響應面法優化微波提取寬葉獨行菜多糖工藝研究

摘要：為優化寬葉獨行菜（Lepidium latifolium L.）多糖的提取工藝，在單因素試驗的基礎上，選取粒度、液料比、微波功率和微波時間作為優化因素，根據Box-Behnken試驗設計原理，進行4因素3水平試驗。利用響應面分析方法，建立了寬葉獨行菜多糖提取得率的多元二次回歸方程，并得到最佳提取工藝條件。試驗結果表明，粒度、液料比和微波時間對寬葉獨行菜多糖提取得率的影響均為極顯著，微波功率表現為顯著。當工藝條件為粒度120目、液料比35∶1 mL/g、微波功率400 W、微波時間150 s時，寬葉獨行菜多糖的理論最高提取得率為0.434%，驗證值為0.429%。

關鍵詞：寬葉獨行菜（Lepidium latifolium L.）；微波輔助；多糖；響應面法

中圖分類號：R284.2；S567.23+9；TS202.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）05-1176-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.05.038

Abstract： The technology of extracting polysaccharide from Lepidium latifolium L. was optimized using the extraction yield as the evaluation index. On the basis of single-factor experiments， four factors including particle size， liquid-to-solid ratio， microwaving power and microwaving time were selected as the independent variables. With response surface analysis， a quadratic regression model was established by the Box-Behnken design experiments. The results showed that microwaving power was significant to polysaccharides yield. The other factors were extremely significant. The optimal extraction conditions were particle size of 120 mesh， liquid-to-solid ratio of 35∶1 mL/g， 400 W and 150 s. Under these conditions， the expected and observed values of polysaccharide yield from Lepidium latifolium L. were 0.434% and 0.429%， respectively.

Key words：Lepidium latifolium L.； microwave-assisted； polysaccharide； response surface methodology

寬葉獨行菜（Lepidium latifolium L.）為十字花科獨行菜屬多年生草本植物，又名羊辣辣或大辣辣，植株高30～150 cm，廣泛分布于我國北方的濱海及內陸的鹽堿土上。寬葉獨行菜抗逆性強，生長旺盛，常在濱海和內陸的鹽堿土上形成大面積的單純群落。其干燥全草可入藥，主治腸胃炎、菌痢等疾病，是傳統中草藥葶藶子的藥源之一[1，2]。寬葉獨行菜的蛋白質含量較高，可作為青飼料飼喂豬、羊等家畜[2]。也有部分地區將其作為野菜食用[3]。其種子中含有豐富的棕櫚酸，含量占總油分的50%以上[4]。寬葉獨行菜與油菜同屬十字花科，通過遠緣雜交，可以將其高棕櫚酸特性轉入油菜。同時，該種所具有的抗鹽堿特性也為油菜的抗逆育種提供了寶貴的遺傳資源，所以寬葉獨行菜是一種極具開發前景的資源植物。

植物多糖具有多種生物活性，如提高免疫力、抗腫瘤、調節血糖等，從而在腫瘤和糖尿病的治療中有很好的應用價值[5-7]。作為一種優良的食品添加劑，多糖可以有效改善食品的外觀以及加工和食用品質，同時還有良好的保健功效，在食品中被廣泛應用[8-10]。本研究在單因素試驗基礎上，采用響應面分析法對寬葉獨行菜多糖的微波輔助提取工藝進行優化，以期為寬葉獨行菜的進一步加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

寬葉獨行菜，采自唐山地區。

葡萄糖、苯酚、硫酸、95%乙醇、氯仿和正丁醇均為分析純試劑，購于天津大茂化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

WG700SL23-K6微波爐，佛山市格蘭仕電器有限公司；FCC-2000恒溫水浴鍋，上海比朗儀器有限公司；DNP-902電熱鼓風干燥箱，上海精宏儀器設備有限公司；722S可見分光光度計，上海佑科儀器儀表有限公司；FA1204B電子天平，上海精科天美科學儀器有限公司；不銹鋼分選篩，浙江上虞市華豐五金儀器有限公司；TDL-80-2B臺式離心機，上海安亭科學儀器廠；RE-52AA旋轉蒸發器，上海亞榮生化儀器廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 寬葉獨行菜多糖的提取工藝 寬葉獨行菜洗凈→60 ℃烘干→粉碎、過篩→微波處理→Sevag法去蛋白→醇沉→定容→測定。

1.3.2 多糖提取得率的測定 采用葡萄糖為標準品，以硫酸-苯酚法測定多糖含量。

式中：吸光度測定濃度為多糖質量濃度（mg/mL）；樣品稀釋倍數為1；樣品溶液體積為100 mL；試驗樣品質量為1.0 g。

1.3.3 試驗設計 試驗選取4個對多糖提取得率起主要作用的因素，即粒度、液料比、微波功率和微波時間，首先進行了單因素試驗。在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken試驗設計方案，并利用響應面分析方法對微波輔助提取寬葉獨行菜多糖的工藝條件進行了優化。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 粒度對多糖提取得率的影響 微波功率400 W，粒度40、 60、 80、 100、 120目，液料比30∶1 （mL/g），后同，微波時間60 s，考察材料粒度對多糖提取得率的影響，結果如圖1所示。

由圖1可知，粒度為100目時，具有最高的多糖提取得率。目數過小時，材料顆粒較大，細胞不易破碎，從而多糖不易溶出。而目數過大，材料具有較強的表面吸附作用，限制了多糖的進一步溶出，在過濾時也會吸附部分多糖。因此，最佳的提取粒度為100目。

2.1.2 液料比對多糖提取得率的影響 微波功率400 W，粒度100目，液料比20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1，微波時間60 s，考察液料比對多糖提取得率的影響，結果如圖2所示。

由圖2可知，液料比為30∶1 mL/g時，具有最佳的多糖提取效果；液料比過大或過小均影響多糖的提取。故液料比選擇30∶1為宜。

2.1.3 微波功率對多糖提取得率的影響 微波功率200、400、600、800、1 000 W，粒度100目，液料比30∶1，微波時間60 s，考察微波功率對寬葉獨行菜多糖提取得率的影響，結果如圖3所示。

由圖3可知，微波功率為600 W時，多糖提取得率最高；當微波功率超過600 W時，隨著功率的遞增，多糖提取得率呈現遞減的趨勢。原因可能是功率過高時所產生的高溫破壞了多糖的結構，從而降低了多糖的提取得率。故微波功率以600 W為宜。

2.1.4 微波時間對多糖提取得率的影響 微波功率600 W，粒度100目，液料比30∶1，微波時間30、60、90、120、150 s，考察微波時間對多糖提取得率的影響，結果如圖4所示。

由圖4可知，微波時間為120 s時，具有最佳的多糖提取效果，此時多糖提取得率為0.285%。提取時間少于120 s時，則提取不夠徹底；提取時間過長，則多糖的結構被破壞。所以選擇提取時間為120 s。

2.2 寬葉獨行菜多糖提取工藝的響應面優化

由表3可知，該回歸模型P<0.000 1，表現為極顯著。r=0.988 1，調整后r=0.976 3；失擬項（即回歸擬合失效情況）P=0.662 7，為不顯著，均說明該回歸模型擬合情況較好，可以用該回歸模型來分析并預測寬葉獨行菜多糖的最佳提取工藝條件。影響寬葉獨行菜多糖提取得率的一次項因素中，除微波功率表現為顯著外，其他3項均表現為極顯著。按影響大小排序依次為，粒度（A）>微波時間（D）>液料比（B）>微波功率（C）。各個二次項中，除B2表現為顯著外，其余3項均表現為極顯著，特別是A2最為顯著。回歸模型中的交互項，即AB項、AC項、AD項、BC項、BD項和CD項，只有BD項表現為顯著，其他幾項均表現為極顯著，說明各個一次項之間存在明顯的相互作用。

2.2.2 響應面分析 根據擬合回歸方程，作出了交互項的響應面圖，以考察其對提取得率的影響。

由圖5可以看出，在液料比為35∶1時，隨著目數的增加，多糖提取得率逐步提高；隨著液料比變小，多糖提取得率會小幅度地降低。液料比和粒度這兩個因素交互影響，使響應面呈斜坡狀，多糖提取得率的最大值出現在斜坡的最高處。

由圖6可以看出，粒度和微波功率二者的交互作用使響應面呈馬鞍形。微波功率對多糖提取得率的影響整體呈現為“U”字形，即兩頭高、中間低的形態。隨著粒度的增加，多糖的提取得率基本上均表現為增加。多糖提取得率的最大值出現在最低功率和最大目數的交點處。

粒度與微波時間交互作用所呈現的響應面（圖7）與圖5相似，也是斜坡狀。在微波時間較長時，目數的增加會明顯提高多糖的提取得率；而隨著微波時間變短，這種趨勢會變得不明顯，并逐步呈現為倒“U”字形的趨勢；微波時間的增加，整體上會提高多糖的提取得率。多糖提取得率的最高值出現在斜坡面的最高處。

圖8所示為液料比和微波功率交互作用所呈現的響應面圖，整體呈現為傾斜的馬鞍形。隨著液料比的增加，多糖提取得率表現為增加；而微波功率對多糖提取得率的影響呈現為“U”字形。可以發現多糖提取得率的最大值出現在馬鞍形的一個端點上。

圖9所示為液料比和微波時間交互影響的響應面圖，整體呈現為斜坡狀。在各種液料比條件下，微波時間的增加均會提高多糖的提取得率。在微波時間較短時，液料比的增加會顯著提高多糖的提取得率；而在微波時間較長時，這種趨勢變得不明顯。多糖提取得率的最大值出現在斜坡的頂點。

微波時間和微波功率間的交互影響情況如圖10所示，呈現為傾斜的馬鞍形。在微波時間較短時，微波功率的增大會顯著提高多糖的提取得率；而在微波時間較長時，則表現為相反的趨勢。在低微波功率和長微波時間的情況下，會得到最大的多糖提取得率。

通過軟件的優化分析，可以得到寬葉獨行菜多糖提取的最佳工藝條件為粒度119.99目、液料比35.00∶1、微波功率400.08 W和微波時間150.00 s。在此條件下，寬葉獨行菜多糖的最高提取得率為0.434 213%。考慮實際可操作性，將上述最佳條件更改為粒度120目、液料比35∶1 mL/g、微波功率400 W、提取時間150 s，并進行試驗驗證。經3次隨機重復試驗，寬葉獨行菜多糖提取得率的均值為0.429%，與預測值相符。

3 結論

本研究采用微波輔助法提取寬葉獨行菜多糖，通過單因素試驗考察了粒度、液料比、微波功率和微波時間對多糖提取得率的影響。并通過響應面分析法得到了最佳提取條件：粒度120目、液料比35∶1、微波功率400 W、微波時間150 s。在此條件下，多糖的提取得率為0.429%。經響應面分析優化后的多糖提取得率比單因素試驗的最高值0.285%提高了50.53%，優化效果極明顯。造成單因素試驗結果與響應面分析試驗結果差異大的原因，應該是影響寬葉獨行菜多糖提取得率的這幾個單因素之間存在明顯的交互作用，單因素試驗選點較少，從而造成試驗的最優值漏選。

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