零余子粗多糖超聲波輔助提取工藝優化

任佳麗黃仁貴 李忠海

(1. 中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2. 稻谷及副產物深加工國家工程實驗室，湖南 長沙 410004)

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零余子粗多糖超聲波輔助提取工藝優化

任佳麗1,2黃仁貴1李忠海1,2

(1. 中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2. 稻谷及副產物深加工國家工程實驗室，湖南 長沙 410004)

利用響應面法優化零余子粗多糖的超聲波輔助提取工藝。通過單因素試驗考察液料比、超聲功率與提取時間對粗多糖得率的影響。在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken中心組合方法設計試驗，以粗多糖得率為響應值進行響應面分析，獲得最優提取工藝為料液比18∶1 (mL/g)、超聲功率760 W、提取時間23 min，粗多糖得率可達60.68%，與預測值相對誤差為2.03%，結果表明預測值與試驗值之間具有良好的擬合度，采用響應面法對零余子多糖超聲波提取條件進行優化合理可行。

粗多糖；零余子；超聲波

零余子，俗稱“山藥蛋”，有地方亦稱“山藥豆”，是薯蕷葉腋間的珠芽，呈卵圓形或橢圓形，直徑約0.4～2.0 cm，外表皮淡黃色，有細皺紋，氣味淡而不苦，口嚼粘膩。山藥零余子味甘溫、無毒、主補虛、強腰腳、食之不饑，功能比山藥還要強，自古就是營養價值很高的滋補食品和藥用價值很高的藥材，可提高人體免疫功能和抗病能力[1]。研究發現，零余子主要含淀粉、多糖(包括黏液質及糖蛋白)、蛋白質，并含多種游離氨基酸、尿囊素、膽堿、淀粉酶、止杈素 (又稱脫落酸d-absicisin)、多巴胺(dopamine)和山藥素Ⅰ ( batatasin Ⅰ)等[2]；零余子多糖具有較好的抗氧化性與降血糖作用[3-4]。

粗多糖是指復合型雜多糖，含有黏多糖、脂多糖、結合多糖(糖蛋白及黏蛋白)等雜質。研究顯示，粗多糖具有降血脂[5]、抗凝血[6]、抗氧化[7]等多種生物活性。其提取方法有熱水浸提取[8]、超聲波輔助提取[9]、微波輔助提取[10]、酶法提取[11]、超臨界提取[12]以及復合提取[13]等。其中熱水浸提法的時間長，得率低[14-15]；酶法提取成本高[16]，對反應條件溫度、pH、底物濃度等較為敏感。超聲波法輔助提取粗多糖，操作簡單，而且由于超聲波巨大的空化作用和強烈振動，可加速粗多糖進入溶劑，利于提取[17]。

崔瑋等[18]利用響應面法優化了鎖陽原花青素果膠酶輔助提取的工藝，其得率高于前人的研究結果。余洋定等[19]及Chen等[20]分別利用響應面分析優化果膠酶輔助提取裙帶菜孢子葉多糖工藝和葡萄糖氧化酶輔助提取黃芪多糖的工藝；賈麗艷等[21]利用復合酶法對零余子多糖進行了提取，但是利用響應面法優化零余子多糖的超聲波輔助水提工藝尚未見報道。本研究擬采用響應面法對超聲波輔助水提零余子粗多糖進行研究，旨在優化零余子粗多糖提取工藝，為進一步提高零余子綜合利用價值提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

零余子：鐵棍山藥零余子，購于河南省焦作溫縣；

氫氧化鈉、無水乙醇：分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司；

丙酮：分析純，湖南匯虹試劑有限公司；

配制用水均為二次蒸餾水。

1.1.2 主要儀器設備

電熱恒溫水浴鍋：DK-98-Ⅱ型，天津市泰斯特儀器有限公司；

電熱鼓風干燥箱：101-2AB型，天津市泰斯特儀器有限公司；

真空冷凍干燥機：LJG-10型，北京松源華興科技發展有限公司；

高速萬能粉碎機：FW200型，北京科偉永興儀器有限公司；

超聲波細胞粉碎機：JY 92-Ⅱ型，寧波新枝生物科技股份有限公司；

離心機：TD4K-Z型，長沙市東旺實驗儀器有限公司；

旋轉蒸發儀：Hei-VAP Precision型，德國Heidolph公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 零余子粗多糖提取工藝流程

零余子→去皮→切片→冷凍干燥→粉碎→過60目篩→超聲波輔助水提取→離心取上清液(4 000 r/min離心20 min)→濃縮(60 ℃下旋轉蒸發至原體積的1/5)→醇沉(將4倍體積的95%乙醇水溶液緩緩倒入濃縮液中，邊倒邊攪拌，靜置過夜)→離心取沉淀(4 000 r/min離心20 min；沉淀依次用無水乙醇、丙酮、無水乙醚洗滌)→干燥(60 ℃鼓風干燥箱中烘干至恒重)→粗多糖

1.2.2 粗多糖得率計算 按式(1)進行。

(1)

式中：

P——粗多糖得率，%；

m1——粗多糖的質量，g；

m2——零余子粉的質量，g。

1.2.3 單因素試驗設計 準確稱取零余子粉3 g，置于小燒杯中，考察液料比、超聲功率與超聲時間對粗多糖得率的影響。

(1) 超聲功率對粗多糖得率的影響：在超聲時間20 min，液料比為25∶1(mL/g)，超聲功率分別為440，560，680，800，920 W的條件下，考察超聲功率對零余子粗多糖得率的影響。

(2) 液料比對粗多糖得率的影響：在超聲時間20 min，超聲功率920 W，液料比分別為10∶1，15∶1，20∶1，25∶1，30∶1 (mL/g)的條件下，考察液料比對零余子粗多糖得率的影響。

(3) 提取時間對粗多糖得率的影響：在超聲功率920 W，液料比為15∶1(mL/g)，超聲時間分別為5，15，25，35，45 min的條件下，考察超聲時間對零余子粗多糖得率的影響。

1.2.4 響應面試驗設計 在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnkex試驗設計，以超聲功率、液料比、提取時間為影響因子，零余子粗多糖得率為響應值，進行響應面法優化零余子粗多糖的超聲波提取工藝。

1.2.5 數據處理 每個試驗進行3次重復，單因素試驗中利用origin 8.5作圖，優化試驗中利用Design-Expert 8.0.6軟件進行數據分析、統計及作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 超聲功率對粗多糖得率的影響 由圖1可知：在所選超聲功率范圍內，零余子粗多糖得率呈現出隨著超聲功率的增大而增加的趨勢。其中，當超聲功率在440～800 W變動，粗多糖得率的增幅較為微小，變化緩慢；當超聲功率超過800 W，零余子粗多糖得率增幅顯著。考慮到所使用儀器最大功率只有1 000 W，因此將超聲功率920 W設置為+1水平，將800 W設置為0水平。

2.1.2 液料比對粗多糖得率的影響 由圖2可知：在所選液料比的范圍內，零余子粗多糖得率隨著液料比的增加，呈現出先增加后降低的大致趨勢，其中在15∶1(mL/g)左右達到最大值。可能是溶劑不斷增多，利于零余子多糖的溶出；隨著溶劑繼續增加，零余子多糖在巨大的空化作用下開始水解，導致其含量降低。因此，將液料比擬定在15∶1(mL/g)左右，這個結果與官波等[22]對山藥多糖提取工藝的優化結果相似。

圖1 超聲功率對得率的影響

圖2 液料比對得率的影響

2.1.3 提取時間對粗多糖得率的影響 由圖3可知：在所選提取時間的范圍內，零余子粗多糖得率呈現出先增加后降低的趨勢。其中，提取時間在5 min到10 min，粗多糖得率急劇上升；在時間為15 min左右達到最大值。可能是隨著提取時間的延長，零余子多糖的溶出逐漸增多；當超聲時間繼續延長，零余子多糖反而被降解，導致粗多糖得率降低。因此，將提取時間擬定在15 min左右。

圖3 提取時間對得率的影響

2.2 超聲波輔助提取零余子粗多糖工藝的優化

2.2.1 響應面分析因素水平的選取 在單因素試驗結果的基礎上，根據Box-Behnken的中心組合設計原理，綜合考慮單因素影響試驗的結果，選取液料比、超聲功率與提取時間為影響因子，采用三因素三水平的響應面分析方法，各因素的水平及編碼見表1。

表1 零余子粗多糖提取響應面分析因素水平表

Table 1 Factors and levels of Box-Benhnken design test on extraction conditions of crude Polysaccharide from bulbils

編碼水平X1液料比(mL/g)X2超聲功率/WX3提取時間/min-11068050158001512092025

2.2.2 響應面分析方案及結果 根據Box-Behnken的中心組合設計原理，試驗方案及結果見表2。

利用軟件Design expert 8.0.6，以零余子粗多糖得率為響應值進行分析，經回歸擬合后得出，各影響因子對響應值的影響可用式(2)函數表示，回歸分析見表3。

(2)

由表3可知，回歸模型具有較高的F值(F=18.59)和極低的P值(P=0.000 4)，模型顯著性良好。其中，X1(液料比)、X3(提取時間)對響應值影響極顯著，X2(超聲功率)在所選范圍內對響應值無顯著影響；對于3個影響因子的交互作用，只有X1、X3交互作用明顯，顯著影響零余子粗多糖得率。本試驗結果中，決定系數(R2)為0.959 9，表明此模型下零余子粗多糖得率的實驗值與預測值具有較好的一致性[23]，調整決定系數(adj-R2)為0.908 2說明零余子粗多糖得率總變異中大約90.82%是由獨立變量決定的；另外，失擬項的F值為4.84，P值為0.080 8，相對于純誤差不顯著，因此，回歸模型具有更高的適合度[24]。

表2 響應面分析方案及試驗結果

表3 回歸分析結果?

? 決定系數R2=0.959 9，調整決定系數adj-R2=0.908 2；**表示P<0.01極顯著，*表示P<0.05顯著。

2.2.3 響應面圖與等值線圖分析 根據回歸模型繪制相應響應曲面圖與等值線圖，分析各參數對零余子粗多糖得率的影響，結果見圖4～6。其中，由圖4可知，超聲功率對零余子粗多糖得率的影響不明顯，而得率隨著相應的液料比從-1水平到+1水平變化，呈現出增加的趨勢，可能是溶劑含量的增大，加速了多糖的溶出，致使得率提高。但液料比不宜過大，當液料比接近+1水平，零余子粗多糖得率下降，可能是水分含量增加，部分多糖開始降解。由圖5可知，液料比與提取時間兩個因子在所取水平內，粗多糖得率呈現出先增加后降低的整體趨勢，對零余子多糖得率影響顯著，二者交互作用明顯。可能是隨著時間的延長，零余子多糖的溶出逐漸增多；當時間超過15 min，多糖逐漸降解，致使粗多糖得率下降。圖6與圖4相似，表明超聲功率對零余子粗多糖得率影響不顯著，而超聲時間的延長，導致粗多糖得率先增加后降低。

利用Design expert軟件，結合回歸模型與響應面與等值線圖分析得出零余子粗多糖超聲波提取的最佳工藝條件為：料液比17.8∶1(mL/g)、超聲功率760.4 W、超聲時間22.9 min。該條件下，預測零余子粗多糖得率可達61.94%。

2.3 驗證實驗結果

考慮到實際操作的方便性，將最佳提取工藝調整為：料液比18∶1(mL/g)、超聲功率760 W、提取時間23 min。在修正后的優化工藝條件下，平行實驗3次，得出零余子粗多糖得率為60.68%，與預測值相對誤差為2.03%，表明預測值與實驗值存在較好的一致性，說明本回歸模型準確且較為可靠，具有一定的應用價值。

圖4 液料比與超聲功率交互作用對零余子粗多糖得率的影響

圖5 液料比與提取時間交互作用對零余子粗多糖得率的影響

圖6 超聲功率與提取時間交互作用對零余子粗多糖得率的影響

3 結論

在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken設計試驗，以液料比、超聲功率與提取時間為影響因子，零余子粗多糖得率為響應值，進行響應面法優化零余子粗多糖的超聲波提取工藝，得出最佳提取工藝條件為：料液比18∶1(mL/g)、超聲功率760 W、提取時間23 min。在此優化條件下，預測得率達到61.94%。驗證實驗表明，預測值與實驗值存在較好的一致性，此回歸模型重復性較好，對于優化零余子多糖的超聲波法提取工藝是合理的，在零余子綜合利用方面具有一定的應用價值。

研究結果顯示，超聲波輔助水提取可以提高零余子粗多糖得率，具有較大應用前景。然而，該法得出的多糖為粗多糖，含有蛋白質、核酸及無機鹽等雜質，零余子粗多糖的純化、結構鑒定以及純化后多糖的抗氧化、降血脂、抗疲勞等生物活性有還待深入研究。另外，多糖結構復雜，不同的提取方式可能在一定程度上影響活性功能，因此，研究提取方式對零余子多糖的生物活性影響亦具有重要意義。

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Optimization on ultrasound-assisted extraction process of crude polysaccharide from bulbil

REN Jia-li1,2HUANGRen-gui1LIZhong-hai1,2

(1.CollegeofFoodScienceandEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforRiceandBy-productDeepProcessing,Changsha410004,China)

Response surface analysis was proposed to optimize the ultrasound-assisted extraction process of crude polysaccharides from bulbils. The effects of solid-liquid ratio, ultrasonic power and extraction time on crude polysaccharide yield were investigated by single factor experiments. Response surface analysis was carried out by using the crude polysaccharide yield as response value and the box Behnken method to design the experiments. The optimum extraction conditions were obtained as follows: solid-liquid ratio, 18∶1 (mL/g), ultrasonic power, 760 W; extraction time, 23 min and the crude polysaccharides yield could be up to 60.68%, which agreed with the predicted value (the relative error is 2.03%). The results demonstrated that it is reasonable and practicable to optimize the ultrasonic extraction process using response surface methodology.

crude polysaccharide; bulbil; ultrasonic

國家自然科學基金(編號：31340059)；糧油深加工與品質控制湖南省2011協同創新項目(編號：湘教通〔2013〕448號)

任佳麗(1977—)，女，中南林業科技大學副教授，博士。

E-mail: rjl_cl@163.com

2016-06-06