第五章紫山药总酚化合物提取工艺参数优化
5.1引言
山药是一种药食兼用的蔬菜，营养丰富并且具有保健功效，深受消费者青睐。多酚类化合物是山药中重要的功能性成分之一。本文在单因素试验的基础上，采用响应面法研究了乙醇浓度，提取时间、提取温度、液料比等因素对紫山药总酚得率的影响，建立了紫山药总多酚的提取方法二次多项数学模型，优化了紫山药总多酚提取的工艺参数。可为紫山药中的多酚类化合物提取及功能性研究提供基础，也能为其深度开发和废弃物利用提供参考。
5.2材料与方法
5.2.1材料
新鲜紫山药，为2009年11月份购买于浙江省台州市黄岩区的黄岩溪牌紫漪药，运抵本实验室后于室温下(10~20 oC)贮存。没食子酸、福林酚、碳酸钠、乙醇等试剂均为分析纯。
5.2.2仪器与试剂
ShimadzuUV-2550紫外分光光度计；SartoriuSBL310分析天平；蓝天DHG一9240C型全自动电脑干燥箱；佑崎D3V-10倾倒式粉碎机。
5.2.3试验方法
5.2.3.1紫山药粉的制备
新鲜紫山药洗净、去皮、切片，于50oC烘箱内干燥48h，干燥品经粉碎后过筛，在-80oC 条件下贮藏备用。
5.2.3.2标准曲线的制作
采用福林酚比色法(Folin一ciocalteau)进行总酚含量的测定[55]。取0.1g没食子酸标准品，用水溶解并定容至100mL，分别吸取0，5，10，15，20，25mL没食子酸水溶液于50mL容量瓶中定容，依次配成浓度为0，100，200，300，400，500mg/L浓度的没食子酸标准溶液。分别吸取0.2mL标准液于10mL容量瓶中,加入0.8mL水,再加入5mL0.2N的Folin一ciocaheau试剂和4mL饱和的Na2CO3(75g/L)，混合均匀并在室温下暗处平衡2h后，用分光光度计在765nm处测定吸光度值，重复三次，取平均值。以吸光度对没食子酸浓度进行回归，并绘制标准曲线。总酚含量用没食子酸当量GAE(gallieacidequivalent)表示。求得总酚的测定线性回归方程为:
Y=O.OO26X+0.0121，决定系数R2=0.9953 (5.1) Y一吸光度值
X一没食子酸标准液(mg/L)
5.2.3.3紫山药总酚提取方法
精确称取紫山药粉(5士0.05)g，加入一定体积和体积分数的乙醇溶液，在一定温度 和时间条件下浸提，提取结束后，将提取液迅速冷却并抽滤,滤液用于总酚含量测定。
5.2.3.4总酚得率
紫山药总酚得率(mg/g)=提取液中的总酚质量(mg)/原料质量(g) (5.2)
5.3结果与分析
5.3.1单因素实验
5.3.1.1乙醇体积分数的影响
固定提取时间为60min,温度为50oC，液料比为20:1,分别用不同体积分数(30%，40%，50%，60%，70%)的乙醇溶液，提取紫山药中的酚类物质。不同体积分数乙醇溶液对紫山药总酚得率的影响如图5.1。结果表明，以40%乙醇溶液为提取溶剂时，紫山药总酚得率最高。
图5.1乙醇体积分数对紫山药总酚提取率的影响
5.3.1.2提取时间的影响
不同提取时间(20min，40min，60min，80min，100min)对紫山药总酚得率的影响，见图
5.2。在固定温度为50 oC，液料比为20:1，乙醇体积分数为50%的条件下,随着时间的延长，总酚得率变化并不明显，但在提取时间为40min时达到最大。
图5.2提取时间对紫山药总酚提取率的影响
5.3.1.3提取温度的影响
固定提取时间为60min，液料比为20:1，乙醇体积分数为40%，改变提取温度(30 oC，40 oC ，50 oC ，60 oC ，70 oC)，试验结果如图5.3所示。随着温度的升高,总酚得率上升。考虑到多酚类为热敏性物质，温度过高，会对其产生破坏作用，因此温度最高不超过70 oC。
图5.3提取温度对紫山药总酚提取率的影响
5.3.1.4液料比的影响
以液料比对紫山药总酚得率做单因素试验，试验条件：温度为50 oC，改变液料比(10: 1，15:1,，20：1，25:1,，30:l)，用体积分数50%乙醇提取60min。试验结果见图54。随着液料比的增大,总酚得率增高。这是因为液料比越大,物料与提取溶剂的接触越充分，从而更有利于酚类化合物的溶出。但料液比过高意味着溶剂用量越大，并不经济，而且在实际生产中，料液比过高则后续去溶剂时所消耗的能量也更高，所以并不是越高越好。
图5.4液料比值对紫山药总酚提取率的影响
5.3.2 响应面法优化紫山药总酚提取工艺
5.3.2.1响应面分析及试验结果
根据Box-Benhnlcen模型的中心组合试验设计原理，选取乙醇浓度，时间，温度，液料比为自变量，分别以X1、X2、X3、X4来表示。以+l、0、-1对自变量的高、中、 低水平进行编码，紫山药总酚得率Y为响应值，试验设计因素及水平见表。
表5.1 Box-Benhnken试验设计因素和水平
采用Bell-Behnken型设计方案，共分析29个试验点，其中24个为析因点，5个为零
点，析因点构成变量取值为X1、X2、X3、X4所构成的三维顶点，零点则作为区域的中心点，其中零点实验重复5次。用以估计实验误差[90]。
表5.2响应面分析方案与结果
5.3.2.2模型的建立及显著性检验
利用Design-Expert软件对表数据进行多元拟合，得到紫山药总酚得率Y对乙醇体积 分数X1、时间X2、温度X3、液料比X4的二次多元回归模型为:
Y=-1.77753+0.14154X1+0.02146X2+0.043844X3+0.20032X4—l.46288×10-4X1X2+5.92039 ×10-4X1X3—5.33654×10-4X1X4—1.79604×10-4X2X3+l.97115×10-4X2X4十7.45192×l0-4X3X4—1.77033×l0-3X12—8.84876×l0-5X22—4.17652×10-4X32一4.00508×10-3X42 该方程决定系数R2=0.9649,标准差S=0.22，变异系数C.V.=3.76%。
模型的显著性检验结果见表5.3。模型回归系数的检验结果显示，乙醇体积分数一次项、提取温度一次项、料液比一次项、乙醇体积分数二次项、液料比值二次项均达到极显著水平(P0.05)，表明该方程对试验拟合较好，可以预测不同参数条件下紫山药总酚得率。
表5.3响应面二次回归方程方差分析
5.3.3提取工艺的响应面分析
根据回归方程图5.5~5.10图反映了各因素对响应值的影响。
图5.5乙醇浓度与提取时间交互作用对多酚得率影响的响应面
图5.6乙醇浓度与提取温度交互作用对多酚得率影响的响应面
图5.7乙醇浓度与液料比值交互作用对多酚得率影响的响应面
图5.10提取温度与液料比值交互作用对多酚得率影响的响应面
图5.5显示在提取温度为50oC，液料比值为20的条件下，乙醇体积分数和提取时间对紫山药多酚得率的影响。乙醇体积分数对多酚提取率的影响呈二次关系，当乙醇体积分数在45%时，得率达到最大值。当乙醇浓度较高时，随着提取时间的增加，总酚得率呈下降的趋势。而当乙醇浓度较低时，总酚得率则随提取时间的延长先上升后下降。图5.6为提取时间60min，液料比值为20的条件下的响应面。在所设定的温度范围内,随着温度的升高，总酚得率基本呈上升趋势。但温度不宜过高，以免破坏多酚类化合物。图5.7表明在提取温度为50 oC，提取时间60min时，液料比值越大越有利于多酚类化合物的溶出。当液料比值超过25时，多提取率增速变缓。由图5.8是乙醇体积分数为50%，液料比值为20时，提取时间和提取温度交互作用对多酚得率的响应面。但提取时间较短时，总酚得率随提取温度的升高变化较快。温度较低时，提取时间的延长，有利于多酚类的溶出。但是当提取温度超过60 oC，总酚得率随时间的增加反而下降。图5.9反映的是液料比值与提取时间的交互作用对总酚得率的影响。当提取时间为50min左右，液料比值30时，总酚得率达到最大值。图5.10显示的是在乙醇浓度为50%，液料比值为20时，提高提取温度或提高液料比值，均可以提高总酚得率。
5.3.4紫山药总酚提取最优工艺条件
结合二次回归模型数学分析结果，紫山药总酚提取的最佳工艺参数为:乙醇体积分数45.33%，提取时间45.76min，提取温度70oC，液料比值29.63。在此条件下，紫山药总酚得率的预测值为7.335mg/g。为了验证试验的可靠性，将最优条件修正为乙醇体积分数46%，提取时间46min，提取温度70 oC，液料比值30。在此条件下测定总酚得率为7.403mg/g。与理论值误差为0.91%，说明采用响应面法优化得到的提取条件可靠。
5.4本章小结
采用响应面法对紫山药总酚提取工艺参数进行了优化，建立的紫山药总酚得率的二次 数学模型具有显著性(P
采用响应面法建立了紫山药总多酚乙醇提取方法的二次多项数学模型，优化了紫山药总多酚提取的工艺参数。结果表明:在乙醇体积分数45.33%，提取时间45.76min，提取温度70 oC，液料比值29.63时得率最高，总酚得率为7.335mg/g，与实测值相符。
参考文献
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55一56.
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第五章紫山药总酚化合物提取工艺参数优化
5.1引言
山药是一种药食兼用的蔬菜，营养丰富并且具有保健功效，深受消费者青睐。多酚类化合物是山药中重要的功能性成分之一。本文在单因素试验的基础上，采用响应面法研究了乙醇浓度，提取时间、提取温度、液料比等因素对紫山药总酚得率的影响，建立了紫山药总多酚的提取方法二次多项数学模型，优化了紫山药总多酚提取的工艺参数。可为紫山药中的多酚类化合物提取及功能性研究提供基础，也能为其深度开发和废弃物利用提供参考。
5.2材料与方法
5.2.1材料
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5.2.2仪器与试剂
ShimadzuUV-2550紫外分光光度计；SartoriuSBL310分析天平；蓝天DHG一9240C型全自动电脑干燥箱；佑崎D3V-10倾倒式粉碎机。
5.2.3试验方法
5.2.3.1紫山药粉的制备
新鲜紫山药洗净、去皮、切片，于50oC烘箱内干燥48h，干燥品经粉碎后过筛，在-80oC 条件下贮藏备用。
5.2.3.2标准曲线的制作
采用福林酚比色法(Folin一ciocalteau)进行总酚含量的测定[55]。取0.1g没食子酸标准品，用水溶解并定容至100mL，分别吸取0，5，10，15，20，25mL没食子酸水溶液于50mL容量瓶中定容，依次配成浓度为0，100，200，300，400，500mg/L浓度的没食子酸标准溶液。分别吸取0.2mL标准液于10mL容量瓶中,加入0.8mL水,再加入5mL0.2N的Folin一ciocaheau试剂和4mL饱和的Na2CO3(75g/L)，混合均匀并在室温下暗处平衡2h后，用分光光度计在765nm处测定吸光度值，重复三次，取平均值。以吸光度对没食子酸浓度进行回归，并绘制标准曲线。总酚含量用没食子酸当量GAE(gallieacidequivalent)表示。求得总酚的测定线性回归方程为:
Y=O.OO26X+0.0121，决定系数R2=0.9953 (5.1) Y一吸光度值
X一没食子酸标准液(mg/L)
5.2.3.3紫山药总酚提取方法
精确称取紫山药粉(5士0.05)g，加入一定体积和体积分数的乙醇溶液，在一定温度 和时间条件下浸提，提取结束后，将提取液迅速冷却并抽滤,滤液用于总酚含量测定。
5.2.3.4总酚得率
紫山药总酚得率(mg/g)=提取液中的总酚质量(mg)/原料质量(g) (5.2)
5.3结果与分析
5.3.1单因素实验
5.3.1.1乙醇体积分数的影响
固定提取时间为60min,温度为50oC，液料比为20:1,分别用不同体积分数(30%，40%，50%，60%，70%)的乙醇溶液，提取紫山药中的酚类物质。不同体积分数乙醇溶液对紫山药总酚得率的影响如图5.1。结果表明，以40%乙醇溶液为提取溶剂时，紫山药总酚得率最高。
图5.1乙醇体积分数对紫山药总酚提取率的影响
5.3.1.2提取时间的影响
不同提取时间(20min，40min，60min，80min，100min)对紫山药总酚得率的影响，见图
5.2。在固定温度为50 oC，液料比为20:1，乙醇体积分数为50%的条件下,随着时间的延长，总酚得率变化并不明显，但在提取时间为40min时达到最大。
图5.2提取时间对紫山药总酚提取率的影响
5.3.1.3提取温度的影响
固定提取时间为60min，液料比为20:1，乙醇体积分数为40%，改变提取温度(30 oC，40 oC ，50 oC ，60 oC ，70 oC)，试验结果如图5.3所示。随着温度的升高,总酚得率上升。考虑到多酚类为热敏性物质，温度过高，会对其产生破坏作用，因此温度最高不超过70 oC。
图5.3提取温度对紫山药总酚提取率的影响
5.3.1.4液料比的影响
以液料比对紫山药总酚得率做单因素试验，试验条件：温度为50 oC，改变液料比(10: 1，15:1,，20：1，25:1,，30:l)，用体积分数50%乙醇提取60min。试验结果见图54。随着液料比的增大,总酚得率增高。这是因为液料比越大,物料与提取溶剂的接触越充分，从而更有利于酚类化合物的溶出。但料液比过高意味着溶剂用量越大，并不经济，而且在实际生产中，料液比过高则后续去溶剂时所消耗的能量也更高，所以并不是越高越好。
图5.4液料比值对紫山药总酚提取率的影响
5.3.2 响应面法优化紫山药总酚提取工艺
5.3.2.1响应面分析及试验结果
根据Box-Benhnlcen模型的中心组合试验设计原理，选取乙醇浓度，时间，温度，液料比为自变量，分别以X1、X2、X3、X4来表示。以+l、0、-1对自变量的高、中、 低水平进行编码，紫山药总酚得率Y为响应值，试验设计因素及水平见表。
表5.1 Box-Benhnken试验设计因素和水平
采用Bell-Behnken型设计方案，共分析29个试验点，其中24个为析因点，5个为零
点，析因点构成变量取值为X1、X2、X3、X4所构成的三维顶点，零点则作为区域的中心点，其中零点实验重复5次。用以估计实验误差[90]。
表5.2响应面分析方案与结果
5.3.2.2模型的建立及显著性检验
利用Design-Expert软件对表数据进行多元拟合，得到紫山药总酚得率Y对乙醇体积 分数X1、时间X2、温度X3、液料比X4的二次多元回归模型为:
Y=-1.77753+0.14154X1+0.02146X2+0.043844X3+0.20032X4—l.46288×10-4X1X2+5.92039 ×10-4X1X3—5.33654×10-4X1X4—1.79604×10-4X2X3+l.97115×10-4X2X4十7.45192×l0-4X3X4—1.77033×l0-3X12—8.84876×l0-5X22—4.17652×10-4X32一4.00508×10-3X42 该方程决定系数R2=0.9649,标准差S=0.22，变异系数C.V.=3.76%。
模型的显著性检验结果见表5.3。模型回归系数的检验结果显示，乙醇体积分数一次项、提取温度一次项、料液比一次项、乙醇体积分数二次项、液料比值二次项均达到极显著水平(P0.05)，表明该方程对试验拟合较好，可以预测不同参数条件下紫山药总酚得率。
表5.3响应面二次回归方程方差分析
5.3.3提取工艺的响应面分析
根据回归方程图5.5~5.10图反映了各因素对响应值的影响。
图5.5乙醇浓度与提取时间交互作用对多酚得率影响的响应面
图5.6乙醇浓度与提取温度交互作用对多酚得率影响的响应面
图5.7乙醇浓度与液料比值交互作用对多酚得率影响的响应面
图5.10提取温度与液料比值交互作用对多酚得率影响的响应面
图5.5显示在提取温度为50oC，液料比值为20的条件下，乙醇体积分数和提取时间对紫山药多酚得率的影响。乙醇体积分数对多酚提取率的影响呈二次关系，当乙醇体积分数在45%时，得率达到最大值。当乙醇浓度较高时，随着提取时间的增加，总酚得率呈下降的趋势。而当乙醇浓度较低时，总酚得率则随提取时间的延长先上升后下降。图5.6为提取时间60min，液料比值为20的条件下的响应面。在所设定的温度范围内,随着温度的升高，总酚得率基本呈上升趋势。但温度不宜过高，以免破坏多酚类化合物。图5.7表明在提取温度为50 oC，提取时间60min时，液料比值越大越有利于多酚类化合物的溶出。当液料比值超过25时，多提取率增速变缓。由图5.8是乙醇体积分数为50%，液料比值为20时，提取时间和提取温度交互作用对多酚得率的响应面。但提取时间较短时，总酚得率随提取温度的升高变化较快。温度较低时，提取时间的延长，有利于多酚类的溶出。但是当提取温度超过60 oC，总酚得率随时间的增加反而下降。图5.9反映的是液料比值与提取时间的交互作用对总酚得率的影响。当提取时间为50min左右，液料比值30时，总酚得率达到最大值。图5.10显示的是在乙醇浓度为50%，液料比值为20时，提高提取温度或提高液料比值，均可以提高总酚得率。
5.3.4紫山药总酚提取最优工艺条件
结合二次回归模型数学分析结果，紫山药总酚提取的最佳工艺参数为:乙醇体积分数45.33%，提取时间45.76min，提取温度70oC，液料比值29.63。在此条件下，紫山药总酚得率的预测值为7.335mg/g。为了验证试验的可靠性，将最优条件修正为乙醇体积分数46%，提取时间46min，提取温度70 oC，液料比值30。在此条件下测定总酚得率为7.403mg/g。与理论值误差为0.91%，说明采用响应面法优化得到的提取条件可靠。
5.4本章小结
采用响应面法对紫山药总酚提取工艺参数进行了优化，建立的紫山药总酚得率的二次 数学模型具有显著性(P
采用响应面法建立了紫山药总多酚乙醇提取方法的二次多项数学模型，优化了紫山药总多酚提取的工艺参数。结果表明:在乙醇体积分数45.33%，提取时间45.76min，提取温度70 oC，液料比值29.63时得率最高，总酚得率为7.335mg/g，与实测值相符。
参考文献
[l]张发春,赵庆云,彭凤梅等.不同山药地方品种的特征特性分析[J].种子,2001,(3):
55一56.
[2]蔡金辉,严渐子,黄晓辉等.山药品种资源的分类研究[J].江西农业大学学报,1999,
21(1):44一45.
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[6]赵冬兰,唐君,刘靖等.紫山药的引种与标准化栽培技术初探[J].江西农业学报,2009,
21(2):78一79.
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