響應(yīng)面法優(yōu)化無梗五加果多糖超聲波、微波法提取工藝研究

馮 穎，陳巧紅，孟憲軍，王建國

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽 110866； 2.遼寧省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，遼寧 沈陽 110003)

響應(yīng)面法優(yōu)化無梗五加果多糖超聲波、微波法提取工藝研究

馮 穎1，陳巧紅1，孟憲軍1，王建國2

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽 110866； 2.遼寧省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，遼寧 沈陽 110003)

根據(jù)中心組合(Box-Behnken)試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理采用響應(yīng)面分析法，分別對(duì)無梗五加果多糖的超聲波提取工藝和微波提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：超聲波法提取多糖的最佳工藝參數(shù)為料液比1:70(g/mL)、提取時(shí)間50min、提取功率175W、提取溫度為60℃，實(shí)際測(cè)得多糖得率為3.491%；微波法提取多糖的最佳工藝參數(shù)為料液比1:40 (g/mL)、提取時(shí)間80s、提取功率595W，實(shí)際測(cè)得多糖得率為3.482%，與模型預(yù)測(cè)值基本相符。

無梗五加；多糖；提取；響應(yīng)面

無梗五加，又名短梗五加，為五加科五加屬植物。長期以來，在我國東北地區(qū)代替刺五加藥用[1-2]。2003年韓國學(xué)者文獻(xiàn)報(bào)道無梗五加果多糖具有抗腫瘤活性[3]，本課題組也曾研究報(bào)道無梗五加果多糖具有清除羥自由基、抗疲勞、抗缺氧、免疫調(diào)節(jié)的活性[4]。因此，開發(fā)利用無梗五加果多糖資源，優(yōu)化其提取工藝，對(duì)擴(kuò)大其應(yīng)用和工業(yè)化生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。響應(yīng)面分析法是一種優(yōu)化工藝條件的有效方法，可檢查一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)變量與一系列試驗(yàn)變量之間的關(guān)系，確定試驗(yàn)因素及其交互作用在工藝過程中對(duì)指標(biāo)響應(yīng)值的影響，精確地表述因素和響應(yīng)值之間的關(guān)系，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果表述方面更加優(yōu)良[5-8]。近年來，科研工作者將響應(yīng)面分析法應(yīng)用于植物多糖提取工藝參數(shù)的優(yōu)化，提取參數(shù)更加精確，多糖提取率大大提高[9-13]。而目前尚未見有關(guān)于響應(yīng)面法應(yīng)用于無梗五加果多糖提取工藝參數(shù)優(yōu)化方面的研究報(bào)道。課題組在前期試驗(yàn)[14-15]研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用響應(yīng)面法對(duì)該多糖的超聲波法提取工藝和微波法提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，旨在加速無梗五加果多糖在功能食品和藥品領(lǐng)域的應(yīng)用步伐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

無梗五加干果：人工栽培品種，由遼寧省丹東農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

無水乙醇、丙酮、乙醚、葡萄糖、濃硫酸、苯酚均為分析純。

7200型可見分光光度計(jì) 尤尼柯(上海)有限公司；微波爐 Galanz公司；KQ-250DB型數(shù)控超聲波清洗器昆山市超聲儀器有限公司； SHZ-IIIB型循環(huán)水真空泵 上海華琦科學(xué)儀器有限公司；布氏漏斗、小型粉碎機(jī)、天平等。

1.2 無梗五加果多糖提取工藝流程

無梗五加干果→粉碎→微波(超聲波)提取→抽濾→濾液→醇沉過夜(乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)到75%)→離心→沉淀→無水乙醇、丙酮、乙醚依次洗滌→60℃烘干→粗多糖粉末

1.3 多糖測(cè)定方法及提取率的計(jì)算

取0.01g粗多糖粉末，以適量蒸餾水溶解并定容至100mL，取2mL采用苯酚硫酸法[9-10]測(cè)定多糖質(zhì)量濃度，從而計(jì)算提取出的多糖質(zhì)量，并計(jì)算提取率。

多糖測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線：Y=9.0518X－0.0116[(Y為吸光度，X為多糖質(zhì)量濃度/(mg/mL)]，R2=0.9916。

多糖提取率/%= 提取出的多糖質(zhì)量/原料用量×100 (原料用量均為2g)

基于上述分析，已知信息節(jié)點(diǎn)集合可采用上述方法依次進(jìn)行不等概率抽樣來確定。不完全信息下節(jié)點(diǎn)失效策略即為優(yōu)先失效集合中的節(jié)點(diǎn)和隨機(jī)失效集合中的節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，為避免高重要度節(jié)點(diǎn)的重復(fù)入樣，上述不等概率抽樣為無放回的，即每完成一次抽樣后，重新計(jì)算ρi和χi再進(jìn)行抽樣，直至獲取η×n個(gè)已知信息節(jié)點(diǎn)為止。

1.4 超聲波法提取無梗五加果多糖響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼

在前期單因素試驗(yàn)[9]的基礎(chǔ)上，選擇提取功率、提取溫度、提取時(shí)間以及料液比為自變量，根據(jù)中心組合(Box-Behnken)試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理采用四因素三水平的響應(yīng)面分析法，確定超聲波法提取無梗五加果多糖的最佳工藝參數(shù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼見表1。

表1 超聲波法提取無梗五加果多糖響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼Table1 Factors and levels of response surface methodology for ultrasonic extraction of polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits

1.5 微波法提取無梗五加果多糖響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼

在前期單因素試驗(yàn)[10]基礎(chǔ)上，選擇提取功率、提取時(shí)間以及料液比為自變量，根據(jù)中心組合(B o x-Behnken)試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理采用三因素三水平響應(yīng)面分析法，確定微波法提取無梗五加果多糖的最佳工藝參數(shù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼見表2。

表2 微波法提取無梗五加果多糖響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼Table2 Factors and levels of response surface methodology for microwave extraction of polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波法提取無梗五加果多糖響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 超聲波法提取無梗五加果多糖響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table3 Design and results of response surface methodology for ultrasonic extraction of polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits

根據(jù)表3的結(jié)果，利用Minitab 15軟件對(duì)表 3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合。得到無梗五加果多糖提取率對(duì)編碼自變量的二次多項(xiàng)式回歸模型為：

表4 回歸模型顯著性檢驗(yàn)及方差分析Table4 Significance test and variance analysis for the regression model of ultrasonic extraction

表4結(jié)果表明該模型回歸顯著。模型的R2=0.9863，說明模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)擬合較好，自變量和響應(yīng)值之間關(guān)系顯著。模型失擬項(xiàng)P=0.885，不顯著，表明該回歸模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合良好，實(shí)驗(yàn)誤差小，因此，可用該回歸模型代替實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

表5 回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table5 Significance test for each item in the regression model of ultrasonic extraction

由表5可知，各因素對(duì)無梗五加果多糖得率的影響是X4＞X1＞X2＞X3，即料液比影響最大，其次是提取時(shí)間、提取溫度、提取功率。交互項(xiàng)除X2X4不顯著外(P＞0.05)，其余之間都顯著，即除提取溫度和料液比之間不存在顯著交互作用，其余之間都存在顯著的交互作用，各因素對(duì)無梗五加果實(shí)多糖得率的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

圖1 超聲波法提取無梗五加果多糖響應(yīng)曲面分析Fig.1 Response surface analysis for ultrasonic extraction of polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits

從圖1A可以看出，提取功率對(duì)多糖提取率的影響變化趨勢(shì)受料液比的交互作用的影響。當(dāng)提取功率較小時(shí)，多糖提取率隨料液比的增加先快速增加到峰值后迅速減少，當(dāng)提取功率較大時(shí)，多糖提取率隨料液比的增加而急劇增加。

從圖1B可以看出，提取時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響變化趨勢(shì)受提取溫度的交互作用的影響。當(dāng)提取時(shí)間較小時(shí)，多糖提取率隨提取溫度的增加而急劇增加，當(dāng)提取時(shí)間較大時(shí)，多糖提取率隨提取溫度的增加變化不明顯。

從圖1C可以看出，提取時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響變化趨勢(shì)受提取功率的交互作用的影響。當(dāng)提取時(shí)間較小時(shí)，多糖提取率隨提取功率的增加而急劇增加，當(dāng)提取時(shí)間較大時(shí)，多糖提取率隨提取功率的增加而下降。

從圖1D可以看出，提取時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響變化趨勢(shì)受料液比的交互作用的影響。當(dāng)提取時(shí)間較小時(shí)，多糖提取率隨料液比的增加減小，當(dāng)提取時(shí)間較大時(shí)，多糖提取率隨料液比的增加而急劇增加。

從圖1E可以看出，提取溫度對(duì)多糖提取率的影響變化趨勢(shì)受提取功率的交互作用的影響。當(dāng)提取溫度較低時(shí)，多糖提取率隨提取功率的增加而急劇增加，當(dāng)提取溫度較高時(shí)，多糖提取率隨提取功率的增加降低。

2.3 超聲波法提取無梗五加果多糖響應(yīng)面試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷尿?yàn)證

由回歸模型得到的無梗五加果多糖提取的最佳工藝條件為料液比1:70(g/mL)、提取時(shí)間50min、提取功率175W、提取溫度60℃，多糖提取的理論值達(dá)到3.695%。在此工藝條件下實(shí)際提取無梗五加果多糖，測(cè)定多糖提取率為3.491%，與理論最大值接近，說明回歸模型可以較好地反映出無梗五加果多糖提取的最佳條件。

2.4 微波法提取無梗五加果多糖響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表6 微波法提取無梗五加果多糖響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table6 Design and results of response surface methodology for microwave extraction of polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits

表7 回歸模型方差分析Table7 Significance test and variance analysis for the regression model of microwave extraction

表7結(jié)果表明該模型回歸顯著。模型的R2=0.9780，說明通過二次回歸得到的多糖提取率的模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)擬合較好，自變量和響應(yīng)值之間關(guān)系顯著。模型失擬項(xiàng)P=0.981，不顯著，表明該模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合良好,實(shí)驗(yàn)誤差小，因此，可用該回歸模型代替實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

表8 回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table8 Significance test for each item in the regression model of microwave extraction

由表8可知，各因素對(duì)多糖提取率的影響是X3＞X1＞X2，即料液比對(duì)多糖提取率的影響最大，其次是提取時(shí)間，最后是提取功率。交互項(xiàng)X1X2、X1X3、X2X3顯著(P＜0.05)，表明提取時(shí)間、提取功率和料液比之間存在顯著交互作用，各因素對(duì)多糖得率的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。各因素?cái)M合后，選擇對(duì)響應(yīng)值顯著的各項(xiàng)，得到無梗五加果實(shí)多糖得率對(duì)編碼自變量的二次多項(xiàng)式回歸方程為：Y=3.0606＋0.2270X1－0.6820X3＋0.6392X12＋0.4379X22－0.5697X1X2－0.3710X1X3－0.5146X2X3。

2.5 微波法提取無梗五加果多糖響應(yīng)曲面直觀分析

圖2 微波法提取無梗五加果多糖響應(yīng)曲面分析Fig.2 Response surface analysis for microwave extraction of polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits

從圖2A可以看出，提取功率對(duì)多糖提取率的影響變化趨勢(shì)受料液比的交互作用的影響。當(dāng)提取功率較小時(shí)，多糖提取率隨料液比的增加變化不明顯，當(dāng)提取功率較大時(shí)，多糖提取率隨料液比的增加而急劇減小。

從圖2B可以看出，提取時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響變化趨勢(shì)受料液比的交互作用的影響。當(dāng)提取時(shí)間較小時(shí)，多糖提取率隨料液比的增加變化不明顯，當(dāng)提取時(shí)間較大時(shí)，多糖提取率隨料液比的增加而急劇減小。

從圖2C可以看出，提取時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響變化趨勢(shì)受提取功率的交互作用的影響。當(dāng)提取時(shí)間較小時(shí)，多糖提取率隨料液比的增加而急劇增加，當(dāng)提取時(shí)間較大時(shí)，多糖提取率隨提取功率的增加下降。

2.6 微波法提取無梗五加果多糖響應(yīng)面試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷尿?yàn)證

回歸模型預(yù)測(cè)的微波法提取多糖的最佳工藝條件為料液比1:40(g/mL)、提取時(shí)間80s、提取功率595W，多糖提取的理論值達(dá)到3.700%。實(shí)際測(cè)得提取率3.482%，與理論最大值接近，偏差較小，說明回歸模型可以較好的反映出無梗五加果多糖提取的最佳條件，從而也說明了響應(yīng)面法對(duì)無梗五加果多糖提取條件參數(shù)優(yōu)化的可行性。

3 結(jié) 論

采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化無梗五加果多糖的超聲波法提取工藝及微波法提取工藝的最佳工藝參數(shù)分別為料液比1:70 (g/mL)、提取時(shí)間50min、提取功率175W、提取溫度為60℃，實(shí)際測(cè)得多糖得率為3.491%；料液比1:40(g/mL)、提取時(shí)間80s、提取功率595W，實(shí)際測(cè)得多糖得率為3.482%，與模型預(yù)測(cè)值基本相符。

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Optimization of Microwave and Ultrasonic Extraction of Polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus Fruits by Response Surface Methodology

FENG Ying1，CHEN Qiao-hong1，MENG Xian-jun1，WANG Jian-guo2
(1. College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China；2. Liaoning Bureau of Quality and Technical Supervision, Shenyang 110003, China)

The response surface methodology based on Box-Behnken design principle was used to optimize processing parameters of ultrasonic and microwave extraction for polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits. Results showed that the optimal processing conditions of ultrasonic extraction were material-liquid ratio of 1:70 (g/mL), ultrasonic power of 175 W, extraction temperature of 60 ℃ and extraction time of 50 min. The optimal processing conditions of microwave extraction were material-liquid ratio of 1:40 (g/mL), microwave power of 595 W and extraction time of 80 s. The yields of polysaccharides were up to 3.491% and 3.482% under the optimal ultrasonic and microwave extraction conditions, respectively, which was consistent with the predicted results.

Acanthopanax sessiliflorus；polysaccharide；extraction；response surface methodology

O629.12

A

1002-6630(2010)22-0268-05

2010-06-30

遼寧省博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(20091068)

馮穎(1975—)，女，副教授，博士，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物與功能食品。E-mail：fywjg@sina.com