復合酶法提取石榴籽多糖的工藝優化

王占一，張立華，王玉海，戴　博，鄭丹丹，王　飛

（1.棗莊學院生命科學學院，山東 棗莊 277160；2.空軍總醫院藥學部，北京 100142）

復合酶法提取石榴籽多糖的工藝優化

王占一1，張立華1，王玉海1，戴博2，鄭丹丹1，王飛1

（1.棗莊學院生命科學學院，山東 棗莊 277160；2.空軍總醫院藥學部，北京 100142）

探討應用復合酶法提取石榴籽多糖的最佳工藝條件。以多糖得率為考察指標，在單因素試驗基礎上，通過D-最優混料試驗設計優化復合酶配比，Box-Behnken試驗設計優化得出影響因素的最佳參數水平，進而得出最佳工藝條件。結果顯示：復合酶最優配比為果膠酶24.2%、纖維素酶67.2%、甘露聚糖酶8.6%；并以此參數為基礎，得到復合酶法提取石榴籽多糖的最佳工藝條件為液固比20∶1（mL/g）、介質pH 4.5、酶解溫度48.5 ℃、酶解時間287 min，在此條件下，石榴籽多糖得率為2.83%。

石榴籽；多糖；復合酶法；D-最優混料設計；響應面分析法；提取工藝

石榴（Punica granatum L.）是亞熱帶地區常見樹種，全球各地區均有廣泛分布［1］。石榴籽是石榴果品的主要副產品之一，近年來，關于石榴籽中生物活性成分的研究已有相關報道，楊麗娜等［2-3］研究證實，石榴籽提取物中多糖及多酚類成分，具有較強的清除自由基能力，對四氯化碳誘導小鼠肝損傷保護作用效果明顯。在國內，已經有學者對石榴籽多糖提取過程進行研究，如郭傳琦等［4］采用正交試驗設計法對石榴籽中多糖提取工藝條件進行優化，發現石榴籽中多糖成分含量較高，然而，同類的文獻多限于應用各類溶劑，以不同機械力輔助提取石榴籽多糖類成分，工藝過程中，存在著得率較低、產物雜質多、有機溶劑難去除等缺點。舒紅英［5］、汪殿蓓［6］等研究發現，采用復合酶法提取植物中有效成分具有操作簡單、提取效率高、條件溫和、環境友好的特點。但是，有關復合酶法提取石榴籽中多糖領域的研究，國內鮮見文獻報道。因此，本研究以魯南地區產石榴籽為實驗材料，果膠酶、纖維素酶和甘露聚糖酶作為復合酶組成［6-7］，通過D-最優混料設計中的單純形質心設計結合響應面分析法中的Box-Behnken試驗設計，優化復合酶法提取石榴籽多糖的最佳工藝條件，以期為工業化大生產提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

野生石榴采自魯南地區嶧城“萬畝石榴園”核心產區，經棗莊學院李思健副教授鑒定為正品石榴科石榴（Punica granatum L.），石榴籽經過手工搓洗，低溫干燥后，粉碎，備用。

D-無水葡萄糖對照品（批號：110833-201205） 中國食品藥品檢定研究院；果膠酶（酶活力≥1 100 U/g）、纖維素酶（酶活力≥15 000 U/g）、甘露聚糖酶（酶活力≥1 800 U/g） 國藥集團化學試劑有限公司；石油醚（沸點：60～90 ℃）、苯酚、濃硫酸、3，5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、亞硫酸鈉、氫氧化鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀（均為分析純） 天津市大茂化學試劑廠；蒸餾水 棗莊學院生物學省級實驗教學示范中心。

1.2儀器與設備

AL204型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；759型紫外-可見分光光度計 上海奧譜勒儀器有限公司；FW135型多功能粉碎機 天津泰斯特儀器有限公司；BPZ-6050型真空干燥箱 上海和呈儀器制造有限公司；HH-4型數顯恒溫水浴鍋 上海藍凱儀器儀表有限公司；SH2-Ⅲ型循環水真空泵、RE-2000A型旋轉蒸發器 上海亞榮生化儀器廠；PHS-3C型數顯酸度計 杭州奧利龍儀器有限公司。

1.3方法

1.3.1多糖含量測定

精密稱取D-無水葡萄糖對照品100 mg，用蒸餾水定容至500 mL，即得0.2 mg/mL的葡萄糖儲備液。總糖質量濃度測定采用苯酚-濃硫酸法［8-9］。將儲備液制備成質量濃度分別為0、10、20、30、40、50、60、70 μg/mL的稀釋液，按照文獻方法處理后，在490 nm波長處測定吸光度（A）。以葡萄糖質量濃度作為橫坐標，A為縱坐標繪制標準曲線，回歸方程為：A=0.266 1C-0.007 1，R2=0.999 1，總糖質量濃度線性范圍：0～2.8 μg/mL。還原糖質量濃度測定采用二硝基水楊酸比色法［10-11］。將上述葡萄糖儲備液稀釋10 倍，按照文獻方法處理后，在540 nm波長處測定吸光度（A）。以葡萄糖質量濃度作為橫坐標，A為縱坐標繪制標準曲線。回歸方程為：A=0.656 9C-0.003 5，R2=0.999 3，還原糖質量濃度線性范圍：0～0.96 μg/mL。多糖質量濃度計算見公式（1）［11-12］：

式中：CD為多糖質量濃度/（μg/mL）；CZ為總糖質量濃度/（μg/mL）；CH為還原糖質量濃度/（μg/mL）。

1.3.2樣品處理

準確稱取低溫干燥至恒質量，并粉碎至規定粒度的石榴籽粉末5.0 g，石油醚脫脂后，置于三頸圓底燒瓶中，按照試驗設計，加入不同配比的復合酶（果膠酶-纖維素酶-甘露聚糖酶）至設定加酶量，再加入設定pH值磷酸鹽緩沖液至設定液固比例，于設定溫度水浴鍋中，不停攪拌，酶解反應至設定時間［13-15］。反應結束后，立即在沸水中滅酶10 min，抽濾，濾液定容至250 mL，作為供試品溶液。按照1.3.1節方法測定多糖質量濃度，按公式（2）、（3）計算樣品中多糖含量（m）及得率（Y）。

式中：CZ1為樣品中總糖質量濃度/（μg/mL）；CH1為樣品中還原糖質量濃度/（μg/mL）；V為樣品溶液體積/mL；M為石榴籽粉末質量/mg。

1.3.3單因素試驗設計

單因素試驗中，復合酶選用等比例混合酶（果膠酶∶纖維素酶∶甘露聚糖酶=1∶1∶1）［6-7］，考察加酶量（質量分數為4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%）、液固比（10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1，mL/g）、介質pH值（3.5、4.0、4.5、5.0、5.5）、酶解溫度（35、40、45、50、55 ℃）和酶解時間（210、240、270、300、330 min）對石榴籽多糖提取效果的影響。每組試驗重復3 次，結果取平均值。

1.3.4D-最優混料設計優化復合酶配比

復合酶配比確定試驗中，以果膠酶、纖維素酶和甘露聚糖酶為復合酶組成，采用D-混料設計中的單純型質心設計［16-17］，在單因素試驗基礎上，對3 種酶的比例進行優化。D-最優混料設計試驗中，設定加酶量5%、液固比20∶1、介質pH 4.5、酶解溫度45 ℃、酶解時間270 min。

1.3.5Box-Behnken試驗設計優化最佳提取工藝

通過對D-最優混料試驗設計結果的分析，在單因素試驗和D-最優混料設計試驗基礎上，選取液固比（X1）、介質pH值（X2）、酶解溫度（X3）和酶解時間（X4）作為Box-Behnken試驗設計的4個自變量，通過響應面試驗設計建立石榴籽多糖得率（Y）與自變量之間的函數關系，進而尋求復合酶法提取石榴籽多糖的最佳提取工藝條件［18-19］。Box-Behnken試驗設計中，設定復合酶組成為D-最優混料設計試驗結果所得到的數值，加酶量為5%。Box-Behnken試驗因素與水平見表1。

表1　Box-Behnken設計因素與水平Table1　Coded levels for independent variables used in Box-Behnken design

1.4數據統計分析

本實驗中D-最優混料設計和Box-Behnken試驗設計采用Design-Expert 8.0.5統計分析軟件，圖形制作采用Excel和Origin Pro 8.0數據處理軟件。

2　結果與分析

2.1單因素試驗結果

2.1.1加酶量對石榴籽多糖得率的影響

固定液固比20∶1、介質pH 4.5、酶解溫度45 ℃、酶解時間270 min，考察加酶量對石榴籽多糖得率的影響，結果見圖1。

圖1　加酶量對石榴籽多糖得率的影響Fig.1　Effect of enzyme dosage on the yield of polysaccharides

由圖1可知，加酶量在4%～5%范圍內，隨著加酶量的增大，石榴籽多糖得率明顯提高，當加酶量為5%時，石榴籽多糖得率達到2.26%。繼續增大加酶量，多糖得率不再發生顯著變化，考慮生產成本問題，確定加酶量為5%。

2.1.2液固比對石榴籽多糖得率的影響

固定加酶量5%、介質pH 4.5、酶解溫度45 ℃、酶解時間270 min，考察液固比對石榴籽多糖得率的影響，結果見圖2。

由圖2可知，液固比在10∶1～20∶1范圍內，隨著溶劑用量的增大，石榴籽多糖得率呈明顯升高趨勢，當液固比為20∶1時，多糖得率達到2.27%。繼續增大液固比，多糖得率反而略有降低，原因是溶劑量過大，在后續處理中，有效成分會有損失，因此，液固比確定為20∶1。

圖2　液固比對石榴籽多糖得率的影響Fig.2　Effect of liquid/solid ratio on the yield of polysaccharides

2.1.3介質pH值對石榴籽多糖得率的影響

固定加酶量5%、液固比20∶1、酶解溫度45 ℃、酶解時間270 min，考察介質pH值對石榴籽多糖得率的影響，結果見圖3。

圖3　介質pH值對石榴籽多糖得率的影響Fig.3　Effect of medium pH on the yield of polysaccharides

由圖3可知，隨著介質pH值的升高，石榴籽多糖得率逐漸提高，當介質pH值為4.5時，多糖得率達到最大值。隨后，隨著介質pH值的升高，多糖得率呈下降趨勢。原因是，應用生物酶法提取材料中的有效成分，復合酶的生物效應受介質pH值影響較大，只有在最佳pH值條件下，生物酶才能發揮最佳效應，因此選擇介質pH 4.5左右。

2.1.4酶解溫度對石榴籽多糖得率的影響

固定加酶量5%、液固比20∶1、介質pH 4.5、酶解時間270 min，考察酶解溫度對石榴籽多糖得率的影響，結果見圖4。

圖4　酶解溫度對石榴籽多糖得率的影響Fig.4　Effect of hydrolysis temperature on the yield of polysaccharides

由圖4可知，隨著酶解溫度的升高，石榴籽多糖得率逐漸提高，當酶解溫度為45 ℃時，多糖得率達到最大值。隨后，隨著酶解溫度的升高，多糖得率呈下降趨勢。原因是復合酶的生物效應受酶解溫度影響較大，只有在最佳酶解溫度條件下，生物酶才能發揮最佳效應，因此酶解溫度應控制在45 ℃左右。

2.1.5酶解時間對石榴籽多糖得率的影響

固定加酶量5%、液固比20∶1、介質pH 4.5、酶解溫度45 ℃，考察酶解時間對石榴籽多糖得率的影響，結果見圖5。

圖5　酶解時間對石榴籽多糖得率的影響Fig.5　Effect of hydrolysis time on the yield of polysaccharides

由圖5可知，酶解時間在210～270 min之間時，隨著酶解時間的延長，石榴籽多糖得率不斷提高，當酶解溫度達到270 min時，多糖得率達到2.26%。繼續延長酶解時間，多糖得率升高趨勢不明顯，考慮到實際生產問題，控制酶解時間為270 min左右。

2.2D-最優混料設計試驗結果

本試驗通過D-最優試驗設計，確定試驗因素空間內的候選點，組成14 個模擬組合，確定復合酶中果膠酶（A）、纖維素酶（B）和甘露聚糖酶（C）用量范圍，進而確定復合酶的最優配比［16-17］，以石榴籽多糖得率（Y）作為預測響應值，每個試驗號平行試驗3 次，取平均值作為試驗結果，試驗方案及結果見表2，因素方差分析結果見表3。

表2　D-最優混料試驗設計與結果Table2D-optimal mixture design and corresponding results

表3　D-最優混料設計方差分析結果Table3　Results of analysis of variance forD-optimal mixture design

應用分析軟件對表2中的數據進行回歸擬合，得到石榴籽多糖得率（Y）對影響因素A、B、C的回歸方程為：

由表3的方差分析結果可以看出，整個模型（P＜0.000 1）達到極顯著水平，失擬項（P=0.939 1＞0.05）不顯著，表明二次方程模型是顯著的，復相關系數R2=0.947 4，決定系數=0.914 6，變異系數CV=2.77，數值較小，表明應變量與全體自變量之間的多元回歸關系顯著，回歸方程對試驗數據擬合情況良好，試驗誤差較小，試驗精度較高［19-21］，因此，可以用該模型對復合酶配比進行優化。

圖6　復合酶配比對石榴籽多糖得率的三角曲面圖與等高線圖Fig.6　Triangular surface and contour plot showing the in the effect of the mixing ratio of three enzymes on the yield of polysaccharides

以石榴籽多糖得率（Y）為響應值，繪制3 個自變量之間交互影響的響應面圖和等高線圖，見圖6。從圖6可以看出，響應面圖為開口向下的平滑曲面，說明曲面上存在著石榴籽多糖得率的最大響應值，能夠得到3 種酶最佳配比值［16-17］。等高線圖中，3 種酶線性混合交互作用顯著（P＜0.000 1），果膠酶用量（A）和纖維素酶用量（B）、纖維素酶用量（B）和甘露聚糖酶用量（C）之間交互作用顯著（P＜0.05），3 種酶對于多糖得率的影響先后順序為：B＞A＞C，而這種影響直接體現在復合酶最優配比上。

通過統計分析軟件得到復合酶最優配比為：果膠酶24.2%、纖維素酶67.2%、甘露聚糖酶8.6%。為了對模型進行驗證，在上述最優復合酶配比條件下進行3 次平行驗證實驗，測得石榴籽多糖平均得率為2.35%，與模型預測值2.36%較為接近，說明應用D-最優混料試驗設計得到的復合酶最優配比是可信、可靠的。

2.3Box-Behnken試驗設計結果

本試驗以液固比、介質pH值、酶解溫度和酶解時間為試驗因素，以石榴籽多糖得率（Y）作為預測響應值，每個試驗平行測定3 次，取平均值作為試驗結果，根據Box-Behnken試驗設計原理在四因素三水平上對復合酶法提取石榴籽多糖工藝條件進行優化，試驗安排及結果見表4，方差分析結果見表5。

表4　Box-Behnken試驗設計與結果Table4　Box-Behnken design and corresponding results

表5　Box-Behnken試驗方差分析結果Table5　Results of analysis of variance for Box-Behnken design

應用分析軟件對表4數據進行回歸擬合，得到4 個因素作為自變量的二次多元回歸方程為：

從表5的方差分析結果可以看出，二次多項式模型（P＜0.000 1）達到極顯著水平，說明用上述回歸方程描述各自變量與響應值之間的關系時，二者線性關系顯著。相關系數R2=0.943 3，失擬項P=0.149 8＞0.05，表明試驗誤差較小，試驗值與預測值之間具有較好的擬合度，可以用該回歸方程對試驗結果進行分析與預測［22-23］。回歸方程的一次項X1、X2、X3和X4，交互項的X1X4、X2X3和X3X4以及二次項的均達到顯著水平。4 個試驗因素對石榴籽多糖得率（Y）的影響順序依次為：酶解溫度（X3）＞液固比（X1）＞酶解時間（X4）＞介質pH值（X2）。

為了探討回歸方程交互項中影響顯著的X1X4、X2X3和X3X4之間的關系，將4 個因素中的另外2 個因素確定為0，繪制影響顯著的兩因素之間的響應面圖和等高線圖，見圖7。可以看出，3 個響應面圖均為光滑的曲面，且開口向下，表明石榴籽多糖得率的最大響應值就在曲面某處，在所設計的因素水平范圍內能夠找到石榴籽多糖得率的最大值［24-25］。等高線圖中，X1X4交互作用極顯著（P=0.000 4＜0.01），說明液固比對多糖得率的影響比酶解時間大，原因是當提取達到平衡狀態之前，原料與介質之間的濃度之差直接影響表觀速率常數，液固比數值越大，更有利于使表觀速率常數數值維持在較大水平，提高多糖得率。X2X3交互作用極顯著（P = 0.006 1＜0.01），說明介質pH值對結果的影響也很明顯，在最適提取溫度范圍內，調節介質pH值使酶的活性達到最佳，促進細胞內有效成分的溶出。X3X4交互作用顯著（P = 0.025 1＜0.05），說明在最適酶解溫度范圍內，適當延長酶解時間有利于提高石榴籽多糖得率，但是時間過長，隨著提取物自身的水解或雜質析出吸附大量目標產物后，多糖得率會有所降低。

圖7　兩因素交互作用對石榴籽多糖得率影響的響應面與等高線圖Fig.7　Response surface and contour plot showing the interactive effect of three extraction parameters on the yield of polysaccharides

2.4最佳工藝條件的確定及驗證

應用軟件分析得出復合酶法提取石榴籽多糖的最佳工藝條件為：液固比20∶1、介質pH 4.49、酶解溫度48.60 ℃、酶解時間287.1 min。在此條件下，石榴籽多糖得率的模型預測值為2.84%。以上通過數學模型預測的試驗條件在實際操作中無法實現，因此將最優工藝參數修訂為：液固比20∶1、介質pH 4.5、酶解溫度48.5 ℃、酶解時間287 min。在上述修訂的最佳提取條件下，共進行3 次平行驗證實驗，測得石榴籽多糖得率為2.83%，與模型預測值接近，說明通過Box-Behnken試驗設計所得到的復合酶法提取石榴籽多糖工藝條件是可靠的。

3　結 論

本研究在單因素試驗基礎上，將D-最優混料設計與響應面分析法相結合，分別得到多項式回歸方程，很直觀地體現各試驗因素與試驗結果的相關性，進而獲得最佳工藝條件。D-最優混料設計得到的復合酶最優配比為：果膠酶24.2%、纖維素酶67.2%、甘露聚糖酶8.6%。并以此為基礎，得到復合酶法提取工藝中，各因素對石榴籽多糖得率的影響程度：酶解溫度＞液固比＞酶解時間＞介質pH值。最佳工藝條件為液固比20∶1、介質pH 4.5、酶解溫度48.5 ℃、酶解時間287 min，在此條件下，石榴籽多糖得率的模型預測值為2.84%，而實測值為2.83%，二者接近，這表明應用D-最優混料結合響應面分析法，可以對復合酶法提取石榴籽多糖的工藝條件進行優化，從而獲得最佳工藝參數，該工藝節能環保，并能對工業化生產起到指導作用。

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Optimization of Enzymatic Extraction of Polysaccharides from Pomegranate Seeds with Mixed Enzymes

WANG Zhanyi1， ZHANG Lihua1， WANG Yuhai1， DAI Bo2， ZHENG Dandan1， WANG Fei1
（1. College of Life Sciences， Zaozhuang University， Zaozhuang 277160， China；2. Department of Pharmacology， General Hospital of Air Force， Beijing 100142， China）

In this study， we optimized the conditions for enzymatic extraction of polysaccharides from pomegranate seeds with a mixed enzyme preparation consisting of pectinase， cellulase and mannase. The optimization of the mixing ratio of the three enzymes was performed by the combined use of one-factor-at-a-time method and D-optimal mixture design. Thereafter，the enzymatic extraction conditions were optimized by response surface methodology using Box-Behnken design. The yield of polysaccharides was taken as response for both optimizations. It was shown that the optimal combination of enzymes were 24.2% pectinase， 67.2% cellulase and 8.6% mannose and that the optimal extraction conditions were determined as follows: liquid/solid ratio， 20:1 （mL/g）； initial pH， 4.5； hydrolysis temperature， 48.5 ℃； and hydrolysis time， 287 min. Under these conditions， the yield of polysaccharides was 2.83%.

pomegranate seeds； polysaccharide； enzymatic extraction with mixed enzymes； D-optimal mixture design；response surface analysis； extraction process

10.7506/spkx1002-6630-201618004

R284.2

A

1002-6630（2016）18-0019-07

王占一， 張立華， 王玉海， 等. 復合酶法提取石榴籽多糖的工藝優化［J］. 食品科學， 2016， 37（18）: 19-25. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201618004. http://www.spkx.net.cn

WANG Zhanyi， ZHANG Lihua， WANG Yuhai， et al. Optimization of enzymatic extraction of polysaccharides from pomegranate seeds with mixed enzymes［J］. Food Science， 2016， 37（18）: 19-25. （in Chinese with English abstract）DOI:10.7506/spkx1002-6630-201618004. http://www.spkx.net.cn

2016-01-14

2012年度國家星火計劃項目（2012GA740049）；山東省自然科學基金項目（ZR2013BL018）

王占一（1980—），男，講師，碩士，主要從事天然藥物活性成分提取與分離研究。E-mail：zhyiwang@126.com