响应面法优化超声辅助离子液体提取栀子中的西红花苷
发布日期：2021/3/19 9:03:50
引言: 栀子又名黄栀子、山栀子、白蟾，属茜草科常绿乔木，始载于《神农本草经》。栀子果[1-3]是栀子的干燥成熟果实，含环烯醚萜苷类、二萜化合物、有机酸类、黄酮类、多糖、挥发油等成分，其性寒味苦、具有凉血解毒等多种功效，栀子中富含西红花苷。
本文利用超声波辅助离子液体的含量，通过单因素及响应面实验法优化提取工艺参数，为提取栀子中西红花苷提供新的方法依据。
结论:本文以栀子为原料，采用离子液体（[Bmim]BF4）的乙醇溶液为提取溶剂，利用高效液相色谱仪测定提取液中西红花苷的含量。在考察了料液比、乙醇体积分数、超声时间、离子液体浓度、超声温度5个主要单因素的参数后利用Design-Expert 8.0软件中的Box-Behnken法设计响应面实验。通过Design-Expert 8.0软件分析实验数据可得到提取栀子中西红花苷的最佳工艺为：离子液体（[Bmim]BF4）浓度为0.82 mol/L的70%醇溶液，在料液比为1：20.26 （g/mL），温度为30 ℃下超声41.76 min。在该工艺下西红花苷的提取率可达到1.13%，比同等条件下70%乙醇的提取率0.85%高出0.28%。这个结果表明该方法可以有效的提取栀子中的西红花苷，为西红花苷资源的开发利用提供了参考。
目录：实验部分 主要试剂与仪器
色谱条件
色谱柱为STC C18色谱柱（250×4.6nm，5 μm）；流动相为V（流动相甲醇）∶V（水）=6∶4；检测波长为440 nm；流速为0.8 mL/min；进样量为20 μL[19]。
西红花苷标准曲线的绘制
取3 mg西红花苷Ⅰ标准品，加入纯水溶解、定容至50 mL棕色容量瓶中，即得初始浓度为60 μg/mL的标准品溶液，备用。
栀子果实的预处理
挑选若干饱满栀子果实45 ℃下干燥10h，粉碎，过60目筛。再将过筛后的栀子粉末干燥5 h后密封保存，备用。
西红花苷的提取方法
精确称取一定质量的栀子粉末，加入到2 mL一定浓度的提取溶剂中，在一定的料液比、提取温度、提取时间、乙醇体积分数下超声提取。3000 r/min下将提取液离心10 min，移取1mL上清液于50 mL棕色容量瓶中用纯净水定容摇匀。
西红花苷的测定及提取率计算方法
将稀释定容后的西红花苷提取液用0.45 μm水相滤膜过滤，不改变色谱条件，在保留时间为4 min时测定西红花苷吸收峰的积分面积。
结果与讨论 离子液体的确定
固定料液比为1∶10（g/mL），提取时间为30 min，提取温度为30 ℃，离子液体浓度为0.8 mol/L的60%乙醇溶液为实验条件，考察6种不同离子液体的乙醇溶液提取栀子中西红花苷的提取率，并与普通溶剂乙醇溶液作对比，不同溶剂与西红花苷提取率之间的关系如图2所示。
实验精密度分析
选取超声提取温度为30 ℃，超声提取时间为30 min，离子液体（[Bmim]BF4）浓度为0.8 mol/L的60%乙醇溶液，料液比为1∶10，测定栀子中西红花苷的提取率，平行测定5次，提取率分别为1.11%、1.10%、1.11%、1.10%、1.10%，平均提取率为：1.104%，相对标准偏差为0.49，说明本实验测定西红花苷提取率的精密度较高。
单因素实验及结果分析
选取离子液体（[Bmim]BF4）的醇溶液作为西红花苷的提取溶剂，在超声功率为500W下，分别考察了料液比、乙醇体积分数、超声提取时间、离子液体浓度以及超声提取的温度对栀子中西红花苷提取率的影响。
料液比对西红花苷提取率的影响
固定超声提取温度为30 ℃，超声提取时间为30 min，离子液体浓度为0.7 mol/L的60%乙醇溶液为实验条件，考察料液比分别为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40（g/mL）时栀子中西红花苷的提取率。得到不同料液比与西红花苷提取率之间的关系如图3所示。
乙醇体积分数对西红花苷提取率的影响
固定实验条件：离子液体浓度为0.7 mol/L，料液比1∶20（g/mL），超声提取温度为30 ℃、超声提取时间为30 min，分别考察乙醇体积分数在50%、60%、70%、80%时栀子中西红花苷的提取率。得到不同乙醇体积分数与西红花苷提取率之间的关系如图4所示。
超声时间对西红花苷提取率的影响
固定实验条件为料液比1∶20（g/mL），超声提取温度30 ℃，离子液体浓度0.7 mol/L，乙醇体积分数70%，考察超声时间分别为20、30、40、50 min时西红花苷的提取率，得到不同超声时间与西红花苷提取率之间的关系如图5所示。
离子液体浓度对西红花苷提取率的影响
固定料液比为1∶20（g/mL）、超声温度30 ℃、超声时间40 min，乙醇体积分数为70%。改变离子液体的浓度，分别考察离子液体浓度在0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2mol/L时对栀子中西红花苷提取率的影响，结果如图6所示。
超声温度对西红花苷提取率的影响
固定料液比为1∶20（g/mL）、超声提取时间为40 min，离子液体浓度为0.7mol/L的70%乙醇溶液为实验条件，改变超声温度，考察超声温度分别在20、30、40、50、60℃时对栀子中西红花苷提取率的影响，结果如图7所示。
响应面法优化提取工艺
方案设计与结果
在单因素实验结果的基础上，依据Design-Expert 8.0软件中的Box-Behnken法，以提取率为响应值，设计3因素3水平实验来进行提取工艺的优化。选取的实验因素与水平见表1，设计方案与实验结果见表2。
响应面法实验结果分析
利用Design-Expert 8.0软件对表5中的数据进行回归拟合，得到如下回归方程：
R=1.13+0.015×A+0.039×B+0.006625×C-0.0075×A×B+0.00225×A×C-0.002×B×C-0.088×A2–0.11×B2–0.12×C2
本文利用超声波辅助离子液体的含量，通过单因素及响应面实验法优化提取工艺参数，为提取栀子中西红花苷提供新的方法依据。
结论:本文以栀子为原料，采用离子液体（[Bmim]BF4）的乙醇溶液为提取溶剂，利用高效液相色谱仪测定提取液中西红花苷的含量。在考察了料液比、乙醇体积分数、超声时间、离子液体浓度、超声温度5个主要单因素的参数后利用Design-Expert 8.0软件中的Box-Behnken法设计响应面实验。通过Design-Expert 8.0软件分析实验数据可得到提取栀子中西红花苷的最佳工艺为：离子液体（[Bmim]BF4）浓度为0.82 mol/L的70%醇溶液，在料液比为1：20.26 （g/mL），温度为30 ℃下超声41.76 min。在该工艺下西红花苷的提取率可达到1.13%，比同等条件下70%乙醇的提取率0.85%高出0.28%。这个结果表明该方法可以有效的提取栀子中的西红花苷，为西红花苷资源的开发利用提供了参考。
目录：实验部分 主要试剂与仪器
色谱条件
色谱柱为STC C18色谱柱（250×4.6nm，5 μm）；流动相为V（流动相甲醇）∶V（水）=6∶4；检测波长为440 nm；流速为0.8 mL/min；进样量为20 μL[19]。
西红花苷标准曲线的绘制
取3 mg西红花苷Ⅰ标准品，加入纯水溶解、定容至50 mL棕色容量瓶中，即得初始浓度为60 μg/mL的标准品溶液，备用。
栀子果实的预处理
挑选若干饱满栀子果实45 ℃下干燥10h，粉碎，过60目筛。再将过筛后的栀子粉末干燥5 h后密封保存，备用。
西红花苷的提取方法
精确称取一定质量的栀子粉末，加入到2 mL一定浓度的提取溶剂中，在一定的料液比、提取温度、提取时间、乙醇体积分数下超声提取。3000 r/min下将提取液离心10 min，移取1mL上清液于50 mL棕色容量瓶中用纯净水定容摇匀。
西红花苷的测定及提取率计算方法
将稀释定容后的西红花苷提取液用0.45 μm水相滤膜过滤，不改变色谱条件，在保留时间为4 min时测定西红花苷吸收峰的积分面积。
结果与讨论 离子液体的确定
固定料液比为1∶10（g/mL），提取时间为30 min，提取温度为30 ℃，离子液体浓度为0.8 mol/L的60%乙醇溶液为实验条件，考察6种不同离子液体的乙醇溶液提取栀子中西红花苷的提取率，并与普通溶剂乙醇溶液作对比，不同溶剂与西红花苷提取率之间的关系如图2所示。
实验精密度分析
选取超声提取温度为30 ℃，超声提取时间为30 min，离子液体（[Bmim]BF4）浓度为0.8 mol/L的60%乙醇溶液，料液比为1∶10，测定栀子中西红花苷的提取率，平行测定5次，提取率分别为1.11%、1.10%、1.11%、1.10%、1.10%，平均提取率为：1.104%，相对标准偏差为0.49，说明本实验测定西红花苷提取率的精密度较高。
单因素实验及结果分析
选取离子液体（[Bmim]BF4）的醇溶液作为西红花苷的提取溶剂，在超声功率为500W下，分别考察了料液比、乙醇体积分数、超声提取时间、离子液体浓度以及超声提取的温度对栀子中西红花苷提取率的影响。
料液比对西红花苷提取率的影响
固定超声提取温度为30 ℃，超声提取时间为30 min，离子液体浓度为0.7 mol/L的60%乙醇溶液为实验条件，考察料液比分别为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40（g/mL）时栀子中西红花苷的提取率。得到不同料液比与西红花苷提取率之间的关系如图3所示。
乙醇体积分数对西红花苷提取率的影响
固定实验条件：离子液体浓度为0.7 mol/L，料液比1∶20（g/mL），超声提取温度为30 ℃、超声提取时间为30 min，分别考察乙醇体积分数在50%、60%、70%、80%时栀子中西红花苷的提取率。得到不同乙醇体积分数与西红花苷提取率之间的关系如图4所示。
超声时间对西红花苷提取率的影响
固定实验条件为料液比1∶20（g/mL），超声提取温度30 ℃，离子液体浓度0.7 mol/L，乙醇体积分数70%，考察超声时间分别为20、30、40、50 min时西红花苷的提取率，得到不同超声时间与西红花苷提取率之间的关系如图5所示。
离子液体浓度对西红花苷提取率的影响
固定料液比为1∶20（g/mL）、超声温度30 ℃、超声时间40 min，乙醇体积分数为70%。改变离子液体的浓度，分别考察离子液体浓度在0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2mol/L时对栀子中西红花苷提取率的影响，结果如图6所示。
超声温度对西红花苷提取率的影响
固定料液比为1∶20（g/mL）、超声提取时间为40 min，离子液体浓度为0.7mol/L的70%乙醇溶液为实验条件，改变超声温度，考察超声温度分别在20、30、40、50、60℃时对栀子中西红花苷提取率的影响，结果如图7所示。
响应面法优化提取工艺
方案设计与结果
在单因素实验结果的基础上，依据Design-Expert 8.0软件中的Box-Behnken法，以提取率为响应值，设计3因素3水平实验来进行提取工艺的优化。选取的实验因素与水平见表1，设计方案与实验结果见表2。
响应面法实验结果分析
利用Design-Expert 8.0软件对表5中的数据进行回归拟合，得到如下回归方程：
R=1.13+0.015×A+0.039×B+0.006625×C-0.0075×A×B+0.00225×A×C-0.002×B×C-0.088×A2–0.11×B2–0.12×C2
