超聲波輔助提取洋蔥多糖工藝研究

閆生輝，高玉紅

（鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鄭州 450121）

洋蔥（Allium cepa L.）屬百合科（Liliaceae）蔥屬（Allium）草本植物,在我國(guó)廣泛種植[1]。其含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，主要有硫化合物、多糖、類黃酮、苯丙素酚類、甾體皂苷和前列腺素類等化學(xué)成分,具有消炎抑菌活血化淤、降血糖、防癌抗癌以及預(yù)防心血管疾病等功效，因而被譽(yù)為“菜中皇后”[2-5]。

隨著分子生物學(xué)和醫(yī)藥學(xué)研究的發(fā)展，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)不同來(lái)源的多糖具有廣泛的藥理活性，它不僅可以作為廣譜免疫促進(jìn)劑調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能，還可以在抗腫瘤、抗病毒、抗氧化、降血糖、抗輻射等方面發(fā)揮廣泛的藥理作用，因而成為當(dāng)今生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[6-8]。傳統(tǒng)提取多糖的方法為水提醇降法[9]，但是此種方法存在提取時(shí)間長(zhǎng)、提取效率低等缺點(diǎn)。為了提高多糖的提取效率，在此方法的基礎(chǔ)上發(fā)展了酸提取法[10]、堿提取法[11]，雖然提高了多糖的獲得率，但是酸堿會(huì)使多糖進(jìn)行一定的分解，也存在著不足之處。根據(jù)已有的研究結(jié)果可知[12]，影響多糖提取得率的主要因素有：溫度、時(shí)間、液料比等。本文將超聲波技術(shù)應(yīng)用于洋蔥多糖的提取工藝，以期找到最佳的提取工藝，為洋蔥中多糖的提取利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

洋蔥‘紅葉三號(hào)’由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。超聲波提取機(jī)（KB-50），購(gòu)自北京林子大科技有限公司。

1.2 方法

將一定量干燥、粉碎的洋蔥粉末放入試驗(yàn)條件下的溫水中，進(jìn)行超聲波提取3次，將提取液進(jìn)行減壓濃縮，加入95%乙醇使溶液中的多糖沉淀，進(jìn)行高速離心得到沉淀，用丙酮洗滌5次，冷凍干燥得到多糖。首先分析超聲波提取時(shí)間、超聲波功率、提取溫度和液料比等單因素對(duì)洋蔥多糖提取時(shí)的影響，確定主要自變量為液料比（X1）、超聲波功率（X2）和提取溫度（X3），進(jìn)而采用響應(yīng)面法進(jìn)行分析。以-1、0、+1分別代表3個(gè)主要自變量的低、中、高水平，以洋蔥多糖提取率為目標(biāo)函數(shù)，采用Box-Behnken Design（BBD）進(jìn)行提取工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)擬合得到的二次多項(xiàng)式方程進(jìn)行計(jì)算，從而得到洋蔥多糖提取率最大時(shí)的提取工藝條件[13]。洋蔥中多糖含量的測(cè)定采用苯酚-硫酸法[14]。響應(yīng)曲面因素與水平的確定如表1所示。

表1 響應(yīng)曲面因素與水平

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素條件分析

2.1.1 超聲波時(shí)間對(duì)洋蔥多糖提取率的影響 分別將預(yù)處理好的液料比為15∶1的樣品置于70℃的水浴中，在功率為400 W的超聲波下分別提取30、40、50、60、70 min，考察不同提取時(shí)間下洋蔥多糖的提取率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 提取時(shí)間對(duì)洋蔥多糖提取率的影響

由圖1可知，在其他條件不變的情況下，洋蔥多糖的提取率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)是逐漸提高的，但是50 min以后多糖的提取率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)幾乎沒(méi)有明顯的變化。這是因?yàn)樵谔崛〉某跗冢嗵窃诔暡ǖ淖饔孟虏粩嘟?，?0 min時(shí)達(dá)到平衡，即使時(shí)間再延長(zhǎng)，提取率也不會(huì)有顯著的變化。因此在進(jìn)一步優(yōu)化時(shí)固定提取時(shí)間為50 min。

2.1.2 液料比對(duì)洋蔥多糖提取率的影響 分別配置液料比為 10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1 的樣品 5份，置于70℃的水浴中，在400 W的超聲波下提取50 min，考察不同液料比下洋蔥多糖的提取率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 液料比對(duì)洋蔥多糖提取率的影響

由圖2可知，在上述條件下，隨著液料比的增大，多糖提取率逐漸上升，當(dāng)達(dá)到15∶1左右時(shí)，增加液料比對(duì)多糖提取率影響很小，這可能是因?yàn)殡S著液料比的增加，在超聲波的作用下洋蔥多糖的溢出量逐漸增加，到達(dá)一定濃度時(shí)，溶液中多糖分子的數(shù)目也達(dá)到飽和狀態(tài)，即使增加液料比，多糖的提取率也不會(huì)再有大的提升。

2.1.3 提取溫度對(duì)洋蔥多糖提取率的影響 分別將預(yù)處理好的液料比為15∶1的樣品置于50、60、70、80、90℃的水浴中，進(jìn)行充分的溶解。在400 W的超聲波下提取50 min，考察在不同溫度下對(duì)洋蔥多糖提取率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 提取溫度對(duì)洋蔥多糖提取率的影響

由圖3可知，在上述條件下提取洋蔥多糖時(shí)，隨著溫度的升高，多糖的提取率是逐漸提高的，當(dāng)?shù)竭_(dá)70℃左右時(shí)，提取率到最大值。隨后隨著溫度的升高，多糖的提取率會(huì)明顯的下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是隨著溫度的升高，洋蔥內(nèi)部的多糖分子動(dòng)能逐漸增大，溢出的多糖分子數(shù)目就明顯增多。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，由于多糖分子的熱穩(wěn)定性差，又會(huì)不斷的分解，從而引起多糖提取率的降低。因而最佳提取溫度設(shè)置在70℃左右。

2.1.4 超聲波功率對(duì)洋蔥多糖提取率的影響 將預(yù)處理好的液料比為15∶1的樣品置于70℃的水浴中，進(jìn)行充分的溶解。分別在功率為200、300、400、500、600 W的超聲波下提取50 min，考察不同超聲波功率對(duì)洋蔥多糖提取率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 超聲波功率對(duì)洋蔥多糖提取率的影響

由圖4可知，在上述條件下提取洋蔥多糖時(shí)，隨著超聲波功率的增大，多糖提取率先升高，后降低，在功率為400 W左右時(shí)提取率最大。這可能是因?yàn)殡S著超聲波功率的增大，洋蔥分子間的距離逐漸變大，多糖分子的動(dòng)能逐漸變大，更利于多糖分子溢出。當(dāng)超聲波功率過(guò)大時(shí)，作用于多糖分子上的能量也過(guò)大，從而導(dǎo)致多糖分子不斷的降解，影響了多糖的提取率。因此最佳超聲波功率確定為400 W左右。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合BBD的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，取預(yù)處理好的樣品17份，在提取時(shí)間為 50 min 時(shí)，選取液料比（X1）、提取溫度（X2）和超聲波功率（X3）等3個(gè)因素作為影響洋蔥多糖提取率相對(duì)重要的條件，采用響應(yīng)面分析方法對(duì)提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。響應(yīng)面分析及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、3。

由表3可知，由試驗(yàn)結(jié)果所得到的模型的F值為17.13，P值為0.0005，表示該模型顯著。由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的回歸方程為：R1=-134.2365+0.32402X1+3.79465X2+0.11043X3-（1.5E-4）X1X2+（1.3E-4）X1X2-（5.5E-4）X2X3-（2.8225E-3）X12-0.03189X22-（9.9975E-5）X32。方程中的 R2為0.9673表示該方程具有良好的擬合度，可以準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。方程的失擬度值為0.43，表示該方程失擬度并不顯著，能夠通過(guò)該模型優(yōu)化洋蔥中多糖的提取工藝條件。對(duì)于不同的影響因素進(jìn)行響應(yīng)面分析得到RSM圖形如圖5、6、7所示。該圖形直觀地反映出各個(gè)影響因素之間的相互關(guān)系。由圖5、6、7可知超聲波功率和提取溫度對(duì)多糖提取率的影響最為顯著，其交互項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響也最大。而液料比對(duì)多糖的提取率影響最小，這和響應(yīng)曲面的方差分析結(jié)果一致。由響應(yīng)面法得到的最優(yōu)提取工藝為：提取溫度為71.5℃，液料比為16.2∶1，提取時(shí)超聲波功率為403.5 W，此時(shí)洋蔥多糖提取率理論上最大值為5.25%。

表2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)以及響應(yīng)值

表3 響應(yīng)曲面方差分析表

2.3 最優(yōu)提取工藝的驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)操作條件，將洋蔥多糖提取工藝條件修正為：在提取時(shí)間為50 min時(shí)，提取溫度為71℃，液料比為16∶1，提取時(shí)超聲波功率400 W。洋蔥多糖提取率為5.13%，相對(duì)于預(yù)測(cè)值5.25%比較接近，結(jié)果較為理想。比傳統(tǒng)的水提法[15]得到的洋蔥多糖提取率提高了19.1%。

圖5 液料比和提取溫度交互作用對(duì)洋蔥多糖提取率的影響

圖6 超聲波功率和提取溫度交互作用對(duì)洋蔥多糖提取率的影響

圖7 超聲波功率和液料比交互作用對(duì)洋蔥多糖提取率的影響

3 結(jié)論

筆者采用響應(yīng)面法優(yōu)化了超聲波輔助提取洋蔥多糖的工藝，得到的最佳提取工藝條件為：在提取時(shí)間為50 min時(shí)，提取溫度為71℃，液料比為16∶1，提取時(shí)超聲波功率400 W。洋蔥多糖提取率為5.13%。將優(yōu)化后的試驗(yàn)條件與傳統(tǒng)的水提法相比，不但提高了洋蔥多糖提取的效率，而且多糖的得率也增加了19.1%。該研究成果為洋蔥多糖方面的進(jìn)一步利用提供了一定的理論基礎(chǔ)。