响应面法优化超声波提取苍耳子油工艺

王艳珍，黄文灿，赵明智，刘明石，张瑶，杨东生,3,*

（1.吉林大学珠海学院，广东 珠海519041；2.吉林大学药学院，吉林 长春130021；3.吉林大学畜牧兽医学院，吉林 长春 130062）

响应面法优化超声波提取苍耳子油工艺

王艳珍1，黄文灿2，赵明智1，刘明石1，张瑶1，杨东生1,3,*

（1.吉林大学珠海学院，广东 珠海519041；2.吉林大学药学院，吉林 长春130021；3.吉林大学畜牧兽医学院，吉林 长春 130062）

采用响应面优化超声波提取苍耳子中苍耳子油的提取工艺。优选溶剂后，在单因素试验基础上，选择提取过程中的提取时间、液料比和超声波功率为随机因子，进行三因素三水平Box-Behnken中心组合设计，采用响应面法分析（RSM）3个因素对苍耳子油提取率的影响。结果表明，超声波法提取苍耳子油的最优条件为:提取溶剂为乙醇,提取时间为26.3 min、液料比10.02∶1（mL∶g）、超声波功率309.1 W，模型预测苍耳子油提取率理论值可达到9.246%,在最优的条件下进行3次验证试验，苍耳子油的平均得率为9.250%,与理论值的相对误差为0.04%。

苍耳子;苍耳子油;超声波提取法;响应面优化法

Abstract：Response surface analysis methodology（RSM）was applied to optimize the ultrasonic-assisted extraction conditions of xanthium oil from Xanthium sibiricum Patr..After the optimum solvent ethanol was obtained,the single-factor experiments and Box-behnken central component experiments design were applied.The concentrations of ethanol in solvent,extraction time,ratio of liquid to solid and ultrasonic power were chosen as casual factors.RSM was employed to study on the effect of these factors on the yield of xanthium oil from Xanthium sibiricum Patr..The results show that the optimum solvent was ethanol,extracting time 26.3 min,ratio of liquid to solid 10.02∶1,ultrasonic power 309.1 W.Validation experiments were carried out at these optimum conditions,the average yield of general Xanthium oil is 9.250%.

Key words:Xanthium sibiricum Patr.;Xanthium oil;ultrasonic extraction;response surface methodology（RSM）

苍耳子为菊科（Compositae）苍耳属植物（Xanthium L.）成熟干燥后带总苞的果实[1]。全世界约有25种，分布于美洲、欧洲、亚洲和非洲北部，我国现有苍耳品种6个，其中西伯利亚苍耳分布最为广泛[2]。苍耳子作为一种重要的药食同源药材，有很强的药用和食用价值。具有祛风散热、解毒杀虫之功效，中医常用于治疗头晕、目赤、疯癫、皮肤瘙痒等[3]。苍耳子油在苍耳子中含量约占40%，是主要的活性成分之一[4]。我国早在宋代就有苍耳子油的药用和食用记载，苍耳子油中约78%的成分是亚油酸，同时亚油酸在制药和食品领域具有广泛的开发价值。然而目前对苍耳子的研究以化学成分的解析、药理药效和临床居多[5-7]，对苍耳子有效成分提取工艺的探索较少，有限的研究主要集中在单因子试验和正交试验方法上，少有对苍耳子油提取过程中提取因子和提取率之间和提取因子之间的关系进行深入的研究，为提高苍耳子油的提取率，对苍耳子油提取过程中涉及的影响因子进行全面合理的研究分析是非常重要。

响应面法（Response Surface Methodology，RSM）系采用多元二次回归函数作为模型拟合的工具，将多因子试验中因子与指标的相互关系用二次多项式进行拟合，研究因子与响应值之间、因子与因子之间的相互关系。集统计学、数学建模和计算机科学为一体，用于工艺条件优化的有效方法。以较少试验次数和较短时间对所选的试验参数进行全面研究，在生物化工过程优化中有着广泛应用[8-10]。

以我国分布广泛的西伯利亚苍耳的苍耳子油的提取过程为研究对象，对超声波辅助苍耳子油的提取工艺进行了优选，在单因子试验的基础上，采用响应面法对超声时间、超声功率和提取的液料比工艺进行全面的研究，为苍耳子油的生产率的提高及其开发应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

1.1.1 材料

西伯利亚苍耳购于药房。

1.1.2 主要试剂

丙酮、乙醚、乙醇、乙酸乙酯、环己烷和二氯甲烷，国产分析纯。

1.1.3 主要仪器

FW100高速万能粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司;KS-600超声波细胞粉碎机：宁波科生仪器厂；MPA200万分之一电子天平：德国赛多利斯；恒温水浴锅：江苏金坛医疗器械厂；RE-52旋转蒸发仪：上海亚荣生化仪器厂。

1.2 方法

1.2.1 样品预处理

苍耳子用万能粉碎机间隔粉碎，过40目筛，制成粉末样品待用。

1.2.2 苍耳子油的超声提取工艺

精密称取一定量的苍耳子粉末样品，放入锥形瓶中，加入适量的溶剂进行超声间隔提取[11]，提取液转入蒸馏装置，将溶剂蒸发完全，精密称取馏分为苍耳子油的质量。

1.2.3 苍耳子油提取率的计算

1.2.4 提取溶剂的选择

称取10.000 g的苍耳子粉末，分别采用100 mL丙酮、乙醚、乙醇、乙酸乙酯、环己烷和二氯甲烷作为提取溶剂，300 W功率超声间隔提取20 min，考察提取溶剂对苍耳子油提取率的影响。

1.2.5 提取时间对提取率的影响

称取10.000 g的苍耳子粉末，以1.2.4所选择的最优溶剂，分别考察不同提取时间对苍耳子油提取率的影响。

1.2.6 提取液料比对提取率的影响

采用以1.2.4所优选的溶剂，1.2.5所选的最优时间，分别考察不同液料比对苍耳子油提取率的影响。

1.2.7 响应面法优化苍耳子油提取工艺

在单因素试验的基础上,应用Box-Behnken[11]中心组合进行三因素三水平的试验设计，以苍耳子油提取率为响应值，采用响应面法进行分析[12],试验因素及水平安排见表1。

表1 响应面分析因子及水平表Table 1 Factors and levels of RSM analysis

2 结果与讨论

2.1 提取溶剂对苍耳子油提取率的影响

不同提取溶剂丙酮、乙醚、乙醇、乙酸乙酯、环己烷和二氯甲烷作为提取溶剂对苍耳子中苍耳子油提取率的影响如图1所示。由图1可以看出，同等条件下采用乙醇作为溶剂，苍耳子油的提取率最高，三氯甲烷效果最差。溶剂的极性对超声波提取是关键的因素之一，合适的溶剂极性不仅能够使细胞在超声情况下容易破碎，还可以使提取的有效成分能够更好的溶解在溶剂中。

2.2 超声时间对提取率的影响

采用乙醇为溶剂，液料比为 10∶1（mL∶g），分别考察超声提取时间为 10、15、20、25、30 和 40 min 时苍耳子油的提取率，结果如图2。

由图2可以看出，提取率随时间的延长呈逐渐上升趋势，提取时间到达25 min后，苍耳子油提取率已趋于稳定，从时间和能源方面考虑，选取提取时间为25 min。

2.3 液料比对苍耳子油提取率的影响

采用乙醇为溶剂，提取时间为25 min，分别考察液料比为 4∶1、6∶1、8∶1、10∶1、12∶1、14∶1（mL∶g）时对苍耳子油提取率的影响,结果如图3。

由图3可以看出，开始时苍耳子油提取率随着液料比的增加而增加,而当液料比达到 10∶1（mL∶g）时，苍耳子油提取率达到最高,而液料比大于10∶1时,提取率变化不明显,所以最佳的提取液料比在10∶1左右。

2.4 超声功率对提取率的影响

采用乙醇为溶剂,提取时间为25 min，液料比为10∶1（mL∶g），考察超声波功率分别为 200、250、300、350、400、450、500 W对苍耳子油提取率的影响,结果如图4。

由图4可以看出,开始时苍耳子油提取率随提取的超声功率的升高而增大，350 W时达到最大,而功率超过350 W后,提取率随着超声功率的增加反而下降。适当的超声波功率能够对细胞有很好的破碎和提取作用，超声波的功率过大时，对提取物而言可能是一种损害，加速了提取物在溶剂中的降解和挥发，破坏了提取物的成分。所以超声波提取苍耳子油的最佳功率在350 W左右。

2.5 响应面分析法优化苍耳子油超声提取的条件

在单因素试验的基础上,采用Box-Behnken中心组合进行三因素三水平的试验设计。试验设计及结果如表 2，以 X1=（Z1－25）/10,X2=（Z2－10）/2.5,X3=（Z3－350）/50为自变量,以苍耳子油提取率Y为响应值,采用SAS RSREG程序进行响应面分析试验。

表2 响应面试验设计方案及试验结果Table 2 The experiment design and results of RSM

如表2所示,Box-Behnken中心试验设计了15个试验点，1~12点为析因试验点，13~15为中心试验，用来估计试验误差。同时通过拟合得到响应面的二次方程为：Y=8.59466+0.278214X1+0.092739X2-1.549271X3-0.820094 X1X1+0.381863 X1X2+0.087283 X1X3-0.972841X2X2+0.152744X2X3-0.940109X3X3。

SAS RSREG回归分析对方程和方程的各个因子进行分析，结果见表3。

表3 方程ANOVA分析的结果Table 3 The results of ANOVA

回归方程中各变量对响应值影响的显著性用F检验来判定，概率 P（F＞Fα）值越小，则相应变量的显著程度越高，P（F＞Fα）<0.01 时影响为高度显著，P（F＞Fα）<0.05 影响显著。由表3的分析结果可以看出：模型回归P为0.000561，说明模型回归高度显著，X3（超声功率）、X12（超声时间）、X22（液料比）和X32（超声功率）的平方项对苍耳子油的提取率影响高度显著；X1（超声时间）对苍耳子油的提取率影响显著；模型总体分析为一次项和二次项影响显著，交互作用不太明显，在3对交互作用的分析中，X1（超声时间）和X2（液料比）的交互作用相对较强，其它的都不显著。模型的回归系数R2为98.42%，说明模型响应值（苍耳子油提取率）的变化98.42%来自所选因变量，即超声时间、液料比和超声功率。响应面的回归方程代表了试验点中的98.42%。因此，回归方程可以较好地描述与响应值之间的真实关系，利用此回归方程对试验结果进行计算是合理可行的。

图5～图7是通过多元回归方程使用MatlabR 2008a所作的响应曲面图及其等高线图，所拟合的响应曲面和等高线图能比较直观的反应各因素和各因素间的交互作用和因素与响应值Y之间的作用，图5～图7表明，3个响应曲面均为开口向下的凸形曲面，同时等高线最小椭圆的中心在所选的-1～1范围内，说明响应值（苍耳子油提取率）在3个因子设计的范围内存在最大值。3个图中的等高线中图5中等高线为椭圆形状，同时低编码值的X1和高编码值的X1时，响应值Y随着X2的变化，变化趋势不同。说明X1（提取超声时间）和X2（液料比）有一定的交互作用，这与方差分析的结果相吻合。分析图6和图7，这种交互的关系不明显，说明X2和X3，X1和X3间交互效应不显著，比较几个图可以看出X3（超声功率）对响应值苍耳子油提取率）的影响比较大，表现为响应值的变化比较大。

SAS软件对模型极性分析给出了模型预测的响应值最大提取率为：9.246%，同时取得此最大值的相关因子取值为：X1=0.128143、X2=0.008649 和 X3=-0.81733，根据编码值与非编码值的转换式解得Z1＝26.28、Z2＝10.022和Z3＝309.13。因此，考虑到试验和工业生产的可行性，模型推算的超声波法提取苍耳子油的最佳工艺为：以乙醇为提取溶剂，提取时间为26.3 min，液料比为 10.02∶1（mL∶g）和超声功率为 309.1 W。

2.6 验证试验

在响应面分析法求得的最佳条件下对苍耳子油进行3次提取试验，苍耳子油平均提取率为9.250%,与理论值相对误差为0.04%,验证值与回归方程所预测值相吻合得很好，验证了此模型的可行性。

3 结论

1）本文对苍耳子油的超声提取工艺做了较为全面的研究，首先进行了溶剂的筛选，得到了适合苍耳子油提取的最佳溶剂为乙醇。优选溶剂后，以超声时间，液料比和超声功率为影响因子，在单因素试验结果的基础上，应用Box-Benhnken中心组合方法进行三因素三水平的试验设计，以苍耳子油提取率为响应值，运用响应面法对提取工艺进行进一步模型的优化。模型的分析结果表明：拟合模型的相关系数R2为98.42%，说明模型很好的拟合了试验数据。超声功率、超声时间、液料比和超声功率的平方项对苍耳子油的提取率影响高度显著；超声时间对苍耳子油的提取率影响显著，模型总体分析为一次项和二次项影响显著，表明这3个因子对苍耳子油提取率的影响不是简单的线性关系。

2）模型回归分析和验证试验的结果表明，此方法合理可行。得到苍耳子油提取的最佳工艺为：以乙醇为提取溶剂，提取时间为26.3 min，液料比为10.02∶1（mL∶g）和超声功率为 309.1 W。模型预测苍耳子油提取率理论值可达到9.246%，3次验证试验的平均提取率为9.250%，与预测值相对误差为0.04%。对工业大批量提取苍耳子油具有很强的指导意义。

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Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction of Xanthium Oil from Xanthium Sibiricum Patr.Using Response Surface Method

WANG Yan-zhen1,HUANG Wen-can2,ZHAO Ming-zhi1,LIU Ming-shi1,ZHANG Yao1,YANG Dong-sheng1,3,*
（1.Zhuhai College Jilin University，Zhuhai 519041，Guangdong,China；2.School of Pharmaceutical Sciences，Jilin University，Changchun 130021，Jilin,China；3.College of Animal Science and Veterinary Medicine，Jilin University，Changchun 130062，Jilin,China）

2010-01-27

王艳珍(1982—),女（汉），助教，硕士，主要从事生物技术

制药的研究。

*通讯作者：杨东生(1980—),男（汉）,助理工程师，主要从事生物技

术制药的研究。