響應面法優化蓮子低聚糖超聲波輔助提取工藝

田玉庭， 盧 旭， 鄭寶東

(福建農林大學食品科學學院，福建福州 350002)

響應面法優化蓮子低聚糖超聲波輔助提取工藝

田玉庭， 盧 旭， 鄭寶東

(福建農林大學食品科學學院，福建福州 350002)

采用響應面分析法對超聲輔助提取蓮子低聚糖工藝參數進行優化．研究了超聲波功率(300～500 W)、料液比(g/mL)1∶15～1∶25和提取時間(30～50 min)對超聲輔助提取蓮子低聚糖得率的影響，對實驗數據進行回歸分析，優化工藝參數．結果表明:超聲輔助提取各試驗因素對蓮子低聚糖得率的影響次序為料液比＞超聲波功率＞提取時間．優化所得蓮子低聚糖超聲波輔助提取較佳工藝參數為:超聲波功率320 W，液料比1∶25，提取時間48 min，在該條件下，低聚糖得率為1.13%．與熱回流提取法和微波輔助提取法相比，超聲輔助提取法使蓮子低聚糖得率分別提高66.18%和29.88%．

蓮子;低聚糖;超聲波輔助提取;響應面分析

蓮子是我國重要的出口創匯特色農副產品之一，可以藥食兩用．研究發現，蓮子中富含低聚糖［1－3］，低聚糖被證實為雙歧桿菌增殖因子［4－5］．

低聚糖普遍存在于植物細胞內，要想研究其結構和功能，必須經過破壁提?。壳?，低聚糖提取方法主要有熱回流浸提法［6］、微波輔助提取法［7－8］以及超聲波輔助提取法［9］．與前兩者相比，超聲波輔助提取法具有選擇性高、能耗低、效率高等優點，且不破壞所提生物活性成分的結構和性能［10］，因此應用廣泛，但未見超聲波輔助提取蓮子低聚糖(LSO)研究報道．本文以干蓮為供試原料，對其所含的低聚糖進行超聲波輔助提取實驗．選取超聲波功率、料液比和提取時間為試驗因素，采用Box-Behnken試驗設計并結合響應面分析法，探討試驗因子對蓮子低聚糖得率的影響，優化蓮子低聚糖超聲波輔助提取工藝參數，為開發利用蓮子低聚糖資源及工業化生產提供一定的理論依據和技術支持．

1 材料與方法

1.1 實驗材料

干蓮，由綠田(福建)食品有限公司提供;95%乙醇、苯酚、硫酸、氯仿、異戊醇均為分析純;α-淀粉酶，Sigma公司，酶活力為50 000 U/mg．

1.2 主要儀器與設備

CTXNW-2Bx型循環超聲波提取機，北京弘祥隆生物技術股份有限公司;MAS-Ⅱ型微波萃取儀，上海新儀微波化學科技有限公司;UV-2550型紫外可見分光光度計，日本島津公司;TDL-5型低速臺式大容量離心機，上海安亭科學儀器廠;DY89-1型電動玻璃勻漿機，寧波新芝生物科技股份有限公司;BUCHI 409型旋轉蒸發器，美國 Buchi公司;MCFD5505型冷凍干燥機，美國SIM公司．

1.3 實驗方法

1.3.1 蓮子低聚糖提取工藝流程

干蓮→粉碎過篩→加水浸泡→酶解→浸提→過濾→脫蛋白→過濾→真空濃縮→乙醇沉降→過濾→真空濃縮→柱層析→真空濃縮→冷凍干燥→低聚糖．

操作要點:

酶解處理［11］:蓮子粉水溶液于50℃下 α-淀粉酶酶解，用碘試劑法確定酶解終點;

脫蛋白［12］:向提取液中加入正丁醇和氯仿(1∶4)混合溶液，劇烈振搖20 min后離心，分去水層和溶液層交界處的變性蛋白質，重復5～6次;

乙醇沉降［11－12］:向提取液中緩慢加入5倍量的95%乙醇，攪拌后于4℃下沉降過夜;

柱層析［13］:低聚糖濃縮液經 AB-8大孔樹脂(1.6 cm×60 cm)吸附層析，去離子水洗脫速度為5 mL/min，每管收集5 mL，490 nm下測定合并．

1.3.2 蓮子低聚糖浸提實驗

傳統熱水浸提:參考文獻［6］，經單因素實驗，確定熱水浸提工藝參數為:料液比為(g/mL)1∶20，提取溫度95℃，提取時間180 min;

微波輔助浸提:參考文獻［7－8］，經單因素實驗，確定微波輔助浸提工藝參數:微波功率600 W，料液比(g/mL)1∶20，提取時間20 min，提取溫度80℃;

超聲波輔助浸提:超聲波間歇比1∶1，提取溫度70 ℃，攪拌速度60 r·min－1，其他實驗參數見1.3.3．

1.3.3 響應面試驗設計

根據中心組合試驗設計原理，綜合前期超聲波輔助提取單因素實驗結果，選取超聲波功率(X1)、料液比(X2)和提取時間(X3)3個因素為自變量，以蓮子低聚糖得率(Y)為因變量，選用N=15的Box-Behnken試驗設計，因素水平編碼見表1．

1.3.4 低聚糖得率測定［9］

葡萄糖標準曲線:A=0.007 2C－0.003 3，R2=0.998 4．式中A為葡萄糖吸光度;C為溶液中葡萄糖質量濃度，μg/mL．

表1 Box-Behnken試驗因素及水平編碼Tab．1 Levels of variables employed in present study for construction of Box-Behnken Design

1.3.5 統計分析

所有試驗分析重復3次，結果取平均值;采用SAS(version 9.1，SAS Institute.，Cary，NC，USA)進行試驗設計和數據分析．

2 結果與分析

2.1 模型構建及參數分析

蓮子低聚糖提取Box-Behnken試驗設計矩陣及試驗結果如表2．

表2 Box-Behnken試驗設計及低聚糖得率實測值與預測值Tab．2 Box-Behnken Design and actrual and predicted values of LSO yield

以低聚糖得率為響應值，利用SAS軟件對試驗結果進行多元回歸擬合，得到超聲波功率、料液比和提取時間對低聚糖得率的二元多項式回歸模型:式(1)中:Y為蓮子低聚糖得率的預測值，X1、X2和X3分別為超聲波功率、料液比和提取時間的編碼值．

對上述各回歸模型進行方差分析，并對模型系數進行顯著性檢驗．模型方差分析結果見表3，由表3可知，F=79.289 9，P＜0.000 1，表明本試驗所選用的二次多項式模型具有高度的顯著性;失擬項P=0.1164＞0.05，不顯著;同時，模型的 R=0.996 5、，皆接近于1，表明試驗數據與回歸數學模型擬合性良好［14］，能夠用上述模型較好地預測各指標實際值．

表3 回歸模型的方差分析Tab．3 Analysis of variance testing fitness of regression equation

模型回歸系數顯著性檢驗結果見表4．P值可用來檢驗各模型系數的顯著性，同時也可反映變量之間交互作用大小，P值越小越顯著［15］．由表4可知，超聲波功率(X1)和料液比(X2)對蓮子低聚糖得率的線性效應皆極顯著(P＜0.01)，提取時間(X3)對蓮子低聚糖得率的線性效應皆顯著(P＜0.05);微波功率和料液比兩交互作用(X1X2)對低聚糖得率影響極顯著(P＜0.01)，微波功率和提取時間以及料液比和提取時間兩交互作用(X1X3，X2X3)分別對低聚糖得率影響不顯著(P＞0.05);超聲波功率曲面效應(X21)對低聚糖得率影響極顯著(P＜0.01)，料液比和提取時間曲面響應(X22，X23)分別對低聚糖得率影響顯著(P＜0.05)．由F值大小可知，各因素對蓮子低聚糖得率的影響由大到小依次為:液料比(X2)＞超聲波功率(X1)＞提取時間(X3)(表4)．

表4 回歸方程系數的顯著性檢驗Tab．4 Testing of significance of regression coefficients

2.2 響應面分析

借助SAS軟件依回歸方程(1)來繪制上述各因子交互作用的響應面分析圖，所得3D響應面立體分析圖和相應的2D等高線圖見圖1．

圖1(a)和(d)顯示了提取時間位于中心點，即40 min時，超聲波功率和料液比對蓮子低聚糖得率的交互影響效應．由圖1(a)和(d)可以看出，在同一料液比下，蓮子低聚糖得率隨超聲波功率的增大表現為先增大后減小;在同一超聲波功率下，蓮子低聚糖得率隨料液比的增加而增大．由圖1(d)可以看出，當超聲波功率為338～404 W，料液比為1∶22～1∶25 g/mL時，蓮子低聚糖得率有極大值．

圖1(b)和(e)顯示料液比位于中心點，即1∶20時，超聲波功率和提取時間對蓮子低聚糖得率的交互影響．由圖1(b)和(e)可以看出，在同一提取時間下，蓮子低聚糖得率隨超聲波功率的增大表現為先增大后減小;在同一超聲波功率下，蓮子低聚糖得率隨提取時間的延長表現為先增加后降低．由圖1(e)可看出，當超聲波功率為346～360 W，提取時間為42～48 min時，蓮子低聚糖得率有極大值．

圖1(c)和(f)顯示了超聲波功率位于中心點，即400 W時，料液比和提取時間對蓮子低聚糖得率的交互影響效應．由圖1(c)和(f)可以看出，在同一料液比下，蓮子低聚糖得率隨提取時間的延長表現為先增加后降低;在同一提取時間下，蓮子低聚糖得率隨料液比的增加而增大．由圖1(f)可以看出，當料液比為1∶24～1∶25，提取時間為31～50 min時，蓮子低聚糖得率有極大值．

圖1 超聲波功率、料液比和提取時間兩兩關系對低聚糖得率影響的響應面圖和等高線圖Figure 1 Response surface plots(a，b，and c)and contour plots(d，e，and f)showing the effect of ultrasonic power(X1)，solid-liquid ratio(X2)，and extraction time(X3)on LSO yield(Y)．

2.3 參數優化及模型驗證

采用SAS數據處理系統對實驗數據進行分析，以蓮子低聚糖得率最大為優化目標，得到超聲波輔助提取的優化條件為:超聲波功率318.5 W，料液比1∶24.8，提取時間 48.3 min，在此條件下，模型預測蓮子低聚糖得率為1.20%．為檢驗模型預測的準確性，并考慮實際操作的可行性，將確定的較佳工藝參數修正為:超聲波功率320 W，料液比1∶25，提取時間48 min，在此條件下進行蓮子低聚糖提取的驗證試驗，3次平行試驗低聚糖實際得率為(1.13±0.026)%，與預測值較為接近，說明回歸方程能夠比較真實地反映各因子對低聚糖得率的影響，能較好地模擬和預測低聚糖得率．

2.4 超聲波提取方法對比實驗

超聲波法、微波法和熱回流3種方法對蓮子低聚糖得提取效果如表5．由表5可以看出，超聲波提取蓮子低聚糖得率最高，達到1.13%，較熱回流法提高66.18%，較微波法提高29.88%．同時超聲波法提取溫度最低，為72℃．與熱回流相比，微波法與超聲波法提取時間大為縮短，分別縮短了86.12%和73.34%．與微波法相比，盡管超聲波法提取時間長，但其提取溫度低、設備功率小．綜上所述，超聲波輔助提取蓮子低聚糖與熱回流提取法和微波提取法相比，效果最好．

表5 超聲波、微波和熱水浸提萃取蓮子低聚糖的比較Tab．5 Comparison of ultrasonic，microwave，and hot water method on extraction of LSO

3 結論

1)采用中心組合試驗設計并結合響應面分析法優化了蓮子低聚糖超聲波輔助提取工藝參數，建立了超聲波功率、料液比和提取時間對蓮子低聚糖得率的二次多項式回歸模型．

2)確定蓮子低聚糖超聲波輔助提取優化工藝參數為:超聲波功率320 W，液料比1∶25，提取時間48 min，在該條件下，低聚糖得率為1.13%．與熱回流法和微波輔助法相比，超聲波法使蓮子低聚糖得率分別提高了66.18%和29.88%．

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(責任編輯:葉紅波)

Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction of Oligosaccharide from Lotus Seeds Using Response Surface Methodology

TIAN Yu-ting， LU Xu， ZHENG Bao-dong
(Food Science College，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China)

Ultrasonic-assisted extraction(UAE)of oligosaccharides from lotus(Nelumbo nucifera Gaertn．)seeds(LSO)was studied in this paper．The three parameters，ultrasonic power(300 ～500 W)，solid to liquid ratio(g/mL)1∶15 ～1∶25，and extraction time(30 ～50 min)，were optimized using the Box-Behnkens Design(BBD)with a quadratic regression model built by Response Surface Methodology(RSM)．The order of three parameters on the LSO yield was as follows:solid to liquid ratio＞ultrasonic power＞extraction time．The highest oil yield，1．13%(w/w)，was obtained under optimal conditions for ultrasonic power，solid to liquid ratio，and extraction time at 320 W，1∶25，and 48 min，respectively．The LSO yield extracted by UAE was significantly higher than that by using hot water extraction(HWE:68.18%)and microwave-assisted extraction(MAE:29.88%)．

lotus seed;oligosaccharides;ultrasonic-assisted extraction;response surface methodology

TS255.36

A

1671-1513(2012)02-0017-05

2011-12-20

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2007BAD07B05);福建省科技重大專項(2008N0007);福建省自然科學基金資助項目(2011J05123);校青年教師基金資助項目(2011xjj15)．

田玉庭，男，講師，博士，主要從事天然產物提取和食品發酵工程研究;

鄭寶東，男，教授，博士，主要從事食品加工技術方面的研究．通訊作者．

編者按:農副產物功能成分的提取是提高其附加值及食品加工的基礎，為提高效率，需要針對提取產物的溶解性、結構等物理與化學特性，設計合理的工藝路線及參數。在“響應面法優化蓮子低聚糖超聲波輔助提取工藝”一文中，應用響應面分析法，研究了超聲波輔助提取的因素條件對蓮子低聚糖提取率的影響，優化其提取工藝。在“不同酸處理對羅非魚皮明膠提取率及物化特性的影響”一文中，研究了不同酸對羅非魚皮蛋白質的羥脯氨酸、蛋白質分布、黏度及明膠提取率的影響。論文為蓮子和魚皮資源的開發利用提供了一定的理論指導和技術參數。(欄目主持人:王成濤教授)