响应曲面法优化微波提取小茴香总黄酮工艺研究

刘红，陈燕芹，李玉华

(1.贵州工程应用技术学院化学化工实验教学中心，贵州 毕节 551700；2.贵州省应用化学特色重点实验室，贵州 毕节 551700)

小茴香又称香丝菜，是伞形科植物茴香(FoeniculumvulgareMill.)的干燥成熟果实[1,2]，文献报道，小茴香的主要成分有挥发油、黄酮、多糖等[3-6]。小茴香也作为常用的传统中药，有理气健胃、散热止痛的功效，可治疗食欲不振、腹痛、风湿性关节炎等[7]。小茴香作为一种重要的调味香料，全国均有栽培。 相关学者已对小茴香的挥发油成分、黄酮、微量元素、多酚等进行了研究[8,9]。

响应面分析能研究几种因素间交互作用等优点[10]，设计合理、结果优良，被广泛应用于食品行业[11]。关于响应曲面法优化小茴香黄酮的提取工艺未见报道，本文以小茴香籽为原料，通过响应曲面法优化微波提取小茴香总黄酮，以期为进一步开发研究和利用提供更全面的依据。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与设备

小茴香：购于毕节市合力超市，经毕节市药检所鉴定。

亚硝酸钠、硝酸铝、氢氧化钠等：均为分析纯。

DFY-300高速万能粉碎机 浙江林大机械有限责任公司；AUY220电子分析天平 日本岛津公司；TG20台式高速离心机 迈佳森仪器设备有限公司；VIS-723G可见分光光度计 北京瑞利分析仪器公司；纯水机 成都超纯科技有限公司；MDS2002AT微波萃取消解工作站 上海新仪电子科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 小茴香总黄酮的提取工艺

小茴香→烘干(105 ℃)→粉碎→过筛→微波提取→离心→抽滤，定容至50 mL→吸光度测定→根据标准曲线计算出其所含的黄酮→计算出提取率。

1.2.2 标准曲线绘制

参考文献[12]采用NaNO2-Al(OH)3-NaOH法得曲线方程为A=10.0971C+0.0002，R2=0.9994。

1.2.3 单因素试验

本试验针对乙醇浓度、提取时间、提取温度、液料比4个因素(本试验所用设备微波功率不可调，因此未对微波功率的影响进行探讨)，在其他3个因素不变的情况下，对另1个因素进行单因素试验，以小茴香提取率为依据，以确定响应面设计的水平。

1.2.4 响应面分析

以单因素试验结果为依据，应用Design-Expert 8.0.5b软件的Box-Behnken响应面分析方案设计试验，因素及水平见表1。

表1 响应面分析因素和水平Table 1 The factors and levels of response surface analysis

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

2.1.1 不同乙醇浓度下小茴香黄酮的提取率

在提取时间为10 min、提取温度为60 ℃、液料比为40(mL/g)的条件下研究不同乙醇浓度下小茴香黄酮的提取率，结果见图1。

图1 不同乙醇浓度下小茴香黄酮的提取率Fig.1 The extraction rate of flavonoids in Foeniculum vulgare Mill. under different ethanol concentration

由图1可知，随着乙醇浓度的增大，黄酮提取率先增大后减小，乙醇浓度为60%时黄酮提取率出现最大值，因此后续响应面设计时乙醇浓度的选择范围为50%～70%。

2.1.2 不同提取时间下小茴香黄酮的提取率

在提取温度为60 ℃、液料比为40(mL/g)、乙醇浓度为60%的条件下研究不同提取时间下小茴香黄酮的提取率，结果见图2。

图2 不同提取时间下小茴香黄酮的提取率Fig.2 The extraction rate of flavonoids in Foeniculum vulgare Mill. under different extraction time

由图2可知，时间为10 min时黄酮提取率出现最大值，因此后续响应面设计时提取时间的选择范围为5～15 min。

2.1.3 不同提取温度下小茴香黄酮的提取率

在提取时间为10 min、液料比为40(mL/g)、乙醇浓度为60%的条件下研究不同提取温度下小茴香黄酮的提取率，结果见图3。

图3 不同提取温度下小茴香黄酮的提取率Fig.3 The extraction rate of flavonoids in Foeniculum vulgare Mill. under different temperatures

由图3可知，提取温度为60 ℃时黄酮提取率出现最大值，因此后续响应面设计时提取温度的选择范围为50～70 ℃。

2.1.4 不同液料比下小茴香黄酮的提取率

在提取温度为60 ℃、乙醇浓度为60%、提取时间为10 min的条件下研究不同液料比下小茴香黄酮的提取率，结果见图4。

图4 不同液料比下小茴香黄酮的提取率Fig.4 The extraction rate of flavonoids in Foeniculum vulgare Mill. under different liquid-solid ratios

由图4可知，液料比为40(mL/g)时黄酮提取率出现最大值，因此后续响应面设计时液料比的选择范围为30～50(mL/g)。

2.2 响应面对小茴香总黄酮的提取工艺条件及方差分析

根据表1响应面分析因子和水平设计的Box-Behnken响应面分析方案及结果见表2，相应的方差分析见表3。

表2 响应面分析方案以及小茴香黄酮的实验值与预测值Table 2 Response surface analysis scheme, experimental values and predicted values of extraction rates

表3 小茴香黄酮提取参数回归分析结果Table 3 Regression analysis results of extraction parameters of Foeniculum vulgare Mill.

续 表

注：“*”表示显著，“**”表示极显著。

根据表2结果，应用Design-Expert 8.0.5b软件对数据进行多元回归分析，得出回归模型，回归方程为：Y=1.33-0.042C+0.004167t+0.030T-0.028R-0.005Ct+0.020CR+0.018tT-0.025tR+0.027TR-0.063C2-0.044t2-0.093T2-0.13R2。

表3是上述回归模型的方差分析结果，由表3可知模型高度显著(P<0.0001)，失拟项(P=0.2675>0.05)不显著。调整系数R2=0.9732，模型拟合程度较好，能解释97.32%的响应值变化，可用于小茴香总黄酮的分析和预测。表3方差分析结果还表明乙醇浓度、提取温度、液料比对小茴香总黄酮提取率的影响极显著，4个因素的二次项的影响极显著，此外，提取时间和液料比的交互作用、提取温度和液料比的交互作用的影响也达到显著水平。各因素对小茴香总黄酮提取率的影响大小为：乙醇浓度>提取温度>液料比>提取时间。

通过固定模型中2个因素在0水平，绘制出响应曲面图，见图5～图10。乙醇浓度、提取温度和液料比对提取率的影响都较陡，影响极显著，而提取时间对提取率的影响较平缓，影响不显著。

图5 Y=[C,t]的响应面图Fig.5 Response surface diagram of Y=[C,t]

图6 Y=[C,T]的响应面图Fig.6 Response surface diagram of Y=[C,T]

图7 Y=[C,R]的响应面图Fig.7 Response surface diagram of Y=[C,R]

图8 Y=[t,T]的响应面图Fig.8 Response surface diagram of Y=[t,T]

图9 Y=[t,R]的响应面图Fig.9 Response surface diagram of Y=[t,R]

图10 Y=[T,R]的响应面图Fig.10 Response surface diagram of Y=[T,R]

用Design-Expert 8.0.5b软件给出了能够得到最大提取率的C，t，T，R对应的值为C=56.43，t=10.67，T=61.55，R=38.72，即在乙醇浓度为56.43%，提取时间为10.67 min，提取温度为61.55 ℃，液料比为38.72 (mL/g)时总黄酮的提取率为1.3458%。考虑到实际操作条件，将工艺条件修正为：乙醇浓度56%，提取时间11 min，提取温度62 ℃，液料比39 (mL/g)，在此条件下进行3次试验，平均提取率为1.3453%，与预测值相近，表明回归模型可靠。

3 结论

本试验在单因素试验的基础上采用微波辅助法提取小茴香总黄酮，对总黄酮的提取参数进行响应面优化，建立了提取率和各个因素之间的二次回归方程Y=1.33-0.042C+0.004167t+0.030T-0.028R-0.005Ct+0.020CR+0.018tT-0.025tR+0.027TR-0.063C2-0.044t2-0.093T2-0.13R2。通过对小茴香总黄酮提取的单因素和响应曲面分析，得出小茴香总黄酮提取的最佳工艺条件为乙醇浓度56%，提取时间11 min，提取温度62 ℃，液料比39(mL/g)，在此条件下小茴香总黄酮的提取率为1.3453%。

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