韋學(xué)豐 羅靜

摘要：用響應(yīng)面法優(yōu)化甘薯（Ipomoea batatas）葉黃酮的微波提取工藝，研究了微波功率、微波時(shí)間、乙醇體積分?jǐn)?shù)、液固比4個(gè)因素對(duì)黃酮提取率的影響，并采用Box-Behnken設(shè)計(jì)對(duì)最佳提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，最佳工藝條件為微波功率200 W、微波時(shí)間4 min、乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、液固比43∶1（V/m，mL∶g），在此條件下甘薯葉黃酮的提取率為8.082 7%，與預(yù)測(cè)值8.314 2%基本吻合。

關(guān)鍵詞：甘薯（Ipomoea batatas）葉；黃酮；微波；響應(yīng)面法

中圖分類號(hào)：TQ461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）06-1391-04

廣西壯族自治區(qū)賀州市信都鎮(zhèn)甘薯（Ipomoea batatas）個(gè)大、皮細(xì)嫩、色澤光滑，年產(chǎn)量465萬(wàn)t，暢銷區(qū)內(nèi)外。但甘薯莖葉除部分作為家畜的飼料外棄之田間，未能得到充分利用。據(jù)研究報(bào)道，甘薯葉中也有較多的活性成分，如黃酮類化合物[1，2]、類胡蘿卜素[3]、多糖[4，5]等，黃酮類化合物具有降血糖、降血脂、抗菌消炎、抗氧化、抗衰老、消除體內(nèi)自由基等藥理作用[6]。開(kāi)發(fā)利用甘薯葉資源可以提高甘薯的綜合利用價(jià)值，對(duì)發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、增加農(nóng)民收入、促進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)等具有重要意義。響應(yīng)面法是利用多元二次回歸方程擬合多個(gè)因素與試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系，通過(guò)對(duì)回歸方程求極值的方法達(dá)到優(yōu)化參數(shù)的目的[7，8]，李佩艷等[9]和顧英等[10]分別用響應(yīng)面法優(yōu)化了甘薯葉黃酮的酶法提取和超聲波輔助提取工藝，運(yùn)用微波提取技術(shù)提取甘薯葉中的黃酮類化合物未見(jiàn)報(bào)道，因此在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法優(yōu)化提取甘薯葉黃酮的工藝條件，可為甘薯葉的開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑 甘薯葉采自廣西壯族自治區(qū)賀州市信都鎮(zhèn)，鮮嫩、無(wú)腐爛，經(jīng)水洗、晾干后，于50 ℃烘干、粉碎過(guò)篩，保存?zhèn)溆谩ＬJ丁購(gòu)自北京化學(xué)試劑公司，亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇均為分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備 DGF30/14-ⅡAHG101-2A型電熱鼓風(fēng)干燥箱購(gòu)自南京實(shí)驗(yàn)儀器廠，P7021TP-6型格蘭仕微波爐（滿載700 W）購(gòu)自賀州新時(shí)代百貨有限公司，VIS-723型分光光度計(jì)購(gòu)自上海第三分析儀器廠，AR224CN型電子分析天平購(gòu)自?shī)W豪斯儀器（上海）有限公司。

1.2 方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作 準(zhǔn)確稱取20 mg干燥后的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品，用30%乙醇溶解，并全部轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中，用30%乙醇定容，搖勻，得0.2 mg/mL的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)液。分別取上述蘆丁標(biāo)準(zhǔn)液0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mL于6支25 mL容量瓶中，加1.0 mL 50 g/L亞硝酸鈉，搖勻，放置6 min，加入1.0 mL 100 g/L硝酸鋁，搖勻，放置6 min，加入10.0 mL 40 g/L氫氧化鈉，混勻，用30%乙醇稀釋至刻度，15 min后于波長(zhǎng)510 nm處測(cè)定吸光度，以試劑空白為參比。用最小二乘法做線性回歸，得黃酮濃度C（mg/mL）與吸光度A的回歸方程：C=0.094 850 0A-0.000 127 5，r=0.999 0。

1.2.2 單因素試驗(yàn) ①微波功率對(duì)黃酮提取率的影響。稱取1 g甘薯葉，在微波時(shí)間3 min、液固比50∶1（V/m，mL∶g，下同）和乙醇體積分?jǐn)?shù)30%的條件下，設(shè)定微波功率為150、200、250、300、350和400 W，考察不同微波功率對(duì)黃酮提取率的影響。②微波時(shí)間對(duì)黃酮提取率的影響。稱取1 g甘薯葉，在微波功率250 W、液固比50∶1以及乙醇體積分?jǐn)?shù)30%的條件下，設(shè)定微波時(shí)間為2、3、4、5和6 min，考察不同微波時(shí)間對(duì)黃酮提取率的影響。③乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)黃酮提取率的影響。稱取1 g甘薯葉，在微波功率250 W、微波時(shí)間3 min、液固比50∶1的條件下，設(shè)定乙醇體積分?jǐn)?shù)為20%、30%、40%、50%和60%，考察不同乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)黃酮提取率的影響。④液固比對(duì)黃酮提取率的影響。稱取1 g甘薯葉，在微波功率250 W、微波時(shí)間3 min以及乙醇體積分?jǐn)?shù)30%的條件下，設(shè)定液固比為30∶1、40∶1、50∶1、60∶1和70∶1，考察不同液固比對(duì)黃酮提取率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn) 為了得到最佳的提取工藝，在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)，以甘薯葉黃酮的提取率為考察指標(biāo)，對(duì)微波時(shí)間、微波功率、乙醇體積分?jǐn)?shù)和液固比4個(gè)變量x1、x2、x3、x4進(jìn)行響應(yīng)面分析。試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 微波功率對(duì)黃酮提取率的影響 由圖1可知，提取率隨微波功率的增大而增加，在微波功率為350 W時(shí)達(dá)到最大，而后有所下降。微波功率小于350 W時(shí)，微波功率增大對(duì)細(xì)胞的破壞力增強(qiáng)，細(xì)胞的溶出物增多，黃酮提取率增高，繼續(xù)增大微波功率，產(chǎn)生了暴沸現(xiàn)象，溶劑揮發(fā)，提取液明顯減少，提取率開(kāi)始下降。因此選擇微波功率200、250、300 W進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

2.1.2 微波時(shí)間對(duì)黃酮提取率的影響 由圖2可知，當(dāng)微波時(shí)間小于5 min時(shí)，甘薯葉中黃酮的提取率隨微波時(shí)間的增加而增大，在微波時(shí)間為5 min時(shí)達(dá)到最大，繼續(xù)增加時(shí)間，提取率逐漸下降，而且微波時(shí)間為2～4 min時(shí)，提取率變化的幅度較大，微波時(shí)間為4～6 min時(shí)，提取率變化幅度較小。這可能是由于在一定的功率下，微波時(shí)間越長(zhǎng)，溫度越高，對(duì)細(xì)胞破壞得越完全，溶出物也越多，但過(guò)長(zhǎng)的微波時(shí)間也會(huì)使乙醇大量揮發(fā)，產(chǎn)生暴沸現(xiàn)象，因此選擇2、3、4 min進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

2.1.3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)黃酮提取率的影響 由圖3可知，在乙醇體積分?jǐn)?shù)為20%～50%時(shí)，甘薯葉黃酮提取率逐漸增加，而且變化幅度較大，在50%達(dá)到最大后，開(kāi)始下降，但變化幅度不大。這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，增加乙醇體積分?jǐn)?shù)有利于黃酮的提取，所以選擇乙醇體積分?jǐn)?shù)為30%、40%、50%進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

2.1.4 液固比對(duì)黃酮提取率的影響 由圖4可知，在液固比為40∶1時(shí)黃酮提取率達(dá)到最大，而后逐漸下降，在液固比大于50∶1后，提取率基本不變。這是由于增加溶劑量有利于黃酮的溶出，但繼續(xù)加大溶劑量，會(huì)影響提取體系的傳熱和傳質(zhì)，選擇液固比30∶1、40∶1、50∶1進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)方案與結(jié)果 對(duì)微波時(shí)間、微波功率、乙醇體積分?jǐn)?shù)、液固比4個(gè)因素進(jìn)行四因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，響應(yīng)面分析方案與試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用 Design-Expert 7.0軟件分析，可得出4個(gè)因素與提取率之間的回歸關(guān)系式為■=7.15+0.046x1-0.055x2+0.42x3+ 0.47x4-0.67x1x2+0.005 9x1x3+0.68x1x4-0.52x2x3+0.73x2x4-0.25x3x4-0.14x12-0.38x22-0.058x32-0.26x42。

2.2.2 回歸方程可信度分析 回歸方程可信度分析見(jiàn)表3，其中R2為0.927 6，表明92.76%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用該模型進(jìn)行解釋，說(shuō)明方程可靠性較高。變異系數(shù)越低，顯示試驗(yàn)穩(wěn)定性越好，本試驗(yàn)的變異系數(shù)為3.98%，較低，說(shuō)明試驗(yàn)操作可信。綜上所述，該回歸方程為優(yōu)化微波提取甘薯葉黃酮的工藝條件提供了一個(gè)良好的模型。

2.2.3 回歸模型的方差分析 采用Design-Expert 7.0軟件對(duì)回歸方程各項(xiàng)的方差進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，x42項(xiàng)具有顯著性，x3、x4、x1x2、x2x3、x1x4、x2x4、x22項(xiàng)具有極顯著性。

2.2.4 響應(yīng)面法的優(yōu)化結(jié)果 利用Design Expert 7.0軟件對(duì)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，所得到的二次回歸方程的響應(yīng)曲面圖見(jiàn)圖5至圖7。響應(yīng)面可直接反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響大小。由圖5可知，在乙醇體積分?jǐn)?shù)和液固比不變的情況下，微波時(shí)間與微波功率交互效應(yīng)顯著，在微波時(shí)間較小的情況下，需要較高的微波功率才能得到一個(gè)較高的黃酮提取率，反之也一樣。而在微波功率和微波時(shí)間都較高的情況下，提取率下降，這是由于微波功率高使提取液溫度升高，提取液揮發(fā)，微波時(shí)間的加長(zhǎng)使提取液揮發(fā)較多。

由圖6可知，在微波功率和液固比不變的情況下，固定乙醇體積分?jǐn)?shù)，提取率隨微波時(shí)間的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，而固定微波時(shí)間，提取率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加呈一直上升的趨勢(shì)，且增幅較大。這說(shuō)明在兩者的交互作用中，乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)黃酮提取率影響較大，在乙醇體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，只需較小的微波時(shí)間就可達(dá)到較高的提取率。

由圖7可知，在液固比和微波時(shí)間不變的情況下，提取率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，隨微波功率的增加先上升后下降，這說(shuō)明在一定的范圍內(nèi)，增加乙醇體積分?jǐn)?shù)和微波功率有利于黃酮的提取。

通過(guò)回歸模型預(yù)測(cè)微波提取甘薯葉黃酮的最佳工藝條件為微波功率200.01 W、微波時(shí)間4.00 min、乙醇體積分?jǐn)?shù)50.00%、液固比43.34∶1，在此條件下甘薯葉黃酮的提取率為8.314 2%。

2.2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果 為了檢測(cè)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的結(jié)果，將預(yù)測(cè)工藝條件稍加優(yōu)化，按微波時(shí)間4 min、微波功率200 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、液固比43∶1進(jìn)行了3次平行試驗(yàn)，所得黃酮平均提取率為8.082 7%，比預(yù)測(cè)值8.314 2%低0.231 5個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)的結(jié)果可靠。

3 結(jié)論

運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化微波提取甘薯葉中黃酮的工藝條件，結(jié)果表明黃酮提取率與各項(xiàng)因素之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是二次項(xiàng)關(guān)系。最佳工藝條件為：微波時(shí)間4 min、微波功率200 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)50%，液固比43∶1，在此條件下黃酮提取率為8.082 7%，與預(yù)測(cè)值8.314 2%基本吻合。

由于本試驗(yàn)微波提取所使用的微波爐為普通家用微波爐，不具備回流冷凝裝置，考慮到試驗(yàn)過(guò)程中微波功率、微波時(shí)間和乙醇體積分?jǐn)?shù)都取最大值時(shí)會(huì)引起溶液暴沸等危險(xiǎn)，所以在選擇因素水平時(shí)取值較低。

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