曾燕，成新文，陳欲云，王曉

（1.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢643000；2.四川理工學(xué)院化學(xué)與制藥工程學(xué)院，四川自貢643000）

最小二乘支持向量機(jī)優(yōu)化芹菜總黃酮提取工藝

曾燕1，成新文1，陳欲云2，王曉1

（1.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢643000；2.四川理工學(xué)院化學(xué)與制藥工程學(xué)院，四川自貢643000）

為獲得芹菜總黃酮的最佳提取工藝參數(shù)，在其單因素和正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用混合蛙跳算法（SFLA）優(yōu)化參數(shù)的最小二乘支持向量機(jī)（LSSVM）建立預(yù)測(cè)模型，通過該模型對(duì)芹菜總黃酮正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，優(yōu)化提取工藝條件。結(jié)果表明，最小二乘支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型優(yōu)化后的芹菜總黃酮提取工藝條件為：料液比1∶36 g/mL，乙醇濃度82%，超聲波提取時(shí)間40 min，在該條件得到芹菜總黃酮提取含量為8.32 mg/g，高于正交試驗(yàn)工藝條件下所提取的總黃酮含量。

最小二乘支持向量機(jī)；總黃酮；正交試驗(yàn)；混合蛙跳算法

芹菜是生活中常見的一種藥食兩用的蔬菜，在其莖葉中含有豐富的黃酮類化合物?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，黃酮類化合物具有抗氧化、抑菌、抗病毒、抗癌和抗腫瘤等作用[1-3]。因此，從芹菜中提取黃酮類化合物在醫(yī)療保健方面具有良好的應(yīng)用前景。為了從芹菜中提取出更多的黃酮類化合物，除了從提取方法上考慮外，還可以從優(yōu)化提取工藝條件著手。

近年來，總黃酮提取工藝優(yōu)化方法有正交試驗(yàn)法、響應(yīng)面分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。文獻(xiàn)[4]采用正交試驗(yàn)法對(duì)芹菜總黃酮的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，但是正交試驗(yàn)法對(duì)提取因子間的交互作用考慮不完善，導(dǎo)致最優(yōu)工藝條件不夠準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[5]采用響應(yīng)面法優(yōu)化芹菜提取工藝，響應(yīng)面分析法采用多元二次回歸法作為函數(shù)估計(jì)的工具，可以很好的考察提取因子間的交互作用，但其只適用于二次函數(shù)模型的模擬，應(yīng)用范圍受限。文獻(xiàn)[6]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化荷葉黃酮提取工藝，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)泛化能力有限，對(duì)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)要求高，對(duì)于小樣本數(shù)據(jù)應(yīng)用受限；最小二乘支持向量機(jī)（Least Square Support Vector Machine，LSSVM）[7-8]不僅適用于非線性的小樣本數(shù)據(jù)，且泛化能力好，但為了避免該方法陷入局部最優(yōu)，引入混合蛙跳算法（Shuffled Frog Leaping Algorithm，SFLA）對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。因此，本文在超聲波提取芹菜總黃酮的基礎(chǔ)上，利用SFLA[9-10]對(duì)LSSVM的重要參數(shù)指標(biāo)：正規(guī)化參數(shù)和核寬度系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，然后用最小二乘支持向量機(jī)模型對(duì)芹菜總黃酮提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，為黃酮類化合物的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

芹菜,購(gòu)于自貢菜市場(chǎng)；95%乙醇（分析純）：重慶川東化工有限公司化學(xué)試劑廠；氫氧化鈉（分析純）：成都市科龍化工化學(xué)試劑廠；亞硝酸鈉（分析純）：湖北大學(xué)化工廠；硝酸鋁（分析純）：天津市耀華化學(xué)試劑有限責(zé)任公司；蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品（規(guī)格：20 mg uv＞98%）：上海源葉生物科技有限公司。

756PC型可見分光光度計(jì)：上海美譜達(dá)儀器有限公司；SHB-B循環(huán)水式多用真空泵：鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；As20500T超聲波清洗器：天津奧特賽恩斯儀器有限公司；DFY-400搖擺式高速萬能粉碎機(jī)：溫嶺市林大機(jī)械有限公司；101-3AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司。

在預(yù)測(cè)模型仿真試驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)配置為聯(lián)想雙核E5800@3.2 GHz，2G內(nèi)存，Windows XP操作系統(tǒng)，測(cè)試環(huán)境為采用Matlab 7.0。

1.2 方法

1.2.1 芹菜總黃酮的提取與測(cè)定[4]

為降低機(jī)械粉碎的強(qiáng)度，首先將芹菜原料進(jìn)行低溫烘干粉碎后，稱取芹菜干粉1.00 g于50 mL錐形瓶中，加入一定量乙醇浸泡，以便有效成分充分溶解。然后將浸泡好的溶液進(jìn)行超聲波提取，提取完之后抽濾、定容，作為待測(cè)液備用。

采用Al（NO3）3-NaNO2分光光度法[11]，測(cè)定吸光度，再根據(jù)吸光度計(jì)算樣品液中的總黃酮含量：

式中：m為總黃酮含量，（mg/g）；C為溶液中總黃酮的測(cè)定濃度，（mg/mL）；V1為芹菜總黃酮提取液總體積，mL；W為芹菜干粉質(zhì)量，g；V為所取待測(cè)液體積，mL。1.2.2 最小二乘支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型的建立

采用吸光度方法測(cè)定芹菜總黃酮提取量，測(cè)量過程復(fù)雜，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，必然制約了芹菜總黃酮的生產(chǎn)應(yīng)用。因此，以提取時(shí)間、乙醇濃度、料液比3個(gè)因素為輸入，芹菜總黃酮提取含量為輸出，構(gòu)建芹菜總黃酮提取含量的預(yù)測(cè)模型，減少試驗(yàn)測(cè)量次數(shù)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)尤為必要。構(gòu)建SFLA優(yōu)化的最小二乘支持向量機(jī)芹菜總黃酮預(yù)測(cè)模型步驟如下：

Step1對(duì)芹菜總黃酮提取試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

Step2參數(shù)初始化，設(shè)置蛙群個(gè)體總數(shù)，迭代總次數(shù)，子群數(shù)，每個(gè)子群內(nèi)的蛙數(shù)，子群內(nèi)的更新次數(shù)，最大、最小變異概率及變異因子。

Step3構(gòu)建初始種群。隨機(jī)生成個(gè)初始解，用集合形式表示為解集：X={xij|xij∈[minj，maxj]}，計(jì)算每個(gè)初始解對(duì)應(yīng)的反向解[12]，如下：

其中j=1，L，D，D為維度，minj，maxj分別為第j維的下界和上界。對(duì)隨機(jī)種群和反向種群的合集進(jìn)行排序，選擇適應(yīng)度較優(yōu)的解作為初始種群。

Step4對(duì)每只青蛙計(jì)算適應(yīng)度后按降序排序，并分成k個(gè)子群。

Step5確定每個(gè)子群的最優(yōu)解和最差解，及群體全局最優(yōu)解，反復(fù)更新每個(gè)子群的最差青蛙，達(dá)到設(shè)定的子群迭代總次數(shù)后，對(duì)更新后的子群進(jìn)行混合，取代原來的群體。

Step6計(jì)算群體的適應(yīng)度方差σ2，再按下式計(jì)算變異概率P（t）[13]：

其中，Pmax和Pmin分別為當(dāng)前變異概率的最大值和最小值，N為蛙群個(gè)體總數(shù)。再對(duì)全局最優(yōu)解進(jìn)行變異操作：

式中：ξ為變異因子，N（0，1）為均值為0方差為1的隨機(jī)量。

根據(jù)上述更新當(dāng)前群體最優(yōu)解，避免SFLA陷入局部最優(yōu)。

Step7若達(dá)到設(shè)定的最大迭代次數(shù)，則迭代停止，輸出最優(yōu)適應(yīng)度值以及相應(yīng)的參數(shù)算法結(jié)束，否則轉(zhuǎn)到Step4。

Step8根據(jù)最優(yōu)解得到的LSSVM參數(shù)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)集進(jìn)行仿真，用建立的芹菜總黃酮預(yù)測(cè)模型對(duì)總黃酮提取量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 結(jié)果分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 料液比對(duì)總黃酮提取含量的影響

分別按1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50 g/mL的料液比，加入70%的乙醇，超聲提取40 min后，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 料液比對(duì)總黃酮含量的影響Fig.1 Effect of solid/liquid ratio on the content of total flavonoids

在料液比為1∶30 g/mL倍時(shí)，芹菜總黃酮溶出的最好，總黃酮含量最大，隨著料液比的增大反而下降，說明由于提取液的的逐漸增多，超聲波對(duì)其震動(dòng)作用降低。因此，選取料液比1∶30 g/mL比較合理。

2.1.2 提取時(shí)間對(duì)總黃酮提取含量的影響

按1∶30 g/mL的料液比，加入70%的乙醇，分別提取10、20、30、40、50 min后，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 提取時(shí)間對(duì)總黃酮含量的影響Fig.2 Effect of extraction time on the content of total flavonoids

隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)總黃酮含量呈增加的趨勢(shì)，在40 min之后呈微小增加，基本趨于穩(wěn)定。這可能是超聲提取40 min時(shí)總黃酮充分溶出，隨著提取時(shí)間的增長(zhǎng)，超聲的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)反而會(huì)影響黃酮分子，導(dǎo)致含量下降。因此，選擇提取時(shí)間為40 min比較合理。

2.1.3 乙醇濃度對(duì)芹菜總黃酮提取含量的影響

按1∶30 g/mL的料液比，分別加入50%、60%、70%、80%、90%的乙醇，超聲提取40min后，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 乙醇濃度對(duì)總黃酮含量的影響Fig.3 Effect of ethanol concentration on the content of total flavonoids

隨乙醇濃度增大，總黃酮提取量逐漸增大，當(dāng)乙醇濃度為80%時(shí)，總黃酮的提取含量最大，之后下降。說明乙醇濃度在80%時(shí)極性與總黃酮極性相似，溶出最好，乙醇濃度過高反而導(dǎo)致黃酮無法溶出。因此，乙醇濃度選80%比較合理。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以提取時(shí)間、乙醇濃度、料液比按三因素三水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

同號(hào)試驗(yàn)水平做3次，總黃酮含量結(jié)果為3次平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of orthogonal experiment

從表2中得出總黃酮提取量的工藝條件為：料液比1∶40 g/mL，提取時(shí)間40 min，乙醇濃度80%。

表3為正交結(jié)果的方差分析表，從表中各值可見料液比A和乙醇濃度C對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響非常顯著，提取時(shí)間B為次要因素。

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance

2.3 最小二乘支持向量模型的仿真及優(yōu)化分析

2.3.1 預(yù)測(cè)模型的仿真

在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取提取時(shí)間、乙醇濃度、料液比三個(gè)非線性因素作為模型的輸入變量，芹菜總黃酮提取含量作為輸出變量，首先采用SFLA算法對(duì)最小二乘支持向量機(jī)的參數(shù)優(yōu)化，得參數(shù)值為：核寬度σ=9.257 1，正則化參數(shù)γ=4.453 578。然后進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知，正交數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)最大相對(duì)誤差為4.49%，最小相對(duì)誤差為0.2%，平均相對(duì)誤差為2.12%，精度較高。預(yù)測(cè)含量和實(shí)測(cè)含量的對(duì)比如圖4所示。

圖4 芹菜總黃酮實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.4 Comparison of actual data and simulation data about total flavonoids in celery

可以看到預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值非常接近，擬合很好，說明SFLA優(yōu)化后的最小二乘支持向量機(jī)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果是可靠的。

2.3.2 最小二乘支持向量模型的工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)正交試驗(yàn)方法得到的是已定水平上的工藝條件，不夠準(zhǔn)確，為了得到更為精確的最優(yōu)工藝條件，利用SFLA優(yōu)化的LSSVM模型進(jìn)行仿真。根據(jù)正交試驗(yàn)分析，得到優(yōu)化組合為：提取時(shí)間40 min，1∶40 g/mL的料液比，80%乙醇，其中料液比和乙醇濃度為主要影響因子，而提取時(shí)間為次要因子。因此，在提取時(shí)間40 min、乙醇濃度80%固定條件下，運(yùn)用模型在料液比1∶40 g/mL附近進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

圖5 料液比對(duì)總黃酮提取量影響的仿真結(jié)果Fig.5 The simulation result of effect of solid/liquid ratio on the content of total flavonoids

從圖5中得到最佳料液比為1∶36 g/mL。

在提取時(shí)間40min、料液比1：40g/mL條件下，在乙醇濃度80%附近進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。

圖6 乙醇濃度對(duì)總黃酮提取量影響的仿真結(jié)果Fig.6 The simulation result of effect of ethanol concentration on the content of total flavonoids

從圖6中得到最佳乙醇濃度為82%。

最終，得出芹菜總黃酮提取的最優(yōu)工藝條件是：料液比1∶36 g/mL、提取時(shí)間40 min、乙醇濃度82%。此優(yōu)化條件下三次提取測(cè)得總黃酮含量平均值為8.32 mg/g，而正交試驗(yàn)的優(yōu)化組合條件下，3次平均值為7.55 mg/g，采用LSSVM模型優(yōu)化工藝條件下所提取的總黃酮含量更高，說明該模型可以用于芹菜總黃酮提取的預(yù)測(cè)和工藝優(yōu)化。

3 結(jié)論

本文采用SFLA優(yōu)化參數(shù)后的最小二乘支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型，對(duì)芹菜總黃酮提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)提取工藝條件為：料液比1∶36 g/mL，提取時(shí)間40 min，乙醇濃度82%，該條件下提取總黃酮含量高于正交試驗(yàn)優(yōu)化組合條件下的提取含量。最小二乘支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型誤差小，且具有很好的預(yù)測(cè)能力，可用于芹菜總黃酮提取的預(yù)估和優(yōu)化。這對(duì)于芹菜農(nóng)產(chǎn)品深加工企業(yè)，降低成本，提高生產(chǎn)率具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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Optimization of Extraction Technology of Total Flavonoids from Celery Based on Least Square Support Vector Machine

ZENG Yan1，CHENG Xin-wen1，CHEN Yu-yun2，WANG Xiao1
（1.School of Computer Science，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，Sichuan，China；2.Chemical and Pharmaceutical Engineering，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，Sichuan，China）

In order to obtain the optimum extraction process parameters of total flavonoids in celery，the shuffled frog leaping algorithm（SFLA）which based on single factor and orthogonal test was applied to optimize the parameters of the least squares support vector machine （LSSVM），then prediction model of least squares support vector machine was established.By using the model to simulate the data of orthogonal experiment，the extraction technology of total flavonoids from celery was optimized.The experiment result showed that the optimized extraction conditions of total flavonoids from celery were the material/liquid ratio as 1∶36，ethanol concentration of 82%，and ultrasonic extraction duration of 40 min，the extraction yield of total flavonoids as8.32 mg/g.In conclusion，the content of total flavonoids extracted is higher than that of orthogonal test.

least square support vector machine；total flavonoids；orthogonal test；shuffled frog leaping algorithm

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.08.014

釀酒生物技術(shù)及應(yīng)用四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（NJ2011-09）；企業(yè)信息化與物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控技術(shù)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（編號(hào)：2014WYJ08）；四川理工學(xué)院科研項(xiàng)目資助（2013KY04）

曾燕（1979—），女（漢），講師，碩士，研究方向：人工智能。

2015-01-09