響應曲面法優化超聲波-微波協同萃取生姜多糖工藝

劉全德，唐仕榮，王衛東，馮彩霞

(徐州工程學院食品工程學院，江蘇 徐州 221008)

響應曲面法優化超聲波-微波協同萃取生姜多糖工藝

劉全德，唐仕榮，王衛東，馮彩霞

(徐州工程學院食品工程學院，江蘇 徐州 221008)

以遠紅外干燥的生姜粉為原料，通過單因素試驗探討超聲波-微波協同萃取生姜多糖工藝中液料比、微波功率、提取時間、顆粒大小及超聲波等因素對多糖提取率的影響，利用響應曲面法對影響生姜多糖提取率的3個主要因素即微波功率、液料比和提取時間進行優化。分析表明最佳提取工藝參數：鮮生姜60℃干燥、粉碎過40目篩、純水為溶劑、液料比25:1、微波功率258W條件下提取85s，生姜多糖提取率23.65%，比熱水回流浸提6h所得提取率高21.10%。超聲波-微波協同具萃取的方法有方法簡單及萃取效率高等優點，可為生姜多糖的提取應用提供一定參考。

生姜多糖；超聲波-微波協同萃取；響應曲面；工藝

生姜是世界范圍內一種重要香辛調味料，世界年貿易量超過2萬噸，也是亞洲傳統的藥食兩用植物[1]。因其具有發汗解表、鎮痛消炎等作用，外加獨特的香辣味而深得百姓喜愛。目前，生姜研究主要集中在精油[2]和姜油樹脂[3-4]方面。植物多糖是一種天然功能性食用多糖，抗氧化，具有可溶性膳食纖維和生物活性前體的生理功能[5]，可作為防治腫瘤、冠心病、糖尿病、結腸癌、便秘等的保健食品配料和天然藥物[6-7]，也可作為糖、脂肪替代物而大量用于低熱量、低糖、低脂食品中[8]。生姜根中含有大量多糖[9]，開發生姜多糖具有重要意義。

多糖提取多采用熱水浸提法[10]和酶法[11]等。近年來，微波因促進反應的高效性、強選擇性、操作簡便、副產物少及產率高等優點在食品、天然產物、中藥和環境等領域得到廣泛的應用[12-15]。超聲波提取技術也是近年來應用于天然產物活性成分提取的一種新的手段，

可大大簡化操作、縮短提取時間、增加得率等[16-18]。本實驗主要探討生姜多糖的超聲波-微波萃取協同萃取工藝及其影響因素，為生姜多糖的進一步研究提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

鮮生姜 徐州農貿市場；葡萄糖、苯酚、濃硫酸等(均為分析純)。

CW-2000型超聲-微波協同萃取儀 上海新拓分析儀器科技有限公司；TU-1810型紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司。

1.2 方法

1.2.1 生姜多糖檢測方法

采用改良苯酚-硫酸法[19]。精確移取100μg/mL葡萄糖標準溶液0.2、0.4、0.8、1.2、1.6、2.0mL，各以純水補至2.0mL，然后分別加入質量分數6%苯酚溶液1.0mL，濃硫酸5.0mL搖勻，于沸水浴中加熱15min，然后置冷水浴中冷卻30min，在波長490nm處測定吸光度。以2.0mL純水同樣顯色操作為空白，以葡萄糖質量濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標繪制標準曲線。線性回歸得標準曲線A=0.0133C－0.0253，R2= 0.9994，表明葡萄糖在10～100μg/mL質量濃度范圍內線性關系良好。

1.2.2 生姜多糖的提取方法

新鮮生姜洗凈切片，遠紅外干燥箱中60℃干燥，粉碎過40目篩。稱取生姜粉5g于250mL萃取儀專用瓶中，加入100mL純水，250W微波處理60s，4800r/min離心15min，取上清液測定生姜多糖提取率。

通過改變微波功率、微波處理時間和液料比等因素來探討超聲波-微波協同萃取技術對生姜多糖提取的影響，通過響應面試驗優化確定最佳提取工藝參數。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 提取次數的影響

多次提取可以提高生姜多糖的提取率，但提取次數增加會延長提取時間、增加提取液體積及后續操作困難等，所以應確定合適的提取次數。生姜粉5g加純水100mL，250W條件下微波處理60s，4800r/min離心15min，殘渣加100mL純水再次處理60s，如此多次處理，分別測定每次提取液中生姜多糖提取率。結果表明，隨著提取次數的增加，生姜多糖提取率顯著下降，第二次生姜多糖的提取量約為第一次的10.7%，第三次的約為第一次的1.7%，表明2次即可將絕大部分生姜多糖提取出來，因此，提取次數選擇2次。

2.1.2 液料比的影響

溶劑用量越多，傳質推動力越高，有效成分的提取就越完全，但溶劑用量太多，又容易增加后續除去溶劑的難度，因此應選擇合適的液料比。在其他條件不變的情況，分別加入不同液料比的純水考察液料比對生姜多糖提取的影響。由圖1可看出，純水量較少時生姜多糖提取率隨液料比增大而增加，當液料比(mL/g)達到20:1時，多糖提取率趨于平穩，表明基本達到溶解平衡，過高液料比對多糖提取率增加有限，反而會增加濃縮時間及費用。因此液料比選擇20:1。

圖1 液料比對生姜多糖提取的影響Fig.1 Effect of liquid/solid ratio on polysaccharide yield

2.1.3 微波功率的影響

微波功率對生姜多糖的提取有較大影響，功率越高，體系的升溫速度越快，更高的提取溫度可以提高樣品內部的擴散能力和目標組分從樣品中解吸附的能力，從而提高提取效率；然而溫度過高也可能會引起某些成分的結構被破壞。因此，根據能夠有效提取出目標成分的原則，選取不同的功率，考察微波功率對生姜多糖提取的影響。

圖2 微波功率對生姜多糖提取的影響Fig.2 Effect of microwave power on polysaccharide yield

由圖2可知，生姜多糖提取率先隨功率的增大而增加，在250W時達到最大。這可能是由于微波對細胞膜的破碎作用隨著功率增加而逐漸增強，從而有利于提取；而當微波功率進一步增加時其強熱效應可能破壞某些成分而造成提取率下降。結果發現在較高功率下非常

容易發生暴沸而影響實驗，所以微波功率選取250W。

2.1.4 處理時間的影響

在提取過程中，決定生姜多糖提取效率的一個基本因素就是溶劑與多糖成分的接觸時間，為實現盡可能充分的提取就需要足夠的提取時間，但過長的提取時間可能引起過熱，造成組分損失，因此，需確定最佳提取時間。通過選取不同提取時間以考察時間對生姜多糖提取的影響。由圖3可知，在80s內，生姜多糖提取率隨時間的增大而增加，當超過80s后提取率增加非常有限。可能是由于微波作用下分子振動加快，摩擦導致細胞膜破碎，從而有利于多糖的提取；而當時間較長時提取液中多糖基本達到飽和而增加有限。因此處理時間選擇80s。

圖3 處理時間對生姜多糖提取的影響Fig.3 Effect of extraction duration on polysaccharide yield

2.1.5 粒度的影響

在提取工藝中，固體顆粒越細小，提取率越高，提取時間也越短；但粒度過小會顯著增加粉碎難度，而且也會增加提取后過濾的難度。分別選用不同顆粒大小的物料進行對比實驗，考察粒度對生姜多糖提取率的影響。由圖4可知，隨著顆粒變細，提取率有所增加，但增加非常有限，即40目的物料即可滿足微波提取的需要。該結果也體現了微波在活性成分提取方面的高效性。

圖4 粒度對生姜多糖提取的影響Fig.4 Effect of material particle size on polysaccharide yield

2.1.6 超聲波對提取的影響

稱取生姜粉5g，加入100mL純水，關閉超聲波僅250W微波處理80s，對比超聲波對提取的影響。結果表明，關閉超聲波時多糖提取率21.32%，協同作用時22.93%，表明超聲波對多糖提取有一定促進作用。

2.2 響應曲面優化提取工藝

2.2.1 響應曲面試驗設計及結果

結合單因素試驗，選擇微波功率、提取時間和液料比3因素，在超聲波常開條件下，利用Design-Expert軟件，采用Box-Behnken設計響應曲面試驗方案[20]，以微波功率、提取時間和液料比為自變量，分別用X1、X2、X3來表示，并以+1、0、－1分別代表變量的水平，試驗因素水平編碼如表1所示。試驗設計方案和結果見表2。

表1 生姜多糖提取工藝響應曲面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels in the response surface design

表2 響應曲面設計與試驗結果Table 2 Response surface design arrangement and experimental results

利用Design-Expert V7.0.0軟件對試驗結果進行回歸擬合，得到生姜多糖提取率對以上3個因素的二次多項回歸模型：

當晚他剛進家門，就聽趕回家的父親埋怨繼母：“云天遲交學費打什么緊，你不怕耽擱了小兒子治病？”繼母囁嚅：“沒想到有這么嚴重。當時我只想云天的學費遲交好幾天了，我怕他在同學面前沒面子。”原來徐云天走不久，弟弟疼得直打滾。家里沒錢，廉小花揣上金項鏈賤賣抱小兒子去醫院，原來徐天任得急性闌尾炎，已穿孔，再晚半小時，會有生命危險。

Y/% = 22.71+0.51X1+1.74X2+1.39X3－1.45X1X2+ 0.42X1X3－0.018X2X3－1.92X12－3.12X22－0.51X32

對該模型進行方差分析，結果見表3。由表3可知，模型具有高度顯著性(P=0.0013)，失擬項不顯著(P=0.6335)，R2Adj=0.9377和信噪比為16.067，遠大于4，可知回歸方程擬合度和可信度均較高，能夠用此模

型對生姜多糖提取率進行分析和預測。

表3 響應曲面二次回歸方程模型方差分析結果Table 3 Analysis of variances for the developed regression model

2.2.2 響應曲面分析與優化

圖5 微波功率、提取時間及其交互作用的響應曲面圖Fig.5 Response surface plot indicating the interactive effects of microwave power and extraction duration on polysaccharide yield

圖6 微波功率、液料比及其交互作用的響應曲面圖Fig.6 Response surface plot indicating the interactive effects of microwave power and liquid/solid ratio on polysaccharide yield

圖7 提取時間、液料比及其交互作用的響應曲面圖Fig.7 Response surface plot indicating the interactive effects of extraction duration and liquid/solid ratio on polysaccharide yield

根據回歸分析結果作相應曲面圖，結果見圖5～7。

由圖5～7和表3可知，模型中的提取時間和液料比、微波功率和提取時間的交互項、微波功率二次項和提取時間二次項對生姜多糖提取率有極顯著影響，而微波功率和液料比之間、液料比和提取時間之間的交互作用較小。提取時間的影響最大，液料比次之。表明各因素對生姜多糖提取率的影響不是簡單的線性關系。

2.3 協同萃取與回流提取的比較

使用同一批原料，對比超聲波-微波萃取協同法和回流提取法對生姜多糖的提取差異。回流提取法的工藝條件：過40目篩的生姜粉、液料比25:1、100℃回流提取3次、每次提取2h，生姜多糖提取率為19.53%。超聲波-微波萃取協同萃取85s的生姜多糖提取率比回流提取6h高21.10%，充分體現了超聲波、微波提取快速高效的優點。

3 結 論

通過單因素和響應曲面法探討超聲波-微波協同萃取生姜多糖的工藝條件，確定最佳提取工藝參數：鮮生姜60℃遠紅外干燥、粉碎過40目篩、純水為溶劑、液料比25:1、微波功率258W條件下提取85s，提取3次，取平均值為生姜多糖提取率23.65%，比熱水回流浸提6h的高21.10%。體現了微波、超聲波提取方法簡單、高效率等優點，具有一定的實用價值。

[1]陳燕, 倪元穎. 生姜提取物: 精油與油樹脂的研究進展[J]. 食品科學, 2000, 21(8): 6-8.

[2]陳燕, 閆紅, 蔡同一, 等. 生姜精深加工的研究[J]. 農業工程學報, 2001,17(3): 107-110.

[3]曾凡逵, 黃雪松, 李愛軍. 超臨界二氧化碳萃取姜油樹脂與溶劑浸提的比較[J]. 食品科學, 2006, 27(6): 155-157.

[4]韓菊, 魏福祥, 王改珍, 等. 生姜中姜酚的提取及其鑒定[J]. 食品工業科技, 2004, 25(3): 64-65.

[5]許慧, 黃麗英. 植物多糖生物活性的研究進展[J]. 福建醫科大學學報, 2010, 44(1): 79-82.

[6]JIANG Yong, TU Pengfei. Analysis of chemical constituents in Cistanche species[J]. Journal of Chromatography A, 2009, 1216(11): 1970-1979.

[7]YI Litao, XU Qun, LI Yucheng, et al. Antidepressant-like synergism of extracts from magnolia bark and ginger rhizome alone and in combination in mice[J]. Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry, 2009, 33(4): 616-624.

[8]王利文, 潘家禎. 超高壓超臨界微射流技術在牛蒡菊糖提取中的應用[J]. 食品與生物技術學報, 2008, 27(6): 61-64.

[9]秦衛東, 馬利華, 陳學紅, 等. 生姜多糖的提取及脫蛋白研究[J]. 食品科學, 2008, 29(4): 218-220.

[10]楊麗艷, 黃琳娟, 王仲孚, 等. 山茱萸酸性多糖FCP5-A的分離純化與結構表征[J]. 高等學校化學學報, 2008, 29(5): 936-940.

[11]蘇鈺琦, 馬惠玲, 羅耀紅, 等. 蘋果多糖提取的優化工藝研究[J]. 食品工業科技, 2008, 29(5): 198-201.

[12]朱彩平, 高貴田, 李建科, 等. 響應曲面法優化微波輔助提取平菇多糖工藝研究[J]. 食品科學, 2010, 31(4): 68-72.

[13]WANG Junlong, ZHANG Ji, ZHAO Baotang, et al. A comparison study on microwave-assisted extraction of Potentilla anserina L. polysaccharides with conventional method: molecule weight and antioxidant activities evaluation[J]. Carbohydrate Polymers, 2010, 80(1): 84-93.

[14]WEI Xinlin, CHEN Miaoai, XIAO Jianbo, et al. Composition and bioactivity of tea flower polysaccharides obtained by different methods [J]. Carbohydrate Polymers, 2010, 79(2): 418-422.

[15]范會平, 符鋒, GIUSEPPE, 等. 微波提取法對櫻桃、獼猴桃和枸杞多糖特性的影響[J]. 農業工程學報, 2009, 25(10): 355-360.

[16]谷絨. 超聲波和微波法對木耳多糖提取量的比較[J]. 食品研究與開發, 2010, 31(3): 23-25.

[17]王迪, 王偉, 牟洪舉, 等. 響應面法優化松茸菌絲體多糖超聲波提取工藝及其抗氧化研究[J]. 林產化學與工業, 2009, 29(5): 109-114.

[18]CHEN Yiyong, GU Xiaohong, HUANG Shengquan, et al. Optimization of ultrasonic/microwave assisted extraction (UMAE) of polysaccharides from Inonotus obliquus and evaluation of its anti-tumor activities[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2010, 46(4): 429-435.

[19]陳紅, 王大為, 李俠, 等. 不同方法提取大豆多糖的工藝優化研究[J].食品科學, 2010, 31(4): 6-10.

[20]李超, 鄭義, 王衛東, 等. 響應曲面法優化牛蒡籽油的微波提取工藝研究[J]. 食品與發酵工業, 2010, 36(2): 189-192.

Response Surface Methodology for Ultrasonic and Microwave Synergistic Extraction Optimization of Ginger Polysaccharides

LIU Quan-de，TANG Shi-rong，WANG Wei-dong，FENG Cai-xia
(College of Food Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221008, China)

Fresh gingers were dried in a far infrared drying oven and powder to provide a starting material for extraction ginger polysaccharides on an ultrasonic and microwave synergistic instrument. The effects of liquid/solid ratio, microwave power, extraction duration, material particle size and added ultrasonic treatment on polysaccharide yield were explored through single factor experiments. Three main affecting factors, namely microwave power, extraction duration and liquid/solid ratio were selected to carry out response surface optimization based on Box-Behnken experimental design. The optimal extraction conditions were determined as follows: drying temperature for fresh gingers, 60 ℃; sieve mesh size for powdered gingers, 40; extraction solvent; pure water; microwave power, 258 W; and extraction duration, 85 s. The polysaccharide yield obtained under these optimal conditions was 23.65%, higher than that obtained after three-time hot water reflux extraction for 2 hour each time (19.53%). Ultrasonic and microwave synergistic extraction has the benefits of simplicity and high efficiency.

ginger polysaccharide；ultrasonic and microwave synergistic extraction；response surface methodology；processing

TQ929.2

A

1002-6630(2010)18-0124-05

2010-06-21

徐州工程學院2007年度自然科學研究計劃項目(XKY2007223)

劉全德(1958—)，男，副教授，研究方向為食品工程。E-mail：lqd@xzit.edu.cn