超聲波輔助提取洋蔥多糖工藝研究

閆生輝，高玉紅

（鄭州職業技術學院 鄭州 450121）

洋蔥（Allium cepa L.）屬百合科（Liliaceae）蔥屬（Allium）草本植物,在我國廣泛種植[1]。其含有豐富的營養物質，主要有硫化合物、多糖、類黃酮、苯丙素酚類、甾體皂苷和前列腺素類等化學成分,具有消炎抑菌活血化淤、降血糖、防癌抗癌以及預防心血管疾病等功效，因而被譽為“菜中皇后”[2-5]。

隨著分子生物學和醫藥學研究的發展，人們陸續發現不同來源的多糖具有廣泛的藥理活性，它不僅可以作為廣譜免疫促進劑調節機體免疫功能，還可以在抗腫瘤、抗病毒、抗氧化、降血糖、抗輻射等方面發揮廣泛的藥理作用，因而成為當今生命科學研究的熱點之一[6-8]。傳統提取多糖的方法為水提醇降法[9]，但是此種方法存在提取時間長、提取效率低等缺點。為了提高多糖的提取效率，在此方法的基礎上發展了酸提取法[10]、堿提取法[11]，雖然提高了多糖的獲得率，但是酸堿會使多糖進行一定的分解，也存在著不足之處。根據已有的研究結果可知[12]，影響多糖提取得率的主要因素有：溫度、時間、液料比等。本文將超聲波技術應用于洋蔥多糖的提取工藝，以期找到最佳的提取工藝，為洋蔥中多糖的提取利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

洋蔥‘紅葉三號’由河南省農業科學院提供。超聲波提取機（KB-50），購自北京林子大科技有限公司。

1.2 方法

將一定量干燥、粉碎的洋蔥粉末放入試驗條件下的溫水中，進行超聲波提取3次，將提取液進行減壓濃縮，加入95%乙醇使溶液中的多糖沉淀，進行高速離心得到沉淀，用丙酮洗滌5次，冷凍干燥得到多糖。首先分析超聲波提取時間、超聲波功率、提取溫度和液料比等單因素對洋蔥多糖提取時的影響，確定主要自變量為液料比（X1）、超聲波功率（X2）和提取溫度（X3），進而采用響應面法進行分析。以-1、0、+1分別代表3個主要自變量的低、中、高水平，以洋蔥多糖提取率為目標函數，采用Box-Behnken Design（BBD）進行提取工藝優化設計，通過對擬合得到的二次多項式方程進行計算，從而得到洋蔥多糖提取率最大時的提取工藝條件[13]。洋蔥中多糖含量的測定采用苯酚-硫酸法[14]。響應曲面因素與水平的確定如表1所示。

表1 響應曲面因素與水平

2 結果與分析

2.1 單因素條件分析

2.1.1 超聲波時間對洋蔥多糖提取率的影響 分別將預處理好的液料比為15∶1的樣品置于70℃的水浴中，在功率為400 W的超聲波下分別提取30、40、50、60、70 min，考察不同提取時間下洋蔥多糖的提取率，結果如圖1所示。

圖1 提取時間對洋蔥多糖提取率的影響

由圖1可知，在其他條件不變的情況下，洋蔥多糖的提取率隨著時間的延長是逐漸提高的，但是50 min以后多糖的提取率隨著時間的延長幾乎沒有明顯的變化。這是因為在提取的初期，多糖在超聲波的作用下不斷浸出，在50 min時達到平衡，即使時間再延長，提取率也不會有顯著的變化。因此在進一步優化時固定提取時間為50 min。

2.1.2 液料比對洋蔥多糖提取率的影響 分別配置液料比為 10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1 的樣品 5份，置于70℃的水浴中，在400 W的超聲波下提取50 min，考察不同液料比下洋蔥多糖的提取率，結果如圖2所示。

圖2 液料比對洋蔥多糖提取率的影響

由圖2可知，在上述條件下，隨著液料比的增大，多糖提取率逐漸上升，當達到15∶1左右時，增加液料比對多糖提取率影響很小，這可能是因為隨著液料比的增加，在超聲波的作用下洋蔥多糖的溢出量逐漸增加，到達一定濃度時，溶液中多糖分子的數目也達到飽和狀態，即使增加液料比，多糖的提取率也不會再有大的提升。

2.1.3 提取溫度對洋蔥多糖提取率的影響 分別將預處理好的液料比為15∶1的樣品置于50、60、70、80、90℃的水浴中，進行充分的溶解。在400 W的超聲波下提取50 min，考察在不同溫度下對洋蔥多糖提取率的影響，結果如圖3所示。

圖3 提取溫度對洋蔥多糖提取率的影響

由圖3可知，在上述條件下提取洋蔥多糖時，隨著溫度的升高，多糖的提取率是逐漸提高的，當到達70℃左右時，提取率到最大值。隨后隨著溫度的升高，多糖的提取率會明顯的下降。產生這種現象的原因可能是隨著溫度的升高，洋蔥內部的多糖分子動能逐漸增大，溢出的多糖分子數目就明顯增多。當溫度過高時，由于多糖分子的熱穩定性差，又會不斷的分解，從而引起多糖提取率的降低。因而最佳提取溫度設置在70℃左右。

2.1.4 超聲波功率對洋蔥多糖提取率的影響 將預處理好的液料比為15∶1的樣品置于70℃的水浴中，進行充分的溶解。分別在功率為200、300、400、500、600 W的超聲波下提取50 min，考察不同超聲波功率對洋蔥多糖提取率的影響，結果如圖4所示。

圖4 超聲波功率對洋蔥多糖提取率的影響

由圖4可知，在上述條件下提取洋蔥多糖時，隨著超聲波功率的增大，多糖提取率先升高，后降低，在功率為400 W左右時提取率最大。這可能是因為隨著超聲波功率的增大，洋蔥分子間的距離逐漸變大，多糖分子的動能逐漸變大，更利于多糖分子溢出。當超聲波功率過大時，作用于多糖分子上的能量也過大，從而導致多糖分子不斷的降解，影響了多糖的提取率。因此最佳超聲波功率確定為400 W左右。

2.2 響應面試驗結果

根據單因素試驗結果，結合BBD的中心組合試驗設計原理，取預處理好的樣品17份，在提取時間為 50 min 時，選取液料比（X1）、提取溫度（X2）和超聲波功率（X3）等3個因素作為影響洋蔥多糖提取率相對重要的條件，采用響應面分析方法對提取工藝參數進行優化。響應面分析及試驗結果見表2、3。

由表3可知，由試驗結果所得到的模型的F值為17.13，P值為0.0005，表示該模型顯著。由表2試驗數據擬合得到的回歸方程為：R1=-134.2365+0.32402X1+3.79465X2+0.11043X3-（1.5E-4）X1X2+（1.3E-4）X1X2-（5.5E-4）X2X3-（2.8225E-3）X12-0.03189X22-（9.9975E-5）X32。方程中的 R2為0.9673表示該方程具有良好的擬合度，可以準確的預測試驗結果。方程的失擬度值為0.43，表示該方程失擬度并不顯著，能夠通過該模型優化洋蔥中多糖的提取工藝條件。對于不同的影響因素進行響應面分析得到RSM圖形如圖5、6、7所示。該圖形直觀地反映出各個影響因素之間的相互關系。由圖5、6、7可知超聲波功率和提取溫度對多糖提取率的影響最為顯著，其交互項對試驗結果的影響也最大。而液料比對多糖的提取率影響最小，這和響應曲面的方差分析結果一致。由響應面法得到的最優提取工藝為：提取溫度為71.5℃，液料比為16.2∶1，提取時超聲波功率為403.5 W，此時洋蔥多糖提取率理論上最大值為5.25%。

表2 響應曲面試驗以及響應值

表3 響應曲面方差分析表

2.3 最優提取工藝的驗證

根據實際試驗操作條件，將洋蔥多糖提取工藝條件修正為：在提取時間為50 min時，提取溫度為71℃，液料比為16∶1，提取時超聲波功率400 W。洋蔥多糖提取率為5.13%，相對于預測值5.25%比較接近，結果較為理想。比傳統的水提法[15]得到的洋蔥多糖提取率提高了19.1%。

圖5 液料比和提取溫度交互作用對洋蔥多糖提取率的影響

圖6 超聲波功率和提取溫度交互作用對洋蔥多糖提取率的影響

圖7 超聲波功率和液料比交互作用對洋蔥多糖提取率的影響

3 結論

筆者采用響應面法優化了超聲波輔助提取洋蔥多糖的工藝，得到的最佳提取工藝條件為：在提取時間為50 min時，提取溫度為71℃，液料比為16∶1，提取時超聲波功率400 W。洋蔥多糖提取率為5.13%。將優化后的試驗條件與傳統的水提法相比，不但提高了洋蔥多糖提取的效率，而且多糖的得率也增加了19.1%。該研究成果為洋蔥多糖方面的進一步利用提供了一定的理論基礎。