正交試驗法優化酶輔助提取羊棲菜多酚工藝

曾帥 周德慶 劉楠

摘要：【目的】采用正交試驗法優化羊棲菜多酚的酶輔助提取工藝，以提高羊棲菜多酚提取量，為羊棲菜多酚的提取應用于實際生產提供科學參考。【方法】以新鮮羊棲菜為原料，用酶輔助提取法提取其多酚，通過單因素試驗研究纖維素酶添加量、復合酶質量比（中性蛋白酶添加量∶纖維素酶添加量）、酶解溫度、酶解pH和酶解時間對多酚提取效果的影響，用正交試驗法優化提取工藝條件，并與傳統的溶劑提取法進行比較。【結果】各因素對羊棲菜多酚提取量的影響大小依次為：酶解pH>酶解溫度>復合酶質量比>酶解時間，其中酶解pH和酶解溫度對羊棲菜多酚提取量的影響顯著（P<0.05）；最佳酶解條件為：酶解溫度50 ℃、酶解pH 5.5、酶解時間45 min、復合酶質量比20∶1（復合酶添加量126 mg/g），在此條件下得到羊棲菜多酚提取量為9.26 mg/g，較溶劑提取法的多酚提取量（8.26 mg/g）有明顯提高。【結論】采用正交試驗法優化的酶輔助提取工藝能有效提高羊棲菜多酚提取量，優化的工藝參數可在實際生產中加以應用。

關鍵詞： 羊棲菜；多酚；正交試驗法；酶輔助提取

中圖分類號： R284.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）09-1564-06

Abstract：【Objective】In order to provide scientific reference for extraction and application of polyphenols from Sargassum fusiforme， the enzyme-assisted extraction process of polyphenols from S. fusiforme was optimized by orthogonal experimental method to improve yield of polyphenols. 【Method】With fresh S. fusiforme as raw material， the polyphenols were extracted from S. fusiforme by enzyme-assisted extraction method. The effects of compound enzyme mass ratio（neutral protease amount： cellulase amount）， enzymolysis temperature， enzymolysis pH and enzymolysis time on extraction yield of polyphenols were studied through single factor experiment， and then extraction process conditions were optimized by orthogonal experimental method. The enzyme-assisted extraction method was compared with traditional solvent extraction method. 【Result】The results showed that， the factors influencing extraction yield of polyphenols were in order as follows： enzymolysis pH>enzymolysis temperature>compound enzyme mass ratio>enzymolysis time. And enzymolysis pH and temperature had significant effects on extraction yield of polyphenols（P<0.05）. The optimum enzymolysis conditions were as follows： enzymolysis temperature of 50 ℃， enzymolysis pH of 5.5， enzymolysis time of 45 min， and compound enzyme mass ratio of 20∶1（126 mg/g composite enzyme）. Under above optimum conditions， the extraction yield of polyphenols from S. fusiforme was up to 9.26 mg/g， and obviously higher than that（8.26 mg/g） of solvent extraction method. 【Conclusion】Enzyme-assisted extraction process optimized by orthogonal experiment method can effectively improve extraction yield of polyphenols from S. fusiforme， and the optimized process parameters can be applied in actual production.

Key words： Sargassum fusiforme； polyphenols； orthogonal experimental method； enzyme-assisted extraction

0 引言

【研究意義】羊棲菜（Sargassum fusiforme）又稱鹿角尖、羊奶子、海大麥等，屬褐藻門植物，日本稱其為“長壽菜”，可用作開發保健品、調味品及方便食品等多種產品的原料（程忠玲和吳效楠，2011），具有較高的營養價值和經濟價值。羊棲菜多酚是一類重要的褐藻多酚化合物，褐藻多酚對自由基有較顯著的清除能力（王君虹等，2013），可作為天然的抗氧化劑和自由基清除劑應用于醫藥、化妝品及保健食品等領域（呂成林等，2014）。此外，現代藥理學研究表明，褐藻多酚還具有化學防御（Pangestuti and Kim，2011）、抗凝血（Li et al.，2011）、抑菌（Eom et al.，2012；錢卓權等，2014）、延緩衰老（Kang et al.，2014）、降血糖（Pantidos et al.，2014）及抗腫瘤（Yang et al.，2015）等多種生物活性功能。因此，開展優化羊棲菜多酚提取工藝研究，對擴大其在食用、藥用和保健等方面的應用具有重要意義。【前人研究進展】目前有關羊棲菜多酚的提取工藝研究已有不少報道。王君虹等（2013）利用微波輔助提取羊棲菜多酚，并優化其提取條件，在最佳工藝條件[乙醇體積分數80%、微波功率600 W、浸提溫度70 ℃、料液比1∶10（g/mL）、浸提時間4 min]下羊棲菜多酚提取率為2.33%。方麗等（2014）對超聲波輔助提取羊棲菜多酚的工藝條件進行優化，在最優超聲提取條件[提取溫度70 ℃、超聲波功率180 W、乙醇體積分數44%、浸提時間2 h、液固比29∶1（mL/g）、超聲時間45 min]下，得到羊棲菜多酚提取率為（0.395±0.090）%。呂成林等（2014）研究溶劑提取羊棲菜多酚中乙醇體積分數、料液比、提取時間、提取溫度等因素對多酚提取效果的影響，結果表明，在乙醇體積分數40%、料液比1∶25、提取時間5 h、提取溫度70 ℃的最佳條件下得到羊棲菜多酚提取量為4.45 mg/g。何傳輝等（2015）采用響應面法對羊棲菜多酚溶劑提取工藝進行優化，最佳提取工藝條件為乙醇體積分數25%、提取時間3 h、液料比30∶1、提取溫度40 ℃，在此條件下得羊棲菜多酚提取量為7.91 mg/g。張麗斌等（2015）利用溶劑提取法對羊棲菜多酚進行提取，結果表明，在浸提溫度70 ℃、乙醇體積分數40%、液料比20∶1的條件下浸提46 min，羊棲菜多酚提取量為4.048 mg/g?！颈狙芯壳腥朦c】酶輔助提取法具有酶的專一性強、酶解條件溫和等優點，已有研究表明，利用此法提取植物多酚的效果優于傳統的溶劑提取法（裴海閏等，2009；程雅芳等，2012；付曉燕等，2012），但目前鮮見利用酶輔助提取羊棲菜多酚的研究報道?！緮M解決的關鍵問題】在單因素試驗的基礎上，采用正交試驗法優化酶輔助提取羊棲菜多酚工藝，以提高羊棲菜多酚提取量，為羊棲菜多酚的提取應用于實際生產提供科學參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

新鮮羊棲菜購于浙江省溫州市蒼南縣，洗凈后自然風干，經粉碎機粉碎過40目篩，獲得的粉末存放于4 ℃冰箱。Folin-Ciocalteau試劑購自上海藍季科技發展有限公司；中性蛋白酶（>20000 U/g）、纖維素酶（>10000 U/g）購自寧夏和氏璧生物技術有限公司；乙醇、沒食子酸、碳酸鈉等試劑均為國產分析純。主要儀器設備：紫外—可見分光光度計（UV-2550，日本島津公司）、恒溫水浴鍋（HW·SY21-K，北京長風儀器儀表公司）、電子天平（KQ-300VDE，北京賽多利斯科學儀器有限公司）、新悅—可見分光光度計（T6，北京普析通用儀器有限公司）、粉碎機（TYS-200，永康市紅太陽機電有限公司）、旋轉蒸發儀（RE-52AA，上海亞榮生化儀器廠）。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 羊棲菜多酚含量測定 采用福林酚法繪制羊棲菜多酚含量的標準曲線。準確稱取0.1000 g沒食子酸標準品，用蒸餾水溶解并定容至100.0 mL，即得1000 μg/mL沒食子酸標準液，將標準液按系列質量濃度10、20、30、40、50 μg/mL進行稀釋；取1.0 mL上述系列溶液置于比色管中，加入2.0 mL 1.0 mol/L福林酚溶液，混勻后再加入4.0 mL 12.5%碳酸鈉溶液，充分混勻，定容至10.0 mL，30 ℃水浴0.5 h后，在765 nm處測定吸光值。以標準品沒食子酸溶液質量濃度（μg/mL）為橫坐標、吸光值為縱坐標，得到羊棲菜多酚含量的標準曲線方程為：y=0.0161x+0.014（R2=0.9997）。提取液在同等條件下于765 nm處測定吸光值，根據標準曲線方程計算樣品中羊棲菜多酚質量濃度。

1. 2. 2 溶劑提取法提取羊棲菜多酚 準確稱取1.0000 g羊棲菜粉末置于帶塞三角瓶中，用40%乙醇溶液以1∶55（g/mL）料液比在70 ℃下水浴4.5 h，浸提2次，經抽濾旋蒸得羊棲菜粗提液，定容至200.0 mL，在765 nm處測定其吸光值，按上述標準曲線方程計算多酚質量濃度，再根據下式計算羊棲菜多酚提取量：

羊棲菜多酚提取量（mg/g）=（C×V）/（1000×M）

式中，C為粗提液中羊棲菜多酚質量濃度（μg/mL），V為粗提液定容體積（mL），M為羊棲菜質量（g）。

1. 2. 3 正交試驗法優化酶輔助提取羊棲菜多酚工藝 準確稱取1.0000 g羊棲菜粉末置于帶塞三角瓶中，依次改變纖維素酶添加量（2、4、6、8、10、12 mg/g）、復合酶質量比（中性蛋白酶添加量∶纖維素酶添加量為1∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1）、酶解溫度（40、45、50、55、60 ℃）、酶解pH（5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5）和酶解時間（30、45、60、75、90、105 min），酶解結束后用乙醇溶液浸提，浸提條件同1.2.2；在單因素試驗結果基礎上，設計4因素3水平正交試驗，以優化酶輔助提取羊棲菜多酚工藝條件。正交試驗因素與水平見表1。

1. 3 統計分析

采用SPSS 17.0對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2. 1 溶劑提取法提取羊棲菜多酚結果

有機溶劑提取法獲得羊棲菜多酚的試驗結果如表2所示，根據3次試驗結果得到羊棲菜多酚平均提取量為8.26 mg/g。

2. 2 酶輔助提取羊棲菜多酚單因素試驗結果

2. 2. 1 纖維素酶添加量對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響 在酶解溫度40 ℃、酶解時間30 min、酶解pH 5.0的條件下，考察不同纖維素酶添加量對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響。由圖1可知，纖維素酶添加量在2～6 mg/g時，羊棲菜多酚提取量隨纖維素酶添加量的增加而上升，尤其在添加量4～6 mg/g時上升明顯；當纖維素酶添加量超過6 mg/g后，多酚提取量呈下降趨勢。這是因為纖維素酶濃度較低時，羊棲菜細胞壁中的粗纖維與纖維素酶充分反應，釋放出羊棲菜多酚，但隨著纖維素酶濃度的提高，細胞壁中的粗纖維被充分降解，致使纖維素酶的作用受到抑制。因此，提取羊棲菜多酚選擇纖維素酶添加量為6 mg/g即可。

2. 2. 2 復合酶質量比對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響 準確稱取1.0000 g羊棲菜粉末置于帶塞三角瓶中，先加入纖維素酶6 mg/g，再分別加入中性蛋白酶6、30、60、90、120和150 mg/g，即中性蛋白酶添加量∶纖維素酶添加量為1∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1和25∶1，在酶解溫度40 ℃、酶解時間30 min、酶解pH 5.0的條件下進行酶解，再用溶劑提取法進行浸提，得到羊棲菜多酚提取量如圖2所示。由圖2可知，隨著中性蛋白酶添加量的增加，羊棲菜多酚提取量呈先升高后降低的變化趨勢，是因為中性蛋白酶的加入破壞了羊棲菜的蛋白結構，使得與蛋白聚合的多酚物質釋放出來，但隨著中性蛋白酶濃度的提高，羊棲菜蛋白成分被充分破壞，致使中性蛋白酶的作用受到抑制。當復合酶質量比達15∶1時，羊棲菜多酚提取量最高。因此，復合酶質量比選擇15∶1較適宜。

2. 2. 3 酶解溫度對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響 在復合酶質量比15∶1、酶解時間30 min、酶解pH 5.0的條件下，考察不同酶解溫度對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響。由圖3可知，酶解溫度在40～60 ℃，羊棲菜多酚提取量的變化趨勢為先增加后減少，在45 ℃時達最大值。這可能是因為提取溫度為45 ℃時，體系中兩種酶解作用達到平衡，若繼續升高酶解溫度，體系中的酶解平衡遭破壞，并且兩種酶的活性也開始下降，同時羊棲菜多酚也會因溫度的升高而部分分解，故提取溫度高于45 ℃后，羊棲菜多酚提取量顯著減少（P<0.05，下同）。因此，酶解溫度以45 ℃為宜。

2. 2. 4 酶解pH對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響 在復合酶質量比15∶1、酶解溫度45 ℃、酶解時間30 min的條件下，考察不同酶解pH對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響。pH是影響酶活性的一個重要因素，纖維素酶的適宜pH范圍為4.5～6.5，中性蛋白酶的適宜pH范圍為5.5～7.5，復合酶的最適pH取決于整個復合酶解反應體系。由圖4可知，pH在5.0～6.0范圍內，羊棲菜多酚提取量較高，其中pH為5.0～5.5時，多酚提取量顯著增加，pH為5.5時達最大值，隨著pH的繼續增大，多酚提取量下降趨勢為先快后緩，表明5.5是兩種酶解作用反應體系的最適pH。

2. 2. 5 酶解時間對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響 在復合酶質量比15∶1、酶解溫度45 ℃、酶解pH 5.5的條件下，考察不同酶解時間對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響。由圖5可知，當酶解時間小于45 min時，酶解反應較充分，羊棲菜多酚提取量隨酶解時間的延長顯著提高，但酶解時間超過45 min后，羊棲菜多酚提取量逐漸減少。故45 min是較合適的酶解時間。

2. 3 酶輔助提取羊棲菜多酚正交試驗結果

依據單因素試驗結果，應用正交試驗法對酶輔助提取羊棲菜多酚進行試驗設計，采用正交設計助手II （Latin 3.1）對試驗結果進行處理，得到正交試驗結果分析見表3，方差分析結果見表4。根據極差R的大小可判斷各因素對酶輔助提取羊棲菜多酚影響的強弱，R越大，影響作用越強。由表3可知，酶輔助提取羊棲菜多酚過程中，各因素對羊棲菜多酚提取的影響程度為：酶解pH（B）>酶解溫度（A）>復合酶質量比（D）>酶解時間（C）；其中酶解溫度和酶解pH對羊棲菜多酚提取量的影響顯著，而酶解時間和復合酶質量比的影響不顯著（P>0.05）（表4）。根據各因素均值K1、K2、K3的大小，得出最佳工藝組合為A3B2C2D3，即羊棲菜多酚的最佳酶解工藝條件為酶解溫度50 ℃、酶解pH 5.5、酶解時間45 min、復合酶質量比20∶1（復合酶添加量126 mg/g）。在此最佳酶解工藝條件下進行3次平行試驗，得到羊棲菜多酚平均提取量9.26 mg/g，高于溶劑提取法得到的羊棲菜多酚提取量（8.26 mg/g）。

3 討論

由于多酚良好的生物學特性，使其受到學者的廣泛關注，多酚提取成為近年的研究熱點之一。海洋是人類的寶庫，目前人類已從海洋生物中分離出1萬多種化合物（楊好等，2005）。羊棲菜多酚是一類重要的褐藻多酚化合物，具有多種生物活性功能，近年來不少學者研究從羊棲菜中提取多酚，主要采用傳統的有機溶劑提取法。羊棲菜中含粗纖維3.0%～23.9%、粗蛋白5.5%～15.4%，本研究采用酶輔助提取法提取羊棲菜多酚，選用纖維素酶和中性蛋白酶對羊棲菜細胞壁及蛋白成分進行破壞，使羊棲菜中的多酚物質盡可能釋放出來，以期提高多酚提取量，并利用正交試驗法對其工藝參數進行優化。結果表明，對酶輔助提取羊棲菜多酚影響最大的因素是酶解pH，其次是酶解溫度，復合酶質量比和酶解時間的影響相對較小；酶解溫度和酶解pH對羊棲菜多酚提取量的影響顯著，實際生產中，在控制好這兩個顯著因素的前提下，可適當減少復合酶添加量和酶解時間，以降低生產成本。優化的最佳酶解工藝條件為：復合酶質量比20∶1（復合酶添加量126 mg/g）、酶解溫度50 ℃、酶解pH 5.5、酶解時間45 min，在最佳條件下，酶輔助提取得到羊棲菜多酚提取量9.26 mg/g，與傳統溶劑提取法相比，羊棲菜多酚提取量有明顯提高；且酶輔助提取法具有酶的專一性強、酶解條件溫和等優點，與王君虹等（2013）采用微波輔助、方麗等（2014）采用超聲波高能量的提取方式相比，酶輔助提取能更好地保護羊棲菜多酚的活性，使其受到較少破壞。

此外，本研究所得的羊棲菜多酚粗提物中多酚純度較低，如何采用其他方法（如大孔樹脂吸附分離法將其分離、純化）提高多酚純度，有待進一步研究。

4 結論

采用正交試驗法優化的酶輔助提取工藝能有效提高羊棲菜多酚提取量，優化的工藝參數可在實際生產中加以應用。

參考文獻：

程雅芳，楊洋，溫富雄，袁經權，繆劍華. 2012. 響應面分析法優化酶提取甜茶茶多酚工藝[J]. 食品科學，33（10）：10-15.

Cheng Y F，Yang Y，Wen F X，Yuan J Q，Miao J H. 2012. Optimization of enzymatic extraction for tea polyphenols from sweet tea by response surface methodology[J]. Food Science，33（10）：10-15.

程忠玲，吳效楠. 2011. 羊棲菜褐藻糖膠的抗凝血和促血管內皮細胞生長活性研究[J]. 食品研究與開發，32（4）：165-167.

Cheng Z L，Wu X N. 2011. Study on the anticoagulant activities and promoting effect on human umbilical vein endothelial cells proliferation activity of fucoidan from Sargassum fusiforme setchel[J]. Food Research and Development，32（4）：165-167.

方麗，賴蓓蕾，金寒冰，吳祥庭. 2014. 二次正交旋轉法優化超聲輔助提取羊棲菜多酚及其抗氧化[J]. 食品工業，35（10）：168-173.

Fang L，Lai B L，Jin H B，Wu X T. 2014. Optimization of ultrasound-assisted extraction of Sargassum fusiforme polyphenols using quadratic regression orthogonal rotation design and its antioxidant activity[J]. Food Industry，35（10）：168-173.

付曉燕，吳茜，胡正浩，謝筆鈞，孫智達. 2012. 傳統溶劑提取與酶輔助提取燕麥多酚工藝的優化與比較[J]. 食品工業科技，33（24）：277-281.

Fu X Y，Wu Q，Hu Z H，Xie B J，Sun Z D. 2012. Optimization and comparison of the solvent extraction and enzyme assistant extraction of oat phenols[J]. Science and Technology of Food Industry，33（24）：277-281.

何傳輝，何傳波，魏好程，王姣，熊何健. 2015. 羊棲菜多酚提取工藝優化[J]. 食品安全質量檢測學報，6（8）：2896-2902.

He C H，He C B，Wei H C，Wang J，Xiong H J. 2015. Optimization of extraction process for polyphenols from Sargassum fusiforme[J]. Journal of Food Safety and Quality， 6（8）：2896-2902.

呂成林，汪秋寬，宋悅凡，任丹丹，何云海. 2014. 羊棲菜多酚的提取及純化工藝研究[J]. 食品工業科技，35（22）：231-235.

Lü C L，Wang Q K，Song Y F，Ren D D，He Y H. 2014. Study on the extraction and purification of polyphenols from Sargassum fusiforme[J]. Science and Technology of Food Industry，35（22）：231-235.

裴海閏，曹學麗，徐春明. 2009. 響應面法優化纖維素酶提取蘋果渣多酚類物質[J]. 北京農學院學報，24（3）：50-54.

Pei H R，Cao X L，Xu C M. 2009. Optimization of cellulose enzymolysis extraction conditions of polyphenol in apple pomace using response surface methodology[J]. Journal of Beijing Agricultural College，24（3）：50-54.

錢卓權，殷皓臻，黃曉林，林少珍，南海函. 2014. 三種海藻抑菌活性和抗氧化活性[J]. 浙江農業學報，26（2）：384-387.

Qian Z Q，Yin H Z，Huang X L，Lin S Z，Nan H H. 2014. Antibacterial and antioxidant bioassay of three kinds of algae[J]. Acta Agriculturae Zhejiangensis，26（2）：384-387.

王君虹，郜海燕，葛林梅，陳杭君，房祥軍. 2013. 微波輔助提取羊棲菜多酚的工藝研究[J]. 浙江農業學報，25（6）：1368-1372.

Wang J H，Gao H Y，Ge L M，Chen H J，Fang X J. 2013. Technological study on microwave-assisted extraction of polyphenols from Sargassum fusiforme[J]. Acta Agriculturae Zhejiangensis，25（6）：1368-1372.

楊好，許強芝，焦炳華. 2005. 海洋微生物抗腫瘤研究進展[C]// 全國首屆海洋生物化學與分子生物學學術會議暨全國第五屆海洋生命活性物質與天然生化藥物學術研討會論文集. 宜昌：中國生物化學與分子生物學會.

Yang H，Xu Q Z，Jiao B H. 2005. Research progress of marine microorganisms anti-tumor[C]//Proceedings of Academic Conference for China Marine Biotechnology and Molecular Biology and the 5th Symposium for Marine Life Active Substance and Natural Biochemical Drugs. Yichang：Chinese Society of Biochemistry and Molecular Biology.

張麗斌，熊何健，吳靖娜，蔡水淋，劉淑集，喬琨，劉智禹. 2015. 羊棲菜中多酚的提取制備及體外抗氧化活性研究[J]. 中國農學通報，31（32）：40-47.

Zhang L B，Xiong H J，Wu J N，Cai S L，Liu S J，Qiao K，Liu Z Y. 2015. Extraction process of polyphenols from Sargassum fusiforme and its antioxidant activity in vitro[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin，31（32）：40-47.

Eom S H，Kim Y M，Kim S K. 2012. Antimicrobial effect of phlorotannins from marine brown algae[J]. Food and Chemical Toxicology，50（9）：3251-3255.

Kang M C，Kim K N，Wijesinghe W A J P，Yang X D，Ahn G，Jeon Y J. 2014. Protective effect of polyphenol extracted from Ecklonia cava against ethanol induced oxidative da-

mage in vitro and in zebrafish model[J]. Journal of Functional Foods，6（1）：339-347.

Li Y X，Wijesekara I，Li Y，Kim S K. 2011. Phlorotannins as bioactive agents from brown algae[J]. Process Biochemistry，46（12）：2219-2224.

Pantidos N，Boath A，Lund V，Conner S，McDougall G J. 2014. Phenolic-rich extracts from the edible seaweed，ascophyllum nodosum，inhibit α-amylase and α-glucosidase：Potential anti-hyperglycemic effects[J]. Journal of Functional Foods，6（10）：201-209.

Pangestuti R，Kim S K. 2011. Biological activities and health benefit effects of natural pigments derived from marine algae[J]. Journal of Functional Foods，3（4）：255-256.

Yang Y I，Ahn J H，Choi Y S，Choi J H. 2015. Brown algae phlorotannins enhance the tumoricidal effect of cisplatin and ameliorate cisplatin nephrotoxicity[J]. Gynecologic Oncology，136（2）：355-364.

（責任編輯 羅 麗）