响应曲面法优化芦荟蒽醌提取工艺的研究

张 霜，李 燕

(上海海洋大学食品学院，上海201306)

响应曲面法优化芦荟蒽醌提取工艺的研究

张 霜，李 燕*

(上海海洋大学食品学院，上海201306)

采用响应曲面法的中心组合设计对超声波辅助提取库拉索芦荟中的蒽醌类物质的提取工艺参数进行优化研究。考察提取时间、液料比、乙醇浓度、超声功率对芦荟蒽醌提取率的影响，并建立数学模型。利用Minitab软件对数据进行回归分析，得到芦荟蒽醌提取率的二次多项式回归方程的预测模型。结果表明，库拉索芦荟蒽醌超声辅助提取的优化工艺条件为:提取时间40min，液料比50∶1(mL/g)，乙醇浓度80%，超声功率600W。在此条件下，库拉索芦荟全叶烘干粉中蒽醌类物质的提取率为2.868%。

芦荟蒽醌，超声波辅助提取，响应曲面法，中心组合设计

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

库拉索芦荟(三年生)全叶烘干粉 云南万绿生物股份有限公司;1，8－二羟基蒽醌标准品 色谱纯，德国Dr.Ehrenstorfer公司;无水乙醇、无水甲醇 分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

XH－2008D电脑智能温控低温超声波合成萃取仪 北京祥鹄科技发展有限公司;多功能粉碎机广东佛山市方胜电器有限公司;UV－2000紫外分光光度计 上海尤尼柯仪器有限公司;SHZ－Ⅲ循环水真空泵 上海锦华层析设备厂;RE－52AA旋转蒸发器 上海雅荣生化设备仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 对照品标准溶液的配制及标准曲线的绘制用分析天平精确称量40mg 1，8－二羟基蒽醌标准品，将标准品溶于无水甲醇中并定容到250mL容量瓶中，摇匀后得到浓度为0.16mg/mL的对照品标准溶液。分别取1、1.5、2、2.5、3、3.5mL对照品标准溶液于100mL容量瓶中，并用无水甲醇定容，摇匀后得到浓度为0.0016、0.0024、0.0032、0.0040、0.0048、0.0056mg/mL的溶液。采用直接比色法［7］，以无水甲醇作为空白对照，在224nm波长下测定以上溶液的吸光度，以蒽醌溶液的浓度为横坐标，吸光度为纵坐标制作标准曲线。

1.2.2 样品浓度的测定 称取1g左右的库拉索芦荟全叶烘干粉，按照一定的液料比溶解在某浓度的乙醇溶液中，超声水浴温度设定为35℃，进行超声辅助提取。再将提取溶液真空抽滤，滤液进行旋转蒸发，旋转蒸发的温度不宜过高(最好不超过65℃)，防止某些蒽醌类物质的转化。用定量的无水甲醇洗下旋转蒸发瓶内的蒸干物质，所得到的溶液稀释一定的倍数后在224nm下测定吸光度，参照标准曲线算出相应的浓度。根据下述公式计算提取率:

式中:V为甲醇溶液的体积(mL)，C为测定吸光值对应的浓度(mg/mL)，N为稀释倍数，m为库拉索芦荟全叶烘干粉的质量(mg)。

1.3 实验设计

单因素实验结果显示，影响芦荟蒽醌提取率的影响因素有:提取时间、液料比、乙醇浓度、超声功率。根据中心组合的原理，每个影响因素设置5个水平(A=2)，如表1所示。

表1 实验因素与水平编码表Table 1 Independent variables’levels and their codes

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 提取时间对芦荟蒽醌提取率的影响 在液料比为40∶1(mL/g)、乙醇浓度为60%和超声功率500W的条件下，考察提取时间对芦荟蒽醌提取率的影响。如图1所示，10～30min内提取率随着时间的增加明显提高，30min后随时间的延长，提取率的增长平缓，并在40min后出现下降趋势。时间过长会有其它杂质浸出，不利于提取物的溶出。考虑节能因素，本实验选择30min为适宜提取时间。

2.1.2 液料比对芦荟蒽醌提取率的影响 在提取时间为20min、乙醇浓度为60%和超声功率500W的条件下，考察液料比对芦荟蒽醌提取率的影响。如图2所示，当液料比在30∶1～45∶1时，随着液料比的增加，提取率上升较快，液料比为45∶1时上升到最高点，随着液料比不断增加提取率反而有所下降。本实验选取液料比为45∶1。

图1 提取时间对芦荟蒽醌提取率的影响Fig.1 Effect of time on the yield of aloe anthraquinone

图2 液料比对芦荟蒽醌提取率的影响Fig.2 Effect of ratio of solvent to raw material on the yield of aloe anthraquinone

2.1.3 乙醇浓度对芦荟蒽醌提取率的影响 在提取时间为20min、液料比为40∶1(mL/g)和超声功率500W的条件下，考察乙醇浓度对芦荟蒽醌提取率的影响。如图3所示，随着乙醇浓度的升高，提取率也逐渐增大。乙醇浓度达到70%时，提取率不再明显增长，最后却有所下降。可能是乙醇浓度的提高增加了溶液体系的粘度，影响了传质的速率。本实验选取浓度70%的乙醇。

图3 乙醇浓度对芦荟蒽醌提取率的影响Fig.3 Effect of ethanol concentration on the yield of aloe anthraquinone

2.1.4 超声功率对芦荟蒽醌提取率的影响 在提取时间为20min、液料比为40∶1(mL/g)和乙醇浓度为60%的条件下，考察超声功率对芦荟蒽醌提取率的影响。如图4所示，超声功率在200～500W的范围内，提取率随着功率的增大而增长，500W以后提取率增长趋于平缓，并在800W条件下有所下降。考虑到节能的因素，本实验选取500W的超声功率。

图4 超声功率对芦荟蒽醌提取率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic power on the yield of aloe anthraquinone

2.2 回归模型拟合

利用Minitab软件进行中心组合法设计，并根据1.2.1所得标准曲线的线性回归方程 Y=138.9x+ 0.053，r=0.997及1.2.2中计算提取率的公式进行计算，如表2所示。对表2实验数据进行多元回归拟合，得到库拉索芦荟蒽醌提取率(Y)对提取时间(A)其实验安排及结果、液料比(B)、乙醇浓度(C)、超声功率(D)的二次多项式回归模型为:

表2 中心组合实验设计与结果Table 2 Central Composite design matrix and the responses of the dependent variables

Y=13.53－0.1298A－0.304B－0.0143C－0.0125D+ 0.0008A2+0.0014B2－0.0007C2－0.0003AB+0.0013AC +0.0011BC+0.0002BD+0.0001CD，其中A、B、C、D分别代表提取时间、液料比、乙醇浓度、超声功率四个影响因子。

2.3 回归模型的方差分析与显著性检测

为检验回归方程的有效性，对回归方程进行方差分析，见表3。回归模型的方差分析结果为F= 12.72，对应的P＜0.0001，表明该模型高度显著。本实验中决定系数R2=0.952，说明芦荟蒽醌提取率的实验值与模型回归值有良好的拟合性。回归模型的标准误差S=0.111，S值越小，说明回归模型对响应的预测越好。失拟项用来检测回归模型与实际实验设计的拟合程度的好坏。如果失拟项显著，说明对响应值有影响的还有其它因素。失拟项P=0.784＞0.05，失拟项不显著，从而表明该模型能够对库拉索芦荟中蒽醌类物质的提取进行准确的预测和分析。

表3 回归模型的方差分析Table 3 Analysis of variance to the regression model

模型的系数显著性检验见表4。P值用来检测各系数的显著性。P值越小，则相应的系数越显著。当P＜0.05时，则认为该系数是显著的。从表4中可以看出A、B、C、A2、C2、AC、BD、CD的系数显著。由此可以看出，提取时间、液料比和乙醇浓度对芦荟蒽醌的提取率有显著影响，提取时间与乙醇浓度的交互作用对提取率有高度显著的影响，液料比与超声功率的交互作用以及乙醇浓度与超声功率的交互作用均对提取率有显著影响。

表4 回归模型的系数的显著性检验Table 4 Significant test of coefficients for the quadratic regression model

2.4 响应曲面分析与优化

三个显著的两因子交互影响的三维曲面如图5～图7所示，另外两个因子的值保持为中心点的值。利用响应曲面分析进行回归预测和优化后，芦荟蒽醌提取率的最大预测值为2.887%，此时的提取条件为:提取时间40min，液料比50∶1(mL/g)，乙醇浓度80%，超声功率600W。根据最优条件进行验证，验证3次，实际取得的提取率平均值为2.868%，与预测理论值相比，其偏差率为0.6%，而最优条件下的提取率均值与响应分析实验最大值2.905%相比，其偏差率为1.2%，在可接受范围内。

图5 乙醇浓度和超声功率对芦荟蒽醌提取率影响的响应曲面图Fig.5 Response surface graph of showing the effect of ethanol concentration and ultrasonic power on the yield of aloe anthraquinone

图6 液料比和超声功率对芦荟蒽醌提取率影响的响应曲面图Fig.6 Response surface graph of showing the effect of ratio of solvent to raw material and ultrasonic power on the yield of aloe anthraquinone

3 结论与讨论

超声波辅助提取法从库拉索芦荟全叶烘干粉中提取蒽醌类物质，并利用Minitab软件通过响应曲面法分析对提取蒽醌的工艺条件进行优化研究，使蒽醌提取率达到最大值。经回归模型拟合，超声波辅助提取库拉索芦荟蒽醌的最佳提取条件为:提取时间40min，液料比50∶1(mL/g)，乙醇浓度80%，超声功率600W，对最佳工艺修正后得到的3次芦荟蒽醌平均提取率为2.868%。

图7 提取时间和乙醇浓度对芦荟蒽醌提取率影响的响应曲面图Fig.7 Response surface graph of showing the effect of extraction time and ethanol concentration on the yield of aloe anthraquinone

芦荟的品种很多，李培［8］等人使用中华芦荟研究超声波辅助提取芦荟蒽醌。2009年2月6日，卫生部等6部关于含库拉索芦荟凝胶食品标识规定的公告，规定芦荟产品仅有库拉索芦荟凝胶可用于食品生产加工。本文实验选择库拉索芦荟全叶烘干粉作为提取原料来研究，更具有一定的针对性。

一般传统的提取方法如周建青［9］等人采用回流法提取，实验的最佳提取条件是乙醇浓度95%，提取时间1.5h，提取温度控制在80～90℃，与本实验相比，其回流时间较长且提取温度较高。由此可以看出超声波辅助提取法在缩短实验周期、降低能耗方面具有优势。另外，超声波辅助提取的温度较低，不会影响蒽醌类物质的活性，对后续的研究有利。

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Study on the optimal extraction of anthraquinone from Aloe by response surface methodology

ZHANG Shuang，LI Yan*
(Shanghai Ocean University College of Food Science and Technology，Shanghai 201306，China)

Central composite design of response surface methodology(RSM)was applied to optimize the ultrasonic－assisted extraction conditions of anthraquinone from Aloe barbadensis.Experimental design was used to investigate the effect of four factors(extraction time，ratio of solvent to raw material，ethanol concentration，power of ultrasonic)on anthraquinone production.The regression equation of the relationship between the four factors was also established.The predictive model of polynomial quadratic equation was analyzed by Minitab software.The results indicated that the optimum extraction conditions of the Aloe barbadensis anthraquinone were as follows: ultrasonic extraction time 40min，ratio of solvent to material 50∶1(mL/g)，ethanol concentration 80%，power of ultrasonic 600W.Under the optimized condition，the yield of anthraquinone extracted from whole Aloe barbadensis drying powder was 2.868%.

Aloe anthraquinone;ultrasonic－assisted extraction;response surface methodology;central composite design

TS201.2

B

1002－0306(2012)08－0326－04

芦荟为百合科耐旱性多年生肉质草本植物，种类繁多，其中具有药用价值的品种有库拉索芦荟(Aloe barbadensis)、木立芦荟(Aloe arborescens)、中华芦荟(Aloe vera L.varchinensis)等。芦荟中蒽醌类物质是芦荟叶渗出汁的主要成分，在渗出物的干燥物中达9%～30%。蒽醌类物质种类很多，目前发现约有20种［1］，主要包括芦荟苷、芦荟大黄素、大黄素、大黄酚、大黄酸、芦荟酊等。芦荟中的蒽醌物质有抗氧化、抗菌、抗肿瘤等活性［2－4］。从芦荟中提取蒽醌有很多方法，如回流法和浸渍法。这些方法往往具有时间长、能耗大，可能导致活性受损等缺点［5］。采用超声波辅助提取库拉索芦荟中的蒽醌，因为超声波产生了“空化效应”，即样品颗粒附近的高浓度液体不断被低浓度液体代替，加快了传质速度，减小了扩散阻力，提取物有效浸出，在保留活性的同时也缩短了时间、提高了生产效率［6］。本研究将响应曲面法应用于库拉索芦荟蒽醌的超声波提取工艺优化中，采用中心组合设计(Central composite design)方案，对超声波提取库拉索芦荟中蒽醌的影响因子—提取时间、液料比、乙醇浓度、超声功率做进一步探索，旨在建立超声波提取芦荟蒽醌的二次多项式数学模型并优化提取的工艺条件。

2011－07－25 *通讯联系人

张霜(1985－)，女，研究生，研究方向:天然产物提取与开发。