.2.4 響應曲面實驗設計 響應曲面實驗設計:根據(jù)單因素實驗選擇的響應曲面實驗范圍,Design Expert軟件以乙醇濃度(A,%)、提取溫度(B,℃)、提取時間(C,min)、作為變量進行Box-Behnken設計三因素三水平實驗方案(如表2),實驗結果數(shù)據(jù)用Design Expert分析。

表2 天麻多酚提取的因素水平表Table 2 Factors and levels of polyphenol extraction from Gastrodia elata

2 結果與分析

2.1 單因素對天麻多酚提取含量的影響

2.1.1 乙醇濃度對天麻多酚提取含量的影響 一定比例的水和乙醇混合溶劑可以提高多酚的得率[7]。用一定濃度的乙醇作為提取溶劑,乙醇濃度對天麻多酚得率的影響如圖1,乙醇濃度從10%～50%增長時,天麻總多酚提取含量從24.265mg GAE/g增加至42.426mg GAE/g。乙醇濃度從70%～90%變化時,天麻多酚提取含量又迅速下降,乙醇濃度90%時,天麻多酚得率降為20.329mg GAE/g,當乙醇濃度較高時,一些脂溶性成份被析出限制了天麻多酚類物質的提取[8-9]。因此選擇50%乙醇作為響應曲面的中點。

圖1 乙醇濃度對天麻多酚提取含量的影響Fig.1 Effect of ethanol concentration on the extraction rate of polyphenols from Gastrodia elata

2.1.2 提取溫度對天麻多酚提取含量的影響 圖2顯示了提取溫度對天麻總多酚提取的影響,多酚的提取含量隨著提取溫度從20℃提高至60℃不斷增加,從12.342mg GAE/g增加到43.698mg GAE/g,且20、40與60℃的提取含量差異顯著,超過60℃,多酚的提取含量變化不大,60與80、100℃差異不顯著(p<0.05),溫度的增加會增大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[10]。選擇60℃作為響應曲面設計的中點。

圖2 提取溫度對天麻多酚提取含量的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on the extraction rate of polyphenols from Gastrodia elata

2.1.3 提取時間對天麻多酚提取含量的影響 提取時間對天麻多酚提取含量的影響如圖3,在提取時間從15min到45min逐漸延長時,多酚提取含量逐漸增加,45min達到最大41.748mg GAE/g,提取時間超過45min多酚提取含量不在增加,且略有下降,45與60、75min方差分析三者差異不顯著(p<0.05)。說明天麻多酚提取時間為45min時,基本溶出完全,增加提取時間不能增大多酚得率,同時會造成部分多酚受到破壞[11]。根據(jù)經(jīng)濟原則,選擇45min作為響應曲面的中點。

圖3 提取時間對天麻多酚提取含量的影響Fig.3 Effect of extraction time on the extraction rate of polyphenols from Gastrodia elata

2.2 天麻多酚的提取優(yōu)化

表3顯示天麻多酚提取的響應曲面Box-Behnken實驗設計及其結果,多酚提取含量隨著實驗條件的不同,變化范圍在3.99481～43.7613mg GAE/g。因此實驗條件的改變對天麻多酚提取含量影響較大。

對實驗結果進行多元回歸得回歸方程:Y=41.082+6.52513A+8.36400B+5.65113C+2.73475AB+2.42200AC+5.02325BC-13.07450 A2-13.07425B2-8.18450C2

表4 響應曲面二次回歸模型的方差分析Table 4 Results of the analysis of variance to the response surface quadratic model

注:**表示在p<0.01時極顯著;*p<0.05時顯著。

表3 天麻多酚提取的響應曲面設計與結果Table 3 Response surface design and results of polyphenols extraction from Gastrodia elata

對實驗結果統(tǒng)計分析顯示如表4,模型F值=68.70,p<0.0001,說明該回歸模型達到極顯著(p<0.01);失擬項F值為3.51,p=0.1283>0.05,不顯著,說明該模型可以用于天麻多酚的提取優(yōu)化。從表4也可看出,A、B、C、BC、A2、B2、C2相對實驗結果影響極顯著,AB相對天麻多酚提取含量影響顯著、AC相影響不顯著。

剔除不顯著相,可以優(yōu)化多元回歸方程得:Y=41.082+6.52513A+8.364B+5.65113C+2.73475AB+5.02325BC-13.0745A2-13.07425B2-8.1845C2

根據(jù)多元回歸方程結果,構建其三維響應曲面圖(圖4),可以看出,提取溫度(B)曲線最陡,說明其對多酚提取影響最大,其次是乙醇濃度(A),最后是提取時間(C),這與表4統(tǒng)計結果相似;從圖4可以看出三者的交互效應對天麻多酚提取影響的響應曲面圖為山丘形,有極大值存在[12],說明可以獲得天麻的最佳提取條件。

圖4 兩因素之間交互作用 對天麻多酚提取含量的影響的響應面圖Fig.4 Response surface plots showing the effects of two factors interaction on the extraction rate of polyphenols from the root of Panax notoginseng

數(shù)據(jù)分析得天麻多酚的提取的最佳條件為:乙醇濃度為56.96%,提取溫度69.17,提取時間53.05min,多酚提取含量45.656mg GAE/g。

2.3 驗證實驗

為了實驗的可操作性,實驗條件修改為乙醇濃度57%,提取溫度69℃,提取時間53min,在該實驗條件下,取1g天麻進行多酚提取,實驗重復三次,平均值為44.96mg GAE/g。多酚提取含量的實際值為優(yōu)化值的98.48%。

3 結論

利用design-expert軟件的Box-Behnken模型對天麻多酚進行優(yōu)化,獲得天麻多酚提取的二次多元回歸方程,并對天麻多酚提取的提取溫度、提取時間、乙醇濃度影響因素進行探討。統(tǒng)計結果顯示,提取溫度對天麻多酚提取含量影響最大,其次是乙醇濃度、提取時間。三因素均對多酚的提取影響達到極顯著。天麻多酚提取的最佳工藝為乙醇濃度57%,提取溫度69℃,提取時間53min,該條件下多酚提取含量可達44.96mg GAE/g,可達預測值的98.48%。說明響應曲面法可用于天麻多酚進行提取優(yōu)化,且實驗經(jīng)濟簡單,可用于天麻總多酚的工業(yè)提取。

[1]Ramful D,Bahorun T,Bourdon E,etal. Bioactive phenolics and antioxidant propensity of flavedo extracts of Mauritian citrus fruits:Potential prophylactic ingredients for functional foods application[J]. Toxicology,2010,278(1):75-87.

[2]Ferrazzano G F,Amato I,Ingenito A,etal.Plant polyphenols and their anti-cariogenic properties:a review[J].Molecules,2011,16(2):1486-1507.

[3]楊世林,蘭進,徐錦堂.天麻的研究進展[J].中草藥,2000,31(1):66-69.

[4]謝宗萬.中藥材品種論述(上冊)[M].上海:上海科學技術出版社,1990:367-368.

[5]岑信釗.天麻的化學成分與藥理作用研究進展[J].中藥材,2005,28(10):958-962.

[6]朱素英.正交實驗設計優(yōu)化蘆筍嫩莖多酚的提取工藝[J].食品工業(yè)科技,2013,34(21):224-227.

[7]Yu L,Haley S,Perret J,etal. Free radical scavenging properties of wheat extracts[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2002,50(6):1619-1624.

[8]Wang J,Sun B,Cao Y,etal. Optimisation of ultrasound-assisted extraction of phenolic compounds from wheat bran[J]. Food Chemistry,2008,106(2):804-810.

[9]Nepote V,Grosso N R,Guzman C A. Optimization of extraction of phenolic antioxidants from peanut skins[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture,2005,85(1):33-38.

[10]Wu T,Yan J,Liu R,etal. Optimization of microwave-assisted extraction of phenolics from potato and its downstream waste using orthogonal array design[J]. Food Chemistry,2012,133(4):1292-1298.

[11]Sun Y,Xu W,Zhang W,etal. Optimizing the extraction of phenolic antioxidants from kudingcha made from Ilex kudingcha C.J. Tseng by using response surface methodology[J]. Separation and Purification Technology,2011,78(3):311-320.

[12]阮征,胡筱波,賴富饒,等.油菜花粉中黃酮類物質提取工藝的優(yōu)化研究[J].食品科學,2007,28(7):133-137.

反滲透膜技術：未來市場的主流產(chǎn)品技術

近幾年，隨著環(huán)境污染加劇，越來越多的人們開始關注生活環(huán)境的健康問題，很多人開始采購健康家電產(chǎn)品如凈水產(chǎn)品。然而大部分消費者對凈水產(chǎn)品還不太了解。目前家用凈水機主要分為反滲透和超濾兩類：反滲透凈水機所采用的RO反滲透膜過濾直徑可達到0.0001微米，能去除水中重金屬、農(nóng)藥、三氯甲烷等化學污染物，這一點上是超濾凈水器無法比擬的。

反滲透純水機采用的主要是反滲透膜技術，反滲透膜可以將重金屬、農(nóng)藥、細菌、病毒、雜質等徹底分離。它的工作原理是在進水側施加一定的壓力，使水分子通過反滲透膜，而溶解在水中的重金屬、細菌、病毒、有機物等有害物質物質無法透過反滲透膜。

反滲透技術是從20世紀60年代開始迅速發(fā)展起來的一項新技術，它通過化學物質的混合物與半透膜相接觸，在靜壓梯度的作用下，水分子和一些離子物質能透過，而其他有機物和一些小分子組分基本不透過，從而實現(xiàn)物質的分離。反滲透技術目前在海水及苦咸水淡化脫鹽方面應用十分普遍，在家用凈水器中所占的比例也逐年遞增。

目前，家用凈水機行業(yè)剛剛從產(chǎn)品培育期步入快速發(fā)展期，未來的趨勢變化依然存在多種可能。業(yè)內(nèi)人士表示，隨著凈水產(chǎn)品的逐步普及，高技術的反滲透市場將逐漸打開，反滲透膜處理技術將會成為未來市場中最主流的產(chǎn)品技術。

來源：慧聰食品工業(yè)網(wǎng)

Optimization of extraction of phenolic compounds fromGastrodiaelatausing response surface methodology

ZHU Su-ying

(Department of Life Science,Heze University,Heze 274015,China)

Basis on the results of the single factor experiments,Gastrodiaelatawas used as materials to optimize the extraction conditions of total phenolics by using response surface methodology involved a three leves,three variable Box-Behnken design.The results showed that the optimum polyphenolics extraction conditions were 57% ethanol as extraction solvent,extraction temperature 69℃ and extraction time 53min. Under the optimum conditions,the experimental polyphenolics content was 44.96mg GAE/g ofGastrodiaelatatested,which was well matched with the predicted content.Thus,the optimum conditions can be used to extract the polyphenolics fromGastrodiaelata.

Gastrodiaelata;response surface methodology;polyphenolic;extraction process

2014-04-17

朱素英(1980-)， 女，碩士，講師，研究方向：中草藥的活性成分提取與利用。

菏澤學院植物生物學重點實驗室建設項目資助。

TS201.1

B

1002-0306(2015)01-0268-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.047