超声波辅助提取紫茎泽兰中单宁的工艺优化

李　珍，苏有勇，曹茂炅，廖小华，马汶绢，李思梅

(昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650504)



超声波辅助提取紫茎泽兰中单宁的工艺优化

李珍，苏有勇，曹茂炅，廖小华，马汶绢，李思梅

(昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650504)

摘要：在单因素实验的基础上，应用Box-Behnken中心组合实验和响应面法实验优化超声波辅助提取紫茎泽兰中单宁的工艺条件。确定最优工艺条件为：甲醇浓度75%、提取时间45 min、液料比90∶1(mL∶g)，在此条件下，紫茎泽兰中单宁含量为1.58%，与模型预测值1.57%相近，RSD为0.06%。

关键词：响应面法；超声波辅助提取；紫茎泽兰；单宁

紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum Sprengel)是一种世界公认的恶性有毒杂草[1]，其营养成分丰富，干物质总能量为17.22 MJ·kg-1，鲜草产量达45 t·hm-2，在我国分布广泛[2]。由于紫茎泽兰含有对动物毒性较大的单宁类、香豆素类、挥发油类毒性成分，降低了其利用价值[3]。

单宁是一类多元酚化合物，具有多种生物活性[4]，高含量单宁对动物具有较强的抗营养作用和毒副作用[5]。单宁广泛存在于蔬菜和水果中[6]，已有从蓝莓[7]、石榴[8]、咖啡[9]、葡萄籽[10]、高粱[11]、柿子[12]等中提取单宁的报道。单宁的提取方法主要有水浴回流提取法[13]、微波辅助法[14]、超声波辅助法[15]、半仿生提取法[16]等。超声波通过空化、振荡等作用强化单宁的提取，具有快速、高效等特点[17]。因此，作者采用超声波辅助提取紫茎泽兰中单宁，在单因素实验的基础上，应用Box-Behnken中心组合实验和响应面法实验优化提取工艺，拟为紫茎泽兰脱毒资源化提供帮助。

1实验

1.1　材料、试剂与仪器

2015年1月在昆明郊区采集自然条件下脱落叶片的紫茎泽兰秸秆，剪成1~2 cm小段后粉碎过40目筛，备用。

单宁酸、磷钼酸、钨酸钠、磷酸、无水碳酸钠、甲醇、超纯水等均为分析纯。

HH·S21-Ni-6型电热恒温水浴锅，UT-1901型紫外可见分光光度计，L500型低速自动平衡离心机，SK3200HP型超声波发生器，AL204型电子天平。

1.2　单宁的提取

称取适量紫茎泽兰粉末置于烧杯中，按一定液料比加入一定浓度的甲醇溶液，然后将烧杯放在超声波发生器(工作频率53 kHz、功率150 W，下同)中提取一定时间后，过滤分离，收集滤液。

1.3　单宁含量的测定

取滤液0.5 mL，置于盛有15 mL蒸馏水的25 mL容量瓶中，准确加入1.25 mL Folin-Denis试剂[18]及2.5 mL饱和碳酸钠溶液，加蒸馏水稀释至刻度，摇匀，静置30 min后在285 nm处测定吸光度。按下式计算单宁含量(以干基中单宁的质量分数表示)：

式中：c为显色溶液的单宁浓度，μg·mL-1；V为显色溶液体积，mL；V0为样品提取液体积，mL；V1为测定时吸取样品溶液体积，mL；m为紫茎泽兰干质量，g。

1.4　提取工艺的优化

1.4.1单因素实验

影响单宁提取的主要因素有甲醇浓度、提取时间和液料比等。分别以甲醇浓度、提取时间、液料比进行单因素实验。甲醇浓度设置为40%、50%、60%、70%、80%；提取时间设置为40 min、50 min、60 min、70 min、80 min；液料比(mL∶g,下同)设置为60∶1、70∶1、80∶1、90∶1、100∶1。

1.4.2响应面法实验

在单因素实验基础上，根据Box-Behnken中心组合实验设计原理，以单宁含量为响应值，以甲醇浓度、提取时间、液料比为自变量，通过响应面法实验优化紫茎泽兰中单宁的提取工艺。

2结果与讨论

2.1　单因素实验结果

2.1.1甲醇浓度对单宁含量的影响

在提取时间为60 min、液料比为80∶1的条件下，考察甲醇浓度对单宁含量的影响，结果见图1。

图1　甲醇浓度对单宁含量的影响Fig.1　Effect of methanol concentration on tannin content

由图1可看出，随着甲醇浓度的增大，单宁含量逐渐增加；当甲醇浓度超过70%时，单宁含量略有下降。因此，选择70%为响应面法优化实验甲醇浓度中心点。

2.1.2提取时间对单宁含量的影响

在甲醇浓度为70%、液料比为80∶1的条件下，考察提取时间对单宁含量的影响，结果见图2。

图2　提取时间对单宁含量的影响Fig.2　Effect of extraction time on tannin content

由图2可看出，随提取时间的延长，单宁含量先增

加后减少，在提取时间为50 min时，单宁含量达到最多。这是因为，在超声波空化作用下，植物细胞快速分解，长时间超声波作用，温度升高，单宁被氧化，导致其含量减少。因此，选择50 min为响应面法优化实验提取时间中心点。

2.1.3液料比对单宁含量的影响

在甲醇浓度为70%、提取时间为50 min的条件下，考察液料比对单宁含量的影响，结果见图3。

图3　液料比对单宁含量的影响Fig.3　Effect of liquid-solid ratio on tannin content

由图3可看出，随着液料比的增大，固液接触面积扩大，单宁含量相应增加；当液料比超过90∶1时液相饱和，单宁含量趋于平稳。因此，选择90∶1为响应面法优化实验液料比中心点。

2.2　响应面法实验结果

在单因素实验的基础上，应用Box-Behnken中心组合实验和响应面法实验进一步优化超声波辅助提取紫茎泽兰中单宁的工艺条件，响应面法实验的因素与水平见表1，设计与结果见表2。

表1　响应面法实验的因素与水平Tab.1　Factors and levels of response surface methodology

2.3　二次回归模型拟合及显著性检验

表2　响应面法实验设计与结果Tab.2　Design and results of response surface methodology

超声波辅助提取紫茎泽兰中单宁的响应面模型方差分析结果见表3。

表3　响应面模型的方差分析　Tab.3　ANOVA for response surface model

注：“Pr>F”<0.05为极显著。

2.4　响应面曲线

三因素交互作用的响应面曲线如图4所示。

图4　三因素交互作用响应面曲线Fig.4　Response surface curves of interaction between three factors

由图4a可看出，当固定液料比为90∶1时，单宁含量随甲醇浓度的增大而增加;当甲醇浓度从50%增大至80%时，呈二次方程曲线变化;当甲醇浓度超过70%时，单宁含量趋于稳定；甲醇浓度对单宁含量的影响大于提取时间，且甲醇浓度与提取时间交互作用显著。

由图4b可看出，当固定提取时间为50 min时，液料比曲面下降幅度大于甲醇浓度，单宁含量随液料比的增大而增加，当液料比达到95∶1后液相饱和，单宁含量减少。

由图4c可看出，当固定甲醇浓度为70%时，液料比曲面坡度比提取时间曲面坡度大，单宁含量随提取时间的延长而增加，在超声波空化作用下，植物细胞快速分解，长时间超声波作用，温度升高，单宁被氧化，单宁含量减少。

综上可知，三因素对单宁含量的影响大小依次为液料比>甲醇浓度>提取时间。

2.5　模型验证

为了验证模型的准确性，在甲醇浓度为75%、提取时间为45 min、液料比为90∶1(mL∶g)的最优工艺条件下进行3组重复实验，得到紫茎泽兰中单宁实际含量为1.58%，与文献[13]的结果一致，与预测值1.57%相近，RSD为0.06%。说明此模型可行，具有较好的适用性。

3结论

在单因素实验的基础上，采用Box-Behnken中心组合实验和响应面法实验优化超声波辅助提取紫茎泽兰中单宁的工艺条件，确定最优工艺条件为：甲醇浓度75%、提取时间45 min、液料比90∶1(mL∶g)，其中液料比为主要影响因素。以单宁含量为响应值，以甲醇浓度、提取时间、液料比为自变量建立模型，回归效果显著，相关系数R2=0.9936。测得紫茎泽兰中单宁实际含量为1.58%，与模型预测值的RSD为0.06%。此模型可行且具有较好的适用性。

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10.3969/j.issn.1672-5425.2015.12.011

Optimization on Ultrasonic-Assisted Extraction Process of Tannins

from Eupatorium Adenophorum Sprengel

LI Zhen,SU You-yong，CAO Mao-jiong，LIAO Xiao-hua，MA Wen-juan，LI Si-mei

(Faculty of Modern Agricultural Engineering，Kunming University of

Science and Technology，Kunming 650504，China)

Abstract：Based on single factor experiment,ultrasonic-assisted extraction process of tannins from Eupatorium adenophorum Sprengel was optimized by Box-Behnken central composite experiment and response surface methodology.The optimum conditions were obtained as follows:methanol concentration of 75%,extraction time of 45 min and liquid-solid ratio of 90∶1(mL∶g).Under above conditions,tannin content of Eupatorium adenophorum Sprengel was 1.58%，which was similar to the model predicted value 1.57%,and the relative deviation was 0.06%.

Keywords：indocalamus leaf；total flavonoids;purification；macroporous resin；response surface methodologydoi：

中图分类号：TQ 028R 284.2

文献标识码：A

文章编号：1672-5425(2015)12-0047-04

作者简介：李珍(1991-)，女，湖北荆州人，硕士研究生，研究方向：生物质能，E-mail:lz.117@qq.com；通讯作者：苏有勇，教授，E-mail:youyongsu@gmail.com。

收稿日期：2015-09-06