响应面法优化微波-超声波辅助提取艾叶总黄酮的工艺研究

黄艳玲 蔡锦源 梁水娇

[摘要]以艾叶为原料，乙醇为溶剂，采用微波-超声波辅助提取艾叶中的总黄酮化合物。先进行单因素试验，考察乙醇浓度、乙醇用量、提取温度、微波功率、微波时间、超声时间对艾叶中总黄酮提取率的影响，根据所得实验结果选取微波功率、乙醇浓度和超声时间进行响应面分析实验，通过Design-Expert 8.0.6软件分析，得到最佳提取工艺为微波功率338W，乙醇浓度60%，超声时间16min，提取率为18.982%。与响应面分析模型的提取率18.954%较接近，证明该工艺较可靠，具有一定的意义与参考价值。

[关键词]艾叶;总黄酮;微波-超声波辅助提取;响应面分析法

中图分类号：R284.2 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.201912

艾叶又名艾蒿，是菊科植物艾的干燥叶，是常用的中草药之一[1]。艾叶的化学成分主要有挥发油、黄酮类、多糖类以及微量元素等[2-4]。其含有丰富的黄酮类化合物，具有抗菌、降压降脂、镇痛、抗脂质过氧化、抗衰老、增强机体免疫力等作用[5-6]。

近年来，利用微波和超声波提取艾叶中有效成分的研究较多，而微波-超声波联用来提取艾叶中的有效成分的研究尚未见报道，也没有用响应面分析法[7]来确定艾叶中总黄酮的最佳提取工艺的相关报道。本研究拟在单因素试验的基础上，采用响应面分析法对艾叶中总黄酮提取工艺条件进行优化，对其他中草药中有效成分的提取研究具有一定的借鉴作用。

1 仪器与试剂

1.1 主要仪器

UWave-2000多功能微波合成萃取仪：上海新仪微波化学科技有限公司;UV-1800紫外可见分光光度计：上海美谱达仪器有限公司;FW-100高速万能粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司;SHZ-D（III）循环水式多用真空泵：河南省予华仪器有限公司;101-3EBS电热鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司。

1.2 试剂

艾叶：广西仙茱中药科技有限公司;芦丁标准品：上海展云化工有限公司;无水乙醇、氢氧化钠、亚硝酸钠、硝酸铝等试剂均为分析纯。

2 试验方法

2.1 提取工艺

艾叶→恒温干燥（60℃，4h）→粉碎过筛（100目，备用）→称样（1g）→乙醇溶剂浸泡（30min）→微波处理→超声波处理→趁热过滤，弃去滤渣→样品液→稀释定容→取样测定。

2.2 芦丁标准曲线的绘制

参考黄艳玲等[8]制备芦丁标准溶液和绘制芦丁标准曲线，所得回归方程为A=10.382C+0.001（R2=0.999 5），线性关系良好，结果的可信度高，见图1。

2.3 艾叶中总黄酮提取率的计算

通过测定样品稀释液的吸光度值，代入芦丁标准曲线，并用下列公式计算艾叶中总黄酮的提取率。

总黄酮提取率=  （1）

式中：C为测定的样品液的浓度，mg/mL;V为测定样品液的体积，mL;Q为测定样品液的体积，mL;W为艾叶粉末的质量，mg。

3 结果与讨论

3.1 单因素试验

3.1.1 不同乙醇浓度对黄酮提取率的影响

称取1g艾叶粉末于250mL锥形瓶中，分别加入20mL不同浓度（30%、40%、50%、60%、70%）的乙醇溶液浸泡30min，控制微波时间为5min，微波功率为250W，提取温度为50℃，超声时间为15min，超声功率为520W，提取艾叶中的总黄酮，用紫外可见分光光度计测定其吸光度，并计算总黄酮提取率，结果见图2。

由图2可知，总黄酮的提取率随着乙醇浓度的增加呈先增大后减小的趋势，出现这种情况的原因可能是溶剂浓度的增大使部分醇溶性杂质溶解出来，影响到黄酮类化合物的溶解，从而提取率下降。在乙醇浓度为60%时艾叶中总黄酮的提取率最大，因此，乙醇浓度为60%时提取效果最好。

3.1.2 不同乙醇用量对总黄酮提取率的影响

方法步骤同上3.1.1，其他因素均不变，用不同的乙醇用量（10mL、20mL、30mL、40mL、50mL）提取艾叶中的总黄酮类物质，结果见图3。

由图3可知，艾叶中总黄酮的提取率随乙醇用量的增加呈先增大后减小的趋势。减小的原因可能是溶剂中溶解的总黄酮达到饱和后，总黄酮的提取率不再增加，另外还可能会有其他杂质溶出，对总黄酮的溶解造成一定的影响。乙醇用量为30mL时艾叶中总黄酮的提取率最高，此时总黄酮已达溶解平衡[9-11]。

3.1.3 不同提取温度对总黄酮提取率的影响

方法步骤同上3.1.1，用不同提取温度（40℃、50℃、60℃、70℃、80℃）提取艾叶中黄酮类物质，结果见图4。

由图4可知，艾叶中总黄酮提取率随提取温度的升高呈先增大后减小的趋势，出现这种情况的原因可能是温度升高，细胞间的摩擦作用变强导致细胞膜的破裂加快，艾叶中总黄酮的溶出速率变快，提取率提高;温度过高后，艾叶中一些黄酮类化合物可能被破坏，故而提取率下降。在提取温度为50℃时艾叶中总黄酮的提取率最高[12-13]，因此，微波温度为50℃提取效果最好。

3.1.4 不同微波功率对黄酮提取率的影响

方法步骤同上3.1.1，用不同微波功率（250W、300W、350W、400W、450W）提取艾叶中的黄酮类物质，结果见图5。

由图5可知，艾叶中總黄酮的提取率随着微波功率的增大呈先增大后减小的趋势，出现这种情况的原因可能是微波功率增大使分子之间的摩擦力增大，细胞膜迅速破裂，加快了黄酮类化合物溶出的速率，提取率增大，而微波功率太大时可能会使一些黄酮类物质分解，从而降低了提取率[14-15]。在微波功率为350W时艾叶总黄酮的提取率最高，因此，微波功率为350W时提取效果最好。

3.1.5 不同微波时间对黄酮提取率的影响

方法步骤同上3.1.1，用不同微波时间（4min、5min、6min、7min、8min）来提取艾叶中的总黄酮类物质，结果见图6。

由图6可知，艾叶中总黄酮的提取率随着微波时间的加长呈增大而后减小的趋势，出现这样情况的可能原因是提取时间过短时，对艾叶的细胞作用时间短，黄酮类物质的溶出量少，提取率低;而提取时间过长时，容器内持续的高温使黄酮类化合物受到破坏，从而导致提取率下降。在微波时间为5min时艾叶中总黄酮的提取率最高。因此，微波时间为5min时进行提取效果最好。

3.1.6 不同超声时间对黄酮提取率的影响

方法步骤同上3.1.1，用不同超声时间（10min、15min、20min、25min、30min）提取艾叶中黄酮类物质，结果见图7。

由图7可知，艾叶中总黄酮提取率随超声时间的增加稍微有所增大，而后呈逐渐减小的趋势，出现这种情况的可能原因是超声作用时间较长时，超声波的空化作用及机械振动作用导致细胞膜破裂，总黄酮提取率增大;而超声时间过长时，一方面可能是细胞内除黄酮类化合物以外的一些物质进入提取液，影响黄酮类化合物的溶出，另一方面，乙醇挥发，也降低了总黄酮的得率。因此，超声时间为15min时提取效果最好。

3.2 响应面优化试验设计及结果分析

3.2.1 响应面优化试验设计

在单因素试验的基础上，选择微波功率、乙醇浓度、超声时间3个自变量进行响应面设计，结果见表1、表2。

3.2.2 回归方程建立及模型方差分析

采用Design-Expert 8.0.6软件对表2数据进行二次多元拟合处理后，得到回归方程：

总黄酮提取率=-32.46035+0.19097A+0.52148B+0.42751C-1.135×10-4AB-8.41×10-4AC+5.75×10-4BC-2.52970×10-4A2-4.11425×10-3B2-5.717×10-3C2                                   （2）

式中：A为微波功率;B为乙醇浓度;C为超声时间。

所得的回归方程方差分析见表3。根据表3可以看出，F=8.05，P<0.01，说明该模型的显著性较高。失拟项=0.24（P>0.05）不显著，说明方程的拟合度与可信度较高。

使用Design-Expert 8.0.6软件对表2中数据绘制3D曲面图（见图7～图9），通过响应面图和P值的大小得出对总黄酮提取率影响大小顺序为微波功率>乙醇浓度>超声时间。

3.2.3 响应面法的可靠性验证

采用Design-Expert 8.0.6软件建立模型，进行最优分析，得到最优工艺为乙醇浓度59.80%，微波功率338.25W，超声时间15.51min，总黄酮提取率可达到18.982%。为验证该工艺的可靠性，并综合考虑试验条件，将该工艺所得参数调整为微波功率338W，乙醇浓度60%，超声时间16min，进行3组平行试验，得到总黄酮的平均提取率为18.982%，与模型预测值接近，表明：响应面法优化微波-超声波辅助提取艾叶总黄酮的工艺准确可靠。

4 结 论

乙醇浓度60%，乙醇用量30mL，微波功率350W，微波时间5min，提取温度50℃，超声时间15min℃时，分别达到单因素条件下的最高值。

采用Design-Expert 8.0.6软件进行响应面试验设计，构建二次回归方程模型。从方差分析及3D模型图中得出对提取率影响大小的顺序为微波功率>乙醇浓度>超声时间;最优工艺为微波功率338W，乙醇浓度60%，超声时间16min，总黄酮的提取率为18.982%。与响应面分析出的模型的提取率18.954%较接近，证明该工艺较可靠，具有一定的意义与参考价值。

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收稿日期：2019-11-08

基金项目：2017年广西大学生创新创业训练计划项目（201713639056）;广西科技大学鹿山学院科学基金项目（2017LSKY01）。

作者简介：黄艳玲，女，硕士，讲师，研究方向为天然产物提取，高分子膜材料。