响应面法优化高压脉冲电场提取匙羹藤总皂苷_孙建华

第36卷第3期2011年6月广西大学学报：自然科学版JournalofGuangxiUniversity：NatSciEdVol．36No．3June2011

收稿日期：2011-03-15；修订日期：2011-04-24基金项目：广西科技攻关项目（桂科攻0718002-4）；广西大学科研项目（X081039）通讯联系人：童张法（1963-），男，浙江慈溪人，广西大学教授，博士，博士生导师；E-mail：bioche@gxu．edu．cn。文章编号：1001-7445（2011）03-0363-06

响应面法优化高压脉冲电场

提取匙羹藤总皂苷

孙建华1，2，韦泽沼1，2，刘斌1，廖丹葵1，2，陈晓光1，2，童张法1，2

（1.广西大学化学化工学院，广西南宁530004；2.广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西南宁530004）

摘要：匙羹藤总皂苷具有降血糖等活性。采用高压脉冲电场辅助提取匙羹藤总皂苷，以匙羹藤总皂苷提取率为指标，在单因素实验基础上采用响应曲面法考察了高压脉冲电场强度、脉冲频率和提取时间对匙羹藤总皂苷提取率的影响，得到提取匙羹藤总皂苷最优工艺条件为：料液比为1∶20，电场强度为16.0kV/cm，脉冲频率30Hz，提取时间为1.2h，此时总皂苷提取率为88.74%。通过回归方程求解和响应曲面分析，得到了二次多项式提取回归模型，经验证实验值与模型预测值拟合性良好。关键词：匙羹藤；皂苷；高压脉冲电场；响应面中图分类号：R284.2文献标识码：A

Optimizationofhighvoltagepulsedelectricfieldonextractionofthe

totalsaponinsofGymnemasylvestrebyresponsesurfacemethodology

SUNJian-hua1，2，WEIZe-zhao1，2，LIUBin1，LIAODan-kui1，2，

CHENXiao-guang1，2，TONGZhang-fa1，2

（1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering，GuangxiUniversity，Nanning530004，China；2.GuangxiKeyLaboratoryPetrochemicalResourcesProcessingandProcessIntensificationTechnology，Nanning530004，China）

Abstract：ThetotalsaponinsofGymnemasylvestrehasbeendiscoveredtohavehypoglycemicactivi-

ty．Inthisstudy，thetotalsaponinsofGymnemasylvestrewasextractedbyhighvoltagepulsedelec-

tricfield．Singlefactorexaminationandresponsesurfaceanalysisexperimentswereusedtoinvesti-

gatetheeffectsofelectricfieldintensity，pulsefrequency，extractiontimeontheextractionoftheto-

talsaponinsofGymnemasylvestre．Theresultsshowedthattheoptimalprocessparametersforthis

methodwere：materialtoliquidratioof1∶20，theelectricfieldintensityof16．0kV/cm，pulsefre-

quencyof30Hz，andextractiontimeof1．2h．Theoptimizedtotalsaponinsextractionyieldwas

88．74%．Apredictivepolynomialquadraticequationmodelwasdevelopedbysolvingthequadratic

equationandanalyzingtheresponsesurfaceplots．Thepredictedvalueswereingoodagreementwith

theexperimentalresults．

Keywords：Gymnemasylvestre；saponin；highvoltagepulsedelectricfield（HEF）；responsesur-

facemethodology（RSM）广西大学学报：自然科学版第36卷

匙羹藤（Gymnemasylvestre（Retz．）Schult，简称GS）为萝科匙羹藤属（GymnemaR.Br.）类植物，其中

主要有效成分为匙羹藤总皂苷。研究表明，匙羹藤总皂苷具有降血糖、降血脂等药理活性［1-2］。皂苷提

取主要有传统溶剂浸提法、超声辅助提取法和微波辅助提取法［3-4］。高压脉冲电场（highvoltagepulsed

fields，简称PEF）破壁是利用瞬间脉冲高压电穿孔原理破除细胞壁，使细胞膜电位混乱，改变其通透性，

使细胞内活性组分在极短的壁与膜可逆与不可逆的破坏过程中回收的提取技术。PEF技术作为一种崭

新的食品加工技术，具有传递均匀、处理时间短、能耗低、能有效保护食品营养成分和天然色香味等特

征，早期主要用于非热灭菌［5］，近年来已有涉及用高压脉冲电场辅助提取植物有效成分的研究［6-7］，但

尚未见采用此技术提取匙羹藤总皂苷的文献报道。

本研究采用高压脉冲电场辅助提取匙羹藤叶中的匙羹藤总皂苷，以总皂苷的提取率为响应因子，在

单因素实验的基础上对提取过程中的各主要因素采用响应面法（responsesurfacemethodology，RSM）进

行了优化，为匙羹藤总皂苷的提取和开发提供基础数据。

1材料与方法

1.1材料与仪器

匙羹藤药材购自广西武鸣县医药公司（经南宁市食品药品检验所鉴定为匙羹藤）；齐墩果酸标准品

购自中国药品生物制品检定所；香草醛、甲醇、乙醇、冰醋酸、高氯酸试剂均为国产分析纯。

UV2501PC紫外可见分光光度计（尤尼克－上海仪器有限公司）；AE240电子分析天平（瑞士梅特勒

－托利多仪器有限公司）；101AS－2电热恒温干燥箱（上海实验仪器有限公司）；DZF－250真空干燥箱（郑州长城科工贸有限公司）；R－210旋转蒸发仪（瑞士步琪仪器公司）。

1.2实验方法

1.2.1匙羹藤总皂苷含量测定

匙羹藤总皂苷含量测定及总皂苷提取率参照文献［4］。

1.2.2匙羹藤总皂苷提取方法

准确称取干燥恒重的匙羹藤叶粉末5.0g，按一定条件在高压脉冲电场中提取一段时间后，提取液

经纱布过滤后浓缩，采用等体积的石油醚萃取3次，每次3h，收集下层溶液，再用等体积饱和水的正丁

醇萃取3次，每次24h，合并正丁醇层，浓缩后烘干。测吸光值，计算匙羹藤总皂苷提取率。

1.2.3总皂苷提取的单因素实验

采用单因素实验法，分别考察高压脉冲电场强度、高压脉冲频率、电场作用时间、料液比对匙羹藤总

皂苷提取率的影响。

1.2.4响应面法优化实验

表1响应面分析因素水平实验设计Tab.1ExperimentdesignofthreefactorsandthreelevelsofRSM

水平X1（电场强度）/

（kV·cm－1）X2（脉冲频率）/HzX3（作用时间）/h

－110200.5015401.0120601.5综合单因素试验结果，选择对匙

羹藤总皂苷提取率（Y）有显著影响

的因素（X1、X2、X3），考察它们的交

互作用对提取率的影响，实验因素与

水平见表1。根据Box-Behnken的中

心组合试验设计原理［8］，以X1、X2、

X3为自变量，提取率（Y）为响应值，

绘制等值线与响应面图。采用最小二乘法拟合二次多项方程式

Y=D0+∑3

i=1DiXi+∑3

i=1DiiX2i+∑3

i＜j=2DijXiXj。463第3期孙建华等：响应面法优化高压脉冲电场提取匙羹藤总皂苷

2结果与讨论

2.1单因素实验结果2.1.1电场强度对匙羹藤总皂苷提取率的影响

在匙羹藤与水料液比为1∶40，电场频率为10Hz，不同电场强度下分别提取1h，匙羹藤总皂苷提取

率的变化如图1所示。可以看出，匙羹藤总皂苷提取率随着电场强度的增大而增大，当电场强度超过20kV/cm后匙羹藤总皂苷提取率基本不变。介电破坏理论［9］认为，电场中匙羹藤颗粒细胞可以近似看

作电容，而积累电场提供的电荷一般聚集在颗粒表面，当外加电场增加，细胞壁内外电位差增大，当穿透

膜电位高于细胞膜的临界电位差，电场对匙羹藤细胞膜的作用将逐渐增强，从而使得细胞膜结构紊乱和

通透性提高，胞内物通过细胞膜的渗透性加大，有效成分释放能力增强，当电场强度达到20kV/cm时

可认为细胞膜渗透性已达到最大，因而以20kV/cm为提取匙羹藤总皂苷的电场强度。

2.1.2脉冲频率对匙羹藤总皂苷提取率的影响

在匙羹藤与水料液比为1∶40，电场强度为20kV/cm，改变脉冲频率提取1h，不同脉冲频率下匙羹

藤总皂苷提取率变化如图2所示。由图可知，脉冲频率从10Hz增至40Hz，匙羹藤总皂苷提取率变化

不大，当脉冲频率超过40Hz后，匙羹藤总皂苷提取率反而降低。这可能是由于冲击波频率增大，导致

细胞振动和膜破裂使有效成分流出，但电场强度及脉冲频率对提取物质的结构有一定的影响［10-11］，振

动增大后亦容易改变提取物质的结构，从而导致匙羹藤总皂苷提取率降低，因此选取脉冲频率40Hz作

为提取脉冲频率。

图1电场强度对总皂苷提取率的影响Fig.1Effectsofelectricfieldintensityonextractionyieldof

saponin图2脉冲频率对总皂苷提取率的影响Fig.2Effectsofpulsefrequencyonextractionyieldofsaponin

2.1.3提取时间对匙羹藤总皂苷提取率的影响

匙羹藤与水料液比为1∶40，提取电场强度为20kV/cm，脉冲频率为40Hz，不同提取时间匙羹藤总

皂苷提取率变化如图3所示。由图可知，在高压脉冲电场下提取1h后，匙羹藤总皂苷提取率增加并不

明显。这可能是由于当体系中匙羹藤物料一定，随着电场作用时间的增加，细胞膜内的有效成分逐渐溶

出，当溶解达到饱和，有效成分不再被溶解，提取率不再有明显提高，因此提取时间确定为1h。

2.1.4料液比对匙羹藤总皂苷提取率的影响

提取电场强度为20kV/cm，脉冲频率40Hz，提取1h，改变匙羹藤与水料液比时匙羹藤总皂苷提取

率的变化如图4所示。由图4可知，匙羹藤总皂苷提取率随着料液比增大表现为先增后降，料液比从1∶20到1∶40的范围，皂苷提取率变化不大，当料液比超过1∶40，提取率下降明显。这可能是由于电场

中匙羹藤颗粒细胞被当作电容，电荷聚集在颗粒表面的过程受到一定电场强度作用，液体量增加后，电

场作用面积不变的情况下，电场作用力对细胞膜破坏的作用减弱，导致有效成分溶入减少，提取率下降，

因此料液比选取1∶20。563