超聲波輔助提取湘玉竹多糖工藝優(yōu)化

黃大川 華偉偉

HUANG Da－chuanHU Wei－wei

（邵陽學(xué)院生物與化學(xué)工程系，湖南 邵陽 422000）

玉竹屬藥食同源中藥材，具有養(yǎng)陰潤燥、除煩祛暑的功效［1］。玉竹中含有甾體皂苷、多糖、黃酮、生物堿、植物甾醇等多類具有醫(yī)療保健作用的化學(xué)成分［2］，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明：玉竹多糖具有提高機(jī)體免疫力［3］、延緩衰老［4］、抑制腫瘤［5］、降血脂［6］、抗氧化［7］、降血糖［8］等多 種營養(yǎng)保健 功能。市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些保健食品與保健飲料，如玉竹茶、玉竹面條［9］、玉竹飲料等［10］。

目前國內(nèi)外對于玉竹多糖的提取多采用高溫長時間水浸提法［11］，該方法得率低，操作費(fèi)時，能耗大。微波［12］、超聲波［13］輔助提取效率高，操作簡單。中國玉竹資源豐富，湖南邵東是玉竹的盛產(chǎn)地，己列為國家玉竹原產(chǎn)地保護(hù)［14］。本研究擬以湘玉竹為原料，將超微粉碎技術(shù)和超聲輔助提取技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于玉竹多糖的提取，研究了影響提取效率的各因素，并運(yùn)用響應(yīng)面分析法優(yōu)化超聲波輔助提取玉竹多糖的工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉竹：市售邵東產(chǎn)干玉竹片，無外皮，肉質(zhì)呈白色。

無水乙醇、苯酚：分析純，湖南匯虹試劑有限公司；

葡萄糖：分析純，天津市博迪化工有限公司；

濃硫酸：分析純，邵陽市方華化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

分光光度計：7200型，尤尼可（上海）儀器有限公司；

分光光度計：UV－2100型，北京萊伯泰科儀器有限公司；

電子分析天平：AUY 220型，Shimadzu Corporat on Japan；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：202－1A型，上海東星建材試驗設(shè)備有限公司；

植物標(biāo)本粉碎機(jī)：FSJ－114型，農(nóng)牧漁業(yè)部扶溝科學(xué)儀器廠；

電熱恒溫水浴鍋：DK－S26型，金壇市正基儀器有限公司；

膠體磨：JM－80型，溫州星星機(jī)械設(shè)備有限公司；

全能臺式高速冷凍離心機(jī)：STARSOS型，上海民儀電子有限公司；

超聲波細(xì)胞破碎器：JY92－2D型（0～1 000W），寧波新芝生物科技股份有限公司；

冷凍真空干燥器：FD－2型，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉竹多糖提取工藝流程

湘玉竹片→50℃烘干→粉碎成20目碎末→稱重→石油醚提取2次（料液比1∶5（m∶V），1h）→膠體磨超微粉碎（三道膠體磨串聯(lián)，三道膠體磨的磨齒間隙分別為60，40，20μm）→蒸餾水超聲波提取→濾液脫蛋白（氯仿∶正丁醇為4∶1）→濃縮液→加5倍體積的無水乙醇醇析→冷凍離心（4℃，4 000r／min，30min）→沉淀物加水復(fù)溶→離心→上清液濃縮→真空冷凍干燥（－40℃，真空度0.1kPa，干燥24h）→玉竹粗多糖

1.3.2 單因素試驗設(shè)計 本試驗分別考察了超聲波處理時間、物料粉細(xì)度、水料比對玉竹多糖提取率的影響。

（1）處理時間對玉竹多糖提取率的影響：在提取溫度為60℃，水料比為45∶1（V∶m），物料粉細(xì)度為過200目篩的條件下，考察不同的超聲波處理時間（15，20，25，30，35，40min）對玉竹多糖提取率的影響。

（2）物料粉細(xì)度對提取率的影響：在水料比為45∶1（V∶m），處理時間為30min，提取溫度為60℃的條件下，考察不同的物料粉細(xì)度（50，100，150，200，250，300目）對玉竹多糖提取率的影響。

（3）水料比對提取率的影響：在玉竹粉細(xì)度為過200目篩，超聲波提取時間為30min，提取溫度為60℃的條件下，考察不同的水料比15∶1，30∶1，45∶1，60∶1，75∶1，90∶1（V∶m）對玉竹多糖提取率的影響。

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計 通過單因素試驗，確定Box－Benhnken中心組合試驗設(shè)計原理所需的自變量［15］，選超聲波處理時間、物料粉細(xì)度、水料比為自變量，以玉竹多糖的提取率為響應(yīng)值，運(yùn)用Design－expert 7軟件設(shè)計響應(yīng)面優(yōu)化試驗，通過響應(yīng)曲面分析優(yōu)化出提取工藝參數(shù)。

1.3.4 玉竹多糖含量測定 采用苯酚－硫酸法［16］。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 超聲波處理時間對提取率的影響 由圖1可知，玉竹多糖的提取率隨處理時間延長慢慢提高，在20～30min內(nèi)多糖提取率快速提高，30min左右達(dá)到最大。約30min之后，提取率呈緩慢下降的趨勢，可能是由于超聲波具有較強(qiáng)的剪切作用，長時間的作用會使大分子的多糖結(jié)構(gòu)斷裂或被破壞，使提取率出現(xiàn)了下降趨勢。故處理時間選在30min左右為宜。

圖1 超聲波處理時間對玉竹多糖提取率的影響Figure1 Effect of ultrasonic processing time extraction yield on Polygonatumpolysaccharide

2.1.2 物料粉細(xì)度對提取率的影響 由圖2可知，玉竹粉細(xì)度在50～200目時，玉竹多糖的提取率總體呈上升趨勢，200目左右達(dá)到最大，200目之后又出現(xiàn)較明顯的下降趨勢，這是因為粉碎的物料粒徑越小，細(xì)胞壁破壁率越高，多糖越容易溶出；但如果粒子粒徑繼續(xù)減小，溶劑中多糖含量反而下降，可能是因為顆粒表面能會增加，將對一部分多糖產(chǎn)生吸附作用，故粉細(xì)度大小選在過200目篩左右為宜。

圖2 粉細(xì)度對玉竹多糖提取率的影響Figure2 Effect of crushing degree extraction yield on Polygonatumpolysaccharide

2.1.3 水料比對提取率的影響 由圖3可知，隨著水料比的增大，玉竹多糖提取率快速增加，當(dāng)水料比達(dá)到45∶1（V∶m）以前，玉竹多糖提取率隨著水料比的增加非常明顯，在水料比達(dá)45∶1（V∶m）以后，多糖提取得率增加幅度不明顯。由于水料比增加會給以后的濃縮工序帶來麻煩，增加了提取成本。因此在保證提取效果的情況下，應(yīng)盡量減少水的用量和工作難度，將水料比控制為45∶1（V∶m）左右。

圖3 水料比對玉竹多糖提取率的影響Figure3 Effect of water to material ratio extraction yield on Polygonatumpolysaccharide

2.2 響應(yīng)面試驗

2.2.1 響應(yīng)面分析因素水平的選擇 在單因素試驗基礎(chǔ)上，根據(jù)中心組合試驗設(shè)計原理設(shè)計3因素3水平的試驗方案，確定超聲處理時間、物料粉碎度、水料比水平值見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素及水平設(shè)計Table1 Factors and levels of central composite design

2.2.2 試驗結(jié)果及模型方程的建立 根據(jù)響應(yīng)面軟件設(shè)計的試驗方案，共有17個試驗點(diǎn)。具體試驗計方案和結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計方案和結(jié)果Table2 The response surface design scheme and test results

利用Design－expert軟件對表2中響應(yīng)值與各因素進(jìn)行多元回歸擬合后，得回歸方程：

2.2.3 回歸模型的方差分析與顯著性檢驗 對該模型進(jìn)行方差分析和回歸模型系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果見表3。由表3可知，模型P＜0.000 1（P＜0.01時，表示顯著）表明該模型極顯著，失擬性不顯著，表明方程能有很好的擬合性。模型中一次項B，二次項A2、B2、C2極顯著，一次項A、C和二次項AB表現(xiàn)為顯著。

表3 回歸模型的方差分析與顯著性檢驗?Table3 Variance analysis and significance test of regression model

在試驗設(shè)計范圍內(nèi)，A（處理時間）、B（粉細(xì)度）、C（水料比）對于玉竹多糖提取率的影響都是顯著的，其中B（粉細(xì)度）的影響為極顯著，根據(jù)F值大小可知，對湘玉竹多糖提取率影響因素的大小為物料粉細(xì)度＞超聲波處理時間＞水料比。三者之間兩兩交互作用對玉竹多糖提取率的影響表現(xiàn)為超聲波處理時間A與粉細(xì)度B交互作用對玉竹多糖提取率影響顯著，超聲波處理時間與水料比對多糖提取率影響，以及粉細(xì)度與水料比對玉竹多糖的提取率的影響表現(xiàn)為不顯著，說明粉細(xì)度對多糖提取率的影響比其他兩個因素大。綜上所述，該回歸方程可用于描述玉竹多糖提取工藝與各因素的關(guān)系。

2.3 響應(yīng)曲面處理結(jié)果分析與優(yōu)化

通過Design－expert7.1.6軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面處理和分析，得到三因素之間兩兩交互作用的模型等高線圖及響應(yīng)曲面圖，分別見圖4～6。

由圖4可知，當(dāng)水料比為45∶1（V∶m）時，超聲波處理時間和物料粉細(xì)度以及二者交互作用對多糖提取率的影響。當(dāng)超聲波處理時間從20min增加到30min的過程中，玉竹多糖的提取率顯著增加，當(dāng)物料粉細(xì)度從過100目篩增加到過250目篩的過程中，玉竹多糖的提取率增速明顯。從圖4還可以看出，相對于超聲波處理時間，物料粉細(xì)度對玉竹多糖的提取率影響更大些，其曲面更加陡峭。

由圖5可知，當(dāng)物料粉細(xì)度為過200目篩時，隨著水料比和超聲波處理時間的增大，玉竹多糖提取率現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，從圖中可以看出超聲波處理時間和水料比對玉竹多糖提取率影響相當(dāng)，表現(xiàn)為曲面陡峭程度差不多，而且均比較陡峭，說明二者對多糖提取率影響都比較大。

圖4 超聲波處理時間和粉細(xì)度對提取率的影響Figure4 Ultrasonic processing time and crushing degree influence on extraction yield

圖5 超聲波處理時間和水料比對提取率的影響Figure5 Ultrasonic processing time and water to material ratio on extraction yield

由圖6可知，玉竹多糖的提取率隨著粉碎度的增加和水料比的增大都是增大的。相對于水料比，粉細(xì)度對玉竹多糖的提取率影響更大，曲面表現(xiàn)更陡峭。

圖6 粉碎度和水料比對提取率的影響Figure6 Crushing degree and water to material ratio on extraction yield

運(yùn)用響應(yīng)面優(yōu)化軟件得到玉竹多糖的最佳提取工藝為超聲波處理時間30.51min，物料粉細(xì)度過223.03目，水料比49.63∶1（V∶m），按此參數(shù)，玉竹多糖提取率理論預(yù)測值可達(dá)到8.29%。

2.4 實驗驗證

受儀器設(shè)備的操作限制，將最優(yōu)條件修正為超聲波處理時間31min、物料粉細(xì)度≥220目篩、水料比50∶1（V∶m），用修正后的條件進(jìn)行驗證，進(jìn)行3組平行實驗得到玉竹多糖的提取率為8.26%，8.25%，8.27%，平均值為8.26%，與理論預(yù)測值非常接近。表明基于響應(yīng)曲面法所得的優(yōu)化提取工藝參數(shù)比較可靠，有一定的參考價值，起到了優(yōu)化的功能。

3 結(jié)論

超聲波提取湘玉竹多糖工藝最佳提取條件為物料經(jīng)膠體磨超微粉碎處理，超聲波處理時間31min、粉細(xì)度為過220目篩、水料比50∶1（V∶m），按此最優(yōu)條件，進(jìn)行了驗證實驗，平均提取率可達(dá)8.26%。由于本試驗采用超微粉碎技術(shù)與超聲波輔助提取相結(jié)合的工藝技術(shù)，這項技術(shù)較前人的研究成果有提取效率高，提取時間短的優(yōu)勢。如王強(qiáng)等［17］以80℃熱水多次提取玉竹多糖，其提取率為2.68%；王曉林等［18］以微波法輔助提取玉竹多糖，采用正交試驗，其提取率為3.76%。原因是玉竹通過超微粉碎后，大大增加了物料與提取溶劑的接觸面積以及提高了超聲波破碎植物細(xì)胞壁和破壞細(xì)胞組織程度的效率［19］。

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