響應面法優(yōu)化微波輔助提取芋頭生物堿工藝

施帥，張煥新，李志方，吳明亮（江蘇農牧科技職業(yè)學院，江蘇泰州225300）

響應面法優(yōu)化微波輔助提取芋頭生物堿工藝

施帥，張煥新，李志方，吳明亮
（江蘇農牧科技職業(yè)學院，江蘇泰州225300）

摘要：研究微波輔助提取芋頭生物堿工藝。采用酸性染料法確定芋頭生物堿的提取率，并通過試驗設計法優(yōu)化芋頭生物堿的提取條件，得到最佳提取工藝為微波功率350W、作用時間2 h、料液比1∶15（g/mL）、提取溫度60℃。

關鍵詞：芋頭；微波提取；響應面；生物堿

芋頭俗稱芋子、毛芋，為單子葉植物天南星科植物芋的塊莖，遠看似荷葉。毛芋頭的汁液和加工下腳料里面含有生物堿[1]，這種成分對皮膚有刺激性，所以接觸皮膚時會讓其感到很癢。生物堿是一類具有生理活性的物質，是許多藥用植物的有效成分，具有多種生物活性，但相關的研究較少。本試驗利用微波輔助提取芋頭中的生物堿，通過響應曲面法確定芋頭生物堿的最佳提取工藝參數(shù)，為進一步研究芋頭生物堿類活性物質提供一定參考[2]。

1　材料與方法

1.1材料、試劑及儀器

1.1.1材料與試劑

芋頭：購于泰州市東風菜市場；鹽酸小檗堿標準品、濃硝酸、蒸餾水、檸檬酸、檸檬酸鈉、95%乙醇、三氯甲烷、濃鹽酸、濃硫酸、溴甲酚綠、氫氧化鈉、鄰苯二甲酸氫鉀、碘化鉍鉀、冰乙酸：均為分析純。

1.1.2儀器及設備

MKJ-J1-8微波爐：青島邁可威微波應用技術有限公司；RE-5203旋轉蒸發(fā)儀：上海亞容生化儀器廠；SHD-D（Ш）循環(huán)水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責任公司；UV-1600紫外可見分光光度計：北京瑞利分析儀器公司。

1.2方法

1.2.1提取工藝

微波提取生物堿的工藝流程為：干芋頭皮渣稱量→加入乙醇浸泡→微波輔助浸提→離心、取上清液→旋轉濃縮得膠質→2%HCl酸化處理→抽濾→10%NaOH堿化處理→過濾除沉淀→抽濾→稱量計算提取率[3]。

1.2.2芋頭皮渣生物堿的測定

以鹽酸小檗堿為標準物質，采用酸性染料比色法測定生物堿含量。標準曲線回歸方程為Y=0.006 04X+ 0.056 1（X為鹽酸小檗堿濃度，μg/mL；Y為吸光度），線性相關系數(shù)R2為0.998 4，在濃度為0～0.09mg/mL范圍內，有良好的線性關系[4-5]。

式中：C為由標準曲線計算得出的樣品的生物堿濃度，μg/mL；V為樣品溶液的體積，mL；M為干芋頭皮渣質量，mg。

1.2.3微波輔助提取工藝的設計

研究料液比、提取溫度、微波提取功率、提取時間對芋頭皮渣生物堿提取率的影響。在單因素試驗的基礎上，通過Design-Expert9.0中的響應面試驗設計法（RSE），設計了四因素三水平共29個試驗點的響應面試驗，以優(yōu)化芋頭皮渣中生物堿的提取條件。因素水平編碼值見表1。

表1　參數(shù)因素水平表Table1　Factorsand test levelsof Box-Behnken experim ent

2　結果與分析

2.1微波輔助提取工藝條件的確定

2.1.1微波功率對芋頭皮渣生物堿提取得率的影響

準確稱取5 g粉碎過篩的芋頭皮渣粉末放入500mL燒杯，按照料液比為1∶10（g/mL）加入70%乙醇溶液，保持溫度為60℃，在不同的微波功率下輔助提取2 h，計算芋頭皮渣生物堿提取率，結果見圖1。

圖1　微波功率對生物堿提取得率的影響Fig.1　Effectofm icrowavepower on extraction yield of alkaloids

由圖1可知，在其它因素一定的情況下，隨著微波功率的增加，提取效率越高，在微波功率300W～400W之間增長幅度最大，但在400W之后提取率幾乎不變，同時功率太大，溶劑沸騰容易濺出提取容器，造成結果偏低，不利于經濟效益。

2.1.2料液比對芋頭皮渣生物堿提取得率的影響[6]

準確稱取5 g粉碎過篩的芋頭皮渣粉末放入500mL燒杯，分別按照料液比為1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25（g/mL）加入70%乙醇溶液，保持溫度為60℃，在400W的微波功率下輔助提取2 h，計算不同料液比的情況下，芋頭皮渣生物堿提取率，結果見圖2。

由圖2可知，在保證其它因素不變的情況下，料液比選定1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25（g/mL）的5個水平中，在料液比為1∶10（g/mL）之前生物堿提取率逐漸上升，而在1∶10（g/m L）之后，生物堿提取率上升趨勢變緩，考慮到成本及勞動強度，因此，將料液比縮小在1∶10（g/mL）～1∶20（g/mL）之間較為適宜。

圖2　料液比對生物堿提取得率的影響Fig.2　Effect of ratio of solid to liquid on extraction yield of alkaloids

2.1.3時間對芋頭皮渣生物堿提取得率的影響

準確稱取5g粉碎過篩的芋頭皮渣粉末放入500mL燒杯中，微波功率設為400W、料液比1∶10（g/mL），在其它條件不變的情況下（乙醇濃度70%，提取溫度70℃），計算在不同提取時間的情況下，芋頭皮渣生物堿提取率，平均做3次，結果見圖3。

圖3　提取時間對生物堿提取得率的影響Fig.3　Effectextraction timeofon yield ofalkaloids

由圖3可知，隨著時間的延長，芋頭生物堿的浸出量也增加，提取時間在前2 h內，生物堿浸出量變化較大，2 h后變化逐漸變緩，生物堿在固液之間的傳遞趨于平衡狀態(tài)，因此選擇最佳提取時間為2 h。

2.1.4溫度對芋頭皮渣生物堿提取得率的影響

準確稱取5g粉碎過篩的芋頭皮渣粉末放入500mL燒杯中，微波功率設為400W、料液比1∶10（g/mL），在其它條件不變的情況下（乙醇濃度70%，提取時間2h），計算在不同提取溫度的情況下，芋頭皮渣生物堿提取率，平均做3次，結果見圖4。

圖4　提取溫度對生物堿提取得率的影響Fig.4　Effectextraction tem peratureofon yield ofalkaloids

由圖4可知，隨著溫度的升高，總生物堿的浸出量也增加，當溫度達到60℃，提取量達到最高。但是溫度超過60℃，總生物堿的浸出量反而下降，因此，60℃為最適溫度。溫度的升高使總生物堿的浸出量反而下降，這很可能是由于有些含氮雜環(huán)的生物堿極易發(fā)生氧化還原反應，從而造成生物堿的分子結構破壞或者降解。

2.2響應面試驗結果

響應面試驗結果見表2，回歸模型方差分析見表3。

表2　芋頭皮渣生物堿提取工藝優(yōu)化響應而試驗設計及結果Table2　Code valuesand corresponding actualvaluesof the optim ization param eters tested in response surfaceanalysis

表2數(shù)據(jù)經回歸擬合后可得模型：Y=0.71-0.087A+15.85B+0.024C+0.075D-0.11AB+13.59AC+ 0.078AD-0.13BC-0.19BD+0.17CD-0.18A2-0.15B2-0.16C2-0.018D2。

由表3可知，模型的一次項B、C不顯著，A、D顯著，二次項A2、B2、C2顯著，交互項BD、CD顯著。模型的F值為80.64，整體模型的顯著水平P<0.01，表明該模型顯著。模型R2=0.978 6，說明回歸方程的擬合程度良好，失擬較小，可以用該方程代替真實試驗點進行分析。按照得到的數(shù)學模型繪制響應曲面圖，見圖5。

表3　回歸模型方差分析表Table3　Experimentaldesign and results for responsesur face analysis

注：*表示影響顯著，P<0.05；**表示影響極顯著，P<0.01。

圖5　各兩因素交互作用對提取液吸光度影響的響應而及等高線圖Fig.5　Responsesurface and contour plots for theeffectsofprocess parameterson alkaloid extraction

由圖5可看出，料液比、提取溫度、提取時間和微波功率交互對芋頭生物堿的提取效果都有影響，尤其是料液比比較明顯，特別是提取時間和微波功率的交互作用影響較大，在響應曲面圖中表現(xiàn)為曲面坡度大，變化明顯。

2.3生物堿提取條件優(yōu)化

利用Design-Expert軟件對邊界值和求得的極值進行分析后，得到最優(yōu)的提取條件為料液比1∶15（g/mL）、提取溫度60℃、微波功率350W、微波作用時間2 h，理論提取率=0.642%。按照修正條件：A=1∶15（g/mL）、B=60℃、C=350W、D=2 h進行驗證試驗，重復3次，其平均提取率=0.685%，與理論預測值相符。

3　結論

通過響應面分析法確定微波輔助提取芋頭生物堿的最佳工藝參數(shù)為微波功率350W、作用時間2 h、料液比1∶15（g/mL）、提取溫度60℃，為芋頭生物堿的進一步分離純化及功能性研究提供了科學參考，奠定了一定的理論基礎。

參考文獻：

[1]程紅娜.芋艿皮渣生物堿提取工藝研究[J].中國食品添加劑,2012 (2):113-116

[2]張海悅,李茜.響應面法優(yōu)化超聲波輔助提取狹葉蕁麻生物堿工藝[J].食品科學,2012(12):123-127

[3]姜紹通,汪洪普,潘麗軍.響應面法優(yōu)化微波輔助提取芋頭多糖工藝研究[J].食品工業(yè)科技,2013(3):215-219

[4]孫天瑋.三種魔芋的主要成分及加工下腳料生物堿的研究[D].長沙:湖南農業(yè)大學,2008

[5]相炎紅,王浩云,楊明俊,等.響應面法優(yōu)化超聲波輔助提取苦豆子生物堿的工藝研究[J].食品工業(yè)科技,2012(7):275-278

[6]楊海濤,劉軍海.微波法提取魔芋中總生物堿工藝的研究[J].安徽農業(yè)科學,2008(7):846-847

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.22.009

基金項目：院大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃（201312806024X）

作者簡介：施帥（1980—），男（漢），講師，碩士研究生，研究方向：食品加工。

收稿日期：2014-06-04

Op tim ization of M icrowave-assisted Extraction of Alkaloids from Taros Using Response Surface M ethodology

SHIShuai，ZHANGHuan-xin，LIZhi-fang，WUMing-liang
（Jiangsu Agri-AnimalHusbandry VocationalCollege，Taizhou 225300，Jiangsu，China）

Abstract：Response surfacemethodology was used to optimize themicrowave-assisted extraction of alkaloids from taros.The optimal extraction conditionsweremicrowave power 350W，extraction time of 2 h，material/ liquid ratioof1∶15（g/mL）and extraction temperature of60℃.

Keywords：taros；microwave extraction；responsesurface；alkaloids