响应面法优化菠萝皮黄酮的超声-微波协同萃取工艺研究

赵娟娟 吴军梅 李维娜 马梦雪 刘佳娜

（1 衡水学院生命科学系 河北 衡水 053000；.衡水湖旅游服务中心 河北 衡水 053000；3 衡水市桃城区社会保险事业管理所 河北 衡水 053000）

黄酮类物质是一类广泛存在于自然界的多酚类化合物，不仅具有较强的天然抗氧化性，而且具有抗癌、抗肿瘤、抗衰老、降脂、降压、免疫调节、抗炎镇痛、降血糖等多种作用[1]。黄酮类物质在菠萝皮中含量较高[2，3]。从当前现状来看，菠萝皮被当作废物丢弃，造成很大浪费的同时还污染环境。在菠萝皮中提取黄酮类物质，可以变废为宝，解决其造成的环境污染问题。

1 材料和方法

1.1 主要材料与试剂。菠萝皮取自衡水市吉美超市。试验使用新鲜的菠萝皮，清洗干净除去杂质后烘干，粉碎，将粉碎后的菠萝皮置于干燥器中避光备用。

芦丁标准品，国家生物制品检定所；无水乙醇、Al(NO3)3、NaNO2、NaOH 等均为分析纯，衡水瑞丰化玻仪器有限公司。

1.2 主要仪器与设备。XH-300A 型微波超声波组合合成/萃取仪，北京祥鹄科技发展有限公司；F123602微量可调单道移液器，法国吉尔森；X5 紫外可见分光光度计，上海元析仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 黄酮含量测定方法[4]。采用亚硝酸钠硝酸铝显色法，使用紫外可见分光光度计在波长510 nm 下测出黄酮物质吸光度，通过标准曲线A.10.682C -0.0011(R=0.9999)，计算出黄酮提取率。

1.3.2 菠萝皮总黄酮提取单因素试验[5]。设计乙醇体积分数(50%、60%、70%、80%、90%)，微波功率(50 w、100 w、150 w、200 w、250 w)，超声波功率(200 w、300 w、400 w、500 w、600 w)，料液比(1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50)，提取温度(45 ℃、55 ℃、65℃、75℃、85℃)，提取时间(5 min、10 min、15min、20 min、25 min)进行单因素试验。

1.3.3 响应面分析法对菠萝皮中总黄酮提取工艺的优化。本试验利用Design-Expert 软件，对料液比、超声波功率、提取温度、提取时间四个对提取率影响较大的因素进行四因素三水平试验[6]，以黄酮得率为响应值，得出最佳提取条件。具体设计见表1。

表1 试验因素与水平表

2 结果及分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 提取溶剂体积分数的确定。由表2 可知，当乙醇的体积分数在50%～70%之间时，黄酮的提取率呈上升趋势，当乙醇体积分数在70%～90%之间时，黄酮的提取率不断下降。由此可知，乙醇体积分数为70%时黄酮提取率最高。

表2 不同体积分数的乙醇对菠萝皮中黄酮提取率的影响

2.1.2 微波功率的确定。微波有快速升温的作用，当温度达到预定温度时，微波停止工作。通过试验可知，微波功率对黄酮得率影响不大，当微波功率为150.时黄酮提取率最稳定。因此设定的微波功率为150 w。

2.1.3 超声波功率的确定。由图1 可知，当超声波功率为200～400.时，菠萝皮中黄酮的提取率呈上升趋势；当功率为400～600.时，黄酮提取率呈下降趋势；在超声波为400.时，黄酮得率出现峰值，即当前功率下黄酮的提取率最高。

2.1.4 最佳液料比的确定。由图2 知，增加料液比，黄酮类物质的提取率也增加，当料液比为1∶30 时，菠萝皮中黄酮得率达1.043%。在此基础上继续增加料液比，黄酮的提取率变化幅度不明显，既浪费溶剂又不易回收黄酮。因此料液比以1∶30 为宜。

图1 不同超声波功率对黄酮提取率的影响图

2.1.5 最佳提取温度的确定。由图3 可知，随着温度逐渐增加，黄酮的提取率呈先升高后下降的趋势。温度为65 ℃时黄酮的提取率最高为1.06%。可能是因为高温会破坏黄酮结构或由于温度过高会溶出其它杂质。由此可知，提取温度为65 ℃时对黄酮类物质的提取有利。

2.1.6 最佳提取时间的确定。由图4 可知，当时间低于10 min 时，随着提取时间的增加，黄酮提取率也不断增大。当时间大于10 min 时，黄酮的提取率不断减小。在10 min 时，黄酮的提取率达到最大值1.06%；所以提取时间设定为10 min。

图3 不同温度对菠萝皮黄酮提取率的影响

图4 不同时间对菠萝皮黄酮提取率的影响

2.2 响应面试验结果

表3 响应面设计方案及结果

2.2.1 响应面试验结果。按照表1 进行优化试验，计算黄酮得率，结果见表3。

2.2.2 方差分析。应用Design-Expert 软件对试验数据处理，得结果如表4。

表4 拟合二次项模型的方差分析

通过方差分析，得到四个因素对黄酮提取率的回归方程：Y=1.10-0.18A-0.016B+0.013C+0.012D+0.068AB.7.500E.003AC.0.040AD.0.035BC +0.040BD.0.052CD.0.15A2- 0.25B2- 0.28C2- 0.30D2，该模型的复相关系数为R2=0.9854，矫正系数AdjR2=0.9708，说明试验的实际值和预测值拟合度较好。

由表4 可知，模型P＜0.0001，说明该模型极显著，失拟项P=0.3355＞0.05，说明试验误差较小。因素A 的P 值小于0.01，表明因变量和自变量之间的线性关系显著。二次项P 都小于0.01，表明四个因素对黄酮提取率的影响都达到极显著水平。交互项AB 的P 值小于0.01，说明料液比和超声波功率的交互作用对菠萝皮总黄酮提取率的影响显著。

2.2.3 响应面交互作用分析。通过Design-Expert 软件，做出响应面曲线图和等高线图，结果见图5。

图5 响应面图(A，B) 和等高线图

根据图5 可知，图的颜色由蓝色变为红色，说明提取量由少变多，图形弧度越大变化得越快，说明变量之间的交互作用对黄酮提取率是有显著影响的。超声波功率和料液比的交互作用显著。在等高线图中，曲线越密，相应的响应曲面则越陡，那么响应值对该因素的变化就较敏感。对于响应曲面来说，图像呈上凸的形状，而且等高线为椭圆时，向上凸的程度越大。每个响应曲面的最高点就是优化工艺中的最佳条件，在这一点菠萝皮中黄酮类物质的提取率最高。

2.2.4 优化与验证试验。根据响应面结果可知，最佳提取条件为：料液比1∶32.8，超声波功率404.97 w，提取温度65.07 ℃，提取时间10.18 min，此时菠萝皮总黄酮的提取率为1.124%。为了保证操作的方便可行，选取料液比为1∶32.8、超声波功率400 w、提取温度65.1℃、提取温度10.2 min，进行验证试验，平行3 次，菠萝皮总黄酮提取率的平均值为1.112%。实际所测提取率与预测值相差0.012%，说明该模型的可靠性强，工艺的重复性好。

3 结论

本试验采取单因素试验和响应面法优化的方法从菠萝皮中提取总黄酮。建立料液比、超声功率、提取温度、提取时间等单因素与总黄酮提取率之间的回归方程，确定乙醇体积分数70%、料液比1∶32.8，超声功率400 w、微波功率150 w、提取温度65.1 ℃、提取时间10.2 min 为菠萝皮总黄酮提取的最佳工艺条件，最佳提取率为1.11%。试验值和预测值基本吻合。

该试验表明超声—微波协同萃取法对于提取菠萝皮中黄酮类物质效率高，方法简便，为以后的工艺研究提供了可靠的理论依据。