響應面法優化超聲波輔助提取油茶餅粕多糖

戴丹，仲山民，鄭劍

（1.浙江農林大學信息工程學院，浙江杭州311300；2.漳州城市職業學院食品工程系，福建漳州363000；3.浙江農林大學農業與食品科學學院，浙江杭州311300；4.浙江省農產品品質改良技術研究重點實驗室，浙江杭州311300）

響應面法優化超聲波輔助提取油茶餅粕多糖

戴丹1，仲山民2，3，4，*，鄭劍3，4

（1.浙江農林大學信息工程學院，浙江杭州311300；2.漳州城市職業學院食品工程系，福建漳州363000；3.浙江農林大學農業與食品科學學院，浙江杭州311300；4.浙江省農產品品質改良技術研究重點實驗室，浙江杭州311300）

為優化油茶餅粕多糖的超聲波輔助提取工藝，在單因素試驗的基礎上，運用響應面分析法，研究超聲波提取溫度、超聲功率、超聲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，并確定超聲波輔助提取油茶餅粕多糖最佳條件為：超聲波提取溫度58℃，超聲波處理時間20 min，超聲波功率440 W，料液比選用單因素試驗得到的最佳水平220∶1（mL/g），此時得到的平均提取率為10.31%。

響應面分析；油茶餅粕；多糖；超聲波輔助提取；優化

Abstract：The ultrasonic wave-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（ultrasonic wave power，ultrasonic wave 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 ultrasonic wave-assisted extraction conditions were obtained as follows：ultrasonic wave power of 440 W for 20 min with liquid-solid ratio of 220∶1（mL/g）and extraction temperature of 58℃，resulting in a polysaccharide yield as high as 10.31%.

Key words：responsesurfaceanalysis；camelliaseedcake；polysaccharides；ultrasonicwave-assistedextraction；optimization

油茶是山茶屬的木本植物，它的種植最早是在我國，從我們國家栽種這一種植物到現在已有2000多年。油茶主要在我國南方的山丘陵地區種植生長。茶油營養價值很高，其對人體健康的益處已經得到全世界人民的廣泛認可[1]。

油茶餅粕是油茶籽榨油后的廢棄物，其年產量十分驚人，高達39.71萬噸。有研究報道稱，油茶餅粕中含有的蛋白質約為10%～20%，糖類物質約為30%～50%，茶皂素約為10%～15%[2]。在這些物質中，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[2-4]。

本文選取超聲波輔助法作為本試驗的主要方法，并通過響應面法試驗設計，對其提取工藝條件進行優化，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、乙醇等化學試劑均為分析純；無水葡萄糖標準品：國藥集團化學試劑公司。

FE20數顯pH計、ME分析天平：梅特勒-托利多（上海）有限公司；DGG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱：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數顯恒溫水浴鍋：金壇市醫療儀器廠；Sigma低溫高速離心機3K15：德國西格瑪離心機有限公司；宏朗RE-5203旋轉蒸發儀：鄭州宏朗儀器設備有限公司；SYDZ106-2型定制實驗用超聲波設備：上海之信機械設備有限公司。

1.2 油茶餅粕水溶性多糖的提取與測定[5]

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、超聲波功率和超聲處理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，多糖的質量與所用樣品質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/%=（多糖質量/原料質量）×100

1.3 試驗設計

1.3.1 單因素試驗

根據預試驗的結果，以樣品多糖提取率為指標，在其他條件不變的情況下，選取料液比、超聲波功率、超聲波處理時間3個對油茶餅粕水溶性多糖提取率影響較大的因素，優化最佳提取工藝。

1.3.2 響應曲面法優化試驗

在單因素試驗的基礎上，利用Design expert 8.05b軟件，采用Box-Behnken設計方法進行響應面法試驗設計。主要內容包括以-1、0、1代表變量的水平，以提取溫度、超聲波功率、超聲波處理時間為變量，以多糖提取率為響應值。試驗設計方案見表1。

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

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 液料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，超聲波功率300 W，超聲波處理時間10 min，提取溫度40℃，液料比分別取80∶1、100∶1、120∶1、140∶1、160∶1、180∶1、200∶1、220∶1、240∶1（mL/g），考察液料比對水溶性油茶餅粕多糖提取率的影響，結果見圖1。

圖1 液料比對多糖提取率的影響Fig.1 Effect of liquid-solid 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，在液料比到達220∶1（mL/g）時，達到最高值，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，確定液料比的較佳工藝參數為220∶1（mL/g）。

2.1.2 超聲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，液料比 220∶1（mL/g），超聲波功率300 W，提取溫度40℃，超聲波處理時間分別取 0、5、10、15、20、25、30、35 min，考察超聲波處理時間對水溶性油茶餅粕多糖提取率的影響，結果見圖2。

由圖2可見，超聲波處理時間的延長，多糖提取率先上升，20min和25min達到最高值，且25min較20min略高一點，而后下降。推測原因可能是，由于后一階段，超聲波處理時間過長，多糖在超聲波的強剪切作用下出現降解，從而造成多糖提取率降低。因此，綜合考慮超聲波處理成本，確定超聲處理較佳時間為20 min。

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

2.1.3 超聲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，液料比 220∶1（mL/g），超聲波處理時間20 min，提取溫度40℃，超聲波功率取0、100、200、300、400、500、600 W，考察超聲波功率對水溶性油茶餅粕多糖提取率的影響，結果見圖3。

圖3 超聲波功率對多糖提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic wave power on the extraction rate of polysaccharides

由圖3可見，多糖提取率隨著超聲波功率的增加而呈先上升后下降的趨勢，在超聲波功率400 W時達到最高。原因可能是隨著超聲波功率的增加，超聲波的剪切作用和空穴效應逐漸增強，從而導致超聲波功率超過400 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400 W為較適宜的超聲波提取功率。

2.1.4 超聲波提取溫度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，液料比 220∶1（mL/g），超聲波處理時間20 min，超聲波功率取400 W，提取溫度取 35、40、45、50、55、60、65、70、75、80 ℃，考察超聲提取溫度對水溶性油茶餅粕多糖提取率的影響，結果見圖4。

圖4 溫度對多糖提取率的影響Fig.4 Effect of temperature on the extraction rate of polysaccharides

由圖4可見，多糖提取率隨著提取溫度的增加而呈先上升后下降的趨勢，60℃和70℃達到最高值，且70℃較60℃略高一點，而后下降。推測原因可能是，由于后一階段，提取溫度過高，在升溫和超聲作用下，水相液體結構的完整性遭到破壞，造成空穴效應，從而使得多糖在超聲波的強剪切作用下出現降解，從而造成多糖提取率降低。因此，綜合考慮超聲波處理成本，確定較佳提取溫度為60℃。

2.2 響應曲面法優化試驗結果

2.2.1 響應面模型建立及其顯著性檢驗

在單因素試驗的基礎上，選擇提取溫度、超聲波處理時間、超聲波功率3個因子為自變量，根據以前的試驗經驗，料液比不納入響應面試驗設計。分別以X1、X2、X3表示，采用Box-Behnken方法，同時根據單因素試驗結果，將其取值范圍確定為：50℃～70℃、15 min～25 min、300 W～500 W，以超聲波輔助提取油茶餅粕多糖的提取率為響應值設計試驗，結果見表2。

表2 響應曲面法優化試驗設計及結果Table 2 Experimental design and results of response surface methodology

續表2 響應曲面法優化試驗設計及結果Continue table 2 Experimental design and results of response surface methodology

運用Design expert 8.05b軟件對表2進行數據處理分析，得到油茶餅粕多糖提取率與超聲波輔助提取法處理各因素編碼值的二次回歸模型：

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

表4 模型回歸方程系數顯著性檢驗結果Table 4 Test of significance for the fitted regression coefficient

由表4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=0.742 2＞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果中，調整確定系數R2（調整）=96.19%，表明96.19%響應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，可以應用此模型對超聲波輔助提取油茶餅粕多糖進行提取率的分析和預測。

從表3和表4回歸方程系數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提取溫度（p=0.012）顯著，X2超聲波處理時間（p=0.024 2）顯著，X3超聲波功率（p＜0.000 1）極顯著；二次項X12（p=0.003 4）、X22（p＜0.000 1）、X32（p＜0.000 1）三者極顯著；交互項X1X2（p=0.650 8）、X1X3（p=0.462 9）和X2X3（p=0.055 3）都不顯著。

2.2.2 響應面模型分析

響應曲面模型分析與優化中，X1、X2、X3交互作用對響應值提取率的影響如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 提取溫度和超聲波處理時間對多糖提取率影響的等高線和響應曲面（X3=400 W）Fig.5 Contour plot and response surface plot of the effect of temperature and ultrasonic wave irradiation time on extraction rate（X3=400 W）

圖6 提取溫度和超聲波功率對多糖提取率影響的等高線和響應曲面（X2=20 min）Fig.6 Contour plot and response surface plot of the effect of temperature and ultrasonic wave power on extraction rate（X2=20 min）

圖7 超聲波功率和超聲波處理時間對多糖提取率影響的等高線和響應曲面（X1=60℃）Fig.7 Contour plot and response surface plot of the effect of ultrasonic wave power and ultrasonic wave irradiation time on extraction rate（X1=60 ℃）

由回歸模型預測提取率的最佳條件，使用Design expert 8.05b軟件分析，結合回歸模型和響應曲面圖分析得出，取提取溫度57.5℃，超聲波處理時間20.4 min，超聲波功率439 W時作為超聲波輔助提取油茶餅粕多糖的最優條件，此時預測多糖的最大提取率為10.35%。

2.3 響應曲面法優化試驗結果驗證

為了方便實際工藝操作，將以上工藝參數優化為超聲波提取溫度58℃，超聲波處理時間20 min，超聲波功率440 W條件下進行3次驗證試驗，得到平均多糖提取量為10.31%，與理論值較為接近，表明數學模型對優化提取工藝是可行的。因此，本次利用Box-Behnken設計優化的得到的超聲波輔助提取油茶餅粕多糖工藝條件準確度高、較可靠。

3 結論

在單因素試驗基礎上，以提取率為衡量指標，通過Box-Behnken法設計優化，得到超聲波輔助提取油茶餅粕多糖工藝最優條件為：超聲波提取溫度58℃，超聲波處理時間20 min，超聲波功率440 W，液料比220∶1（mL/g），此時得到的平均提取率為10.31%。

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

[2]沈建福,康海權,陳亞琪,等.油茶果殼多糖的提取及抗氧化作用研究[J].中國糧油學報,2010,25(8):51-54

[3]王海林,王春艷,謝長林,等.親和層析法分離純化油茶籽多糖Ⅰ的研究[J].中國糧油學報,2012,27(11):34-38

[4]Jin X C,Ning Y.Antioxidant and antitumor activities of the polysaccharide from seed cake of Camellia oleifera[J].International Journal of Biological Macromolecules,2012,51(4):364-368

[5]張勝.普通油茶餅粕與果殼中多糖的提取、活性及應用研究[D].長沙:中南林業科技大學,2013

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

DAI Dan1，ZHONG Shan-min2，3，4，*，ZHENG Jian3，4
（1.School of Information Engineering，ZheJiang A&F University，Hangzhou 311300，Zhejiang，China；2.Department of Food Engineering，Zhangzhou City College，Zhangzhou 363000，Fujian，China；3.School of Agriculture and Food Science，ZheJiang A&F University，Hangzhou 311300，Zhejiang，China；4.The Key Laboratory for Quality Improvement of Agricultural Products of Zhejiang Province，Hangzhou 311300，Zhejiang，China）

2016-10-23

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.20.007

浙江省木本糧油產業科技創新團隊項目“油茶餅粕中茶籽多糖的提取與純化研究”（2011R50030-2）；浙江省自然科學基金項目“板栗果肉褐變近紅外無損檢測關鍵技術研究”（Y3110450）

戴丹（1978—），女（漢），副教授，碩士，主要從事農林經濟大數據研究。

*通信作者：仲山民，教授，博士，主要從事林特產品貯藏加工與綜合利用研究。