郭才南 安佰義 韓櫂濂 王賞 王丹 張雪 劉曉嘉 程志強(qiáng)

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，長(zhǎng)春，130118)

白檀(Symplocospaniculata)為山礬科(Symplcaceae)山礬屬落葉灌木或小喬木，其樹形優(yōu)美，花白色、芳香，是極具觀賞價(jià)值的園林綠化樹種[1]；白檀萌蘗能力強(qiáng),根系發(fā)達(dá)，耐干旱瘠薄，能夠適宜石灰?guī)r、廢棄礦區(qū)等瘠薄、邊際性土地，是優(yōu)良的水土保持樹種[2]；白檀也具有油用和生態(tài)修復(fù)功能，還含有較高的生物活性成分、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，具有較高的藥用價(jià)值[3]，其果成熟時(shí)呈藍(lán)紫色，使其呈藍(lán)紫色的主要成分是花色苷類物質(zhì)[4]?；ㄉ帐且蕴擒真I把花色素與糖結(jié)合而成的一類化合物[5]。大量研究表明，植物花色苷具有抗氧化活性[6]、抗腫瘤[7]、抗動(dòng)脈粥樣硬化[8]、降血糖[9]、降血脂[10]、改善記憶力[11]、保護(hù)心臟[12]等一系列生物學(xué)功能。白檀是我國(guó)的原生樹種，也是多功能樹種，但目前尚未得到人們的重視，同時(shí)對(duì)白檀也缺乏相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)系統(tǒng)的研究，另外應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化白檀花色苷微波提取工藝未見報(bào)道。因此本研究采用響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取白檀花色苷工藝，確定出最佳提取工藝條件，以期為白檀更廣泛地開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

白檀果實(shí)于9月中旬(果實(shí)成熟期)采自吉林省通化市二道江區(qū)白檀優(yōu)異株系。摘選新鮮無損傷果實(shí)立即放入含有冰袋的泡沫盒中，之后放入冰箱-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 白檀果實(shí)花色苷質(zhì)量摩爾濃度的測(cè)定

在530、620、650 nm波長(zhǎng)下，用TU-1950紫外-分光光度計(jì)測(cè)定花色苷提取液的光密度值(DO)。依據(jù)公式DO,λ=(DO,530-DO,620)-0.1(DO,650-DO,620)計(jì)算花色苷的光密度值，再計(jì)算花色苷質(zhì)量摩爾濃度(M)。每試驗(yàn)重復(fù)3次。M=(DO,λV)/(εm)×106nmol·g-1。式中：ε為4.62×104表示花色苷的摩爾消光系數(shù)；V表示提取液總體積；m表示取樣質(zhì)量。

1.3 單因素試驗(yàn)

用1%檸檬酸-X%無水乙醇(X%為乙醇的體積分?jǐn)?shù))為溶劑，采用MAS-II型常壓微波合成/萃取反應(yīng)工作站進(jìn)行微波輔助提取，裝置如圖1所示。對(duì)微波功率、微波時(shí)間、液料比、乙醇體積分?jǐn)?shù)4個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，探究其對(duì)白檀花色苷提取量的影響。經(jīng)過預(yù)試驗(yàn)篩選，微波功率分別設(shè)為100、200、300、400、500、600 W；微波時(shí)間分別設(shè)為0、2、4、6、8、10 min；液料比分別設(shè)為10 mL∶1 g、20 mL∶1 g、30 mL∶1 g、40 mL∶1 g、50 mL∶1 g、60 mL∶1 g；1%檸檬酸-X無水乙醇溶劑中乙醇體積分?jǐn)?shù)分別設(shè)為50%、60%、70%、80%、90%、100%。試驗(yàn)均重復(fù)3次。

1.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

微波功率、微波時(shí)間、液料比、乙醇體積分?jǐn)?shù)分別固定為300 W、4 min、40 mL∶1 g、60%，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，優(yōu)化白檀果實(shí)花色苷的提取工藝。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，在一定的微波功率范圍內(nèi)，隨著微波功率的不斷增加，白檀花色苷提取量先顯著增加后下降，當(dāng)微波功率為400 W時(shí)，花色苷提取量最高，可能是由于微波功率的不斷增加使微波破壁作用增強(qiáng)，從而有利于花色苷的提取，但當(dāng)微波功率繼續(xù)增加時(shí)，不斷加強(qiáng)的微波頻率，可能破壞花青素苷元與糖分子形成的糖苷結(jié)構(gòu)，從而使花色苷提取量下降。在一定的微波時(shí)間范圍內(nèi)，隨著微波時(shí)間的不斷增加，白檀花色苷提取量先顯著增加后下降，當(dāng)微波時(shí)間為6 min時(shí)，花色苷提取量最高。其主要原因可能是微波促使物質(zhì)溶出，從而有助于花色苷的提取，但隨微波時(shí)間的增加，花色苷提取量下降，這可能是由于在溫度較高的環(huán)境下，微波提取時(shí)間的延長(zhǎng)使花色苷化學(xué)鍵的振動(dòng)、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞持續(xù)過久發(fā)生，導(dǎo)致花色苷穩(wěn)定性下降，使花色苷部分分解，因此花色苷提取量下降。在一定的液料比范圍內(nèi)，隨著液料比的增大，白檀花色苷提取量先顯著增加后下降，在液料比為40 mL∶1 g時(shí)，花色苷提取量最高，主要原因是在一定程度上，液料比的增大使固液兩相的濃度差增大，即傳質(zhì)推動(dòng)力提高，從而有助于花色苷的提取。但液料比過大：一方面，可能會(huì)溶出一些醇溶性雜質(zhì)，導(dǎo)致乙醇-水分子被搶奪，從而影響花色苷在溶劑中溶解；另一方面，過大的液料比可能會(huì)使溶液的升溫速度減慢，使花色苷浸提受阻，從而使花色苷的提取量下降。在一定的乙醇體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的不斷增大，白檀花色苷提取量先增加后顯著下降，在乙醇體積分?jǐn)?shù)60%時(shí)，花色苷的提取量最高，主要原因是隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，溶質(zhì)與溶劑的極性差異減小，根據(jù)相似相溶原理，花色苷的溶解度增加，但乙醇體積分?jǐn)?shù)超過一定閾值之后再繼續(xù)增加，溶質(zhì)與溶劑的極性差異就會(huì)不斷增大，花色苷的提取量由于其溶解量減少而下降。

表1 各因素對(duì)白檀果實(shí)花色苷提取量的影響

2.2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.2.1 模型的建立與顯著性

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。利用Design-Expert 10.0.3軟件，擬合的試驗(yàn)因素和白檀果實(shí)花色苷提取量的多元回歸模型為：Y=655.064+15.27A-9.00B+9.08C-32.77D+3.87AB-45.54AC-45.23AD-16.75BC+4.32BD-3.25CD-101.07A2+0.032B2-81.06C2-104.24D2。由模型可知，微波功率和液料比的單因素影響，微波功率×微波時(shí)間、微波時(shí)間×乙醇體積分?jǐn)?shù)的交互作用和微波時(shí)間的二次項(xiàng)對(duì)花色苷提取量有積極作用。在微波時(shí)間、乙醇體積分?jǐn)?shù)的單因素作用，以及微波功率×液料比、微波功率×乙醇體積分?jǐn)?shù)、液料比×乙醇體積分?jǐn)?shù)的交互作用以及微波功率、液料比、乙醇體積分?jǐn)?shù)的二次項(xiàng)均對(duì)花色苷的提取量有負(fù)面影響。

表2 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 響應(yīng)面回歸模型方差分析結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面交互項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

圖2a表明，當(dāng)微波時(shí)間(B)和乙醇體積分?jǐn)?shù)(D)都處于零水平時(shí)，微波功率(A)和液料比(C)分別在300～406.62 W和30 mL∶1 g～40.38 mL∶1 g范圍內(nèi)增加時(shí)，花色苷提取量迅速增加；超過406.62 W和40.38 mL∶1 g時(shí)，花色苷提取量則略有下降。另外，由圖2a等高線圖呈橢圓形可知，微波功率(A)和液料比(C)之間的相互作用是顯著的，這與表4中的回歸模型方差分析一致。

圖2b表明，當(dāng)微波時(shí)間(B)和液料比(C)都處于零水平時(shí)，微波功率(A)和乙醇體積分?jǐn)?shù)(D)對(duì)提取量有二次影響，隨著2個(gè)參數(shù)值的增加，花色苷的提取量先增加后顯著下降，當(dāng)微波功率(A)和乙醇體積分?jǐn)?shù)(D)分別為411.68 W和58.16%時(shí)，花色苷提取量最大，為658.94 nmol·g-1。另外，由圖2b等高線圖呈橢圓形可知，微波功率(A)和乙醇體積分?jǐn)?shù)(D)之間的相互作用顯著，這也通過表4中的結(jié)果得到證實(shí)。

圖2c表明，當(dāng)微波功率(A)和乙醇體積分?jǐn)?shù)(D)都處于零水平時(shí)，隨著液料比從30 mL∶1 g增加到41.59 mL∶1 g，花色苷的提取量增加，但隨著液料比(C)的進(jìn)一步增加，花色苷的提取量減少。隨著微波時(shí)間(B)從4 min增加到8 min，花色苷的提取量略有增加。當(dāng)液料比(C)和微波時(shí)間(B)分別為41.59 mL∶1 g和4 min，花色苷提取量最大，為666.157 nmol·g-1。但這與圖2c中的等高線圖和表4中的結(jié)果不一致。

由于微波功率×微波時(shí)間、微波時(shí)間×乙醇體積分?jǐn)?shù)、液料比×乙醇體積分?jǐn)?shù)的交互作用在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒有顯著性，因此不做分析。

2.2.3 響應(yīng)面驗(yàn)證試驗(yàn)

通過Design-Expert軟件對(duì)回歸方程分析，得到花色苷最佳提取條件：微波功率387.461 W、微波時(shí)間4.243 min、液料比42.556 mL∶1 g、乙醇體積分?jǐn)?shù)59.281%，花色苷提取量的理論值為681.803 nmol·g-1。為了驗(yàn)證該方法的可靠性并考慮到實(shí)際情況，將最佳工藝參數(shù)修正為：微波功率390 W、微波時(shí)間4 min、液料比43 mL∶1 g、乙醇體積分?jǐn)?shù)60%。在此條件下進(jìn)行花色苷的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，平均值為678.53 nmol·g-1。理論值和試驗(yàn)值相差不顯著，說明模型可以較好地模擬和預(yù)測(cè)白檀花色苷提取量，從而也證明了采用響應(yīng)面法優(yōu)化花色苷提取條件參數(shù)的可行性。

3 結(jié)論與討論

本研究首次采用響應(yīng)面法對(duì)白檀花色苷的微波輔助提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，研究表明，微波功率、微波時(shí)間、液料比、乙醇體積分?jǐn)?shù)4個(gè)單因素對(duì)花色苷提取量的影響趨勢(shì)都為隨著各因素的不斷增大，提取量先增加后減少，這與李鳳鳳等[13]在藍(lán)靛果花色苷工藝研究中的結(jié)果一致。各因素對(duì)白檀花色苷提取量的影響大小順序?yàn)橐掖俭w積分?jǐn)?shù)、微波功率、液料比、微波時(shí)間，這與Zheng et al.[14]采用微波輔助提取藍(lán)莓粉中花色苷的研究結(jié)果部分一致，兩者研究均為微波時(shí)間對(duì)花色苷提取量的影響最小。另外得到最佳提取條件為：微波功率390 W、微波時(shí)間4 min、液料比43 mL∶1 g、乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，花色苷實(shí)際提取量為678.53 nmol·g-1，提取率為0.021%。本研究可為今后微波工業(yè)提取利用白檀花色苷提供科學(xué)依據(jù)，為白檀的廣泛開發(fā)利用提供參考價(jià)值。