響應面法優化玉米苞葉多糖的提取工藝

張　揚,張　艷,楊秀東,劉　洋,周鴻立

(吉林化工學院化學與制藥工程學院,吉林吉林 132022)

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響應面法優化玉米苞葉多糖的提取工藝

張揚,張艷,楊秀東,劉洋,周鴻立*

(吉林化工學院化學與制藥工程學院,吉林吉林 132022)

應用響應面法優化玉米苞葉多糖提取工藝。單因素實驗基礎上,選擇提取時間、提取溫度、液料比、乙醇濃度為影響因子,多糖提取率為響應值,利用Box-Behnken中心組合設計建立數學模型,進行響應面分析。研究結果顯示:玉米苞葉多糖的最佳提取工藝為:提取時間2.0 h、溫度83 ℃、液料比17∶1(mL/g)、乙醇濃度63%,此條件下的多糖提取率為0.552%。

玉米苞葉,多糖,響應面法,提取

玉米(ZeamaysL.)為一年生禾本科(Gramineae)植物,是我國總產量最高的糧食作物之一,種植面積約有3億畝。玉米苞葉(Corn bract)為玉米的外苞葉,每公頃玉米可采集600 kg苞葉,資源非常豐富,是常見的農業副產物。研究表明,玉米苞葉中富含黃酮、木糖醇、花色苷、花青素、微量元素等多種生理活性物質[1]。具有調節血脂、預防動脈粥樣硬化、抑制α-糖苷酶等藥理作用[2-4]。目前,玉米苞葉主要作為牲畜飼料使用,少數質地優良的苞葉用于編織工藝品,綜合利用率不高。因此,對玉米苞葉中的生物活性成分進行深度發掘具有較大現實意義。

多糖是一類由單糖通過糖苷鍵鏈接而成的大分子有機化合物,廣泛存在于植物、微生物及動物體內,在生命體生長、發育過程中扮演著重要角色。很多植物來源的天然多糖具有廣泛的藥理作用,如免疫調節、抗氧化、抗腫瘤、抗病毒、抗炎等生物學活性[5]。研究表明,玉米須中富含多糖,且具有較高活性[6]。近年來,伴隨研究深入,開發了多種高效、快捷的植物多糖提取方法,如超聲波輔助提取法、微波輔助提取、超臨界流體萃取法、酶法等[7-8]。然而,超聲波和微波可能會破壞多糖結構,進而降低活性[9];酶法和超臨界流體萃取法則成本較高,難以工業化。比較而言,經典水提法具有成本低、操作簡單、環境友好、對多糖結構影響小等優點,廣泛應用于植物多糖的提取研究中[10]。針對玉米苞葉提取多糖的研究較少,本文采用經典水提醇沉法對玉米苞葉中的多糖類物質進行提取研究,為玉米苞葉資源的深入開發及相關功能性產品的研制提供實驗數據。

1　材料與方法

1.1材料和儀器

玉米苞葉采至吉林省吉林市郊區;葡萄糖標準品購自北京普凱瑞生物科技有限公司(純度:HPLC≥98%);乙醇、濃硫酸、苯酚購自安耐吉化學;其他試劑均為國產分析純。

752N紫外可見分光光度計上海菁華科技儀器有限公司;HH-6數顯恒溫水浴鍋國華電器有限公司;RE-52A旋轉蒸發儀上海亞榮生化儀器廠;TGL-20M臺式高速冷凍離心機湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1玉米苞葉多糖的提取采用水提醇沉法[11],流程為:苞葉的預處理(清洗、40～45 ℃烘干至恒重、粉碎、過40目篩備用)→提取→真空抽濾→減壓濃縮至原體積1/3～1/4→醇沉→4 ℃靜置過夜→3000×g離心10 min→無水乙醇洗滌→真空干燥→粗多糖。

1.2.2粗多糖含量及提取率測定以葡萄糖為對照品,采用苯酚-硫酸法測定粗多糖含量[12]。回歸方程為Y=7.3928X+0.0085,R2=0.9998。多糖提取率計算公式為:

式中,m為粗多糖質量(g);M為玉米苞葉質量(g);W為粗多糖含量(%)。

1.2.3提取工藝優化

1.2.3.1單因素實驗設計設定提取時間、提取溫度、液料比、乙醇濃度為因素,考察四個因素對多糖提取率的影響。固定提取溫度80 ℃、液料比30∶1、乙醇濃度80%,提取時間為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h;固定提取時間1.5 h、液料比30∶1、乙醇濃度80%,溫度為50、60、70、80、90 ℃;固定提取時間1.5 h、提取溫度80 ℃、乙醇濃度80%,液料比為10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1(mL/g);固定提取時間1.5 h、提取溫度80 ℃、液料比30∶1,乙醇濃度50%、60%、70%、80%、90%。

1.2.3.2響應面實驗設計根據BOX-Behnken Design(BBD)實驗設計原理,綜合單因素結果,選取提取時間、提取溫度、液料比、乙醇濃度作為考察因素。在單因素基礎上采用四因素三水平的響應面分析進行實驗設計(表1)。

表1　BBD方案設計的因素和水平編碼值表Table 1　The coded factors and levels in the Box-Behnken design

1.3數據處理

應用Design-Expert V 8.0.6.1軟件進行四因素三水平Box-Behnken實驗設計。

2　結果與討論

2.1單因素實驗結果及分析

2.1.1提取時間對多糖提取率的影響如圖1所示,一定范圍內,隨提取時間延長,多糖提取率先增大后減小,當提取時間為2.0 h時,多糖提取率最高。可能由于提取時間短,苞葉中多糖溶解不充分;提取時間過長則會使大分子多糖分子降解為低分子量的寡糖或單糖[13],影響提取率。因此,提取時間以2.0 h為宜。

圖1　提取時間對多糖提取率的影響Fig.1　Effect of extraction time on PCB yield

2.1.2提取溫度對多糖提取率的影響由圖2可知,50～80 ℃范圍內,隨溫度升高,多糖提取率增加。超過80 ℃,多糖提取率開始下降。可能因為一定范圍內,隨溫度升高,多糖在提取液中溶解度增大,提取率升高;而當溫度太高時,提取液中的多糖會有損失,也會使蛋白質等雜質析出,進而影響提取率。故提取溫度以80 ℃為宜。

圖2　提取溫度對多糖提取率的影響Fig.2　Effect of extraction temperature on PCB yield

2.1.3液料比對多糖提取率的影響由圖3可見,當液料比(mL/g)在20∶1時,提取率最高。此后,隨溶劑量增加,多糖提取率下降。可能因為液料比小時,溶劑過少,苞葉中多糖溶出不充分;而液料比過大時,則溶劑過多,濃縮耗時長,進而導致多糖損失,降低提取率。故液料比以20∶1(mL/g)為宜。

圖3　液料比對多糖提取率的影響Fig.3　Effect of liquid to solid ratio on PCB yield

2.1.4乙醇濃度對多糖提取率的影響由圖4可知,乙醇濃度在60%時,多糖提取率最大。此后,隨乙醇濃度增加,提取率增加幅度不大,基本趨于平穩。說明一定濃度乙醇能降低多糖溶解度,利于沉淀多糖;高濃度乙醇則會使某些雜質一起沉淀析出,降低多糖純度[14],進而影響提取率。因此,選擇60%為醇沉濃度為宜。

圖4　乙醇濃度對多糖提取率的影響Fig.4　Effect of ethanol concentration on PCB yield

2.2響應面實驗結果與分析

2.2.1Box-Behnken設計方案及結果如表2所示,共29個實驗點,其中24個為析因點,5個為零點,析因點為自變量取值在X1、X2、X3、X4所構成的三維頂點;零點為區域的中心點,其中零點實驗重復5次,用以估計實驗誤差。

表2　響應面實驗設計的因素、水平與實驗結果Table 2　Factors and levels in the response surface design and experimental results

2.2.2模型的建立與顯著性檢驗對表2實驗數據進行多元回歸擬合,得玉米苞葉多糖提取率(Y)對提取時間(X1)、提取溫度(X2)、液料比(X3)、乙醇濃度(X4)的二次多項回歸模型為:

Y=0.56+0.0095X1+0.064X2-0.026X3+0.066X4+0.043X1X2+0.026X1X3-0.00275X1X4-0.055X2X3+0.00375X2X4-0.00875X3X4-0.13X12-0.13X22-0.08X32-0.13X42

對該模型進行顯著性檢驗和回歸模型系數顯著性檢驗,結果見表3。

由表3中的二次回歸模型的方差分析結果可知,該模型能較好解釋數據變異性。X1X4、X2X4、X3X4的影響不顯著，X1的影響顯著，其余因子均為極顯著。

2.2.3多糖提取工藝的響應面分析與優化響應面分析的圖形是特定的響應值對應自變量構成的一個三維空間圖,可以直觀地反映出各自變量對響應值的影響。根據回歸模型做出相應的響應曲面,見圖5～圖7。

當液料比(mL/g)20∶1、乙醇濃度60%時,提取時間和提取溫度對多糖提取率的影響見圖5。由圖5可知,在1.5～2.5 h范圍內多糖提取率先增大后減小。在溫度為70～90 ℃的范圍內,提取率不斷增加,之后隨提取時間延長,多糖提取率有下降趨勢,表明提取時間和溫度對提取率的交互作用極顯著。

圖5　提取時間和提取溫度對多糖提取率的響應曲面圖Fig.5　Response surface plot of extraction time and temperature on PCB yield

表3　回歸模型的方差分析結果Table 3　ANOVA of the regression model

注：**，極顯著；*，顯著，p<0.05。

當提取溫度80 ℃、乙醇濃度60%時,提取時間和液料比對多糖提取率的影響見圖6。由圖6可知,當液料比一定時,隨提取時間延長,多糖提取率先增加后降低。時間1.5～2.5 h范圍內,隨液料比增加多糖提取率先上升后下降,對多糖提取率的影響極顯著。

圖6　提取時間和液料比對多糖提取率的響應曲面圖Fig.6　Response surface plot of extraction time and liquid to solid ratio on PCB yield

提取時間2.0 h、乙醇濃度60%時,提取溫度和液料比對多糖提取率的影響見圖7。由圖7可知,提取溫度對多糖提取率的影響較大,且響應面顯示坡度較陡,表明提取溫度和液料比的交互作用極顯著。

圖7　提取溫度和液料比對多糖提取率的響應曲面圖Fig.7　Response surface plot of extraction temperature and liquid to solid ratio on PCB yield

軟件分析得玉米苞葉多糖提取的最佳條件為:提取時間2.03 h、提取溫度83.16 ℃、液料比17.22∶1、乙醇濃度62.79%。此條件下,多糖提取率理論值為0.579%。為檢驗響應曲面法所得結果的可靠性,采用上述優化提取條件進行玉米苞葉多糖提取,考慮到實際操作的便利,將提取工藝參數修正為:提取時間為2.0 h、提取溫度83 ℃、液料比17∶1、乙醇濃度63%。實際測得的平均提取率為0.552%,與理論預測相比,其相對誤差約為4.7%,因此,基于響應曲面法所得的優化提取工藝參數準確可靠,具有實用價值。

3　結論

本文采用經典水提醇沉法制備玉米苞葉多糖,在單因素實驗基礎上,結合實驗設計軟件Design-Expert.V8.0.6.1,通過二次回歸得到玉米苞葉多糖提取率與提取時間、溫度、液料比、乙醇濃度的回歸模型,經檢驗證明該模型合理、可靠,能較好預測多糖提取率。在對影響多糖提取率的關鍵因素及相互作用進行探討后,優化出玉米苞葉多糖提取工藝的最佳條件為:提取時間2.0 h、提取溫度83 ℃、液料比17∶1、乙醇濃度63%,多糖實際提取率為0.552%,與理論預測相比,其相對誤差約為4.7%,理論預測與實測結果相差較小,結果可靠,適合于玉米苞葉多糖的提取。

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Optimization of extraction process of polysaccharides from corn bract by response surface methodology

ZHANG Yang,ZHANG Yan,YANG Xiu-dong,LIU Yang,ZHOU Hong-li*

(School of Chemistry and Pharmaceutical Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin 132022,China)

In this study,optimization of extraction process of polysaccharides from corn bract(PCB)by response surface methodology was investigated. Based on the results of single factor experiment,four factors,including extraction time,extraction temperature,the ratio of liquid to raw material,and ethanol concentration were selected as impacting factors,and PCB yield as the response value. Mathematical model was established to analyze response surface using Box-Behnken central composite design. The optimal extraction process was as follows:extraction time 2.0 h,extraction temperature 83 ℃,liquid to solid ratio 17∶1(mL/g),and alcohol precipitation concentration 63%. Under these conditions,the yield of PCB was 0.552%.

corn bract;polysaccharides;response surface methodology;extraction

2015-12-18

張揚(1982-)，男，博士，副教授，主要從事天然產物化學方面的研究，E-mail:zhangyhappy@126.com。

周鴻立(1967-)，女，博士，教授，主要從事活性天然產物研究與功能性食品方面的研究，E-mail:zhl67@126.com。

吉林省科技廳科研項目(20150311044YY)；吉林化工學院博士啟動資金(15001)。

TS254.4

B

1002-0306(2016)14-0267-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.14.045