響應面法優化微波提取生姜多糖的工藝

王穎，曾霞，周天，王一飛

（1.廣東石油化工學院環境與生物工程學院，廣東茂名525000；2.暨南大學國家基因工程藥物研究中心廣東省生物醫藥研究開發基地，廣東廣州510632）

響應面法優化微波提取生姜多糖的工藝

王穎1，2，曾霞1，周天1，王一飛2

（1.廣東石油化工學院環境與生物工程學院，廣東茂名525000；2.暨南大學國家基因工程藥物研究中心廣東省生物醫藥研究開發基地，廣東廣州510632）

利用響應面法優化微波提取生姜中多糖的工藝條件。在單因素試驗的基礎上，選取料液比、浸泡時間、微波時間和微波功率為影響因子，應用Box-behnken中心組合設計建立數學模型，以多糖的提取率為響應值，進行響應面分析。微波提取生姜中多糖的最佳工藝條件為料液比1∶22.21（g/mL），浸泡時間為120.06 min，微波時間為86.43 s，微波功率為247.02 W。此條件下多糖的提取率預測值為18.91%，驗證值為18.93%。

響應面分析法；生姜；多糖；微波

多糖（Polysaccharides）又稱多聚糖，是生物體內除蛋白質和核酸外的又一類重要信息分子，具有多種生物活性。研究發現，多糖具有抗腫瘤、抗病毒、抗突變、抗衰老、抗凝血、降血糖和環境治理等作用［1-2］。植物多糖因具有多種生物活性而備受人們關注，生姜（Zingiber officinale Roscoe.）又名姜，白姜，均姜等，屬姜科（Zingiber Zingiberaceae）姜屬多年生草宿根植物，是常用的香辛料和傳統中醫藥材［3］。目前，已有研究表明生姜根中含有大量多糖［4］，且對其進行了相關的研究［5-9］。但利用微波方法提取生姜多糖的研究目前鮮見。本實驗以生姜多糖提取率為檢測指標，采用微波輔助法從生姜中提取多糖，選取料液比、浸泡時間、微波時間和微波功率為影響因素，對生姜多糖提取率的影響進行了研究，并通過響應面分析法對生姜多糖微波提取的最佳工藝條件進行優化［10-11］。旨在為生姜多糖的工業化提取提供一定的技術參考。

1　材料與方法

1.1材料

生姜：市售。

無水乙醇、苯酚、濃硫酸、均為國產分析純；葡萄糖對照品：天津市大茂化學試劑廠。

1.2主要儀器與試劑

DHG-9246A型數顯鼓風干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司；WP-800T型微波爐：佛山格蘭仕電器有限公司；DK-S24型電熱恒溫水浴鍋：上海精宏試驗設備有限公司；SS250-A型打漿機：佛山萬勝電器實業有限公司；AUY220電子天平：日本島金有限公司；80-2型電動離心機：常州澳華儀器有限公司；722N型可見分光光度計：上海菁華科技儀器有限公司；FA2104型分析電子天平：上海良平儀器表有限公司。

1.3方法

1.3.1生姜的預處理

將鮮生姜洗凈晾干后，切片后于真空干燥箱40℃干燥恒重，攪拌機粉碎后過40目篩得生姜粉，按1∶5加入無水乙醇80℃回流2 h、石油醚50℃回流2 h脫去脂質和色素；重復2次，過濾后風干用廣口瓶密封儲存備用。

1.3.2生姜多糖提取

精確稱量生姜粉2.000 g，放入250 mL錐形瓶中，加入一定體積的蒸餾水，按一定的微波條件（料液比，浸泡時間，微波時間及微波功率）提取。過濾后得到生姜多糖提取液。通過改變微波功率、浸泡時間、微波處理時間和料液比等因素來探討微波取技術對生姜多糖提取率的影響，通過響應面試驗優化確定最佳提取工藝參數。每組做3個重復，求其平均值。

1.3.3多糖含量的測定

1.3.3.1葡萄糖標準曲線的繪制

準確稱取105℃干燥至恒重的葡萄糖標準品0.100 0 g，置于1 000 mL容量瓶中，加蒸餾水溶解并稀釋至刻度，配制成100 μg/mL的儲備液精確移取100 μg/mL葡萄糖標準溶液0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 mL，各以純水補至1.0 mL，即得到葡萄糖濃度為10 μg/mL、30、50、70、90 μg/mL，然后分別加入質量分數6%苯酚溶液1.0 mL，濃硫酸5.0 mL搖勻，于沸水浴中加熱15 min，然后置冰水浴中冷卻15 min，室溫中放置30 min，在波長490 nm處測定吸光度。以葡萄糖質量濃度為橫坐標，490 nm波長下的吸光度（A490）為縱坐標，繪制標準曲線。線性回歸得標準曲線：y=10.228x－0.014 2，R2=0.995 2。

1.3.3.2多糖含量的測定

采用苯酚-硫酸法［12］。然后按照下列公式計算多糖的提取率。

2　結果與分析

2.1響應曲面優化提取工藝

2.1.1響應面實驗結果

在單因素試驗的基礎上，根據響應面分析軟件中Box-Benhnken的中心組合試驗設計原理，選取對生姜多糖提取率影響顯著的4個因素：料液比（A）、浸泡時間（B）、微波時間（C）、微波功率（D），采用四因素三水平的響應面分析方法進行試驗設計（見表1）。試驗結果見表2。

表1　響應面因素水平編碼表Table 1Response surface factor levels coding table

表2　響應面分析試驗結果Table 2Response surface analysis of test results

2.1.2數據分析

以生姜多糖提取率為響應值，根據表2的試驗結果，運用響應面分析軟件進行多元回歸分析，分析結果見表3，對各因素回歸擬合后，得回歸方程：

Y=18.67+0.56A+0.19B+0.52C+0.39D-0.11AB+ 0.005AC-0.090AD-0.39BC-0.038BD-0.19CD-0.62A2-1.00B2-0.77C2-0.82D2

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

從表3方差分析表中可以看出，用上述回歸方程描述各因素與響應值的關系時，其因變量和全體變量間的線性關系顯著R2=0.925 8，模型的顯著水平（pr＞F）遠遠小于0.05，此時Quadratic回歸方差模型是高度顯著的，該實驗方法是可靠的。回歸方程各項方差分析，當顯著水平小于0.05時，它所對應的條件對響應值的作用是顯著的，方程的失擬誤差不顯著，可用該回歸方程代替實驗真實點對實驗結果進行分析。結果表明各實驗因子對響應值的影響不是線性關系，表中作用高度顯著的是一次項中A、C，作用顯著的是D；二次項中B、C、D的影響是高度顯著的，A的影響是顯著；交互項中BC作用影響顯著。對提取率影響的大小依次為料液比、微波時間、微波功率、浸泡時間，即料液比與微波時間對多糖提取率的影響為高度顯著。

2.1.3響應曲面分析與優化

根據回歸分析結果作相應曲面圖，結果見圖1～圖6。

圖1　料液比、浸泡時間及其交互作用的響應曲面Fig.1Response surface plot indicating the interactive effects of immersion time and liquid/solid ratio on polysaccharide yield

圖2　料液比、微波時間及其交互作用的響應曲面Fig.2Response surface plot indicating the interactive effects of microwave time and liquid/solid ratio on polysaccharide yield

圖3　料液比、微波功率及其交互作用的響應曲面Fig.3Response surface plot indicating the interactive effects of microwave power and liquid/solid ratio on polysaccharide yield

圖4　浸泡時間、微波時間及其交互作用的響應曲面Fig.4Response surface plot indicating the interactive effects of immersion time and microwave time on polysaccharide yield

圖5　浸泡時間、微波功率及其交互作用的響應曲面Fig.5Response surface plot indicating the interactive effects of immersion time and microwave power on polysaccharide yield

圖6　微波時間、微波功率及其交互作用的響應曲面Fig.6Response surface plot indicating the interactive effects of microwave time and microwave power on polysaccharide yield

由表3和圖1～圖6可知，模型中的浸泡時間和微波時間的交互項、料液比二次項對生姜多糖提取率有顯著影響，浸泡時間二次項、微波時間二次項、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，而微波功率和料液比之間、液料比和微波時間之間、浸泡時間和料液比之間、浸泡時間和微波功率之間、微波時間和微波功率之間的交互作用較小。料液比的影響最大，微波時間次之，而浸泡時間所起的作用最小。表明各因素對生姜多糖提取率的影響不只是簡單的線性關系。為進一步確定最佳提取工藝參數，對所得方程進行逐步回歸，刪除不顯著項，然后求一階偏導，并令其為0，可得優化后的最佳工藝參數：料液比為1∶22.21（g/mL）、浸泡時間為120.06 min、微波時間為86.43 s、微波功率為247.02 W，此時生姜多糖提取率為18.91%。為檢驗響應面分析軟件中Box-Behnken試驗設計所得結果的可靠性，采用上述優化工藝參數提取3次（提取率18.91%、19.00%、18.87%），平均提取得率為18.93%，與理論預測值相比，相對誤差約為0.000 9%，說明此最佳模型可靠。

3　結論

本試驗將響應曲面法與微波技術結合起來來優化生姜多糖的提取工藝。結果表明：各因素對生姜多糖提取率的影響為：料液比〉微波時間〉微波功率〉浸泡時間。通過響應面分析法中Box-Behnken試驗設計得生姜多糖提取最佳工藝參數是：料液比為1∶22.21、浸泡時間為120.06 min、微波時間為86.43 s、微波功率為247.02 W。在此條件下，多糖提取率為18.93%，與理論值18.91%相對誤差僅為0.000 9%，說明此最佳模型可靠。

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Optimization of Microwave Extraction Conditions of Zingiber officinale Roscoe Polysaccharides by Response Surface Methodology

WANG Ying1，2，ZENG Xia1，ZHOU Tian1，WANG Yi-fei2
（1.School of Environmental and Biological Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，Guangdong，China；2.Biomedicine Research&Development Center；Biomedine Research and Development Center of Jinan Umversity，Guangzhou 510632，Guangdong，China）

Response surface methodology was used for optimization the ultrasonic extraction technology of polysaccharide from Zingiber officinale Roscoe.Based on single factor experiments，solid-solvent ratio，immersion time，microwave time and microwave power were selected as influencing factors.The experiment mathematical model was arranged according to Box-Behnken central composite design.The optimum extraction conditions showed that the solid-solvent ratio 1∶22.21（g/mL），immersion time 120.06 min，microwave time86.43 s，microwave power 247.02 W.The predicted polysaccharide extraction yield was 18.91%and the verification yield was 18.93%.

response surface methodology（RSM）；Zingiber officinale Roscoe.；polysaccharide；microwave

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.13.016

2014-11-05

廣東省科技計劃項目（2012B040400005）；茂名市科技計劃項目（2012B01027）

王穎（1980—），女（漢），講師，碩士，從事生物方面的教學與研究。