玉米須多糖的微波-超聲波協(xié)同提取工藝優(yōu)化探究

□ 陳珊珊 哈爾濱市第二醫(yī)院 宋冬晶 建德市第一人民醫(yī)院 葛鵬玲 黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)

玉米須性甘、平，為禾本科植物玉蜀黍的干燥花柱和柱頭，是常用中藥之一，臨床主要用于治療水腫、消渴、痛風(fēng)及眩暈等，在各項(xiàng)試驗(yàn)研究中尚未發(fā)現(xiàn)玉米須對(duì)人體有急、慢性毒副作用，其主要活性成分有多糖、黃酮、皂苷、甾醇和多酚等[1—3]。現(xiàn)代藥理研究表明，多糖類物質(zhì)具有降血糖、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤等多種功效活性，且安全無(wú)副作用[4—5]，近些年研究發(fā)現(xiàn)，多糖類物質(zhì)對(duì)于阿爾茨海默病的抑制也具有積極作用[6—9]。目前，對(duì)于多糖的提取研究主要集中在煎煮法、酶解法和超聲波輔助提取法等[10—12]，而利用微波—超聲波協(xié)同作用提取多糖的研究報(bào)道較少。

微波輔助萃取技術(shù)可以加快傳統(tǒng)萃取方法的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，利用微波的熱作用使目標(biāo)產(chǎn)物溶于溶劑，從而達(dá)到萃取的目的。微波—超聲波協(xié)同作用就是將超聲波的機(jī)械振蕩效應(yīng)與微波的熱效應(yīng)相結(jié)合，使反應(yīng)過(guò)程中整個(gè)體系受熱均勻，加速分子運(yùn)動(dòng)，促使分子間氫鍵更容易斷裂[13—14]。利用其協(xié)同作用產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)及空化效應(yīng)等破壞大分子物質(zhì)的共價(jià)鍵，促進(jìn)其降解，同時(shí)增加溶劑穿透力，加速目標(biāo)成分進(jìn)入溶劑，促進(jìn)提取的進(jìn)行。目前，該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品及藥品活性成分的提取[15]。

本文采用微波—超聲波協(xié)同作用提取玉米須多糖，研究了微波功率、反應(yīng)時(shí)間、液料比及微波溫度對(duì)玉米須多糖得率的影響。采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)法優(yōu)化試驗(yàn)條件，建立回歸模型，旨在提高玉米須多糖的得率，為玉米的綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料

玉米須，購(gòu)自當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)；無(wú)水乙醇，分析純，北京化工廠；硫酸，分析純，長(zhǎng)春市化學(xué)試劑廠；苯酚，分析純，天津華東試劑廠；超純水，電阻率18.2 MΩ·cm，自制。

1.1.2 設(shè)備

XO—SM 50型超聲波微波組合系統(tǒng)，南京先歐儀器制造有限公司；LG 08 A高速中藥粉碎機(jī)，浙江省瑞安市百信藥機(jī)器械廠；101 A—1 ET電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海試驗(yàn)儀器廠有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 玉米須多糖的提取方法

將玉米須干燥、粉碎后過(guò)60目篩。玉米須粉末分散于蒸餾水中浸泡12 h，置于微波—超聲波反應(yīng)器中，固定超聲波功率25 Hz，設(shè)置適當(dāng)?shù)奈⒉üβ省⒁毫媳取⒎磻?yīng)時(shí)間及溫度進(jìn)行提取，過(guò)濾，取上清液，用95%乙醇沉淀，將沉淀物冷凍干燥后備用。

1.2.2 玉米須多糖提取單因素試驗(yàn)

稱取玉米須，按1.2.1方法提取多糖，以玉米須多糖得率（Y）為指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)分析，因素水平表設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 單因素試驗(yàn)因素水平表

1.2.3 玉米須多糖工藝優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取微波功率、反應(yīng)時(shí)間和液料比為自變量，以多糖得率Y為響應(yīng)值，采用Box—Behnken響應(yīng)面法設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn)，見(jiàn)表2，試驗(yàn)結(jié)果擬合為二次回歸方程。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS、Origin等軟件進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析，利用P≤0.05的Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 微波功率對(duì)玉米須多糖得率的影響

表2 響應(yīng)面分析因素水平表

由圖1知，多糖的得率隨著微波功率的增大呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)微波功率達(dá)到500 W時(shí)，多糖得率出現(xiàn)最大值7.13%。這是因?yàn)槲⒉梢允狗磻?yīng)物瞬間產(chǎn)生高熱，同時(shí)在超聲波的空化效應(yīng)和機(jī)械作用下，反應(yīng)過(guò)程中分子劇烈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生碰撞，加快了反應(yīng)速度，促進(jìn)多糖溶出，當(dāng)微波功率過(guò)高時(shí)，有部分多糖被碳化，導(dǎo)致多糖得率下降。綜上，微波功率400 W和500 W對(duì)多糖得率影響不明顯，考慮節(jié)省能源，因此，選擇微波功率400 W較適合。

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)玉米須多糖得率的影響

由圖2可知，隨反應(yīng)時(shí)間的增加，多糖的得率呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為20 min時(shí)，多糖得率達(dá)到最大值7.36%。這是因?yàn)楫?dāng)反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)，反應(yīng)不完全，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)會(huì)過(guò)度進(jìn)行，導(dǎo)致部分多糖降解。因此，反應(yīng)時(shí)間選擇20 min較適合。

2.1.3 微波溫度對(duì)玉米須多糖得率的影響

由圖3可知，隨著微波溫度的升高，多糖得率也隨之增大，而當(dāng)微波溫度繼續(xù)升高時(shí)，多糖得率則隨之緩慢下降且趨于平穩(wěn)。可見(jiàn)，微波溫度對(duì)多糖得率影響不明顯。

2.1.4 液料比對(duì)玉米須多糖得率的影響

由圖4可知，隨著液料比的增加，多糖得率呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)液料比為40∶1時(shí)，玉米須多糖得率達(dá)到最大值5.58%。因此，選擇液料比為40∶1較為適合。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)3因素3水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 微波功率對(duì)多糖得率的影響

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)多糖得率的影響

圖3 微波溫度對(duì)多糖得率的影響

2.2.2 模型的建立及檢驗(yàn)

對(duì)表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到二次回歸模型，并對(duì)該模型進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。該模型的P＜0.000 1，表明模型差異極顯著，模型的相關(guān)系數(shù)為R2=0.997 0，校正相關(guān)系數(shù)為R2Adj=0.993 2，說(shuō)明該模型與實(shí)際試驗(yàn)擬合程度良好，誤差較小，因此，能很好地對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

圖4 液料比對(duì)多糖得率的影響

表3 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，該模型中X1、X3、X2X3、X1

2、X2

2和X32項(xiàng)對(duì)多糖得率的影響極為顯著。從F值可以看出各因素對(duì)多糖得率的影響順序?yàn)椋篨3＞X1＞X2，即液料比＞微波功率＞反應(yīng)時(shí)間。根據(jù)方差分析和回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，將差異不顯著因子剔除后的回歸方程為：

2.2.3 回歸方程綜合尋優(yōu)與驗(yàn)證

尋優(yōu)目標(biāo)為多糖得率，經(jīng)綜合尋優(yōu)得到，當(dāng)微波功率為451.81 W、反應(yīng)時(shí)間為18.40 min、液料比為37.75∶1（mL∶g）時(shí)，預(yù)測(cè)得出多糖得率為5.97%。利用得到的優(yōu)化工藝條件平行試驗(yàn)3次，驗(yàn)證模型的可行性，得到多糖得率為5.98%、6.02%和5.94%，平均值5.98%，驗(yàn)證試驗(yàn)得到的結(jié)果與模型預(yù)測(cè)值較接近，重現(xiàn)性良好，表明模型的預(yù)測(cè)結(jié)果良好。

3 結(jié)論

①采用微波—超聲波協(xié)同作用提取玉米須多糖，通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)得到最優(yōu)工藝參數(shù)為：微波功率為451.81 W、反應(yīng)時(shí)間為18.40 min、液料比為37.75∶1（mL∶g），預(yù)測(cè)得到多糖得率為5.97%。在最優(yōu)工藝條件下驗(yàn)證試驗(yàn)得到多糖得率為5.98%。結(jié)果表明工藝優(yōu)化科學(xué)合理，可為玉米須多糖的提取制備提供依據(jù)。②以玉米須為原料制備多糖，可以提高玉米的綜合利用價(jià)值，同時(shí)該多糖可廣泛應(yīng)用于食品及藥品相關(guān)行業(yè)。

表4 Box-Behnken設(shè)計(jì)分析