響應(yīng)面法優(yōu)化蘆薈活性成分提取工藝

龍明華

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

蘆薈屬百合科多年生綠肉質(zhì)植物，在熱帶、亞熱帶地區(qū)較多種植。蘆薈約有500余種，按其用途可分為藥用蘆薈、食用蘆薈和觀賞蘆薈三類。目前探明的藥用蘆薈有10多種，食用蘆薈有五六種，觀賞蘆薈則有幾十種[1]。

蘆薈含有160多種化學(xué)成分[2]，其中，功能成分72種，蒽醌類化合物是主要的有效活性成分，其余還有多糖、酶、氨基酸、抗生素、皂角素等。這些活性成分具有醫(yī)療、美容、保健、食用等多種功能[3]。尤其是蘆薈的藥理作用具有悠久的歷史，據(jù)史料記載，早在唐朝蘆薈的藥用情況就有記載。宋朝《開(kāi)寶本草》：“治熱風(fēng)煩悶，胸隔間熱氣，明目鎮(zhèn)心，小兒癲癇驚風(fēng)”?！侗静輩R言》：“盧薈，涼肝殺蟲之藥也”。目前，蒽醌類化合物的藥理作用主要集中在瀉下作用、對(duì)肝損傷的保護(hù)作用、清除動(dòng)物體內(nèi)乙醇的作用、抗腫瘤作用、治療創(chuàng)傷等方面。

蘆薈活性功效成分雖多，但活性成分的獲得目前主要集中在傳統(tǒng)提取工藝的研究上，有Coats冷熱處理法、Mcanalley冷處理法[4]，其提取物得率和有效成分的含量均受限。

本研究在傳統(tǒng)提取工藝的基礎(chǔ)上引入現(xiàn)代超聲波輔助提取技術(shù)[5]，同時(shí)采用響應(yīng)面優(yōu)化方法，探索蘆薈蒽醌類化合物活性成分提取的最佳工藝，旨在為科學(xué)利用蘆薈的功能成分提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試材料為庫(kù)拉索蘆薈（市售盆栽）的葉片中上部[6]。

1.2 試劑

1，8-二羥基蒽醌（廣州蘇喏化工有限公司）、甲醇（西安化學(xué)試劑廠）、乙醇（西安化學(xué)試劑廠）、硫酸（廣州萬(wàn)從化工有限公司）、醋酸鎂（廊坊天科生物科技有限公司），以上試劑均為分析純。

1.3 儀器設(shè)備

組織搗碎機(jī)（金壇市友聯(lián)儀器研究所）、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（METTLER TOLEDO公司）、恒溫水浴鍋（北京科偉水興儀器有限公司）、SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵（鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司）、KQ-700GVDV型超聲波儀（功率700 W，可調(diào)因素40%～100%，本研究以可調(diào)百分?jǐn)?shù)表示功率。昆山市超聲儀器有限公司）、真空干燥箱（上海環(huán)競(jìng)試驗(yàn)設(shè)備廠）。

1.4 方法

1.4.1 提取工藝流程[7-11]蘆薈原料預(yù)處理→準(zhǔn)確稱量200.0 g→機(jī)械破碎至漿狀→添加萃取劑超聲波輔助萃取→過(guò)濾除去濾渣→真空濃縮濾液干燥→活性物質(zhì)粗提物。

1.4.2 活性成分含量測(cè)定 采用醋酸鎂-甲醇比色法[12]測(cè)定提取物中蒽醌化合物的含量。

1.4.3 單因素試驗(yàn)[13-16]

1.4.3.1 料液比（m/V） 準(zhǔn)確稱取原料200.0 g，利用組織搗碎機(jī)破碎至漿狀，以 1∶5，1∶6，1∶7，1∶8，1∶9（g/mL）的料液比添加無(wú)水乙醇溶液（乙醇有利于安全生產(chǎn)），50%功率超聲處理10min，在30℃條件下浸提30 min，過(guò)濾后取適當(dāng)濾液真空干燥4 h，比色法測(cè)定活性成分含量并計(jì)算得率，考察不同料液比對(duì)提取率的影響。

1.4.3.2 溫度 準(zhǔn)確稱取原料200.0 g，利用組織搗碎機(jī)破碎至漿狀，以1∶6（g/mL）的料液比添加無(wú)水乙醇溶液，50%功率超聲處理 10 min，分別在30，35，40，45，50 ℃條件下浸提 30 min，過(guò)濾后真空干燥4 h，比色法測(cè)定活性成分含量并計(jì)算得率，考察不同溫度對(duì)提取率的影響。

1.4.3.3 時(shí)間 準(zhǔn)確稱取原料200.0 g，利用組織搗碎機(jī)破碎至漿狀，以1∶6（g/mL）的料液比添加無(wú)水乙醇溶液，50%功率超聲處理10 min，在30℃條件下分別浸提 20，30，40，50，60 min，過(guò)濾后真空干燥4 h，比色法測(cè)定活性成分含量并計(jì)算得率，考察不同時(shí)間對(duì)提取率的影響。

1.4.3.4 超聲功率 準(zhǔn)確稱取原料200.0 g，利用組織搗碎機(jī)破碎至漿狀，以1∶6（g/mL）的料液比添加無(wú)水乙醇溶液，分別利用40%，50%，60%，70%，80%的功率超聲處理10min，在30℃條件下浸提30min，過(guò)濾后真空干燥4 h，比色法測(cè)定活性成分含量并計(jì)算得率，考察不同超聲功率對(duì)提取率的影響。

1.4.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)[17]在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以蘆薈活性成分提取率為考察指標(biāo)，選取4因素3水平進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素及水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)結(jié)果采用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算及分析，得出最佳提取工藝參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 料液比對(duì)蘆薈活性成分提取率的影響 從圖1可以看出，提高溶劑用量，蘆薈活性成分提取率增加，料液比（1∶5）～（1∶6）（g/mL）增加幅度較大，料液比為1∶6（g/mL）時(shí)，蘆薈活性成分提取率達(dá)到 0.79%，但料液比（1∶6）～（1∶9）（g/mL）之間曲線趨于平緩，說(shuō)明再次提高溶劑用量對(duì)提取率影響不大，據(jù)實(shí)際操作需要，料液比選擇1∶6（g/mL）為宜。

2.1.2 溫度對(duì)蘆薈活性成分提取率的影響 從圖2可以看出，當(dāng)溫度為35～40℃時(shí)，蘆薈活性成分提取率提高較大，45℃達(dá)到最大提取率（1.23%）；溫度升高到50℃時(shí)提取率略有下降，可能溫度對(duì)可測(cè)活性成分造成損失，導(dǎo)致得率下降。綜合考慮，選擇40℃有利于活性成分的提取。

2.1.3 浸提時(shí)間對(duì)蘆薈活性成分提取率的影響從圖3可以看出，浸提30 min，能導(dǎo)致活性物質(zhì)大幅溶出；浸提30～50 min，活性成分提取率增加緩慢；50 min時(shí)活性成分提取率達(dá)到最大值0.79%；再延長(zhǎng)浸提時(shí)間至60 min，活性成分得率稍有下降，這可能是有機(jī)溶劑與部分活性成分發(fā)生了有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，因此，選擇30 min作為提取時(shí)間。

2.1.4 超聲功率對(duì)蘆薈活性成分提取率的影響由圖4可知，超聲處理能提升蘆薈活性成分提取率，超聲功率在40%～60%時(shí)，活性成分提取率增加較慢，超聲對(duì)植物細(xì)胞的處理效果不明顯；超聲功率為70%時(shí)，活性成分提取率達(dá)最大值（1.20%）；超聲功率為80%時(shí)，活性成分為1.13%，這可能是由于超聲對(duì)活性成分的破壞所致。因此，實(shí)際操作中選擇超聲功率為70%為宜。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果[18-19]

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及方差分析 利用Design-Expert 8.0.6軟件中的Box-Behnken程序進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析，試驗(yàn)方案及結(jié)果列于表2，分析結(jié)果列于表3。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

從表 3可以看出，料液比（A）、處理時(shí)間（C）、超聲功率（D）的一次項(xiàng)達(dá)到顯著水平（P＜0.05），表明這3個(gè)因素對(duì)蘆薈活性成分得率的線性效應(yīng)顯著；AC，CD交互效應(yīng)顯著（P＜0.05），說(shuō)明各因素對(duì)蘆薈活性成分得率的影響是非線性的；所有二次項(xiàng)對(duì)蘆薈活性成分得率的曲面效應(yīng)達(dá)到極顯著（P＜0.000 1）；二次方程模型達(dá)極顯著水平（P＜0.000 1），失擬項(xiàng)不顯著（P＞0.05），說(shuō)明回歸方程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了較好的擬合，R2＝0.95，R2adj＝0.90，試驗(yàn)結(jié)果是可信的。

二次回歸方程為 ：R1＝1.49＋0.044A＋5.642E－003B＋0.052C＋0.091D－0.032AB＋0.066AC＋0.016AD＋9.000E－004BC－0.034BD＋0.066CD－0.17A2－0.15B2－0.21C2－0.28D2。

表3 回歸模型方差分析

2.2.2 響應(yīng)面分析及最優(yōu)參數(shù)確定 因素對(duì)提取 率影響力的向應(yīng)面和等高線如圖5所示。

從圖5可以看出，任何2個(gè)交互因素在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)的響應(yīng)值都有最大提取率。其中，料液比與提取時(shí)間的交互作用顯著，2個(gè)因素對(duì)提取率的影響程度比較均衡；提取時(shí)間與超聲功率的交互作用顯著，超聲功率對(duì)提取率的影響效果稍大于提取時(shí)間，說(shuō)明了超聲對(duì)蘆薈組織細(xì)胞的破壞作用能提高提取率，其他交互作用不顯著。

根據(jù)軟件分析得出，蘆薈活性成分提取各因素的影響從大到小排序?yàn)镈＞C＞A＞B，最佳工藝條件為：料液比為1∶6.17（g/mL），提取溫度為39.90℃，提取時(shí)間為31.79 min，超聲功率為71.87%，蘆薈活性成分得率理論預(yù)測(cè)值為1.50%。

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對(duì)蘆薈活性成分提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，最佳工藝參數(shù)為：料液比1∶6（g/mL），提取溫度40℃，提取時(shí)間30 min，超聲功率70%，建立了可信的預(yù)測(cè)模型，以獲得的最佳工藝參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，蘆薈活性成分的得率為1.49%，與分析預(yù)測(cè)值1.50%比較接近，充分證明此優(yōu)化方案可行，能夠?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。