響應面法優(yōu)化槐花水溶性多糖的超聲波輔助提取工藝

徐建國，田呈瑞，胡青平，董俊榮

響應面法優(yōu)化槐花水溶性多糖的超聲波輔助提取工藝

徐建國1,2，田呈瑞1，胡青平2，董俊榮2

(1.陜西師范大學食品工程與營養(yǎng)科學學院，陜西 西安 710062；2.山西師范大學食品科學與工程系，山西 臨汾 041004)

目的：優(yōu)化超聲波輔助提取槐花水溶性多糖提取工藝。方法：采用單因素試驗和二次回歸旋轉組合試驗確定超聲波輔助提取條件。結果：在試驗范圍內各因素對槐花多糖得率的影響程度由大到小依次為超聲波處理時間、液料比、超聲波功率；超聲波輔助提取槐花多糖的最優(yōu)工藝參數(shù)為液料比31:1(mL/g)、超聲波功率217W、超聲提取時間58min、提取溫度30℃。結論：超聲波輔助提取時間短、效率高，可作為槐花水溶性多糖的提取工藝。

槐花；多糖；超聲波；提取

槐花(Sophorae Flos)為豆科植物槐(Sophora japonica L.)的干燥花或花蕾，我國大部分地區(qū)均有生長。據(jù)醫(yī)書記載[1]，槐花性味苦，微寒，歸肝、大腸經(jīng)，具有泄熱涼血、止血、利尿的作用。槐花中富含黃酮、多糖、三萜皂甙、植物甾類、鞣質、氨基酸及槐花米甲、乙、丙素等多種活性物質[1-3]。現(xiàn)代醫(yī)學研究證明，槐花具有抗菌、降壓、防止冠狀動脈硬化、改善心肌循環(huán)等多種醫(yī)療保健功能的功效[4-5]，因此對其研究具有重要意義。

超聲波輔助提取是利用超聲波熱學機理、超聲波機械機制和空化作用強化萃取過程的的傳質速率和效果，與傳統(tǒng)的浸取法相比，大大縮短了提取時間，提高了提取效率，且提取液中的雜質較傳統(tǒng)方法低，已廣泛地應用于天然產(chǎn)物的提取研究中[6-7]。目前，對槐花的研究主要集中在黃酮類化合物[8-10]，對槐花多糖的研究報道較少，目前僅有王麗華等[11]采用水提法對槐花多糖的提取及抗氧化性進行研究，提取溫度高，時間長。本研究采用響應面試驗(二次回歸旋轉組合設計)優(yōu)化超聲波輔助提取槐花水溶性多糖的工藝參數(shù)，旨在為槐花的深入研究及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

槐花：采自山西師范大學蒔英園，室溫陰干；1,1-二苯基苦基苯肼(DPPH)自由基 美國Sigma公司，其他化學試劑均為國產(chǎn)分析純；試驗用水均為蒸餾水。

1.2 儀器與設備

KQ-50DB型數(shù)控超聲波發(fā)生器 上海精密儀器生產(chǎn)有限公司；FZ102微型植物粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；HH-S恒溫水浴鍋 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；RE-52AA旋轉蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；Christ Alphal-4低溫冷凍干燥機。

1.3 方法

1.3.1 槐花水溶性多糖的提取工藝

工藝流程：干燥原料→粉碎過40目篩→石油醚脫脂→干燥得脫脂樣品→加適量蒸餾水→超聲波浸提→抽濾→濾液減壓濃縮→乙醇沉淀→離心→沉淀干燥→脫蛋白→離心去不溶物→上清液冷凍干燥→槐花水溶性多糖。

其中脫蛋白采用酶解結合Sevag法[12]進行，即配制1mg/mL木瓜蛋白酶溶液，然后將蛋白酶液與樣品液以1:100的體積比混勻，于37℃恒溫磁力攪拌器保溫2h后加入等體積Sevag液(氯仿:異戊醇=24:1，V/V)，劇烈振搖30min后在4000r/min條件下離心5min，除去變性蛋白質沉淀，取水相。反復萃取3次，得脫蛋白液。

1.3.2 多糖含量的測定方法

總糖測定采用蒽酮-硫酸法[13]，用葡聚糖作標準曲線；還原糖測定采用3,5-二硝基水楊酸(DNS)比色法[13]，用葡萄糖作標準曲線，并計算多糖質量及其得率。

1.3.3 單因素試驗

準確稱取經(jīng)預處理的槐花3.000g，放入200mL燒杯中，在其他條件相同的情況下，采用不同液料比、超聲波功率、超聲波提取時間、超聲波提取溫度進行超聲輔助提取，以槐花水溶性多糖得率為響應值，逐個考察各提取條件對提取效果的影響。

1.3.4 二次回歸旋轉組合設計試驗

根據(jù)單因素試驗結果，以影響槐花多糖得率的主要因素為輸入變量，以多糖得率為指標，采用二次回歸旋轉組合設計試驗優(yōu)化提取工藝。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有的試驗均重復3次，利用統(tǒng)計分析軟件DPS (v3.01專業(yè)版)及Excel程序對試驗結果進行分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 液料比對多糖得率的影響

在超聲波功率200W、超聲波提取時間50min、超聲波提取溫度30℃的條件下，考察液料比分別為10:1、20:1、30:1、40:1、50:1(mL/g)時對多糖得率的影響。結果如圖1所示。

圖1 液料比對多糖得率的影響Fig.1 Effect of liquid-to-solid ratio on extraction yield of polysaccharides

由圖1可知，液料比對槐花水溶性多糖得率有較大的影響。在液料比較低時，槐花多糖得率隨著液料比的增大而顯著提高，在液料比30:1時，多糖得率達到最高值，此后再增加液料比，多糖得率下降。其原因可能是加水量過大，增加了后續(xù)工藝的難度，使分離效率降低，多糖損失率增加。因此，選擇液料比30:1mL/g為宜。

2.1.2 超聲波功率對多糖得率的影響

在液料比30:1(mL/g)、超聲波提取時間50min、超聲波提取溫度30℃條件下，考察超聲波功率150、175、200、225、250W對多糖得率的影響。結果如圖2所示。

圖2 超聲波功率對多糖得率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on extraction yield of polysaccharides

由圖2可知，在超聲波功率150～200W范圍內，槐花水溶性多糖得率隨著超聲波功率的增大而提高，在超聲波功率200W時，多糖得率基本達到最大值，此后再增加超聲波功率，多糖得率并沒有明顯增加。原因可能是超聲波功率越大，其產(chǎn)生的空化作用和機械作用越劇烈，媒質粒子的速度和加速度亦越大，界面擴散層上的分子擴散就越快，結果多糖滲透出來的速度就越快[14]。但當超聲波功率達到一定值時，槐花中多糖含量逐漸減小，內外滲透壓達到平衡，多糖的滲出率便趨于恒定。因此，選擇超聲波功率為200W左右為宜。

2.1.3 超聲波提取時間對多糖得率的影響

在液料比30:1(mL/g)、超聲波提取溫度30℃、超聲波功率200W條件下，考察超聲波提取時間分別為10、30、50、70、90min時對多糖得率的影響。結果如圖3所示。

圖3 超聲波提取時間對多糖得率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic treatment time on extraction yield of polysaccharides

由圖3可知，在超聲波提取時間10～50min范圍時，隨著提取時間的延長，槐花多糖得率提高明顯，再延長時間多糖得率沒有顯著提高，當提取時間超過70min時多糖得率開始下降。原因可能是長時間的超聲波處理，其產(chǎn)生的較強的機械剪切作用會使溶出的大分子多糖的糖苷鍵斷裂，從而導致多糖含量下降。因此，超聲波提取時間應在50～70min之間為宜。

2.1.4 超聲波提取溫度對多糖得率的影響

在液料比為30:1(mL/g)、超聲波提取時間50min、超聲波功率200W的條件下，考察超聲波提取溫度分別為20、30、40、50、60℃時對多糖得率的影響。結果如圖4所示。

圖4 超聲波提取溫度對多糖得率的影響Fig.4 Effect of temperature on extraction yield of polysaccharides

由圖4可知，超聲波提取溫度在20～30℃之間，多糖得率增加比較迅速，此后再提高溫度，多糖得率沒有明顯增加，考慮到溫度提高會導致雜質的溶出量及能耗的增加，因此，試驗確定超聲波提取溫度為30℃。

2.1.5 提取次數(shù)對多糖得率的影響

在液料比30:1(mL/g)，超聲波功率200W，提取溫度30℃，超聲波提取時間50min條件下，提取4次，分別測定每次提取的多糖得率，結果如圖5所示。

圖5 提取次數(shù)對多糖得率的影響Fig.5 Effect of the number of repeated extraction on extraction yield of polysaccharides

由圖5可知，不同提取次數(shù)的多糖得率分別為3.02%、0.39%、0.19%、0.11%。綜合考慮后期濃縮的困難、產(chǎn)率及能耗等因素，選擇提取1次為宜。

2.2 超聲波輔助提取工藝優(yōu)化模型的建立

2.2.1 響應面試驗因素及編碼水平

根據(jù)單因素試驗結果，固定提取溫度30℃，選用對多糖得率影響較大的液料比、超聲波功率、超聲波提取時間3個因素，進行三因素的二次回歸旋轉組合試驗，各因素水平及編碼如表1所示。

表1 槐花水溶性糖超聲波輔助提取響應面試驗因素水平編碼表Table 1 Coded variables and their coded levels in response surface analysis

2.2.2 響應面試驗設計及結果

由DPS(v3.01專業(yè)版)統(tǒng)計分析軟件的試驗設計功能可知，三因素二次回歸旋轉組合設計包括23個試驗方案，具體試驗方案及試驗結果如表2所示。

表2 槐花水溶性多糖超聲輔助提取響應面試驗設計及結果Table 2 Experimental design and corresponding results for response surface analysis

2.2.3 回歸方程的建立與檢驗

根據(jù)表2結果，建立槐花水溶性多糖得率與液料比X1、超聲波功率X2、超聲波提取時間X3的三因素的數(shù)學回歸模型：Y=3.06051＋0.15723X1＋0.14731X2＋0.17946X3-0.20675X12-0.11837X22-0.10776X32-0.08125X1X2-0.08875X1X3＋0.03625X2X3。由表3方差分析可知：回歸方程的失擬性檢驗F1=2.247＜F0.05(5,8)=3.69，差異不顯著，可以認為所選用的二次回歸模型是適當?shù)模换貧w方程的顯著性檢驗F2=14.423＞F0.01(9,13)= 4.19，差異極顯著，說明模型的預測值與實際值非常吻合，模型成立。對回歸系數(shù)顯著性檢驗，在α=0.10顯著水平剔除不顯著項，得到優(yōu)化后的方程為：Y = 3.06051＋0.15723X1＋0.14731X2＋0.17946X3-0.20675X12-0.11837X22-0.10776X32-0.08875X1X3。

2.2.4 各因素的影響程度分析

各因素的F值可以反映出各因素對試驗指標的重要性，F(xiàn)值越大，表明對試驗指標的影響越大，即重要性越大。從表3方差分析可知，各因素對多糖得率的影響程度大小依次為超聲波提取時間＞液料比＞超聲波功率。

表3 響應面試驗結果方差分析表Table 3 Analysis variance of the constructed regression equation for extraction yield of polysaccharides

2.2.5 雙因素交互作用分析

由方差分析表可知，本試驗所建立的數(shù)學回歸模型中，只有X1和X3交互作用顯著，即液料比和超聲波提取時間的交互作用對槐花多糖的得率有顯著的影響，因此，固定超聲波功率于零水平，得到液料比和超聲波處理時間交互作用的響應曲面圖和等高線圖如圖6所示。

圖6 液料比與超聲波提取時間對多糖得率的交互作用分析Fig.6 Response surface and its contour showing the effects of liquid-to-solid ratio and ultrasonic treatment time on extraction yield of polysaccharides

由圖6可知，槐花多糖得率隨液料比和超聲波提取時間的變化會產(chǎn)生較大變化。隨著二因素交互因素編碼值的升高，多糖得率呈上升趨勢，但當編碼值達到一定組合后，多糖得率呈下降的趨勢。原因可能是過大的液料比使分離效率降低，多糖損失率增加；過長的超聲波處理時間會導致多糖的降解，這與單因素的分析結果一致。由此可知，只有當液料比和超聲波處理時間合理搭配時才能獲得更好的提取效果。

2.2.6 提取工藝參數(shù)的優(yōu)化及驗證

用頻率分析方法尋找最優(yōu)浸提條件，其中多糖得率高于2.80%的方案有24個，頻率分析結果見表4。由表4可知，在95%置信區(qū)間內多糖得率高于2.80%的優(yōu)化提取方案為液料比29.805～32.695(mL/g)、超聲波功率209.75～224.425W、超聲波提取時間54.54～61.10min，取優(yōu)化后提取條件的平均值方案，X1=0.25、X2=0.6835、X3=0.782，即液料比31.25:1(mL/g)，超聲波功率217.088W，超聲波提取時間57.82min。為便于指導實際生產(chǎn)，將最優(yōu)組合方案定為：液料比31:1(mL/g)、超聲波功率217W、超聲波提取時間58min、提取溫度30℃。按最優(yōu)組合方案中的提取條件進行驗證實驗，重復3次，取平均值，測得槐花水溶性多糖得率3.16%，與理論值3.19%接近，其相對誤差為0.94%，進一步驗證了數(shù)學回歸模型的適合性。

表4 優(yōu)化提取方案中Xi取值頻率分布表Table 4 Level distribution frequency of various extraction parameters

3 結 論

3.1 建立的超聲波輔助提取槐花水溶性多糖的提取條件優(yōu)化數(shù)學回歸模型為：Y=3.06051＋0.15723X1＋0.14731X2＋0.17946X3-0.20675X12-0.11837X22-0.10776X32-0.08875X1X3。采用此模型在本試驗范圍內能較準確地預測槐花多糖的提取率。

3.2 通過試驗結果的方差分析可知，在本實驗范圍內，各因素對槐花水溶性多糖得率的影響作用大小順序依次為超聲波處理時間＞液料比＞超聲波功率。

3.3 超聲波輔助提取槐花水溶性多糖的最佳工藝參數(shù)為液料比31:1(mL/g)、超聲波功率217W、超聲提取時間58min、提取溫度30℃。在此優(yōu)化工藝條件下，實際測得的槐花多糖得率為3.16%，與理論預測值的相對誤差為0.95%左右。

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Optimizing Ultrasonic-assisted Extraction Process for Water-soluble Polysaccharides from Sophora japonica Flower by Response Surface Methodology

XU Jian-guo1,2，TIAN Cheng-rui1，HU Qing-ping2，DONG Jun-rong2
(1. College of Food Engineering and Nutritional Science, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China；2. Departerment of Food Science and Engineering, Shanxi Normal University, Linfen 041004, China)

Purpose: To optimize the ultrasonic-assisted extraction process for water-soluble polysaccharides from Sophora japonica flower for improved extraction efficiency. Methods: The optimization strategy used was a series of one-factor-at-a-time investigations and subsequent response surface analysis based on a quadratic regression rotary combination design. Results: Within tested level ranges, the importance of four process parameters affecting extraction yield of polysaccharides from big to small was ultrasonic treatment time, liquid-to-solid ratio and ultrasonic power in turn. Ultrasonic treatment time of 58 min, ultrasonic power of 217 W and extraction temperature of 30 ℃ were found optimum for polysaccharide extraction. Conclusion: ultrasonic assistance is beneficial to shorten extraction time and improve extraction efficiency and consequently, suitable for the extraction of water-soluble polysaccharides from Sophora japonica flower.

Sophora japonica；polysaccharides；ultrasonic；extraction

TS224；TS201.1

A

1002-6630(2011)04-0112-05

2010-04-17

陜西省“13115”科技創(chuàng)新工程重大科技專項(2007ZDKJ-10)

徐建國(1971—)，男，副教授，博士，研究方向為植物資源開發(fā)利用。E-mail：xjg71@163.com