響應面分析法優選番石榴果實中多糖的超聲提取工藝

孔繁晟，明建斌，黃志鵬，韓 灝，張培穎

（廣東藥學院藥科學院，廣州 510006）

響應面分析法優選番石榴果實中多糖的超聲提取工藝

孔繁晟＊，明建斌，黃志鵬，韓 灝，張培穎

（廣東藥學院藥科學院，廣州 510006）

目的：優選超聲提取番石榴果實中多糖的工藝。方法：通過單因素試驗考察超聲提取的時間、功率、溫度、液料比對超聲提取番石榴果實中多糖提取率的影響。在此基礎上，進行Box-Behnken中心組合設計，以多糖提取率為響應值，采用響應面分析法研究提取溫度、提取時間和提取功率及其交互作用對番石榴果實中多糖提取率的影響。結果：最佳超聲提取工藝為超聲溫度45℃、超聲功率280W、超聲時間30min。在此條件下，多糖平均提取率為2.28%。結論：所選工藝合理、可行，可用于番石榴果實中多糖的超聲提取。

番石榴；多糖；超聲輔助提取；響應面分析法

番石榴為桃金娘科番石榴屬植物，是常綠小喬木或灌木。品種有臺灣新世紀、珍珠、水晶、胭脂紅、七月紅、柿蒂等十余種，具有較高的營養價值和保健功效。番石榴果味獨特、鮮美，富含有益于人體的各種營養成分，既可鮮食、煮熟吃、釀酒，又可加工成果汁、果醬、罐頭等系列產品，還具有藥用和保健作用。國內、外民間常用其治療糖尿病[1-2]，療效較好。我國民間用番石榴葉的水煎液治療腹瀉、止血、腸炎、嘔吐等疾病。

超聲輔助提取技術[3]由于具有操作簡便、節能、省時等特點被廣泛用于天然藥物的浸提。傳統的工藝設計方法，如正交設計、均勻設計等，都有各自的局限性，不能全面地優化工藝。響應面分析法采用多元二次回歸方法作為函數估計的工具，研究因子與響應面之間、因子與因子之間的相互關系，該方法試驗次數少、周期短、求得的回歸方程精度高、能研究幾種因素間的交互作用，是一種具有突出優勢的優化試驗條件的數學統計方法[4-7]。

本研究探討超聲輔助提取番石榴果實中多糖成分，通過響應面法確定最優提取工藝，旨在最大限度地提高番石榴這種藥食兩用資源的綜合利用性，為其進一步的活性研究和工業化生產提供參考依據。

1 材料

1.1 儀器

KH-400KDB高功率超聲器（昆山禾創超聲儀器有限公司，功率：240W，頻率：40kHz）；HH-4恒溫水浴箱（金壇市宏華儀器廠）；TDL80-2B臺式離心機（上海安亭科學儀器廠）；752紫外-可見分光光度計（上海舜宇恒平科學儀器有限公司）；PHS-3D pH計（上海雷磁創益儀器儀表有限公司）。

1.2 藥材

番石榴，購自廣東番禺長洲水果市場，經廣東藥學院中藥學院騰希峰博士鑒定為桃金娘科（Myrtaces）番石榴屬植物珍珠番石榴Psidium guajavaL.的果實。

1.3 試劑

d-無水葡萄糖對照品（中國食品藥品檢定研究院，批號：110833-200302，純度≥95%）；苯酚、濃硫酸、95%乙醇等試劑均為分析純。

2 方法與結果

2.1 多糖含量的測定

2.1.1 對照品溶液的制備 精密稱取105℃下干燥至恒質量的d-無水葡萄糖對照品10.2mg，置100ml量瓶中，加水溶解并稀釋至刻度，搖勻，即得葡萄糖對照品溶液。

2.1.2 供試品溶液的制備 番石榴果實經削皮、去核、烘干、打粉等處理，精密稱取粉末2.0g，經蒸餾水超聲輔助提取，濾過，濾液濃縮至100ml，搖勻，即得。

2.1.3 標準曲線的制備 分別吸取對照品溶液2.0、3.0、4.0、5.0、6.0ml，置10ml量瓶中，蒸餾水定容，用移液管各取1.0ml于試管中，在冰水浴條件下緩慢加入5%苯酚溶液1.0ml，搖勻，迅速加入濃硫酸5.0ml，混勻，沸水浴10min后冷卻至室溫。以1.0ml蒸餾水按同樣操作為空白，在490nm波長處測量吸光度（A）。以A為縱坐標，質量濃度（c）為橫坐標，制備標準曲線，得回歸方程為c＝10.8960A－0.0044（r＝0.9994）。結果表明，葡萄糖對照品的質量濃度在20～60μg/ml范圍內與吸光度呈良好線性關系。

2.1.4 多糖提取率的測定 采用苯酚-硫酸法測定多糖含量，取2.0ml供試品溶液，按“2.1.3”項下方法操作，測得的A代入回歸方程計算多糖質量濃度，再按下式計算多糖提取率：多糖提取率＝多糖提取質量/番石榴果實樣品質量×100%。

2.2 單因素試驗

2.2.1 提取溫度對多糖提取率的影響 固定提取時間為30min、超聲波功率為280W、液料比為25∶1（V/m）、去離子水pH為7，考察提取溫度分別為20、30、40、50、60℃時多糖提取率的變化。提取溫度對多糖提取率的影響見圖1。

圖1 提取溫度對多糖提取率的影響Fig1 Effects of extract temperature on the extract rate of polysaccharide

由圖1可知，總體上，隨著溫度的升高，多糖提取率也逐步上升，當溫度高于40℃時，多糖提取率趨于穩定，當提取溫度達到60℃時，提取率最高。升高溫度有利于提取率的提高，一般來說，溫度升高，溶劑的表面張力系數及黏滯系數下降，蒸氣壓升高，超聲空化閾值下降，有利于空化泡的產生；但是另一方面，由于蒸氣壓的增大，導致空化強度或空化效應下降，從而不利于提取過程的強化。

2.2.2 提取時間對多糖提取率的影響 固定提取溫度為40℃、超聲功率為280W、液料比為25∶1（V/m）、去離子水pH為7，考察提取時間分別為20、25、30、35、40min時多糖提取率的變化。提取時間對多糖提取率的影響見圖2。

圖2 提取時間對多糖提取率的影響Fig2 Effects of extract time on the extract rate of polysaccharide

由圖2可知，隨著提取時間的延長，多糖提取率不斷增高，提取30min時達到最大值，30min后呈下降趨勢。作用時間在25～30min時，多糖的提取效果較好。由于番石榴多糖主要存在于細胞間和細胞壁中，超聲處理時間太短不足以破碎細胞，釋放多糖；時間太長，則超聲波的機械剪切力對多糖有一定的降解和破壞作用；而且隨著提取時間的延長會升高水溫促使多糖的水解速度加快，增加雜質含量，降低多糖含量。2.2.3提取功率對多糖提取率的影響 固定提取溫度為40℃、提取時間為30min、液料比為25∶1（V/m）、去離子水pH為7，考察提取功率分別為200、240、280、320、360W時多糖提取率的變化。提取功率對多糖提取率的影響見圖3。

圖3 提取功率對多糖提取率的影響Fig3 Effects of extract power on the extract rate of polysaccharide

由圖3可知，隨著提取功率的升高，多糖的提取率隨之增高，當功率為280W時，多糖的提取率達到最大值。對于一定頻率和一定發射面的超聲來說，聲強隨著功率增大而增大。如果聲強增大，聲壓幅值以及液體中壓力亦增大，空化泡崩潰所需的時間將變得更短，也就是說單位時間內超聲產生的空化作用的次數增多，從而有利于植物藥有效成分提取率的提高。然而，當提取功率超過280W時，多糖的提取率有所下降，因為高功率超聲波可以產生熱量，也可能對大分子的結構產生影響，從而降低多糖提取率。

2.2.4 液料比對多糖提取率的影響 固定提取時間為30min、提取溫度為40℃、提取功率為280W、去離子水pH為7，考察液料比分別為1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35（V/m）時多糖提取率的變化。液料比對多糖提取率的影響見圖4。

圖4 液料比對多糖提取率的影響Fig4 Effects of ratio of liquid to solid on the extract rate of polysaccharide

由圖4可知，當液料比大于1∶25（V/m）時，提取率隨著液料比的增大而提高。但是，當液料比小于1∶25（V/m）時，改變液料比對提取率的影響不大。

2.3 響應面分析法優選工藝

2.3.1 試驗設計與結果 根據單因素試驗結果，且為了節約物料和減少試驗次數，固定多糖提取率最高時的液料比，即25∶1（V/m）。選定提取溫度（X1）、提取時間（X2）、提取功率（X3）為考察因素，每個因素選取3個水平，以多糖提取率為評價指標，根據Box-Behnken的中心組合原理，對多糖提取工藝進行響應面分析。因素與水平見表1；Box-Behnken試驗設計與結果見表2。

表1 因素與水平Tab1 Factors and levels

表2 Box-Behnken試驗設計方案與結果Tab2 Box-Behnken design and results

2.3.2 試驗分析 將表2中數據進行回歸分析，并通過SAS9.2軟件繪制各考察因素影響多糖提取率的三維效應面和二維等高線圖。回歸統計分析結果見表3；三維效應面和二維等高線圖見圖5。

表3 回歸統計分析結果Tab3 Results of regression analysis

由表3可知，各考察因素對工藝的影響順序為提取溫度＞提取時間＞提取功率，且所建模型有統計學意義（P＜0.0001），因變量與所考察自變量之間的線性關系顯著（R2＝0.9874）。模型的RAdj2＝0.9648，說明該模型能解釋96.48%響應值的變化，擬合度較好，失擬項不顯著（P＞0.05），說明本試驗所得的二次回歸方程顯著度較高，能較好地對響應值進行預測。一次項X1、X2、X3及二次項X12、X22、X32表現極顯著，說明它們對響應值的影響較大，且所考察因素對響應值的影響不是簡單的一次線性關系。

圖5 三維效應面和二維等高線圖Fig5 Three-dimensional response surface and two-dimensional contour map

2.4 工藝驗證試驗

取番石榴藥材適量，共3批，根據上述優選的工藝進行提取，并測定多糖提取率。結果，多糖提取率分別為2.25%、2.31%、2.28%，平均值為2.28%。而根據方程預測的多糖提取率與實際平均值僅相差0.02%，表明優選的工藝合理、可行。

3 討論

超聲輔助提取技術由于操作簡便、節能、省時，近年來廣泛用于天然產物的浸提[8-9]。超聲提取技術是利用超聲空化效應、機械振動、熱效應等多重作用，在流體內產生瞬間的高溫高壓場，對流體中的固體表面產生強大剪切力，同時有較大的攪動作用，從而能促進傳質。已有的研究表明，超聲提取技術其提取效率是常規熱回流、浸漬法以及煎煮法的幾倍到幾十倍，單位物料的能耗較常規方法降低了50%以上，而且最大限度保留了中藥及天然藥物的有效成分，收率大幅度提高。但是，由本超聲輔助提取多糖的試驗可看出，某些因素的水平并不是越大越好，如提取頻率、提取時間等。這可能是由于多糖是一類大分子和多分鏈接的結構，在提取這樣結構的物質時，過大的能量和過長的超聲時間會對大分子和多分鏈接的結構產生分解和破壞作用。因此，以超聲作為提取方法時，對提取因素和水平的優化就顯得特別的重要。

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Optimization of Ultrasonic Extraction Technology of Polysaccharides from the Fruit ofPsidium guajavaby Response SurfaceAnalysis

KONG Fan-sheng，MING Jian-bin，HUANG Zhi-peng，HAN Hao，ZHANG Pei-ying
（College of Pharmaceutical Science，Guangdong Pharmaceutical University，Guangzhou 510006，China）

OBJECTIVE：To optimize ultrasonic extraction technology of polysaccharides from the fruit ofPsidium guajava.METHODS：Single factor experiment was adopted to investigate the effects of ultrasonic extract time，power，temperature and solid-liquid ratio on the extract rate of polysaccharide from the fruit ofP.guajava.On this basis，by Box-Behnken center composite design，with the extract rate of polysaccharide the fruit ofP.guajavaas the response value，response surface analysis method was adopted to research the effects of extract temperature，extract time，extract rate and interaction on the extract rate of polysaccharide from the fruit ofP.guajava.RESULTS：The optimal ultrasonic extraction technology was as follows：ultrasonic temperature of 45℃，ultrasonic power of 280W，ultrasonic time of 30min.Under thr above conditions，the average extraction rate of polysaccharide was 2.28%.CONCLUSIONS：The technology is reasonable and feasible，and can be used for the ultrasonic extraction of polysaccharide from the fruit ofP.guajava.

Psidium guajava；Polysaccharides；Ultrasonic assisted extraction；Response surface analysis

R284.2；R283

A

1001-0408（2014）15-1382-04

DOI10.6039/j.issn.1001-0408.2014.15.13

＊高級實驗師，主管藥師。研究方向：天然藥物制劑、制藥工程。電話：020-39352118。E-mail：kmkfs@163.com

2013-05-28

2013-09-13）