响应面法优化超声波法提取楮头红中总黄酮的工艺研究

邹金美，罗开梅，方清灵，叶玉华，余香妹，张国广

（闽南师范大学生物科学与技术学院，福建漳州363000）

响应面法优化超声波法提取楮头红中总黄酮的工艺研究

邹金美，罗开梅，方清灵，叶玉华，余香妹，张国广*

（闽南师范大学生物科学与技术学院，福建漳州363000）

采用响应面法优化楮头红鲜草中总黄酮的超声波提取工艺。在单因素实验的基础上，采用响应面分析法优化超声提取工艺条件。结果表明，楮头红总黄酮的最佳超声提取工艺为：提取温度56℃、超声功率870W、超声时间51min，该工艺条件下楮头红中总黄酮提取率为2.53mg/g，与预测值（2.55mg/g）的相对误差为0.87%，研究结果可以为楮头红总黄酮的提取提供参考。

楮头红，总黄酮，提取率，响应面分析

楮头红（Sarcopyramis nepalensis Wall）是野牡丹科肉穗草属植物，又名风柜斗草、耳环草，在我国主要分布于广东、广西、台湾、福建、江西、云南、湖北、湖南等省份，全草可药用，具有清热平肝、利湿解毒之功效，主治肺热咳嗽、头目眩晕、耳鸣、耳聋、目赤羞明、风湿痹病、跌打伤肿、疔疮肿毒[1]，该植物鲜草或干草在福建等地使用广泛，尤其对急性肝炎（甲肝、乙肝急性期）疗效最佳，对慢性肝炎及肝炎病毒携带者也有疗效[2-3]，在福建漳州除中药房外，市场上常年有鲜草售卖，是一种具有很好开发价值的药用植物资源。超声波提取法是利用超声波产生的机械作用、扩散、热效应以及空化作用加速细胞壁的破碎，促进细胞内有效成分的扩散和溶出[4]。具有提取时间短，有效成分提取率高，成本低、低温保护热敏性成分、污染小等优点，近年来被广泛用于黄酮类物质的提取[5-8]。楮头红中富含黄酮类、多糖、多酚、皂苷、鞣质、还原糖、有机酸、萜类等化学成分[2-3，9-16]，仅有其多糖物质提取工艺的报道[9]，主要活性成分物质总黄酮的提取工艺研究尚未见报道。本研究以楮头红鲜草为实验材料，采用超声波提取法，在单因素实验的基础上进行响应面优化，从而确定超声波提取楮头红总黄酮的最佳工艺，为楮头红的深加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

楮头红鲜草 漳州市芗城区北桥市场青草铺；芦丁标准品 中国食品药品检定研究院；无水乙醇、氢氧化钠、九水合硝酸铝、亚硝酸钠 国药集团化学试剂公司。

FJ200高速分散均质机 上海标本模型厂；AR124CN电子分析天平 美国奥豪斯公司；JY99-2D超声波细胞破碎仪 宁波新芝公司；UV-1750紫外可见光分光光度计 日本岛津公司。

1.2 实验方法

1.2.1 总黄酮标准曲线的绘制 芦丁配制成浓度为0.1mg/mL标准液，采用NaNO2-Al（NO3）3显色法测定标准曲线[16]。标准品芦丁取样量分别为0、1、2、3、4、5mL的6支反应管中测得的吸光值分别为0、0.138、0.264、0.395、0.518、0.644，经计算线性回归方程为A= 1.2831x+0.0057，R2=0.9997，芦丁标准品在一定浓度范围内与吸光度值呈良好线性关系。

1.2.2 楮头红中总黄酮的超声波提取单因素实验

将新鲜楮头红植株洗净，晾干后称取4g，研钵研碎，加40mL 60%乙醇于均质机上高速匀浆10min，再加入40mL 60%乙醇将匀浆的样品冲洗入烧杯中（液料比为1∶20），将烧杯置于超声波细胞破碎仪中超声破碎提取。分别考察四个单因素乙醇浓度（20%、40%、60%、80%、无水乙醇）、超声功率（400、600、800、1000、1200W）、超声时间（20、30、40、50、60min）、提取温度（35、45、55、65、75℃）对楮头红中总黄酮提取率的影响。当考察上述某个单因素时，该因素为变量，其他因素固定设置为提取时间50min，超声功率800W、提取温度55℃，破碎程序是破碎15s、间歇15s、超声频率40Hz，超声提取结束后抽滤得澄清溶液即为粗黄酮提取液。

1.2.3 楮头红中总黄酮提取率的计算 量取1mL总黄酮提取液，按NaNO2-Al（NO3）3显色步骤显色后[16]，在300～800nm波长范围内进行光谱扫描，光谱数据显示可见光区样品最大吸收峰与芦丁最大吸收峰510nm基本吻合，将样品510nm处吸光值数据代入线性回归方程求得滤液中总黄酮浓度，按公式Y（mg/g）=C×V/M计算楮头红总黄酮提取率。式中：C为提取液中总黄酮浓度（mg/L）；V为抽滤后的滤液总体积（L）；M为称取的楮头红鲜品质量（g）。

1.2.4 响应面实验设计 在单因素实验的基础上，以楮头红总黄酮提取率为响应值，根据Box-Behnken实验设计原理，运用Design Expert 8.0软件设计三因素三水平响应面实验，考察提取温度、超声功率、超声时间及因素间交互作用对楮头红总黄酮提取率的影响（表1）。

表1 响应面分析因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface methodology

2 结果与分析

2.1 光谱扫描结果

芦丁标准品和楮头红样品亚硝酸钠-硝酸铝显色后光谱扫描结果（见图1）表明可见光区芦丁在510nm处、楮头红样品在509nm处有最大吸收峰，二者吻合度很高，本研究楮头红总黄酮定量方案合理。

2.2 单因素实验结果

图1 样品和芦丁NaNO2-Al（NO3）3显色后紫外可见光光谱图Fig.1 Spectral scanning picture of rutin and sample solution with NaNO2-Al（NO3）3

2.2.1 不同乙醇浓度对楮头红总黄酮提取率的影响

结果表明（见图2），乙醇浓度对楮头红总黄酮提取率有较大影响，浓度低于60%时总黄酮提取率较低，60%～80%浓度范围内总黄酮提取率最高，浓度继续升高提取率下降，可能楮头红总黄酮成分多样，部分是水溶性的，部分是醇溶性的，合适体积分数的乙醇溶液才能达到同时溶解水溶性和醇溶性黄酮的目的[17]，考虑到黄酮提取率和提取溶剂成本选取60%体积分数的乙醇作为提取溶剂。

图2 乙醇浓度对楮头红总黄酮提取率的影响Fig.2 Effect of ethanol concentration on extraction yield of S.nepalensis Wall total flavonoids

图3 提取温度对楮头红总黄酮提取率的影响Fig.3 Effect of extract temperature on extraction yield of S.nepalensis Wall total flavonoids

2.2.2 提取温度对楮头红总黄酮提取率的影响 结果表明（见图3），当温度小于55℃时，随着温度的增高，楮头红总黄酮提取率也随之增加，65℃时总黄酮提取率略有下降，提取温度超过65℃时，总黄酮提取率下降比较明显，可能是合适的高温可以增强超声波对细胞的破坏作用，加快总黄酮的渗透和扩散速度，但温度过高时，会造成黄酮物质发生降解[5]；另外温度越高浸提溶剂乙醇挥发越快，会影响黄酮的浸出[18]，因此确定提取温度在55℃左右较合适。

2.2.3 超声功率对楮头红总黄酮提取率的影响 结果表明（见图4），当超声功率小于800W时，总黄酮提取率随着超声功率的增加而提高，当超声功率达到800W时，总黄酮提取率达到最大值，功率继续增大时，提取率反而下降，可能是超声功率过大会对黄酮类物质造成破坏[7]，考虑到能耗和成本因素选取800W为最佳超声功率。

图4 超声功率对楮头红总黄酮提取率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic power on extraction yield of S.nepalensis Wall total flavonoids

2.2.4 超声时间对楮头红总黄酮提取率的影响 结果表明（见图5），当超声提取时间小于40min时，总黄酮提取率随着超声时间的增加而提高，当超声时间达到50min时，总黄酮提取率达到最大值，时间继续延长时，提取率会缓慢下降，可能是超声波处理时间过久会对某些黄酮类物质造成破坏所致[7]。

图5 超声处理时间对楮头红总黄酮提取率的影响Fig.5 Effect of ultrasonic time on extraction yield of S.nepalensis Wall total flavonoids

2.3 响应面优化总黄酮提取工艺的结果

2.3.1 回归模型的建立与分析 在单因素实验的基础上，选取提取温度、超声功率和超声时间进行三因素三水平中心组合实验，根据Box-Benhnken中心组合实验设计原理，利用响应面分析方法优化楮头红黄酮提取工艺参数，设计17次实验，其中析因实验12次，中心组合实验重复5次，实验设计方案及结果如表2所示，方差分析见表3。

表2 响应面设计方案及实验结果Table 2 Design and results of response surface methodology

表3 回归方差分析表Table 3 Variance analysis of mathematical regression model

利用Design Expert 8.0软件对表2中的数据进行多元回归拟合分析，得到响应回归方程：Y=+2.50+ 0.10A+0.23B+0.098C-0.043AB-0.058AC-0.11BC-0.36A2-0.31B2-0.35C2。

由表3的方差分析可知，该模型极显著，预测值与实验值有高度的相关性（R2=0.9720）；失拟项不显著（p=0.576＞0.05），说明残差均由随机误差引起；表明此模型对于楮头红中总黄酮提取率实际值与预测值之间具有很好的拟合度，可用该模型对楮头红的总黄酮提取率进行很好地分析、预测和确定总黄酮的最佳提取工艺。由表3还可看出，所选3个因素对总黄酮提取率有显著影响，由p值可以看出，各因素对总黄酮提取率影响的顺序为：B（超声功率）＞A（提取温度）＞C（提取时间）。

2.2.2 楮头红总黄酮提取工艺响应面分析与优化

响应曲面反映了当提取温度、超声功率、超声时间三个因素的任意一个变量取零点水平的时候，其他两个因素的交互作用对楮头红总黄酮提取率的影响情况（图6～图8）。曲面陡表明该因素对提取率的影响显著，曲面平缓表明该因素对提取率的影响不显著；等高线的形状反映两因素交互作用的强弱，椭圆形表明交互作用强，影响显著，圆形则相反；等高线密集表明对提取率影响较大，稀疏表明影响较小[6，8]。从三幅图中可以看出超声功率相较于提取温度、超声时间的曲线陡峭，说明功率对总黄酮的影响最大；三组三维图的投影即等高线较圆，说明两因素交互作用对提取率影响不显著，均与回归方差分析结果一致。

图6 超声时间和提取温度交互作用的响应面图Fig.6 Response surface plot of ultrasonic time and extract temperature

图8 超声功率和提取温度的响应面图Fig.8 Response surface plot of ultrasonic power and extration temperature

2.2.3 最佳工艺的预测与验证 利用Design-expert 8.0的optimization功能，将总黄酮提取率的目标选项设定为maximize，可得到一个最优的方案，即：提取温度为56.11℃、超声功率为868.9W、超声时间50.77min，楮头红中总黄酮提取率预测值为2.552mg/g。在实际操作中选择提取工艺参数为：提取温度56℃、超声功率870W、超声时间51min，进行了五次验证实验所得的总黄酮平均提取率为2.53mg/g，与预测值之间的相对误差仅为0.87%，表明用响应面法对楮头红中总黄酮超声提取的各因素进行优化研究是可行的。

3 结论

采用超声波法提取楮头红鲜草中的总黄酮，通过单因素实验和响应曲面分析优化工艺条件，并结合实际操作确定楮头红中总黄酮超声提取的最佳工艺为：提取温度56℃、超声功率870W、超声时间51min，提取率为2.53mg/g，提取率较高，可为楮头红总黄酮的提取提供参考依据。

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Optimization of ultrasonic extraction of total flavonoids from Sarcopyramis nepalensis Wall using response surface methodology

ZOU Jin-mei，LUO Kai-mei，FANG Qing-ling，YE Yu-hua，YU Xiang-mei，ZHANG Guo-guang*
（School of Biological Science and Technology，Minnan Normal University，Zhangzhou 363000，China）

To optimize extraction yield of total flavonoids from Sarcopyramis nepalensis Wall using ultrasonic extraction method，the study was designed and carried using response surface methodology.On the basis of single-factor experiments，extraction conditions of the extraction yield of total flavonoids from S.nepalensis Wall were optimized by response surface analysis method.Results showed that the optimum extraction conditions were as following：extraction temperature 56℃，ultrasonic power 870W，ultrasonic time 51min.The confirmatory test value of extraction yield of total flavonoids was 2.53mg/g，the relative standard deviation was 0.87%with predicted value（2.55mg/g）.Results could provide a reference for the total flavonoids extraction from S.nepalensis Wall.

S.nepalensis Wall；total flavonoids；extraction yield；response surface methodology

TS201.1

B

1002-0306（2014）08-0245-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.08.047

2013－08－16 *通讯联系人

邹金美（1973-），女，硕士研究生，副教授，主要从事植物学及其次生代谢产物方面的研究。

福建省自然科学基金指导性科技计划项目（2012D138）；福建省大学生创新创业训练项目；校创新团队项目。