王海燕，李 睿，曾 秀,*，黃 勇，王介平，周 嬋，呂金鳳

（1.重慶市畜牧科學院，重慶 402460；2.重慶市綠之歌農業(yè)科技開發(fā)有限公司，重慶 401120）

響應面優(yōu)化超聲波提取桑葉槲皮素工藝

王海燕1，李 睿2，曾 秀1,*，黃 勇1，王介平1，周 嬋1，呂金鳳1

（1.重慶市畜牧科學院，重慶 402460；2.重慶市綠之歌農業(yè)科技開發(fā)有限公司，重慶 401120）

為優(yōu)化超聲波輔助提取桑葉槲皮素工藝，以桑葉槲皮素提取量為指標，通過單因素試驗，探討液料比、乙醇體積分數(shù)、超聲時間、超聲功率及超聲溫度等對槲皮素提取量的影響，利用響應面法對影響槲皮素提取量的4 個主要因素進行優(yōu)化，分別為乙醇體積分數(shù)、液料比、超聲功率、超聲溫度。結果表明，最佳提取工藝條件為乙醇體積分數(shù)51%、液料比26∶1（mL/g）、超聲功率200 W、超聲溫度70 ℃，在此條件下，做3 次平行實驗進行驗證，桑葉槲皮素提取量為11.13 mg/g，與模型預測值11.31 mg/g基本相符。模型可較好地預測桑葉槲皮素的提取量，響應面法對桑葉槲皮素提取條件參數(shù)優(yōu)化具有可行性。

超聲波輔助提?。簧Ｈ~；槲皮素；響應面法

桑葉是薔薇目?？粕偕７N植物的葉[1]，味苦、甘，性寒，不僅可用于養(yǎng)蠶，還可作為中藥入藥，在《神農本草》、《本草綱目》及《中國人民共和國藥典》均有詳細記載，被衛(wèi)生部認定為藥食兩用植物[2]。桑葉中含有多種黃酮類物質，包括蕓香苷、桑苷、槲皮素、異槲皮素、槲皮素-3-O-葡糖苷等[3]。槲皮素化學名為3,5,7,3’,4’-五羥基黃酮，屬于黃酮醇類化合物，是桑葉中的重要活性物質。槲皮素具有抗氧化、抗菌消炎、抗血小板聚集、抗癌、抗心律失常、抗多藥耐藥、抗動脈粥樣硬化、抗腫瘤等多種生物活性作用[4-12]，是目前國內外研究的熱點課題。我國是栽桑養(yǎng)蠶大國，擁有豐富的桑樹資源，目前全國有桑園約1 197萬 畝，而每年隨著我國繭絲綢產業(yè)下滑，桑園利用率逐年下降，造成資源的極大浪費。桑葉中含有的豐富活性物質，可作為天然活性產物提取的植物來源。

目前，桑葉中槲皮素提取工藝文獻報道較少，主要關于桑葉總黃酮的提取。章華偉等[13]采用響應面法優(yōu)化浸提法提取桑葉黃酮，結果表明，最佳條件為乙醇體積分數(shù)71.75%、提取溫度67.1 ℃、液料比23.2∶1（mL/g）、提取時間150 min，桑葉黃酮得率為2.37%。王芳等[14]對桑葉黃酮的提取研究結果表明：最佳提取溶劑是乙醇體積分數(shù)70%，在固液比1∶50（g/mL）、提取時間1.5 h、提取溫度80 ℃的條件下，黃酮得率達3.50%。浸提法、加熱法是桑葉黃酮物質傳統(tǒng)的提取方法，具有操作簡單的優(yōu)點，但存在提取時間長、試劑消耗大、溫度高、提取率低等問題[15-16]。近年來，隨著新分離技術的發(fā)展，超聲波提取法、微波提取法、超臨界萃取法等新型分離技術逐漸應用于黃酮類物質的提取[17]。超聲波提取法是利用聲波產生的騷動效應、空話效應和熱效應加速物質的擴散溶解，從而提高提取效率、縮短提取時間、節(jié)約能耗[17-19]。馬金秋等[20]利用超聲波輔助提取桑葉黃酮的最佳提取工藝為液料比20∶1（mL/g）、用80%的酒精溶液作溶劑、80℃超聲提取40 min，結果桑葉總黃酮的提取量達到2.52%。賀偉強等[21]采用響應面法優(yōu)化超聲輔助提取桑葉總黃酮，最佳工藝條件為75%乙醇、液料比50∶1（mL/g）、超聲溫度64 ℃、超聲時間45 min，桑葉總黃酮提取量理論值可達到4.29%。

響應面法是由Box等[22]于20世紀50年代提出的一種優(yōu)化工藝條件的有效方法。它以最簡單、高效的方式對試驗進行全面地研究，通過對直觀圖形和回歸方程分析，確定最佳優(yōu)化條件。本實驗通過響應面法優(yōu)化超聲波輔助提取桑葉槲皮素提取工藝，以期為桑葉中槲皮素的利用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

桑葉由重慶市綠之歌農業(yè)科技開發(fā)有限公司提供，經鑒定為桑樹的葉，經過干燥粉碎后過20 目篩。

槲皮素標準品（純度99%） 中國食品藥品檢定研究院；無水乙醇、石油醚、甲醇、磷酸（均為分析純） 成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

101A-2型數(shù)顯電熱鼓風干燥箱 上海浦東榮豐科學儀器有限公司；JA2003A電子分析天平 上海精天電子儀器有限公司；KQ-250 DB型超聲波清洗儀 昆山市超聲儀器有限公司；5810型臺式高速離心機 德國Eppendorf公司；LC-2010A高效液相色譜儀 日本島津公司；RE52CS-1旋轉蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州奧華儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 桑葉槲皮素的提取

1.3.1.1 工藝流程

鮮桑葉→干燥、粉碎→過20 目篩→石油醚（60～90 ℃沸程）脫脂、脫色處理（具體方法見1.3.1.2節(jié)）→過濾→石油醚回收→濾渣干燥→超聲波乙醇提取（具體方法見1.3.3節(jié)）→抽濾→減壓濃縮→定容→桑葉槲皮素提取液

1.3.1.2 提取方法

稱取過20 目篩后的干桑葉粉0.5 g，按1∶20（g/mL）加入石油醚，于50 ℃超聲波回流提取2 次，每次20 min，棄去上清液。殘渣于70 ℃烘箱中烘干。在桑葉殘渣中，按照一定液料比加入乙醇溶液，超聲波提取3 次，抽濾，合并濾液，真空減壓濃縮，回收乙醇，定容至50 mL，獲得桑葉槲皮素提取原液。

1.3.2 槲皮素檢測方法

1.3.2.1 色譜條件

高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）檢測，色譜柱：Alltima C18（4.6 mm×250 mm，5 ?m）；流動相：甲醇-0.2%磷酸（75∶25，V/V）；檢測器紫外波長：360 nm；進樣量：5 ?L；流速：1.0 mL/min；柱溫：25 ℃。

桑葉槲皮素提取原液稀釋200 倍進樣，吸取桑葉槲皮素提取原液0.1 mL定容至20 mL。桑葉槲皮素提取量計算公式如下。

式中：X為根據(jù)標準曲線計算的樣液質量濃度/（mg/mL）；V0為桑葉槲皮素提取液定容體積/mL；V1為桑葉槲皮素提取原液吸取體積/mL；V2為桑葉槲皮素稀釋液定容體積/mL；m為桑葉樣品質量/g。

1.3.2.2 標準曲線的繪制

精密稱取槲皮素標準品5.3 mg，用體積分數(shù)70%甲醇定容于50 mL容量瓶中，分別吸取0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、10.0 mL于10 mL容量瓶，用70%甲醇定容至刻度，其質量濃度分別是 0、0.010 6、0.021 2、0.031 8、0.042 4、0.053 0、0.106 0 mg/mL。根據(jù)HPLC檢測方法測定槲皮素含量，以槲皮素標準品質量濃度為橫坐標X，峰面積為縱坐標Y，繪制標準曲線。

1.3.2.3 回收率測定

精密稱取樣3 份，按以上方法處理，分別加入1 mL 0.106 mg/mL槲皮素標準液，測定加標回收率。

1.3.3 單因素試驗

1.3.3.1 液料比對桑葉槲皮素提取效果的影響

稱取過20 目篩后的干桑葉粉0.5 g，按照1.3.1.2節(jié)方法脫脂干燥。按照液料比為5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1（mL/g）分別加入70%乙醇溶液，在超聲溫度75 ℃、超聲功率250 W條件下提取30 min。按照1.3.2 節(jié)方法測定桑葉槲皮素提取量。

1.3.3.2 乙醇體積分數(shù)對桑葉槲皮素提取效果的影響

稱取過20 目篩后的干桑葉粉0.5 g，按照1.3.1.2節(jié)方法脫脂干燥。按照液料比25∶1分別加入體積分數(shù)40%、50%、60%、70%、80%、90%乙醇溶液，在超聲溫度75 ℃、超聲功率250 W條件下提取30 min。按照1.3.2節(jié)方法測定桑葉槲皮素提取量。

1.3.3.3 超聲時間對桑葉槲皮素提取效果的影響

稱取過20 目篩后的干桑葉粉0.5 g，按照1.3.1.2節(jié)方法脫脂干燥。按照液料比25∶1加入50%乙醇溶液，在超聲溫度75 ℃、超聲功率250 W條件下分別提取10、20、30、40、50、60 min。按照1.3.2節(jié)方法測定桑葉槲皮素提取量。

1.3.3.4 超聲功率對桑葉槲皮素提取效果的影響

稱取過20 目篩后的干桑葉粉0.5 g，按照1.3.1.2節(jié)方法脫脂干燥。按照液料比25∶1加入50%乙醇溶液，在75 ℃溫度條件下分別以125、150、175、200、225、250 W超聲功率提取30 min。按照1.3.2節(jié)方法測定桑葉槲皮素提取量。

1.3.3.5 超聲溫度對桑葉槲皮素提取效果的影響

稱取過20 目篩后的干桑葉粉0.5 g，按照1.3.1.2節(jié)方法脫脂干燥。按照液料比25∶1加入50%乙醇溶液，分別在55、60、65、70、75、80 ℃溫度條件下，超聲功率200 W提取30 min。按照1.3.2節(jié)方法測定桑葉槲皮素提取量。

1.3.4 Box-Behnken試驗設計

綜合考慮單因素試驗結果，選取對桑葉槲皮素提取影響較大的4 個因素：乙醇體積分數(shù)、液料比、超聲功率、超聲溫度。在單因素試驗基礎上，確定Box-Behnken設計的自變量，以桑葉槲皮素提取量為響應值，通過響應面分析對提取條件優(yōu)化。試驗因素水平編碼設計見表1。數(shù)據(jù)采用Design-Expert 7.1統(tǒng)計軟件分析。

表1 響應面試驗因素水平及編碼Table 1 Variables and levels used in the response surface design

2 結果與分析

2.1 標準曲線與回收率

根據(jù)1.3.2.2節(jié)方法繪制槲皮素標準曲線，該線性回歸方程為Y=21.418X-0.762 7，R2=0.999 7，線性范圍0.0106～0.106 mg/mL。根據(jù)1.3.2.3節(jié)方法測定加標回收率平均值92.96%，相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）為2.6%。

2.2 單因素試驗

2.2.1 液料比對提取效果的影響

由圖1可知，液料比為5∶1～25∶1，隨著溶劑量的增加，槲皮素提取量逐漸增加，液料比為25∶1時，槲皮素的提取量達到最大值，繼續(xù)增加溶劑量，槲皮素提取量略有下降，并趨于平穩(wěn)。提取液的增加，可使桑葉粉與提取溶劑充分接觸，有利于槲皮素浸出，但液料比達到25∶1后，槲皮素提取基本達到飽和。而當溶劑量繼續(xù)增大，濃縮時間增長，槲皮素更易被氧化破壞，影響其提取量，同時也增大了濃縮時的能量消耗。因此，從提取效果、減少溶劑用量和降低濃縮負荷等方面綜合考慮，液料比25∶1比較合適。

圖1 液料比對槲皮素提取量的影響Fig.1 Effect of liquid/solid ratio on the yield of quercetin

2.2.2 乙醇體積分數(shù)對提取效果的影響

圖2 乙醇體積分數(shù)對槲皮素提取量的影響Fig.2 Effect of ethanol concentration on the yield of quercetin

由圖2可知，隨著乙醇體積分數(shù)的增加，槲皮素提取量增加，在乙醇體積分數(shù)50%時最高，乙醇體積分數(shù)在60%～70%時，提取量趨于平穩(wěn)，乙醇體積分數(shù)在80%后，提取量急速下降。分析原因可能是在乙醇體積分數(shù)較低時，隨著乙醇體積分數(shù)增加而增加，當達到60%時，槲皮素浸出達到飽和，提取量趨于穩(wěn)定，但隨著溶劑體積分數(shù)繼續(xù)提高，其他醇溶性雜質、色素、親脂性強的成分溶出量增加，影響槲皮素的提取效率。綜合考慮，可選用乙醇體積分數(shù)為50%。

2.2.3 超聲時間對提取效果的影響

圖3 超聲時間對槲皮素提取量的影響Fig.3 Effect of ultrasonication time on the yield of quercetin

由圖3可知，超聲時間10～30 min范圍內，隨著超聲時間的延長，槲皮素提取量逐漸增加，當超聲時間為30 min時，槲皮素提取量最高，并在超聲30 min后形成拐點，超聲40 min時，槲皮素提取量反而有所下降，分析其原因可能是槲皮素在高溫下發(fā)生降解、縮合、氧化等反應。由此可知30 min為最佳超聲時間。

2.2.4 超聲功率對提取效果的影響

圖4 超聲功率對槲皮素提取量的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on the yield of quercetin

由圖4可知，隨著超聲功率增加，槲皮素提取量逐漸增加，在超聲功率200 W時，槲皮素提取量達到最高，之后隨著超聲功率增加，提取量逐漸降低，這可能是由于較高的超聲功率會產生自由基，對槲皮素活性分子有一定破壞作用，造成槲皮素提取量降低[17]。200 W是最佳超聲功率。

2.2.5 超聲溫度對提取效果的影響

圖5 超聲溫度對槲皮素提取量的影響Fig.5 Effect of extraction temperature on the yield of quercetin

由圖5可知，超聲溫度在55～70 ℃范圍內，隨著超聲溫度的升高，槲皮素提取量隨之增加，當超聲溫度為70 ℃時，提取量達到最高；超聲溫度在75 ℃之后，提取量隨之降低，在80℃后趨于穩(wěn)定。槲皮素屬于多羥基類化合物，提高超聲溫度有利于槲皮素浸出，但溫度過高則影響槲皮素的穩(wěn)定性，加速其被氧化破壞[17]。因此，70 ℃是提取最佳溫度。

2.3 響應面試驗

在單因素試驗基礎上，綜合考慮各因素對槲皮素提取量的影響，根據(jù)Box-Behnken試驗設計原理，選擇乙醇體積分數(shù)、液料比、超聲功率、超聲溫度進行四因素三水平的響應面分析方法，確定桑葉槲皮素最佳提取條件，結果見表2，將所得的試驗數(shù)據(jù)采用Design-Expert 7.1軟件進行多元回歸擬合，得到桑葉槲皮素提取量對乙醇體積分數(shù)（A）、液料比（B）、超聲功率（C）、超聲溫度（D）的二次多項回歸方程：

Y/（mg/g）=11.28+0.12A+0.16B-0.14C+0.038D+ 0.0053AB+0.099AC-0.37AD-0.045BC-0.34BD+ 0.14CD-0.59A2-0.45B2-0.62C2-0.60D2

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

由表3可知，模型F值為18.36，P＜0.000 1，表明響應回歸模型達到了極顯著水平。失擬項P=0.441 333＞0.05，表示失擬不顯著，模型的確定系數(shù)R2=0.948 3，說明該模型能解釋94.83%響應值的變化，因而該模型擬合程度比較好，可以用此模型對槲皮素提取進行分析和預測。由回歸模型和方差分析可知，方程一次項A、C對槲皮素提取量的影響達到顯著水平（P＜0.05）；方程一次項B，交互項BD、AD和二次項A2、B2、C2、D2對槲皮素提取量的影響達到極顯著水平（P＜0.01）。根據(jù)F值可知，各個因素對槲皮素提取量影響的大小順序為：液料比（B）＞超聲功率（C）＞乙醇體積分數(shù)（A）＞超聲溫度（D）。

表3 回歸模型和方差分析Table 3 Analysis of variance for the regression model

2.4 響應面分析

超聲波輔助提取桑葉槲皮素的等高線和響應面見圖6～11，等高線圖可直觀地反應各因素對槲皮素提取量的交互作用程度。等高線呈圓形表示兩因素交互作用不顯著，而呈橢圓形或馬鞍形則表示兩因素交互作用顯著[23]。由圖8、10可知，乙醇體積分數(shù)（A）和超聲溫度（D）、液料比（B）和超聲溫度（D）等高線圖呈明顯的橢圓形，表明兩因素間交互作用較顯著。相比之下，乙醇體積分數(shù)（A）和超聲功率（C）、超聲功率（C）和超聲溫度（D）、液料比（B）和超聲功率（C）交互作用較小。而乙醇體積分數(shù)（A）和液料比（B）等高線呈圓形，表明兩因素間交互作用不顯著。比較6 組圖可知，液料比對槲皮素提取量影響最為顯著，其曲線較陡，液料比最佳為25∶1，而超聲功率、乙醇體積分數(shù)、超聲溫度次之，其曲線較平滑。

圖6 乙醇體積分數(shù)和液料比對槲皮素提取量影響的等高線和響應面圖Fig.6 Contour and response surface plots for the effects of ethanol concentration and liquid/solid ratio on the yield of quercetin

圖7 乙醇體積分數(shù)和超聲功率對槲皮素提取量影響的等高線和響應面圖Fig.7 Contour and response surface plots for the effect of ethanol concentration and ultrasonic power on the yield of quercetin

圖8 乙醇體積分數(shù)和超聲溫度對槲皮素提取量影響的等高線和響應面圖Fig.8 Contour and response surface plots for the effect of ethanol concentration and extraction temperature on the yield of quercetin

圖9 液料比和超聲功率對槲皮素提取量影響的等高線和響應面圖Fig.9 Contour plot and response surface plot for the effect of liquid/ solid ratio and ultrasonic power on the yield of quercetin

圖10 液料比和超聲溫度對槲皮素提取量影響的等高線和響應面圖Fig.10 Contour and response surface plots for the effect of liquid/solid ratio and ultrasonic temperature on the yield of quercetin

圖11 超聲功率和超聲溫度對槲皮素提取量影響的等高線和響應面圖Fig.11 Contour and response surface plots for the effect of ultrasonic power and extraction temperature on the yield of quercetin

2.5 驗證實驗

根據(jù)回歸模型分析可知，桑葉槲皮素超聲波輔助提取工藝最優(yōu)條件為：乙醇體積分數(shù)51.13%、液料比26.07∶1（mL/g）、超聲功率196.99 W、超聲溫度69.61 ℃。根據(jù)實際情況稍做調整，即乙醇體積分數(shù)51%、液料比26∶1、超聲功率200 W、超聲溫度70 ℃，做3 次平行實驗，桑葉槲皮素平均提取量為11.13 mg/g，與理論值11.31 mg/g接近。

3 結 論

本實驗采用超聲波輔助乙醇提取工藝，根據(jù)Box-Benhnken試驗設計，建立乙醇體積分數(shù)、液料比、超聲功率、超聲溫度對桑葉槲皮素提取量的回歸模型，并對模型進行失擬，經過試驗驗證了該方法的可靠性，能較好地預測桑葉槲皮素的提取量。桑葉槲皮素超聲波輔助提取的最優(yōu)條件為乙醇體積分數(shù)51%、液料比26∶1（mL/g）、超聲功率200 W、超聲溫度70 ℃，在此條件下，做3 次平行實驗進行驗證，桑葉槲皮素提取量為11.13 mg/g，與模型預測值基本相符。劉焱等[24]采用超聲波提取金櫻子槲皮素的工藝條件為乙醇體積分數(shù)60%、超聲溫度70℃、液料比20∶1（mL/g）、超聲時問60min；李瑞玲等[25]研究超聲波提取魚腥草中槲皮素的條件為：超聲溫度80 ℃、超聲時間45 min、乙醇體積分數(shù)80%。根據(jù)比較，本研究結果在乙醇體積分數(shù)方面均比二者結果低，超聲溫度比后者低。孫蓮等[26]報道的桑葉中槲皮素含量最高4.51 mg/g，吳好好等[27]測定桑葉中槲皮素含量為6.27 mg/g，本實驗優(yōu)化提取后桑葉槲皮素含量最高為11.13 mg/g。響應面優(yōu)化超聲波提取法不僅可提高桑葉中槲皮素提取量，還可在一定程度上減少試劑用量，節(jié)約能耗，為桑葉槲皮素提取開發(fā)利用方面提供理論依據(jù)。

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Optimization of Ultrasound-Assisted Extraction of Quercetin from Mulberry Leaves by Response Surface Methodology

WANG Hai-yan1, LI Rui2, ZENG Xiu1,*, HUANG Yong1, WANG Jie-ping1, ZHOU Chan1, Lü Jin-feng1
(1. Chongqing Academy of Animal Sciences, Chongqing 402460, China; 2. Chongqing Green Song of Agricultural Science and Technology Development Co. Ltd., Chongqing 401120, China)

The ultrasound-assisted extraction of quercetin from mulberry leaves was optimized using response surface methodology. The yield of quercetin was investigated with response to four main variables, i.e., liquid/solid ratio, ethanol concentration, extraction time, ultrasonic power, and extraction temperature. Three parallel experiments carried out under the optimal extraction conditions (51% ethanol as the extraction solvent with a liquid/solid ratio of 26:1 (mL/g), ultrasonication with an output power of 200 W, and an extraction temperature of 70 ℃) resulted in an extraction yield of 11.13 mg/g, agreeing with the predicted value (11.31 mg/g). The proposed prediction model could accurately predict the extraction yield of quercetin, suggesting that it is plausible to optimize the extraction conditions of quercetin from mulberry leaves using response surface methodology.

ultrasound-assisted extraction; quercetin; mulberry leaves; response surface methodology (RSM)

R284.2

A

1002-6630（2014）22-0056-07

10.7506/spkx1002-6630-201422011

2014-06-24

重慶市應用開發(fā)計劃項目（cstc2014yykfA80014）；重慶市基本科研業(yè)務費計劃項目（2012cstcjbky00913）

王海燕（1986—），女，助理研究員，碩士，研究方向為天然活性成分、蠶桑資源綜合利用及食品安全與質量控制。E-mail：whydetian@163.com

*通信作者：曾秀（1978—），女，副研究員，博士，研究方向為蠶桑資源綜合利用。E-mail：zengxiuxiong@163.com