響應(yīng)面優(yōu)化超聲輔助提取養(yǎng)心菜多糖的工藝研究

陳文娟

（漳州城市職業(yè)學(xué)院食品工程系，福建，漳州 363000）

養(yǎng)心菜（Sedum aizoon.L.），又名救心草、高鈣菜，它是景天科多年生草本植物[1]。養(yǎng)心菜耐寒、耐蔭、耐干旱且病蟲害少、無農(nóng)藥污染，是一種在我國大部分地區(qū)均可種植的綠色有機保健野菜[2-3]。養(yǎng)心菜富含黃酮類、生物堿、多糖、果酸、谷甾醇等天然有效成分，具有解毒、止血、降壓、鎮(zhèn)靜、抗疲憊、抗衰老、增強免疫力等功效，可用于預(yù)防和治療心腦血管疾病、冠心病、高血壓等，對治療失眠、心慌、煩悶、厭食、牙齦出血、病毒性感冒等也有較明顯的效果[4-5]。植物多糖是一類廣泛存在于植物體內(nèi)的物質(zhì)，具有增強免疫力、抗病毒、抗氧化、抗腫瘤等多種生物活性的一類天然高分子化合物[6-7]。對養(yǎng)心菜中多糖進行提取與利用，能大幅度地提高養(yǎng)心菜的附加產(chǎn)值。本研究采用超聲波輔助對養(yǎng)心菜中的多糖進行提取，并探索養(yǎng)心菜多糖的提取工藝，旨在于提高多糖提取率，以節(jié)省成本和降低能耗，為養(yǎng)心菜多糖的開發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

養(yǎng)心菜：采摘于漳州市馬鞍山。三氯甲烷、正丁醇、濃硫酸、苯酚，葡萄糖均為分析純；95%乙醇：食用級。

KQ-100DE 型超聲波清洗機：昆山市超聲儀器有限公司；UV-1100 型紫外可見分光光度計：上海美譜達儀器有限公司；RODI 型實驗室超純水機：上海和泰儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 養(yǎng)心菜多糖的提取工藝

將采摘的新鮮養(yǎng)心菜全株洗凈，并置于蒸餾水中浸泡30 min，后置于陰涼處晾干，轉(zhuǎn)入鼓風干燥箱中進行烘干。干燥完全后用萬能粉碎機進行粉碎，用60 目篩進行篩分，備用。稱取一定量備用的養(yǎng)心菜粉末，加入無水乙醇進行浸泡，后過濾，濾渣用石油醚進行脫脂脫色并干燥。后置于100 mL燒瓶中，按工藝設(shè)定的條件進行超聲提取，提取結(jié)束后，加入氯仿和正丁醇進行除蛋白，后離心、過濾得濾液，定容，并進行多糖含量測試。

1.2.2 多糖含量的測定

以葡萄糖為標準品對養(yǎng)心菜多糖含量進行測定，測定方法按文獻[8]進行，通過下式計算得多糖的提取率。

式中：m1為養(yǎng)心菜多糖重量，mg；m2為養(yǎng)心菜重量，g。

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 單因素試驗

在固定其它工藝條件的基礎(chǔ)上，分別考察液料比（10、20、30、40、50、60 mL/g）、超聲時間（10、15、20、25、30、35 min）、超聲溫度（40、50、60、70、80、90 ℃）和超聲功率（75、80、85、90、95、100 W）對養(yǎng)心菜多糖提取率的影響，其中每個工藝條件取三水平，提取率取均值。

1.3 響應(yīng)面實驗設(shè)計

以單因素實驗結(jié)果為依據(jù)，采用Design-Expert 8.05b 軟件處理數(shù)據(jù)[9]，選取液料比、超聲時間、超聲溫度和超聲功率4 個因素作為試驗因素，以養(yǎng)心菜多糖提取率為響應(yīng)值，設(shè)計試驗。試驗因素及水平見表1。

表1 響應(yīng)面因素水平表 Table 1 Factor level of response surface

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 液料比的影響

由圖1 可知，養(yǎng)心菜多糖提取率在液料比為30 mL/g時達到最大。這是因為隨著液料比的增大，養(yǎng)心菜多糖提取體系中溶劑量增加，促進了養(yǎng)心菜顆粒內(nèi)部多糖的溶出，而當液料比過大時，養(yǎng)心菜顆粒中的蛋白、果膠等雜質(zhì)溶出量增大，并參與多糖的溶出競爭[10]。因此選擇30 mL/g 為最佳液料比。

圖1 液料比對多糖提取率的影響 Fig.1 Effect of liquid-to-material ratio on yield of polysaccharide

2.1.2 超聲時間的影響

由圖2 可知，養(yǎng)心菜多糖提取率在超聲時間為25 min時達到最大。這是因為隨著超聲時間的延長，養(yǎng)心菜顆粒與溶劑在多糖的提取體系中作用時間增加，促進了多糖的溶出，而當超聲時間過長時，養(yǎng)心菜多糖中部分熱敏性較強的分子在長時間的超聲作用下而斷裂[11]。因此選擇25 min 為最佳超聲時間。

圖2 超聲時間對多糖提取率的影響 Fig.2 Effect of ultrasonic time on yield of polysaccharide

2.1.3 超聲溫度的影響

由圖3 可知，養(yǎng)心菜多糖提取率在超聲溫度為60 ℃時達到最大。這是因為隨著超聲溫度的升高，養(yǎng)心菜顆粒與溶劑在多糖提取體系中的擴散與碰撞加強，增加了多糖的溶出，而超聲溫度太高時，養(yǎng)心菜多糖中部分耐熱性差的分子在過高的溫度下會降解[12]。因此選擇60 ℃為最佳超聲溫度。

圖3 超聲溫度對多糖提取率的影響 Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on yield of polysaccharide

2.1.4 超聲功率的影響

由圖4 可知，養(yǎng)心菜多糖提取率在超聲功率為85 W 時達到最大。這是因為超聲功率的增加，超聲空化作用增強，促進了養(yǎng)心菜顆粒內(nèi)部多糖的溶出，使得多糖提取率增大，而當超聲功率過大時，空化作用過大，造成溶劑內(nèi)部分區(qū)域的瞬時升溫，多糖分子鏈在高溫下的容易發(fā)生斷裂[13]。因此選擇為85 W 為最佳超聲功率。

圖4 超聲功率對多糖提取率的影響 Fig.4 Effect of ultrasonic power on yield of polysaccharide

2.2 養(yǎng)心菜多糖提取工藝的響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面實驗設(shè)計與結(jié)果

以液料比A、超聲時間B、超聲溫度C 和超聲功率D 為自變量，以多糖提取量為因變量，利用Design-Expert軟件中Box-Behnken Design響應(yīng)面優(yōu)化分析模塊進行四因素三水平實驗設(shè)計，得出一組共計29 組的實驗方案，相應(yīng)的實驗設(shè)計表及實驗結(jié)果見表2 和表3。

表2 響應(yīng)面實驗結(jié)果 Table 2 Experiment results of response surface

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

對表2 的實驗數(shù)據(jù)進行分析與擬合后，得到養(yǎng)心菜多糖提取率（Y）的回歸模型為：

Y = 75.31+2.03A-1.40B+2.68C+1.37D+0.52 AB-1.44AC-0.94AD+1.35BC+0.45BD-0.04CD-1.94A2-2.17B2-4.12C2-2.37D2

回歸方程的顯著性檢驗通過Design Expert 8.05b 軟件進行分析得表3。由表3 可知，回歸方程的F = 22.73，P ＜ 0.0001，說明回歸方程達到極顯著水平；失擬度P = 0.3598 ＞ 0.05，不顯著，說明該方程的擬合值與試驗值誤差較小，擬合度較高；相關(guān)系數(shù)R2= 0.9579，表明該模型具有較高的擬合度，有超過95.79%的響應(yīng)值可以利用該模型來描述。根據(jù)F 值及P 值的大小，可以得到影響?zhàn)B心菜多糖提取率的主次順序為：超聲溫度 ＞ 液料比 ＞ 超聲時間 ＞ 超聲功率。其中一次項A、B、C、D，二次項A2、B2、C2、D2，對結(jié)果影響極其顯著（P ＜ 0.01），交互項AC、BC 對結(jié)果影響顯著（P ＜ 0.05），交互項AB、AD、BD、CD 對結(jié)果影響不顯著（P ＞ 0.05），說明養(yǎng)心菜多糖提取率與所考察的工藝條件之間不是簡單的線性關(guān)系。綜上所述，該模型可以用于分析和預(yù)測養(yǎng)心菜多糖提取率，并確立最佳的提取工藝條件，所以可以用響應(yīng)面優(yōu)化養(yǎng)心菜多糖的提取工藝。

2.2.2 響應(yīng)面分析

通過響應(yīng)面曲線圖對所考察的四個因素中任意兩因素的交互作用進行分析，可以直觀地看出各因素交互作用對響應(yīng)值的影響。響應(yīng)面曲線坡面較為陡峭，等高線較為密集，說明所考察的兩因素的交互作用對于響應(yīng)值的變動影響較大，而響應(yīng)面曲線坡面較為平緩，等高線較為稀疏，說明所考察的兩因素的交互作用對于響應(yīng)值的變動影響較小[14]。從圖5 中可以看出（其它影響較不顯著的圖略），液料比和超聲溫度交互作用的響應(yīng)面曲線最陡峭，等高線最密集，說明液料比和超聲溫度的交互作用對養(yǎng)心菜多糖提取率的影響最為顯著；超聲時間和超聲溫度交互作用的響應(yīng)面曲線相對較陡峭，等高線相對較密集，說明超聲時間和超聲溫度的交互作用對養(yǎng)心菜多糖提取率的影響顯著程度次之，同理可得，影響?zhàn)B心菜多糖提取率的各交互作用因素順序為AC ＞ BC ＞AD ＞AB ＞ BD ＞ CD。

2.2.3 實驗驗證

通過Design Expert 8.0.6 軟件，對回歸方程進行擬合，得到超聲輔助提取養(yǎng)心菜多糖的最佳工藝條件為：液料比為33.642 mL/g，超聲時間為24.07 min，超聲溫度為62.31 ℃。超聲功率85.98 W，在該工藝條件下，養(yǎng)心菜多糖提取率理論值可達76.25 mg/g，考慮到實際操作條件，將工藝條件修正為液料比為34 mL/g，超聲時間為24 min，超聲溫度為62 ℃。超聲功率為86 W，并進行3 次平行驗證實驗，實際測得養(yǎng)心菜多糖的提取率為75.48 mg/g，與預(yù)測值（76.25 mg/g）相比，其相對誤差為1.05%，說明實驗值與方程的預(yù)測值擬合性良好，可利用響應(yīng)面法對養(yǎng)心菜多糖提取工藝進行優(yōu)化。

圖5 各因素相互作用的響應(yīng)面與等高線圖 Fig.5 Response surface and contour plot of interaction of various factors

3 小結(jié)

本研究對超聲波輔助提取養(yǎng)心菜多糖的工藝條件進行了響應(yīng)面優(yōu)化，確定了養(yǎng)心菜多糖的最佳提取工藝條件為：液料比為34 mL/g，超聲時間為24 min，超聲溫度為62 ℃和超聲功率86 W。在該條件下，測得養(yǎng)心菜多糖提取率為75.48 mg/g，與預(yù)測值（76.25 mg/g）相比，其相對誤差為1.05%，說明實驗值與方程的預(yù)測值擬合性良好，可用于養(yǎng)心菜多糖提取工藝的優(yōu)化，該研究為養(yǎng)心菜提取多糖類化合物提供了理論依據(jù)和參考。