堿提酸沉法提取玉米須蘆丁的工藝優(yōu)化

張躍彬，王玉榮，王振宇，馬成可，史雅靜

(遼寧科技學(xué)院生物醫(yī)藥與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004)

玉米須為禾本科植物玉米雌穗的花柱及柱頭，在玉米籽粒的生長過程中作為傳粉受精的媒介和通道[1]。玉米須含有多種活性成分，如黃酮類化合物、皂甙、植物甾醇、氨基酸和有機酸等[2]。在玉米干品各組織中，玉米須中的黃酮類化合物含量最高[3]。蘆丁屬于黃酮類化合物，廣泛存在于各類植物中，如自蕓香葉、煙葉、橙皮、玉米須、蕎麥花等。蘆丁作為一種維生素類藥物，具有抗病毒、抗自由基活性、抗脂質(zhì)過氧化、提高機體免疫防御、抑制醛糖還原酶等作用[4-5]，能降低毛細(xì)血管的脆性和通透性，保持和恢復(fù)毛細(xì)血管的正常彈性，主要用于輔助治療高血壓等心血管疾病。蘆丁對紫外線有較強的吸收作用，可用作防曬霜的主要成分；另外還可以用作食品添加劑和食用色素等[6]。

蘆丁的提取方法較多，常用的有有機溶劑提取法、超聲波提取法、酶提取法、堿提酸沉法、超臨界萃取法等[7]。其中堿提酸沉法相較于其它方法，具有經(jīng)濟、安全、提取率高等優(yōu)點。蘆丁含有酚羥基，易溶于含有羥基的堿性水溶液或堿性稀醇溶液。堿提酸沉法是將含蘆丁物質(zhì)溶解于堿性水溶液中，再加酸沉淀析出粗蘆丁。作者以玉米須為原料，采用堿提酸沉法提取玉米須蘆丁，在單因素實驗的基礎(chǔ)上，分別通過正交實驗和響應(yīng)面法考察料液比、水浴溫度、水浴時間等因素對玉米須蘆丁提取率的影響，并對正交實驗和響應(yīng)面法優(yōu)化的提取工藝進行比較，為堿提酸沉法提取玉米須蘆丁的工藝研究和實際生產(chǎn)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

玉米須，采自內(nèi)蒙古通遼市郊區(qū)。將玉米須清洗去塵，干燥，用粉碎機粉碎過篩(40目)后，置于陰涼干燥處保存。

蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品(純度>98%)，西安開來生物工程有限公司；無水乙醇、石灰水、硼砂、硝酸鋁、亞硝酸鈉、氫氧化鈉等均為分析純。

FZ-06型中藥粉碎機，浙江溫嶺百樂粉碎設(shè)備廠；TU-1900型雙光束紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；GL-21M型高速冷凍離心機；HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋，國華電器有限公司；多功能智能pH檢測儀。

1.2 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

精密稱取蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品20 mg置于50 mL容量瓶中，加入60%乙醇溶解并定容至刻度，參照文獻[8-9]，采用亞硝酸鈉-硝酸鋁法測定吸光度。以蘆丁濃度(c)為橫坐標(biāo)、吸光度(A)為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，擬合得線性回歸方程為：A=11.345c-0.0118，R2=0.9984。

1.3 玉米須蘆丁的提取及提取率的測定

精密稱取2.0 g玉米須置于50 mL三角瓶中，加入0.1 g硼砂，按料液比1∶10(g∶mL，下同)加入20 mL蒸餾水，置于沸水中煮沸，降溫，調(diào)節(jié)pH值至8，70 ℃水浴加熱40 min后，6 000 r·min-1離心10 min，即得玉米須提取液。

取1 mL玉米須提取液，加水定容至50 mL，按1.2方法測定吸光度，依據(jù)線性回歸方程計算蘆丁濃度，按下式計算蘆丁提取率(%)：

式中：c為提取液中蘆丁濃度，g·mL-1；n為稀釋倍數(shù)；V為提取液體積，mL；m為玉米須質(zhì)量，g。

1.4 玉米須蘆丁提取工藝的優(yōu)化

以蘆丁提取率為評價指標(biāo)，采用單因素實驗考察料液比(1∶5、1∶10、1∶20、1∶30、1∶35)、水浴溫度(60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃)、水浴時間(20 min、30 min、40 min、50 min、60 min)、pH值(7、8、9、10、11)對堿提酸沉法提取玉米須蘆丁的影響。根據(jù)單因素實驗結(jié)果，選取料液比、水浴溫度和水浴時間為自變量，蘆丁提取率為響應(yīng)值，分別進行正交實驗和響應(yīng)面實驗，進一步優(yōu)化提取工藝。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗結(jié)果(表1)

表1 單因素實驗結(jié)果

由表1可知：(1)隨著料液比的減小，即提取溶劑用量的增加，玉米須蘆丁提取率呈先上升后下降的趨勢；在料液比為1∶20時，蘆丁提取率最高，這可能與提取溶劑和蘆丁的接觸面積、蘆丁溶解度相關(guān)[10-11]。故料液比以1∶20為宜。(2)隨著水浴溫度的升高，玉米須蘆丁提取率呈先上升后下降的趨勢；在水浴溫度為80 ℃時，蘆丁提取率最高，此時玉米須的細(xì)胞壁被破壞較完全[12]，蘆丁的可溶解性成分釋放基本達到穩(wěn)定，若繼續(xù)升高水浴溫度，活性物質(zhì)可能被破壞，蘆丁提取率反而會下降[10]。故水浴溫度以80 ℃為宜。(3)隨著水浴時間的延長，玉米須蘆丁提取率呈先上升后下降的趨勢；在水浴時間為40 min時，蘆丁提取率最高。故水浴時間以40 min為宜。(4)隨著pH值的增大，玉米須蘆丁提取率呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)pH值為8時，蘆丁提取率最高。故pH值以8為宜。

2.2 正交實驗結(jié)果(表2)

表2 正交實驗結(jié)果與分析

由表2可知，各因素對玉米須蘆丁提取率的影響大小依次為：料液比>水浴溫度>水浴時間；最優(yōu)提取工藝為A1B2C2，即料液比1∶15、水浴溫度80 ℃、水浴時間40 min。在最優(yōu)工藝條件下進行3次驗證實驗，玉米須蘆丁提取率平均值為5.8945%。

2.3 響應(yīng)面實驗結(jié)果

2.3.1 回歸模型的建立與分析

利用Design-Expert 8.0.6.1軟件進行Box-Behnken設(shè)計響應(yīng)面實驗，結(jié)果見表3。

對表3數(shù)據(jù)進行擬合，得到多元二次回歸模型方程：Y=6.20-1.47A+1.627×10-3B+0.014C-0.24AB-0.011AC+0.11BC-1.51A2-1.08B2-0.88C2?；貧w模型的方差分析見表4。

表3 響應(yīng)面實驗設(shè)計與結(jié)果

表4 回歸模型的方差分析

2.3.2 響應(yīng)面分析

料液比、水浴溫度、水浴時間的交互作用對蘆丁提取率影響的響應(yīng)面圖及等高線圖見圖1。

圖1 各因素交互作用對玉米須蘆丁提取率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖

由圖1可知，響應(yīng)曲面均為開口向下的凸形曲面，說明響應(yīng)值存在極高值；等高線中心均位于編碼值區(qū)域內(nèi)，且中心點位于顏色較深的區(qū)域，說明玉米須蘆丁提取的最優(yōu)條件存在于實驗所設(shè)計的因素與水平范圍內(nèi)。

由圖1a可知，水浴溫度和水浴時間的曲面均較平緩，對蘆丁提取率的影響不顯著。水浴溫度的曲面比水浴時間的曲面陡，等高線沿水浴溫度比軸向比水浴時間稍微密集，表明水浴溫度對蘆丁提取率的影響比水浴時間大。等高線為圓形，說明水浴時間與水浴溫度的交互作用較弱，對蘆丁提取率的影響不顯著。

由圖1b可知，料液比的曲面較陡，水浴時間的曲面較平緩，說明料液比對蘆丁提取率的影響顯著；等高線沿料液比比軸向比水浴時間密集，表明料液比對蘆丁提取率的影響比水浴時間大。等高線的形狀為橢圓形，說明料液比與水浴時間有交互作用，但對蘆丁提取率的影響不顯著。

由圖1c可知，料液比的曲面較陡，水浴溫度的曲面較平緩，說明料液比對蘆丁提取率的影響顯著；等高線沿料液比比軸向比水浴溫度密集，說明料液比對蘆丁提取率的影響比水浴溫度大。等高線的形狀為橢圓形，表明料液比與水浴溫度有交互作用，但對蘆丁提取率的影響不顯著。

綜上，各因素對玉米須蘆丁提取率的影響大小為：料液比>水浴溫度>水浴時間，與方差分析結(jié)果一致。通過軟件對模型極值求解和等高線分析，得出玉米須蘆丁的最優(yōu)提取工藝為：料液比1∶17、水浴溫度85 ℃、水浴時間40 min。在最優(yōu)工藝條件下進行驗證實驗，玉米須蘆丁提取率平均值為6.5328%，與理論最大值6.5649%非常接近。說明模型優(yōu)化的提取工藝切實可行，用響應(yīng)面法對玉米須蘆丁提取工藝進行優(yōu)化是合理的。

2.4 正交實驗與響應(yīng)面法優(yōu)化玉米須蘆丁提取工藝比較

通過正交實驗和響應(yīng)面法分析發(fā)現(xiàn)，兩種方法分析各因素對玉米須蘆丁提取率的影響結(jié)果基本一致，即料液比>水浴溫度>水浴時間，但采用響應(yīng)面法優(yōu)化得出的提取工藝條件更精確，且提取率更高。因此，采用響應(yīng)面法優(yōu)化玉米須蘆丁的提取工藝更合適。這與黃菊等[13]的研究結(jié)論一致，認(rèn)為正交實驗無法獲得整個區(qū)域上因素的最佳組合和響應(yīng)值的最優(yōu)值[14]，而響應(yīng)面法能夠克服這一缺點，可作為該類實驗優(yōu)化的參考依據(jù)。

3 結(jié)論

以玉米須為原料，采用堿提酸沉法提取玉米須蘆丁，在單因素實驗的基礎(chǔ)上，分別通過正交實驗和響應(yīng)面法考察了料液比、水浴溫度、水浴時間等因素對玉米須蘆丁提取率的影響。結(jié)果表明：兩種方法分析各因素對玉米須蘆丁提取率的影響結(jié)果基本一致，即料液比>水浴溫度>水浴時間。正交實驗確定的最優(yōu)工藝為：料液比1∶15(g∶mL)、水浴溫度80 ℃、水浴時間40 min，玉米須蘆丁提取率為5.8945%；響應(yīng)面法確定的最優(yōu)工藝為：料液比1∶17(g∶mL)、水浴溫度85 ℃、水浴時間40 min，玉米須蘆丁提取率為6.5328%。響應(yīng)面法優(yōu)化的玉米須蘆丁提取率優(yōu)于正交實驗優(yōu)化的，因此選擇響應(yīng)面法確定的最優(yōu)工藝提取玉米須蘆丁。