响应面法优化花椒总多酚的吸附分离工艺

卢桃玲，欧阳玉祝，张晓旭，唐顼婉

(吉首大学化学化工学院，湖南 吉首 416000)



响应面法优化花椒总多酚的吸附分离工艺

卢桃玲，欧阳玉祝，张晓旭，唐顼婉

(吉首大学化学化工学院，湖南 吉首 416000)

摘要：以花椒籽为原料，在单因素实验基础上，用响应面法优化花椒总多酚的大孔树脂吸附分离工艺，考察了pH值、吸附温度和吸附时间对总多酚提取率的影响，建立了数学模型，并对试验结果进行了显著性检验和方差分析.结果表明，在pH值6.0，70 ℃吸附90 min后，总多酚提取率为3.867 2%，模型预测值为3.929 7%，组合实验结果比模型预测值小0.062 5%.

关键词：花椒；总多酚；吸附分离；响应面法

花椒(Zanthoxylumbungeagum)属芸香科落叶灌木，是中国特有的食用香料，其种子含油率为25%~30%，广布于中国四川省、甘肃省、湖南省、湖北省、重庆省、贵州省等20多个省市[1-2].研究表明，花椒果皮中含有丰富的挥发油、生物碱、酰胺、黄酮、脂肪酸、甾醇和香豆素类成分[3-6].植物多酚是一种存在于植物体内的多环多酚羟基化合物，具有良好的抗衰老、抗氧化和清除自由基等作用[7-10]，用于食品、医药和日用化工领域.响应面法是一种先进的工艺优化方法，在天然产物研究和矿产加工领域有广泛的应用[11-13].本实验用响应面法优化花椒总多酚的分离工艺，研究结果对花椒的开发利用有较大的应用价值.

1 材料与方法

1.1 实验仪器与试剂

1.1.1 实验仪器UV-2450型紫外可见分光光度计(日本岛津公司)；RE-85Z旋转蒸发器(上海市青浦仪器公司)；SHB-III循环水式多用真空泵(郑州市长城科工贸有限公司)；KQ-250E型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；JA2003N型电子天平(上海市精密仪器厂)；M22型中量制备仪(天津市玻璃厂).

1.1.2 实验试剂花椒购置于湖南省吉首市市场，干花椒用粉碎机粉碎到30目，备用；无水乙醇、氢氧化钠、盐酸、钨酸钠、钼酸钠、磷酸、硫酸锂、双氧水均为国产分析纯；没食子酸标准品购置于上海市沪宇生物科技有限公司；D-101大孔吸附树脂购置于天津市光复精细化工研究所.

1.2 实验方法

1.2.1 大孔树脂的预处理新购的D-101型大孔吸附树脂按文献[10]进行预处理，湿树脂贮存于冰箱中，使用时充分摇匀.

1.2.2 总多酚的提取取100 g干花椒粉末于1 000 mL圆底烧瓶中，加入70%乙醇水溶液700 mL，置于超声波清洗器中，60 ℃超声提取60 min，抽滤，滤液中加过量的饱和澄清石灰水溶液沉淀，抽滤，滤渣用3%的稀硫酸分解，抽滤，弃滤渣，滤液定容到2 000 mL容量瓶中，备用.

1.2.3 总多酚的吸附分离取按1.2.2节方法制得的花椒提取液50 mL于100 mL具塞锥形瓶中，按固液比1∶10(g/mL)加经预处理的湿D-101型大孔吸附树脂，在不同温度和不同pH值下搅拌静态吸附一定时间，抽滤，树脂加60%乙醇溶液50 mL，在振动器上常温震荡90 min，抽滤，滤液定容到50 mL容量瓶中，用紫外-可见分光光度计测总多酚质量浓度.

1.3 分析方法

1.3.1 标准曲线的绘制准确称取10.000 0 mg没食子酸对照品溶解后定容于100 mL容量瓶中，配成0.100 0 g/L标准贮备液，采用梯度稀释法稀释成系列标准溶液.根据文献[14]按Folin￣Ciocaileu比色法用紫外可见分光光度计测760 nm处的吸光度，以吸光度为横坐标、质量浓度为纵坐标绘制标准曲线.实验结果用计算机进行线性回归得回归方程C=0.036 4A，相关系数为R2=0.998 9，其中C为没食子酸标准溶液质量浓度(g/L)，A为标准溶液的吸光度.

1.3.2 样品中总多酚含量测定准确吸取2 mL提取液于25 mL容量瓶中，按1.3.1节方法用紫外可见分光光度计测760 nm波长处的吸光度，将吸光度代入回归方程计算总多酚质量浓度和质量，按下式计算总多酚的提取率：

2结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 pH值的影响本实验的吸附树脂是中性D-101型大孔吸附树脂，因此吸附液的pH值将直接影响树脂的吸附量.为了考察pH值对总多酚提取率的影响，取按1.2.2节方法制得的花椒果皮提取液50 mL，按1.2.3节方法进行吸附，60 ℃温度下静态吸附120 min，结果如图1所示.图1表明，在pH值为5时多酚的提取率最大，为4.022 9%.大孔树脂对花椒多酚的吸附在一定的pH值时达到吸附平衡，平衡时吸附到树脂上的总多酚与解吸下来的总多酚相等，pH值太大或太小都将影响大孔树脂对总多酚的吸附量，pH值为5时，树脂对总多酚的吸附量最大，所以总多酚提取率最大.

2.1.2 吸附时间的影响取按1.2.2节方法制得的花椒果皮提取液50 mL，调节溶液pH值为5，按1.2.3节方法在60 ℃温度下分别吸附30，60，90，120，150，180 min，考察吸附时间对总多酚提取率的影响，结果如图2所示.图2表明，花椒多酚的提取率随吸附时间的增加而增大.当吸附时间达120 min时，总多酚提取率达最大值4.015 6%，吸附时间大于120 min后提取率稍有减少.这说明吸附时间太短，吸附未达平衡，树脂没有达到最大吸附量，吸附时间大于120 min后，吸附在树脂上的总多酚会被氧化，导致总多酚提取率稍有减少.

图1　pH值对总多酚提取率的影响

图2　吸附时间对总多酚提取率的影响

图3　吸附温度对总多酚提取率的影响

2.1.3 吸附温度的影响总多酚含有多个酚羟基，具有较强的还原性，对吸附温度比较敏感.为了考察温度对大孔树脂吸附总多酚的提取率影响，取按1.2.2节方法制得的花椒果皮提取液50 mL，调节溶液pH值为5，按1.2.3节方法分别在30，40，50，60，70，80℃吸附120 min，结果如图3所示.图3表明，吸附温度在60 ℃时总多酚的提取率最大，为3.999 3%.这说明温度过低，吸附不能达到最大吸附量，而温度过高会导致总多酚氧化.

2.2 响应面优化试验

2.2.1 Box￣behnken试验设计根据单因素影响实验结果进行Box￣behnken试验设计.选择吸附温度、时间和pH值3个影响因素，每个因素设3个水平，设计三因素三水平响应面优化试验，试验水平结果见表1.

表1　Box￣behnken试验因素水平

2.2.2 Box￣behnken实验结果以总多酚提取率为响应值，按1.2.3节方法进行Box￣behnken吸附分离试验，结果见表2.

表2　Box￣behnken实验结果

2.2.3 模型的建立与显著性检验将表2试验数据用Designexpert8.0软件进行回归统计分析，得总多酚提取率(Y)对吸附温度(X1)、吸附时间(X2)和pH值(X3)的二次多项式回归方程为

Y=3.71+0.17X1+0.12 X2+0.09 X3-0.15 X1X2+0.2 X1X3-

表3　模型的显著性检验与方差分析

注“**”表示极显著(P<0.01)，“*”表示显著(0.01

2.2.4 响应面分析根据回归模型绘制各因素交互影响的响应面图，用Design expert 8.0软件考察拟合响应曲面的形状，分析各因素的交互影响大小和各因素对总多酚提取率的影响，结果如图4所示.响应面图的曲面陡峭程度能够反映出各因素交互影响的大小，曲面陡峭表明交互影响显著，曲面平缓则交互影响不显著.图4表明，图4a和图4b曲面陡峭，说明吸附温度与时间、吸附温度与pH值的交互影响很显著；图4c曲面平缓，说明pH值与时间两因素的交互影响不显著，与表3结果吻合.利用Design expert 8.0软件结合回归模型，预测吸附分离花椒总多酚的最佳工艺条件为：吸附温度70 ℃，吸附时间90 min，pH值6，模型预测值3.929 7%.

图4　因素交互影响的响应面图

2.2.5 优化工艺组合试验为了检验响应面法优化模型所预测结果的可靠性，在模型优化的最佳条件(吸附温度70 ℃，吸附时间90 min，pH值6)下进行组合验证试验，平行试验5次，取平均值，结果见表4.表4结果表明，模型优化条件组合试验的总多酚提取率为3.867 2%，比模型预测值小0.062 5%，说明模型预测结果是合理的.

表4　优化试验条件组合实验结果

3结论

大孔树脂吸附法分离花椒总多酚，有分离效果好、操作简单、不影响分离产物活性等特点，具有良好的应用价值.试验以总多酚提取率为响应值，在固液比为1∶10(g/mL)，吸附pH值为6，70 ℃温度下吸附90 min，总多酚提取率为3.867 2%，组合实验结果比模型预测值小0.062 5%，优化的数学模型合理.

参考文献：

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[14] 曹艳萍,代宏哲,曹炜,等.Folin￣Ciocaileu比色法测定红枣总酚[J].安徽农业科学,2008,36(4):1 299-1 302.

(责任编辑向阳洁)

Optimization on Adsorption Separation Technology of Total Polyphenol in

ZanthoxylumBungeagumby Response Surface Methodology

LU Taoling,OUYANG Yuzhu,ZHANG Xiaoxu,TANG Xuwan

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Jishou University,Jishou 416000,Hunan Chian)

Abstract:With Zanthoxylum bungeagum seed as test raw material,adsorption separation technology of total polyphenol by macroporous resin was optimizated by response surface methodology on basis single￣factor experiment.Influence of pH,adsorption temperature and time on extraction yield of total polyphenols was investigated.Mathematic model was established,and the significance testing and variance analysis were accomplished.Experimental results show that extraction ratio of total polyphenol was 3.862 7% at 70 ℃ adsouption in pH 6.0 for 90 min.The predicted value of experimental model was 3.929 7.Experimental results decreased by 0.062 5% in comparison with predicted content of model.

Key words:Zanthoxylum bungeagum;total polyphenol;adsorption separation;response surface methodology

作者简介：卢桃玲(1994—)，女，湖南江永人，吉首大学硕士研究生，主要从事天然产物化学研究通信作者：欧阳玉祝(1956—)，男，湖南宁远人，吉首大学化学化工学院教授，硕士生导师，主要从事天然产物化学研究；E￣mail:ouyanghxhg@163.com.

基金项目：湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目(湘教通[2014]248号)；吉首大学实验教学示范中心大学生创新性实验项目(2014ZXCX06)

收稿日期：2015-01-12

中图分类号：TS202.3

文献标志码：B

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.03.015

文章编号：1007-2985(2015)03-0068-05