响应面法优化厚朴花总酚浸提工艺

沈春红，李金星，何越雯，葛苗苗，马林，2*

（1.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳621010；2.四川省生物质资源利用与改性工程技术研究中心，四川绵阳621010）

厚朴(Magnolia officinalis Rehd.et Wils.)，木兰科高大乔木，首载于《神农本草经》，其味苦温，主中风、伤寒、头痛、寒热[1]。历代本草论述其主要以根皮、干皮及枝皮入药，用于湿滞伤中、脘痞吐泻、食积气滞等[2]。厚朴树皮的生长周期长，一般要15年以上才符合药用质量要求[3]，这导致其使用效率受到限制，经济效益低下。近年来，为提高厚朴的资源利用率，探索厚朴新用途，不少学者已经对厚朴籽、厚朴叶和厚朴花进行研究，如厚朴籽优良种源选育[4-5]；厚朴叶餐具垫片和其用作牲畜饲料、化妆品、植物杀菌剂以及食品包装[6-7]；厚朴花化学成分研究[8-10]，这些研究拓展了厚朴新的消费方式，使厚朴资源得到进一步利用。

厚朴花是厚朴的非药用部位，最早记载于1936年出版的《饮片新参》[11]。现代药理学研究表明，厚朴花与厚朴皮有近似成分，如酚类、生物碱类[12]以及挥发油类[10]，且同样具有抗炎、镇咳、镇痛以及促进胃排空、推进肠运动等药理作用[13-16]。目前，仅有少量的厚朴花被用于临床治疗[17]和研制金属纳米材料[18]，大量的厚朴花任其自由凋落腐烂，造成了药用资源的浪费。查阅资料发现，厚朴花被列于2002年版可用于保健食品的物品名单，此外，在四川平武，松潘等地方也有用厚朴花泡茶饮用的习惯，但未见对其加工利用的研究。如今，已有研究者将具有降血脂和增强免疫力功能的杜仲雄花茶[19]和润肺止咳的枇杷花茶[20]等开发为特色植物饮品，深受消费者喜爱。若能在科学研究的基础上对厚朴花进行提取加工，将产生重要的经济和社会效益。

酚类物质作为厚朴皮中的主要有效成分，主要包括厚朴酚与和厚朴酚，具有抗炎、镇痛、抗菌、抗腹泻等多种生理功能[21-22]。因厚朴皮中酚类物质含有烯丙基的联苯二酚结构，使其具有较强的抗氧化作用，这是厚朴中酚类物质能发挥生物学功能的重要基础[23]。厚朴花是厚朴的一部分，其主要有效成分与厚朴皮相近。本试验以厚朴花总酚含量为响应值，通过单因素试验、筛选试验设计（plackett-burman，PB）、最陡爬坡试验和响应面试验，探索厚朴花最佳浸提工艺条件，为实现厚朴花保健茶的开发探索道路，也将有利于厚朴资源的综合利用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

厚朴（Magnolia officinalis）花：于2019年5月采自四川省松潘县白羊乡；福林酚、碳酸钠（分析纯）：成都科隆化学试剂有限公司。

JY2003电子天平：赛多利斯科仪器（北京）有限公司；DHG-9053A电热鼓风干燥箱：上海博迅实业有限公司医疗设备厂；UV-8000S紫外可见分光光度计：上海元析仪器有限公司；DZKW-S-6电热恒温水浴锅：北京市光明医疗仪器有限公司；SL-200型高速多功能粉碎机：浙江省永康市松青五金厂。

1.2 试验方法

1.2.1 单因素试验

固定厚朴花粉碎度为80目、提取温度100℃、提取时间 10 min、提取 1 次，考察不同料液比 [1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70（g/mL）]对厚朴花总酚含量的影响，筛选出最佳料液比，然后将其作为最佳加条件固定，再分别考察提取时间（3、5、7、9、11、13、15min）、提取温度（50、60、70、80、90、100 ℃）、提取次数（1、2、3）和粉碎度（20、40、60、80、100、120 目）。 其中，对于特定时间内温度的保持，采用水浴锅保温来实现。每次改变一个因素，考察完一个因素后，将其最佳条件作为下一个因素的固定条件，直至完成全部单因素试验。

1.2.2 筛选试验设计（plackett-burman design，PB）

在单因素试验基础上，利用Design Expert 10.0.7软件进行PB试验设计，对料液比（A）、提取时间（B）、提取温度（C）、粉碎度（D）进行分析，采用4个因素和7个虚拟因素进行N=12的设计组合，以总酚含量为响应值，试验设计见表1。

表1 PB设计因素及水平Table 1 Plackett－burman design factor level

1.2.3 最陡爬坡试验

最陡爬坡试验是根据PB试验的结果，对筛选出的显著因素进行设计，根?据各因素的效应大小和变化方向确定爬坡步长和方向[24]。根据PB试验的结果，选择对厚朴花总酚含量有显著影响的因素作为响应面试验的中心点开展试验，由此逼近最大响应值区域。

1.2.4 响应面试验

根据响应面试验设计（Box-Behnken design，BBD）原理，在PB试验和最陡爬坡试验结果的基础上，选择料液比（X1）、提取温度（X2）、粉碎度（X3）3 个因素，建立三因素三水平数学模型对厚朴花浸提工艺进行优化，其余因素条件固定为提取时间7 min，提取1次，试验设计见表2。

表2 响应面因素与水平Table 2 Response surface factors and horizontal table

1.2.5 总酚含量的测定

采用Folin-酚比色法[25]，以没食子酸为标准品绘制标准曲线，得到回归方程：Y=0.269 1X+0.057 9（R2=0.999 6）。取30 μL厚朴花浸提液加入10 mL的比色管中，加入5 mL 10%福林酚显色剂，摇匀，8 min后加入4 mL 7.5%碳酸钠，定容，混匀。静置60 min后，在765 nm波长下测定吸光度。总酚含量以每克厚朴花茶中没食子酸含量计。

1.3 数据处理

所有测定均重复3次，取平均值，用SPSS 22.0进行显著性分析，采用Origin 9.0绘图；PB试验和响应面试验设计及分析采用Design Expert 10.0.7。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 料液比对厚朴花总酚含量释放的影响

固定厚朴花粉碎度为80目、提取温度100℃、提取时间10 min、提取1次，料液比对厚朴花总酚含量的影响见图1。

图1 料液比对厚朴花总酚含量的影响Fig.1 Effect of material liquid ratio on the total phenol content in Magnolia officinalis flower

由图1可知，厚朴花总酚含量总体随着溶剂的增加而增加，料液比超过1∶30（g/mL）时增长速率变缓。溶剂添加量较小时，溶剂不足以完全提取出厚朴花粉末中的总酚，这在一定程度上降低了总酚的溶出率；而溶剂添加量过大时，由于传质阻力，过量的水不再起到提取总酚的作用，反而降低溶液的总酚浓度[26]。从节约成本的角度出发，考虑料液比1∶30（g/mL）为最佳。

2.1.2 提取时间对厚朴花总酚含量的影响

用料液比1∶30（g/mL）提取厚朴花茶，固定粉碎度为80目、提取温度100℃浸提1次，提取时间对厚朴花总酚含量的影响见图2。

由图2可知，厚朴花总酚含量总体随着提取时间的延长而升高，在浸提时间为7 min时出现拐点（5.64%），9 min～15 min范围内又波动上升。一般来说总酚含量随着提取时间的延长而增加，但在实际操作时，处于高温条件下的时间越长，总酚越易发生氧化聚合反应，导致品质下降[27]。因此在工业提取厚朴花时，应对提取时间进行合理的控制以得到高品质的浸出物。故提取时间选择7 min为宜。

图2 提取时间对厚朴花总酚含量的影响Fig.2 Effect of extraction time on the total phenol content in Magnolia officinalis flower

2.1.3 提取温度对厚朴花总酚含量释放的影响

按照料液比 1∶30（g/mL）、粉碎度 80 目、提取时间7 min、对厚朴花进行1次提取，提取温度对厚朴花总酚含量的影响见图3。

图3 提取温度对厚朴花茶总酚含量的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on the total phenol content in Magnolia officinalis flower

由图3可得，厚朴花总酚含量随着提取温度的升高而增加，在70℃～90℃之间增速最快，之后趋于稳定，90℃与100℃无显著性差异（P＜0.05）。这可能是由于较高的提取温度有利于厚朴花茶中总酚向溶剂迅速扩散，在90℃时植物总酚已基本溶出，再升高提取温度，植物中酚类物质发生氧化聚合更加明显，其含量不再增加[28]。此外，继续增高温度会延长升温时间，消耗能源，造成成本增加，因此选择提取温度为90℃。

2.1.4 提取次数对厚朴花总酚含量释放的影响

以料液比 1∶30（g/mL）、粉碎度 80 目、90 ℃温度对厚朴花提取7 min，提取次数对厚朴花总酚含量的影响见图4。

图4 提取次数对厚朴花茶总酚含量的影响Fig.4 Effect of extraction times on the total phenol content in Magnolia officinalis flower

由图4可知，随着提取次数的增加，厚朴花总酚含量不断降低。本试验中提取2次与提取1次出现显著差异（P＜0.05），多次提取将增加功率的消耗，从节能角度考虑本试验选择浸提1次。

2.1.5 粉碎度对厚朴花总酚含量释放的影响

对厚朴花茶进行1次提取，固定料液比1∶30（g/mL）、提取温度90℃提取7 min，粉碎度对厚朴花总酚含量的影响见图5。

图5 粉碎度对厚朴花总酚含量的影响Fig.5 Effect of raw material particle size on the total phenol content in Magnolia officinalis flower

由图5可知，总酚含量随着厚朴花粉碎度的增大而增大，80 目时达到最高值（5.68%），但 60、80、100、120目之间总酚含量没有显著差异（P＜0.05）。对水溶性成分而言，原料颗粒越小，其与水的接触面积越大，水溶出物越多。粉碎度为20目～40目时，原料颗粒较大，厚朴花粉末与水的接触面积小，导致总酚不能完全溶出；随着粉碎度增加到100目～120目时，原料颗粒间的吸附作用增强，总酚含量不再增加，且粉碎功率消耗变大，成本提高，此外，粉末易悬浮于水中使溶液浑浊，因此选择粉碎度为60目。

2.2 PB试验设计结果

PB试验可以有效地筛选出影响厚朴花总酚溶出率的关键因素，其设计与结果见表3。各因素的PB试验结果回归分析见表4。

表3 PB设计及结果Table 3 Plackett-burman design and results

表4 PB试验结果回归分析Table 4 Regression analysis of plackett-burman experimental results

由表4可知，此回归模型的P值为0.004 6，小于0.01，表明回归模型具有统计学意义，同时决定系数R2=0.992 0，调整决定系数为0.970 8，说明模型设计可靠。此外，各因素的P值表明，各因素对厚朴花总酚含量的影响水平为粉碎度＞提取温度＞料液比＞提取时间，其中粉碎度、料液比和提取温度达到极显著水平（P＜0.01）。相关性方程为：总酚含量/%=-1.269 77+0.032 883A+0.091 603B+0.034 567C+0.027 909D+0.136 42F-0.102 52H-0.200 53J-0.278 70L。

由方程可知，粉碎度、料液比、提取温度和提取时间4个因素均为正效应。根据各因素影响水平选择粉碎度、料液比和提取温度3个因素进行最陡爬坡试验，提取时间和提取次数选择单因素试验的最佳条件。

2.3 最陡爬坡试验设计结果

由PB试验得出粉碎度、料液比和提取温度均为正效应，由此确定爬坡方向和合理步长。最陡爬坡试验中X1料液比、X2提取温度和X3粉碎度对厚朴花总酚含量的影响见表5。

由表5可知，试验3组厚朴花的总酚含量最高，故选择试验组3作为Box-Behnken试验的中心值，并以2组和4组试验条件为边界，优化下一步的响应面试验。

表5 最陡爬坡试验设计及结果Table 5 Test design and results of steepest climb

2.4 Box-Behnken试验设计结果及方差分析

在PB试验和最陡爬坡试验的基础上利用Design Expert 10.0.7软件进行响应面试验设计，得到试验结果见表6，方差分析见表7。

表6 Box-Behnken试验设计及结果Table 6 Box-Behnken design and results

表7 回归模型方差分析Table 7 Analysis of variance of regression model

对试验结果进行多元回归拟合，得到变量（料液比X1、提取温度X2、粉碎度X3）与响应值厚朴花总酚含量之间的回归模型方程：厚朴花总酚含量/%=-118.71406-0.067 588X1+2.702 69X2-2.921 71×10-3X3+6.143 37×10-3X1X2+1.180 94×10-3X1X3+1.124 32×10-3X2X3-8.580 66×10-3X12-0.016 232X22-6.868 35×10-4X32。

由表7可知，模型P值小于0.001，模型极显著，失拟项P值为0.179 2，无显著性差异，R2=0.967 8，表明模型对本试验拟合程度良好，R2Adj=0.926 4，表明该模型能解释92.64%响应值的变化，模型变异系数C.V=2.62%＜10%，进一步说明该模型较为稳定，重复性好，因此可用该回归方程对不同提取工艺条件下厚朴花总酚含量进行分析预测。影响厚朴花总酚含量的因素顺序为粉碎度（X3）＞料液比（X1）＞提取温度（X2）。 回归模型中二次项X12和 X32显著（P＜0.05），X22极显著（P＜0.01），而一次项 X1X2、X1X3和 X2X3均不显著（P＞0.05），表明不同提取条件对厚朴花总酚含量的影响不同。

对响应面试验结果进行分析，得到各因素交互作用对厚朴花总酚含量影响响应面图，见图6。

从图6可知两两因素之间交互作用的响应面图都较为平缓，表明各因素之间的交互作用不显著；总酚含量与料液比的曲线较提取温度与总酚含量的曲线陡，说明料液比对厚朴花总酚含量的影响较提取温度高；粉碎度与总酚含量的曲线较料液比陡，说明粉碎度对厚朴花总酚含量的影响大于料液比；同理可得，粉碎度对厚朴花总酚含量的影响大于提取温度，与方差分析结果相符。

图6 各因素交互作用对厚朴花总酚含量影响的响应面与等高线Fig.6 Contour plots and response surface diagram showing the interaction effect of various factors on the Magnolia officinalis flower

2.5 最佳提取条件的确定与验证试验

通过Design Expert 10.0.7软件分析得出厚朴花总酚含量最高的工艺条件：料液比 1∶30.78（g/mL）、提取温度94.22℃、粉碎度98.67目、提取时间7 min、提取次数1次，在此条件下，预测的总酚含量为6.50%。考虑到实际操作的可行性，将理论工艺条件调整为料液比 1∶30（g/mL）、提取温度 94 ℃、粉碎度 100 目、提取时间7 min、提取1次，平行试验3次，得到厚朴花总酚含量为6.42%，与模型预测结果相近，表明此模型用于预测厚朴花的浸提工艺条件具有较高可靠性。

3 结论

本试验以厚朴花总酚含量为响应值，通过单因素试验、PB试验、最陡爬坡试验和响应面试验确定了厚朴花最优水提工艺条件为料液比1∶30（g/mL）、提取温度94℃、粉碎度100目、提取时间7 min、提取1次，此时的总酚含量为6.42%。较高的粉碎度有利于颗粒中总酚的溶出，提取温度越高，溶剂中总酚含量溶出越多，但提取时间不宜过长，以7 min为佳。研究还发现，随着提取次数的增加，溶剂中的总酚含量下降显著，表明此厚朴花没有多次提取的必要。本研究提供了厚朴花的最佳水提工艺，为厚朴花保健茶的研发提供了技术参考，丰富了厚朴花的消费形式，提高了厚朴副产物的附加值。