玉米須多糖的微波-超聲波協同提取工藝優化探究

□ 陳珊珊 哈爾濱市第二醫院 宋冬晶 建德市第一人民醫院 葛鵬玲 黑龍江中醫藥大學

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、痛風及眩暈等，在各項試驗研究中尚未發現玉米須對人體有急、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]。現代藥理研究表明，多糖類物質具有降血糖、免疫調節、抗腫瘤等多種功效活性，且安全無副作用[4—5]，近些年研究發現，多糖類物質對于阿爾茨海默病的抑制也具有積極作用[6—9]。目前，對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—超聲波協同作用提取多糖的研究報道較少。

微波輔助萃取技術可以加快傳統萃取方法的傳熱傳質過程，利用微波的熱作用使目標產物溶于溶劑，從而達到萃取的目的。微波—超聲波協同作用就是將超聲波的機械振蕩效應與微波的熱效應相結合，使反應過程中整個體系受熱均勻，加速分子運動，促使分子間氫鍵更容易斷裂[13—14]。利用其協同作用產生的機械效應、熱效應及空化效應等破壞大分子物質的共價鍵，促進其降解，同時增加溶劑穿透力，加速目標成分進入溶劑，促進提取的進行。目前，該項技術廣泛應用于食品及藥品活性成分的提取[15]。

本文采用微波—超聲波協同作用提取玉米須多糖，研究了微波功率、反應時間、液料比及微波溫度對玉米須多糖得率的影響。采用響應面設計法優化試驗條件，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 材料與設備

1.1.1 材料

玉米須，購自當地市場；無水乙醇，分析純，北京化工廠；硫酸，分析純，長春市化學試劑廠；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 設備

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

1.2 試驗方法

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—超聲波反應器中，固定超聲波功率25 Hz，設置適當的微波功率、液料比、反應時間及溫度進行提取，過濾，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

稱取玉米須，按1.2.1方法提取多糖，以玉米須多糖得率（Y）為指標進行單因素試驗分析，因素水平表設計見表1。

表1 單因素試驗因素水平表

1.2.3 玉米須多糖工藝優化試驗

根據單因素試驗結果，選取微波功率、反應時間和液料比為自變量，以多糖得率Y為響應值，采用Box—Behnken響應面法設計3因素3水平試驗，見表2，試驗結果擬合為二次回歸方程。

1.3 數據統計與分析

試驗數據采用SPSS、Origin等軟件進行處理與統計分析，利用P≤0.05的Duncan新復極差法進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 微波功率對玉米須多糖得率的影響

表2 響應面分析因素水平表

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，當微波功率達到500 W時，多糖得率出現最大值7.13%。這是因為微波可以使反應物瞬間產生高熱，同時在超聲波的空化效應和機械作用下，反應過程中分子劇烈運動產生碰撞，加快了反應速度，促進多糖溶出，當微波功率過高時，有部分多糖被碳化，導致多糖得率下降。綜上，微波功率400 W和500 W對多糖得率影響不明顯，考慮節省能源，因此，選擇微波功率400 W較適合。

2.1.2 反應時間對玉米須多糖得率的影響

由圖2可知，隨反應時間的增加，多糖的得率呈先增大后減小趨勢，當反應時間為20 min時，多糖得率達到最大值7.36%。這是因為當反應時間較短時，反應不完全，隨著反應時間的延長，反應會過度進行，導致部分多糖降解。因此，反應時間選擇20 min較適合。

2.1.3 微波溫度對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，而當微波溫度繼續升高時，多糖得率則隨之緩慢下降且趨于平穩。可見，微波溫度對多糖得率影響不明顯。

2.1.4 液料比對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，當液料比為40∶1時，玉米須多糖得率達到最大值5.58%。因此，選擇液料比為40∶1較為適合。

2.2 響應面優化試驗結果與分析

2.2.1 響應面試驗結果

根據單因素試驗結果，設計3因素3水平響應面優化試驗，試驗設計及結果見表3。

圖1 微波功率對多糖得率的影響

圖2 反應時間對多糖得率的影響

圖3 微波溫度對多糖得率的影響

2.2.2 模型的建立及檢驗

對表3中試驗數據進行處理得到二次回歸模型，并對該模型進行方差分析和顯著性檢驗，結果見表4。該模型的P＜0.000 1，表明模型差異極顯著，模型的相關系數為R2=0.997 0，校正相關系數為R2Adj=0.993 2，說明該模型與實際試驗擬合程度良好，誤差較小，因此，能很好地對響應值進行分析和預測。

圖4 液料比對多糖得率的影響

表3 響應面法試驗設計及試驗結果

由表4可知，該模型中X1、X3、X2X3、X1

2、X2

2和X32項對多糖得率的影響極為顯著。從F值可以看出各因素對多糖得率的影響順序為：X3＞X1＞X2，即液料比＞微波功率＞反應時間。根據方差分析和回歸方程系數顯著性檢驗結果，將差異不顯著因子剔除后的回歸方程為：

2.2.3 回歸方程綜合尋優與驗證

尋優目標為多糖得率，經綜合尋優得到，當微波功率為451.81 W、反應時間為18.40 min、液料比為37.75∶1（mL∶g）時，預測得出多糖得率為5.97%。利用得到的優化工藝條件平行試驗3次，驗證模型的可行性，得到多糖得率為5.98%、6.02%和5.94%，平均值5.98%，驗證試驗得到的結果與模型預測值較接近，重現性良好，表明模型的預測結果良好。

3 結論

①采用微波—超聲波協同作用提取玉米須多糖，通過優化試驗得到最優工藝參數為：微波功率為451.81 W、反應時間為18.40 min、液料比為37.75∶1（mL∶g），預測得到多糖得率為5.97%。在最優工藝條件下驗證試驗得到多糖得率為5.98%。結果表明工藝優化科學合理，可為玉米須多糖的提取制備提供依據。②以玉米須為原料制備多糖，可以提高玉米的綜合利用價值，同時該多糖可廣泛應用于食品及藥品相關行業。

表4 Box-Behnken設計分析