響應面法優化青稞β-葡聚糖提取條件的研究

馬 棟，鄒 妍，龔倩云，王 菀，趙國華，2，*

（1.西南大學食品科學學院，重慶400716；2.重慶市農產品加工技術重點實驗室，重慶400716）

響應面法優化青稞β-葡聚糖提取條件的研究

馬 棟1，鄒 妍1，龔倩云1，王 菀1，趙國華1，2，*

（1.西南大學食品科學學院，重慶400716；2.重慶市農產品加工技術重點實驗室，重慶400716）

在青稞β－葡聚糖的提取體系中，利用響應面法對在單因素實驗基礎上選取的乙醇回流時間、水提時間、水提溫度、醇析體積比四個主要因素，以青稞β－葡聚糖得率為響應值，利用Box－Behnken中心組合實驗和設計相應面分析法對其工藝進行了優化。青稞β－葡聚糖最優提取條件為乙醇回流時間3h，水提時間2.5h，水提溫度85℃，醇析體積5倍于提取液。此工藝條件下提取青稞β－葡聚糖得率為7.75%，回歸模型的預測值7.81%。

青稞，β－葡聚糖，提取，響應面法

β－葡聚糖是廣泛存在于細菌、酵母、真菌和高等植物（燕麥、黑麥和大麥等）中的大分子多糖，主要以細胞結構成分（如細胞壁）的形式存在[1]。β－葡聚糖含量因品種和栽培地不同而差異很大，一般說來，裸大麥的β－葡聚糖含量高于皮大麥，根據實際化驗結果并與國內外有關研究比較，迄今為止，國內外按標準方法測定的不同類型大麥品種中，西藏青稞β－葡聚糖的平均含量是最高的，約為3.66%～8.62%，在西藏青稞中，其含量超過6%以上的品種多達16個[2]。β－葡聚糖的提取是其應用的關鍵環節，本實驗通過響應面優化，研究了乙醇回流時間、水提時間、水提溫度、醇析體積比等對青稞β－葡聚糖提取的影響，以期為工業化生產青稞β－葡聚糖提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

青稞 產自西藏，由西藏龍湖工貿公司提供；淀粉酶 北京奧博星生物技術有限責任公司；胰蛋白酶、纖維素酶 北京拜耳迪公司；β－葡聚糖、β－葡萄糖苷酶 sigma公司；乙醇、苯酚、硫酸等 分析純。

HR1707粉碎機 飛利浦公司；RE－5298旋轉蒸發器 上海亞榮生化儀器廠；DHG－9740電熱恒溫鼓風干燥箱、HWS－26電熱恒溫水浴鍋 上海齊欣科學儀器有限公司；TDL－5離心機 上海安亭科學儀器廠；SARTORIUS－BS21S電子天平 德國賽多利斯集團；722－P可見光分光光度計 上海現科儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 預處理 將青稞樣品除雜后用HR1707型號家用粉碎機粉碎，過60目篩。

1.2.2 提取工藝[5－6]樣品→乙醇回流（95%，95℃）除脂肪→干燥（75℃，1h）→水提（30g/100mL）→離心取上清液（3000r/min，4min）→真空濃縮至1/3體積→淀粉酶水解（1%， 40℃，3h）→胰蛋白酶水解（0.5%，70℃，2h）→冷乙醇沉淀→離心取沉淀（3000r/min，5min）→干燥（75℃，30min）→成品。

1.2.3 β－葡聚糖的含量和得率的測定 采用酶法測定β－葡聚糖含量[7]。以β－葡聚糖標準品做標準曲線，依次分別用纖維素酶，β－葡聚糖苷酶水解待測樣，經苯酚硫酸處理顯色，通過可見光分光光度計在490nm處測吸光值，繪制標準曲線，得回歸方程為：Y= 61.043x－204.78，R2=0.9749。β－葡聚糖得率（R%）按照下式計算：β－葡聚糖得率（%）=（β－葡聚糖質量/青稞粉質量）×100%。

1.2.4 實驗設計 先通過單因素實驗確定乙醇回流時間、水提時間、水提溫度、醇析體積比4個因素的影響，在此基礎上，采用Box－Behnken響應面設計原理[8]，以β－葡聚糖得率為指標，采用Design Expert 7.1分析軟件設計4因素3水平響應面組合設計，實驗因素水平設計見表1。

表1 因素水平及其編碼表Table 1 Codes of the factors and levels

2 結果與分析

2.1 單因素結果

影響β－葡聚糖得率的因素有很多，影響較大的因素是乙醇回流時間、水提時間、水提溫度、醇析體積比。由圖1a、圖1b可以看出β－葡聚糖得率在乙醇回流時間和水提時間皆為2.5h時達到最大，并隨著時間延長而下降。由圖1c可以看出隨著水提溫度的升高，β－葡聚糖得率呈上升趨勢，在溫度為80℃時得率最大，繼續升溫，得率呈下降趨勢。由圖1d可以看出乙醇提取體積比對β－葡聚糖得率有很大影響，乙醇與水體積比為1∶5時，β－葡聚糖得率最大。

圖1 不同因素對β－葡聚糖提取率的影響Fig.1 Effect of different factors on extraction rate of β－glucan

2.2 響應曲面實驗結果

表2 Box－Behnken設計實驗及結果Table 2 Central composite experimental design and results

2.3 青稞β-葡聚糖得率回歸模型的建立及顯著性檢驗

表3 響應面模型的方差分析Table 3 Analysis of variance and significance of the response surface quadratic regression model

研究了各因素對青稞β－葡聚糖得率的影響，利用Design Expert 7.1對表2的結果進行分析，得到4個因素與β－葡聚糖得率的回歸方程如下：

Y=0.74+0.039A－0.031B+0.011C+0.024D+0.090AB－0.020AC－0.035AD+0.015BC+0.022BD－0.017CD+0.028A2－4.725×10－3B2+0.019C2－0.026D2

對響應面模型進行方差分析，結果見表3。從表3可以看出，回歸模型達到顯著水平（P＜0.01），失擬值和純誤差值小，說明方程與實際情況擬合得較好，實驗誤差小，因此可以用該方程代替實驗真實點對實驗結果進行分析。方差分析還表明，一次項和二次項都有較顯著影響，各個實驗因素對響應值的影響不是簡單的線性關系。結果表明，影響青稞β－葡聚糖得率的各因素按大小排序依次為：乙醇回流時間（A）＞水提時間（B）＞醇析體積比（D）＞水提溫度（C）。

圖2為擬合模型的β－葡聚糖得率的殘差分布情況，從中可以看出，其殘差各點的分布幾乎在一條直線上，模型擬合效果較好。

圖2 β－葡聚糖得率殘差分布Fig.2 The residual error distribution of extraction rate of β－glucan

2.4 因素間交互作用對青稞β-葡聚糖得率的響應面分析

圖3 乙醇回流時間和醇析體積比的響應面分析圖Fig.3 The response surface of ethanol reflux time and ratio of ethanol volume

圖4 水提時間和醇析體積比的響應面分析圖Fig.4 The response surface of water extraction time and ratio of ethanol volume

通過Design Expert 7.1軟件分析，得出圖3～圖5所示的響應面圖，可直觀地看到各因素間的交互情況。比較三組圖可知：乙醇回流時間（A），水提時間（B）和醇析體積比（D）對β－葡聚糖得率影響較為顯著，表現為曲線較陡；而水提時間（C）較不顯著，表現為曲線較為平滑，響應值變化較小，與方差分析結果相同。

圖5 水提溫度和醇析體積比的響應面分析圖Fig.5 The response surface of water extraction temperature and ratio of ethanol volume

2.5 青稞β-葡聚糖最佳提取條件的確定和實驗驗證

為確定各因素的最佳取值，用Design Expert 7.1軟件進行分析，可得到青稞β－葡聚糖的最佳提取工藝參數為：乙醇回流時間3h，水提時間2.5h，水提溫度85℃，醇析體積5倍于提取液。用此最優提取條件進行驗證，得到青稞β－葡聚糖得率為7.75%，與理論值7.81%較為接近，表明采用響應面法優化得到的提取條件可靠。

3 結論

本研究在單因素實驗的基礎上，將響應面法應用到青稞β－葡聚糖的提取工藝，研究了乙醇回流時間、水提時間、水提溫度、醇析體積比對青稞β－葡聚糖得率的影響。結果發現，青稞β－葡聚糖提取條件的回歸方程為：

Y=0.74+0.039A－0.031B+0.011C+0.024D+0.090AB－0.020AC－0.035AD+0.015BC+0.022BD－0.017CD+0.028A2－4.725×10－3B2+0.019C2－0.026D2

方差分析結果表明擬合檢驗顯著，該方程能較好地預測青稞β－葡聚糖提取得率隨各參數變化的規律。經實驗優化后提取青稞β－葡聚糖的最佳工藝條件為：乙醇回流時間3h，水提時間2.5h，水提溫度85℃，醇析體積5倍于提取液。在此條件下青稞β－葡聚糖得率為7.75%。該模型對優化青稞β－葡聚糖提取工藝可行。

[1]Steve WC.Polysaccharide Gums from Agricultural Products [M].Canada：Technomic Publishing Company Inc.，2001.

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Optimization of extraction technology of β-glucan from barely by response surface methodology

MA Dong1，ZOU Yan1，GONG Qian-yun1，WANG Yu1，ZHAO Guo-hua1，2，*
（1.Food Science College of Southwest University，Chongqing 400716，China；2.Chongqing Key Laboratory of Processing Technology of Agricultural Products，Chongqing 400716，China）

On the basis of single-factor tests，ethanol reflux time，water extraction time，water extraction temperature，ratio of ethanol volume effect extraction rate of β-glucan from barely were optimized using Box-Behnken center composite design and response surface methodology（RSM）.The results showed that the optimum ethanol reflux time，water extraction time，water extraction temperature，ratio of ethanol volume were 3 hours，2.5 hours，85℃ and 5 in respectively.Under these conditions，the extraction rate was 7.75%while the predicted one was 7.81%.

barely；β-glucan；extraction；response surface methodology

TS210.1

B

1002－0306（2012）01－0204－04

2010－05－12 *通訊聯系人

馬棟（1987－），男，研究生，研究方向：食品化學與營養學。

國家863項目（2011AA100805－3）；國家自然科學基金項目（31171654）。