響應曲面法優化灰棗多糖的提取工藝

彭雪萍，李星科，馬路遙，王會曉，縱偉

（鄭州輕工業學院食品與生物工程系，河南鄭州450002）

大棗營養豐富，不但含有大量的糖類物質，還含有VC、核黃素、硫胺素、胡蘿卜素、尼克酸等多種營養成分，可謂“補品之王”[1-3]，此外大棗還具有廣泛的藥用價值，可提高人體免疫功能，增強抗病能力。研究表明，大棗多糖是大棗的主要活性成分之一，具有免疫、興奮、清除自由基、抗衰老作用，目前，國內外對大棗多糖的提取已有一些文獻報道[4-6]，而灰棗是河南省主要的大棗品種，而對灰棗多糖的研究較為少見。因此，本文利用水提法，通過單因素及響應曲面法優化實驗[7-8]，研究各因素對多糖得率的影響，為灰棗多糖的開發利用提供一定技術參考。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

灰棗：采自河南新棗，45 ℃烘干，粉碎到40 目后備用。

1.1.2 儀器

RE-52A 旋轉蒸發器：上海亞榮生化儀器廠；SP-2102PC 分光光度計：上海光譜儀器有限公司；LXJ-64-01 離心機：北京醫療器械總廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 提取方法

稱取干燥、去核、粉碎的灰棗50 g 放入具塞圓底燒瓶，加入適量水并混勻，按各種設定條件（溫度、料液比、時間）進行提取，過濾后離心，濾渣加入一定量的水進行第2 次提取，合并2 次提取液，濃縮，將糖提取液加80%乙醇沉淀，靜置5 h，離心，氯仿正丁醇脫蛋白，然后復溶，測定多糖含量。

1.2.2 測定方法

多糖含量測定：苯酚硫酸法[9-10]

得率（%）=提取物中多糖的含量/灰棗干物質質量×100%

1.2.3 單因素對多糖提取效果的影響

1.2.3.1 提取次數對多糖提取效果的影響

料液比1 ∶20，提取溫度80 ℃，分別提取1、2、3次，每次提取4 h，研究提取次數對多糖得率的影響。

1.2.3.2 不同料液比對多糖提取效果的影響

料液比（g/v）分別為1 ∶5、1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25、1 ∶30，提取溫度80 ℃、提取2 次，每次提取4 h，研究不同料液比對多糖得率的影響。

1.2.3.3 不同溫度對多糖提取效果的影響

料液比1 ∶20，于50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃分別提取4 h，各提取2 次，研究提取溫度對多糖得率的影響。

1.2.3.4 不同提取時間對多糖提取效果的影響

料液比1 ∶20，提取溫度80 ℃，每次提取時間分別為：1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h，提取2 次，研究提取時間對多糖得率的影響。

1.2.4 響應曲面法優化試驗

在上述單因素試驗的基礎上，采用中心組合試驗Box-Behnden 設計方案，以A、B、C 代表料液比、提取溫度、提取時間三因素，并以-1、0、+1 分別代表自變量的低水平、中水平、高水平，試驗設計因素水平如表1。

表1 Box-Behnden 試驗設計因素水平表Table 1 Factors and levels of test design of Box-Behnden

2 結果與分析

2.1 單因素試驗及分析

2.2.1 提取次數對灰棗多糖提取效果的影響

提取次數對多糖提取效果的影響見表2。

表2 提取次數對灰棗多糖得率的影響Table 2 Effect of extract number of times on yield rate of Gray Jujube polysaccharide

由表2 可知，提取一次，可提取多糖的61.55 %，提取兩次，可達到87.69%，隨著提取次數的增加，提取效率顯著下降，且次數越多，后序的濃縮負荷越重，而且還會影響生產周期，因此考慮到試際生產成本，采用二次浸提較為適宜。

2.2.2 料液比對灰棗多糖提取效果的影響

料液比對灰棗多糖提取效果的影響結果如圖1。

圖1 料液比對灰棗多糖得率的影響Fig.1 Effect of material-to-liquid on yield rate of Gray Jujube polysaccharide

由圖1 可知，隨著料液比例的增大，多糖溶出率逐漸增加，1 ∶20 時達到最高。但若進一步提高比例，多糖得率反而下降，可能是比例太大，雜質溶出較多，有效成分并未增加，這樣既費料又費工，所以綜合考慮應選擇1 ∶20。

2.2.3 溫度對大棗多糖提取效果的影響

溫度對大棗多糖提取效果的影響結果如圖2。

圖2 溫度對灰棗多糖得率的影響Fig.2 Effect of temperature on yield rate of Gray Jujube polysaccharide

由圖2 可以看出，隨著溫度的升高，多糖得率增加，在80 ℃時最高。這是由于溫度升高，分子運動加劇，多糖從大棗細胞中的溶出率增加。但如溫度繼續升高，則得率反而下降，可能是溫度太高，會破壞一些有效成分。

2.2.4 時間對大棗多糖提取效果的影響

時間對大棗多糖提取效果的影響結果如圖3。

由圖3 可知，隨著時間的延長，多糖得率逐步增加，當時間由2 h 增加至4 h 時，得率由1.64%增加到2.04%，但隨著時間的延長，得率不再上升，可能是大棗細胞液中和提取液中的多糖達到了平衡。時間再延長得率反而下降，也許是多糖結構發生了變化，故提取時間4 h 最佳。

2.3 響應曲面法試驗結果及分析

2.3.1 提取時間、料液比和提取溫度三因素優化試驗

單因素試驗結果表明，多糖提取時間4 h，料液比1 ∶20，80 ℃條件下提取效果最好，根據各提取條件，做出響應面試驗設計及結果如表3。

表3 灰棗多糖得率（料液比、溫度、時間）試驗方案與結果表Table 3 Test plan and results of yield rate（material-to-liquid，temperature、time）of Gray Jujube polysaccharide

2.3.2 模型的建立及顯著性檢驗

利用Design-Expert 軟件對表3 試驗數據進行多元回歸擬合，可得到料液比（A）、溫度（B）和時間（C）三因素的二次多項回歸模型為：

回歸模型系數顯著性檢驗結果見表4。

表4 灰棗多糖得率回歸模型系數的顯著性檢驗結果Table 4 Inspect result of conspicuousness of regression model coefficient of yield rate of Gray Jujube polysaccharide

由表4 回歸模型系數顯著性檢驗結果可以看出，該模型回歸顯著（p=0.0004＜0.05），模型的一次項A，C顯著，B 不顯著；二次項A2，B2顯著，C2不顯著；交互項AB、BC 顯著，AC 不顯著。此模型擬合度好，可以用來分析和預測灰棗多糖的提取工藝及結果。

2.3.3 水提法提取大棗多糖的響應面分析與優化

根據試驗方案與結果（表3）作出相應曲面圖4～圖6。

圖4 料液比、溫度對多糖得率的響應曲面圖Fig.4 Response surface figure of material-to-liquid，temperature on yield rate of polysaccharide

圖5 料液比、時間對多糖得率的響應曲面圖Fig.5 Response surface figure of material-to-liquid，time on yield rate of polysaccharide

圖6 溫度、時間對多糖得率的響應曲面圖Fig.6 Response surface figure of temperature，time on yield rate of polysaccharide

由圖4～圖6 可以看出，溫度和料液比、溫度和時間之間的交互作用顯著，相比較而言，時間和固液比之間的交互作用較小；從圖4 可以看出，料液比、溫度對多糖得率的影響最大，隨著固液比和溫度的增加，多糖得率也隨之增加。優化后的提取條件為：料液比1 ∶20，時間為4 h，溫度為80 ℃，在此條件下多糖的得率可達到2.8%。

3 結論

經過單因素試驗證明了提取次數對多糖得率有一定影響，以2 次提取最佳；不同料液比試驗結果為1 ∶20 時得率最高，1 ∶25 次之；不同提取溫度試驗證明80 ℃時提取效果最好，90 ℃次之；不同提取時間的試驗結果為：4 h 時多糖的提取效果最好，5 h 略有降低。經過響應曲面法建立二次多項回歸方程的預測模型，優化灰棗多糖的提取工藝，得出最佳工藝參數為：料液比1 ∶20，提取溫度80 ℃，提取時間4 h，得率為2.8 %。結果證明，該優化工藝穩定，試驗結果與模型預測值相符，可預測和分析多糖的提取工藝及結果，為灰棗資源的開發和利用奠定基礎。

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