響應(yīng)面法優(yōu)化牛蒡菊糖超聲波提取工藝

萬國福++張?zhí)m

摘要：以牛蒡?yàn)樵希芯坑绊懗暡ㄌ崛〉囊蛩兀ㄒ毫媳取⒆饔脮r(shí)間、間歇時(shí)間、功率、溫度、浸提次數(shù)6個(gè)因素。通過PB試驗(yàn)和最陡爬坡試驗(yàn)，找出影響牛蒡菊糖提取率的最重要因素，即液料比、超聲時(shí)間和功率，并確定 Box-Behnken 試驗(yàn)的因素和水平。對(duì)Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在模型預(yù)測(cè)的最佳條件下，即液料比、溫度、超聲功率分別為：14.39 mL ∶1 g、76.73 ℃、600 W；作用時(shí)間、間歇時(shí)間、提取次數(shù)為：10 min、2 s、1次，所得牛蒡菊糖的提取率為16.89%，與預(yù)測(cè)值的提取率17.053 5%比較接近，證明該模型對(duì)優(yōu)化牛蒡菊糖的提取工藝可行。

關(guān)鍵詞：牛蒡菊糖；超聲提取；響應(yīng)面；優(yōu)化；提取工藝

中圖分類號(hào)： TS201.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）05-0346-03

菊糖（inulin）是呋喃構(gòu)型D-果糖經(jīng)β-（2，1）-糖苷鍵脫水聚合而成果聚糖的混合物，聚合度一般為2～60，分子量在3 500～5 500之間[1]，為水溶性膳食纖維，具有柔滑凝膠特性，可作為食品與營養(yǎng)增補(bǔ)劑，廣泛應(yīng)用于食品、藥品和保健品中[2]。富含菊糖的目標(biāo)物及其分離提取技術(shù)引起了人們極大的關(guān)注。

采用傳統(tǒng)熱水浸提方法提取菊糖存在能耗高、提取率低，細(xì)胞內(nèi)釋放困難等缺點(diǎn)。超聲波法具有分散破壞植物組織、加速溶劑穿透組織作用、解聚大分子、縮短浸提時(shí)間、無物料損失、無副反應(yīng)、提高菊糖提取率等優(yōu)點(diǎn)。與酶法提取相比，大大縮短提取時(shí)間，相比于超高壓萃取和超臨界CO2萃取，設(shè)備簡(jiǎn)單、安全性高、易于工業(yè)化[3]。

本研究以兩年生新鮮黃牛蒡?yàn)樵希?0～25 kHz頻率下，探討超聲波提取的影響因素，包括液料比、作用時(shí)間、間歇時(shí)間、功率、溫度、浸提次數(shù)6個(gè)因素[4]。通過PB試驗(yàn)和最陡爬坡試驗(yàn)，找出其中最重要因素和確定Box-Behnken試驗(yàn)因素水平。對(duì)Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，求得回歸方程，并求得模型的極大值，以及最重要因素的兩兩交互作用。在模型預(yù)測(cè)的最佳條件下進(jìn)行平行試驗(yàn)，以驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果[5]。所有試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理及模型建立均采用Design-Expert 8.0 Trial軟件進(jìn)行處理[6]。

1材料與方法

1.1材料、試劑與儀器

兩年生新鮮黃牛蒡?yàn)樵希a(chǎn)自江蘇省徐州市豐縣。

儀器：7230G型可見分光光度計(jì)，AL204萬分之一電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；PC-1000 數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋，GZX-DH-600 電熱恒溫干燥箱，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；FW100高速萬能粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司；GY92-IIN型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，浙江省寧波新芝生物科技股份有限公司。

試劑：試劑均為分析純，水為蒸餾水。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1預(yù)處理工藝流程新鮮的黃牛蒡根洗凈、100 ℃下滅酶2 min，冷卻，采用0.5%檸檬酸+0.7%維生素C+1%NaCl護(hù)色，去皮、切片、烘干、粉碎、過60目篩得牛蒡根干粉，置于廣口瓶中備用。

1.2.2牛蒡菊糖測(cè)定方法和提取率的計(jì)算采用改良的苯酚-硫酸法，以果糖為標(biāo)準(zhǔn)樣品，以糖濃度（C）為橫坐標(biāo)，以吸光度（D）為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。測(cè)得超聲提取的牛蒡菊糖的吸光度，牛蒡菊糖含量=由標(biāo)準(zhǔn)曲線換算得的濃度值×8×100/0.5×100%；牛蒡菊糖提取率=樣品中菊糖含量/原料質(zhì)量×100%[4]。

1.2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.3.1PB試驗(yàn)設(shè)計(jì)PB試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種2水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，用于從眾多考察因素中快速篩選出最重要的幾個(gè)因素，試圖以最少的試驗(yàn)次數(shù)使影響因素的主效果得到盡可能精確的估計(jì)。本試驗(yàn)每個(gè)因素取高低2個(gè)水平，高水平為低水平的2倍。根據(jù)超聲波可調(diào)參數(shù)，選擇6個(gè)因素，響應(yīng)值為菊糖提取率。自變量、編碼和水平因素見表1。

1.2.3.2最陡爬坡試驗(yàn)根據(jù)PB試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)最陡爬坡試驗(yàn)路徑，按一定的梯度增加超聲波功率和提高提取溫度（正效應(yīng)），并按一定的梯度減少液料比（負(fù)效應(yīng)），其余3個(gè)非重要因素均取初始條件（作用時(shí)間10 min、間歇時(shí)間2 s、提取次數(shù)為1次），然后檢測(cè)牛蒡中菊糖的提取率。

1.2.3.3Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)以PB試驗(yàn)確定的3個(gè)最顯著因素為自變量，根據(jù)各因素的效應(yīng)，以最陡爬坡試驗(yàn)確定的最佳濃度為中心點(diǎn)，設(shè)計(jì)重要因素的水平及其編碼。根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)后，使用Design-Expert 8.0 Trial軟件進(jìn)行處理。

2結(jié)果與分析

2.1超聲波提取牛蒡菊糖的PB試驗(yàn)結(jié)果

PB試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果見表3。采用Design-Expert 8.0 Trial軟件對(duì)表3中的牛蒡菊糖提取率進(jìn)行回歸分析，得到各影響因子的偏回歸系數(shù)及顯著性結(jié)果（表4）。表4表明，液料比、溫度和超聲功率對(duì)響應(yīng)值的提取率影響顯著。其中，液料比和間歇時(shí)間對(duì)響應(yīng)值的影響是負(fù)效應(yīng)，超聲溫度、功率、超聲時(shí)間、提取次數(shù)對(duì)響應(yīng)值的影響均為正效應(yīng)。

2.2超聲波提取牛蒡菊糖中心試驗(yàn)點(diǎn)的確定

2.3超聲波提取牛蒡菊糖Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果及分析

Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果見表6。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0 Trial軟件進(jìn)行回歸分析，方差分析結(jié)果見表7，回歸方程為：

牛蒡菊糖提取率=16.10+0.61A+1.04B+0.97C+041AB-0.22AC-0.040BC-1.34A2-1.56B2-0.23C2。

R2=0.9836，R2Adj=0.962 6，方程回歸性顯著。模型使用條件為液料比12～16 mL ∶1 g、溫度為70～80 ℃、超聲功率為500～600 W。

對(duì)回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面分析，得到各響應(yīng)面立體分析結(jié)果（圖1、圖2、圖3），對(duì)回歸方程求解，得到模型的極點(diǎn)值，即液料比、溫度、超聲功率的最佳水平分別為：14.39 mL ∶1 g、7673 ℃、600 W時(shí)，響應(yīng)值達(dá)到最大值，即牛蒡菊糖提取率為17.053 5%

2.4優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，在最接近預(yù)測(cè)最佳提取條件下（即液料比、溫度、超聲功率分別為：14.4 mL ∶1 g、76.7 ℃、600 W；作用時(shí)間、間歇時(shí)間、提取次數(shù)為：10 min、2 s、1次）平行試驗(yàn)3次，所得牛蒡菊糖的提取率為16.89%，與預(yù)測(cè)值的提取率17.0535%比較接近，證明該模型能較好地預(yù)測(cè)給定條件下牛蒡菊糖的實(shí)際提取率。

3結(jié)果與討論

已有研究結(jié)果表明影響菊糖提取的單因素較多，PB試驗(yàn)從眾多因子中篩選出3個(gè)最為重要的影響因素，分別為液料比、溫度、超聲功率，其中溫度、超聲功率對(duì)響應(yīng)值牛蒡菊糖的提取率呈正效應(yīng)，而液料比對(duì)響應(yīng)值呈負(fù)效應(yīng)。通過最陡爬坡試驗(yàn)，確定了Box-Behnken試驗(yàn)的中心試驗(yàn)點(diǎn)為液料比14 mL ∶1 g、溫度75 ℃、超聲功率550 W。

利用Design-Expert 8.0 Trial軟件對(duì)Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析，得到R2為0.983 6的回歸方程，并得到兩兩因素交互作用的響應(yīng)面圖形。通過對(duì)回歸方程求解，得到模型的極點(diǎn)值，即液料比、溫度、超聲功率的最佳水平分別為：14.39 mL ∶1 g、76.73 ℃、600 W時(shí)，響應(yīng)值達(dá)最大值。在此最佳條件下，非重要因子水平分別為：作用時(shí)間10 min、間歇時(shí)間2 s、提取次數(shù)為1次，牛蒡菊糖實(shí)際提取率為16.89%。

參考文獻(xiàn)：

[1]于純淼，于棟華，劉曉艷，等. 牛蒡菊糖的研究進(jìn)展[J]. 食品研究與開發(fā)，2010，31（12）：272-275.

[2]熊政委，董全. 菊糖的生理功能和在食品中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 食品工業(yè)科技，2012，33（20）：351-354.

[3]孔濤，吳祥云. 菊芋中菊糖提取及果糖制備研究進(jìn)展[J]. 食品工業(yè)科技，2013，34（18）：375-378，382.

[4]鐘丹，張建新，張世恒.超聲波提取牛蒡菊糖的工藝研究[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2008，17（2）：297-300.

[5]張嫚. 響應(yīng)面法優(yōu)化蒲菜中膳食纖維的提取工藝[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（2）：233-235.

[6]徐向宏，何明珠.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與Design-Expert、SPSS應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.馬圣洲，趙飛，吳琴燕，等. 真空微波脫除紅茶中咖啡堿的工藝研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（5）：349-352.