響應面優化米糠多糖的超聲波輔助提取工藝研究

張 立，王紅利，劉軍海＊

（陜西理工學院化學與環境科學學院，陜西漢中 723001）

米糠是加工稻谷的主要副產物，作為飼料原料能促進動物胃腸蠕動，提供能量，降低料肉比。飼料中加入適量的米糠，對動物生產也具有一定的促進作用（白會新等，2011；張淑芳等，2009；張晶晶等，2007）。米糠多糖具有很好的經濟效益，合理應用可以使米糠大幅增值，米糠多糖在飼料工業中已顯示出較好的應用前景，隨著國內研究的不斷深入，其在飼料中將會有不可估量的作用。本文采用超聲波輔助提取米糠多糖，探討了各因素對米糠多糖提取率的影響并優化了提取工藝，旨在為米糠多糖的研究及其資源化利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器 米糠（漢中本地），葡萄糖標準品，亞鐵氰化鉀、乙酸鋅、乙酸酐、濃硫酸、石油醚均為分析純。

JY92-Ⅱ型超聲細胞粉碎機（上海茸研儀器有限公司）；Cary50型紫外可見分光光度計（美國瓦里安）；FW117中草藥粉碎機 （天津泰斯特儀器有限公司）；SHZ-D9（Ⅲ）循環水式真空泵（鞏義市予華儀器有限公司）；GR-200電子天平（日本AND）等。

1.2 試驗方法

1.2.1 葡萄糖標準曲線的繪制 稱取干燥恒重的葡萄糖標準品0.5000 g放入潔凈的燒杯中，用蒸餾水溶解，移入500 mL的容量瓶中定容至刻度，搖勻，配制濃度為1 mg/mL的葡萄糖標準溶液備用。 精密量取標準液 0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL 置于干燥的具塞試管中，加入蒸餾水至1 mL刻度線處，再加入5%的苯酚溶液1.0 mL，搖勻，再加5 mL濃硫酸，搖勻，室溫下放置0.5 h，用1 cm比色皿于490.00 nm處測吸光度，繪制標準曲線，得標準曲線回歸方程：A=0.595C-0.0115，相關系數R2=0.9978，說明在測定范圍內葡萄糖標準品溶液線性關系良好 （式中：A為吸光度值；C為葡萄糖標準溶液，mg/mL）。

1.2.2 米糠多糖的提取流程 米糠→干燥粉碎→過40目篩→石油醚脫脂→揮發石油醚→干燥→超聲提取→抽濾→離心→取上清液→脫蛋白 （亞鐵氰化鉀-乙酸鋅）→離心→上清液→加入乙醇沉淀→干燥→加入蒸餾水溶解→按照1.2.1步驟測定吸光度→計算提取率。

1.2.3 米糠多糖含量計算方法 稱取1.0000 g備用的脫脂米糠粉末，放入50 mL燒杯中，加入一定量的蒸餾水，設置工藝參數進行超聲提取，按照流程1.2.2進行超聲波提取，按下式計算：

式中：A為多糖提取液的吸光度；Q為多糖提取液的總稀釋倍數；M為提取一次加入米糠粉末質量，g。

2 試驗結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 超聲波時間對米糠多糖提取率的影響 設定超聲波溫度70℃，超聲波功率200 W，料液比1∶20（g/mL），按照1.2.2的流程進行提取，考察不同超聲波時間對米糠多糖提取率的影響，結果如圖1所示。

圖1 超聲波時間對米糠多糖提取率的影響

超聲波產生的空化效應及機械作用能有效加快分子運動，破壞米糠的細胞壁，反應時間過短，米糠細胞壁破壞不完全，多糖提取受阻，隨著超聲波反應時間的延長，米糠多糖的提取率不斷增大，反應70 min時提取率最大，超過70 min后提取率明顯減小，這可能是因為長時間的超聲波反應對多糖的結構有一定程度的破壞，故選擇超聲波時間為70 min為宜。

2.1.2 超聲波溫度對米糠多糖提取率的影響 設定超聲波時間60 min，超聲波功率200 W，料液比1∶20（g/mL），按照 1.2.2 的流程進行提取，考察不同超聲波溫度對米糠多糖提取率的影響，結果如圖2所示。

圖2 超聲波溫度對米糠多糖提取率的影響

超聲波溫度越高，多糖分子的熱運動就越強烈，增大了米糠細胞壁的破壞幾率，能有效提高多糖溶出速率。由圖2可知，隨著超聲波溫度提高，米糠多糖提取率也相應增大，超聲波溫度為80℃時提取率最大，已達到多糖分子熱運動的極點，繼續升溫，多糖分子結構遭到破壞，提取率顯著降低。因此，選擇80℃為較佳超聲波提取溫度。

2.1.3 料液比對米糠多糖提取率的影響 設定超聲波時間60 min，超聲波功率200 W，超聲波溫度70℃，按照1.2.2的流程進行提取，考察不同料液比對米糠多糖提取率的影響，結果如圖3所示。

圖3 料液比對米糠多糖提取率的影響

1 g米糠中的多糖含量是固定的，增大料液比擴大了多糖分子的擴散空間，傳質速率提高，提取率相應增大。由圖3可知，料液比為1∶10～1∶20（g/mL）時，米糠多糖提取率隨著料液比的減小而增大，之后提取率基本不變，料液比為1∶25（g/mL）時提取率最大，但較 1∶20（g/mL）時提取率的增幅不明顯，綜合考慮提取成本及后期純化工序，選擇 1∶20（g/mL）為較佳料液比。

2.1.4 超聲波功率對米糠多糖提取率的影響 設定超聲波時間 60 min，料液比 1∶20（g/mL），超聲波溫度70℃，按照1.2.2的流程進行提取，考察不同超聲波功率對米糠多糖提取率的影響，結果如圖4所示。

圖4 超聲波功率對米糠多糖提取率的影響

超聲波功率小，其空化作用產生的空化泡半徑較小，機械擠壓及摩擦作用不明顯，細胞壁破壞程度小，不利于提取。超聲波功率越大，空化作用愈強烈，但超聲功率增大到一定程度時容易產生大量無用的空化泡，增加散射衰減，形成聲屏障，反而會減弱提取效果。由圖4可知，超聲功率為250 W時多糖提取率最大；繼續增大超聲波功率，米糠多糖提取率減小，故選擇250 W為較佳超聲波功率。

3 響應面優化設計

為了優化米糠多糖的超聲波提取工藝，在單因素試驗基礎上，根據Box-Benhnken中心組合試驗設計原理，固定超聲波功率250 W，選擇超聲波時間（X1）、超聲波溫度（X2）、料液比（X3）三個因素為影響因子，米糠多糖提取率為響應值，進行三因素三水平響應面試驗優化設計，試驗因素及設計水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗因素及設計水平

3.1 響應面試驗結果與討論 響應面試驗的15個試驗點中，1～12為析因試驗，13～15為零點試驗，按表1進行試驗，試驗結果見表2。采用軟件RSREG對表2中的結果進行多元回歸分析，回歸分析結果見表3。

表2 響應面試驗結果

由表3可知，超聲波時間（X1）、超聲波溫度（X2）及料液比（X3）對米糠多糖的提取影響極顯著，均達到0.01統計水平。比較各項系數估計值可知，各因素對米糠多糖提取的影響順序為超聲波時間>超聲波溫度>料液比，各平方項對米糠多糖的提取影響均極顯著，超聲波時間和料液比的交互作用對米糠多糖的提取影響顯著，其他交互項對米糠多糖提取影響不顯著，因此在實際提取過程中，可以適當的減少料液比，嚴格控制超聲波時間，最大化的節省提取成本。

表3 回歸分析結果

回歸分析結果顯示模型已達0.01極顯著統計水平，表明回歸模型與試驗結果數據吻合良好，失擬檢驗P>0.05，說明模型中無失擬因素存在，并且R2已達98.95%，因此，此建模能成功應用于米糠多糖的超聲波提取工藝優化。用回歸方程對米糠多糖超聲波的提取過程進行分析預測，軟件分析所得回歸方程為：

通過SAS軟件分析得回歸模型的最大響應值Y=1.424566，所對應的影響因子編碼值分別為X1=0.349158，X2=0.176187，X3=0.176885，將 X 編碼值分別回代到表1中求得對應參數，超聲波時間73.49158 min，超聲波溫度81.76187℃，料液比1∶25.884407（g/mL），為了驗證該模型實際生產操作的方便性，分別選取超聲波時間74 min，超聲波溫度82℃，料液比1∶26（g/mL）、超聲波功率250 W進行三次平行驗證試驗，米糠多糖的平均提取率為1.4197%，與預測值的誤差僅為0.33%，說明此模型可信度高。

3.2 米糠多糖的穩定性試驗 精密量取同一米糠多糖提取液10.0 mL室溫下密封，按照1.2.1的方法每隔1 h測定一次吸光度，連續測定6次，結果見表4。米糠多糖提取液在室溫密閉條件下6 h內可穩定存在，超過2 h米糠多糖含量有逐漸減小的趨勢，因此在實際應用中最好現配現用，放置時間不宜超過2 h。

表4 穩定性試驗測試結果

3.3 回收率測定試驗 精密量取已知濃度的米糠多糖提取液同批樣品2.0 mL，分別加入不同濃度的葡萄糖標準品溶液，進行2次平行試驗，按照1.2.1的方法，以空白調零，在490.00 nm處測定吸光度，按公式計算加樣回收率。米糠多糖回收率/%=（混合后測得多糖含量-提取液中多糖含量）/葡萄糖標準品加入量×100。結果見表5，平均回收率為98.51%。

表5 回收率測定結果

4 結論

4.1 響應面優化超聲波提取米糠多糖的最佳提取工藝參數為超聲波時間74 min、超聲波溫度82 ℃、料液比 1∶26（g/mL）、超聲波功率 250 W，此條件下米糠多糖的提取率為1.4197%。

4.2 超聲波提取的米糠多糖在密閉條件下6 h內穩定性良好，實際應用中應現配現用，放置時間不宜超過2 h；超聲波提取米糠多糖的平均回收率在98%以上，用于天然產物提取發展前景廣闊。

[1]白會新，單安山，鄭燕斌，等.米糠的營養特性及其在豬生產中的應用[J].中國飼料，2011，14：38 ～ 40.

[2]李淑芳，張繼東，李英，等.米糠多糖對免疫抑制雞外周血CD4+和CD8+淋巴細胞亞群的調節作用[J].畜牧與獸醫，2009，41（2）：59 ～ 63.

[3]張晶晶，李淑芳，鄭長山，等.米糠多糖對人工感染傳染性法氏囊病毒雛雞的保護力及 NK細胞活性的影響[J].中獸醫醫藥雜志，2007，3：11～14.■