崔建強，唐 靜，王 燕，張 爽

(陜西國際商貿學院醫(yī)藥學院，陜西 咸陽 710246)

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響應曲面法優(yōu)化花生殼中木犀草素的微波提取工藝

崔建強，唐 靜，王 燕，張 爽

(陜西國際商貿學院醫(yī)藥學院，陜西 咸陽 710246)

以木犀草素得率為評價指標，采用單因素實驗和響應曲面法優(yōu)化花生殼中木犀草素微波提取工藝。確定最優(yōu)提取工藝為：乙醇體積分數80%、微波提取時間70 s、料液比1∶20(g∶mL)、微波功率1 000 W，在此條件下，木犀草素得率可達到0.713%。該方法設計合理，可用于花生殼中木犀草素的提取。

木犀草素；響應曲面法；微波提取

花生(Arachis hypogaea)，一年生草本植物，在我國已有500多年種植歷史，多個省份均有種植，產量和種植面積位居世界前列[1]?；ㄉ鷼ず悬S酮類物質木犀草素[2]，木犀草素具有抑菌、抗炎、抗氧化等[3]多種生理功能。近年來，微波提取技術因提取效率高、能耗低、提取時間短等優(yōu)點[4]被廣泛應用于天然產物有效物質的提取。響應曲面法是目前較為先進的提取工藝優(yōu)化方法[5-6]。目前，對花生殼中木犀草素的提取工藝優(yōu)化大多采用正交實驗法，尚未見到響應曲面法優(yōu)化花生殼中木犀草素微波提取工藝的報道。鑒于此，作者在單因素實驗的基礎上，以木犀草素得率為評價指標，用響應曲面法優(yōu)化花生殼中木犀草素微波提取工藝，擬為進一步開發(fā)利用花生殼資源提供參考。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

花生殼，市售。

無水乙醇，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；石油醚(沸程60～90 ℃)，分析純，天津科密歐化學試劑有限公司；木犀草素標準品(純度≥98%)，上海友思生物技術公司。

WF-4000型微波快速反應系統(tǒng)，上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司；FA1104型電子分析天平、FW-100D型高速萬能粉碎機，天津鑫博得儀器有限公司；KQ2200DB型數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 花生殼前處理

取新鮮的花生殼，清洗，干燥，用高速萬能粉碎機粉碎成一定粒徑的粗粉，用石油醚超聲脫脂2次(每次20min，溫度40 ℃，功率200W)，得到花生殼干粉。

1.3 花生殼中木犀草素的提取

按照一定料液比(花生殼干粉與乙醇的比例)稱取一定質量的花生殼干粉加到100 mL一定體積分數的乙醇中，搖勻，靜置2 h；在微波快速反應系統(tǒng)中于一定功率、70 ℃下提取一定時間；待溶液溫度降至室溫后抽濾，收集濾液，濾渣再在相同條件下提取1次；合并濾液，加熱干燥使其揮醇并濃縮成浸膏，用石油醚對浸膏進行超聲脫脂處理，干燥使石油醚揮干，用醇溶水沉法純化，濃縮，干燥，得木犀草素粉末。

1.4 木犀草素得率的測定

1.4.1 標準品溶液的制備

精密稱取2.0 mg干燥至恒重的木犀草素標準品，置于100 mL容量瓶中，用無水乙醇定容，搖勻后備用。

1.4.2 檢測波長的確定

取木犀草素標準品溶液，在200～600 nm之間進行全波長掃描。結果發(fā)現，木犀草素在351 nm處出現最大吸收。因此，以351 nm作為檢測波長。

1.4.3 標準曲線的繪制

分別精密量取木犀草素標準品溶液1 mL、2 mL、3 mL、4 mL、5 mL于10 mL容量瓶中，定容至刻度，搖勻。用紫外分光光度計測定351 nm處吸光度，以吸光度(y)為縱坐標、木犀草素濃度(x)為橫坐標繪制標準曲線，擬合得線性回歸方程。

1.4.4 木犀草素得率的計算

精密稱取一定量的木犀草素粉末，加入一定量的無水乙醇超聲溶解，配成不同濃度的待測溶液，測定其吸光度(每種濃度測定3次)，根據擬合的線性回歸方程計算木犀草素含量，按下式計算木犀草素得率。

式中：m0為木犀草素含量，mg；V為樣液總體積，mL；V0為測定所用樣液的體積，mL；m為花生殼干粉質量，g。

1.5 提取工藝優(yōu)化

1.5.1 單因素實驗

在乙醇用量為100 mL、提取溫度為70 ℃的條件下，分別考察乙醇體積分數(50%、60%、70%、80%、90%)、微波功率(300 W、450 W、600 W、750 W、900 W)、微波提取時間(40 s、50 s、60 s、70 s、80 s)、料液比(1.5∶100、2.5∶100、5.0∶100、7.5∶100、10.0∶100，g∶mL)對木犀草素得率的影響。

1.5.2 響應曲面法實驗

根據單因素實驗結果，找出對木犀草素得率影響最大的3個因素，采用Box-Behnken實驗設計3個水平進行響應曲面法實驗，根據響應曲面構建的三維圖確定最優(yōu)的微波提取工藝。

2 結果與討論

2.1 木犀草素的標準曲線(圖1)

圖1 木犀草素的標準曲線Fig.1 The standard curve of mignonette

由圖1可知，木犀草素在0.002～0.010 mg·mL-1范圍內線性關系良好。

2.2 單因素實驗結果

2.2.1 乙醇體積分數對木犀草素得率的影響

在提取溫度為70 ℃、微波功率為1 000 W、料液比為1∶20(5.0 g花生殼干粉∶100 mL乙醇，乙醇體積分數為50%～90%，下同)、微波提取時間為70 s的條件下，考察乙醇體積分數對木犀草素得率的影響，結果見圖2。

圖2 乙醇體積分數對木犀草素得率的影響Fig.2 Effect of volume fraction of ethanol on mignonette yield

由圖2可以看出，隨著乙醇體積分數的增大，木犀草素得率先升高后降低，在乙醇體積分數約為80%時得率較高。實驗發(fā)現，乙醇體積分數為50%～70%時，水含量較高，易溶于水的糖類、蛋白質易溶出，導致提取液腐敗變質，得率較低；當乙醇體積分數超過80%后，水含量過低不利于微波發(fā)揮作用，提取液顏色變淺，得率降低，同時，脂溶性成分溶出率提高也給后續(xù)的精制帶來較大的困難。綜合考慮，選擇乙醇體積分數為80%較為適宜。

2.2.2 微波功率對木犀草素得率的影響

稱取5.0 g花生殼干粉，按1∶20的料液比加入80%乙醇100 mL，在提取溫度為70 ℃、不同微波功率下提取70 s，考察微波功率對木犀草素得率的影響，結果見圖3。

圖3 微波功率對木犀草素得率的影響Fig.3 Effect of microwave power on mignonette yield

由圖3可以看出，隨著微波功率的增大，木犀草素得率不斷升高，在600 W以后上升趨勢較緩?？赡苁且驗椋谖⒉ㄝ椛涞倪^程中，溶質吸收微波的能力逐漸趨于飽和，故微波功率增大到一定程度時，對木犀草素的溶出影響不大。因此，微波功率不是影響木犀草素得率的關鍵因素。由于本實驗所用微波儀的最大功率為1 000 W，因此后續(xù)實驗微波功率均為1 000 W。

2.2.3 微波提取時間對木犀草素得率的影響

稱取5.0 g花生殼干粉，按1∶20的料液比加入80%乙醇100 mL，在提取溫度為70 ℃、微波功率為1 000 W下分別提取不同時間，考察微波提取時間對木犀草素得率的影響，結果見圖4。

由圖4可以看出，隨著微波提取時間的延長，木犀草素得率先升高后降低，在微波提取時間為70 s時，得率達到最高。這可能是由于，長時間的微波輻射使木犀草素有所變性，或者是產生的熱效應時間較長，使溶劑有所揮發(fā)，減少了木犀草素的溶出。因此，選擇微波提取時間為70 s較為適宜。

2.2.4 料液比對木犀草素得率的影響

分別稱取花生殼干粉1.5 g、2.5 g、5.0 g、7.5 g、10.0 g，加入80%乙醇100 mL，在提取溫度為70 ℃、微波功率為1 000 W、微波提取時間為70 s的條件下，考察料液比對木犀草素得率的影響，結果見圖5。

圖4 微波提取時間對木犀草素得率的影響Fig.4 Effect of microwave extraction time on mignonette yield

圖5 料液比對木犀草素得率的影響Fig.5 Effect of solid-liquid ratio on mignonette yield

由圖5可以看出，隨著料液比的增大，木犀草素得率先驟降再緩緩下降。表明在溶劑用量一定時，加入的花生殼干粉越少，木犀草素得率越高。這是因為，濃度差較大利于有效物質的溶出。但是，在實際應用中，溶劑用量過大，回收時耗時耗能，增加回收成本。綜合考慮，選擇料液比為5.0∶100(即1∶20)較為適宜。

2.3 響應曲面法實驗結果

2.3.1 實驗設計

根據單因素實驗結果，選取乙醇體積分數、微波提取時間、料液比作為自變量，以木犀草素得率為因變量(即響應值)，通過Box-Behnken實驗設計[7]，構建三維數學模型來優(yōu)化木犀草素的微波提取工藝。實驗設計的因素與水平見表1，響應曲面法實驗結果見表2。

2.3.2 數學模型的建立及顯著性的檢驗結果

對表2數據進行二次多項式的回歸方程擬合，得到回歸方程模型為：Y=-4.47383+0.10651A+0.029868B+0.015158C+5.28375AB+8.84852AC-17.4716BC-19.80843A2-6.11295B2-17.95291C2(R2=0.9697，P<0.0001)。采用響應面的ANOVA進行回歸參數分析，檢驗回歸方程模型和各項參數的顯著性，結果如表3所示。

表1 Box-Behnken實驗設計的因素與水平

Tab.1 Factors and levels of Box-Behnken design

表2 響應曲面法實驗結果

Tab.2 Results of response surface methodology

表3 響應面回歸方程模型的方差分析

Tab.3 Variance analysis of regression requation model for response surface

2.3.3 交互作用的分析和優(yōu)化

用Design-Expert 8.0.6軟件得出乙醇體積分數、微波提取時間和料液比3個實驗參數兩兩交互作用對得率影響的趨勢圖如圖6所示。

由圖6a可以看出，微波提取時間的響應面曲線變化幅度小且較平緩，對得率影響不明顯；乙醇體積分數的響應面曲線振幅較大，對得率的影響較顯著；二者等高線趨于圓形，說明二者交互作用對木犀草素得率無顯著影響。由圖6b可以看出，料液比和乙醇體積分數響應面曲線振幅都較大，對得率的影響較顯著，料液比在(2.50～5.00)∶100范圍時得率較高；二者等高線呈橢圓形，說明二者交互作用對得率的影響較明顯。由圖6c可以看出，料液比的響應面曲線較陡，微波提取時間的響應面曲線較平緩，說明料液比對得率影響較顯著；二者等高線呈圓形，說明二者交互作用對得率影響不明顯。等高線圖和響應面圖分析結果與方差分析結果基本一致。

2.3.4 回歸模型驗證

從圖6可以看出有最大的響應值，通過軟件分析預測最佳提取工藝為：乙醇體積分數80%、微波提取時間70 s、料液比5.0∶100(即1∶20)。為了檢驗該回歸模型是否準確，分別在預測的最優(yōu)提取工藝條件下進行5次驗證實驗，木犀草素得率平均值為0.713%。表明該模型設計合理。

圖6 等高線圖和響應面圖Fig.6 The contour map and the response surface map

3 結論

通過單因素實驗和響應曲面法確定花生殼中木犀草素的最優(yōu)微波提取工藝為：乙醇體積分數80%、微波提取時間70 s、料液比1∶20(g∶mL)、微波功率1 000 W，在此條件下，木犀草素得率為0.713%。

[1] 張艷.花生殼中木犀草素的分離純化及其化學合成[D].西安：西安理工大學,2010.

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Optimization on Microwave Extraction Process of Mignonette from Peanut Shells by Response Surface Methodology

CUI Jian-qiang,TANG Jing,WANG Yan,ZHANG Shuang

(SchoolofMedicine,ShaanxiInstituteofInternationalTrade&Commerce,Xianyang710246,China)

Usingmignonetteyieldasanevaluationindex,themicrowaveextractionprocessofmignonettefrompeanutshellswasoptimizedbyasinglefactorexperimentandresponsesurfacemethodology.Theoptimumextractionconditionswereasfollows:ethanolvolumefractionof80%,microwaveextractiontimeof70s,solid-liquidratioof1∶20(g∶mL),andmicrowavepowerof1 000W.Underaboveconditions,mignonetteyieldreached0.713%.Thismethodisfeasible,andcanbeusedtoextractmignonettefrompeanutshells.

mignonette;responsesurfacemethodology;microwaveextraction

陜西省教育廳專項科研計劃項目(16JK2036)，2016年陜西國際商貿學院科研項目(SMXY201605)

2016-12-06

崔建強(1979-)，男，陜西西安人，講師，研究方向：藥物分析化學，E-mail:1030287236@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.04.010

R284.2

A

1672-5425(2017)04-0042-05

崔建強，唐靜，王燕，等.響應曲面法優(yōu)化花生殼中木犀草素的微波提取工藝[J].化學與生物工程，2017，34(4)：42-46.