应用响应面法优化提取白檀果实花色苷工艺1)

郭才南 安佰义 韩櫂濂 王赏 王丹 张雪 刘晓嘉 程志强

(吉林农业大学，长春，130118)

白檀(Symplocospaniculata)为山矾科(Symplcaceae)山矾属落叶灌木或小乔木，其树形优美，花白色、芳香，是极具观赏价值的园林绿化树种[1]；白檀萌蘖能力强,根系发达，耐干旱瘠薄，能够适宜石灰岩、废弃矿区等瘠薄、边际性土地，是优良的水土保持树种[2]；白檀也具有油用和生态修复功能，还含有较高的生物活性成分、矿质营养元素，具有较高的药用价值[3]，其果成熟时呈蓝紫色，使其呈蓝紫色的主要成分是花色苷类物质[4]。花色苷是以糖苷键把花色素与糖结合而成的一类化合物[5]。大量研究表明，植物花色苷具有抗氧化活性[6]、抗肿瘤[7]、抗动脉粥样硬化[8]、降血糖[9]、降血脂[10]、改善记忆力[11]、保护心脏[12]等一系列生物学功能。白檀是我国的原生树种，也是多功能树种，但目前尚未得到人们的重视，同时对白檀也缺乏相关领域科学系统的研究，另外应用响应面法优化白檀花色苷微波提取工艺未见报道。因此本研究采用响应面法优化微波辅助提取白檀花色苷工艺，确定出最佳提取工艺条件，以期为白檀更广泛地开发利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

白檀果实于9月中旬(果实成熟期)采自吉林省通化市二道江区白檀优异株系。摘选新鲜无损伤果实立即放入含有冰袋的泡沫盒中，之后放入冰箱-20 ℃保存备用。

1.2 白檀果实花色苷质量摩尔浓度的测定

在530、620、650 nm波长下，用TU-1950紫外-分光光度计测定花色苷提取液的光密度值(DO)。依据公式DO,λ=(DO,530-DO,620)-0.1(DO,650-DO,620)计算花色苷的光密度值，再计算花色苷质量摩尔浓度(M)。每试验重复3次。M=(DO,λV)/(εm)×106nmol·g-1。式中：ε为4.62×104表示花色苷的摩尔消光系数；V表示提取液总体积；m表示取样质量。

1.3 单因素试验

用1%柠檬酸-X%无水乙醇(X%为乙醇的体积分数)为溶剂，采用MAS-II型常压微波合成/萃取反应工作站进行微波辅助提取，装置如图1所示。对微波功率、微波时间、液料比、乙醇体积分数4个因素进行单因素试验，探究其对白檀花色苷提取量的影响。经过预试验筛选，微波功率分别设为100、200、300、400、500、600 W；微波时间分别设为0、2、4、6、8、10 min；液料比分别设为10 mL∶1 g、20 mL∶1 g、30 mL∶1 g、40 mL∶1 g、50 mL∶1 g、60 mL∶1 g；1%柠檬酸-X无水乙醇溶剂中乙醇体积分数分别设为50%、60%、70%、80%、90%、100%。试验均重复3次。

1.4 响应面试验设计

微波功率、微波时间、液料比、乙醇体积分数分别固定为300 W、4 min、40 mL∶1 g、60%，根据Box-Behnken试验设计原理，在单因素试验基础上，每个因素选取3个水平，设计响应面试验，优化白檀果实花色苷的提取工艺。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

由表1可知，在一定的微波功率范围内，随着微波功率的不断增加，白檀花色苷提取量先显著增加后下降，当微波功率为400 W时，花色苷提取量最高，可能是由于微波功率的不断增加使微波破壁作用增强，从而有利于花色苷的提取，但当微波功率继续增加时，不断加强的微波频率，可能破坏花青素苷元与糖分子形成的糖苷结构，从而使花色苷提取量下降。在一定的微波时间范围内，随着微波时间的不断增加，白檀花色苷提取量先显著增加后下降，当微波时间为6 min时，花色苷提取量最高。其主要原因可能是微波促使物质溶出，从而有助于花色苷的提取，但随微波时间的增加，花色苷提取量下降，这可能是由于在温度较高的环境下，微波提取时间的延长使花色苷化学键的振动、撕裂和粒子间的摩擦和碰撞持续过久发生，导致花色苷稳定性下降，使花色苷部分分解，因此花色苷提取量下降。在一定的液料比范围内，随着液料比的增大，白檀花色苷提取量先显著增加后下降，在液料比为40 mL∶1 g时，花色苷提取量最高，主要原因是在一定程度上，液料比的增大使固液两相的浓度差增大，即传质推动力提高，从而有助于花色苷的提取。但液料比过大：一方面，可能会溶出一些醇溶性杂质，导致乙醇-水分子被抢夺，从而影响花色苷在溶剂中溶解；另一方面，过大的液料比可能会使溶液的升温速度减慢，使花色苷浸提受阻，从而使花色苷的提取量下降。在一定的乙醇体积分数范围内，随着乙醇体积分数的不断增大，白檀花色苷提取量先增加后显著下降，在乙醇体积分数60%时，花色苷的提取量最高，主要原因是随着乙醇体积分数的增加，溶质与溶剂的极性差异减小，根据相似相溶原理，花色苷的溶解度增加，但乙醇体积分数超过一定阈值之后再继续增加，溶质与溶剂的极性差异就会不断增大，花色苷的提取量由于其溶解量减少而下降。

表1 各因素对白檀果实花色苷提取量的影响

2.2 响应面设计及结果

2.2.1 模型的建立与显著性

响应面试验设计及结果见表2。利用Design-Expert 10.0.3软件，拟合的试验因素和白檀果实花色苷提取量的多元回归模型为：Y=655.064+15.27A-9.00B+9.08C-32.77D+3.87AB-45.54AC-45.23AD-16.75BC+4.32BD-3.25CD-101.07A2+0.032B2-81.06C2-104.24D2。由模型可知，微波功率和液料比的单因素影响，微波功率×微波时间、微波时间×乙醇体积分数的交互作用和微波时间的二次项对花色苷提取量有积极作用。在微波时间、乙醇体积分数的单因素作用，以及微波功率×液料比、微波功率×乙醇体积分数、液料比×乙醇体积分数的交互作用以及微波功率、液料比、乙醇体积分数的二次项均对花色苷的提取量有负面影响。

表2 响应面法试验设计及结果

表3 响应面回归模型方差分析结果

2.2.2 响应面交互项对试验结果的影响

图2a表明，当微波时间(B)和乙醇体积分数(D)都处于零水平时，微波功率(A)和液料比(C)分别在300～406.62 W和30 mL∶1 g～40.38 mL∶1 g范围内增加时，花色苷提取量迅速增加；超过406.62 W和40.38 mL∶1 g时，花色苷提取量则略有下降。另外，由图2a等高线图呈椭圆形可知，微波功率(A)和液料比(C)之间的相互作用是显著的，这与表4中的回归模型方差分析一致。

图2b表明，当微波时间(B)和液料比(C)都处于零水平时，微波功率(A)和乙醇体积分数(D)对提取量有二次影响，随着2个参数值的增加，花色苷的提取量先增加后显著下降，当微波功率(A)和乙醇体积分数(D)分别为411.68 W和58.16%时，花色苷提取量最大，为658.94 nmol·g-1。另外，由图2b等高线图呈椭圆形可知，微波功率(A)和乙醇体积分数(D)之间的相互作用显著，这也通过表4中的结果得到证实。

图2c表明，当微波功率(A)和乙醇体积分数(D)都处于零水平时，随着液料比从30 mL∶1 g增加到41.59 mL∶1 g，花色苷的提取量增加，但随着液料比(C)的进一步增加，花色苷的提取量减少。随着微波时间(B)从4 min增加到8 min，花色苷的提取量略有增加。当液料比(C)和微波时间(B)分别为41.59 mL∶1 g和4 min，花色苷提取量最大，为666.157 nmol·g-1。但这与图2c中的等高线图和表4中的结果不一致。

由于微波功率×微波时间、微波时间×乙醇体积分数、液料比×乙醇体积分数的交互作用在统计学上没有显著性，因此不做分析。

2.2.3 响应面验证试验

通过Design-Expert软件对回归方程分析，得到花色苷最佳提取条件：微波功率387.461 W、微波时间4.243 min、液料比42.556 mL∶1 g、乙醇体积分数59.281%，花色苷提取量的理论值为681.803 nmol·g-1。为了验证该方法的可靠性并考虑到实际情况，将最佳工艺参数修正为：微波功率390 W、微波时间4 min、液料比43 mL∶1 g、乙醇体积分数60%。在此条件下进行花色苷的验证试验，试验重复3次，平均值为678.53 nmol·g-1。理论值和试验值相差不显著，说明模型可以较好地模拟和预测白檀花色苷提取量，从而也证明了采用响应面法优化花色苷提取条件参数的可行性。

3 结论与讨论

本研究首次采用响应面法对白檀花色苷的微波辅助提取工艺进行优化，研究表明，微波功率、微波时间、液料比、乙醇体积分数4个单因素对花色苷提取量的影响趋势都为随着各因素的不断增大，提取量先增加后减少，这与李凤凤等[13]在蓝靛果花色苷工艺研究中的结果一致。各因素对白檀花色苷提取量的影响大小顺序为乙醇体积分数、微波功率、液料比、微波时间，这与Zheng et al.[14]采用微波辅助提取蓝莓粉中花色苷的研究结果部分一致，两者研究均为微波时间对花色苷提取量的影响最小。另外得到最佳提取条件为：微波功率390 W、微波时间4 min、液料比43 mL∶1 g、乙醇体积分数60%，花色苷实际提取量为678.53 nmol·g-1，提取率为0.021%。本研究可为今后微波工业提取利用白檀花色苷提供科学依据，为白檀的广泛开发利用提供参考价值。