超聲波輔助提取蠶蛹多糖工藝的優化

吳海燕，袁秋梅

（1.南通科技職業學院，江蘇南通226007；2.南通市農副產品加工技術協會，江蘇南通226000）

超聲波輔助提取蠶蛹多糖工藝的優化

吳海燕1，2，袁秋梅1

（1.南通科技職業學院，江蘇南通226007；2.南通市農副產品加工技術協會，江蘇南通226000）

以脫脂蠶蛹粉為原料，通過超聲波輔助提取，對蠶蛹多糖的提取工藝進行優化。以超聲波提取時間、料液比、超聲波功率為影響因素，考察對蠶蛹多糖的提取率的影響。在單因素試驗基礎上，利用Box-Behenken試驗設計原理采用三因素三水平的響應面分析法對超聲波輔助提取蠶蛹多糖的工藝條件進一步優化。試驗結果表明，超聲波輔助提取脫脂蠶蛹多糖的最佳工藝條件為：料液比1∶30（g/mL），功率550W，提取時間65min。在此條件下，提取蠶蛹多糖率達到94.36%。

蠶蛹多糖；超聲波提取；多糖提取率；響應面分析；優化

蠶蛹是藥食同源的昆蟲性資源，具有豐富的營養價值和藥用價值，《本草綱目》、《齊民要術》對其藥用和營養價值均有記載。蠶蛹也是人類的一種新營養源，是衛生部批準的“作為普通食品管理的食品新資源名單”中唯一的昆蟲類食品。蠶蛹多糖是蠶蛹中的重要活性成分之一[1-3]，近年來研究的表明[4-7]，蠶蛹多糖是一種免疫調節劑，具有促進特異性免疫和非特異性免疫功能的作用，具有較好的醫藥和食品開發潛力。我國是蠶桑大國，蠶蛹資源豐富，但大部分是用作飼料和肥料，其資源利用率和附加值低，研究蠶蛹多糖的提取工藝，對蠶蛹的綜合利用，提高附加值；開發具有調節機體免疫力的功能產品具有實現意義。

超聲波提取法利用超聲波的熱效應、空化作用和機械效應來加快胞內有效物質的釋放、擴散和溶解[8]。近年來，由于超聲波提取具有提取率高、操作方便、提取速度快、活性成分損失少等優點，目前已被廣泛應用于動植物等天然原料中有效成分的提取，其中采用超聲波輔助提取各種動植物中多糖技術取得了較好成果[9-13]。利用超聲波輔助提取蠶蛹多糖，研究提取時間、超聲功率、料液比等因素對蠶蛹多糖提取率的影響，在此基礎上，根據SAS（statistical analysis system）軟件中Box-Behenken試驗設計原理采用三因素三水平的試驗設計[12-15]，利用響應面分析法（response surface analysis，RSA）對蠶蛹多糖超聲提取工藝進行優化，為蠶蛹多糖的綜合開發利用及工業化生產提供試驗參考。

1材料與方法

1.1材料與儀器

1.1.1材料與試劑

脫脂蠶蛹粉：南通福爾生物制品有限公司提供；葡萄糖、重蒸苯酚、濃硫酸、無水乙醇等試劑均為分析純：國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2主要儀器設備

TU-1901紫外可見分光光度計：北京通用普析儀器公司；DZF-6020真空干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司；VCX 750sonics超聲提取儀：美國SONICS& MATERIALS公司。

1.2方法

1.2.1蠶蛹多糖的提取

準確稱取5 g脫脂蠶蛹粉至于錐形瓶中，加入一定量的蒸餾水，置于超聲波提取儀中，一定功率下提取多糖，過濾，濾液用旋轉蒸發器濃縮至一定體積，加入4倍95%乙醇，低溫（4℃）靜置過夜；醇沉液離心分離（4 000 r/min）10min，沉淀干燥至恒重得蠶蛹粗多糖。

1.2.2蠶蛹多糖含量的測定

苯酚硫酸法是測定多糖的常用方法[17-18]，多糖在濃硫酸作用下水解成單糖并迅速脫水生成糠醛衍生物隨后與苯酚結合生成有色化合物。

根據文獻[19-21]，導數光譜法測定多糖，能夠避免雜質的干擾，可以不進行脫色處理，直接對多糖含量進行定量。采用苯酚-硫酸法導數光譜測定多糖，糖-硫酸-苯酚形成的有色物質的一階導數光譜在425 nm～525nm間波峰與波谷間距值的定量效果最佳。

精密量取0.1 mg/mL葡萄糖溶液0、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70、0.80mL，分別置于10mL干燥比色管中，加蒸餾水至體積為1.00mL，加入一定濃度的精制苯酚溶液0.50mL，混勻，迅速加入濃H2SO4，放置水浴鍋中，一定溫度保持一定時間后，迅速冷卻至室溫。在425 nm～525 nm波長范圍內，用TU-1901紫外可見分光光度計掃描葡萄糖的零階吸收光譜，利用uvwin5.0軟件記錄葡萄糖一階導數吸收光譜。以一階導數光譜中波峰與波谷間距對葡萄糖含量進行直線回歸[21]。

將5 g待測樣品定容到250mL，取10mL提取液定容到100mL待測定，精密吸取待測液1.00mL置于干燥比色管中，按上述方法繪制零階和一階導數吸收光譜。將一階導數光譜中波峰與波谷間距值代入直線回歸曲線，可以求得樣品的多糖含量。

1.2.3蠶蛹多糖提取率的測定

式中：M1為提取的多糖質量，mg；M為原料中多糖質量，mg。

2結果與分析

2.1多糖標準曲線

按照1.2.2進行測定，以葡萄糖一階導數吸收光譜在425 nm～525 nm間的波峰一波谷間距為縱坐標，以葡萄糖的量為橫坐標求得標準曲線（如圖1）。回歸方程為：y=0.582 1x+0.001 4，相關系數為0.998 2。結果表明，葡萄糖濃度在1.81μg/mL～14.55μg/mL范圍內呈良好的線性關系。測得脫脂蠶蛹原料中多糖含量為2.98 g/100 g。

圖1 葡萄糖的一階導數的標準曲線Fig.1 Thestandard curveof first-order derivativeofglucose

2.2單因素試驗

2.2.1超聲時間對提取率的影響

準確稱取5g脫脂蠶蛹粉于三角瓶中，加入100mL蒸餾水，于超聲波提取儀中，料液比1∶20（g/mL），功率500W，不同時間對多糖提取率的影響如圖2所示。

圖2 提取時間對多糖提取率的影響Fig.2 Effectof timeon theextraction percentageof polysaccharide

由圖2可知，隨著處理時間的延長，蠶蛹多糖提取率不斷提高；但是提取時間到達60min后提取率的變化趨勢變小，多糖提取基本完成，從實際生產的角度，超聲波適宜的提取時間為60min。

2.2.2料液比因素對提取率的影響

準確稱取5 g脫脂蠶蛹粉于三角瓶中，加入一定量的蒸餾水，于超聲波提取儀中，時間60min，功率500W，不同料液比對多糖提取率的影響如圖3所示。

圖3 料液比對多糖提取率的影響Fig.3 Effectof ratio ofwater to raw materialon theextraction percentageof polysaccharide

由圖3可知，料液比在1∶30（g/mL）之前，多糖的提取率隨著溶劑體積增大而增大，溶劑體積小時，物料的黏度大，擴散速度慢，阻礙了多糖的提取；當料液比達到1∶35（g/mL）時，提取率開始下降，可能是由于提取體系中總體積的增大，增加處理量及能量吸收，在一定的超聲功率和時間下導致超聲波提取效果減弱，因此，料液比選擇1∶30（g/mL）為佳。

2.2.3超聲功率對提取率的影響

準確稱取5g脫脂蠶蛹粉于三角瓶中，加入150mL蒸餾水，于超聲波提取儀中，時間60 min，料液比1∶30（g/mL），不同超聲波功率對多糖提取率的影響如圖4所示。

圖4 功率對多糖提取率的影響Fig.3 Effectof power on theextraction percentageof polysaccharide

由圖4顯示，隨著超聲波功率的增加，多糖提取率呈上升趨勢。增大輸出功率可加快水的循環速度，強化傳質，同時使細胞的破碎程度增加，有利于多糖的提取。當超聲功率達到500W時，多糖已基本從原料中溶出，進一步提高功率，多糖提取率變化不明顯，因此，超聲波提取功率在500W為宜。

2.2.4超聲波提取蠶蛹多糖過程的優化

利用響應面分析[13-14]對三因素工藝優化作進一步的分析。根據Box-Behnken的中心組合設計原理，設計了三因素三水平共15個試驗點的響應面分析試驗，在中心值重復3次試驗，用以估計試驗誤差，Box-Behnken試驗設計及結果見表1、表2。

由表3可見，三因素對多糖提取率的影響并非簡單的一次線性關系，而是呈二次拋物線關系。一次項X1、X3、交叉乘積項X2X3、X3X3對多糖的提取率有影響，交叉乘積項X1X1、X2X2對多糖提取率顯著影響。各因素經回歸擬合后，得回歸方程：

表1 Box-Behnken試驗設計的因素水平Table1 Levels form ain factors in the Box-Behnken design

表2 Box-Behnken試驗安排、結果Table2 Experimentaldesign and resultsof Box-Behnken designs

表3 多糖提取率的回歸分析表Table3 Resultsof regression analysis

模型可信度分析的統計結果見表4。

表4 模型的可信度分析的統計檢驗結果Table4 Fit statistics for Y

復相關系數的平方為95.41%，說明由這3個因素及其二次項能解釋Y變化的95.41%，模型誤差的平方根1.132，模型擬合程度較好。

對多糖提取率的響應因子水平的優化見圖5、圖6、圖7。

圖5 X1、X2的響應面立體圖和等高圖Fig.5 Surfacep lotsand contour op tim izer of X1，X2

利用SAS分析可知，回歸模型存在穩定點（X 1，X 2，X 3）為（0.5，0，0.5），提取率的最大值為94.30%。根據因素水平，考慮到實際操作，將時間取65min，料液比取1∶30（g/mL），功率取550W，得到5 g蠶蛹樣品中含糖量為140.6mg，提取率為94.36%，證實了回歸方程對蠶蛹多糖提取優化過程提供了可靠的模型。

圖6 X1、X3的響應面立體圖和等高圖Fig.6 Surface plotsand contour optim izer of X1，X3

圖7 X2、X3的響應面立體圖和等高圖Fig.7 Surface plotsand contour optim izer of X2，X3

3結論

本試驗采用超聲輔助提取蠶蛹多糖，利用二水平試驗和響應面試驗對提取工藝進行優化。試驗結果顯示超聲輔助提取蠶蛹多糖的最佳工藝條件為：料液比1∶30（g/mL），功率550W，提取時間65min，在此條件下，提取蠶蛹多糖率達到94.36%。該方法縮短提取時間、對環境無污染，是適合蠶蛹多糖提取的工藝。

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Optim ization of Ultrasonic Extraction of Polysaccharides in De-fatted Silkworm Pupa Powder

WUHai-yan1，2，YUANQiu-mei1
（1.Nantong CollegeofScienceand Technology，Nantong226007，Jiangsu，China2.Nantong Agricultural ProductProcessing Technology Association，Nantong226000，Jiangsu，China）

The extraction technology of polysaccharides from de-fatted silkworm pupa powderwas studied by ultrasonic extractionmethod.The effectsof the extraction percentage of polysaccharide such as time，materialliquid ratio，powerwere studied.The threeextracting factors（time，material-liquid ratio，power）were studied.The optimum conditionwassystematically studied with single factor experimentsand Box-Behnken designs. The resultsshowed that theoptimum conditionswere as follows：extracting time of65min，material-liquid ratio of1∶30 g/mL，extracting powerof550W.In this condition，the extraction percentage of polysaccharides from silkworm pupawas94.36%.This technology issuitable forextraction ofpolysaccharides from silkworm pupa.

polysaccharidesofsilkworm pupa；ultrasonicextraction；theextraction percentageofpolysaccharide；responsesurfaceanalysis；optimization

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.05.013

2016-06-23

南通市農村科技創新及產業化項目（HL2012025）；江蘇省教育廳“青藍工程”項目（201423）

吳海燕（1978—），女（漢），副教授，碩士，研究方向：食品綜合利用及食品營養安全檢測。