超聲波輔助提取地榆根多糖工藝的優化

摘要：以地榆根為原料，通過超聲波輔助提取地榆（Sanguisorba officinalis L.）根中多糖，在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken設計優化提取條件，并建立回歸模型，依據回歸分析確定最優提取工藝條件。結果表明，最佳提取工藝條件為原料粒度40～60目、液料比19.61∶1（mL∶g）、超聲波功率303.05 W、超聲時間30.93 min、超聲提取2次，在此條件下地榆根多糖的提取率為10.99%。

關鍵詞：地榆（Sanguisorba officinalis L.）根；多糖；超聲波；響應面法；提取工藝

中圖分類號：TS201.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）01-0153-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.01.041

地榆（Sanguisorba officinalis L.）是薔薇科（Rosaceae）地榆屬（Sanguisorba L.）植物，在中國主要分布于東北、華北、西北、華東、中南及廣西等地區[1-3]。現代研究表明，地榆中含有豐富的營養物質和生理活性成分，具有抗霉菌、降血壓、治療急性菌痢和心血管疾病等功效[4-6]，這些功效源于地榆中含有槲皮素、山柰素，地榆根還含有鞣質、三萜皂苷、黃酮、多糖、甾體類物質等有效成分。

地榆多糖是從地榆根中提取出來的一種水溶性多糖，作為一種新型的a-葡萄糖苷酶抑制劑[7]，在糖尿病的治療和減肥藥物的研制中具有廣闊的應用前景，對人體副作用小，效果顯著。研究表明，地榆多糖在抗氧化、免疫活性調節[8]和抗腫瘤[9]方面均表現出一定的應用價值。目前，關于地榆多糖的提取鮮有報道，且提取方法相對比較傳統，導致多糖提取率相對較低。本試驗在傳統提取工藝的基礎上輔助使用超聲波技術[10]，并應用響應面法優化提取地榆根多糖的工藝條件[11，12]，確定提取的最佳工藝參數，為開展地榆研究和產業化發展提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

地榆，2012年9月采摘于吉林市二道林場；葡萄糖標準溶液，苯酚（5%），氫氧化鈉、無水乙醇、濃硫酸等均為分析純。

JY92-2D型超聲波細胞破碎機（寧波新芝科技生物股份有限公司）；LG10-2.4A型高速離心機（北京醫用離心機廠）；722N型可見分光光度計（上海佑科儀器儀表有限公司）；FA2004A型電子天平（上海精天電子儀器有限公司）；WK-1000A型粉碎機（山東青州市精誠機械有限公司）；8411型電動震篩機（湖南湘潭恒瑞檢測儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 地榆根多糖的提取方法 準確稱取處理好的地榆根粉2 g于燒杯中，加入20 mL 80 %的乙醇浸泡1 h，超聲功率200 W處理20 min，8 000 r/min離心20 min，回收上清液。將得到的殘渣加入一定體積的去離子水，在一定超聲功率下處理一段時間，取上清液定容至50 mL，按照多糖標準曲線的方法測定多糖的含量，并計算提取率，計算公式如下：

地榆根多糖的提取率=■×100%

1.2.2 多糖標準曲線的繪制 采用苯酚-硫酸法繪制多糖標準曲線，在490 nm處測定吸光度。取1 mL去離子水做空白。以吸光度Y為縱坐標，葡萄糖濃度X（mg/L）為橫坐標繪制標準曲線，得到回歸方程為Y=0.008 1X+0.005 5（R2=0.997 8）。

1.2.3 單因素試驗 分別選擇原料地榆根粉碎粒度為20～40、40～60、60～80、80～100、>100目5個水平，液料比（去離子水∶地榆，V∶m，mL∶g，下同）為5∶1、10∶1、12∶1、15∶1、18∶1 5個水平，超聲功率為120、200、280、360、440 W 5個水平，超聲處理時間為10、20、30、40 min 4個水平，超聲次數為1、2、3、4次進行單因素試驗。

1.2.4 響應面法優化地榆根多糖提取工藝條件 選取液料比、超聲功率和超聲時間為自變量，以地榆根多糖提取率為響應值，設計三因素三水平響應面分析，因素與水平設計見表1。

2 結果與分析

2.1 地榆根多糖提取的單因素試驗結果

2.1.1 原料粒度對提取率的影響 從圖1可以看出，利用超聲波輔助提取地榆根多糖的提取率隨著粒度的減小而逐漸增大，在40～60目時達到最大，然后再緩慢減小。這是由于隨著地榆根粒度的逐漸減小，多糖類物質逐漸溶出，同時雜質也大量溶出，反而阻礙了多糖類物質的溶出，使提取率逐漸減小，因此選擇最適宜的地榆根粒度為40～60目。

2.1.2 液料比對提取率的影響 從圖2可以看出，當液料比從5∶1增加到12∶1時地榆根多糖的提取率逐漸增大，液料比在12∶1～18∶1時，地榆根多糖提取率增長逐漸變緩并在18∶1時達到最大，故提取時采用18∶1的液料比為宜。

2.1.3 超聲功率對提取率的影響 從圖3中得知，當超聲功率在120～280 W時，地榆根多糖的提取率隨著超聲功率的增加而增大，并在280 W時地榆根多糖的提取率達到最大，但當超聲功率再增大時，地榆根多糖的提取率反而逐漸減小，這主要是由于增大了機械振動強度，超聲熱效應增加，而過高的溫度會破壞多糖的結構，而且增加超聲功率會使雜質溶出量增多，抑制多糖的溶出，導致多糖提取率下降。

2.1.4 超聲時間對提取率的影響 從圖4可以得出，隨著超聲浸提時間的延長， 地榆根多糖的提取率緩慢增大，但在處理20～30 min時多糖提取率緩慢降低，并在30 min時出現一個小的拐點，隨著時間的增加，多糖提取率又緩慢升高，并在40 min時達到最大值。這是因為超聲提取時間越長，雜質溶出量越多，而過多的雜質會抑制多糖的溶出，影響地榆根多糖的提取率，最后綜合考慮經濟性和效率性，確定較佳的超聲時間為20 min。

2.1.5 超聲次數對提取率的影響 從圖5可以看出，隨著超聲次數的增加，地榆根多糖的提取率逐漸提高，但提取次數超過2次后，多糖提取率的增漲幅度比較緩慢，考慮到提取次數的增加會加大成本的投入，故確定適宜的超聲提取次數為2次。

2.2 響應面法優化超聲波輔助提取地榆根多糖的工藝條件

2.2.1 模型的建立與顯著性檢驗 采用Design-Expert 8.0.6 Trial 軟件，在單因素試驗的基礎上，運用Box-Menken試驗設計，選取液料比（X1）、超聲功率（X2）、超聲時間（X3）作自變量，以地榆根多糖的提取率為響應值進行響應面分析，結果見表2。表2中共有17組試驗，其中12組為分析試驗，其余5組為中心試驗，用于試驗誤差的估計。采用Design-Expert 8.0.6 Trial軟件對試驗數據進行回歸分析，得到地榆根多糖提取率與自變量X1、X2和X3的二次多項回歸方程：

Y=10.91-0.12X1+0.54X2+0.086X3-0.18X1X2-0.02X2X3+0.37X2X3-1.13X12-1.01X22-1.04X32

回歸模型方差分析結果見表3。回歸方程中各變量對響應值（多糖提取率）影響的顯著性由F檢驗來判定，概率P的值越小，則相應變量的顯著程度越高。結果表明，回歸方程失擬檢驗P=0.975 9>0.05，失擬性檢驗結果不顯著。總回歸方程F檢驗P<0.000 1，達到極顯著水平，其校正決定系數R2=0.997 2，說明此模型擬合度好，可以用于地榆根多糖超聲波輔助提取試驗的理論預測。此外，回歸方程各項的方差分析結果還表明，一次項X1、X2，二次項X12、X22、X32和交互項X1X2、X2X3的P都小于0.01，對地榆根多糖提取率的影響極顯著（P<0.01），而一次項X3對地榆根多糖提取率的影響顯著（0.01液料比>超聲時間。

2.2.2 響應面分析 為考查各個因素交互作用對地榆根多糖提取率的影響，在其他因素條件不變的情況下，分析交互作用對超聲波輔助提取地榆根多糖效果的影響，所得的響應面如圖3所示。

由圖3A可知，X1X2（P=0.004 2）交互作用極顯著，液料比對提取效果的影響表現為曲線較平滑，隨著取值的變化，響應值變化較小，而超聲功率對提取率的影響表現為隨著超聲功率的增大，響應值逐漸變小，且變化明顯。由圖3B可知，X1X3（P=0.661 4）交互作用不顯著，表現為曲線平緩。由圖3C可知，X2X3（P<0.000 1）交互作用極顯著，能夠很好地反映出因素對響應值的影響趨勢，超聲時間對地榆根多糖提取效果的影響極顯著，表現為曲線陡峭，隨其取值的變化，響應值變化較大。

由Design-Expert 8.0.6 Trial軟件分析得到，超聲波輔助提取地榆根多糖的最佳提取條件為液料比19.61∶1（mL∶g）、超聲功率303.05 W、超聲時間30.93 min，采用上述條件進行3次平行試驗，得到地榆根多糖的平均提取率為10.70%，驗證結果與預測值（10.99%）偏差較小，說明得到的超聲輔助法提取地榆根多糖的最佳工藝參數可靠。

3 小結

本試驗在單因素試驗的基礎上，對超聲波輔助提取地榆根多糖條件中的主要影響因素即液料比、超聲時間、超聲功率的最優水平及其交互作用進行了分析，經響應面分析方法優化獲得了地榆根多糖提取的最佳提取條件為原料粒度40～60目、液料比為19.61∶1（mL∶g）、超聲功率303.05 W、超聲時間為30.93 min、超聲次數為2次。在此工藝條件下，地榆根多糖的理論提取率為10.99%。驗證試驗結果中， 在該提取條件下的提取率為10.70%，說明所獲得的地榆根多糖提取工藝可用于實際提取。

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