基于响应曲面法优化天麻多酚的提取工艺

朱素英

(菏泽学院生命科学系,山东菏泽 274015)

基于响应曲面法优化天麻多酚的提取工艺

朱素英

(菏泽学院生命科学系,山东菏泽 274015)

目的:对天麻总多酚的提取工艺进行优化。方法:以天麻为材料在单因素实验结果的基础上,采用三因素三水平的Box-Behnken响应曲面设计。结果:天麻提取的最佳条件为乙醇浓度57%,提取温度69℃,提取时间53min,该条件下多酚提取含量达44.96mg GAE/g,且提取温度对总多酚的得率影响最大。结论:在最佳条件下天麻多酚得率实际值是预测值的98.48%,接近预测值,可用于天麻多酚的提取。

天麻,响应曲面,总多酚,提取工艺

酚类物质是植物内常见的化学物质,因其具有较高的抗氧化性,较强的自由基清除能力,对心血管疾病、神经退行性病变以及癌症都有一定的预防和疗效[1-2],逐渐被人们所重视。天麻为兰科多年生寄生植物天麻GastrodiaelataBlume的干燥块茎,为我国名贵中药材,具有平肝息风、通络止疼的功效。近几年发现天麻还具有延缓衰老、健脑、益智功能,对老年性痴呆症有一定的疗效[3],天麻为药食两用植物,我国有悠久的药用和食用历史[4],其化学成分主要有多酚类、有机酸、甾醇类等,天麻素为主要成份[5]。天麻中已经分离出多种包括天麻素在内多种酚类成份,目前对总多酚的提取优化尚未见报道,本实验利用响应曲面法对天麻多酚进行提取优化,以期为天麻的资源利用开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

天麻块茎 购于山东省菏泽联众药房。Folin-Ciocalteu试剂 上海荔达有限公司;没食子酸,乙醇等 均为分析纯。

FW-100型高速万能粉碎机 北京市永光明医疗仪器厂;HH-8数显恒温水浴锅 江苏省金坛市江南仪器厂;DZF-6050型真空干燥箱 上海博讯实业公司;TU-1810型紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 天麻块茎多酚提取流程 天麻块茎400g→60℃真空干燥至恒重→粉碎→过60目筛→备用。

天麻细粉2g→置于50mL锥形瓶中→按照实验设计提取条件水浴锅中浸提→过滤→4℃保存

1.2.2 天麻多酚含量的测定方法 天麻多酚含量测定采用福林酚法[6]。

取天麻提取液2mL,加入1mL Folin-Ciocalteu(用水稀释10倍),4mL 7.5% Na2CO3溶液,定容使反应体系达到10mL。在暗处处理2h,利用紫外分光光度计765nm下测定吸光值。以没食子酸为标准品,得回归曲线:y=0.7433x-0.0016，R2=0.9963,其中x代表没食子酸的浓度(mg/mL),y为浓度不同没食子酸的吸光值。

表1 单因素设计Table 1 The single factors design conditions

根据天麻多酚测定的吸光值和没食子酸的标准曲线,可以算出天麻总多酚的没食子酸当量浓度(Y,mg GAE/mL),依下式可计算总多酚的得率:

Y=(C总·V)/md

式中，C总表示天麻块茎总多酚浓度;V表示提取液定容后体积;md表示天麻干粉质量。

1.2.3 单因素的选择与实验范围 在响应曲面设计之前,要对相关自变量进行范围选择,选择三个单因素(表1),研究三个单因素对因变量天麻多酚提取含量的影响。

1.2.4 响应曲面实验设计 响应曲面实验设计:根据单因素实验选择的响应曲面实验范围,Design Expert软件以乙醇浓度(A,%)、提取温度(B,℃)、提取时间(C,min)、作为变量进行Box-Behnken设计三因素三水平实验方案(如表2),实验结果数据用Design Expert分析。

表2 天麻多酚提取的因素水平表Table 2 Factors and levels of polyphenol extraction from Gastrodia elata

2 结果与分析

2.1 单因素对天麻多酚提取含量的影响

2.1.1 乙醇浓度对天麻多酚提取含量的影响 一定比例的水和乙醇混合溶剂可以提高多酚的得率[7]。用一定浓度的乙醇作为提取溶剂,乙醇浓度对天麻多酚得率的影响如图1,乙醇浓度从10%～50%增长时,天麻总多酚提取含量从24.265mg GAE/g增加至42.426mg GAE/g。乙醇浓度从70%～90%变化时,天麻多酚提取含量又迅速下降,乙醇浓度90%时,天麻多酚得率降为20.329mg GAE/g,当乙醇浓度较高时,一些脂溶性成份被析出限制了天麻多酚类物质的提取[8-9]。因此选择50%乙醇作为响应曲面的中点。

图1 乙醇浓度对天麻多酚提取含量的影响Fig.1 Effect of ethanol concentration on the extraction rate of polyphenols from Gastrodia elata

2.1.2 提取温度对天麻多酚提取含量的影响 图2显示了提取温度对天麻总多酚提取的影响,多酚的提取含量随着提取温度从20℃提高至60℃不断增加,从12.342mg GAE/g增加到43.698mg GAE/g,且20、40与60℃的提取含量差异显著,超过60℃,多酚的提取含量变化不大,60与80、100℃差异不显著(p<0.05),温度的增加会增大多酚物质的溶解度降低分子之间的粘滞度,使更多的酚类物质溶出[10]。选择60℃作为响应曲面设计的中点。

图2 提取温度对天麻多酚提取含量的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on the extraction rate of polyphenols from Gastrodia elata

2.1.3 提取时间对天麻多酚提取含量的影响 提取时间对天麻多酚提取含量的影响如图3,在提取时间从15min到45min逐渐延长时,多酚提取含量逐渐增加,45min达到最大41.748mg GAE/g,提取时间超过45min多酚提取含量不在增加,且略有下降,45与60、75min方差分析三者差异不显著(p<0.05)。说明天麻多酚提取时间为45min时,基本溶出完全,增加提取时间不能增大多酚得率,同时会造成部分多酚受到破坏[11]。根据经济原则,选择45min作为响应曲面的中点。

图3 提取时间对天麻多酚提取含量的影响Fig.3 Effect of extraction time on the extraction rate of polyphenols from Gastrodia elata

2.2 天麻多酚的提取优化

表3显示天麻多酚提取的响应曲面Box-Behnken实验设计及其结果,多酚提取含量随着实验条件的不同,变化范围在3.99481～43.7613mg GAE/g。因此实验条件的改变对天麻多酚提取含量影响较大。

对实验结果进行多元回归得回归方程:Y=41.082+6.52513A+8.36400B+5.65113C+2.73475AB+2.42200AC+5.02325BC-13.07450 A2-13.07425B2-8.18450C2

表4 响应曲面二次回归模型的方差分析Table 4 Results of the analysis of variance to the response surface quadratic model

注:**表示在p<0.01时极显著;*p<0.05时显著。

表3 天麻多酚提取的响应曲面设计与结果Table 3 Response surface design and results of polyphenols extraction from Gastrodia elata

对实验结果统计分析显示如表4,模型F值=68.70,p<0.0001,说明该回归模型达到极显著(p<0.01);失拟项F值为3.51,p=0.1283>0.05,不显著,说明该模型可以用于天麻多酚的提取优化。从表4也可看出,A、B、C、BC、A2、B2、C2相对实验结果影响极显著,AB相对天麻多酚提取含量影响显著、AC相影响不显著。

剔除不显著相,可以优化多元回归方程得:Y=41.082+6.52513A+8.364B+5.65113C+2.73475AB+5.02325BC-13.0745A2-13.07425B2-8.1845C2

根据多元回归方程结果,构建其三维响应曲面图(图4),可以看出,提取温度(B)曲线最陡,说明其对多酚提取影响最大,其次是乙醇浓度(A),最后是提取时间(C),这与表4统计结果相似;从图4可以看出三者的交互效应对天麻多酚提取影响的响应曲面图为山丘形,有极大值存在[12],说明可以获得天麻的最佳提取条件。

图4 两因素之间交互作用 对天麻多酚提取含量的影响的响应面图Fig.4 Response surface plots showing the effects of two factors interaction on the extraction rate of polyphenols from the root of Panax notoginseng

数据分析得天麻多酚的提取的最佳条件为:乙醇浓度为56.96%,提取温度69.17,提取时间53.05min,多酚提取含量45.656mg GAE/g。

2.3 验证实验

为了实验的可操作性,实验条件修改为乙醇浓度57%,提取温度69℃,提取时间53min,在该实验条件下,取1g天麻进行多酚提取,实验重复三次,平均值为44.96mg GAE/g。多酚提取含量的实际值为优化值的98.48%。

3 结论

利用design-expert软件的Box-Behnken模型对天麻多酚进行优化,获得天麻多酚提取的二次多元回归方程,并对天麻多酚提取的提取温度、提取时间、乙醇浓度影响因素进行探讨。统计结果显示,提取温度对天麻多酚提取含量影响最大,其次是乙醇浓度、提取时间。三因素均对多酚的提取影响达到极显著。天麻多酚提取的最佳工艺为乙醇浓度57%,提取温度69℃,提取时间53min,该条件下多酚提取含量可达44.96mg GAE/g,可达预测值的98.48%。说明响应曲面法可用于天麻多酚进行提取优化,且实验经济简单,可用于天麻总多酚的工业提取。

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反渗透膜技术：未来市场的主流产品技术

近几年，随着环境污染加剧，越来越多的人们开始关注生活环境的健康问题，很多人开始采购健康家电产品如净水产品。然而大部分消费者对净水产品还不太了解。目前家用净水机主要分为反渗透和超滤两类：反渗透净水机所采用的RO反渗透膜过滤直径可达到0.0001微米，能去除水中重金属、农药、三氯甲烷等化学污染物，这一点上是超滤净水器无法比拟的。

反渗透纯水机采用的主要是反渗透膜技术，反渗透膜可以将重金属、农药、细菌、病毒、杂质等彻底分离。它的工作原理是在进水侧施加一定的压力，使水分子通过反渗透膜，而溶解在水中的重金属、细菌、病毒、有机物等有害物质物质无法透过反渗透膜。

反渗透技术是从20世纪60年代开始迅速发展起来的一项新技术，它通过化学物质的混合物与半透膜相接触，在静压梯度的作用下，水分子和一些离子物质能透过，而其他有机物和一些小分子组分基本不透过，从而实现物质的分离。反渗透技术目前在海水及苦咸水淡化脱盐方面应用十分普遍，在家用净水器中所占的比例也逐年递增。

目前，家用净水机行业刚刚从产品培育期步入快速发展期，未来的趋势变化依然存在多种可能。业内人士表示，随着净水产品的逐步普及，高技术的反渗透市场将逐渐打开，反渗透膜处理技术将会成为未来市场中最主流的产品技术。

来源：慧聪食品工业网

Optimization of extraction of phenolic compounds fromGastrodiaelatausing response surface methodology

ZHU Su-ying

(Department of Life Science,Heze University,Heze 274015,China)

Basis on the results of the single factor experiments,Gastrodiaelatawas used as materials to optimize the extraction conditions of total phenolics by using response surface methodology involved a three leves,three variable Box-Behnken design.The results showed that the optimum polyphenolics extraction conditions were 57% ethanol as extraction solvent,extraction temperature 69℃ and extraction time 53min. Under the optimum conditions,the experimental polyphenolics content was 44.96mg GAE/g ofGastrodiaelatatested,which was well matched with the predicted content.Thus,the optimum conditions can be used to extract the polyphenolics fromGastrodiaelata.

Gastrodiaelata;response surface methodology;polyphenolic;extraction process

2014-04-17

朱素英(1980-)， 女，硕士，讲师，研究方向：中草药的活性成分提取与利用。

菏泽学院植物生物学重点实验室建设项目资助。

TS201.1

B

1002-0306(2015)01-0268-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.047