響應面法優化黃秋葵多糖超聲提取工藝

任丹丹，陳 谷*

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640)

響應面法優化黃秋葵多糖超聲提取工藝

任丹丹，陳 谷*

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640)

目的：探討黃秋葵多糖的超聲提取工藝。方法：選定時間、水料比和溫度作為影響因素，以黃秋葵多糖提取率為評價指標。在單因素試驗的基礎上，通過3因素3水平Box-Behnken中心組合試驗，建立多糖提取率的二次多項式回歸方程，經響應面回歸分析得到優化組合條件。結果：最佳提取工藝條件為提取時間20min、水料比44:1(mL/g)、提取溫度52℃、提取1次時，多糖提取率達到最大值。該條件下多糖提取率預測值為27.82%，驗證值為27.75%。結論：為黃秋葵多糖的提取工藝提供參考，有利于對黃秋葵的進一步開發利用。

黃秋葵；多糖；超聲提取工藝；響應面分析優化

黃秋葵[Abelmoschus esculentus (L.) Moench]，又名咖啡黃葵、補腎草、洋辣椒、羊角豆等，為錦葵科秋葵屬一年生草本植物，原產于非洲，現在我國部分城市有少量栽培。嫩果潤滑風味獨特，營養成分豐富，含蛋白質、脂肪、多糖、維生素、微量元素和黃酮等，是一種發展潛力巨大的營養保健蔬菜[1-3]。黃秋葵的嫩莢果中特有的黏性物質可助消化、防便秘，長期食用可治療胃炎、胃潰瘍，并可保護肝臟及增強人體耐力[4-6]。其黏液所制得浸膏可作為脂肪替代物，制作低脂肪巧克力、低脂肪餅干等[7]。除此之外，實驗證明黃秋葵具有抗疲勞、減少肺損傷、治療燒(燙)傷[8-11]等功能。任丹丹等[12]研究表明：黃秋葵多糖具有膽酸結合活性的作用。

超聲波在天然產物的提取中的應用，主要是利用超聲波的空化效應增大介質分子的運動速度，使可溶性活性成分迅速溶出[13]。響應面分析(response surface methodology，RSM) 采用多元二次回歸方程來擬合影響因素與響應值之間的函數關系，對回歸方程進行分析得到優化的工藝參數。與正交試驗設計相比，能研究幾種因素之間的交互作用，現被越來越廣泛地應用于解決多變量問題[14-15]。本實驗利用響應面分析法對黃秋葵多糖的超聲提取工藝進行優化，為進一步開發利用黃秋葵多糖提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃秋葵 廣州蔬菜批發市場。將黃秋葵清洗后冷凍干燥，磨粉過50目篩，避光密封，－20℃保存備用。無水葡萄糖、無水乙醇、苯酚(重蒸)、濃硫酸等均為國產分析純試劑。

1.2 儀器與設備

電子精密天平 德國Sartorius公司；QL-901型漩渦混合器 江蘇其林貝爾儀器公司；KQ5200DE型數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；臺式高速離心機 美國貝克曼公司；冷凍離心機 德國Eppendorf公司；UV-2300紫外-可見分光光度計 上海天美科學儀器有限公司；冷凍干燥機 美國Thermo公司； JYL-380料理機 濟南九陽股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 黃秋葵多糖的提取工藝流程

黃秋葵嫩果→蒸餾水清洗→冷凍干燥→粉碎過篩→加水浸泡→超聲提取→離心→濾液定容→測定多糖含量

1.3.2 黃秋葵多糖含量和提取率測定

用苯酚-硫酸法制備葡萄糖標準曲線，得回歸方程：y=15.6x－0.0018(R2=0.9977)，在0～40μg/mL范圍內，葡萄糖的質量濃度(x)和吸光度(y)有良好的線性關系。經超聲處理的黃秋葵水溶液，離心取100μL上清液，用蒸餾水稀釋定容至5mL。再取上述稀釋液100μL至具塞試管，添加900μL蒸餾水混勻。然后用苯酚-硫酸法測定樣品在波長490nm處的吸光度，通過回歸方程和稀釋倍數計算多糖含量。

1.3.3 提取工藝的優化

選取超聲時間、水料比、提取溫度及提取次數為主要影響因素，以黃秋葵多糖的提取率為評價指標，進行單因素試驗。在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken中心組合試驗設計方案，研究各個因素之間對多糖提取率的影響，做出響應面圖，對超聲法提取黃秋葵多糖工藝進行條件優化。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 超聲時間對多糖提取率的影響

圖1 超聲時間對黃秋葵多糖提取率的影響Fig.1 Effect of extraction time on the yield of polysaccharides from okra

固定水料比40:1(mL/g)、提取溫度60℃，研究不同超聲時間對多糖提取率的影響。由圖1可知，多糖提取率在15min附近出現最大值。隨著超聲時間的增加，提取率呈先上升再下降的趨勢?？赡苁怯捎诙嗵浅曁崛r間過長，超聲波引起產物結構變化降低提取率。因此，超聲時間選在15min左右。

2.1.2 水料比對多糖提取率的影響

固定超聲時間15min、提取溫度60℃，研究不同的水料比對多糖提取率的影響。由圖2可知，隨著水料比的增大，多糖的提取率逐漸的上升。當水料比超過40:1時，多糖提取率增幅不明顯。因此，水料比取40:1左右。

圖2 水料比對黃秋葵多糖提取率的影響Fig.2 Effect of liquid/solid ratio on the yield of polysaccharides from okra

2.1.3 提取溫度對多糖提取率的影響

固定提取時間15min、水料比40:1，研究不同的超聲溫度對多糖提取率的影響。由圖3可知，在低于60℃時，隨溫度的升高多糖提取率逐漸增加；但當提取溫度高于60℃時，提取率明顯下降。這是由于提物溫度過高會使可溶性多糖的分子結構受到破壞。因此，提取溫度選在60℃左右。

圖3 提取溫度對黃秋葵多糖提取率的影響Fig.3 Effect of temperature on the yield of polysaccharides from okra

2.1.4 提取次數對多糖提取率的影響

固定提取時間15min、水料比40:1，提取溫度60℃，研究不同的超聲次數對多糖提取率的影響。由圖4可知，黃秋葵經過1次超聲提取可以達到較好的效果。因此，選擇提取次數為1次。

圖4 提取次數對黃秋葵多糖提取率的影響Fig.4 Effect of extraction number on the yield of polysaccharides from okra

2.2 響應面分析及黃秋葵多糖提取工藝的優化

以單因素試驗結果為基礎，根據Box-Behnken中心組合試驗設計原則，選超聲時間、水料比、提取溫度3個對多糖提取率影響顯著的因素，采用3因素3水平的響應面分析方法對工藝參數進行優化。試驗因素與水平設計見表1。

表1 響應面分析因素與水平Table 1 Factors and levels in response surface design

表2 響應面分析方案及結果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

響應面分析方案和實驗結果見表2。其中，試驗號1～12是析因試驗，而13～17是中心試驗，用來估計試驗誤差。

由Design-Expert 8.0.2.0軟件處理數據，采用二次型進行變異分析(analysis of variance，ANOVA)，其方差分析結果見表3。對響應值與各個因素進行回歸擬合，該模型對應的回歸方程：

表3 方差分析Table 3 Variance analysis for the yield of polysaccharides with various extraction conditions

對二次回歸方程(1)進行方差分析，模型P＜0.01，此時回歸方差模型極顯著，該試驗方法可靠。方程失擬項不顯著，該回歸模型與實測值能較好的擬合?；貧w系數R2=0.9853＞0.9，表明該模型相關度好。回歸方程各項的方差分析表明：B、AB、AC、BC、B2、C2均達到極顯著水平。選定的因素對多糖提取率的影響大小依次為水料比、時間和溫度。

響應面Y對于因素A、B、C值構成的三維空間在二維平面上的等高圖，可直觀地反映各因素之間的相互作用。Design-Expert 8.0.2.0軟件處理得到響應面分析結果見圖5～7。

圖5 超聲時間與水料比對多糖提取率影響的響應面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction time and liquid/solid ratio on yield of polysaccharides

圖6 超聲時間與提取溫度對多糖提取率影響的響應面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction time and temperature on yield of polysaccharides

根據所得到的模型，預測最優工藝條件：超聲時間19.77min、水料比44.20:1(mL/g)、提取溫度52.35℃，在此條件下多糖的提取率理論上可達到27.82%。但考慮到實際情況將最佳工藝修正為超聲時間20min、水料比44:1(mL/g)、提取溫度52℃。在修正條件下，實際的提取率為27.75%。與理論值較為接近，因此，采用RSM法優化得到的提取條件參數可靠。

圖7 水料比與提取溫度對多糖提取率影響的響應面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots showing the interactive effects of liquid/solid ratio and temperature on yield of polysaccharides

3 結 論

本實驗使用超聲法從黃秋葵中提取分離多糖物質，對提升黃秋葵的利用價值具有較大的現實意義。通過響應面分析對其提取工藝進行優化，超聲提取的最佳工藝條件：超聲時間20min、水料比44:1(mL/g)、提取溫度52℃、提取1次，在此條件下多糖的實際提取率為27.75%。本研究為黃秋葵多糖的提取工藝提供了參考，有利于對黃秋葵的進一步開發利用。

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Optimization of Ultrasound-assisted Extraction of Polysaccharides from Okra by Response Surface Analysis

REN Dan-dan，CHEN Gu*
(College of Light Industry and Food, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Objective: To optimize the ultrasound-assisted extraction of polysaccharides from okra by response surface analysis.Methods: On the basis of single-factor experiments, the relationship between the yield of polysaccharides and main extraction conditions including extraction time, liquid/solid ratio and temperature was modeled using a 3-factor, 3-level Box-Behnken experimental design and further, the established model was analyzed by response surface methodology to obtain the optimum extraction conditions. Results: The optimum extraction conditions were obtained as follows: extraction time of 20 min, liquid/solid ratio of 44:1 and temperature of 52 ℃. Under these conditions, the estimated and observed values of maximal yield of polysaccharides were 27.82% and 27.75%, respectively. Conclusion: The results provide a reference for extraction of okra polysaccharides, and lay a foundation for future research on okra.

okra；polysaccharides；ultrasound-assisted extraction technology；response surface methodology

TQ929.2

A

1002-6630(2011)08-0143-04

2010-05-19

任丹丹(1987—)，女，碩士研究生，研究方向為糖類物質及其藥物的制備與生物利用。E-mail：rendandan619@163.com

*通信作者：陳谷(1973—)，女，副教授，博士，研究方向為糖類物質及其藥物的制備與生物利用。E-mail：chengu@scut.edu.cn