響應(yīng)面優(yōu)化超聲協(xié)同高壓矩形脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖工藝及其抗氧化活性研究

陸海勤,宮曉麗,李冬梅,駱文靜,李毅花,李 文

(1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院,廣西南寧 530004;2.廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,廣西林產(chǎn)化學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西南寧 530008)

黃花菜(HemerocalliscitrinaBaroni或Liliaceae)又稱萱草、忘憂草、萱草花等,為百合科萱草屬多年生草本植物的花蕾。在我國(guó),黃花菜作為蔬菜或藥材食用已經(jīng)有幾千年歷史。中藥志中記載黃花菜具有健胃安神、平肝養(yǎng)血、鎮(zhèn)痛、通乳、抗菌消炎、消腫利尿等功效,對(duì)黃疽、大便下血、水腫、感冒、痢疾、尿路感染、腰痛、關(guān)節(jié)腫痛等癥狀的治療具有很好的效果[1]。除此之外,黃花菜含有豐富的卵磷脂,具有解酒的作用,可以保護(hù)肝細(xì)胞,促進(jìn)肝細(xì)胞活化再生,增強(qiáng)肝功能。其豐富的卵磷脂還可以增強(qiáng)大腦功能,清除血管中的沉積物,提高記憶力[2]。

隨著科技的發(fā)展,人們開始采用各種不同的提取技術(shù)來(lái)提取植物多糖。如熱水浸提法是提取植物多糖最傳統(tǒng)的方法之一,其技術(shù)簡(jiǎn)單安全、易操作,但提取溫度高、提取時(shí)間長(zhǎng),可能會(huì)引起多糖的降解,破壞其結(jié)構(gòu)和生理活性[3];酸堿浸提法能有效利用酸堿液使植物細(xì)胞的細(xì)胞壁吸水破裂,同時(shí)破壞細(xì)胞膜的通透性,使多糖從細(xì)胞中游離出來(lái),但此方法也會(huì)使多糖的結(jié)構(gòu)和生理活性遭到破壞[4];超聲輔助水提法具有提取時(shí)間短、提取效率高、提取溫度低等優(yōu)勢(shì),但此法效率受設(shè)備影響較大[5-6];微波輔助水提法具有提取量高、原料預(yù)處理成本低、快速準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì),同時(shí)也存在耗能大、耗材多、耗時(shí)長(zhǎng)、提取效率低等缺點(diǎn)[7-8];酶法提取的反應(yīng)條件溫和,產(chǎn)物不易變性、環(huán)保節(jié)能,但對(duì)溫度、pH等實(shí)驗(yàn)條件的要求較高[9];亞臨界水提取法提取速度快、效率高、能夠連續(xù)運(yùn)行,但對(duì)樣品的形狀粒度要求較高[10];復(fù)合水提法操作較簡(jiǎn)便,但浸出成分較復(fù)雜,不利于精制[11]。因此可根據(jù)原料的特性和實(shí)驗(yàn)的具體要求選擇合適的方法。

目前,有關(guān)超聲輔助提取和高壓脈沖電場(chǎng)輔助提取[12-14]的研究很多,兩者各具有不同優(yōu)勢(shì)[15-16],但關(guān)于超聲協(xié)同靜電場(chǎng)輔助提取的文獻(xiàn)不多。謝閣等[17]將超聲波技術(shù)和高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)了一種新型提取技術(shù),用于酵母細(xì)胞中蛋白質(zhì)和核酸的提取。結(jié)果表明:蛋白質(zhì)和核酸得率分別達(dá)到45.86%和53.75%,其中蛋白質(zhì)的得率是高壓脈沖電場(chǎng)單獨(dú)作用時(shí)的1.37倍,是超聲波單獨(dú)作用時(shí)的1.74倍,核酸的得率是高壓脈沖電場(chǎng)單獨(dú)作用時(shí)的1.33倍,是超聲波單獨(dú)作用時(shí)的1.96倍。王家德等[18]等利用超聲-電場(chǎng)集成反應(yīng)器研究有機(jī)物2-氯酚的降解效果,結(jié)果表明在超聲電場(chǎng)協(xié)同作用下,2-氯酚的降解速率常數(shù)是單獨(dú)作用時(shí)的1.32倍,說(shuō)明超聲和電場(chǎng)之間存在協(xié)同效應(yīng)。

用超聲協(xié)同高壓矩形脈沖電場(chǎng)輔助提取技術(shù)對(duì)黃花菜粉末進(jìn)行處理,在超聲場(chǎng)中加入靜電場(chǎng),可對(duì)溶液產(chǎn)生細(xì)微的干擾,增加溶液中的大直徑氣泡的數(shù)量,從而增強(qiáng)超聲的空化效應(yīng),使黃花菜多糖充分溶出。目前關(guān)于超聲-電場(chǎng)耦合提取植物多糖應(yīng)用研究較少,因此本實(shí)驗(yàn)在前期單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取植物多糖的方法,利用響應(yīng)曲面對(duì)實(shí)驗(yàn)條件(提取時(shí)間、提取溫度、超聲功率和電壓)進(jìn)行優(yōu)化,并對(duì)黃花菜粗多糖Hemerocallis citrina polysaccharide(HCPS)的抗氧化活性進(jìn)行測(cè)定。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黃花菜 產(chǎn)地廣州,購(gòu)于梅州銀新現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司;無(wú)水乙醇、苯酚、濃硫酸、葡萄糖、氫氧化鈉、硫酸亞鐵、水楊酸、Tris試劑、抗壞血酸、鄰苯三酚等 均為國(guó)產(chǎn)分析純。

DFY-500型手提式萬(wàn)能粉碎機(jī) 浙江省溫嶺市林大機(jī)械有限公司;SB-5DTD型超聲波提取器 寧波新芝生物科技有限公司;DE-100型高精度雙極高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器 大連鼎通科技有限公司;DKB-10型數(shù)顯智能低溫恒溫循環(huán)器 寧波新芝生物科技有限公司;SH2-CD型循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;UV-5200型可見光分光光度計(jì) 上海元析儀器有限公司;DHG-9146A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;BS200S型電子天平 德國(guó)Sartorous公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 黃花菜的預(yù)處理 將黃花菜在50 ℃的電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中烘干、粉碎、過(guò)60目篩,將粉碎后的粉末用石油醚(沸點(diǎn)中60～90 ℃)回流脫脂4 h,再用75%的乙醇浸泡24 h后抽濾,以除去色素、黃酮、單糖、寡糖等物質(zhì),自然風(fēng)干后裝入塑封袋中待用。

1.2.2 超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)輔助提取黃花菜多糖的方法

1.2.2.1 超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖實(shí)驗(yàn)裝置 提取實(shí)驗(yàn)裝置如圖1;超聲發(fā)生器的頻率為20 kHz,不可調(diào),額定輸出電功率為450～1050 W,作用方式為無(wú)間歇連續(xù)作用;高精度雙極高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器的額定輸出電壓可在0～50 kV間連續(xù)變化;矩形脈沖電場(chǎng)的脈沖頻率通過(guò)時(shí)間控制器調(diào)節(jié),電壓的變化頻率如圖2所示;恒溫循環(huán)器的溫度變化范圍為-5～100 ℃。提取過(guò)程中,超聲發(fā)生器和電場(chǎng)發(fā)生器同時(shí)開同時(shí)關(guān)。

圖1 超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasound combinedwith high pulsed electric field assisted-extraction device注:1:高精度雙電極高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器,2:時(shí)間控制器,3:超聲波發(fā)生器,4:被絕緣玻璃包裹的電極,5:密封橡膠塞,6:錐形瓶,7:超聲水浴槽,8:恒溫循環(huán)器,9:超聲波換能器。

圖2 矩形脈沖電場(chǎng)電壓變化示意圖Fig.2 The diagram of the change of theelectrical field voltage with time

1.2.2.2 超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖工藝 準(zhǔn)確稱取經(jīng)預(yù)處理后的黃花菜粉末5.00 g,置于250 mL錐形瓶中,添加一定比例的蒸餾水,用橡膠塞密封,固定于超聲水浴槽的中央(事先將超聲水浴槽中的水溫恒定在一定溫度),調(diào)整電極棒的位置,使其下端位于提取液以下,同時(shí)打開超聲和靜電場(chǎng)發(fā)生器,在設(shè)定的提取條件(液料比、提取時(shí)間、提取溫度、超聲功率、電壓、電場(chǎng)頻率)下進(jìn)行提取。提取一段時(shí)間后,將提取后的物料在4000 r/min下離心15 min,收集上清液,通過(guò)400目紗布過(guò)濾,得到黃花菜多糖粗提液,測(cè)量粗提液體積。精確移取5 mL粗提液加入4倍體積無(wú)水乙醇攪拌均勻,密封置于4 ℃冰箱醇沉24 h,在4000 r/min,4 ℃條件下離心10 min得黃花菜多糖沉淀物,將沉淀物復(fù)溶于蒸餾水,置于250 mL容量瓶中定容,得黃花菜粗多糖溶液。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.3.1 料液比對(duì)黃花菜多糖得率的影響 在溫度50 ℃、超聲功率550 W、脈沖電壓5 kV、脈沖頻率為1/120 s-1的條件下,分別以1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 (g/mL)的料液比提取20 min,考察不同液料比對(duì)黃花菜多糖得率的影響。

1.2.3.2 提取時(shí)間對(duì)黃花菜多糖得率的影響 在液料比為1∶25 (g/mL)、提取溫度50 ℃、固定超聲功率550 W、電場(chǎng)電壓5 kV,脈沖頻率為1/120 s-1的條件下,分別提取10、20、30、40、50 min,考察不同提取時(shí)間對(duì)黃花菜多糖得率的影響。

1.2.3.3 提取溫度對(duì)黃花菜多糖得率的影響 在液料比為1∶25 (g/mL)、提取時(shí)間為30 min、超聲功率550 W、電場(chǎng)電壓為5 kV、脈沖頻率1/120 s-1的條件下,分別在40、50、60、70、80 ℃的溫度下提取30 min,考察不同溫度對(duì)黃花菜多糖得率的影響。

1.2.3.4 電場(chǎng)電壓對(duì)黃花菜多糖得率的影響 在液料比為1∶25 (g/mL)、溫度60 ℃、超聲功率550 W、脈沖頻率1/120 s-1的條件下,分別以5、10、15、20、25 kV的電壓提取30 min,考察不同脈沖電壓對(duì)黃花菜多糖得率的影響。

1.2.3.5 超聲功率對(duì)黃花菜多糖得率的影響 在液料比為1∶25 (g/mL)、溫度為60 ℃、電場(chǎng)電壓15 kV、脈沖頻率1/120 s-1的條件下,分別以450、550、650、750、850 W的超聲功率提取30 min,考察不同超聲功率對(duì)黃花菜多糖得率的影響。

1.2.3.6 脈沖頻率對(duì)黃花菜多糖得率的影響 在料液比為1∶25 (g/mL)、溫度60 ℃、電場(chǎng)電壓15 kV、超聲功率650 W的條件下,脈沖頻率分別以1/120、1/360、1/600、1/900、1/1800 s-1的脈沖頻率提取30 min,考察不同脈沖頻率對(duì)黃花菜多糖得率的影響。

每組實(shí)驗(yàn)均平行三次,考察單因素對(duì)黃花菜多糖提取得率的影響。

1.2.4 響應(yīng)面試驗(yàn) 在前期超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上(液料比、提取時(shí)間、提取溫度、超聲功率、電場(chǎng)電壓、電場(chǎng)頻率),在液料比為1∶25 (g/mL),脈沖頻率為1/600 s-1的條件下,選取提取時(shí)間、提取溫度、超聲功率、電場(chǎng)電壓四個(gè)對(duì)黃花菜多糖得率有顯著影響的因素進(jìn)行四因素三水平響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)研究不同提取參數(shù)間的交互影響及其對(duì)黃花菜得率的影響,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)的提取方案。實(shí)驗(yàn)因素和水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素及水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken design

1.2.5 硫酸-苯酚法測(cè)定黃花菜多糖含量 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制參考文獻(xiàn)[19]中的方法:葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品烘干至恒重,準(zhǔn)確稱取50 mg,定容于500 mL容量瓶中,分別準(zhǔn)確吸取0.50、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00、6.00 mL葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液置于100 mL容量瓶中定容。分別準(zhǔn)確移取1 mL定容后的溶液,置于10 mL具塞比色管中,加入1 mL 6%苯酚,搖勻后加入5 mL濃硫酸,振蕩均勻后,置于40 ℃的水浴鍋中反應(yīng)30 min,冷卻后測(cè)定490 nm處的吸光度值,蒸餾水作為空白。以葡萄糖的濃度為橫坐標(biāo),吸光度值為縱坐標(biāo),繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線(回歸方程為y=0.00814+0.01071x,R2=0.9999)。

樣品中多糖含量的測(cè)定:精確移取上述定容后的粗多糖溶液1 mL于10 mL具塞比色管中,按上述步驟反應(yīng)測(cè)定其吸光度,通過(guò)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程計(jì)算多糖含量。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,取三次平均值作為最終結(jié)果。

多糖含量(g)=(硫酸-苯酚法測(cè)得沉淀中多糖的含量×提取液的總體積)/5×0.9

其中,0.9為葡萄糖換算成粗多糖的校正系數(shù)。

式(1)

式中:A0為用蒸餾水代替多糖溶液的空白組溶液的吸光度;Ai為反應(yīng)結(jié)束后混合溶液的吸光度;Aj為多糖樣品本身的吸光度。

1.2.7 黃花菜多糖對(duì)羥自由基的清除能力 參照文獻(xiàn)[21]中的方法進(jìn)行測(cè)定:分別移取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL響應(yīng)面優(yōu)化后最優(yōu)條件下的黃花菜粗多糖溶液于10 mL具塞比色管中,補(bǔ)加蒸餾水至1 mL,加入6 mmol/L的FeSO4溶液2 mL,6 mmol/L的H2O2溶液2 mL,搖勻,靜置10 min后,再加入6 mmol/L的水楊酸溶液2 mL,搖勻后在37 ℃條件下恒溫水浴反應(yīng)30 min,冷卻,在510 nm波長(zhǎng)處測(cè)吸光度。以抗壞血酸溶液作為對(duì)照。對(duì)·OH的清除率計(jì)算公式如下;

式(2)

式中:A0為用蒸餾水代替多糖溶液的空白組溶液的吸光度;Ai為反應(yīng)結(jié)束后混合溶液的吸光度;Aj為多糖樣品本身的吸光度。

1.2.8 黃花菜多糖對(duì)DPPH·的清除能力 黃花菜多糖對(duì)DPPH自由基的清除能力參照[22]中描述的方法進(jìn)行測(cè)定,具體步驟如下:分別移取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL的黃花菜粗多糖溶液于10 mL具塞比色管中,補(bǔ)加蒸餾水至1 mL,加入0.1 mmol/L的DPPH溶液2 mL,搖勻后置于暗處在室溫下反應(yīng)30 min,隨后517 nm處測(cè)定溶液的吸光度,以抗壞血酸溶液作為對(duì)照。對(duì)DPPH自由基的清除率的計(jì)算公式如下:

式(3)

其中:A0為用蒸餾水代替多糖溶液的空白組溶液的吸光度;Ai為多糖溶液與DPPH溶液反應(yīng)結(jié)束后混合溶液的吸光度;Aj為多糖樣品本身的吸光度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

Design Expert 軟件(版本8.0.6)專業(yè)版統(tǒng)計(jì)分析軟件和Origin(版本9.0)軟件對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 料液比對(duì)黃花菜多糖得率的影響 由圖3可知,當(dāng)液料比從1∶10 (g/mL)增加至1∶30 (g/mL)時(shí),黃花菜多糖的得率從5.31%增至7.46%,當(dāng)液料比為1∶25 (g/mL)時(shí),得率達(dá)到最大,隨著液料比的繼續(xù)增大,得率出現(xiàn)了略微的降低,這是由于料液比越大,溶液中溶出雜質(zhì)相對(duì)增多,加入乙醇后醇沉多糖較困難,導(dǎo)致測(cè)得的得率降低。除此之外,較高的液料比會(huì)加大后期多糖處理過(guò)程中的難度。因此選擇最適宜的料液比為1∶25 (g/mL)。

圖3 料液比對(duì)黃花菜多糖得率的影響Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on the yield of HCPS

2.1.2 提取時(shí)間對(duì)黃花菜多糖得率的影響 由圖4可知,當(dāng)提取時(shí)間從10 min延長(zhǎng)至30 min時(shí),黃花菜的得率隨之增加,從6.11%增至7.84%;繼續(xù)延長(zhǎng)提取時(shí)間,黃花菜的得率開始下降,這是由空化效應(yīng)和超聲傳播過(guò)程產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)造成的,除此之外,超聲作用時(shí)間的延長(zhǎng)可能會(huì)造成更多溶解在溶劑中的多糖被分解,從而使多糖的含量降低,因此選擇最適宜的提取時(shí)間為30 min。

圖4 提取時(shí)間對(duì)黃花菜多糖得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on the yield of HCPS

2.1.3 提取溫度對(duì)黃花菜多糖得率的影響 由圖5可知,當(dāng)提取溫度為60 ℃,黃花菜多糖的得率最高,為8.16%。低于或者高于60 ℃,黃花菜多糖的得率都隨之降低。這說(shuō)明在60 ℃時(shí),體系中超聲空化和溶質(zhì)擴(kuò)散的協(xié)同效應(yīng)達(dá)到了最大。因此選擇最適宜的提取溫度為60 ℃。

圖5 提取溫度對(duì)黃花菜多糖得率的影響Fig.5 Effect of extraction temperature on the yield of HCPS

2.1.4 電場(chǎng)電壓對(duì)黃花菜多糖得率的影響 由圖6可知,當(dāng)電場(chǎng)電壓從5 kV增至15 kV時(shí),黃花菜多糖的得率隨之增加,從7.92%增至8.57%;隨著電場(chǎng)電壓繼續(xù)增大,黃花菜多糖的得率開始下降。電場(chǎng)電壓的大小直接影響了體系中電場(chǎng)的強(qiáng)度,并加速了溶劑中陰陽(yáng)離子的擴(kuò)散速度,進(jìn)而加快多糖的擴(kuò)散速度,并且高壓電場(chǎng)的存在可以對(duì)溶液產(chǎn)生微干擾,使溶液中空化氣泡的形狀發(fā)生變化,爆破時(shí)間減短,從而增加空化效應(yīng),促進(jìn)多糖得率的增加[23]。因此選擇最適宜的脈沖電壓為15 kV。

圖6 電場(chǎng)電壓對(duì)黃花菜多糖得率的影響Fig.6 Effect of electrical voltage on the yield of HCPS

2.1.5 超聲功率對(duì)黃花菜多糖得率的影響 由圖7可知,當(dāng)超聲功率在450～850 W范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí),超聲功率為650 W最接近此范圍內(nèi)的聲化學(xué)產(chǎn)額的極值,此時(shí)多糖的得率最大,高于或低于650 W,多糖的得率都有所降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是:當(dāng)超聲功率低于極限值時(shí),超聲空化效應(yīng)增強(qiáng),當(dāng)功率高于極限值時(shí),體系中產(chǎn)生沖擊波和微射流相互作用,通過(guò)反射或散射使彼此的能量衰減,相隨而來(lái)的正聲壓相來(lái)不及被壓縮至崩潰,空化時(shí)間減少。因此選擇最適宜的超聲功率為650 W。

圖7 超聲功率對(duì)黃花菜多糖得率的影響Fig.7 Effect of ultrasonic power on the yield of HCPS

2.1.6 脈沖頻率對(duì)黃花菜多糖得率的影響 由圖8可知,隨著脈沖頻率的變化,黃花菜得率的波動(dòng)不大，當(dāng)脈沖頻率為1/600 s-1時(shí),黃花菜多糖的得率達(dá)到最大9.61%。通過(guò)不斷改變電壓的正負(fù)來(lái)調(diào)整電場(chǎng)的方向,使電場(chǎng)中的離子可以不停做往返的定向運(yùn)動(dòng),從而加快體系中物質(zhì)的擴(kuò)散速度。除此之外,電場(chǎng)方向的改變會(huì)引起空化泡形狀的改變從而影響超聲空化作用。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)脈沖頻率為1/600 s-1時(shí),黃花菜多糖的得率最高,說(shuō)明體系中電場(chǎng)和超聲的耦合作用最強(qiáng),因此選擇最適宜的脈沖頻率為1/600 s-1。

圖8 脈沖頻率對(duì)黃花菜多糖得率的影響Fig.8 Effect of pulsed frequency on the yield of HCPS

2.2 響應(yīng)面對(duì)黃花菜多糖提取條件的優(yōu)化試驗(yàn)

單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果幫助確定了響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的因素和因素水平,綜合超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,在液料比為1∶25 (g/mL),脈沖頻率為1/600 s-1的條件下,選取提取時(shí)間、提取溫度、超聲功率、電場(chǎng)電壓四個(gè)對(duì)黃花菜多糖得率有顯著影響的因素進(jìn)行四因素三水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)[24-25]。

2.2.1 響應(yīng)面結(jié)果及分析 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多重回歸分析各個(gè)提取因素與多糖得率之間的關(guān)系,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,得到二次回歸方程:

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面值Table 2 Box-Behnken experimental designand the response values

其中,Y為黃花菜多糖得率;X1、X2、X3、X4分別為提取時(shí)間、提取溫度、超聲功率、電場(chǎng)電壓的編碼水平。

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Results of variance analysis

2.2.2 因素間交互影響 根據(jù)回歸方程利用Design-Expert軟件繪制的等高線圖和響應(yīng)面分析圖見圖9,每個(gè)響應(yīng)面3D分析圖及其等高線圖都表示當(dāng)其中兩個(gè)獨(dú)立變量保持在0水平時(shí),另外兩個(gè)獨(dú)立變量之間的交互作用。由圖9可知,超聲功率對(duì)黃花菜多糖得率的影響最為明顯,因?yàn)槠鋵?duì)應(yīng)的曲線陡峭程度最高,其次是電場(chǎng)電壓、提取溫度,提取時(shí)間對(duì)黃花菜多糖得率的影響最小。從等高線中可以顯示交互效應(yīng)的強(qiáng)弱,圓形表示交互作用不顯著,橢圓形則表示交互作用顯著,由圖9等高線圖可以看出,提取時(shí)間與超聲功率的交互作用對(duì)黃花菜多糖得率的影響最為顯著,表現(xiàn)為等高線分布最密集,且圖形為橢圓形[26-27];提取溫度與超聲功率之間的交互作用也較為顯著。而提取時(shí)間與提取溫度、提取時(shí)間與電場(chǎng)電壓、提取溫度與電場(chǎng)電壓、超聲功率與電場(chǎng)電壓之間的交互作用并不明顯。

圖9 各因素交互作用對(duì)黃花菜多糖得率的響應(yīng)曲面圖和等高線圖Fig.9 Response surface diagram and contour diagram of the interaction of various factors on the yield of HCPS

為了得到最佳提取方案,對(duì)所得的回歸擬合方程進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化,選擇黃花菜多糖得率最高的工藝參數(shù)組合作為最佳提取方案。結(jié)果表明,當(dāng)提取時(shí)間為30.52 min,提取溫度為59.11 ℃,超聲功率為676.80 W,電場(chǎng)電壓為14.29 kV時(shí),黃花菜多糖的得率最高為10.07%。考慮到實(shí)際操作的可行性,將最優(yōu)提取工藝改為提取時(shí)間30 min,提取溫度59 ℃,超聲功率700 W,脈沖電壓14 kV,此條件下進(jìn)行三次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),每次實(shí)驗(yàn)測(cè)定兩個(gè)平行值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為10.09%、10.13%、9.98%、10.19%、9.92%、9.85%,得到黃花菜多糖的平均得率為10.03%。與模型預(yù)測(cè)的得率相比,實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之間沒(méi)有顯著差異(P>0.05),表明響應(yīng)面優(yōu)化分析得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。

2.3 黃花菜多糖對(duì)超氧陰離子自由基的清除能力

圖10 黃花菜粗多糖超氧陰離子自由基清除能力Fig.10 The scavenging activity of HCPS

2.4 黃花菜多糖對(duì)·OH的清除能力

·OH在人體的含量最高,它能夠殺死紅細(xì)胞,降解DNA和破壞細(xì)胞膜,因此危害性最大。黃花菜多糖清除·OH的效果見圖11。由圖可知,黃花菜多糖清除·OH的能力最好。在0～1.0 mg/mL濃度范圍內(nèi),其對(duì)·OH的清除率隨濃度的增加而增加,具有一定的量效關(guān)系。當(dāng)濃度為1.0 mg/mL時(shí),黃花菜粗多糖對(duì)·OH的清除率可達(dá)70.61%,低于相同濃度的抗壞血酸的清除率。

圖11 黃花菜粗多糖羥基自由基清除能力Fig.11 The ·OH scavenging activity of HCPS

2.5 黃花菜多糖對(duì)DPPH·的清除能力

黃花菜多糖對(duì)DPPH·的清除能力見圖12。在0.2～1.0 mg/mL濃度范圍內(nèi),黃花菜粗多糖HCPS對(duì)DPPH·具有一定地清除能力,并且隨著多糖濃度的增大,對(duì)DPPH·的清除能力也隨之增大,呈一定的線性關(guān)系,當(dāng)濃度為1 mg/mL時(shí),黃花菜粗多糖對(duì)DPPH·的清除率為49.28%,而相同濃度條件下陽(yáng)性對(duì)照組抗壞血酸DPPH·的清除率達(dá)到了95.75%,由此可知,與抗壞血酸相比,黃花菜多糖清除DPPH·的能力較弱。

圖12 黃花菜粗多糖對(duì)DPPH·的清除能力Fig.12 The DPPH free radical scavenging activity of HCPS

3 結(jié)論

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)對(duì)超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果如下:影響黃花菜多糖得率的各因素按其影響程度的大小排序依次為超聲功率>電場(chǎng)電壓>提取溫度>提取時(shí)間,通過(guò)多重回歸分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到最佳提取工藝為:提取時(shí)間30 min,提取溫度59 ℃,超聲功率700 W,脈沖電壓14 kV,液料比1∶25 (g/mL),脈沖頻率1/600 s-1。在此提取條件下黃花菜多糖的得率可達(dá)到10.03%,這對(duì)于提高多糖得率具有一定的指導(dǎo)意義。對(duì)黃花菜多糖的體外抗氧化活性進(jìn)行研究可知,黃花菜多糖對(duì)DPPH自由基的清除效果不是很明顯,但對(duì)超氧陰離子自由基和羥基自由基都具有一定的清除效果,并且清除羥基自由基的能力大于清除超氧陰離子自由基的能力,因此可以作為一種抗氧化劑加以利用。