響應面法優化超聲輔助提取山麥冬多糖工藝

2016-12-31 00:00:00張彩瑩徐敏陳明會關蕾

湖北農業科學 2016年13期

摘要：采用響應面法優化山麥冬[Liriope spicata （Thunb.） Lour.]多糖超聲波輔助提取工藝。在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken設計研究超聲時間、液料比和超聲功率3個因素對山麥冬多糖提取得率的影響，得出的最佳提取條件為超聲時間40 min，液料比31∶1（mL∶g），超聲功率360 W，在此條件下山麥冬多糖的提取率為4.33%。

關鍵詞：山麥冬[Liriope spicata （Thunb.） Lour.]；多糖；超聲波輔助提??；響應面法

中圖分類號：Q539；S567.23+2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）13-3446-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.13.044

山麥冬[Liriope spicata （Thunb.） Lour.]為多年生常綠草本植物，其干燥塊根可以入藥，性味甘、微苦、微寒，具有養陰生津、潤肺清心的功效，可用于治療肺燥干咳、虛勞咳嗽、津傷口渴、心煩失眠、腸燥便秘等病癥[1-4]。山麥冬中含有多種皂苷類、有機酸類化學成分，其主要活性成分山麥冬多糖具有降血糖、延緩衰老、抗疲勞、輔助抑制腫瘤、抗輻射等作用[5-7]。

目前，大多數中藥材中多糖的提取采用直接水提法[8]或有機溶劑脫脂水提法[9]，這些傳統方法耗時長，產品不容易純化。超聲波法能夠提高細胞釋放多糖的速度、縮短提取時間、提高多糖提取率，避免了傳統提取方法的缺點，能有效提高多糖的提取率，在植物多糖的提取中被廣泛采用[10，11]。本試驗主要采用乙醇加熱回流除去山麥冬粉末中單糖、低聚糖等成分，沉淀干燥后加水超聲輔助提取多糖，采用苯酚-硫酸比色法測定多糖含量，響應面法優選提取工藝，為山麥冬多糖的研究開發及工業化生產提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

山麥冬購于河南省南陽市仲景藥材市場，產地為湖北襄陽；乙醇、濃硫酸、重蒸苯酚、葡萄糖等均為國產分析純。KQ-500VDE型雙頻數控超聲波清洗機，昆山市超聲儀器有限公司；LD-100型實驗室用小型粉碎機，長沙市常虹制藥機械設備廠；UV-2000型可見分光光度計，尤尼柯上海儀器有限公司；TDL-5-A型臺式離心機，上海安亭科學儀器廠；PHG-9240A型電熱恒溫干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；DZKW-4型雙列六孔電子恒溫水浴鍋，北京中興偉業儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 多糖提取原料預處理：將山麥冬切碎、烘干，粉碎過100目篩，采用95%乙醇回流處理，將沉淀晾干得到山麥冬粉末。

多糖提?。悍Q取一定量預處理的山麥冬粉末，依照試驗設置的超聲波功率及超聲時間，用一定體積的去離子水浸提，離心，上清液即多糖提取液。

1.2.2 多糖含量的測定山麥冬多糖含量的測定采用苯酚-硫酸比色法[12]，以葡萄糖為標準品。按操作規程繪制標準曲線方程Y=13.467X-0.002 8，R2=0.999 4，其中X為葡萄糖含量（mg/mL），Y為吸光度。說明濃度范圍在0～0.1 mg/mL，線性關系良好。

多糖的精制：將多糖提取液濃縮至提取液總體積的1/3左右時用3倍體積的乙醇沉淀，離心，沉淀分別用乙醇、丙酮洗滌各2次，烘干，得到灰白色粉末即山麥冬多糖。

換算因子的測定：精密稱取山麥冬多糖20.00 mg，置于100 mL容量瓶中，用去離子水溶解稀釋至刻度并搖勻，精密吸取10 mL，稀釋至100 mL，取2.0 mL置于試管中，按標準曲線的方法測定多糖溶液中的葡萄糖含量，按以下公式計算山麥冬多糖換算因子，得到f=1.253。

f=W/CD

式中，W為山麥冬多糖質量（mg）；C為山麥冬多糖中葡萄糖含量（mg/mL）；D為山麥冬多糖稀釋倍數。

山麥冬多糖提取率：多糖提取液用去離子水稀釋到一定濃度，采用標準曲線的方法測定溶液中葡萄糖含量，按以下公式計算多糖提取率。

多糖提取率=CDVf/m×100%

式中，C為供試溶液中葡萄糖含量（mg/mL）；D為供試溶液稀釋倍數；V為溶液體積（mL）；m為預處理的山麥冬粉末質量（mg）；f為換算因子。

1.2.3 單因素試驗稱取2.0 g預處理后的山麥冬粉末若干份，分別以不同的超聲時間、液料比和超聲功率為考察因素，對山麥冬多糖進行超聲提取，計算多糖提取率，研究各因素對多糖提取率的影響。

1）超聲時間對山麥冬多糖提取率的影響。取預處理的山麥冬粉末2.0 g，加水60 mL（液料比30∶1，mL∶g，下同），在300 W的功率下，考察超聲提取10、20、30、40、50、60、70 min對山麥冬多糖提取率的影響。

2）超聲功率對山麥冬多糖提取率的影響。分別稱取預處理的山麥冬粉末2.0 g，液料比30∶1，超聲提取時間20 min，考察超聲功率分別為200、250、300、350、400、450、500 W時對山麥冬多糖提取率的影響。

3）超聲功率對山麥冬多糖提取率的影響。固定超聲功率為300 W，超聲提取時間為20 min，分別稱取預處理的山麥冬粉末2.0 g，考察液料比為10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1對山麥冬多糖提取率的影響。

1.2.4 響應面試驗設計在單因素試驗的基礎上，根據響應面分析軟件Design Expert V 8.05b中的設計組合，以多糖提取率為響應值，以超聲波功率、液料比、超聲時間為因素，進行3因素3水平的響應面試驗（表1），優化山麥冬多糖的超聲輔助提取條件。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 超聲時間對山麥冬多糖提取率的影響如圖1所示，山麥冬多糖提取率隨著超聲時間的延長呈先增加后降低的趨勢，當超聲時間達到30 min時多糖提取率增加緩慢，超過40 min時，多糖提取率下降，分析原因可能是時間過長對多糖結構造成破壞，影響提取率[13]，故選取30 min為適宜超聲時間。

2.1.2 超聲功率對山麥冬多糖提取率的影響如圖2所示，隨著超聲功率的增大，多糖提取率呈先增加后降低的趨勢，在超聲功率350 W時提取率最高，原因是功率增大，超聲作用增強，細胞破碎充分，有助于多糖的溶出，但功率過大時，可能導致局部溫度過高破壞多糖的結構，提取率下降[14]，故選擇350 W為適宜的超聲功率。

2.1.3 液料比對山麥冬多糖提取率的影響如圖3所示，開始隨著液料比的增加，山麥冬多糖提取率有明顯的升高，說明液料比的增加降低了溶液黏度，有利于傳質擴散，在液料比30∶1時多糖提取率達到最高，故選擇30∶1為適宜液料比。

2.2 響應面法優化多糖的提取工藝

2.2.1 響應面試驗結果中心組合試驗方案及結果見表2。利用Design-Expert V 8.05b軟件對表2中數據進行二次多元回歸擬合，得到多糖提取率Y與X1、X2、X3之間的二次回歸方程為Y=4.23+0.3X1+0.16X2+0.13X3-0.055X1X2+0.75X1X3-0.01X2X3-0.27X12-0.31X22-0.41X32。

對表2中的試驗結果進行統計分析，所得方差分析結果見表3。結果表明，該模型極顯著（P<0.01），其中R2=0.987 5，表明模型響應值變化的98.75%來自考察的變量。回歸方程失擬項P=0.079 0>0.05，失擬性檢驗結果不顯著，表明模型的純誤差不顯著，其因變量和自變量之間的回歸關系顯著[15，16]。由F值可知，各因素對多糖提取率的影響大小順序為X1>X2>X3，且X1、X2、X3對多糖提取率的影響極顯著，二次項對多糖提取率的影響極顯著，交互項對多糖提取率的影響不顯著。

2.2.2 響應面分析圖4、圖5、圖6為兩因素間的交互作用響應面分析圖，均表現為曲線較為平緩，說明兩因素之間交互作用影響不顯著。由試驗和分析數據預測，超聲輔助提取山麥冬多糖的最佳條件是超聲時間39.5 min，液料比31.05∶1，超聲功率360.5 W，此條件下多糖得率為4.35%，由于預處理時粉末過100目篩，多糖容易析出，故提取率較高。

2.2.3 驗證試驗按照優化工藝條件，結合實際應用，將最佳提取條件參數修正為超聲時間40 min，液料比31∶1，超聲功率360 W。經5次平行驗證試驗，得到山麥冬多糖提取率分別為4.32%、4.32%、4.35%、4.32%、4.33%，平均值為4.33%，相對標準偏差（RSD）為1.63，與理論預測值4.35%的相對誤差為0.02個百分點。表明試驗值與回歸模型所預測的理論值相符合，進一步驗證了該模型的可靠性。

3 小結

本試驗采用超聲波輔助提取山麥冬多糖，通過單因素分析結合響應面優化的方法，建立了以山麥冬多糖提取率為目標值，以液料比、超聲時間、超聲功率為因素的山麥冬多糖超聲輔助提取工藝的二次多項式回歸數學模型，模型擬合度良好。模型的方差分析表明，各因素對麥冬多糖超聲提取影響的大小順序為超聲時間、液料比、超聲功率。最終確定麥冬多糖超聲輔助提取最佳工藝條件為超聲時間40 min，液料比31∶1，超聲功率360 W。該條件下山麥冬多糖的提取率為4.33%。

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