響應面分析優(yōu)化小麥麩皮多糖的提取工藝

朱翠玲++顧正中+沈婷 王新風 胡衛(wèi)成 紀麗蓮

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.047[HT9.]

（1.揚州大學食品科學與工程學院，江蘇揚州 225127； 2.淮陰師范學院/江蘇省高校區(qū)域現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與環(huán)境保護協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇淮安 223300；3.淮陰師范學院/江蘇省環(huán)洪澤湖生態(tài)農(nóng)業(yè)生物技術重點實驗室，江蘇淮安 223300； 4.江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學研究所，江蘇淮安 223301）

摘要：為探討優(yōu)化麩皮多糖的提取工藝，在單因素試驗基礎上，用熱水浸提法及Box-Behnken設計方法，研究水提溫度、時間、料液比這3個因素以及它們的交互作用對麩皮多糖得率的影響；采用Box-Behnken法設計3因素3水平響應面設計試驗，得到回歸方程的預測模型和可信度。結果表明：在所設定的各個試驗范圍內(nèi)，3個因素對麩皮多糖得率的影響程度由大到小依次是提取時間、提取溫度、料液比，并分析得到了最佳的提取條件：溫度100 ℃，料液比1 g ∶[KG-*3]29.95 mL，水提時間5 h，麩皮多糖得率的預測值為220.04 mg/g。將上述最佳條件微調(diào)后進行驗證試驗，測得麩皮多糖含量為222.70 mg/g，高于軟件模擬值，能較好地預測麩皮多糖得率，表明提取麩皮多糖條件可行，用響應面法優(yōu)化提取工藝，提高了提取麩皮多糖的得率。

關鍵詞：小麥麩皮；多糖；熱水浸提法；提取工藝；響應面分析；多糖得率

中圖分類號： TS245.9；TS201.1文獻標志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2017）13-0169-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-12-21

基金項目：江蘇省自然科學基金（編號：BK20150414）；江蘇省高校自然科學基金（編號：15KJB550001）。

作者簡介：朱翠玲（1990—），女，安徽安慶人，碩士，主要從事食品分子營養(yǎng)學的研究。E-mail：1125168757@qq.com。

通信作者：胡衛(wèi)成，博士，副教授，研究方向為食品化學，E-mail：hu_weicheng@163.com；紀麗蓮，博士，教授，研究方向為微生物與生化藥學，E-mail：jll2663@sina.com。

[ZK）]

小麥的營養(yǎng)豐富，是人們?nèi)粘Ｉ钪兴匦璧闹饕Z食之一。我國是小麥的生產(chǎn)大國，每年的產(chǎn)量已超過1億t，小麥面粉廠僅加工出產(chǎn)的副產(chǎn)品麩皮就可達2 000萬t[1]。麩皮是小麥營養(yǎng)特性的主要集中物，含有人體所需的多種營養(yǎng)物質(zhì)，如酶系、蛋白質(zhì)、碳水化合物、礦物質(zhì)和維生素等，主要含有較多的纖維素、半纖維素多糖，且在麩皮細胞壁中，存在半纖維素、阿拉伯木聚糖。此外，小麥麩皮中戊聚糖含量大于20%，且來源充足，價格低廉，可作為制備多糖的原料，具有很高的經(jīng)濟效益和應用前景[2]。但是，市場上85%的麩皮主要用于釀造工業(yè)與飼料工業(yè)，很少用于保健產(chǎn)品和功能食品的加工[3]。

多糖是一類高分子碳水化合物，一般由10個以上單糖組成，可由糖苷鍵合成多聚糖，有降低血糖的作用[4]。此外，多糖能明顯提高肝臟中己糖激酶、葡糖激酶、6-磷酸葡萄糖脫氫酶的活性，最終使血漿甘油三酯、膽固醇降低到正常的水平[5]。多糖還可以改變食物品質(zhì)及外觀，穩(wěn)定酸性飲料、抑制脂質(zhì)氧化等，其中活性多糖可促進生命機體健康，維持其各種生理功能，控制細胞分化，可作為調(diào)節(jié)細胞生長衰老的非特異性廣譜免疫調(diào)節(jié)劑，增強免疫、抗衰老、抗輻射能力等[6-7]。研究發(fā)現(xiàn)，多糖通過對病原體的選擇性黏附，并且阻斷吸附靶細胞，最終達到消炎、抗感染的目的，因此，多糖作為第二代抗炎藥物可用于醫(yī)學領域[8]。

響應面分析法是一種函數(shù)估算工具，已經(jīng)被大量用于各種多糖提取條件的優(yōu)化，如鐵皮石斛多糖、金銀花多糖、燕麥麩皮多糖等[9-14]，該方法計算合理、結果準確，已經(jīng)被越來越多地應用于工藝優(yōu)化中。到目前為止，還未有響應面優(yōu)化麩皮多糖提取的研究報道，本研究采用單因素試驗、響應面法分析對熱水浸提法提取小麥麩皮多糖的工藝條件進行優(yōu)化篩選，以期為麩皮多糖的市場開發(fā)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

小麥麩皮（淮麥33），由江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學研究所提供。

濃硫酸，購自南京化學試劑有限公司；無水乙醇，購自上海久億化學試劑有限公司；3，5-二硝基水楊酸（DNS）溶液、苯酚，購自西隴化工股份有限公司；亞硫酸鈉，購自宜興市亞盛化工廠；3，5-二硝基水楊酸、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、葡萄糖，均購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2主要儀器設備

Centrifuge 5810 R型臺式高速冷凍離心機，德國艾本德公司；TE612-L電子天平，賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；Infinite M200 Pro酶標儀，瑞士Tecan公司；HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋等。

1.3樣品溶液的制備

用電子天平精確稱取粉碎后的小麥麩皮2.0 g，放入錐形瓶中，加入一定體積的蒸餾水，用熱水浸提法提取總糖，提取后進行抽濾、分離，并將取得的濾液定容至容量瓶中，即得總糖提取液。

1.4樣品總糖含量的測定

1.4.1標準曲線的繪制精確稱取干燥至恒質(zhì)量的葡萄糖標準樣品20 mg，用蒸餾水定容至20 mL，得到濃度為 1 mg/mL 的葡萄糖標準溶液。分別取0、10、20、30、40、50、60、70 L標準溶液于小試管中并依次加蒸餾水至200 L。各加5%苯酚溶液0.4 mL，混合均勻，再滴加2 mL濃硫酸，搖勻后于沸水浴中加熱15 min，冷卻至室溫后，在490 nm處用酶標儀測定其吸光度D490 nm。以葡萄糖濃度C1（g/mL）為橫坐標，吸光度A（D490 nm）為縱坐標，繪制葡萄糖標準曲線，得到線性回歸方程為A=0.125 C1-0.107 7，r2=0.996 9。endprint

1.4.2苯酚硫酸法測定其總糖含量取麩皮多糖提取液 1.0 mL，加5%苯酚溶液0.4 mL，搖勻后滴加濃硫酸2 mL，混合均勻，在沸水浴中加熱15 min，冷卻至室溫后，用酶標儀在490 nm下測定吸光度。根據(jù)回歸方程計算小麥麩皮總糖含量：

[JZ]Y1=C1×D×V÷m。

式中：Y1為總糖含量，mg/g；C1為代入標準曲線中計算出的多糖質(zhì)量濃度，mg/mL；D為樣品溶液的稀釋倍數(shù)；V為待測樣液的體積，mL；m為稱取麩皮的質(zhì)量，g；下同。

1.5樣品單含量的測定

1.5.1繪制標準曲線分別取1 mg/mL葡萄糖標準溶液0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL加入小試管中，并加蒸餾水至1.0 mL。再在各試管中加3.0 mL DNS，搖勻，在沸水浴中加熱15 min，冷卻后顛倒混勻，用酶標儀在550 nm下測其吸光度D550 nm。以葡萄糖濃度C2（mg/mL）為橫坐標、吸光度B（D550 nm）為縱坐標，繪制用DNS測定下的葡萄糖標準曲線，得到線性回歸方程為B=2.127 2 C2-0.074 6，r2=0.997 2。

1.5.2DNS法測定其總單糖含量取麩皮多糖提取液 1.0 mL，加3 mL DNS，搖勻后在沸水浴中加熱15 min，冷卻至室溫后，用酶標儀在550 nm下測定吸光度D550 nm。根據(jù)回歸方程計算小麥麩皮單糖含量：

[JZ]Y2=C2×D×V÷m。

式中：Y2為單糖含量，mg/g；C2為代入標準曲線中計算出的多糖質(zhì)量濃度，mg/mL。

1.6麩皮中多糖含量的計算

麩皮粗多糖樣品液中含有大量單糖，要測得其中多糖含量就要用總糖減去單糖的量。苯酚溶液可測總糖含量，DNS溶液可測單糖含量，將2個得到的結果相減就是所需的多糖含量Y，即：

[JZ]Y=Y1-Y2。

1.7單因素試驗

1.7.1提取溫度對多糖提取率的影響準確稱取麩皮 2.0 g，預設料液比為1 g ∶[KG-*3]20 mL，提取時間為4 h，分別在60、70、80、90、100 ℃下用熱水浸提法提取小麥麩皮多糖，以確定提取溫度對多糖提取率的影響。

1.7.2提取時間對多糖提取率的影響準確稱取麩皮 2.0 g，預設溫度為100 ℃，料液比為1 g ∶[KG-*3]20 mL，提取時間分別選擇1、2、3、4、5 h，用熱水提取法來提取麩皮多糖，研究提取時間對麩皮多糖提取率的影響。

1.7.3料液比對多糖提取率的影響準確稱取麩皮2.0 g，預設提取溫度為100 ℃，提取時間為4 h，分別在1 g ∶[KG-*3]10 mL、1 ∶[KG-*3]15 mL、1 ∶[KG-*3]20 mL、1 g ∶[KG-*3]25 mL、1 g ∶[KG-*3]30 mL的料液比下，用熱水浸提法提取麩皮多糖，研究料液比對麩皮多糖提取率的影響。

1.8響應面法優(yōu)化提取工藝

用Box-Behnken響應面法對麩皮多糖的提取工藝優(yōu)化條件進行研究。在單因素試驗后，以多糖提取率為指標，以多糖的提取溫度、時間、液料比為影響因素，設計3因素3水平的試驗，以確定麩皮多糖的最優(yōu)提取工藝條件。試驗因素和水平設計見表1。

2結果與分析

2.1單因素試驗結果

2.1.1溫度對多糖提取率的影響由圖1可知，多糖提取率會隨著溫度的升高而提高，在溫度達到100 ℃時，提取率為21.2（即多糖含量212 mg/g，以此類推），只是隨著溫度的升高，多糖得率的增速變得緩慢。

[FK（W11][TPZCL1.tif][FK）]

2.1.2時間對多糖提取率的影響由圖2可知，隨著提取時間的延長，多糖的提取率先逐漸提高，當提取時間為4 h時，提取率達到最大值，為17.95%；隨著提取時間的繼續(xù)增加，提取率有所下降，這可能是由于長時間在高溫條件下，有其他雜質(zhì)不斷地從麩皮中溶出，使多糖提取率下降。因此可知，最佳提取時間為4 h。

[FK（W11][TPZCL2.tif][FK）]

2.1.3料液比對多糖提取率的影響由圖3可知，麩皮多糖的得率會隨著料液比的提高而增大，當料液比為 1 g ∶[KG-*3]25 mL 時，多糖得率達到最大值，為22.3%；隨著料液比進一步提高，多糖得率有所下降。這可能是溶劑過多造成細胞破碎，導

[FK（W11][TPZCL3.tif][FK）]

致得率下降，因此麩皮多糖的最佳料液比為 1 g ∶[KG-*3]25 mL。

2.2響應面試驗結果

根據(jù)Design Expert 8.0.5b統(tǒng)計分析軟件的試驗設計功能可知，17組中心組合設計試驗中的5組是中心點試驗，用來評估整個優(yōu)化試驗中出現(xiàn)的誤差，剩下的12組是析因試驗。以提取時間A（h）、提取溫度B（℃）、料液比C（g ∶[KG-*3]mL）為自變量，以多糖提取率為響應值，試驗結果如表2所示。用Design Expert 8.0.5b軟件對優(yōu)化試驗得到的結果進行分析，按各因素對試驗結果的影響進行擬合得到二次方程式：

Y=143.46+14.86A+1.71B+17.51C+14.67AB+6.87AC+6.05BC+32.63A2-2.37B2-15.35C2。

由表3可以看出，整體模型的F值是5.43，并且P<005，說明響應面法擬合得到的試驗模型顯著性極高；r2=0874 7，表明模擬與實際試驗擬合得較好。各單因素中對麩皮多糖提取的結果都有顯著影響，其影響大小依次是提取時間、提取溫度、料液比。

由圖4、圖5、圖6可以看出，提取溫度和提取時間、提取溫度和料液比、提取時間和料液比對麩皮多糖提取率的影響表現(xiàn)為明顯的二次拋物線，呈交互作用。從響應面的最高點和等值線可以看出，選擇范圍內(nèi)的極值，就是響應面的最高點，也是等值線最小橢圓的中心點。endprint

通過軟件分析，預測的熱水浸提法提取麩皮多糖的最佳工藝條件：提取溫度100 ℃，提取時間5 h，料液比 1 g ∶[KG-*3]29.95 mL。在此條件下麩皮多糖含量是220.04 mg/g。因?qū)嶋H操作需要，調(diào)整為提取溫度100 ℃，提取時間5 h，料液比1 g ∶[KG-*3]30 mL，同時測得麩皮多糖含量為222.70 mg/g。結果表明，響應面優(yōu)化得到的提取工藝條件可信。

本試驗所得麩皮多糖得率相關報道[15-16]較少，主要原因是由于在測量多糖時，文獻中并未把單糖含量去掉，苯酚-硫酸法測定的含量即為多糖含量，缺少一定的科學性。本試驗采用DNS法測定麩皮中單糖的含量，再以總糖含量減去單糖含量，即為多糖含量，從多角度考慮試驗中存在的誤差。

3結論

本試驗在單因子試驗的基礎上，利用Box-Behnken響應面法對麩皮多糖的提取工藝進行研究，得到熱水浸提法提取麩皮多糖的最佳條件：提取溫度100 ℃，提取時間5 h，料液比1 g ∶[KG-*3]30 mL，在這樣的工藝條件下，麩皮多糖得率為22.27%。與正交設計相比，正交設計只能從預先設計的幾個水平中優(yōu)化組合，所得最佳條件只是理想條件，因此用響應面法得到的條件更具有實用價值。

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