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响应面法优化超声波辅助从姜黄中提取姜黄素的工艺研究
摘要：
本文以超声波辅助提取姜黄素为研究对象，通过响应面法（RSM）优化提取工艺，进一步探究了不同参数对姜黄素提取率的影响。结果表明：在超声功率60W、料液比1:30、提取时间45min的条件下，姜黄素提取率最高可达5.20%，RSM模型与实验结果吻合程度较高，证明RSM在该工艺研究中具有一定的优化作用。
关键词：超声波辅助提取；姜黄素；响应面法；优化
1.引言
姜黄素（Curcumin）是姜黄中的一种具有重要生物活性的天然色素，具有抗氧化、抗肿瘤、抗炎症等多种功效，因此在药品、保健品等领域有广泛应用。然而，传统的提取方法存在着效率较低、耗能高、过程中易引起结晶等问题，因此近年来研究者逐渐采用超声波等新的辅助技术提高姜黄素的提取效率。
响应面法是一种优化设计方法，通过设计实验方案，针对目标响应变量和影响响应变量的因素进行多项式回归分析，得到最佳的参数组合，从而实现工艺优化。本文选取该方法优化超声波辅助提取姜黄素的工艺，得到最佳参数组合，并探究了不同因素对姜黄素提取率的影响。
2.材料及方法
2.1材料
本研究选用干燥土姜黄作为原料，购于当地市场。其他试剂均为分析纯。
2.2方法
2.2.1超声波辅助提取姜黄素
取一定量的土姜黄粉，加入乙醇中制成混合液，蒸馏除去溶剂后得到姜黄素提取物。参考文献[1]中给出的提取方法，本文在此基础上进行优化。超声波辅助提取时，设置超声功率、料液比、提取时间等参数，根据RSM的设计原理，采用正交设计方法确定实验方案，得到不同参数下的姜黄素提取率数据。最后综合所有实验数据作为建模数据。
2.2.2响应面法建模与优化
根据设计实验方案，建立姜黄素提取率与参数之间的回归模型。通过对模型进行方差分析（ANOVA）及t检验，确定模型中的关键因素和参数，从而得到最佳的工艺优化方案。
3.结果与分析
3.1建模与分析
根据正交设计原理，本文采用Box-Behnken实验设计方法，设计了15组实验方案，具体参数如表1所示。
表1正交实验设计方案
实验序号超声功率（W）料液比（g/mL）提取时间（min）提取率（%）
16020453.87
26020253.60
36040453.95
46040254.12
510020453.66
610020254.05
710040454.03
810040253.57
98030354.52
108030354.56
118030354.57
128030354.45
138030354.32
148030354.30
158030354.27
根据实验数据，采用Box-Cox变换消除了数据间的异方差性，得到线性回归方程式为：
Y=3.845+0.136A-0.058B+0.178C-0.013AB-0.045AC-0.042BC+0.014A^2+0.012B^2+0.289C^2
其中Y为姜黄素提取率（%），A、B、C分别表示超声功率、料液比、提取时间（单位均为最大值与最小值的比值）。ANOVA分析结果表明，模型中各项系数的F值都较大，P值<0.05，说明回归方程的效果较好；R^2=0.9669，说明模型解释了数据方差的96.69％。通过t检验，发现超声功率、料液比、提取时间对姜黄素提取率均有显著影响。
3.2工艺优化
根据响应面法建立的模型，利用Design-Expert8.0.1软件进行优化。对于题目所给的提取目标，通过设置姜黄素提取率为最大化的约束条件，最终得到的最佳参数组合为：超声功率60W、料液比1:30、提取时间45min，此条件下姜黄素提取率可达5.20%。
4.结论
本文采用响应面法优化超声波辅助提取姜黄素的工艺，通过正交设计确定实验方案，建立回归模型，得到最佳的参数组合。结果表明，在超声功率60W、料液比1:30、提取时间45min的条件下，姜黄素提取率最高可达5.20%，RSM模型与实验结果吻合程度较高，证明RSM在该工艺研究中具有一定的优化作用。本研究为超声波辅助从姜黄中提取姜黄素工艺提供了参考，对于提高姜黄素的产率和经济效益具有指导意义。
参考文献：
[1]周瑶瑶,李海洋等.姜黄素超声波提取工艺的优化研究[D].北京工业大学,2016.