張 霜，李 燕

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306)

響應(yīng)曲面法優(yōu)化蘆薈蒽醌提取工藝的研究

張 霜，李 燕*

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306)

采用響應(yīng)曲面法的中心組合設(shè)計(jì)對(duì)超聲波輔助提取庫(kù)拉索蘆薈中的蒽醌類物質(zhì)的提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。考察提取時(shí)間、液料比、乙醇濃度、超聲功率對(duì)蘆薈蒽醌提取率的影響，并建立數(shù)學(xué)模型。利用Minitab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到蘆薈蒽醌提取率的二次多項(xiàng)式回歸方程的預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明，庫(kù)拉索蘆薈蒽醌超聲輔助提取的優(yōu)化工藝條件為:提取時(shí)間40min，液料比50∶1(mL/g)，乙醇濃度80%，超聲功率600W。在此條件下，庫(kù)拉索蘆薈全葉烘干粉中蒽醌類物質(zhì)的提取率為2.868%。

蘆薈蒽醌，超聲波輔助提取，響應(yīng)曲面法，中心組合設(shè)計(jì)

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

庫(kù)拉索蘆薈(三年生)全葉烘干粉 云南萬綠生物股份有限公司;1，8－二羥基蒽醌標(biāo)準(zhǔn)品 色譜純，德國(guó)Dr.Ehrenstorfer公司;無水乙醇、無水甲醇 分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

XH－2008D電腦智能溫控低溫超聲波合成萃取儀 北京祥鵠科技發(fā)展有限公司;多功能粉碎機(jī)廣東佛山市方勝電器有限公司;UV－2000紫外分光光度計(jì) 上海尤尼柯儀器有限公司;SHZ－Ⅲ循環(huán)水真空泵 上海錦華層析設(shè)備廠;RE－52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海雅榮生化設(shè)備儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 對(duì)照品標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制用分析天平精確稱量40mg 1，8－二羥基蒽醌標(biāo)準(zhǔn)品，將標(biāo)準(zhǔn)品溶于無水甲醇中并定容到250mL容量瓶中，搖勻后得到濃度為0.16mg/mL的對(duì)照品標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別取1、1.5、2、2.5、3、3.5mL對(duì)照品標(biāo)準(zhǔn)溶液于100mL容量瓶中，并用無水甲醇定容，搖勻后得到濃度為0.0016、0.0024、0.0032、0.0040、0.0048、0.0056mg/mL的溶液。采用直接比色法［7］，以無水甲醇作為空白對(duì)照，在224nm波長(zhǎng)下測(cè)定以上溶液的吸光度，以蒽醌溶液的濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.2 樣品濃度的測(cè)定 稱取1g左右的庫(kù)拉索蘆薈全葉烘干粉，按照一定的液料比溶解在某濃度的乙醇溶液中，超聲水浴溫度設(shè)定為35℃，進(jìn)行超聲輔助提取。再將提取溶液真空抽濾，濾液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的溫度不宜過高(最好不超過65℃)，防止某些蒽醌類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。用定量的無水甲醇洗下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶?jī)?nèi)的蒸干物質(zhì)，所得到的溶液稀釋一定的倍數(shù)后在224nm下測(cè)定吸光度，參照標(biāo)準(zhǔn)曲線算出相應(yīng)的濃度。根據(jù)下述公式計(jì)算提取率:

式中:V為甲醇溶液的體積(mL)，C為測(cè)定吸光值對(duì)應(yīng)的濃度(mg/mL)，N為稀釋倍數(shù)，m為庫(kù)拉索蘆薈全葉烘干粉的質(zhì)量(mg)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，影響蘆薈蒽醌提取率的影響因素有:提取時(shí)間、液料比、乙醇濃度、超聲功率。根據(jù)中心組合的原理，每個(gè)影響因素設(shè)置5個(gè)水平(A=2)，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平編碼表Table 1 Independent variables’levels and their codes

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 提取時(shí)間對(duì)蘆薈蒽醌提取率的影響 在液料比為40∶1(mL/g)、乙醇濃度為60%和超聲功率500W的條件下，考察提取時(shí)間對(duì)蘆薈蒽醌提取率的影響。如圖1所示，10～30min內(nèi)提取率隨著時(shí)間的增加明顯提高，30min后隨時(shí)間的延長(zhǎng)，提取率的增長(zhǎng)平緩，并在40min后出現(xiàn)下降趨勢(shì)。時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)有其它雜質(zhì)浸出，不利于提取物的溶出?？紤]節(jié)能因素，本實(shí)驗(yàn)選擇30min為適宜提取時(shí)間。

2.1.2 液料比對(duì)蘆薈蒽醌提取率的影響 在提取時(shí)間為20min、乙醇濃度為60%和超聲功率500W的條件下，考察液料比對(duì)蘆薈蒽醌提取率的影響。如圖2所示，當(dāng)液料比在30∶1～45∶1時(shí)，隨著液料比的增加，提取率上升較快，液料比為45∶1時(shí)上升到最高點(diǎn)，隨著液料比不斷增加提取率反而有所下降。本實(shí)驗(yàn)選取液料比為45∶1。

圖1 提取時(shí)間對(duì)蘆薈蒽醌提取率的影響Fig.1 Effect of time on the yield of aloe anthraquinone

圖2 液料比對(duì)蘆薈蒽醌提取率的影響Fig.2 Effect of ratio of solvent to raw material on the yield of aloe anthraquinone

2.1.3 乙醇濃度對(duì)蘆薈蒽醌提取率的影響 在提取時(shí)間為20min、液料比為40∶1(mL/g)和超聲功率500W的條件下，考察乙醇濃度對(duì)蘆薈蒽醌提取率的影響。如圖3所示，隨著乙醇濃度的升高，提取率也逐漸增大。乙醇濃度達(dá)到70%時(shí)，提取率不再明顯增長(zhǎng)，最后卻有所下降?？赡苁且掖紳舛鹊奶岣咴黾恿巳芤后w系的粘度，影響了傳質(zhì)的速率。本實(shí)驗(yàn)選取濃度70%的乙醇。

圖3 乙醇濃度對(duì)蘆薈蒽醌提取率的影響Fig.3 Effect of ethanol concentration on the yield of aloe anthraquinone

2.1.4 超聲功率對(duì)蘆薈蒽醌提取率的影響 在提取時(shí)間為20min、液料比為40∶1(mL/g)和乙醇濃度為60%的條件下，考察超聲功率對(duì)蘆薈蒽醌提取率的影響。如圖4所示，超聲功率在200～500W的范圍內(nèi)，提取率隨著功率的增大而增長(zhǎng)，500W以后提取率增長(zhǎng)趨于平緩，并在800W條件下有所下降?？紤]到節(jié)能的因素，本實(shí)驗(yàn)選取500W的超聲功率。

圖4 超聲功率對(duì)蘆薈蒽醌提取率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on the yield of aloe anthraquinone

2.2 回歸模型擬合

利用Minitab軟件進(jìn)行中心組合法設(shè)計(jì)，并根據(jù)1.2.1所得標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性回歸方程 Y=138.9x+ 0.053，r=0.997及1.2.2中計(jì)算提取率的公式進(jìn)行計(jì)算，如表2所示。對(duì)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到庫(kù)拉索蘆薈蒽醌提取率(Y)對(duì)提取時(shí)間(A)其實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果、液料比(B)、乙醇濃度(C)、超聲功率(D)的二次多項(xiàng)式回歸模型為:

表2 中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Central Composite design matrix and the responses of the dependent variables

Y=13.53－0.1298A－0.304B－0.0143C－0.0125D+ 0.0008A2+0.0014B2－0.0007C2－0.0003AB+0.0013AC +0.0011BC+0.0002BD+0.0001CD，其中A、B、C、D分別代表提取時(shí)間、液料比、乙醇濃度、超聲功率四個(gè)影響因子。

2.3 回歸模型的方差分析與顯著性檢測(cè)

為檢驗(yàn)回歸方程的有效性，對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，見表3。回歸模型的方差分析結(jié)果為F= 12.72，對(duì)應(yīng)的P＜0.0001，表明該模型高度顯著。本實(shí)驗(yàn)中決定系數(shù)R2=0.952，說明蘆薈蒽醌提取率的實(shí)驗(yàn)值與模型回歸值有良好的擬合性?；貧w模型的標(biāo)準(zhǔn)誤差S=0.111，S值越小，說明回歸模型對(duì)響應(yīng)的預(yù)測(cè)越好。失擬項(xiàng)用來檢測(cè)回歸模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的擬合程度的好壞。如果失擬項(xiàng)顯著，說明對(duì)響應(yīng)值有影響的還有其它因素。失擬項(xiàng)P=0.784＞0.05，失擬項(xiàng)不顯著，從而表明該模型能夠?qū)?kù)拉索蘆薈中蒽醌類物質(zhì)的提取進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和分析。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance to the regression model

模型的系數(shù)顯著性檢驗(yàn)見表4。P值用來檢測(cè)各系數(shù)的顯著性。P值越小，則相應(yīng)的系數(shù)越顯著。當(dāng)P＜0.05時(shí)，則認(rèn)為該系數(shù)是顯著的。從表4中可以看出A、B、C、A2、C2、AC、BD、CD的系數(shù)顯著。由此可以看出，提取時(shí)間、液料比和乙醇濃度對(duì)蘆薈蒽醌的提取率有顯著影響，提取時(shí)間與乙醇濃度的交互作用對(duì)提取率有高度顯著的影響，液料比與超聲功率的交互作用以及乙醇濃度與超聲功率的交互作用均對(duì)提取率有顯著影響。

表4 回歸模型的系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)Table 4 Significant test of coefficients for the quadratic regression model

2.4 響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化

三個(gè)顯著的兩因子交互影響的三維曲面如圖5～圖7所示，另外兩個(gè)因子的值保持為中心點(diǎn)的值。利用響應(yīng)曲面分析進(jìn)行回歸預(yù)測(cè)和優(yōu)化后，蘆薈蒽醌提取率的最大預(yù)測(cè)值為2.887%，此時(shí)的提取條件為:提取時(shí)間40min，液料比50∶1(mL/g)，乙醇濃度80%，超聲功率600W。根據(jù)最優(yōu)條件進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證3次，實(shí)際取得的提取率平均值為2.868%，與預(yù)測(cè)理論值相比，其偏差率為0.6%，而最優(yōu)條件下的提取率均值與響應(yīng)分析實(shí)驗(yàn)最大值2.905%相比，其偏差率為1.2%，在可接受范圍內(nèi)。

圖5 乙醇濃度和超聲功率對(duì)蘆薈蒽醌提取率影響的響應(yīng)曲面圖Fig.5 Response surface graph of showing the effect of ethanol concentration and ultrasonic power on the yield of aloe anthraquinone

圖6 液料比和超聲功率對(duì)蘆薈蒽醌提取率影響的響應(yīng)曲面圖Fig.6 Response surface graph of showing the effect of ratio of solvent to raw material and ultrasonic power on the yield of aloe anthraquinone

3 結(jié)論與討論

超聲波輔助提取法從庫(kù)拉索蘆薈全葉烘干粉中提取蒽醌類物質(zhì)，并利用Minitab軟件通過響應(yīng)曲面法分析對(duì)提取蒽醌的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化研究，使蒽醌提取率達(dá)到最大值。經(jīng)回歸模型擬合，超聲波輔助提取庫(kù)拉索蘆薈蒽醌的最佳提取條件為:提取時(shí)間40min，液料比50∶1(mL/g)，乙醇濃度80%，超聲功率600W，對(duì)最佳工藝修正后得到的3次蘆薈蒽醌平均提取率為2.868%。

圖7 提取時(shí)間和乙醇濃度對(duì)蘆薈蒽醌提取率影響的響應(yīng)曲面圖Fig.7 Response surface graph of showing the effect of extraction time and ethanol concentration on the yield of aloe anthraquinone

蘆薈的品種很多，李培［8］等人使用中華蘆薈研究超聲波輔助提取蘆薈蒽醌。2009年2月6日，衛(wèi)生部等6部關(guān)于含庫(kù)拉索蘆薈凝膠食品標(biāo)識(shí)規(guī)定的公告，規(guī)定蘆薈產(chǎn)品僅有庫(kù)拉索蘆薈凝膠可用于食品生產(chǎn)加工。本文實(shí)驗(yàn)選擇庫(kù)拉索蘆薈全葉烘干粉作為提取原料來研究，更具有一定的針對(duì)性。

一般傳統(tǒng)的提取方法如周建青［9］等人采用回流法提取，實(shí)驗(yàn)的最佳提取條件是乙醇濃度95%，提取時(shí)間1.5h，提取溫度控制在80～90℃，與本實(shí)驗(yàn)相比，其回流時(shí)間較長(zhǎng)且提取溫度較高。由此可以看出超聲波輔助提取法在縮短實(shí)驗(yàn)周期、降低能耗方面具有優(yōu)勢(shì)。另外，超聲波輔助提取的溫度較低，不會(huì)影響蒽醌類物質(zhì)的活性，對(duì)后續(xù)的研究有利。

［1］王蓮，呂方，張榮泉.植物蘆薈的化學(xué)成分、藥理作用及應(yīng)用的研究進(jìn)展［J］.天津藥學(xué)，2009，21(2):63－65.

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Study on the optimal extraction of anthraquinone from Aloe by response surface methodology

ZHANG Shuang，LI Yan*
(Shanghai Ocean University College of Food Science and Technology，Shanghai 201306，China)

Central composite design of response surface methodology(RSM)was applied to optimize the ultrasonic－assisted extraction conditions of anthraquinone from Aloe barbadensis.Experimental design was used to investigate the effect of four factors(extraction time，ratio of solvent to raw material，ethanol concentration，power of ultrasonic)on anthraquinone production.The regression equation of the relationship between the four factors was also established.The predictive model of polynomial quadratic equation was analyzed by Minitab software.The results indicated that the optimum extraction conditions of the Aloe barbadensis anthraquinone were as follows: ultrasonic extraction time 40min，ratio of solvent to material 50∶1(mL/g)，ethanol concentration 80%，power of ultrasonic 600W.Under the optimized condition，the yield of anthraquinone extracted from whole Aloe barbadensis drying powder was 2.868%.

Aloe anthraquinone;ultrasonic－assisted extraction;response surface methodology;central composite design

TS201.2

B

1002－0306(2012)08－0326－04

蘆薈為百合科耐旱性多年生肉質(zhì)草本植物，種類繁多，其中具有藥用價(jià)值的品種有庫(kù)拉索蘆薈(Aloe barbadensis)、木立蘆薈(Aloe arborescens)、中華蘆薈(Aloe vera L.varchinensis)等。蘆薈中蒽醌類物質(zhì)是蘆薈葉滲出汁的主要成分，在滲出物的干燥物中達(dá)9%～30%。蒽醌類物質(zhì)種類很多，目前發(fā)現(xiàn)約有20種［1］，主要包括蘆薈苷、蘆薈大黃素、大黃素、大黃酚、大黃酸、蘆薈酊等。蘆薈中的蒽醌物質(zhì)有抗氧化、抗菌、抗腫瘤等活性［2－4］。從蘆薈中提取蒽醌有很多方法，如回流法和浸漬法。這些方法往往具有時(shí)間長(zhǎng)、能耗大，可能導(dǎo)致活性受損等缺點(diǎn)［5］。采用超聲波輔助提取庫(kù)拉索蘆薈中的蒽醌，因?yàn)槌暡óa(chǎn)生了“空化效應(yīng)”，即樣品顆粒附近的高濃度液體不斷被低濃度液體代替，加快了傳質(zhì)速度，減小了擴(kuò)散阻力，提取物有效浸出，在保留活性的同時(shí)也縮短了時(shí)間、提高了生產(chǎn)效率［6］。本研究將響應(yīng)曲面法應(yīng)用于庫(kù)拉索蘆薈蒽醌的超聲波提取工藝優(yōu)化中，采用中心組合設(shè)計(jì)(Central composite design)方案，對(duì)超聲波提取庫(kù)拉索蘆薈中蒽醌的影響因子—提取時(shí)間、液料比、乙醇濃度、超聲功率做進(jìn)一步探索，旨在建立超聲波提取蘆薈蒽醌的二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型并優(yōu)化提取的工藝條件。

2011－07－25 *通訊聯(lián)系人

張霜(1985－)，女，研究生，研究方向:天然產(chǎn)物提取與開發(fā)。