響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取油茶餅粕多糖

戴維，仲山民，鄭劍

（1.湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，湖南長沙410151；2.漳州城市職業(yè)學(xué)院食品工程系，福建漳州363000；3.浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院，浙江臨安311300；4.浙江省農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)改良技術(shù)研究重點實驗室，浙江臨安311300）

響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取油茶餅粕多糖

戴維1，仲山民2，3，4，*，鄭劍3，4

（1.湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，湖南長沙410151；2.漳州城市職業(yè)學(xué)院食品工程系，福建漳州363000；3.浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院，浙江臨安311300；4.浙江省農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)改良技術(shù)研究重點實驗室，浙江臨安311300）

為優(yōu)化油茶餅粕多糖的微波輔助提取工藝，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，運用響應(yīng)面分析法，研究料液比、微波功率、微波提取時間對多糖提取率的影響。建立多糖提取率的二次回歸方程，并確定微波輔助提取油茶餅粕多糖最佳條件為：料液比1∶170（g/mL），微波處理時間126 s，微波功率610 W，此時得到的平均提取率為8.78%。

響應(yīng)面分析；油茶餅粕；多糖；微波輔助提取；優(yōu)化

Abstract：The microwave-assisted extraction of polysaccharides from camellia seed cake was optimized by response surface methodology.According to the single factor experiment，three levels of the factors（microwavepower，microwave irradiation time，solid-liquid ratio）were selected for the Box-Behnken factorial design to establish a quadric regression equation for describing the yield of polysaccharides.By response surface analysis，the optimal microwave-assisted extraction conditions were obtained as follows：microwave power of 610 W for 126 s with solid-liquid ratio of 1 ∶170（g/mL），resulting in a polysaccharide yield as high as 8.78%.

Key words：response surface analysis；camellia seed cake；polysaccharides；microwave-assisted extraction；optimization

油茶是山茶屬的木本植物，它的種植最早是在我國，距今已有2000多年種植歷史。油茶主要在我國南方的山丘陵地區(qū)種植生長。茶油營養(yǎng)價值很高，其對人體健康的益處已經(jīng)得到全世界人民的廣泛認(rèn)可[1]。

油茶餅粕是油茶籽榨油后的廢棄物，其年產(chǎn)量十分驚人，高達(dá)39.71萬噸。有研究報道稱，油茶餅粕中含有的蛋白質(zhì)約為10%～20%、糖類物質(zhì)約為30%～50%、茶皂素約為10%～15%[2]。在這些物質(zhì)中，油茶餅粕多糖具有明顯的保健作用：抗血栓、降血糖、增強免疫力等[3-5]。

本文選取微波輔助法作為本試驗的主要方法，并通過響應(yīng)面法試驗設(shè)計，對其提取工藝條件進行優(yōu)化，以期為油茶餅粕多糖的研究和利用提供一些參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

油茶餅粕的制備：油茶餅粕（取自天臺油脂公司），粉碎過40目篩后用95%乙醇回流脫脂，殘渣晾干備用。

3，5-二硝基水楊酸、濃硫酸、亞硫酸氫鈉、苯酚、氯化氫、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、乙醇等化學(xué)試劑均為分析純；無水葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品：國藥集團化學(xué)試劑公司。

FE20數(shù)顯pH計、AL104電子天平：梅特勒-托利多（上海）有限公司；DGG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海森信實驗儀器有限公司；200克手提式高速萬能粉碎機：溫嶺市林大機械有限公司；HH-S數(shù)顯恒溫水浴鍋：金壇市醫(yī)療儀器廠；Sigma3K15低溫高速離心機：德國西格瑪離心機有限公司；宏朗RE-5203旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：鄭州宏朗儀器設(shè)備有限公司；MVL10-6型實驗用微波設(shè)備：南京永青機械設(shè)備有限公司。

1.2 油茶餅粕水溶性多糖的提取與測定[6]

取0.5 g干燥后的油茶餅粕粉末，加入一定量的蒸餾水，在不同料液比、微波功率和時間下進行多糖提取，離心后取上層清液測量溶液中的多糖含量。用苯酚-硫酸法測定稀釋液中的總糖含量，用DNS法測定稀釋液中的還原糖含量，總糖和還原糖含量相減即可得多糖的含量，多糖的質(zhì)量與所用樣品質(zhì)量的比值即為多糖的提取率。多糖的提取率計算公式為：

多糖含量=總糖含量-還原糖含量

多糖提取率/%=（多糖質(zhì)量/原料質(zhì)量）×100

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 單因素試驗

根據(jù)預(yù)試驗的結(jié)果，以樣品多糖提取率為指標(biāo)，在其他條件不變的情況下，選取料液比、微波功率、微波處理時間3個對油茶餅粕水溶性多糖提取率影響較大的因素，優(yōu)化最佳提取工藝。

1.3.2 響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，利用Design expert 8.05b軟件，采用Box-Behnken設(shè)計方法進行響應(yīng)面法試驗設(shè)計。主要內(nèi)容包括以-1、0、1代表變量的水平，以料液比、微波功率、微波處理時間為變量，以多糖提取率為響應(yīng)值。試驗設(shè)計方案見表1。

表1 響應(yīng)面試驗自變量因素編碼及水平Table 1 Factors and levels of the response surface methodology

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 料液比對水溶性油茶餅粕多糖提取率的影響

稱取油茶餅粕粉0.5 g，微波功率500 W，微波處理時間90s，料液比分別取1 ∶80、1 ∶100、1∶120、1 ∶140、1 ∶160、1 ∶180、1 ∶200（g/mL），考察料液比對水溶性油茶餅粕多糖提取率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 料液比對多糖提取率的影響Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of polysaccharides

由圖1可見，隨著提取溶劑水的體積的增加，多糖的得率隨之增加，在料液比到達(dá)1∶160（g/mL）時，達(dá)到最高值，之后增加趨勢逐漸趨緩。究其原因，可能是由于隨著水體積的增加，油茶餅粕中的多糖絕大部分都已溶出，因此多糖的提取率增加趨勢逐漸平緩。因此，確定料液比的最佳工藝參數(shù)為1∶160（g/mL）。

2.1.2 微波處理時間對水溶性油茶餅粕多糖提取率的影響

稱取油茶餅粕粉 0.5 g，料液比 1 ∶160（g/mL），微波功率 500 W，微波處理時間分別取 0、30、60、90、120、150、180、210、240 s，考察微波處理時間對水溶性油茶餅粕多糖提取率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 微波處理時間對多糖提取率的影響Fig.2 Effect of microwave irradiation time on the extraction rate of polysaccharides

由圖2可見，微波處理時間的延長，多糖提取率先上升，120 s和150 s達(dá)到最高值，且150 s較120 s略高一點，而后下降。推測原因可能是，由于后一階段，微波處理時間過長，微波的熱效應(yīng)較顯著，導(dǎo)致部分多糖降解，從而造成多糖提取率降低。因此，綜合考慮處理成本，確定較佳微波處理時間為120 s。

2.1.3 微波功率對水溶性油茶餅粕多糖提取率的影響

稱取油茶餅粕粉 0.5 g，料液比 1 ∶160（g/mL），微波處理時間 120 s，微波功率取 0、100、200、300、400、500、600、700 W，考察微波功率對水溶性油茶餅粕多糖提取率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 微波功率對多糖提取率的影響Fig.3 Effect of microwave power on the extraction rate of polysaccharides

由圖3可見，多糖提取率隨著微波功率的增加而呈先上升后下降的趨勢，在微波功率600 W時達(dá)到最高。原因可能是隨著微波功率的增加，微波的熱效應(yīng)逐漸凸顯，從而導(dǎo)致微波功率超過600 W后，油茶餅粕多糖開始降解，造成多糖提取率降低。因此，綜合考慮，確定600 W為較適宜的微波提取功率。

2.2 響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面模型建立及其顯著性檢驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇料液比、微波處理時間、微波功率3個因子為自變量，分別以X1、X2、X3表示，采用Box-Behnken方法，同時根據(jù)單因素試驗結(jié)果，將其取值范圍確定為：1 ∶140（g/mL）～1 ∶180（g/mL）、90 s～150 s、500 W～700 W，以微波輔助提取油茶餅粕多糖的提取率為響應(yīng)值設(shè)計試驗，結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Experimental design and results of response surface methodology

運用Design expert 8.05b和Minitab 15統(tǒng)計軟件對表2進行數(shù)據(jù)處理分析，得到油茶餅粕多糖提取率與微波輔助提取法處理各因素編碼值的二次回歸模型：

Y=8.694+0.425X1+0.311 25X2+0.318 75X3-0.495 75X12-1.113 25X22-0.808 25X32+0.185X1X2-0.375X1X3+0.222 5X2X3

回歸模型方差分析見表3，模型回歸方程系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果見表4。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for regression model

表4 模型回歸方程系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果Table 4 Test of significance for the fitted regression coefficient

由表3提取率回歸模型方差分析可以看出P＜0.000 1表明模型極其顯著。提取率失擬項P=0.121 6＞0.05表明失擬不顯著，此方法有效可信。

利用Design-Expert軟件中Box-Behnken法計算提取率回歸模型得出的結(jié)果中，調(diào)整確定系數(shù)R2（調(diào)整）=99.48%，表明99.48%響應(yīng)值的變化可以用該模型解釋，因而該模型的試驗誤差較小，擬合程度良好，可以應(yīng)用此模型對微波輔助提取油茶餅粕多糖進行提取率的分析和預(yù)測。

從表3和表4回歸方程系數(shù)顯著性檢驗可以看出，如果模型中檢驗項P值小于0.05，該項顯著；P值小于0.01，則該項極其顯著；否則該項不顯著。在提取率模型中，一次項 X1料液比（P＜0.000 1）極其顯著，X2微波處理時間（P＜0.000 1）非常顯著，X3微波功率（P＜0.000 1）極顯著；二次項X12（P＜0.000 1）、X22（P＜0.000 1）、X32（P＜0.000 1）三者極顯著；交互項X1X2（P=0.000 9）、X1X3（P＜0.000 1）和X2X3（P=0.000 3）都極顯著。

2.2.2 響應(yīng)面模型分析

響應(yīng)曲面模型分析與優(yōu)化中，X1、X2、X3交互作用對響應(yīng)值提取率的影響如圖4、5、6所示。

圖4 料液比和微波處理時間對多糖提取率影響的等高線和響應(yīng)曲面（X3=600 W）Fig.4 Contour plot and response surface plot of the effet of solidliquid ratio and microwave irradiation time on extraction rate（X3=600W）

圖5 料液比和微波功率對多糖提取率影響的等高線和響應(yīng)曲面（X2=120 s）Fig.5 Contour plot and response surface plot of the effect of solidliquid ratio and microwave power on extraction rate（X2=120 s）

圖6 微波功率和微波處理時間對多糖提取率影響的等高線和響應(yīng)曲面[X1=1 ∶160（g/mL）]Fig.6 Contour plot and response surface plot of the effect of microwave power and microwave irradiation time on extraction rate[X1=1 ∶160（g/mL）]

由回歸模型預(yù)測提取率的最佳條件，使用Minitab 15統(tǒng)計軟件分析，結(jié)合回歸模型和響應(yīng)曲面圖分析得出，取料液比 1 ∶168（g/mL），微波處理時間 126 s，微波功率613 W時作為微波輔助提取油茶餅粕多糖的最優(yōu)條件，此時預(yù)測多糖的最大提取率為8.83%。

2.3 響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗結(jié)果驗證

為了方便實際工藝操作，將以上工藝參數(shù)優(yōu)化為料液比 1 ∶170（g/mL），微波處理時間 126 s，微波功率610 W條件下進行3次驗證試驗，得到平均多糖提取量為8.78%，與理論值較為接近，表明數(shù)學(xué)模型對優(yōu)化提取工藝是可行的。因此，本次利用Box-Behnken設(shè)計優(yōu)化的得到的微波輔助提取油茶餅粕多糖工藝條件準(zhǔn)確度高、較可靠。

3 結(jié)論

在單因素試驗基礎(chǔ)上，以提取率為衡量指標(biāo)，通過Box-Behnken法設(shè)計優(yōu)化，得到微波輔助提取油茶餅粕多糖工藝最優(yōu)條件為：料液比1∶170（g/mL），微波處理時間126 s，微波功率610 W，此時得到的平均提取率為8.78%。

[1]莊瑞林.中國油茶[M].北京:中國林業(yè)出版社,2008:167-172

[2]周麗明,張勇,林弘.油茶餅粕中醇溶性茶籽多糖提取條件[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(2):240-242

[3]胡平平,李加興,李忠海,等.油茶餅粕茶皂素與多糖綜合提取工藝[J].食品科技,2012,37(2):196-204

[4]陶俊.油茶籽多糖的分離純化及降脂機理的研究[D].合肥:安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2010:8-9

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[6]張勝.普通油茶餅粕與果殼中多糖的提取、活性及應(yīng)用研究[D].長沙:中南林業(yè)科技大學(xué),2013:39-42

Optimization of Microwave-assisted Extraction of Polysaccharides from Camellia Seed Cake by Response Surface Methodology

DAI Wei1，ZHONG Shan-min2，3，4，*，ZHENG Jian3，4
（1.Department of Information Engeering，Hunan Vocational College of Engineering，Changsha 410151，Hunan，China；2.Department of Food Engineering，Zhangzhou City College，Zhangzhou 363000，F(xiàn)ujian，China；3.School of Agriculture and Food Science，Zhejiang A&F University，Lin'an 311300，Zhejiang，China；4.The Key Laboratory for Quality Improvement of Agricultural Products of Zhejiang Province，Lin'an 311300，Zhejiang，China）

2016-11-21

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.19.008

浙江省木本糧油產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新團隊項目（2011R50030-2）；浙江省自然科學(xué)基金項目（Y3110450）

戴維（1981—），女（漢），講師，碩士，主要從事計算機應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析研究。

*通信作者：仲山民，教授，博士，主要從事林特產(chǎn)品貯藏加工與綜合利用研究。