響應面優(yōu)化微波輔助提取佛手山藥淀粉的工藝

李恬心 ，聶沫宇吳菲劉智禹，吳鵬胡婷*

1. 黃岡師范學院生物與農業(yè)資源學院，經濟林木種質改良與資源綜合利用湖北省重點實驗室，大別山特色資源開發(fā)湖北省協同創(chuàng)新中心（黃岡 438000）；2. 福建省水產研究所（廈門 361013）

佛手山藥，產于湖北黃岡市蘄春、黃梅、浠水，武穴等地，相傳為“禪宗四祖道信”精心培育而成，因形狀似手掌，所以被稱為“佛手山藥”[1]。佛手山藥作為一種天然功能性食品，具有抗疲勞、延緩衰老、提高免疫力、抗腫瘤、降血糖等活性成分[2-8]。研究表明，淀粉在佛手山藥各類成分中占很大比例，含量約75%[9]。

山藥淀粉用途廣泛，不僅可以用于食品行業(yè)[10]，還能用于生物可降解薄膜的生產[11]。傳統淀粉提取多數利用堿法、乙醇提取法，水沉降法[12-14]。乙醇提取法提取的淀粉純度不高，且乙醇消耗量大[12]。水沉降法提取過程耗時耗力，雜質多[13]。堿法是國內常用的淀粉提取方法，該方法提取出的淀粉純度比較高，但提取率略低[12]。研究表明，微波可有效提高薯類淀粉的提取率[15-16]。

對佛手山藥的研究主要集中在多糖的提取及活性方面[17-19]，現階段還尚未有關于佛手山藥淀粉提取條件優(yōu)化的相關文獻或報道。因此，試驗以佛手山藥為原材料，利用微波輔助提取山藥淀粉，提高淀粉得率，運用單因素試驗及響應面法優(yōu)化微波輔助提取佛手山藥淀粉的工藝條件，得到最佳提取條件，為佛手山藥淀粉的開發(fā)和利用提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

佛手山藥（購于湖北省武穴市）；碳酸鈣（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

微波化學反應器（鞏義市予華儀器開發(fā)有限公司）；PHS-3C精密pH計（上海儀電科學儀器有限公司）；FW-100高速萬能粉碎機（北京市永光明醫(yī)療儀器廠）；電子天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）；H/T18MM臺式高速離心機（湖南赫西儀器裝備有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 佛手山藥淀粉的提取工藝流程

選取新鮮山藥→切片→烘干→粉碎→佛手山藥粉→稱量→浸泡→微波浸提→攪拌→過濾→離心→調節(jié)pH→離心→洗滌→離心→烘干→佛手山藥淀粉

1.2.2 佛手山藥淀粉提取率的測定

利用電子天平稱定烘干后的佛手山藥淀粉質量，記為W1。按照式（1）計算佛手山藥粗淀粉的提取率。

式中：Y為佛手山藥粗淀粉提取率，%；W1為佛手山藥粗淀粉質量，g；W2為佛手山藥粉質量，g。

1.2.3 微波輔助提取佛手山藥淀粉的單因素試驗設計

1.2.3.1 pH對佛手山藥淀粉提取率的影響

準確稱取5份20.0 g佛手山藥粉，分別使用pH 8，9，10，11和12的石灰水，在料液比1∶5（g/mL）、微波功率240 W條件下處理30 s，探究pH對佛手山藥淀粉提取率的影響，每組試驗重復3次。

1.2.3.2 料液比對佛手山藥淀粉提取率的影響

準確稱取5份20.0 g佛手山藥粉，設置料液比1∶2，1∶3，1∶4，1∶5和1∶6（g/mL），在pH 9、微波功率240 W條件下處理30 s，探究料液比對佛手山藥淀粉提取率的影響，每組試驗重復3次。

1.2.3.3 微波時間對佛手山藥淀粉提取率的影響

準確稱取5份20.0 g佛手山藥粉，設置微波時間10，20，30，40和50 s，在pH 9、料液比1∶5（g/mL）、微波功率240 W條件下處理，探究微波時間對佛手山藥淀粉提取率的影響，每組試驗重復3次。

1.2.3.4 微波功率對佛手山藥淀粉提取率的影響

準確稱取5份20.0 g佛手山藥粉，設置微波功率80，240，400，640和800 W，在pH 9、料液比1∶5（g/mL）條件下處理30 s，探究微波功率對佛手山藥淀粉提取率的影響，每組試驗重復3次。

1.2.4 響應面分析

結合單因素試驗結果，并以佛手山藥淀粉提取率為響應值（Y），采用Box-Behnken進行試驗設計，選擇pH（A）、料液比（B）、微波時間（C）、微波功率（D）為影響因素，運用Design-Expert 8.0.6軟件進行四因素三水平響應面優(yōu)化試驗的設計，響應面試驗分析的因素及水平見表1。

表1 響應面試驗設計因素水平

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 pH對佛手山藥淀粉提取率的影響

pH對佛手山藥淀粉提取率的影響見圖1。隨著pH增加，佛手山藥淀粉的提取率呈現先增加后降低趨勢，pH 9時佛手山藥淀粉提取率達到最高，繼續(xù)增大pH，佛手山藥提取率下降。石灰水可以溶解提取物的黏液，因此可以分離淀粉和蛋白質，使纖維變得蓬松[20]，提高淀粉提取率；但是隨著pH增加，提取中淀粉糊化量會增加，淀粉提取率降低[21]。綜合考慮，控制pH為9。

圖1 pH對佛手山藥淀粉提取率的影響

2.1.2 料液比對佛手山藥淀粉提取率的影響

料液比對佛手山藥淀粉提取率的影響見圖2。隨著料液比增加，佛手山藥淀粉的提取率呈現先顯著增加后略微降低趨勢，料液比1∶2～1∶4（g/mL）范圍內，淀粉提取率增加明顯。料液比大于1∶4（g/mL）時，淀粉提取率增加緩慢，料液比1∶5（g/mL）時佛手山藥淀粉提取率達到最高，繼續(xù)增大料液比，佛手山藥提取率下降。原因是料液比小于1∶5（g/mL）時，隨著水分增加，被沖洗出的淀粉量增加，因此提取率隨著水分增加而迅速增加。料液比大于1∶4（g/mL）時，淀粉大部分被沖洗出來，只有少量淀粉殘留，所以，此時淀粉提取率的提高趨于緩慢[22]。綜合考慮，料液比應控制在1∶5（g/mL）。

圖2 料液比對佛手山藥淀粉提取率的影響

2.1.3 微波時間對佛手山藥淀粉提取率的影響

微波時間對佛手山藥淀粉提取率的影響見圖3。隨著微波時間增加，佛手山藥淀粉提取率呈現先增加后降低趨勢，微波時間30 s時，佛手山藥淀粉提取率最大。微波時間過長，浸提液溫度逐漸升高，淀粉結構受損程度加劇，破損淀粉含量增多，容易發(fā)生吸水膨脹[23]，淀粉出現糊化現象，使得淀粉提取率逐漸降低。

圖3 微波時間對佛手山藥淀粉提取率的影響

2.1.4 微波功率對佛手山藥淀粉提取率的影響

微波功率對佛手山藥淀粉提取率的影響見圖4。隨著微波功率增加，佛手山藥淀粉提取率呈現先增加后降低的趨勢，微波功率240 W時，佛手山藥淀粉提取率最大。微波功率過高時，山藥中的蛋白質等物質會變性沉淀，同時淀粉也會發(fā)生糊化，使得淀粉的提取率逐漸降低[24]。

圖4 微波功率對佛手山藥淀粉提取率的影響

2.2 響應面試驗設計優(yōu)化提取參數

2.2.1 響應面試驗結果及方差分析

對表2中各單因素與佛手山藥淀粉的提取率（Y）進行多項擬合回歸分析，得到回歸方程Y=36.92-0.20A+0.83B-2.61C-0.42D+1.75AB+1.50AC-0.60AD+ 0.75BC+2.80BD-3.68CD-4.53A2-5.91B2-11.04C2-10.07D2。式中：A為pH；B為料液比；C為微波時間；D為微波功率。

表2 微波輔助提取佛手山藥淀粉工藝條件優(yōu)化響應面試驗結果與分析

響應面回歸模型方差分析結果見表3。結果顯示：該模型的概率p＜0.01，說明該模型有顯著性；失擬項p=0.091 8＞0.05，表明不具有顯著性，即模型與試驗值差異較小，說明該模型是合適可用的。在回歸式中，p值用于驗證影響因素的重要性，其數值表示影響因素之間的相互作用，p值越小，影響因素越重要[25]。模型中一次項C影響顯著（p＜0.05），A、B、D影響不顯著（p＞0.05）；交互項AB、AC、AD、BC、BD、CD影響不顯著（p＞0.05）；二次項C2，D2影響極顯著（p＜0.000 1），A2，B2影響高度顯著（p＜ 0.01）。方差分析結果表明，影響佛手山藥淀粉提取率的主次順序是C＞B＞D＞A。

表3 響應面回歸模型結果方差分析

2.2.2 響應面各因素交叉相互作用分析

圖5～10直觀地顯示各因子相互作用的響應值和等值線分析圖。各因子的邊緣線越平緩，對提取率的影響越??；各因子的邊緣線越陡，對提取率的影響越大[26]。圖5顯示，在微波功率240 W、微波時間30 s條件下，pH上升幅度比料液比稍小，說明在對佛手山藥淀粉的提取率的影響中B＞A；圖6顯示，微波功率240 W、料液比1∶5（g/mL）時，微波時間比pH上升幅度大，說明在對佛手山藥淀粉提取率的影響中C＞A；圖7顯示，料液比1∶5（g/mL）、微波時間30 s時，微波功率的上升幅度比pH大，說明在對佛手山藥淀粉提取率的影響中D＞A；圖8顯示，微波功率240 W、pH 9時，微波時間的上升幅度比料液大，說明在對佛手山藥淀粉提取率的影響中C＞B；圖9顯示，pH 9，微波時間30 s時，料液的上升幅度比微波功率大，說明在對佛手山藥淀粉提取率的影響中B＞D；圖10顯示，pH 9、料液比1∶5（g/mL）時，微波時間的上升幅度比微波時間大，說明在對佛手山藥淀粉提取率的影響中C＞D。該結果與方差分析結果一致，說明響應面優(yōu)化法得到的最佳提取條件可靠。

圖5 料液比和pH對佛手山藥淀粉提取率影響的響應面圖

圖6 微波時間和pH對佛手山藥淀粉提取率影響的響應面圖

圖7 微波功率和pH對佛手山藥淀粉提取率影響的響應面圖

圖8 微波時間和料液比對佛手山藥淀粉提取率影響的響應面圖

圖9 微波功率和料液比對佛手山藥淀粉提取率影響的響應面圖

圖10 微波功率和微波時間對佛手山藥淀粉提取率影響的響應面圖

2.2.3 微波輔助提取佛手山藥淀粉最佳工藝條件的確定

通過響應面分析軟件Design-Expert 8.0.6計算出佛手山藥淀粉提取的最佳工藝條件：pH 8.98、料液比1∶5.35（g/mL）、微波時間26.4 s、微波功率236.6 W。該條件下考慮到實際操作的方便性和優(yōu)化結果的準確性，將提取條件更改為pH 9、料液比1∶5（g/mL）、微波時間30 s、微波功率240 W，進行3次重復試驗，測出佛手山藥淀粉的平均提取率為35.8%± 1.4%，與響應面預測值（37.1%）接近。

3 結論

為更好地開發(fā)和利用佛手山藥淀粉，利用微波輔助提取佛手山藥淀粉，以佛手山藥淀粉提取率為響應值，對微波輔助提取佛手山藥淀粉的條件進行優(yōu)化，并確定最佳提取條件：pH 9、料液比1∶5（g/mL）、微波時間30 s、微波功率為240 W。該試驗為佛手山藥及其淀粉的開發(fā)和應用提供理論基礎和技術支撐。