超聲輔助法提取茭白多糖工藝的優化研究

李天一，蘇 超，高 婷，戴文娜，何康潔

（蕪湖職業技術學院，安徽 蕪湖 241006）

茭白是我國僅次于蓮藕的第二大水生蔬菜，在安徽多地有廣泛種植[1-2]。茭白中富含大量的營養物質，如蛋白質、脂肪、維生素、礦物質等，營養價值較高[3]。茭白不僅營養價值較高，其中含有的多種活性物質也使其具有祛濕氣、排毒、促乳、抑制黑色素等藥用價值[4]。長期食用可達到軟化表皮，令肌膚光滑、細致，達到美容養顏的效果[5]，同樣具有抗病毒、抗腫瘤、抗衰老、降血糖和免疫調節等生理功能[6]。多糖就是其中含量豐富的一種活性成分。李吉萍等人[7]采用小鼠試驗研究，發現多糖具有抗腫瘤作用，延長了患病小鼠的存活時間。可見活性成分多糖[8]具有較高的營養價值及藥用價值，對提取茭白多糖工藝進行優化是研究其價值的基礎。

多糖的提取工藝有水提醇沉法[9]、超臨界流體萃取法[10]、超聲波輔助提取法[11]、酸堿提取法[12]及酶輔助提取法[13]等。水提醇沉法是常見的一種多糖提取方法，操作簡單、對設備要求不高，但是提取時間過長，多糖含量較低，成分純度不高。酸堿提取法所得多糖含量較高，但是選用的酸堿試劑會對多糖的結構產生破壞，所選用的酸堿試劑也很難除去；超臨界流體萃取法、酶輔助提取法提取的多糖含量較高，但是該方法對設備的要求較高，提取成本較大，能源消耗較大。綜上分析，可選用超聲輔助水提醇沉的方式進行多糖的提取，這樣可以彌補單純水提醇沉方法耗時過長的缺點，加快破壞細胞壁的速度，胞內天然成分的釋放和擴散速度加快，設備要求不高，成本相對較低。因此，茭白多糖采用超聲輔助提取方法進行提取。在單因素試驗基礎上，利用響應面分析法[14]對多糖提取工藝參數進行優化。以期為后續茭白多糖的純化、生物活性的研究、功能性產品的開發奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

茭白，購自安徽省蕪湖市弋江區大潤發超市；苯酚、無水乙醇（分析純），上海展云化工有限公司提供；濃硫酸（分析純），上海傅河精細化學品有限公司提供；D(+)-無水葡萄糖標準品，上海源葉生物科技有限公司提供。

1.2 儀器與設備

HH-4 型數顯恒溫水浴鍋，常州億通分析儀器制造有限公司產品；GZX-9240A 型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海博訊醫療生物儀器股份有限公司產品；UV759CRT 型紫外可見分光光度計，上海佑科儀器公司產品；臺式低速離心機，湖南凱達科學儀器有限公司產品；HZK-FA110S 型電子天平，華志電子科技有限公司產品；RE-2010(1 L+500 mL)-IE 型旋轉蒸發濃縮儀，濟南禾普儀器設備有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 茭白多糖的提取

選擇新鮮的茭白進行切塊，將其用粉碎機進行粉碎，將粉碎后的茭白放入烘箱中進行烘干備用。稱取茭白粉末采用無水乙醇進行提取，提取按照單因素試驗和響應面試驗中設計的條件進行，將提取的茭白多糖采用旋轉蒸發儀進行蒸發濃縮，所制得的濃縮液加入4 倍體積的無水乙醇置于冰箱中沉淀24 h。沉淀完成的溶液以轉速5 000 r/min 離心10 min后，對所得到的沉淀物用少量無水乙醇進行洗滌，加水復溶后用旋轉蒸發儀將酒精除去，制得茭白多糖，將其進行稱重，計算茭白多糖的提取率。茭白多糖提取率的計算公式如下：

1.3.2 制作工藝優化研究

（1） 單因素試驗。在多糖提取過程中，考查提取時間、超聲功率、液料比對茭白多糖提取率的影響，以茭白多糖的提取率作指標。考查的因素和范圍有：提取時間2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 h；超聲功率60，70，80，90，100 W；料液比1∶10，1∶20，1∶30，1∶40，1∶50（g∶mL）。

（2） 響應面試驗設計。為進一步確定最佳工藝參數，在單因素試驗結果基礎上進行分析，最終確定以提取時間（A）、超聲功率（B）、料液比（C）為自變量，茭白多糖得率作為測定的指標，設計三因素三水平響應面試驗，優化最佳多糖提取工藝參數。

響應面試驗因素與水平設計見表1。

表1 響應面試驗因素與水平設計

1.3.3 茭白多糖含量的測定

（1） 標準曲線的繪制，稱取20 mg 葡萄糖標準品將其放入烘箱中烘干至恒質量，然后將葡萄糖標準品放置于容器中用蒸餾水將其進行溶解，并定容置500 mL 容量瓶中，制得葡萄糖標準品溶液，其質量濃度為0.04 mg/mL，使用移液管分別吸取0.40，0.60，0.80，1.00，1.20，1.40，1.60 mL 的葡萄糖標準溶液于具塞試管中，加蒸餾水至2.0 mL，向其中依次加入質量分數為6%的苯酚溶液0.6 mL、濃硫酸2.5 mL，將其進行混勻，冷卻20 min 左右，將溶液放置于分光光度計中，在波長490 nm 處進行測定，測定3 次，取其平均值。量取相同體積的蒸餾水在相同的條件下進行吸光度的測定，將其作為空白對照試驗。以測定的吸光度作為縱坐標，葡萄糖質量濃度為橫坐標，繪制標準曲線[15]，最終得到標準曲線為Y=0.201 4X-0034 5，R2=0.999 6。

（2） 總糖含量的測定。茭白多糖的含量測定方法采用苯酚- 硫酸法。量取制得的茭白多糖溶液1 mL，向其中加入蒸餾水置2 mL，將其進行混勻，將溶液放置于分光光度計中，于波長490 nm 處進行測定，測定3 次，取其平均值，得到吸光度。將吸光度值帶入到標準曲線Y=0.201 4X-0034 5 中，可計算出樣品中總糖的含量。

1.3.4 數據處理與分析

主要采用SPSS 22.0 對數據進行差異性分析，采用Origin.9 軟件作圖，利用Design Eexpert 10.0 軟件進行響應面試驗方差分析。單因素試驗均重復3 次，取平均值。

再次，現階段的高職生大多屬于獨生子女，且在互聯網技術的發展環境中成長，因此他們接受外界信息的來源更加廣泛，接收到新思想、新觀念也比較多，在這一條件下，他們很難形成系統的、全面的、有效的判斷，模糊的是非判斷會嚴重影響他們的思政觀念，容易出現跟風的情況，不能夠明辨是非，憑借意氣用事。

2 結果與分析

2.1 茭白多糖提取工藝的研究

2.1.1 提取時間對茭白多糖得率的影響

在料液比和超聲功率保持一致的條件下，以茭白多糖得率為評價指標，研究在不同提取時間對茭白多糖得率的影響。分別以2.5，3.0，3.5，4.0，4.5 h 的提取時間進行提取。

提取時間對茭白多糖得率的影響見圖1。

圖1 提取時間對茭白多糖得率的影響

由圖1 可知，隨著提取時間的延長，茭白多糖得率先逐漸升高至最高值后又下降。當提取時間為3.5 h 時，得率達到最大為10.46%。原因可能是隨著提取時間的延長，多糖分子被破壞和水解，同時也使一些水溶性雜質溶出，使得茭白多糖得率降低。因此選擇提取時間為3.0，3.5，4.0 h 進行響應面優化分析。

2.1.2 超聲功率對茭白多糖得率的影響

在料液比和提取時間保持一致的條件下，以茭白多糖得率為評價指標，研究不同超聲功率對茭白多糖得率的影響。分別以60，70，80，90，100 W的超聲功率進行提取。

超聲功率對茭白多糖得率的影響見圖2。

圖2 超聲功率對茭白多糖得率的影響

由圖2 可知，隨著超聲功率的增加，茭白多糖得率先逐漸升高至最高值后又下降。當超聲功率為80 W 時，得率達到最大為12.46%。可能原因是部分茭白隨著超聲功率提高而使多糖降解，因此選擇超聲功率為70，80，90 W 進行響應面優化分析。

在超聲功率與提取時間保持一致的條件下，以茭白多糖得率為評價指標，研究不同料液比對茭白多糖得率的影響。將蒸餾水與茭白粉末按照1∶10，1∶20，1∶30，1∶40，1∶50（g∶mL） 的比例進行提取。

料液比對茭白多糖得率的影響見圖3。

圖3 料液比對茭白多糖得率的影響

由圖3 可知，隨著料液比的降低，茭白多糖得率先逐漸升高至最高值后又下降。當料液比為1∶30時，得率達到最大為9.46%，說明多糖已經達到了最大溶解狀態。考慮時效、能耗等方面的因素，選擇料液比為1∶20，1∶30，1∶40 進行響應面優化分析。

2.2 茭白多糖最佳提取工藝參數確定

2.2.1 響應面數據處理

首先考查了提取時間、超聲功率、料液比對茭白多糖得率的影響，選取提取時間為2.5，3.0，3.5 h；超聲功率為70，80，90 W；料液比為1∶20，1∶30，1∶40 作為響應面優化的3 個單因素及范圍，以測定的茭白多糖得率作為指標，進行響應面優化試驗。

響應面優化設計方案及試驗結果見表2，方差分析見表3。

表2 響應面優化設計方案及試驗結果

表3 方差分析

利用Design Expert 10.0 進行回歸擬合分析，得到方差結果。由表3 可知，試驗設計范圍內總模型p 值＜0.01，表明總模型方程極顯著。失擬項p 值＞0.05，不顯著，說明預測值和實際值之間的擬合程度較高；校正決定系數R2Adj=0.949 2，決定系數R2=0.977 8，說明該模型擬合程度良好，各因素之間存在著交互作用，其中B、C、AB、BC、AC、A2、B2、C2均呈顯著影響。

2.2.2 各因素交互作用分析

提取時間與超聲功率對茭白多糖得率的交互影響見圖4，提取時間與料液比對茭白多糖得率的交互影響見圖5，超聲功率與料液比對茭白多糖得率的交互影響見圖6。

圖4 提取時間與超聲功率對茭白多糖得率的交互影響

圖5 提取時間與料液比對茭白多糖得率的交互影響

圖6 超聲功率與料液比對茭白多糖得率的交互影響

若曲面較為平坦，則表示各因素的變化對響應值有較小的影響，反之，則說明各因素的變化對響應值有較大的影響。通過等高線也可以分析2 個因素之間的相互作用強弱，當等高線趨于圓形時，則說明2 個因素之間的相互作用不顯著；等高線趨于橢圓時，則說明2 個因素之間的相互作用顯著。由圖4～圖6 可知，提取時間與超聲功率、提取時間與料液比、超聲功率與液料比之間的交互作用較顯著。

2.2.3 驗證試驗

綜合分析響應面試驗結果并依據回歸模型確定茭白多糖提取的最佳工藝參數為提取時間3.50 h，超聲功率81.82 W，蒸餾水與茭白粉末料液比為1∶28.14（g∶mL），在此基礎上，茭白多糖提取率為15.67%，總糖含量為81.5%。為了驗證試驗可靠性，同時綜合實際可操作性，將優化工藝參數修改為提取時間3.50 h，超聲功率80 W，蒸餾水與茭白粉末的料液比為1∶30（g∶mL），進行3 次平行試驗，得到茭白多糖提取率為16.23%，總糖含量為83.5%，相對誤差為3.45%。表明試驗設計較合理準確，對茭白多糖的提取有一定的參考意義。

3 結論

在考查料液比、提取時間、超聲功率單因素試驗的基礎上，通過響應面軟件的設計優化茭白多糖的提取工藝，得到最佳工藝條件為提取時間3.50 h，超聲功率81.82 W，蒸餾水與茭白粉末料液比1∶28.14（g∶mL），在此基礎上，茭白多糖提取率為15.67%，總糖含量為81.5%。按照實際情況對部分參數進行調整，最終確定茭白多糖提取工藝參數為提取時間3.50 h，超聲功率80 W，蒸餾水與茭白粉末的料液比為1∶30（g∶mL），得到茭白多糖提取率為16.23%，總糖含量為83.5%。茭白多糖得率的理論與實際值偏差在3.45%左右，表明該模型的真實性較高，可用于茭白多糖的提取，為后續茭白多糖的純化、生物活性的研究、功能性產品的開發奠定理論基礎。