响应面法优化山杏核壳总多酚提取工艺及其性质研究

万 山，杨 喆，张乔会，欧阳杰，王建中

（北京林业大学，北京林业大学林业食品加工与安全北京市重点实验室，北京100083）

工艺技术

响应面法优化山杏核壳总多酚提取工艺及其性质研究

万 山，杨 喆，张乔会，欧阳杰，王建中*

（北京林业大学，北京林业大学林业食品加工与安全北京市重点实验室，北京100083）

以山杏核壳为原料，利用闪式提取技术提取山杏核壳中的多酚类化合物，以单因素实验结果为依据，通过响应面分析法对闪提工艺进行优化，最终得到修正后的较优提取工艺参数为：乙醇溶液体积分数63%，提取时间4.2 min，液料比23∶1，提取温度61℃。此工艺参数下山杏核壳总多酚率为736.87 mg（GAE）/100 g。通过对红外吸收峰的分析，发现样品含有多酚类化合物的典型基团。通过综合热重分析仪测定样品热稳定性，在240℃以内稳定，在240～580℃范围内发生热解。

山杏核壳，多酚，响应面法，热重分析，红外

山杏（Armeniaca sibirica）是一种生态型经济树种，主要生长于亚洲，我国分布区域为内蒙古、吉林、辽宁、甘肃、河北、山西等地，分布广泛，资源丰富。山杏核壳作为山杏加工过程中的废料被大量丢弃，造成资源的浪费，可利用山杏核壳这一生物资源，人们将山杏壳制备活性炭[1]，制备木醋液[2]等，研究山杏核壳中的黑色素、总黄酮等[3-4]，但从山杏核壳中提取多酚类化合物及其性质研究的报道尚少。多酚类化合物具有多种生物活性，具有延缓机体衰老及预防、治疗心血管疾病、防癌、抗辐射等，对人体健康有着积极作用[5]，可用于食品和医药领域[6-7]。植物类多酚的提取方法通常有热回流法和浸提法[8]，所需时间较长，得率不稳定。闪式提取有溶剂用量小，提取时间短，效率高等特点，能够最大限度保留提取物有效成分。本研究以山杏核壳为原料，通过响应面分析法优化山杏核壳总多酚闪式提取工艺条件，并通过红外光谱仪和综合热重分析仪，探究其相关理化性质。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

山杏核壳 购自北京延庆；没食子酸标准品 天津市津科精细化工研究所；无水乙醇、无水碳酸钠、福林酚试剂等 均为分析纯。

JHBE-50S闪式提取器 北京金鼐科技发展有限公司；Tensor27型FT-IR红外光谱仪 德国Bruker公司；TGA60热重分析仪 日本Shimadzu公司；FA2004电子天平 上海上平仪器有限公司；SHZ-III循环水式多用真空泵 上海知信实验仪器技术有限公司；T6新世纪型紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；R-210旋转蒸发仪 上海申顺生物科技有限公司；TD5A台式低速离心机 湖南赫西仪器装备有限公司；DZF真空干燥箱 上海龙跃仪器设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 多酚标准曲线的制作 精密称取120℃真空干燥至恒重的没食子酸标准品10.0 mg，用蒸馏水溶解，定容至100 mL，摇匀，即得浓度为0.1 mg/mL的没食子酸标准品溶液。精密吸取没食子酸标准品溶液0.00、0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mL分别置于25 mL容量瓶中，分别加入福林酚试剂3 mL，摇匀，静置30 s，再分别加入10%碳酸钠溶液6 mL，摇匀，定容至刻度，避光静置2 h。以第一个样品为空白样，在760 nm波长处测定其余样品吸光度A，以浓度C为横坐标，以吸光度值A为纵坐标，绘制标准曲线[9]。

1.2.2 山杏核壳总多酚得率测定 将山杏核壳用粉碎机粉碎，过60目筛，准确称取10.0 g，加入一定量乙醇溶液，在一定条件下进行闪式提取，过滤，测定滤液体积。取1 mL上述滤液于25 mL容量瓶中，以制备标准曲线的方法，即福林酚-碳酸钠显色法显色，在760 nm处测定其吸光度，并利用回归方程确定山杏核壳样品中总多酚得率，总多酚得率以每100 g干质量等同于没食子酸的毫克数表示。

1.2.3 单因素实验设计 以乙醇体积分数、闪提时间、液料比、提取温度四个因素为研究对象，以山杏核壳中总多酚得率为指标，进行单因素实验。

1.2.3.1 乙醇的体积分数对得率的影响 准确称取5份处理好的山杏核壳粉，每份10.0 g，分别加入体积分数为40%、50%、60%、70%、80%的乙醇溶液，以20∶1的液料比，在50℃的温度下提取3 min。

1.2.3.2 提取时间对得率的影响 准确称取5份处理好的山杏核壳粉，每份10.0 g，加入体积分数为60%的乙醇溶液，以20∶1的液料比，在50℃的温度下分别提取1、2、3、4、5 min。

1.2.3.3 液料比对得率的影响 准确称取5份处理好的山杏核壳粉，每份10.0 g，加入体积分数为60%的乙醇溶液，分别以10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1的液料比，在50℃的温度下提取4 min。

1.2.3.4 提取温度对得率的影响 准确称取5份处理好的山杏核壳粉，每份10.0 g，加入体积分数为60%的乙醇溶液，以20∶1的液料比，分别在30、40、50、60、70℃的温度下提取4 min。

1.2.4 响应面实验设计 为分析各影响因素间的交互作用对山杏核壳总多酚得率的影响，结合单因素实验的结果，分别选取以乙醇体积分数、提取时间、液料比、提取温度为实验因素，以山杏核壳总多酚得率为响应值，根据Box-Benhnken中心组合设计原理，运用Design Expert 7.0软件进行四因素三水平响应面实验设计，确定最佳实验条件。实验因素及水平见表1。

表1 响应面实验因素与水平Table 1 Factors and levels in single-factor design

1.2.5 山杏核壳总多酚的红外分析[10-11]取少量样品置于红外光谱仪中进行测定，扫描分辨率2 cm-1，扫描范围为4000～400 cm-1，扫描次数32次。

1.2.6 山杏核壳总多酚的热稳定性分析[12-13]为考察山杏核壳总多酚的热稳定性，准确称取少量的山杏核壳总多酚（3～8 mg），放入综合热重分析仪内对其进行热TG/DTG分析测定。分析条件：扫描温度为20～600℃，升温速度为10℃/min，N2流速为40 mL/min。

1.3 数据处理

实验数据的处理分别采用Microsoft Excle（Office 2007）、Design Expert 7.0等软件进行。

2 结果与分析

2.1 标准曲线制作

得到标准曲线，如图1所示，得到回归方程：C= 0.1493A-0.0015（R2=0.9997）。

图1 标准曲线Fig.1 Standard curves

图2 乙醇体积分数对总多酚得率的影响Fig.2 Effect of ethanol concentration on extraction rate of polyphenols

2.2 单因素实验结果

2.2.1 乙醇体积分数的选择 提取溶剂乙醇的体积分数对山杏核壳总多酚得率的影响如图2所示。结果显示，山杏核壳总多酚得率随着乙醇体积分数的增加而升高，当乙醇体积分数达到60%时，得率达到最高，之后随着提取溶剂乙醇体积分数的增加，山杏核壳总多酚得率逐渐下降，乙醇浓度过高不利于水溶性多酚类物质的析出，并且会使蛋白质等生物大分子变性沉淀，阻碍多酚类物质从组织细胞向容剂中扩散[14]。

2.2.2 闪提时间的选择 闪式提取时间对山杏核壳总多酚得率的影响如图3所示。随着闪提时间的不断增加，山杏核壳总多酚得率不断升高，当闪提时间达到4 min时，得率达到最高，之后继续增加提取时间，山杏核壳总多酚得率略有下降，提取时间过长，闪式提取器刀头高速旋转产生大量热，易发生氧化反应，破坏了多酚类物质。

图3 闪提时间对总多酚得率的影响Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of polyphenols

2.2.3 提取温度的选择 不同提取温度对山杏核壳总多酚得率的影响如图4所示。随着提取温度不断上升，山杏核壳总多酚得率不断升高，提取温度为60℃时得率达到最高，随后温度的增加，得率略有下降，提取温度过高，易氧化变质，影响多酚类物质提取得率[15]。

图4 温度对总多酚得率的影响Fig.4 Effect of temperature on extraction rate of polyphenols

2.2.4 液料比的选择 不同液料比对山杏核壳总多酚得率的影响如图5所示。结果显示，山杏核壳总多酚得率随着液料比的增加而升高，当液料比达到20∶1时，得率达到最高，之后继续增加液料比，山杏核壳总多酚得率无明显变化。

图5 液料比对总多酚得率的影响Fig.5 Effect of liquid/material ratio on extraction rate of polyphenols

表2 响应面设计方案及结果Table 2 Program and experimental results of response surface methodology

2.3 响应面法实验结果

2.3.1 山杏核壳总多酚闪提工艺回归模型的建立以单因素实验结果为依据，以乙醇体积分数（A）、闪提时间（B）、液料比（C）、温度（D）为自变量，以山杏核壳总多酚得率（Y）为响应值设计响应面实验，结果如表2所示。采用Design Expert 7.0软件，对表2中的实验数据进行回归分析，得出山杏核壳总多酚得率的回归方程：

Y=715.80+14.00A+26.42B+76.92C+16.67D+ 31.50AB-10.50AC+3.50AD-21.00BC-6.75BD-3.25CD-29.90A2-61.52B2-69.02C2-52.65D2。

2.3.2 山杏核壳总多酚闪提工艺回归模型方差分析 对2.3.1中得到的回归方程进行方差分析，结果如表3所示。

通过表3可以直观看到，模型的二次项B2、C2、D2和一次项C达到极显著水平，p＜0.0001；二次项A2和一次项B达到高度显著水平，p＜0.01；另外D和AB两项达到显著水平，p＜0.05。结果表明，该模型下响应值变化复杂，各自变量影响因素对响应值的影响不是简单的线性影响。

通过表3还可以看到，模型显著性检验为极显著，p＜0.0001，失拟项p为0.0510＞0.05，无失拟因素存在，因此说明该模型与实验拟合度良好。该回归方程相关系数R2=0.9523，校正决定系数R2Adj=0.9046，说明该模型能够解释95.23%的变化，因此进一步说明该模型具与实验有较好的拟合度，可通过该回归方程对实验结果进行分析及预测。

图6 Y=f（A，B）的响应曲面图Fig.6 Responsive surfaces of Y=f（A，B）

图7 Y=f（A，C）的响应曲面图Fig.7 Responsive surfaces of Y=f（A，C）

通过表3实验结果可知，各自变量影响因素对响应值的影响大小顺序为：乙醇体积分数（A）＜提取温度（D）＜提取时间（B）＜液料比（C）。

2.3.3 响应面分析 响应曲面反映的是两个不同影响因素之间的交互作用。通过Design Expert 7.0软件，将乙醇体积分数、闪提时间、液料比例、闪提温度四个因素分别进行两两比较分析，图6～图11为各因素间交互作用的响应曲面图及相应等高线图。乙醇体积分数与提取时间之间的交互作用及乙醇体积分数与液料比之间的交互作用，对山杏核壳总多酚得率的影响非常大；乙醇体积分数与提取温度之间的交互作用对山杏核壳总多酚得率影响最大且显著，其它因素间交互作用对山杏核壳总多酚得率有一定影响但均不显著。

表3 回归方程方差分析表Table 3 Variance analysis of mathematical regression model

2.3.4 最佳闪提工艺条件的确定 通过Design Expert 7.0软件对山杏核壳总多酚的闪式提取工艺条件进行优化，进一步得到较优工艺参数为：提取溶剂乙醇的体积分数为62.52%，闪提时间为4.19 min，液料比为22.53∶1，提取温度为61.40℃，此条件下，山杏核壳总多酚得率的预测值为740.64（mg（GAE）/100g）。为便于实验操作，在实际操作中将以上工艺参数修正为：提取溶剂乙醇的体积分数为63%，闪提时间为4.2 min，液料比为23∶1，提取温度为61℃，并在此工艺参数条件下进行三次平行实验，实际测得山杏核壳总多酚提取得率平均约为736.87（mg（GAE）/100g），与预测值相差很小，说明该模型与实际拟合度良好，用于预测实验结果比较可靠，可用于山杏核壳总多酚提取工艺的优化。

图9 Y=f（B，C）的响应曲面图Fig.9 Responsive surfaces of Y=f（B，C）

图10 Y=f（B，D）的响应曲面图Fig.10 Responsive surfaces of Y=f（B，D）

图11 Y=f（C，D）的响应曲面图Fig.11 Responsive surfaces of Y=f（C，D）

2.4 山杏核壳总多酚红外结果分析

山杏核壳提取样品的红外光谱图如图12所示，样品图谱中在3368.97 cm-1处有较宽的吸收峰，是-OH伸缩振动峰，说明样品化学结构中存在羟基；2936.52 cm-1处有较弱的C-H伸缩振动峰，说明饱和碳上的氢较少；1660.02 cm-1处的吸收峰是羰基伸缩振动造成的，推测其为酮羰基；1510.45、1455.99 cm-1两处的吸收峰是苯环中C=C的伸缩振动峰；1000～800 cm-1处的吸收峰可能是苯环上取代基引起的。综上所述，样品的化学结构含有典型的酚类化合物基团，吸收峰位置基本吻合，因此能够证明样品为山杏核壳总多酚。

图12 山杏核壳总多酚红外光谱图Fig.12 IR spectrum of polyphenols from shell of wild apricot

2.5 山杏核壳总多酚热稳定性结果分析

多酚标准品与山杏核壳总多酚的热重分析结果如图13所示。从TGA曲线可以看出多酚标准品有两个明显的失重峰，其中第一个失重峰出现在80℃左右，失重率为8.91%，这可能是由于标准品中含有一定的水分，加热失水造成的失重；多酚标准品失重主要发生在第二个失重峰阶段，温度在240～380℃之间，失重率为62.48%，说明酚类化合物在该温度范围内不稳定。从山杏核壳总多酚样品的TGA曲线可以看出，与多酚标准品的失重曲线基本一致，240℃之前较为稳定，主要失重阶段位于240～390℃之间，失重率为32.22%；同时，在390～580℃之间还存在一个失重峰，失重率为18.75%，这可能是由于山杏核壳总多酚样品中存在杂质，温度达到390℃之后杂质开始失重，进而出现第二个失重峰。样品反应结束后总失重率约为59.78%，剩余物质质量略高于标准品，这可能是由于样品存在杂质，当温度升高至600℃时仍未达到杂质的热解温度，从而使杂质残留下来，导致剩余物质质量增加。

3 结论

3.1 采用闪式提取法对山杏核壳中的多酚类物质进行提取，通过Box-Benhnken中心组合实验设计原理建立提取工艺优化回归方程模型。经方差分析该模型拟合度良好，经修正后得到较优提取工艺参数为：提取溶剂乙醇的体积分数为63%，闪提时间为4.2 min，液料比为23∶1，提取温度为61℃，此时，山杏核壳总多酚提取平均得率为736.87 mg（GAE）/100 g。

图13 山杏核壳总多酚失重图（氮气保护）Fig.13 TGA analysis of polyphenols from shell of wild apricot（under N2condition）

3.2 样品的红外吸收峰图谱显示，样品含有多酚类化合物的典型基团，吸收峰位置基本吻合，因此可说明，本实验所提取得到的物质为山杏核壳中的多酚类化合物。热重力分析结果显示，山杏核壳总多酚在240℃之前较为稳定，加热至240℃之后发生热解，主要失重峰位于240～390℃之间，与多酚标准品基本一致。

[1]齐高强，赵忠，马希汉，等.山杏壳制备活性炭的最佳工艺研究[J].林产化工，2013（4）：49-52.

[2]施琳.山杏壳木醋液有效成分及生物活性研究[D].西安：西北农林科技大学，2013.

[3]杨喆，万山，张乔会，等.响应面法优化山杏核壳总黄酮提取工艺及其抗氧化研究[J].食品工业科技，2015，36（6）：279-284.

[4]李军，张乔会，蓝晶晶，等.响应面法对山杏核壳黑色素提取工艺的研究[J].食品工业科技，2012（2）：295-299.

[5]蔡茜彤，范金波，冯叙桥，等.微波辅助提取牛蒡多酚和黄酮工艺优化及抗氧化活性的研究[J].食品工业科技，2015，36（4）：275-280.

[6]任亚梅，李光辉，许永涛.石榴籽多酚的提取及其种壳种仁抗氧化活性研究[J].食品科学，2012，33（4）：31-35.

[7]Samad N B，Debnath T，Jin H L，et al.Antioxidant activity of Benincasa hispida seeds[J].Journal of Food Biochemistry，2013，37（4）：388-395.

[8]Sales J M，Resurreccion A V A.Maximising resveratrol and piceid contents in UV and ultrasound treated peanuts[J].Food chemistry，2009，117（4）：674-680.

[9]朱素英.基于响应曲面法优化天麻多酚的提取工艺[J].食品工业科技，2015，36（1）：268-271.

[10]王超，伍贤学，张群，等.三种市售苦丁茶的红外光谱分析鉴定[J].玉溪师范学院学报，2014，4：006.

[11]沈玫，胡江滨，闫超.绿茶中茶多酚的分析方法研究进展[J].药物评价研究，2013（5）：389-393.

[12]任虹，薛宏亮，李婷，等.超声波辅助提取花生红衣多酚及其抗氧化活性研究[J].中国粮油学报，2015，30（1）：117-123.

[13]王晓阳，唐琳，赵垒.响应面法优化刺槐花多酚的超声提取工艺[J].食品科学，2011，32（2）：66-70.

[14]刘灿，荣永海，王志滨，等.闪式提取法提取罗汉果多酚[J].食品科学，2010（22）：50-53.

[15]徐朝芬，孙学信，郭欣.热重分析实验中影响热重曲线的主要因素分析[J].热力发电，2005，34（6）：34-36.

Study on optimization of extraction of polyphenols from shell of wild apricot by response burface methodology and its characterization

WAN Shan，YANG Zhe，ZHANG Qiao-hui，OUYANG Jie，WANG Jian-zhong*
（Beijing Key Laboratory of Forest Food Processing and Safety，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China）

The shell of wild apricot were used as the raw material to extract polyphenols by flash-extraction，based on single factor experiments，extraction condition was optimized by response surface methodology.The results showed that the optimum conditions of extraction of the polyphenols from shell of wild apricot were as follows：63%ethanol concentration，4.2 min extraction time，23∶1 liquid/material ratio and 61℃ extraction temperature.Under this condition，the maximal content of polyphenols was up to 736.87 mg（GAE）/100 g.The results showed that the extracts contained the typical groups of polyphenols and it was stable under 240℃and occured of pyrolysis reaction in the temperature range of 240～580℃.

shell of wild apricot；polyphenols；response surface methodology；thermal gravity analysis；infrared radiation

TS201.1

B

1002-0306（2015）22-0221-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.22.038

2015－03－31

万山（1989-），女，硕士研究生，研究方向：天然产物研究，E-mail：m15311935803@163.com。

*通讯作者：王建中（1951-），男，硕士，教授，研究方向：林产品加工利用，E-mail：m15311935803@163.com。

林业公益性行业科研专项（201004081）。