超聲波微波協同提取超微粉碎落葵中多糖工藝優化

胡曉冰，王振偉，申森，陳西良

（黃河水利職業技術學院環境與化學工程系，河南開封475003）

超聲波微波協同提取超微粉碎落葵中多糖工藝優化

胡曉冰，王振偉，申森，陳西良

（黃河水利職業技術學院環境與化學工程系，河南開封475003）

采用微波-超聲波協同提取落葵中的多糖，研究超微粉碎與普通粉碎的多糖提取率差別，并對超微粉碎的提取進行條件優化。結果表明：1）在設定的相同條件下，超微粉碎落葵的多糖提取率比普通粉碎提高64.11%；2）通過單因素試驗考察了液料比、時間、超聲波功率和微波功率對于超微粉碎落葵多糖提取率的影響；3）在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken中心設計對超微粉碎落葵進行微波-超聲波協同提取多糖條件優化，確定最佳工藝條件為微波功率331W、超聲波功率193W、提取時間18min、液料比50mL/g，在此最佳工藝條件下，落葵多糖提取率的可達到27.39%，相對誤差為-2.35%，與理論值基本符合，表示該模型能很好的預測實際提取情況。

落葵多糖；超聲波-微波協同作用；超微粉碎；工藝優化

落葵又稱木耳菜、胭脂菜、豆腐菜、籬笆菜等，為落葵科落葵屬纏繞莖生草本植物，在我國有著悠久的種植歷史。落葵含有豐富的營養成分，蛋白質、維生素和無機鹽的含量均很高，除此之外還含有皂苷、葡聚糖、黏多糖等多糖藥用成分，碳水化合物可占落葵干重的50%以上[1]。落葵多糖具有較高的的抗氧化[2]、抗病毒[3-4]和抗腫瘤[5]作用。目前，植物性多糖的提取有熱水、超聲、微波、高溫高壓等方法，落葵多糖主要以熱水提取為主[6]，存在時間長、能耗高和提取率低等問題。國內外一些學者為了提高多糖提取效率，使用了超聲或者微波助提[7]的方法，但效果有限。

超聲波輔助提取因其空化作用而產生高強度機械效應和熱效應，具有細胞破碎、增加穿透性與加速質量傳遞等優勢，但由于機械效應和熱效應均不強，在輔助提取時往往需要控制物料大小及溫度。微波輔助提取通過產生高效內熱和電介質熱而提高提取效率、減少提取時間并降低料液消耗，但存在著加熱不均勻、溫度不易控制的缺點。因此，國內外很多學者采用超聲波和微波同時協同提取各自原料功能因子，均發現比傳統方法（如熱回流、水浴振蕩或索氏抽提等）或單獨采用時提取時間更短、得率更高、效率更好[8-9]。超微粉碎是指利用機械或流體動力方法克服固體內部凝聚力使之破碎，從而將物料顆粒粉碎至10μm～25μm的操作技術。經超微粉碎技術加工后，原料被超微細化，細胞壁大部分被破壞，顆粒的表面積和孔隙率顯著增加，產品的分散性、溶解性、功能性明顯增強[10]。

目前，鮮有使用3種技術工藝協同提取原料功能因子的研究，因此，本文在實驗室前期研究基礎上，對協同提取工藝進行優化，為落葵多糖高效提取方法以及該方法將來的工業應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

落葵：黃河水利職業技術學院食品工程實驗室種植，偏堿性土壤，未噴灑農藥，未施任何化學肥料。落葵收獲后，洗凈，晾干，60℃條件下干燥，0℃條件下保藏備用。

無水乙醇：購于安徽安特食品股份有限公司；石油醚、苯酚、正丁醇、氯仿：均購于天津市得恩化學試劑有限公司；濃硫酸：購于中國平煤神馬集團開封東大化工有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

XO-SM50超聲波微波聯合反應系統：南京先歐儀器制造有限公司（設備運行示意圖見圖1）；HC-3018R高速冷凍離心機：科大創新股份有限公司中佳分公司；ZRD-5210鼓風干燥箱：上海智城分析儀器制造有限公司；RT-25超微粉碎機：臺灣榮聰精密科技有限公司；FW-400A傾斜式高速萬能粉碎機：北京中興偉業儀器有限公司；RE-52AA旋轉蒸發器：上海亞榮生化儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 落葵粉樣品的制作與儲藏

圖1 超聲波-微波協同反應設備示意圖Fig.1 Schem atic diagram of com binedm icrowave-ultrasonic treatment

將適量干燥落葵加入粉碎機，經過1min粉碎后制得普通粉碎落葵干粉；將普通粉碎落葵干粉加入超微粉碎機，經過1min粉碎后制得超微粉碎落葵干粉。

1.3.2 落葵多糖提取方法

干燥落葵→普通/超微粉碎→落葵粉→加水浸泡→超聲波-微波協同提取→過濾→離心→濃縮→一次醇沉→過濾收集多糖→溶解多糖→二次醇沉→過濾收集多糖→溶解多糖→用石油醚脫脂→用sevage法脫蛋白[11]→三次醇沉→過濾，收集多糖→冷凍干燥→粗多糖→溶解多糖→苯酚硫酸法測定多糖[12]→計算提取率

1.3.3 普通粉碎與超微粉碎多糖提取率對比

將超微粉碎和普通粉碎的落葵粉分別進行多糖提取，稱取（5.000±0.001）g超微粉碎和普通粉碎的落葵粉各5份，提取條件為超聲功率160W、微波功率300W、提取時間15min、液料比50mL/g，取平均值進行對比。其中，液料比是指提取溶劑體積與落葵粉質量的比值。

1.3.4 電鏡試驗

采用電子熱場發射掃描電子顯微鏡觀察普通粉碎和超微粉碎的粉碎狀態，取樣品固定，噴金，掃描電鏡下觀察，加速電壓5 kV。

1.3.5 單因素試驗設計

稱取（5.000±0.001）g的超微落葵粉，進行單因素試驗。

1.3.5.1 考察微波功率對提取率的影響

在超聲功率160W，提取時間15 min，液料比50mL/g的條件下，研究不同的微波功率（0、150、300、450、600W）對落葵多糖提取率的影響。

1.3.5.2 考察超聲功率對提取率的影響

在微波功率300W，提取時間15 min，液料比50mL/g的條件下，研究不同的超聲功率（0、80、160、240、320W）對落葵多糖提取率的影響。

1.3.5.3 考察提取時間對提取率的影響

在超聲功率160 W，微波功率300 W，液料比50mL/g的條件下，研究不同的提取時間（5、10、15、20、25min）對落葵多糖提取率的影響。

1.3.5.4 考察液料比對提取率的影響

在超聲功率160W，微波功率300W，提取時間15min的條件下，研究不同的液料比（30、40、50、60、70mL/g）對落葵多糖提取率的影響。

1.3.6 多糖提取優化方案設計

采用響應面法進行試驗數據處理，選用Box-Behnken模型對影響超微粉碎-超聲波-微波協同技術提取落葵多糖得率的因素進行響應面設計，以落葵多糖得率為響應值進行優化。

表1 中心組合設計因素水平表Table1 Centralcom posite design factorsand levels

2 結果與討論

2.1 普通粉碎與超微粉碎多糖提取率對比

普通粉碎與超微粉碎對多糖提取率的影響如圖2所示。

圖2 普通粉碎與超微粉碎對多糖提取率的影響Fig.2 Theeffectof ultram icro grinding and ordinary grinding on extraction rate

由圖2可知，普通粉碎的落葵粉5份樣品多糖提取率平均值為16.97%；超微粉碎的落葵粉5份樣品多糖提取率平均值為27.85%。超微粉碎落葵粉多糖提取率比普通粉碎提高64.11%。

2.2 掃描電鏡分析（SEM）

普通粉碎掃描電鏡圖見圖3，落葵超微粉碎掃描電鏡圖見圖4。

圖3 普通粉碎掃描電鏡圖Fig.3 SEM of ordinary grinding

圖4 落葵超微粉碎掃描電鏡圖Fig.4 SEM ofultram icro grinding

如圖3所示，未經過超微粉碎處理的普通落葵粉顆粒較大，且呈現出大小不均勻的現象。圖4是經過超微粉碎的落葵粉，顆粒明顯變小，均一度明顯改善，這為落葵多糖的高效提取提供了有力的保障。

2.3 單因素試驗結果

2.3.1 液料比的影響

超聲波-微波協同提取液料比單因素試驗結果如圖5所示。

圖5 液料比對落葵多糖提取率的影響Fig.5 Effectof liquid-solid ratio on theextraction yield of Basella rubra L.

從圖5可以發現，在液料比30mL/g～50mL/g范圍內，落葵多糖提取率值隨著液料比的增大逐漸增大，在液料比50mL/g～70mL/g范圍內，落葵多糖提取率增大逐漸放緩，最后還有下降趨勢。考慮到液料比因素條件下，多糖提取率變化趨勢不明顯以及后期提取工藝操作性和經濟性，故不再對該因素進行進一步優化，直接選定液料比50mL/g做后續試驗。

2.3.2 時間的影響

超聲波-微波協同提取時間單因素試驗結果如圖6所示。

圖6 時間對落葵多糖提取率的影響Fig.6 Effectof tim eon theextraction yield of Basella rubra L.

從圖6可以發現，在時間5min～15min范圍內，落葵多糖提取率值隨著時間的增加逐漸增大，在時間15min～25min范圍內，落葵多糖提取率隨著時間的延長反而逐漸下降。其原因可能是隨著時間的延長，落葵中所含的一些對溫度敏感的成分在300W功率微波和150W功率超聲波產生的較高局部溫度環境中逐漸失去活性的緣故。故選定時間10、15、20min做后續優化試驗。

2.3.3 微波功率的影響

超聲波-微波協同提取微波功率單因素試驗結果如圖7所示。

圖7 微波功率對落葵多糖提取率的影響Fig.7 Effectofm icrowavepower on theextraction yield of Basella rubra L.

從圖7可以發現，在微波功率0～300W范圍內，落葵多糖提取率值隨著微波功率的增加逐漸增大，在微波功率300W～600W范圍內，落葵多糖提取率隨著微波功率的增加反而逐漸下降。其原因可能是高微波功率會造成落葵多糖中敏感成分分解的緣故。故選定微波功率150、300、450W做后續優化試驗。

2.3.4 超聲波功率的影響

超聲波-微波協同提取超聲波功率單因素試驗結果如圖8所示。

圖8 超聲波功率對落葵多糖提取率的影Fig.8 Effectof ultrasonic power on theextraction yield of Basella rubra L.

從圖8可以發現，在超聲波功率0～160W范圍內，落葵多糖提取率值隨著超聲波功率的增加逐漸增大，在超聲波功率160W～320W范圍內，落葵多糖提取率隨著超聲波功率的增加反而逐漸下降。其原因可能是隨著超聲功率從160W增加到320W，落葵多糖中所含的一些敏感成分在較高功率超聲波環境中失去活性的緣故。故選定超聲波功率80、160、240W做后續優化試驗。

2.4 落葵多糖提取條件優化結果及分析

落葵多糖提取響應面試驗設計方案與結果見表2，響應面回歸方程方差分析結果見表3。

表2 落葵多糖提取響應面試驗設計方案與結果Table2 Box-Behnken design and experimental results for extraction of polysaccharides from Basella rubra L.

表3 響應面回歸方程方差分析結果Table3 Resultsof varianceanalysisof response surface regression m odel

利用Design Expert軟件，通過表3中試驗數據進行多元回歸擬合，獲得落葵多糖提取率對微波功率、超聲波功率和提取時間真實值的回歸模型：

落葵多糖提取率Y=27.48+2.57A－0.12B+0.51C－0.15AB－0.59AC－0.26BC－4.90A2－2.02B2－2.70C2。

3個試驗因素均以量綱線性編碼處理，方程中各項系數絕對值的大小能反映各因素對響應值的影響程度。

回歸方程的方差分析采用Design Expert Version軟件對表2數據進行方差分析，結果見表3。

由表3可知，模型的P＜0.000 1，表明二次方程擬合極其顯著，而且失擬項的F值遠大于0.05，表明失擬項不顯著，說明方程模擬的比較好，可以很好用于數據的分析。決定系數R2=0.988 9，校正系數為R2= 0.974 5，也說明回歸方程的擬合程度很好，失擬較小。綜上所述，該回歸方程為優化落葵多糖的提取工藝條件提供了一個良好的模型，可以利用該回歸方程確定最佳提取工藝條件。

當提取時間編碼固定為0時，微波功率與超聲波功率對多糖提取率的影響見圖9。

由圖9可知，在微波功率的編碼在-1到0范圍內，多糖提取率呈現不斷增加的趨勢，之后編碼增大在0到1范圍內，多糖提取率有下降的趨勢。超聲波功率編碼在-1到0的范圍內，多糖提取率不斷增加，之后編碼增大在0到1范圍內，多糖提取率有下降的趨勢。通過圖9及方差分析可知，微波功率要比超聲波功率對多糖的提取率影響更大。

圖9 微波功率和超聲功率對多糖提取率影響的響應面圖Fig.9 Responsesurfaceof effectsofm icrowave power and ultrasonic power on polysaccharidesextractyield

當超聲波功率編碼固定為0時，微波功率與提取時間的對多糖提取率的影響見圖10。

圖10 微波功率和提取時間對多糖提取率影響的響應面圖Fig.10 Response surfaceof effectsofm icrowave power and time on polysaccharidesextract yield

由圖10可知，在微波功率的編碼在-1到0范圍內，多糖提取率呈現不斷增加的趨勢，之后編碼增大在0到1范圍內，多糖提取率有下降的趨勢。提取時間編碼在-1到0.5的范圍內，多糖提取率不斷增加，之后編碼增大到1范圍內，多糖提取率有下降的趨勢。通過圖10及方差分析可知，微波功率要比提取時間對多糖的提取率影響更大。

當微波功率編碼固定為0時，超聲波功率與提取時間的對多糖提取率的影響見圖11。

由圖11可知，超聲波功率編碼在-1到0的范圍內，多糖提取率不斷增加，之后編碼增大在0到1范圍內，多糖提取率有下降的趨勢。提取時間編碼在-1到0的范圍內，多糖提取率不斷增加，之后編碼增大到1范圍內，多糖提取率有下降的趨勢。通過圖11及方差分析可知，超聲功率要比提取時間對多糖的提取率影響更大。

圖11 超聲功率和提取時間對多糖提取率影響的響應面圖Fig.11 Response surfaceofeffectsofultrasonic power and timeon polysaccharidesextract yield

2.5 超聲波-微波協同法驗證試驗

通過圖9、圖10、圖11響應面以及回歸模型預測的落葵多糖提取最佳工藝條件為：微波功率331.11W，超聲波功率192.79W，提取時間18.23min，在此條件下，落葵多糖提取率理論上可達28.05%。考慮到實際操作的可行性，將落葵多糖的最佳提取條件在理論值基礎上修正為微波功率331W，超聲波功率193W，提取時間18min。采用此工藝條件進行驗證試驗，平行3組，測得的落葵多糖提取率分別為27.08%、27.32%和27.77%，落葵多糖提取率的平均值為27.39%，相對誤差為-2.35%，與理論值基本符合，表示該模型能很好的預測實際提取情況。

3 結論

1）通過普通粉碎和超微粉碎處理干燥落葵，對比粉碎效果對于落葵多糖提取率的影響，在設定的相同條件下，超微粉碎落葵的多糖提取率比普通粉碎提高64.11%。考慮到超微粉碎的破壁效果，落葵多糖提取率的提高有可能是胞壁多糖和胞內多糖更大量析出的原因。

2）通過單因素以及Box-Behnken中心設計對超微粉碎落葵進行微波-超聲波協同提取多糖條件優化，確定最佳工藝條件為微波功率331W、超聲波功率193W、提取時間18min、液料比50mL/g，在此最佳工藝條件下，落葵多糖提取率可達27.39%，相對誤差為-2.35%，與理論值（28.05%）基本符合，表示該響應面模型能很好的預測實際提取情況。本研究為落葵多糖高效提取提供一個思路，為超微粉碎，超聲波-微波協同等方法將來的工業應用提供理論依據。

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Optim ization of M icrowave-Ultrasound Assisted Extraction Process of Polysaccharide from Basella rubra L.after Ultram icro Grinding

HU Xiao-bing，WANGZhen-wei，SHENSen，CHENXi-liang
（DepartmentofEnvironmentand Chemistry Engineering，YelloWRiverConservancy Technical Institute，Kaifeng475003，Henan，China）

Polysaccharide was extracted from Basella rubra L.using microwave-ultrasound assisted method. The difference of influence ofultramicro grinding and ordinary grinding on extraction ratewas studied.And the ultramicro extraction conditionswere optimized aswell.The results demonstrated that：（1）therewas64.11% increased in polysaccharide extraction rate for ultramicro grinding than that of the normal grinding technology under the same conditions；（2）The influence of liquidmaterial ratio，time，ultrasonic power andmicrowave power on the polysaccharide extraction ratio from Basella rubra L.were investigated through the single factor experiment；（3）Box-Behnken Center design was used on the basis of single factor test to optimize themicrowave-ultrasonic assisted extracting conditionsofpolysaccharide.The optimum conditionswere determined as themicrowave powerwas331W，ultrasonic powerwas193W，extraction timewas18min，and the liquid-solid ratiowas50mL/g.The extraction rate could reach 27.39%and the relative errorwas-2.35%under the optimum conditions，whichwas consistentwith the theoreticalvalue.So themodelwas proved to be effective to predict theactualextraction rate.

polysaccharide from Basella rubra L.；combined microwave-ultrasonic treatment；ultramicro grinding；processoptimization

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.07.010

2016-07-16

2014年河南省教育廳科學技術重點項目（14B550010）

胡曉冰（1981—），男（漢），講師，碩士，研究方向：食品生物技術。