零余子粗多糖超聲波輔助提取工藝優(yōu)化

任佳麗黃仁貴 李忠海

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 稻谷及副產(chǎn)物深加工國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

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零余子粗多糖超聲波輔助提取工藝優(yōu)化

任佳麗1,2黃仁貴1李忠海1,2

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 稻谷及副產(chǎn)物深加工國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

利用響應(yīng)面法優(yōu)化零余子粗多糖的超聲波輔助提取工藝。通過(guò)單因素試驗(yàn)考察液料比、超聲功率與提取時(shí)間對(duì)粗多糖得率的影響。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken中心組合方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以粗多糖得率為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面分析，獲得最優(yōu)提取工藝為料液比18∶1 (mL/g)、超聲功率760 W、提取時(shí)間23 min，粗多糖得率可達(dá)60.68%，與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差為2.03%，結(jié)果表明預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值之間具有良好的擬合度，采用響應(yīng)面法對(duì)零余子多糖超聲波提取條件進(jìn)行優(yōu)化合理可行。

粗多糖；零余子；超聲波

零余子，俗稱(chēng)“山藥蛋”，有地方亦稱(chēng)“山藥豆”，是薯蕷葉腋間的珠芽，呈卵圓形或橢圓形，直徑約0.4～2.0 cm，外表皮淡黃色，有細(xì)皺紋，氣味淡而不苦，口嚼粘膩。山藥零余子味甘溫、無(wú)毒、主補(bǔ)虛、強(qiáng)腰腳、食之不饑，功能比山藥還要強(qiáng)，自古就是營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高的滋補(bǔ)食品和藥用價(jià)值很高的藥材，可提高人體免疫功能和抗病能力[1]。研究發(fā)現(xiàn)，零余子主要含淀粉、多糖(包括黏液質(zhì)及糖蛋白)、蛋白質(zhì)，并含多種游離氨基酸、尿囊素、膽堿、淀粉酶、止杈素 (又稱(chēng)脫落酸d-absicisin)、多巴胺(dopamine)和山藥素Ⅰ ( batatasin Ⅰ)等[2]；零余子多糖具有較好的抗氧化性與降血糖作用[3-4]。

粗多糖是指復(fù)合型雜多糖，含有黏多糖、脂多糖、結(jié)合多糖(糖蛋白及黏蛋白)等雜質(zhì)。研究顯示，粗多糖具有降血脂[5]、抗凝血[6]、抗氧化[7]等多種生物活性。其提取方法有熱水浸提取[8]、超聲波輔助提取[9]、微波輔助提取[10]、酶法提取[11]、超臨界提取[12]以及復(fù)合提取[13]等。其中熱水浸提法的時(shí)間長(zhǎng)，得率低[14-15]；酶法提取成本高[16]，對(duì)反應(yīng)條件溫度、pH、底物濃度等較為敏感。超聲波法輔助提取粗多糖，操作簡(jiǎn)單，而且由于超聲波巨大的空化作用和強(qiáng)烈振動(dòng)，可加速粗多糖進(jìn)入溶劑，利于提取[17]。

崔瑋等[18]利用響應(yīng)面法優(yōu)化了鎖陽(yáng)原花青素果膠酶輔助提取的工藝，其得率高于前人的研究結(jié)果。余洋定等[19]及Chen等[20]分別利用響應(yīng)面分析優(yōu)化果膠酶輔助提取裙帶菜孢子葉多糖工藝和葡萄糖氧化酶輔助提取黃芪多糖的工藝；賈麗艷等[21]利用復(fù)合酶法對(duì)零余子多糖進(jìn)行了提取，但是利用響應(yīng)面法優(yōu)化零余子多糖的超聲波輔助水提工藝尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究擬采用響應(yīng)面法對(duì)超聲波輔助水提零余子粗多糖進(jìn)行研究，旨在優(yōu)化零余子粗多糖提取工藝，為進(jìn)一步提高零余子綜合利用價(jià)值提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

零余子：鐵棍山藥零余子，購(gòu)于河南省焦作溫縣；

氫氧化鈉、無(wú)水乙醇：分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；

丙酮：分析純，湖南匯虹試劑有限公司；

配制用水均為二次蒸餾水。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

電熱恒溫水浴鍋：DK-98-Ⅱ型，天津市泰斯特儀器有限公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：101-2AB型，天津市泰斯特儀器有限公司；

真空冷凍干燥機(jī)：LJG-10型，北京松源華興科技發(fā)展有限公司；

高速萬(wàn)能粉碎機(jī)：FW200型，北京科偉永興儀器有限公司；

超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)：JY 92-Ⅱ型，寧波新枝生物科技股份有限公司；

離心機(jī)：TD4K-Z型，長(zhǎng)沙市東旺實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：Hei-VAP Precision型，德國(guó)Heidolph公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 零余子粗多糖提取工藝流程

零余子→去皮→切片→冷凍干燥→粉碎→過(guò)60目篩→超聲波輔助水提取→離心取上清液(4 000 r/min離心20 min)→濃縮(60 ℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至原體積的1/5)→醇沉(將4倍體積的95%乙醇水溶液緩緩倒入濃縮液中，邊倒邊攪拌，靜置過(guò)夜)→離心取沉淀(4 000 r/min離心20 min；沉淀依次用無(wú)水乙醇、丙酮、無(wú)水乙醚洗滌)→干燥(60 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重)→粗多糖

1.2.2 粗多糖得率計(jì)算 按式(1)進(jìn)行。

(1)

式中：

P——粗多糖得率，%；

m1——粗多糖的質(zhì)量，g；

m2——零余子粉的質(zhì)量，g。

1.2.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 準(zhǔn)確稱(chēng)取零余子粉3 g，置于小燒杯中，考察液料比、超聲功率與超聲時(shí)間對(duì)粗多糖得率的影響。

(1) 超聲功率對(duì)粗多糖得率的影響：在超聲時(shí)間20 min，液料比為25∶1(mL/g)，超聲功率分別為440，560，680，800，920 W的條件下，考察超聲功率對(duì)零余子粗多糖得率的影響。

(2) 液料比對(duì)粗多糖得率的影響：在超聲時(shí)間20 min，超聲功率920 W，液料比分別為10∶1，15∶1，20∶1，25∶1，30∶1 (mL/g)的條件下，考察液料比對(duì)零余子粗多糖得率的影響。

(3) 提取時(shí)間對(duì)粗多糖得率的影響：在超聲功率920 W，液料比為15∶1(mL/g)，超聲時(shí)間分別為5，15，25，35，45 min的條件下，考察超聲時(shí)間對(duì)零余子粗多糖得率的影響。

1.2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnkex試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以超聲功率、液料比、提取時(shí)間為影響因子，零余子粗多糖得率為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面法優(yōu)化零余子粗多糖的超聲波提取工藝。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 每個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)，單因素試驗(yàn)中利用origin 8.5作圖，優(yōu)化試驗(yàn)中利用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 超聲功率對(duì)粗多糖得率的影響 由圖1可知：在所選超聲功率范圍內(nèi)，零余子粗多糖得率呈現(xiàn)出隨著超聲功率的增大而增加的趨勢(shì)。其中，當(dāng)超聲功率在440～800 W變動(dòng)，粗多糖得率的增幅較為微小，變化緩慢；當(dāng)超聲功率超過(guò)800 W，零余子粗多糖得率增幅顯著。考慮到所使用儀器最大功率只有1 000 W，因此將超聲功率920 W設(shè)置為+1水平，將800 W設(shè)置為0水平。

2.1.2 液料比對(duì)粗多糖得率的影響 由圖2可知：在所選液料比的范圍內(nèi)，零余子粗多糖得率隨著液料比的增加，呈現(xiàn)出先增加后降低的大致趨勢(shì)，其中在15∶1(mL/g)左右達(dá)到最大值。可能是溶劑不斷增多，利于零余子多糖的溶出；隨著溶劑繼續(xù)增加，零余子多糖在巨大的空化作用下開(kāi)始水解，導(dǎo)致其含量降低。因此，將液料比擬定在15∶1(mL/g)左右，這個(gè)結(jié)果與官波等[22]對(duì)山藥多糖提取工藝的優(yōu)化結(jié)果相似。

圖1 超聲功率對(duì)得率的影響

圖2 液料比對(duì)得率的影響

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)粗多糖得率的影響 由圖3可知：在所選提取時(shí)間的范圍內(nèi)，零余子粗多糖得率呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。其中，提取時(shí)間在5 min到10 min，粗多糖得率急劇上升；在時(shí)間為15 min左右達(dá)到最大值?？赡苁请S著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，零余子多糖的溶出逐漸增多；當(dāng)超聲時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，零余子多糖反而被降解，導(dǎo)致粗多糖得率降低。因此，將提取時(shí)間擬定在15 min左右。

圖3 提取時(shí)間對(duì)得率的影響

2.2 超聲波輔助提取零余子粗多糖工藝的優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面分析因素水平的選取 在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì)原理，綜合考慮單因素影響試驗(yàn)的結(jié)果，選取液料比、超聲功率與提取時(shí)間為影響因子，采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法，各因素的水平及編碼見(jiàn)表1。

表1 零余子粗多糖提取響應(yīng)面分析因素水平表

Table 1 Factors and levels of Box-Benhnken design test on extraction conditions of crude Polysaccharide from bulbils

編碼水平X1液料比(mL/g)X2超聲功率/WX3提取時(shí)間/min-11068050158001512092025

2.2.2 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果 根據(jù)Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì)原理，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

利用軟件Design expert 8.0.6，以零余子粗多糖得率為響應(yīng)值進(jìn)行分析，經(jīng)回歸擬合后得出，各影響因子對(duì)響應(yīng)值的影響可用式(2)函數(shù)表示，回歸分析見(jiàn)表3。

(2)

由表3可知，回歸模型具有較高的F值(F=18.59)和極低的P值(P=0.000 4)，模型顯著性良好。其中，X1(液料比)、X3(提取時(shí)間)對(duì)響應(yīng)值影響極顯著，X2(超聲功率)在所選范圍內(nèi)對(duì)響應(yīng)值無(wú)顯著影響；對(duì)于3個(gè)影響因子的交互作用，只有X1、X3交互作用明顯，顯著影響零余子粗多糖得率。本試驗(yàn)結(jié)果中，決定系數(shù)(R2)為0.959 9，表明此模型下零余子粗多糖得率的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值具有較好的一致性[23]，調(diào)整決定系數(shù)(adj-R2)為0.908 2說(shuō)明零余子粗多糖得率總變異中大約90.82%是由獨(dú)立變量決定的；另外，失擬項(xiàng)的F值為4.84，P值為0.080 8，相對(duì)于純誤差不顯著，因此，回歸模型具有更高的適合度[24]。

表2 響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果

表3 回歸分析結(jié)果?

? 決定系數(shù)R2=0.959 9，調(diào)整決定系數(shù)adj-R2=0.908 2；**表示P<0.01極顯著，*表示P<0.05顯著。

2.2.3 響應(yīng)面圖與等值線圖分析 根據(jù)回歸模型繪制相應(yīng)響應(yīng)曲面圖與等值線圖，分析各參數(shù)對(duì)零余子粗多糖得率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4～6。其中，由圖4可知，超聲功率對(duì)零余子粗多糖得率的影響不明顯，而得率隨著相應(yīng)的液料比從-1水平到+1水平變化，呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，可能是溶劑含量的增大，加速了多糖的溶出，致使得率提高。但液料比不宜過(guò)大，當(dāng)液料比接近+1水平，零余子粗多糖得率下降，可能是水分含量增加，部分多糖開(kāi)始降解。由圖5可知，液料比與提取時(shí)間兩個(gè)因子在所取水平內(nèi)，粗多糖得率呈現(xiàn)出先增加后降低的整體趨勢(shì)，對(duì)零余子多糖得率影響顯著，二者交互作用明顯。可能是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，零余子多糖的溶出逐漸增多；當(dāng)時(shí)間超過(guò)15 min，多糖逐漸降解，致使粗多糖得率下降。圖6與圖4相似，表明超聲功率對(duì)零余子粗多糖得率影響不顯著，而超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，導(dǎo)致粗多糖得率先增加后降低。

利用Design expert軟件，結(jié)合回歸模型與響應(yīng)面與等值線圖分析得出零余子粗多糖超聲波提取的最佳工藝條件為：料液比17.8∶1(mL/g)、超聲功率760.4 W、超聲時(shí)間22.9 min。該條件下，預(yù)測(cè)零余子粗多糖得率可達(dá)61.94%。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考慮到實(shí)際操作的方便性，將最佳提取工藝調(diào)整為：料液比18∶1(mL/g)、超聲功率760 W、提取時(shí)間23 min。在修正后的優(yōu)化工藝條件下，平行實(shí)驗(yàn)3次，得出零余子粗多糖得率為60.68%，與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差為2.03%，表明預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值存在較好的一致性，說(shuō)明本回歸模型準(zhǔn)確且較為可靠，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖4 液料比與超聲功率交互作用對(duì)零余子粗多糖得率的影響

圖5 液料比與提取時(shí)間交互作用對(duì)零余子粗多糖得率的影響

圖6 超聲功率與提取時(shí)間交互作用對(duì)零余子粗多糖得率的影響

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以液料比、超聲功率與提取時(shí)間為影響因子，零余子粗多糖得率為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面法優(yōu)化零余子粗多糖的超聲波提取工藝，得出最佳提取工藝條件為：料液比18∶1(mL/g)、超聲功率760 W、提取時(shí)間23 min。在此優(yōu)化條件下，預(yù)測(cè)得率達(dá)到61.94%。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值存在較好的一致性，此回歸模型重復(fù)性較好，對(duì)于優(yōu)化零余子多糖的超聲波法提取工藝是合理的，在零余子綜合利用方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

研究結(jié)果顯示，超聲波輔助水提取可以提高零余子粗多糖得率，具有較大應(yīng)用前景。然而，該法得出的多糖為粗多糖，含有蛋白質(zhì)、核酸及無(wú)機(jī)鹽等雜質(zhì)，零余子粗多糖的純化、結(jié)構(gòu)鑒定以及純化后多糖的抗氧化、降血脂、抗疲勞等生物活性有還待深入研究。另外，多糖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同的提取方式可能在一定程度上影響活性功能，因此，研究提取方式對(duì)零余子多糖的生物活性影響亦具有重要意義。

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Optimization on ultrasound-assisted extraction process of crude polysaccharide from bulbil

REN Jia-li1,2HUANGRen-gui1LIZhong-hai1,2

(1.CollegeofFoodScienceandEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforRiceandBy-productDeepProcessing,Changsha410004,China)

Response surface analysis was proposed to optimize the ultrasound-assisted extraction process of crude polysaccharides from bulbils. The effects of solid-liquid ratio, ultrasonic power and extraction time on crude polysaccharide yield were investigated by single factor experiments. Response surface analysis was carried out by using the crude polysaccharide yield as response value and the box Behnken method to design the experiments. The optimum extraction conditions were obtained as follows: solid-liquid ratio, 18∶1 (mL/g), ultrasonic power, 760 W; extraction time, 23 min and the crude polysaccharides yield could be up to 60.68%, which agreed with the predicted value (the relative error is 2.03%). The results demonstrated that it is reasonable and practicable to optimize the ultrasonic extraction process using response surface methodology.

crude polysaccharide; bulbil; ultrasonic

國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：31340059)；糧油深加工與品質(zhì)控制湖南省2011協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目(編號(hào)：湘教通〔2013〕448號(hào))

任佳麗(1977—)，女，中南林業(yè)科技大學(xué)副教授，博士。

E-mail: rjl_cl@163.com

2016-06-06