超聲輔助米脂小米中多糖的提取工藝*

高晶晶，慕 苗，劉麗娜，陳錦中

(榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 71900)

小米原名粟，是谷子脫殼后的產(chǎn)物，小米具有很高的營養(yǎng)價值，其中蛋白質(zhì)、脂肪和維生素含量很高[1]。由于陜北特殊的地理位置和得天獨厚的氣候環(huán)境，米脂小米相對于其他小米更加優(yōu)良[2-3]。據(jù)文獻報道，米脂小米含有更多的蛋白質(zhì)和脂肪，含有8種人體必需的氨基酸，營養(yǎng)比例更加合理[4-5]。

多糖是廣泛存在于動植物當中的碳水化合物，多糖具有抑制腫瘤生長、調(diào)節(jié)免疫、延緩衰老、抗菌抗病毒、保護肝臟等作用[6-10]。目前對小米的研究重點大多集中在小米淀粉、黃色素等方面[11-13]，對小米中多糖的研究很少，因此，作者選取米脂小米中多糖為研究對象，對其提取工藝進行了優(yōu)化。

常見的多糖提取方法有熱水提取法、有機溶劑提取法、超聲輔助提取法和微波輔助提取法等[14-15]。作者之前對傳統(tǒng)的熱水提取法進行了研究，該方法提取溫度為50 ℃，提取時間為4.3 h，攪拌速率為36 r/min，m(小米)∶V(提取液)(簡稱料液比)=1∶20 g/mL，平均提取率為1.046 7%，該提取方法耗時較長[16]，因此，利用超聲輔助法對其進行改進研究。由于超聲具有空化作用，使得其中的成分更容易溶出，被廣泛應用于提取研究。作者采用超聲輔助熱水提取法對米脂小米中的多糖進行了提取研究，進行了單因素實驗，在此基礎上，采用響應面法對提取條件進行了優(yōu)化，建立了該提取過程的數(shù)學模型，并得到了小米多糖提取的最優(yōu)工藝條件。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑與儀器

米脂小米：產(chǎn)地陜西省米脂縣。

葡萄糖標準品：上海金穗生物科技有限公司；濃硫酸：四川西隴科學有限公司；無水乙醇：天津市致遠化學試劑有限公司；苯酚：天津市瑞金特化學品有限公司；以上試劑均為分析純。

電子天平：FA-1004，上海精科天平廠；紫外分光光度計：UV-2450，日本島津公司；超聲波發(fā)生器：SN-2000直插式，廣州欣諾科超聲設備公司；數(shù)顯超級恒溫水浴：HH-501，鄭州科豐儀器設備有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG-9140A，上海一恒科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 葡萄糖標準曲線

分別取ρ(葡萄糖)=0、20、30、40、50、60、70、80 μg/mL的標準品溶液2 mL，各加入w(苯酚)=5%溶液1 mL，然后立即加入5 mL濃硫酸，混均，靜置30 min，冷卻后在490 nm處測各溶液的吸光度值[17]。以ρ(葡萄糖)為橫坐標，吸光度值為縱坐標，繪制標準曲線。

1.2.2 小米多糖提取方法

小米預處理：將小米與w(乙醇)=95%溶液混合后置于三口燒瓶中，攪拌，置于50 ℃恒溫水浴中加熱3 h進行脫脂，取出小米后晾干備用。

準確稱取10 g脫脂小米置于燒杯中，加入一定量蒸餾水，將超聲波發(fā)生器插入燒杯中，設定超聲功率，然后在恒溫水浴下攪拌，提取一定時間后，取上清液，加入3倍w(乙醇)=95%溶液進行醇沉，轉(zhuǎn)速為4 500 r/min，離心30 min，取沉淀。溶解沉淀并定容，用苯酚硫酸法檢測多糖的含量，并計算多糖提取率[18]。

1.2.3 多糖提取率的計算

多糖提取率的計算公式見式(1)。

(1)

式中：η為小米多糖的提取率，%；ρ為檢測液多糖質(zhì)量濃度，mg/mL；V為粗多糖溶解定容后的總體積，L；m為原料小米的質(zhì)量，g；N為稀釋倍數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 葡萄糖標準曲線

繪制出葡萄糖標準曲線見圖1。圖中的橫坐標為ρ(葡萄糖)，縱坐標為吸光度值，得出標準曲線的線性回歸方程為y=0.007x+0.006，線性相關系數(shù)R2=0.999，說明該標準曲線線性關系良好。

ρ(葡萄糖)/(μg·mL-1)圖1 葡萄糖標準曲線

2.2 單因素實驗結(jié)果

采用單因素實驗測定了超聲時間、超聲功率、提取溫度和料液比4種因素對米脂小米多糖超聲提取率的影響，結(jié)果見圖2。

超聲時間/mina 超聲時間

超聲功率/Wb 超聲功率

提取溫度/℃c 提取溫度

料液比/(g·mL-1)d 料液比圖2 不同條件對小米多糖提取率的影響

由圖2a可知，隨著超聲時間的增加提取率在增加，在50min后趨于穩(wěn)定，因此選擇超聲時間為50min；由圖2b可知，多糖提取率在超聲功率為70W時達到最大，繼續(xù)增加功率多糖提取率反而減小，說明超聲功率過大可能會破壞多糖的結(jié)構(gòu)，因此選擇超聲功率為70W；由圖2c可知，小米多糖的提取最佳溫度為50 ℃，因此，選擇溫度為50 ℃；由圖2d可知，隨著提取液的增加多糖提取率在增加，在料液比為1∶20g/mL后趨于穩(wěn)定，提取率不再上升，因此選擇料液比為1∶20g/mL。在上述條件下，陜北小米多糖的提取率可達0.923%。

2.3 響應面優(yōu)化小米多糖提取工藝

2.3.1 響應面實驗設計及結(jié)果

根據(jù)單因素實驗的結(jié)果采用響應面分析軟件中的Box-Behnken設計實驗，將對影響小米多糖提取的4個因素超聲時間(A)、超聲功率(B)、提取溫度(C)和料液比(D)進行四因素三水平的響應面優(yōu)化實驗設計，設計了29組實驗。實驗的因素和水平設計見表1，實驗結(jié)果見表2。

表1 實驗因素與水平設計編碼表

表2 響應面實驗設計與結(jié)果

表2中前24組是析因?qū)嶒灒?組為中心實驗，中心實驗的作用是估計實驗誤差。

2.3.2 模型的建立及方差分析

該提取模型的建立及方差分析見表3。

表3 回歸模型的建立與方差分析

續(xù)表

2.3.3 響應面分析

響應面法可以得出各因素間交互作用對小米多糖提取率的影響，從3D立面圖中曲面的陡峭程度來判斷其對提取率的影響，圖中曲面越陡峭(顏色越深)的一方對提取率的影響越大，具體見圖3。

a 超聲時間與超聲功率的交互作用

b 超聲時間與提取溫度的交互作用

c 超聲時間與料液比的交互作用

d 超聲功率與提取溫度的交互作用

e 超聲功率與料液比的交互作用

f 提取溫度與料液比的交互作用圖3 各因素間交互作用對小米多糖提取率影響的3D立面圖

由圖3可知，圖3a中2個因素對應的曲面陡峭程度相差不大，說明超聲時間和超聲功率對多糖提取率的影響程度幾乎接近；由圖3b可知提取溫度的影響略大于超聲時間的影響；圖3c中料液比對應的一面明顯比超聲時間所對應的面更陡峭，因此，料液比的影響更大；由圖3d可知提取溫度的影響略大于超聲功率的影響；圖3e中料液比對提取率的影響要明顯大于超聲功率；圖3f中料液比的影響也明顯大于提取溫度對提取率的影響。綜合可得，料液比對米脂小米多糖提取率的影響最大，然后是提取溫度和超聲時間，超聲功率對提取率的影響最小。

響應面優(yōu)化法建立的該提取過程的數(shù)學模型及回歸方程可以預測出該提取過程的最佳提取條件為超聲時間53.21min、超聲功率72.82W、提取溫度48.79 ℃、料液比1∶22.16g/mL，預測提取率為0.993%。為了便于操作，將提取操作條件圓整為提取時間53min、超聲功率73W、提取溫度49 ℃、料液比1∶22g/mL。最后進行了3次平行驗證實驗，得出平均提取率為0.985%，與預測值基本接近。因此，可以用該模型來優(yōu)化該提取過程的工藝條件。

3 結(jié) 論

對米脂小米多糖進行了提取研究，采用超聲輔助提取法，用苯酚硫酸法對多糖進行檢測，采用單因素實驗和響應面優(yōu)化實驗相結(jié)合的方法對提取條件進行了優(yōu)化，建立了米脂小米多糖超聲提取過程的數(shù)學模型，得到的優(yōu)化工藝路線為提取時間53min，超聲功率73W，提取溫度49 ℃，料液比1∶22g/mL，米脂小米多糖的平均提取率為0.985%，與該提取模型的預測值基本一致，說明用響應面優(yōu)化的方法可以較好完成該提取條件的優(yōu)化，同時與傳統(tǒng)的提取方法比較，大大縮短了小米多糖的提取時間，而提取率基本相當。綜上所述，小米多糖的超聲提取研究可以為其后續(xù)研究提供一定的理論基礎。