超聲波輔助提取紫薯多糖工藝優化的研究*

李欣，陳培琳，張怡，曾紅亮

（福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002）

超聲波輔助提取紫薯多糖工藝優化的研究*

李欣，陳培琳，張怡，曾紅亮

（福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002）

為了研究超聲波輔助提取紫薯多糖的最佳工藝，在超聲波頻率60Hz下,考察超聲波功率、提取溫度、提取時間、液料比等4個單因素對紫薯多糖得率影響的基礎上，采用響應面分析法對紫薯多糖的超聲波輔助提取工藝進行優化。結果表明，紫薯多糖超聲波輔助提取的最佳工藝條件為：超聲波功率270W、提取溫度44℃、提取時間84min、液料比46∶1（mL/g），在此條件下，多糖得率為8.45%～8.75%，與理論預測值一致。與傳統熱水浸提法、超高壓輔助提取法相比，采用超聲波法的紫薯多糖得率分別提高了341.03%和46.01%。這表明，超聲波輔助提取工藝可以有效地提取紫薯多糖。

紫薯多糖；超聲波提取；響應面分析法

紫薯又名黑薯（Purple Sweet Potato)，旋花科植物紫心甘薯的塊根，在福建、廣東、廣西、湖南、四川等地廣泛種植[1]。薯肉呈紫色或深紫色，富含蛋白質、淀粉、果膠、氨基酸、維生素及各種礦物質，因其富含硒元素和花青素，營養成分遠高于普通甘薯[2]。紫薯是一種良好的食物來源，含有多種生物活性物質如紫薯多糖、紫薯糖蛋白、紫薯花色甘等[3]。多糖作為一種重要的生物活性分子，具有特殊的保健功能，可以抗疲勞、清除體內的自由基，預防胃癌和肝癌的發生[4,5]。相關試驗已經證明紫薯多糖具有抗氧化、抗輻射、抗腫瘤、增強免疫及降血脂等功能[6]。如葉小力等[7]在研究紫薯多糖對S180荷瘤小鼠的腫瘤的體內抑制、免疫器官的影響的相關實驗中發現，紫薯多糖能增加白細胞的數量、增強小鼠的免疫能力，可以顯著降低S180在小鼠體內的生長速度。說明低劑量的多糖對腫瘤的治療有輔助作用。

多糖作為紫薯重要活性成分之一，目前的提取方法主要有超聲波輔助法、微波輔助法、酸堿提法、熱水浸提和超高壓輔助結合水提法等。酸堿提法容易導致多糖結構的破壞[8]，對容器的腐蝕較為嚴重。微波輔助法和超高壓輔助結合水提法需要特殊的設備，增加了提取的費用[7]。而超聲波輔助提取法是近年發展起來的一種新方法，其原理包括利用超聲波產生的強烈振動、高速運轉、劇烈的空化攪拌等破碎過程，使得目標成分更快更容易進入溶劑，從而提高其提取率[9,10]。趙兵等[11]對循環氣升式超聲波破碎鼠尾藻提取海藻多糖的研究中發現，超聲波強化提取多糖是縮短時間，降低提取溫度的有效途徑，而且提取率也較高。

因此，文章采用超聲波輔助提取法提取紫薯多糖，在考察超聲波功率、提取溫度、提取時間、液料比等4因素對多糖得率影響的基礎上，通過響應面法對紫薯多糖超聲波提取工藝條件進行優化，為今后紫薯多糖分離純化、結構表征和功能特性研究及綜合開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與試劑

新鮮紫薯（產自福建長樂紫羅蘭）；乙醇為國產分析純試劑；試驗用水均為2次蒸餾水。

1.1.2 儀器與設備

KQ-300VDE超聲清洗機：江蘇省昆山市淀山湖鎮；

RE-52A型旋轉蒸發器：上海亞榮生化儀器廠；

BCD-213KC型新飛冰箱：河南新飛電器有限公司；

FW-100 高速萬能粉碎器：北京中興偉業儀器有限公司；

AL104型精密分析天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；

丹瑞HH-6型數顯恒溫水浴鍋：江蘇省金壇市榮華儀器制造有雙捷實驗儀器廠；

L530型臺式低速離心機：長沙高新技術產業開發區湘儀離心機儀器有限公司；

Unic-UV-2000型紫外可見分光光度計：尤尼柯（上海）儀器有限公司；

LG-1.0型真空冷凍干燥機：新陽速凍設備制造有限公司；

SZ-96 自動純水蒸餾器：上海亞榮生化儀器廠；

DHG-9146A 電熱恒溫鼓風干燥箱：上海精密實驗設備有限公司；

鹵素快速水分測定儀：深圳市冠亞電子科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 紫薯樣品的前處理

取新鮮的紫薯，清洗、去皮、切片、放入55℃恒溫干燥箱中進行烘干，用植物粉碎機粉碎，過100目篩，得到紫薯粉末樣品。取紫薯粉末，用鹵素快速水分測定儀測水分含量，使其水分含量小于3%。

1.2.2 紫薯多糖的提取工藝流程

取定量的紫薯粉末樣品，加入一定比例的2次蒸餾水在一定的超聲波功率和溫度下浸提，4000r/min離心15min后取上清液，在上清液中加入3倍體積的無水乙醇沉降20h，4000r/min離心20min，將沉淀用2次蒸餾水溶解濃縮后冷凍干燥稱重。

1.2.3 紫薯多糖得率的測定

1.2.4 單因素試驗

取5.00g紫薯粉末，以紫薯多糖得率為指標，研究超聲波功率、提取溫度、提取時間、液料比對多糖得率的影響。分別選取超聲波功率為120、150、180、210、240、270、300W，提取溫度為20、30、40、50、60、70℃，提取時間為20、40、60、80、100、120min，液料比為20:1、30:1、40:1、50:1、60:1、70:1(mL/g)進行單因素試驗（平行試驗3次）。

1.2.5 響應面優化試驗

根據單因素實驗結果，采用二次回歸分析法研究紫薯多糖提取過程中超聲波功率、提取溫度、提取時間、液料比與多糖得率的關系，并根據Design-Expert8.0.6軟件處理數據得到二次回歸方程，采用響應面分析法得到最佳的工藝條件。

1.2.6 驗證試驗

根據響應面預測的最佳提取工藝參數，按照1.2.2的提取工藝流程操作，測定實際得到的紫薯多糖得率，以驗證響應面預測的準確性。

1.3 數據處理

采用Design-Expert8.0.6對試驗數據進行處理，并對模型進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 單因素結果

2.1.1 超聲波功率對紫薯多糖得率的影響

稱取5.00g的紫薯粉末，加入150mL2次蒸餾水，研究紫薯粉在超聲波功率120、150、180、210、240、270、300W，提取溫度30℃，提取時間40min下的多糖得率。

試驗結果表明，在超聲波功率120～240W范圍內，多糖得率隨著功率的增大而增大，這可能是因為隨著超聲波功率的增加超聲波產生的強烈震動，劇烈空化攪拌的破碎過程，使目標成分更快、更易地進入溶劑，從而提高多糖得率；在240W之后隨著功率的增加而減小，這可能是因為機械振動強度達到一定范圍之后，造成多糖分子糖苷鍵的斷裂[12]，從而影響多糖的提取效果，導致多糖得率下降。因此，最適宜的超聲波提取功率為240W。

圖1 超聲波功率對紫薯多糖得率的影響

2.1.2 提取溫度對紫薯多糖得率的影響

稱取5.00g的紫薯粉末，加入150mL2次蒸餾水，研究紫薯粉在提取溫度20、30、40、50、60、70℃，超聲功率240W，提取時間40min下的多糖得率。

試驗結果表明，在溫度20～40℃之間，隨著溫度的增大而增大，在40℃之后隨著溫度的增加而減小。這可能是因為溫度的升高加快了分子的運動速率，使得提取液的粘度降低，多糖的溶解度升高，從而提高了紫薯多糖的得率。當提取溫度超過40℃時，由于多糖被氧化，分子結構遭到破壞，使得紫薯多糖的得率降低[13]。因此，最適宜的提取溫度為40℃。

圖2 浸提溫度對紫薯多糖得率的影響

2.1.3 提取時間對紫薯多糖得率的影響

稱取5.00g的紫薯粉末，加入150mL2次蒸餾水，研究紫薯粉在提取時間20、40、60、80、100、120min，超聲功率240W，提取溫度40℃下的多糖的率。

實驗結果表明，在20～80min范圍內，隨著提取時間的增加，多糖得率增加，在80～120min范圍內，隨著提取時間的增加，多糖得率下降。這可能是因為時間的增加破壞了越來越多的細胞，使得多糖釋放量增加，當時間超過80min后，釋放出的多糖被水解[14,15]，導致紫薯多糖得率減小。因此，最適宜的提取時間為80min。

圖3 浸提時間對紫薯多糖得率的影響

2.1.4 液料比對紫薯多糖得率的影響

稱取5.00g的紫薯粉末，研究紫薯粉在2次蒸餾水100、150、200、250、300、350mL，超聲功率240W，提取溫度40℃，提取時間80min下的多糖得率。

圖4 液料比對紫薯多糖得率的影響

實驗結果表明，在液料比20:1～50:1的范圍內，隨著液料比的增大，多糖得率增大，在液料比為50:1～70:1的范圍內，隨著液料比的加大，多糖得率下降。這可能是因為液料比的增加加劇了細胞內外的濃度差，使得多糖的傳質驅動力增加，但當液料比加大到50:1時，溶劑滲透到細胞內部的距離增大[16,17]，導致多糖得率下降。因此，最適宜的液料比選擇50:1（mL/g）。

2.2 正交試驗設計和結果

由單因素試驗可知：超聲波提取功率選擇240W為宜、提取溫度選擇40℃為宜、提取時間選擇80min為宜、液料比選擇50:1（mL/g）為宜。根據單因素試驗結果，以超聲波功率(A，W)、提取溫度（B，℃)、提取時間（C，min）、液料比（D，mL/g）為變量，以多糖得率（Y，%)為目標函數，設計正交實驗，各試驗因素和水平見表1。

試驗設計及結果見表2。試驗1～25是析因試驗點，試驗25～30是中心試驗點。

表1 中心組合設計的因素和水平表

2.3 模型的建立及顯著性分析

采用Design-Expert 8.0.6對表2中的試驗數據進行多元回歸擬合，對回歸系數和回歸模型進行方差分析，分析結果如表3所示。

從表3可看出，回歸模型的P值=0.0001＜0.01，表明該回歸模型極顯著；在一次項中，A、B、C對多糖得率的影響達到極顯著水平，D對多糖得率的影響不顯著；在交互項中，BC對多糖得率的影響達到極顯著水平，其余交互項對多糖得率的影響不顯著；在二次項中， A2、B2、C2和D2對多糖得率的影響達到極顯著水平；失擬項不顯著，并且該模型的相關系數R2=0.9354，修正相關系數R2Adj=0.8751，變異系數C.V.=4.5106%，說明響應值的變化有95.49%來源于所選變量，模型可以較好的解釋試驗所得紫薯多糖得率的變化。因此，該回歸方程可以較好的描述各因素與紫薯多糖得率之間的真實關系，可用于確定紫薯多糖最佳提取工藝條件。在所選取的各因素水平范圍內，從P值顯著水平可以看出各因素對多糖得率的影響程度從大到小依次排列為：提取溫度＞超聲功率＞提取時間。

表2 試驗設計及結果

各因素經二次多項式回歸擬合后，得到紫薯多糖得率對超聲波功率、提取溫度、液料比和提取時間4個因素的二次多項回歸方程為：

表3 回歸模型方差分析

2.4 響應面圖和等高線圖分析

由以上回歸模型方差分析結果（表3）可知，各因素對多糖得率的影響程度大小依次為：B＞A＞C＞D。B、A、C和D二次項的系數均為負值，方程表示的拋物面開口向下有極大值點。

2.4.1 超聲波提取溫度與提取時間的交互作用對紫薯多糖得率的影響

超聲波提取溫度與提取時間的交互作用對紫薯多糖得率的影響如圖5所示，二者交互作用對紫薯多糖得率的響應面坡度較陡，說明超聲波提取溫度和提取時間對多糖的得率影響較大。當液料比為50:1（mL/g），提取功率為240W，在超聲波提取溫度38～46℃和提取時間78～85min范圍內，多糖得率最大。

圖5 超聲波提取溫度與提取時間對多糖得率影響的響應面和等高線圖

2.4.2 超聲波功率與提取溫度的交互作用對紫薯多糖得率的影響

超聲波功率與提取溫度的交互作用對紫薯多糖得率的影響如圖6所示，當液料比為50:1（mL/g），提取時間80min，在超聲波功率235～245W和提取溫度38～50℃范圍內，多糖得率最大。

圖6 超聲波功率與提取溫度對多糖得率影響的響應面和等高線圖

2.4.3 超聲波功率與提取時間的交互作用對紫薯多糖得率的影響

超聲波功率與提取時間的交互作用對紫薯多糖得率的影響如圖7所示，當液料比為50:1（mL/g），提取溫度為40℃時，在超聲波功率242～250W 和提取時間80～90min范圍內，多糖得率最大。這是因為在一定時間內，溶劑滲透到細胞內使得多糖溶解達到平衡，適當的超聲波功率產生的劇烈攪拌和震碎的過程，使得多糖得率增加并達到最大值。

圖7 超聲波功率與提取時間對多糖得率影響的響應面和等高線圖

2.4.4 超聲波功率與液料比的交互作用對紫薯多糖得率的影響

超聲波功率與液料比的交互作用對紫薯多糖得率的影響如圖8所示，當提取時間80min，提取溫度為40℃時，在超聲波功率245～250W和液料比48:1～52:1（mL/g）范圍內，多糖得率最大。

圖8 超聲波功率與液料比對多糖得率影響的響應面和等高線圖

2.4.5 超聲波提取溫度與液料比的交互作用對紫薯多糖得率的影響

超聲波提取溫度與液料比的交互作用對紫薯多糖得率的影響如圖9所示，當超聲波提取功率為240W，提取時間為80min，在超聲波提取溫度45～50℃和液料比45:1～55:1（mL/g）范圍內，多糖得率最大。

圖9 超聲波提取溫度與液料比對多糖得率影響的響應面和等高線圖

2.4.6 超聲波提取時間與液料比的交互作用對紫薯多糖得率的影響

超聲波提取時間與液料比的交互作用對紫薯多糖得率的影響如圖10所示，當浸提時間不變時，紫薯多糖得率隨液料比的增加而增加，當超聲波提取功率為240W，提取溫度為40℃，在超聲波提取時間82～85min和液料比45:1～50:1（mL/g）范圍內，多糖得率最大。

圖10 超聲波提取時間與液料比對多糖得率影響的響應面和等高線圖

綜上所述，圖5～10均直觀地反應了各因素的交互作用對多糖得率的影響，通過6組圖可知，超聲波提取溫度B與提取時間C交互作用對紫薯多糖得率的影響最為顯著，表現為曲面較陡，其余交互作用對紫薯多糖得率影響不顯著，表現為曲面較為平滑。這與方差分析結果一致。

2.5 提取工藝的確定

結合回歸模型，由Design-Expert 8.0.6軟件分析得到紫薯多糖最佳的超聲波提取工藝條件為：超聲波功率270W、提取溫度43.62℃、提取時間84.08min、液料比46.16:1（mL/g），在此條件下，紫薯多糖的理論得率為8.58%。考慮到實際操作條件，將最佳工藝條件修正為：超聲波功率為270W、提取溫度為44 ℃、提取時間84min、液料比46:1（mL/g），在此條件下重復3次試驗，紫薯多糖得率分別為8.75%，8.60%，8.45%。

2.6 與其他提取方法的對比

林翔凱等[9]研究水提法提取紫薯多糖的最佳工藝為提取溫度80℃、提取時間3h、料液比1:20（m/V)，此工藝條件下紫薯多糖的提取率為1.95%，受提取溫度和時間的影響顯著。林翔凱等[9]研究超高壓輔助提取紫薯多糖最優工藝條件為：壓力為600MPa，溫度為60℃，料液比為1:20（m/V)，保壓時間為6min。此條件下紫薯多糖提取率為5.89%，受超高壓作用的壓力和溫度的影響顯著。

由此可見，超聲波提取法（多糖得率：8.45%～8.75%）比傳統熱水浸提法（1.95%）、超高壓輔助提取法（5.89%）的多糖得率分別提高了341.03%和46.01%。因此，采用超聲波輔助提取法提取紫薯多糖，不僅提高了多糖得率，而且縮短了工藝時間或降低了工藝要求。

圖11 實際值與預測值的線性關系圖

3 結論

超聲波輔助提取法提取紫薯多糖的最佳工藝條件為：超聲波功率270W、提取溫度44℃、提取時間84min、液料比46:1（mL/g），在此條件下，多糖得率為8.45%～8.75%，與理論值基本一致，相比傳統熱水浸提法（1.95%）、超高壓輔助提取法（5.89%）提取的多糖得率分別提高了341.03%和46.01%，說明超聲波輔助提取法是一種有效的提取紫薯多糖的方法。

參考文獻：

[1] 楊巍,黃潔瓊,陳英,等.紫薯的營養價值與產品開發[J].農產品加工學刊,2011(8):41-43.

[2] 李翔,上官新晨,蔣艷,等.紫紅薯多糖的提取純化及抗氧化作用研究[J].江西農業大學學報, 2011,33(4):823-829.

[3] 郭咪咪.紫薯多糖的分離純化及抗氧化性研究[D].洛陽:河南科技大學,2013:9-12.

[4] 施松善,王順春.多糖生物活性研究進展[J].生命科學,2011(7):662-670.

[5] 許慧,黃麗英.植物多糖生物活性的研究進展[J].福建醫科大學學報,2010,44(1):79-82.

[6] 明興加,李坤培,張明,等.紫色甘薯的生理活性及開發應用研究進展[J].食品研究與開發,2007,28(7):144-147.

[7] 葉小利,李學剛,李坤培.紫色甘薯多糖對荷瘤小鼠抗腫瘤活性的影響[J].西南師范大學學報自然科學版, 2005,30(2):333-336.

[8] Wang Z B, Pei J J, Ma H L, et al. Effect of extraction media on preliminary characterizations and antioxidant activities of Phellinus linteus polysaccharides.[J]. Carbohydrate Polymers, 2014,109(9):49-55.

[9] 林翔凱.紫薯多糖的提取及功能特性的研究[D].福州:福建農林大學,2014,14

[10] Vilkhu K, Mawson R, Simons L,et al.Applications and opportunities for ultrasound assisted extraction in the food industry—A review[J].Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2008,9(2):161-169.

[11] 趙兵,王玉春,孫學兵,等.循環氣升式超聲破碎鼠尾藻提取海藻多糖[J].中國海洋藥物,1999(4):19-23.

[12] 胡愛軍,鄭捷.食品工業中的超聲提取技術[J].食品與機械,2004,20(4):57-60.

[13] 曾紅亮,盧旭,卞貞玉,等.響應面分析法優化金柑多糖的提取工藝[J].福建農林大學學報(自然版),2012,41(3):315-319.

[14] Chen R, Li Y, Dong H, et al. Optimization of ultrasonic extraction process of polysaccharides from Ornithogalum Caudatum Ait and evaluation of its biological activities[J].Ultrasonics Sonochemistry,2012,19(6):1160-1168.

[15] 涂宗財,寇玉,王輝,等.荷葉多糖的超聲波輔助提取和抗氧化活性[J].食品科學,2013,34(16):108-112.

[16] Raza A, Li F, Xu X, et al.Optimization of ultrasonic-assisted extraction of antioxidant polysaccharides from the stem of Trapa quadrispinosa using response surface methodology[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2017,94:335.

[17] 許木果,劉忠妹,李海泉,等.超聲波輔助提取諾麗果多糖的工藝研究[J].熱帶作物學報,2016,37(6):1232-1237.

10.3969/j.issn.1007-550X.2017.08.001

S531 TS245.9

A

：1007-550X（2017）08-0020-09

福建省高等學校新世紀優秀人才支持計劃（JA14094）。

2017-05-15

李欣（1996-），女，福建莆田人，大學本科，研究方向：食品科學與工程。

曾紅亮（1986-），男，碩士生導師，研究方向：食品科學與工程，E-mail：zhlfst@163.com。