響應(yīng)曲面法優(yōu)化玉米須多糖提取工藝的研究

王藝帷，唐艷花，吳 娜，王 靜*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，昆明650201;2.紅河學(xué)院理學(xué)院，云南蒙自661100)

玉米須又名玉米胡子，為我國常用藥材品種之一［1］。玉米須中含有生物堿、皂甙、甾醇和多糖等多種活性成分，有利尿、清血熱、平肝和降血糖等功效，可用于治療黃疸、乳糜血尿、血崩等癥。多糖是玉米須中主要的功效成分之一，玉米須多糖無毒，有降血糖、抗癌，提高免疫活性等功效［2－3］。目前，玉米須多糖的提取方法有常規(guī)水提法、超聲波輔助提取法、纖維素酶法。而微波輔助提取乙醇沉淀法提取玉米須多糖尚未見報(bào)道。

本研究以玉米須為原料，采用微波輔助提取，乙醇沉淀的方法提取玉米須多糖。考察了料液比、微波提取時(shí)間、微波提取溫度對(duì)多糖提取率的影響，并采用響應(yīng)曲面法對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

新鮮玉米須。苯酚、硫酸、乙醇均為分析純。MAS－Ⅱ型常溫微波萃取儀(上海新儀微波化學(xué)科技有限公司);UV－2000X型紫外－可見分光光度計(jì)(上海尤尼科有限公司);FA1004型電子天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 玉米須多糖的提取

1.2.1 微波提取

精確稱取玉米須粉粒5 g于燒杯中，加入8～16倍蒸餾水浸泡24 h，置于微波萃取儀專用三頸燒瓶中，在提取溫度90℃、提取時(shí)間0.5 h，微波功率900 W，微波頻率2 450 MHz的條件下于微波萃取儀加熱，用玻砂漏斗過濾得到提取液。

1.2.2 乙醇沉淀法從提取液中提取多糖

將提取液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，加乙醇并攪拌;靜置;4 000 r/min離心分離10 min，棄去上清液，收集得到多糖。

1.2.3 玉米須多糖測(cè)定方法

采用苯酚－硫酸法測(cè)定玉米須多糖含量［7－9］。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1 玉米須多糖提取影響因素實(shí)驗(yàn)

提取溫度、提取時(shí)間、料液比等均會(huì)影響玉米須多糖的溶出。采用單因素實(shí)驗(yàn)考察提取溫度、提取時(shí)間、料液比對(duì)多糖提取率的影響。

1.3.2 玉米須多糖提取Box－Behnken Design(BBD)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用Design－Expert軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)考察［10］，選取料液比、提取時(shí)間、提取溫度3因素為提取效果影響因素，分別用A、B、C表示，每個(gè)自變量的低、中、高試水平分別以－1、0、1編碼。以多糖含量(Y)為響應(yīng)值。試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)詳見表1。

表1 BBD響應(yīng)面因素水平表Tab.1 BBD response surface level of form factors

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 料液比對(duì)提取率的影響

提取溫度90℃，提取時(shí)間0.5 h，微波功率900 W，微波頻率2 450 MHz，取料液比為1∶4，1∶8、1∶12、1∶16、1∶20(g/mL)，考察料液比對(duì)玉米須多糖提取率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 料液比對(duì)玉米須多糖提取率的影響Fig.1 Effect of solid－liquid ratio on the extraction rate of polysaccharides corn

由圖1知，料液比增加，多糖提取率也增加，1:16(g/mL)的時(shí)候達(dá)到最大，這是因?yàn)榱弦罕却螅褂衩醉毤?xì)胞內(nèi)外的多糖濃度差增大，有利于多糖浸出，但由于玉米須本身干燥易吸水，料液比過高會(huì)影響多糖的提取。

2.1.2 溫度對(duì)多糖提取率的影響

料液比為1∶8(g/mL)，提取時(shí)間0.5 h，微波功率900 W，微波頻率2 450 MHz溫度分別為60、70、80、90、100℃，考察提取溫度對(duì)玉米須多糖提取率的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2知，在70～90℃之間，隨著溫度升高，提取率也增加，當(dāng)溫度為90℃時(shí)達(dá)到最大。而隨著溫度升高，提取率反而降低，這是因?yàn)闇囟冗^低則多糖提取不完全，溫度過高會(huì)使多糖水解，影響提取率。

圖2 溫度對(duì)玉米須多糖提取率的影響Fig.2 Effect of temperature on the extraction rate of polysaccharides corn

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響

料液比為1∶8(g/mL)，提取溫度90℃，微波功率900 W，微波頻率2 450 MHz，提取時(shí)間分別為10、20 、30 、40 、50 min，考察提取時(shí)間對(duì)玉米須多糖提取率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3知，在10～30 min內(nèi)，隨著時(shí)間的增加，提取率也跟著增加，但隨著時(shí)間繼續(xù)增加，提取率開始降低，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，部分多糖會(huì)發(fā)生降解。

圖3 提取時(shí)間對(duì)玉米須多糖提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on the extraction rate of polysaccharides corn

2.2 BBD響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用Design－Expert軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)考察，實(shí)驗(yàn)有17個(gè)點(diǎn)，其中12個(gè)析因點(diǎn)，2個(gè)零點(diǎn)。零點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)5次，以多糖含量為響應(yīng)值。結(jié)果見表2。

表2 BBD響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab.2 BBD response surface experimental design and results

2.3 建立模型方程與方差分析

應(yīng)用Design－Expert 8.0.6軟件對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸方程擬合，得到料液比(A)、溫度(B)、時(shí)間(C)、多糖提取率之間的二次多項(xiàng)回歸方程:

對(duì)上述回歸模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 回歸模型方差分析Tab.3 Regression model analysis of variance

2.4 響應(yīng)面分析及最優(yōu)提取條件的確定

2.4.1 響應(yīng)面分析

圖4～圖6為實(shí)驗(yàn)所得的優(yōu)化響應(yīng)曲面，反應(yīng)了當(dāng)料液比、提取時(shí)間、提取溫度3個(gè)因素中任意兩個(gè)因素的交互作用對(duì)玉米須多糖提取率的影響，曲面陡表明該因素對(duì)多糖的提取率影響顯著，曲面平緩表明該因素對(duì)多糖的提取率影響不顯著，等高線的形狀反應(yīng)兩因素的交互作用的強(qiáng)弱，橢圓形表明交互作用強(qiáng)，影響顯著，圓形則相反。圖4中提取溫度的曲面陡峭，料液比的曲面平緩，說明提取溫度對(duì)多糖提取率的影響比料液比大，等高線為橢圓形，說明溫度和料液比的交互作用顯著。圖5中提取時(shí)間的曲面陡峭，料液比的曲面平緩，說明提取時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響比料液比大。等高線為橢圓形，說明提取時(shí)間和料液比的交互作用顯著。圖6中提取時(shí)間和提取溫度的都較為平緩，說明提取時(shí)間和提取溫度對(duì)多糖提取率的影響差不多。等高線為圓形，說明提取時(shí)間和料液比的交互作用不顯著。

圖4 溫度和時(shí)間對(duì)玉米須多糖提取率的響應(yīng)面Fig.4 Effect of temperature and time on the extraction rate of polysaccharides corn response surface

圖5 時(shí)間和料液比對(duì)玉米須多糖提取率的響應(yīng)面Fig.5 Time and solid－liquid ratio on the extraction rate of polysaccharides corn response surface

圖6 時(shí)間和溫度對(duì)玉米須多糖提取率的響應(yīng)面Fig.6 Effect of time and temperature on the extraction rate of polysaccharides corn response surface

2.4.2 最優(yōu)條件確定

由表3可知，該回歸模型極顯著(p＜0.0001)，且方程的失擬項(xiàng)不顯著(p=0.1327＞0.05)，表明該方程對(duì)實(shí)驗(yàn)擬合情況較好，實(shí)驗(yàn)誤差小。

通過軟件分析，得到玉米須多糖提取的最佳條件為:料液比 1∶8.01(g/mL)、提取溫度92.37℃、提取時(shí)間30 min，在此條件下，玉米須多糖提取率預(yù)測(cè)值為1.12%.為檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化條件提取玉米須多糖，考慮到實(shí)際操作的便利，將提取參數(shù)修正為:料液比1∶8(g/mL)，提取溫度93℃、提取時(shí)間30 min，在此修正條件下玉米須多糖的提取率為1.13%，與理論預(yù)測(cè)值相比，相對(duì)誤差為0.88%。因此，基于響應(yīng)曲面法所得的優(yōu)化提取方法參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

本研究采用微波提取－乙醇沉法提取玉米須多糖，通過單因素實(shí)驗(yàn)和Box－Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)3因素3水平實(shí)驗(yàn)，利用Design－Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析，建立玉米須多糖提取的回歸方程。經(jīng)檢驗(yàn)該回歸方程能夠較好的預(yù)測(cè)玉米須多糖的提取率。經(jīng)回歸優(yōu)化后的玉米須多糖的最佳提取工藝條件為料液比1∶8(g/mL)，提取溫度93℃、提取時(shí)間30 min。

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