響應面優化微波輔助提取佛手山藥淀粉的工藝

李恬心 ，聶沫宇吳菲劉智禹，吳鵬胡婷*

1. 黃岡師范學院生物與農業資源學院，經濟林木種質改良與資源綜合利用湖北省重點實驗室，大別山特色資源開發湖北省協同創新中心（黃岡 438000）；2. 福建省水產研究所（廈門 361013）

佛手山藥，產于湖北黃岡市蘄春、黃梅、浠水，武穴等地，相傳為“禪宗四祖道信”精心培育而成，因形狀似手掌，所以被稱為“佛手山藥”[1]。佛手山藥作為一種天然功能性食品，具有抗疲勞、延緩衰老、提高免疫力、抗腫瘤、降血糖等活性成分[2-8]。研究表明，淀粉在佛手山藥各類成分中占很大比例，含量約75%[9]。

山藥淀粉用途廣泛，不僅可以用于食品行業[10]，還能用于生物可降解薄膜的生產[11]。傳統淀粉提取多數利用堿法、乙醇提取法，水沉降法[12-14]。乙醇提取法提取的淀粉純度不高，且乙醇消耗量大[12]。水沉降法提取過程耗時耗力，雜質多[13]。堿法是國內常用的淀粉提取方法，該方法提取出的淀粉純度比較高，但提取率略低[12]。研究表明，微波可有效提高薯類淀粉的提取率[15-16]。

對佛手山藥的研究主要集中在多糖的提取及活性方面[17-19]，現階段還尚未有關于佛手山藥淀粉提取條件優化的相關文獻或報道。因此，試驗以佛手山藥為原材料，利用微波輔助提取山藥淀粉，提高淀粉得率，運用單因素試驗及響應面法優化微波輔助提取佛手山藥淀粉的工藝條件，得到最佳提取條件，為佛手山藥淀粉的開發和利用提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

佛手山藥（購于湖北省武穴市）；碳酸鈣（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

微波化學反應器（鞏義市予華儀器開發有限公司）；PHS-3C精密pH計（上海儀電科學儀器有限公司）；FW-100高速萬能粉碎機（北京市永光明醫療儀器廠）；電子天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）；H/T18MM臺式高速離心機（湖南赫西儀器裝備有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 佛手山藥淀粉的提取工藝流程

選取新鮮山藥→切片→烘干→粉碎→佛手山藥粉→稱量→浸泡→微波浸提→攪拌→過濾→離心→調節pH→離心→洗滌→離心→烘干→佛手山藥淀粉

1.2.2 佛手山藥淀粉提取率的測定

利用電子天平稱定烘干后的佛手山藥淀粉質量，記為W1。按照式（1）計算佛手山藥粗淀粉的提取率。

式中：Y為佛手山藥粗淀粉提取率，%；W1為佛手山藥粗淀粉質量，g；W2為佛手山藥粉質量，g。

1.2.3 微波輔助提取佛手山藥淀粉的單因素試驗設計

1.2.3.1 pH對佛手山藥淀粉提取率的影響

準確稱取5份20.0 g佛手山藥粉，分別使用pH 8，9，10，11和12的石灰水，在料液比1∶5（g/mL）、微波功率240 W條件下處理30 s，探究pH對佛手山藥淀粉提取率的影響，每組試驗重復3次。

1.2.3.2 料液比對佛手山藥淀粉提取率的影響

準確稱取5份20.0 g佛手山藥粉，設置料液比1∶2，1∶3，1∶4，1∶5和1∶6（g/mL），在pH 9、微波功率240 W條件下處理30 s，探究料液比對佛手山藥淀粉提取率的影響，每組試驗重復3次。

1.2.3.3 微波時間對佛手山藥淀粉提取率的影響

準確稱取5份20.0 g佛手山藥粉，設置微波時間10，20，30，40和50 s，在pH 9、料液比1∶5（g/mL）、微波功率240 W條件下處理，探究微波時間對佛手山藥淀粉提取率的影響，每組試驗重復3次。

1.2.3.4 微波功率對佛手山藥淀粉提取率的影響

準確稱取5份20.0 g佛手山藥粉，設置微波功率80，240，400，640和800 W，在pH 9、料液比1∶5（g/mL）條件下處理30 s，探究微波功率對佛手山藥淀粉提取率的影響，每組試驗重復3次。

1.2.4 響應面分析

結合單因素試驗結果，并以佛手山藥淀粉提取率為響應值（Y），采用Box-Behnken進行試驗設計，選擇pH（A）、料液比（B）、微波時間（C）、微波功率（D）為影響因素，運用Design-Expert 8.0.6軟件進行四因素三水平響應面優化試驗的設計，響應面試驗分析的因素及水平見表1。

表1 響應面試驗設計因素水平

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 pH對佛手山藥淀粉提取率的影響

pH對佛手山藥淀粉提取率的影響見圖1。隨著pH增加，佛手山藥淀粉的提取率呈現先增加后降低趨勢，pH 9時佛手山藥淀粉提取率達到最高，繼續增大pH，佛手山藥提取率下降。石灰水可以溶解提取物的黏液，因此可以分離淀粉和蛋白質，使纖維變得蓬松[20]，提高淀粉提取率；但是隨著pH增加，提取中淀粉糊化量會增加，淀粉提取率降低[21]。綜合考慮，控制pH為9。

圖1 pH對佛手山藥淀粉提取率的影響

2.1.2 料液比對佛手山藥淀粉提取率的影響

料液比對佛手山藥淀粉提取率的影響見圖2。隨著料液比增加，佛手山藥淀粉的提取率呈現先顯著增加后略微降低趨勢，料液比1∶2～1∶4（g/mL）范圍內，淀粉提取率增加明顯。料液比大于1∶4（g/mL）時，淀粉提取率增加緩慢，料液比1∶5（g/mL）時佛手山藥淀粉提取率達到最高，繼續增大料液比，佛手山藥提取率下降。原因是料液比小于1∶5（g/mL）時，隨著水分增加，被沖洗出的淀粉量增加，因此提取率隨著水分增加而迅速增加。料液比大于1∶4（g/mL）時，淀粉大部分被沖洗出來，只有少量淀粉殘留，所以，此時淀粉提取率的提高趨于緩慢[22]。綜合考慮，料液比應控制在1∶5（g/mL）。

圖2 料液比對佛手山藥淀粉提取率的影響

2.1.3 微波時間對佛手山藥淀粉提取率的影響

微波時間對佛手山藥淀粉提取率的影響見圖3。隨著微波時間增加，佛手山藥淀粉提取率呈現先增加后降低趨勢，微波時間30 s時，佛手山藥淀粉提取率最大。微波時間過長，浸提液溫度逐漸升高，淀粉結構受損程度加劇，破損淀粉含量增多，容易發生吸水膨脹[23]，淀粉出現糊化現象，使得淀粉提取率逐漸降低。

圖3 微波時間對佛手山藥淀粉提取率的影響

2.1.4 微波功率對佛手山藥淀粉提取率的影響

微波功率對佛手山藥淀粉提取率的影響見圖4。隨著微波功率增加，佛手山藥淀粉提取率呈現先增加后降低的趨勢，微波功率240 W時，佛手山藥淀粉提取率最大。微波功率過高時，山藥中的蛋白質等物質會變性沉淀，同時淀粉也會發生糊化，使得淀粉的提取率逐漸降低[24]。

圖4 微波功率對佛手山藥淀粉提取率的影響

2.2 響應面試驗設計優化提取參數

2.2.1 響應面試驗結果及方差分析

對表2中各單因素與佛手山藥淀粉的提取率（Y）進行多項擬合回歸分析，得到回歸方程Y=36.92-0.20A+0.83B-2.61C-0.42D+1.75AB+1.50AC-0.60AD+ 0.75BC+2.80BD-3.68CD-4.53A2-5.91B2-11.04C2-10.07D2。式中：A為pH；B為料液比；C為微波時間；D為微波功率。

表2 微波輔助提取佛手山藥淀粉工藝條件優化響應面試驗結果與分析

響應面回歸模型方差分析結果見表3。結果顯示：該模型的概率p＜0.01，說明該模型有顯著性；失擬項p=0.091 8＞0.05，表明不具有顯著性，即模型與試驗值差異較小，說明該模型是合適可用的。在回歸式中，p值用于驗證影響因素的重要性，其數值表示影響因素之間的相互作用，p值越小，影響因素越重要[25]。模型中一次項C影響顯著（p＜0.05），A、B、D影響不顯著（p＞0.05）；交互項AB、AC、AD、BC、BD、CD影響不顯著（p＞0.05）；二次項C2，D2影響極顯著（p＜0.000 1），A2，B2影響高度顯著（p＜ 0.01）。方差分析結果表明，影響佛手山藥淀粉提取率的主次順序是C＞B＞D＞A。

表3 響應面回歸模型結果方差分析

2.2.2 響應面各因素交叉相互作用分析

圖5～10直觀地顯示各因子相互作用的響應值和等值線分析圖。各因子的邊緣線越平緩，對提取率的影響越小；各因子的邊緣線越陡，對提取率的影響越大[26]。圖5顯示，在微波功率240 W、微波時間30 s條件下，pH上升幅度比料液比稍小，說明在對佛手山藥淀粉的提取率的影響中B＞A；圖6顯示，微波功率240 W、料液比1∶5（g/mL）時，微波時間比pH上升幅度大，說明在對佛手山藥淀粉提取率的影響中C＞A；圖7顯示，料液比1∶5（g/mL）、微波時間30 s時，微波功率的上升幅度比pH大，說明在對佛手山藥淀粉提取率的影響中D＞A；圖8顯示，微波功率240 W、pH 9時，微波時間的上升幅度比料液大，說明在對佛手山藥淀粉提取率的影響中C＞B；圖9顯示，pH 9，微波時間30 s時，料液的上升幅度比微波功率大，說明在對佛手山藥淀粉提取率的影響中B＞D；圖10顯示，pH 9、料液比1∶5（g/mL）時，微波時間的上升幅度比微波時間大，說明在對佛手山藥淀粉提取率的影響中C＞D。該結果與方差分析結果一致，說明響應面優化法得到的最佳提取條件可靠。

圖5 料液比和pH對佛手山藥淀粉提取率影響的響應面圖

圖6 微波時間和pH對佛手山藥淀粉提取率影響的響應面圖

圖7 微波功率和pH對佛手山藥淀粉提取率影響的響應面圖

圖8 微波時間和料液比對佛手山藥淀粉提取率影響的響應面圖

圖9 微波功率和料液比對佛手山藥淀粉提取率影響的響應面圖

圖10 微波功率和微波時間對佛手山藥淀粉提取率影響的響應面圖

2.2.3 微波輔助提取佛手山藥淀粉最佳工藝條件的確定

通過響應面分析軟件Design-Expert 8.0.6計算出佛手山藥淀粉提取的最佳工藝條件：pH 8.98、料液比1∶5.35（g/mL）、微波時間26.4 s、微波功率236.6 W。該條件下考慮到實際操作的方便性和優化結果的準確性，將提取條件更改為pH 9、料液比1∶5（g/mL）、微波時間30 s、微波功率240 W，進行3次重復試驗，測出佛手山藥淀粉的平均提取率為35.8%± 1.4%，與響應面預測值（37.1%）接近。

3 結論

為更好地開發和利用佛手山藥淀粉，利用微波輔助提取佛手山藥淀粉，以佛手山藥淀粉提取率為響應值，對微波輔助提取佛手山藥淀粉的條件進行優化，并確定最佳提取條件：pH 9、料液比1∶5（g/mL）、微波時間30 s、微波功率為240 W。該試驗為佛手山藥及其淀粉的開發和應用提供理論基礎和技術支撐。