响应面法优化芦荟活性成分提取工艺

龙明华

（杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100）

芦荟属百合科多年生绿肉质植物，在热带、亚热带地区较多种植。芦荟约有500余种，按其用途可分为药用芦荟、食用芦荟和观赏芦荟三类。目前探明的药用芦荟有10多种，食用芦荟有五六种，观赏芦荟则有几十种[1]。

芦荟含有160多种化学成分[2]，其中，功能成分72种，蒽醌类化合物是主要的有效活性成分，其余还有多糖、酶、氨基酸、抗生素、皂角素等。这些活性成分具有医疗、美容、保健、食用等多种功能[3]。尤其是芦荟的药理作用具有悠久的历史，据史料记载，早在唐朝芦荟的药用情况就有记载。宋朝《开宝本草》：“治热风烦闷，胸隔间热气，明目镇心，小儿癫痫惊风”。《本草汇言》：“卢荟，凉肝杀虫之药也”。目前，蒽醌类化合物的药理作用主要集中在泻下作用、对肝损伤的保护作用、清除动物体内乙醇的作用、抗肿瘤作用、治疗创伤等方面。

芦荟活性功效成分虽多，但活性成分的获得目前主要集中在传统提取工艺的研究上，有Coats冷热处理法、Mcanalley冷处理法[4]，其提取物得率和有效成分的含量均受限。

本研究在传统提取工艺的基础上引入现代超声波辅助提取技术[5]，同时采用响应面优化方法，探索芦荟蒽醌类化合物活性成分提取的最佳工艺，旨在为科学利用芦荟的功能成分提供依据。

1 材料和方法

1.1 材料

供试材料为库拉索芦荟（市售盆栽）的叶片中上部[6]。

1.2 试剂

1，8-二羟基蒽醌（广州苏喏化工有限公司）、甲醇（西安化学试剂厂）、乙醇（西安化学试剂厂）、硫酸（广州万从化工有限公司）、醋酸镁（廊坊天科生物科技有限公司），以上试剂均为分析纯。

1.3 仪器设备

组织捣碎机（金坛市友联仪器研究所）、紫外可见分光光度计（METTLER TOLEDO公司）、恒温水浴锅（北京科伟水兴仪器有限公司）、SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）、KQ-700GVDV型超声波仪（功率700 W，可调因素40%～100%，本研究以可调百分数表示功率。昆山市超声仪器有限公司）、真空干燥箱（上海环竞试验设备厂）。

1.4 方法

1.4.1 提取工艺流程[7-11]芦荟原料预处理→准确称量200.0 g→机械破碎至浆状→添加萃取剂超声波辅助萃取→过滤除去滤渣→真空浓缩滤液干燥→活性物质粗提物。

1.4.2 活性成分含量测定 采用醋酸镁-甲醇比色法[12]测定提取物中蒽醌化合物的含量。

1.4.3 单因素试验[13-16]

1.4.3.1 料液比（m/V） 准确称取原料200.0 g，利用组织捣碎机破碎至浆状，以 1∶5，1∶6，1∶7，1∶8，1∶9（g/mL）的料液比添加无水乙醇溶液（乙醇有利于安全生产），50%功率超声处理10min，在30℃条件下浸提30 min，过滤后取适当滤液真空干燥4 h，比色法测定活性成分含量并计算得率，考察不同料液比对提取率的影响。

1.4.3.2 温度 准确称取原料200.0 g，利用组织捣碎机破碎至浆状，以1∶6（g/mL）的料液比添加无水乙醇溶液，50%功率超声处理 10 min，分别在30，35，40，45，50 ℃条件下浸提 30 min，过滤后真空干燥4 h，比色法测定活性成分含量并计算得率，考察不同温度对提取率的影响。

1.4.3.3 时间 准确称取原料200.0 g，利用组织捣碎机破碎至浆状，以1∶6（g/mL）的料液比添加无水乙醇溶液，50%功率超声处理10 min，在30℃条件下分别浸提 20，30，40，50，60 min，过滤后真空干燥4 h，比色法测定活性成分含量并计算得率，考察不同时间对提取率的影响。

1.4.3.4 超声功率 准确称取原料200.0 g，利用组织捣碎机破碎至浆状，以1∶6（g/mL）的料液比添加无水乙醇溶液，分别利用40%，50%，60%，70%，80%的功率超声处理10min，在30℃条件下浸提30min，过滤后真空干燥4 h，比色法测定活性成分含量并计算得率，考察不同超声功率对提取率的影响。

1.4.4 响应面试验设计[17]在单因素试验的基础上，以芦荟活性成分提取率为考察指标，选取4因素3水平进行响应面试验设计，试验因素及水平如表1所示。

表1 试验设计因素与水平

1.5 数据分析

试验结果采用Design-Expert 8.0.6软件进行数据计算及分析，得出最佳提取工艺参数，同时进行验证试验。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 料液比对芦荟活性成分提取率的影响 从图1可以看出，提高溶剂用量，芦荟活性成分提取率增加，料液比（1∶5）～（1∶6）（g/mL）增加幅度较大，料液比为1∶6（g/mL）时，芦荟活性成分提取率达到 0.79%，但料液比（1∶6）～（1∶9）（g/mL）之间曲线趋于平缓，说明再次提高溶剂用量对提取率影响不大，据实际操作需要，料液比选择1∶6（g/mL）为宜。

2.1.2 温度对芦荟活性成分提取率的影响 从图2可以看出，当温度为35～40℃时，芦荟活性成分提取率提高较大，45℃达到最大提取率（1.23%）；温度升高到50℃时提取率略有下降，可能温度对可测活性成分造成损失，导致得率下降。综合考虑，选择40℃有利于活性成分的提取。

2.1.3 浸提时间对芦荟活性成分提取率的影响从图3可以看出，浸提30 min，能导致活性物质大幅溶出；浸提30～50 min，活性成分提取率增加缓慢；50 min时活性成分提取率达到最大值0.79%；再延长浸提时间至60 min，活性成分得率稍有下降，这可能是有机溶剂与部分活性成分发生了有机化学反应，因此，选择30 min作为提取时间。

2.1.4 超声功率对芦荟活性成分提取率的影响由图4可知，超声处理能提升芦荟活性成分提取率，超声功率在40%～60%时，活性成分提取率增加较慢，超声对植物细胞的处理效果不明显；超声功率为70%时，活性成分提取率达最大值（1.20%）；超声功率为80%时，活性成分为1.13%，这可能是由于超声对活性成分的破坏所致。因此，实际操作中选择超声功率为70%为宜。

2.2 响应面试验结果[18-19]

2.2.1 响应面试验结果及方差分析 利用Design-Expert 8.0.6软件中的Box-Behnken程序进行试验设计及分析，试验方案及结果列于表2，分析结果列于表3。

表2 响应面试验方案及结果

从表 3可以看出，料液比（A）、处理时间（C）、超声功率（D）的一次项达到显著水平（P＜0.05），表明这3个因素对芦荟活性成分得率的线性效应显著；AC，CD交互效应显著（P＜0.05），说明各因素对芦荟活性成分得率的影响是非线性的；所有二次项对芦荟活性成分得率的曲面效应达到极显著（P＜0.000 1）；二次方程模型达极显著水平（P＜0.000 1），失拟项不显著（P＞0.05），说明回归方程对数据进行了较好的拟合，R2＝0.95，R2adj＝0.90，试验结果是可信的。

二次回归方程为 ：R1＝1.49＋0.044A＋5.642E－003B＋0.052C＋0.091D－0.032AB＋0.066AC＋0.016AD＋9.000E－004BC－0.034BD＋0.066CD－0.17A2－0.15B2－0.21C2－0.28D2。

表3 回归模型方差分析

2.2.2 响应面分析及最优参数确定 因素对提取 率影响力的向应面和等高线如图5所示。

从图5可以看出，任何2个交互因素在试验水平范围内的响应值都有最大提取率。其中，料液比与提取时间的交互作用显著，2个因素对提取率的影响程度比较均衡；提取时间与超声功率的交互作用显著，超声功率对提取率的影响效果稍大于提取时间，说明了超声对芦荟组织细胞的破坏作用能提高提取率，其他交互作用不显著。

根据软件分析得出，芦荟活性成分提取各因素的影响从大到小排序为D＞C＞A＞B，最佳工艺条件为：料液比为1∶6.17（g/mL），提取温度为39.90℃，提取时间为31.79 min，超声功率为71.87%，芦荟活性成分得率理论预测值为1.50%。

3 结论

在单因素试验的基础上，采用响应面法对芦荟活性成分提取工艺进行了优化，根据实际生产需要，最佳工艺参数为：料液比1∶6（g/mL），提取温度40℃，提取时间30 min，超声功率70%，建立了可信的预测模型，以获得的最佳工艺参数进行了验证试验，芦荟活性成分的得率为1.49%，与分析预测值1.50%比较接近，充分证明此优化方案可行，能够为实际生产提供指导。