響應(yīng)曲面法優(yōu)化高剪切分散乳化提取破布木果多糖

劉曉光，吳慧敏，王沖，于水，吳娟，李嬌，張潔，謝建偉

（石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/新疆兵團(tuán)化工綠色過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003）

維藥破布木果（Cordia dichotoma Forst.f）系紫草科破布木屬植物破布木的成熟干燥果實(shí)，維吾爾醫(yī)認(rèn)為破布木果具有生濕生熱，成熟及清除異常黑膽質(zhì)，潤肺，潤喉，止咳化痰，清音止渴，通便利尿的功效，主治干寒性或黑膽質(zhì)性疾病[1]，但對(duì)胃和肝臟有害，矯正藥為大棗或玫瑰花。目前有些臨床廣泛使用的方劑如祖卡木顆粒、降熱比那甫西糖漿、熱感賽比斯坦顆粒和益腦吾斯提庫都斯糖漿等都以破布木果為主要藥材。目前，國內(nèi)外對(duì)破布木果化學(xué)成分的研究較少，而對(duì)于其多糖的研究目前還處于初始階段[2]，朱明等[3]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)破布木果中含有豐富的多糖。因此，針對(duì)維藥破布木果進(jìn)行多糖的提取工藝研究可為破布木果下一步的開發(fā)利用打下基礎(chǔ)。

多糖具有多種多樣的生物活性，已經(jīng)被國內(nèi)外專家研究了近百年，多糖類物質(zhì)不僅可以增強(qiáng)非特異性免疫，而且在降血糖、降血脂、抗癌方面也具有相當(dāng)?shù)纳砘钚訹4-9]。目前多糖的提取方法有微波輔助提取、超聲輔助提取、索氏提取等方法，但傳統(tǒng)的提取方法往往存在溶劑消耗量大、提取時(shí)間長(zhǎng)、提取效率低、操作不方便等弊端。高剪切分散乳化（High-speed shear dispersing emulsification，HSDE）是近些年來發(fā)展的一種新型的粉碎、分散、乳化和均質(zhì)化的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于制藥業(yè)和食品工業(yè)[10-12]。高剪切分散乳化技術(shù)提供高剪切、空化和機(jī)械效應(yīng)，使原料粉碎、分散、乳化和均質(zhì)化，與微波輔助提取、超聲輔助提取、索氏提取等傳統(tǒng)的提取方法相比，高剪切分散乳化提取在提取速度、提取率、提取時(shí)間、能耗和操作上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)[13-16]。

本文研究采用高剪切分散乳化提取破布木果多糖，考察液料比、剪切時(shí)間、高剪切速度3個(gè)工藝參數(shù)，比較不同因素對(duì)破布木果多糖的率的影響，再采用響應(yīng)面法進(jìn)行工藝優(yōu)化，應(yīng)用 Design-Expert軟件的Box–Behnken中心進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合[17-20]，探索高剪切分散乳化提取破布木果多糖的優(yōu)化工藝條件，以期最大限度提取破布木果多糖，為破布木果多糖的進(jìn)一步開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)試劑：破布木果購于烏魯木齊奇康哈博維藥股份有限公司，葡萄糖純品購于天津富宇精細(xì)化工有限公司，蒽酮購于Sigma-Aldrich化學(xué)有限公司；其余試劑購于天津富宇精細(xì)化工有限公司，均為分析純；實(shí)驗(yàn)所用水為雙蒸水。

實(shí)驗(yàn)儀器：高速萬能粉碎機(jī)（天宇機(jī)械有限公司），F(xiàn)LUKO FA25型高剪切分散乳化機(jī)（上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司），DF-101S型電熱恒溫水浴鍋（金壇市科析儀器有限公司），F(xiàn)A1104電子天平（上海越平科學(xué)儀器有限公司），Spectrumlab 752s型紫外-可見分光光度計(jì)（上海棱光技術(shù)有限公司），Eppendorf 5415D型離心機(jī)（德國艾本德公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 藥材前處理

破布木果干燥果實(shí)經(jīng)過萬能高速粉碎機(jī)粉碎充分后，過40目篩，均勻混合，備用。

1.2.2 溶液配制

精密稱取0.1 g蒽酮于50 mL容量瓶中，緩慢加入50 mL濃硫酸，混合搖勻，置于棕色瓶中，冰箱保存，便得到0.1% 硫酸-蒽酮溶液。因蒽酮容易被氧化，所以硫酸-蒽酮溶液只能現(xiàn)配現(xiàn)用。

葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品使用之前于105℃烘箱干燥，待其水分完全蒸發(fā)后，精密稱取葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品100 mg于100 mL容量瓶中，用蒸餾水定容，待其完全溶解后，混勻，得到質(zhì)量濃度為1.0 mg/mL的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.2.3 比色體系試劑用量

1.2.3.1 反應(yīng)溫度的確定

用移液管精密吸取葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液1 mL于10 mL容量瓶中，用雙蒸水定容，待其充分混合，得到0.1 mg/mL的葡萄糖溶液。用移液管分別移取5份上述溶液1 mL于具塞比色管中，在冰水浴中緩慢加入4 mL硫酸-蒽酮溶液，冰水浴冷卻5 min后，分別于60、70、80、95、100 ℃的水浴中加熱10 min，待其反應(yīng)完全后，取出比色管，用自來水沖洗，待其冷卻至室溫后，放置10 min。以雙蒸水為空白，用紫外-可見分光光度計(jì)在620 nm處測(cè)量吸光度，以確定最佳溫度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖1）表明：隨著溫度升高，其吸光度逐漸增加，在 100℃時(shí)吸光度最大。所以本實(shí)驗(yàn)選用100℃水浴加熱。

圖1 溫度對(duì)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液顯色的影響Fig.1 Effects of temperature on color reaction of glucose with it

1.2.3.2 硫酸-蒽酮用量的確定

用移液管精密吸取葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液1 mL于10 mL容量瓶中，用雙蒸水定容，待其充分混合，得到0.1 mg/mL的葡萄糖溶液。用移液管分別移取5份上述溶液1 mL于具塞比色管中，在冰水浴中分別緩慢加入2、3、4、5、6 mL硫酸 -蒽酮溶液，冰水浴冷卻5min后，于100℃的水浴中加熱10 min，待其反應(yīng)完全后，取出比色管，用自來水沖洗，待其冷卻至室溫后，放置10 min。以雙蒸水為空白，用紫外-可見分光光度計(jì)在620 nm處測(cè)量吸光度，以確定最佳溫度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖2）表明：隨著硫酸-蒽酮用量的增加，吸光度隨之增加，在4 mL時(shí)吸光度最大。因此本實(shí)驗(yàn)選用4 mL硫酸-蒽酮溶液。

圖2 硫酸蒽酮用量對(duì)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液顯色的影響Fig.2 Effects of Sulfuric acid-anthrone reagent amount on color reaction of glucose with it

1.2.3.3 反應(yīng)時(shí)間的確定

用移液管精密吸取葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液1 mL于10 mL容量瓶中，用雙蒸水定容，待其充分混合，得到0.1 mg/mL的葡萄糖溶液。用移液管分別移取5份上述溶液1 mL于具塞比色管中，冰水浴中緩慢加入4 mL硫酸-蒽酮溶液，冰水浴冷卻5 min后，于100℃的水浴分別中加熱 5、10、15、20、25 min，待其反應(yīng)完全后，取出比色管，用自來水沖洗，待其冷卻至室溫后，放置10 min。以雙蒸水為空白，用紫外-可見分光光度計(jì)在620 nm處測(cè)量吸光度，以確定最佳溫度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3）表明，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，吸光度隨之增加，在10 min后吸光度無明顯變化，因此本實(shí)驗(yàn)選用加熱時(shí)間為10 min。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液顯色的影響Fig.3 Effects of reaction time on color reaction of glucose with it

通過以上實(shí)驗(yàn)可以確定硫酸-蒽酮法測(cè)多糖含量的條件為：反應(yīng)溫度為100℃，待測(cè)液∶硫酸-蒽酮溶液=1∶4（V∶V），反應(yīng)時(shí)間為10 min。

1.2.4 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

用移液管分別移取 0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 mL葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液于100 mL容量瓶中，用雙蒸水定容，充分混合，靜置20 min。用移液管分別移取上述溶液1 mL于具塞比色管中，在冰水浴中緩慢加入4 mL硫酸-蒽酮溶液，冰水浴冷卻5 min后，加入沸水浴中10 min，待其反應(yīng)完全后，取出比色管，用自來水沖洗，待其冷卻至室溫后，放置10 min。以雙蒸水為空白，用紫外可見分光光度計(jì)在620 nm處測(cè)量吸光度，以濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：y=0.0696x+0.0017，相關(guān)系數(shù)R2=0.9989。利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算破布木果中多糖的公式如下所示（以葡萄糖計(jì)算）。其結(jié)果見圖1-4。

式中：Y為多糖得率（得率單位為mg/g，以葡萄糖計(jì)算，濃度單位為μg/mL），y為所測(cè)樣品的吸光度，m為所稱取破布木果質(zhì)量（單位為g）。

圖4 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.4 Standard curve of glucose

1.2.5 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探究不同因素對(duì)破布木果多糖提取的影響，設(shè)計(jì)了液料比、剪切速度、剪切時(shí)間3種不同的因素，每個(gè)因素設(shè)置了5或6個(gè)不同的水平，以找出各個(gè)因素的適應(yīng)范圍。考慮到實(shí)際操作的便利，我們固定溶液體積為140 mL。

1.2.5.1 液料比對(duì)多糖得率的影響

分別稱取破布木果粉末 14.0、7.0、4.67、3.5、2.8 g和 2.3 g，其對(duì)應(yīng)的液料比（mL/g）分別為 10∶1，20∶1，30∶1，40∶1，50∶1，60∶1，加入 140 mL 蒸餾水，剪切速度為13000 r/min，剪切時(shí)間2 min，剪切完成后，靜置10 min，后用離心機(jī)10000 r/min離心3 min，采用Sevag法除蛋白，上層是水，中層是蛋白，下層是有機(jī)層，分離出上層，其中多糖溶液位于上層。用移液管分別移取1 mL不同液料比的溶液，于具塞比色管中，在冰水浴中緩慢加入4 mL硫酸-蒽酮溶液，冰水浴冷卻5 min后，加入沸水浴中10 min，待其反應(yīng)完全后，取出比色管，用自來水沖洗，待其冷卻至室溫后，放置10 min。以雙蒸水為空白，用紫外可見分光光度計(jì)在620 nm處測(cè)量得到相對(duì)應(yīng)的吸光度，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算多糖含量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖5）表明：隨著蒸餾水的增加，破布木果多糖的提取量也隨之增加，當(dāng)增加到液料比為50∶1時(shí)，多糖的得率最高，隨后呈下降趨勢(shì)。

圖5 液料比對(duì)多糖得率的影響Fig.5 Effect of liquid-solid ratio on polysaccharide content

1.2.5.2 剪切時(shí)間對(duì)多糖得率的影響

稱取破布木果粉末6份，每份2.8 g（液料比為50∶1），加入140 mL蒸餾水，剪切速度為13000 r/min，剪切時(shí)間分別為 1、2、3、4、5、6 min，剪切完成后，靜置10 min，后用離心機(jī)10000 r/min離心3 min，采用Sevag法處蛋白，上層是水，中層是蛋白，下層是有機(jī)層，分離出上層，其中多糖溶液位于上層。用移液管分別移取1 mL不同剪切時(shí)間的溶液，于具塞比色管中，實(shí)驗(yàn)步驟如1.2.5.1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖6）表明：隨著剪切時(shí)間的延長(zhǎng)，破布木果多糖的得率也隨之增加，在3 min時(shí)，得率是最高的，隨后多糖的率呈下降趨勢(shì)。究其原因可能是：時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生越多的熱而使多糖降解。

圖6 剪切時(shí)間對(duì)多糖得率的影響Fig.6 Effect of treatment time on polysaccharide content

1.2.5.3 剪切速度對(duì)多糖的率的影響

準(zhǔn)確稱取5份破布木果粉末2.8 g，固定其液料比為 50∶1，加入140 mL蒸餾水，探究在不同剪切速度下多糖得率的影響。由于高剪切分散乳化機(jī)只能設(shè) 置10000、13000、16000、19000、22000r/min，所以只選用這5個(gè)水平。每組剪切3 min，剪切完成后，靜置10 min，后用離心機(jī)10000 r/min離心3 min，采用Sevag法處蛋白，上層是水，中層是蛋白，下層是有機(jī)層，分離出上層，其中多糖溶液位于上層。用移液管分別移取1 mL不同剪切速度的溶液，于具塞比色管中，實(shí)驗(yàn)步驟如1.2.5.1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖7）表明：隨著剪切速度的增加，破布木果多糖的得率也隨之增加，在剪切速度為16000 r/min時(shí)，得率是最高的，隨后多糖的率呈下降趨勢(shì)。究其原因可能是：由于剪切速度加快增加了機(jī)械摩擦，從而產(chǎn)生更多的熱量使多糖降解。

圖7 剪切速度對(duì)多糖得率的影響Fig.7 Effect of HSDE rotary speed on polysaccharide content

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上單因素試驗(yàn)的結(jié)果，根據(jù)響應(yīng)曲面法Box-Behnken中心組合原理，選取液料比、剪切時(shí)間和剪切速度 3個(gè)因素（分別用X1，X2，X3表示），破布木果多糖得率為響應(yīng)值，利用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行3因素3水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，實(shí)驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)曲面分析因素與水平設(shè)計(jì)表Tab.1 Factors and levels in the response surface design

2.2 響應(yīng)曲面模型建立與結(jié)果分析

以液料比（X1）、剪切時(shí)間（X2）和剪切速度（X3）為自變量，多糖得率（Y）為響應(yīng)值，建立響應(yīng)曲面模型，進(jìn)行響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值相差不是很大，實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Program and experimental results of RSM

2.3 響應(yīng)曲面方差分析

以液料比（X1）、剪切時(shí)間（X2）和剪切速度（X3）為自變量，多糖得率（Y）為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)曲面二次回歸方差分析。從實(shí)驗(yàn)方差分析結(jié)果（表3）可知：

（1）所選用的模型P<0.0220（顯著），失擬項(xiàng)P=0.3154>0.05（不顯著）。表明該回歸模型的擬合很好，實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值比較接近。

（2）自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系差異系數(shù)R2=0.8667，調(diào)整系數(shù)R2=0.6954。表明模型擬合程度較好，能夠用來描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（3）該模型的信噪比為7.177>4，表明該模型能夠得到很強(qiáng)的響應(yīng)信號(hào)，并且只有6.62%的變異系數(shù)。說明該模型的重現(xiàn)性很好，因此可以采用該模型分析和預(yù)測(cè)破布木果多糖提取工藝結(jié)果。

表3 響應(yīng)曲面回歸模型方差分析表Tab.3 ANOVA for response quadratic model

2.4 響應(yīng)曲面圖與最佳提取工藝

各因素之間相互影響的響應(yīng)曲面及等高線圖見圖8。

圖8 響應(yīng)曲面及等高線圖:剪切時(shí)間3 min，液料比與剪切速度對(duì)多糖得率的影響(a)；剪切速度16000 r/min，液料比與剪切時(shí)間對(duì)多糖得率的影響（b）；液料比50 mL/g，剪切速度與剪切時(shí)間對(duì)多糖得率的影響（c）Fig.8 Responsive surfaces and contours：effect of liquid-solid ratio and speed on polysaccharides yield with rotary time 3min(a);effect of liquid-solid ratio and time on polysaccharides yield with rotary speed 16000 r/min(b);effect of rotary speed and time on polysaccharides yield with liquid-solid ratio 50 mL/g(c)

從圖8可知：隨著自變量因素的增大，其對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值也隨之增大，當(dāng)響應(yīng)值增大到極值后，隨著自變量因素的增大，響應(yīng)值呈逐漸減小趨勢(shì)。通過響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果可知，在高剪切分散乳化提取破布木果多糖實(shí)驗(yàn)中，各因素影響順序?yàn)橐毫媳龋╔1）> 剪切時(shí)間（X2）> 剪切速度（X3），提取破布木果多糖最佳工藝條件為：當(dāng)液料比為54.15∶1（mL：g），剪切時(shí)間為3.23 min，剪切速度為15823.94 r/min，多糖得率預(yù)測(cè)值為111.543 mg/g。

為了方便實(shí)際操作及方法的可靠性，平行重復(fù)3次進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，將上述最佳工藝條件簡(jiǎn)化為：液料比50∶1（mL∶g），剪切時(shí)間 3.0 min，剪切速度16000 r/min，破布木果多糖得率平均值為（111.43±0.1）mg/g。上述最佳工藝條件結(jié)果與預(yù)測(cè)值接近，說明此響應(yīng)曲面法得到的回歸模型具有一定的可靠性，能較好預(yù)測(cè)破布木果多糖提取的得率。

3 結(jié)論

（1）采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化高剪切分散乳化提取破布木果多糖，并建立了多元回歸模型，模型擬合程度良好。

（2）經(jīng)Design-expert8.0軟件分析，破布木果多糖的最佳提取工藝條件為：液料比為 50∶1（mL∶g），剪切時(shí)間為3.0 min，剪切速度為16000 r/min，破布木果多糖得率為（111.43±0.1） mg/g。

（3）高剪切分散乳化技術(shù)操作簡(jiǎn)單，效率高，可用于提取天然產(chǎn)物有效成分的研究，具有較好的應(yīng)用前景。

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