響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取佛手瓜多糖工藝

陳健旋

漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品與生物工程系;農(nóng)產(chǎn)品深加工及安全福建省高校應(yīng)用技術(shù)工程中心,福建 漳州 363000

響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取佛手瓜多糖工藝

陳健旋

漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品與生物工程系;農(nóng)產(chǎn)品深加工及安全福建省高校應(yīng)用技術(shù)工程中心,福建 漳州 363000

本文以佛手瓜為原料，采用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取佛手瓜多糖。在單因素試驗基礎(chǔ)上，運用Box-Behnken中心組合實驗和響應(yīng)面法考察了液料比、超聲功率、超聲溫度、超聲時間四個因素對佛手瓜多糖得率的影響，并優(yōu)化了提取工藝。結(jié)果表明最佳的工藝條件為：液料比30 mL·g-1、超聲功率245 W、超聲溫度65℃，超聲40 min。在此條件下佛手瓜多糖得率的預(yù)測值為3.319%，驗證實驗值為3.288%，其相對誤差為0.934%。

佛手瓜;超聲;多糖

佛手瓜（Sechium edule(Jacq.)Swartz）原產(chǎn)于西印度群島、墨西哥及中美洲熱帶，是葫蘆科梨瓜屬的一種珍稀瓜類蔬菜，于19世紀(jì)初傳入我國，目前在我國的廣東、福建、浙江、云南、山東等地有大量的種植[1,2]。佛手瓜生命力旺盛，適應(yīng)性強，是一種優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的“無公害”蔬菜。佛手瓜營養(yǎng)豐富，富含人體所需胡蘿卜素及鎂、鐵、磷、鈣、鋅等多種礦物質(zhì)，還含有各種氨基酸等天然活性物質(zhì)，具有極大的開發(fā)前景[3,4]。多糖是生命有機體的重要組成部分，參與各種生命功能活動，具有降血脂、降血糖、降血壓、抗疲勞、抗衰老、抗氧化、活血抗栓、增強免疫、增強骨髓造血機能等多種活性[5,6]。目前，尚未有佛手瓜多糖提取的報道，而利用超聲輔助佛手瓜多糖的提取更是未見報道，超聲波具有空化效應(yīng)，可促進植物細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)與溶劑之間的擴散與溶解，可有效地提高被提取物的收率[7,8]。本文在單因素實驗的基礎(chǔ)上，利用超聲波輔助對佛手瓜多糖進行提取，并對實驗工藝進行響應(yīng)面分析得到了最佳的提取工藝，為佛手瓜多糖的進一步研究與開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

佛手瓜，購于漳州菜市場。乙醇、正丁醇、氯仿、濃硫酸、葡萄糖、苯酚、石油醚、乙醚等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

BSA124S電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；UV-1800PC-DS2紫外可見分光光度計，上海美譜達(dá)儀器有限公司；SCQ-3201E超聲波清洗機，上海聲彥超聲波有限公司；LGJ10-C冷凍干燥機，北京四環(huán)科學(xué)儀器廠；Q-250B高速多功能粉碎機，上海冰都電器有限公司；GZX-9070MBE數(shù)顯鼓

1.3 試驗方法

風(fēng)干燥箱，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.3.1 佛手瓜多糖含量的測定 采用苯酚—硫酸法[9]，以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)品，配制一系列濃度的葡萄糖溶液，在490 nm處測定吸光度，以吸光度Y為縱坐標(biāo)，葡萄糖溶液濃度X為橫坐標(biāo)、繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線并進行線性回歸，得到回歸方程。

測定所提取的待測液在490 nm下的吸光度，并代入回歸方程，得到多糖的濃度，并按下式計算得到多糖的得率。

1.3.2 超聲輔助提取佛手瓜多糖工藝 將市場采購的佛手瓜洗凈，切成條狀，自然晾干，后于冷凍干燥機中進行冷凍干燥，粉碎，過80目篩，并將篩后的佛手瓜置于無水乙醇中浸泡，過濾，用石油醚脫色、脫酯，后干燥備用。準(zhǔn)確稱取一定量備用的佛手瓜粉末，裝入250 mL燒瓶中，置于超聲反應(yīng)器中，按設(shè)置的工藝條件對佛手瓜多糖進行提取，提取結(jié)束后，加入Sevage試劑去除蛋白質(zhì)，并分離除去有機溶劑，過濾去渣、減壓濃縮，定容，按1.3.1中的方法進行計算多糖得率。

1.3.3 單因素實驗

1.3.3.1 液料比對多糖得率的影響 稱取一定量的佛手瓜粉末于250 mL的燒瓶中，在超聲功率240 W，超聲溫度60℃，超聲時間40 min的條件下，考察不同液料比（15、20、25、30、35、40 mL·g-1）對多糖得率的影響。

1.3.3.2 超聲功率對多糖得率的影響 稱取一定量的佛手瓜粉末于250 mL的燒瓶中，在液料比30 mL·g-1，超聲溫度60℃，超聲時間40 min的條件下，考察不同超聲功率（180、200、220、240、260、280 W）對多糖得率的影響。

1.3.3.3 超聲溫度對多糖得率的影響 稱取一定量的佛手瓜粉末于250 mL的燒瓶中，在液料比30 mL·g-1，超聲功率240 W，超聲時間40 min的條件下，考察不同超聲溫度（40、50、60、70、80、90℃）對多糖得率的影響。

1.3.3.4 超聲時間對多糖得率的影響 稱取一定量的佛手瓜粉末于250 mL的燒瓶中，在液料比30 mL·g-1，超聲功率240 W，超聲溫度60℃，的條件下，考察不同超聲時間（10、20、30、40、50、60 min）對多糖得率的影響。

1.4 試驗設(shè)計

根據(jù)單因素實驗的結(jié)果，以多糖得率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken實驗設(shè)計，選擇液料比（A）、超聲功率（B）、超聲溫度（C）、超聲時間（D）為工藝參數(shù)，運用Design Expert 8.05b軟件進行四因素三水平響應(yīng)面優(yōu)化實驗，建立預(yù)測模型，其因子編碼及水平如表1。

表1 響應(yīng)面分析因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface methodology

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 液料比對佛手瓜多糖得率的影響 如圖1所示，隨著液料比的增加，佛手瓜多糖的得率逐漸增大，當(dāng)液料比達(dá)到30 mL·g-1時，得率達(dá)到最大，繼續(xù)增加液料比，多糖得率反而下降，這是因為液料比較小時，溶劑無法充分浸透，使得多糖得率較低，隨著液料比的增大，溶劑與佛手瓜顆粒間的濃度梯度增大，增大了多糖從顆粒內(nèi)部向溶劑主體的擴散系數(shù)，使得多糖得率增大，當(dāng)液料比超過30 mL·g-1后，溶劑用量過大，溶劑會消耗超聲產(chǎn)生的能量[10]，而使得多糖得率下降。因此，最佳的液料比選擇為30 mL·g-1。

圖1 液料比對多糖得率的影響Fig.1 Effect of liquid-material ratio on yield of Polysaccharides

圖2 超聲功率對多糖得率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on yield of Polysaccharides

2.1.2 超聲功率對佛手瓜多糖得率的影響 如圖2所示，隨著超聲功率的增大，佛手瓜多糖得率逐漸增加，當(dāng)超聲功率達(dá)到240 W時，多糖得率達(dá)到最大，繼續(xù)增大超聲功率，多糖得率反而下降。這是因為隨著超聲功率的增加，超聲產(chǎn)生的機械剪切、空化效應(yīng)等作用加強促進了溶劑與佛手瓜顆粒的浸潤，加速了多糖從佛手瓜顆粒內(nèi)部的溶出，使得多糖得率增大，但當(dāng)超聲功率超過240 W時，過高的超聲功率會使得溶劑局部瞬間地升溫而造成多糖分子鏈的斷裂與破壞[11]，而造成得率的下降。因此最佳的超聲功率選擇為240 W。

2.1.3 超聲溫度對佛手瓜多糖得率的影響 如圖3所示，隨著超聲溫度的升高，佛手瓜多糖的得率逐漸增大，當(dāng)超聲溫度到達(dá)60℃時，佛手瓜多糖得率達(dá)到最大值，繼續(xù)升高超聲溫度，多糖得率反而又下降，這是因為隨著超聲溫度的升高，多糖與溶劑的分子熱運動增強，促進了二者之間的擴散與交換，且溫度的升高，促進了多糖在溶劑中的溶解，從而使得多糖得率的增加，但當(dāng)超聲溫度超過60℃時，溫度過高，會導(dǎo)致部分多糖的降解與破壞[12]，從而使得多糖得率的下降。因此最佳的超聲溫度選擇為60℃。

圖3 超聲溫度對多糖得率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on yield of Polysaccharides

圖4 超聲時間對多糖得率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic time on yield of Polysaccharides

2.1.4 超聲時間對佛手瓜多糖得率的影響 如圖4所示，隨著超聲時間的延長，佛手瓜多糖得率逐漸增大，當(dāng)超聲時間達(dá)到60 min時，多糖得率達(dá)到最大，繼續(xù)增加超聲時間，多糖得率反而下降。這是因為隨著超聲時間的延長，促進了溶劑與佛手瓜顆粒內(nèi)部多糖的溶解與擴散，而使得多糖得率增大，但超聲時間過長，長時間的超聲作用，會使得多糖分子鏈的斷裂及降解[13]，從而導(dǎo)致多糖得率的下降。因此最佳的的超聲時間選擇為50 min。

2.2 響應(yīng)優(yōu)化佛手瓜多糖提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果 采用Box-Behnken中心組合實驗設(shè)計，用自變量A、B、C、D表示液料比（mL·g-1）、超聲功率（W）、超聲溫度（℃）、超聲時間（min）四個影響因素，以多糖得率為響應(yīng)值（Y）。利用Design Expert 8.05b軟件對試驗結(jié)果進行響應(yīng)面分析，得到回歸模型參數(shù)和方差分析，其結(jié)果見表2，表3。

表2 響應(yīng)曲面設(shè)計方案及實驗結(jié)果Table 2 Experiment design and result of response surface method

表3 佛手瓜多糖提取參數(shù)回歸分析結(jié)果Table 3 Regression analysis results of extraction parameter of Polysaccharides

利用Design-Expert 8.05b軟件對液料比（A）、超聲功率（B）、超聲溫度（C）、超聲時間（D）四個因素對佛手瓜多糖得率（Y）進行響應(yīng)面分析，建立四元二次回歸方程：Y=3.21-0.018A+0.26B+0.29C+0.053D-0.044AB+0.00775AC+0.014AD-0.025BC+0.00625BD-0.066CD -0.37A2-0.47B2-0.28C2-0.18D2；由表3的方差分析可以看出，該回歸模型P＜0.01，說明回歸模型達(dá)到極顯著水平，失擬項P=0.067＞0.05，差異不顯著，表明該未知因素對試驗結(jié)果干擾較小，殘差均由隨機誤差所引起。該模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.9698，表明有96.98%的實驗值可用預(yù)測值來代替，說明該模型擬合度好，實驗誤差小。根據(jù)P值及F值可看出，影響因子的主效應(yīng)主次順序為：超聲溫度＞超聲功率＞超聲時間＞液料比。一次項A、D，交互項AB、AC、AD、BD、CD對試驗結(jié)果影響不顯著（P＞0.05）；一次項B、C，二次項A2、B2、C2、D2對試驗結(jié)果影響極顯著（P＜0.01），說明各工藝條件與佛手瓜多糖得率之間不是簡單的線性關(guān)系，而是一種非線性關(guān)系。綜上所述，該模型擬合度高，可用該回歸模型來描述各工藝參數(shù)與響應(yīng)值之間的真實關(guān)系，因此可用該模型預(yù)測超聲輔助提取佛手瓜多糖的工藝條件。

2.2.2 響應(yīng)面分析 對表2的結(jié)果作響應(yīng)面及等高線圖，圖中表示A、B、C、D四因素中任意兩個變量取零水平時，另兩個變量對多糖得率的交互影響，如圖5～10。從圖中可以看出，超聲溫度和超聲功率的曲線較陡，說明超聲溫度和超聲功率對多糖得率的影響最為顯著；而超聲時間和液料比的曲線均較平緩，響應(yīng)值變化較小，說明超聲時間和液料比對多糖得率的影響較不顯著。由圖及分析可知，主次因素順序為超聲溫度＞超聲功率＞超聲時間＞液料比。

圖5 液料比和超聲功率對多糖得率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots for the effect of liquid-material ratio and ultrasonic power on yield of Polysaccharides

圖6 液料比和超聲溫度對多糖得率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots for the effect of liquid-material ratio and ultrasonic temperature on yield of Polysaccharides

圖7 液料比和超聲時間對多糖得率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots for the effect of liquid-material ratio and ultrasonic time on yield of Polysaccharides

圖8 超聲功率和超聲溫度對多糖得率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.8 Response surface and contour plots for the effect of ultrasonic power and ultrasonic temperature on yield of Polysaccharides

圖9 超聲功率和超聲時間對多糖得率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.9 Response surface and contour plots for the effect of e ultrasonic power and ultrasonic time on yield of Polysaccharides

圖10 超聲溫度和超聲時間對多糖得率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.9 Response surface and contour plots for the effect of ultrasonic temperature and ultrasonic time on yield of Polysaccharides

2.2.3 提取工藝優(yōu)化及驗證實驗 根據(jù)四元二次回歸模型，在所選取的各工藝條件范圍內(nèi)，通過Design Expert 8.05b軟件對回歸模型進行分析處理，得到超聲波輔助提取佛手瓜多糖的最佳條件為：液料比29.83 m L·g-1、超聲功率245.23 W、超聲溫度65.06℃、超聲時間40.61 min，在此條件下，回歸模型所預(yù)測的最大多糖得率為3.319%。考慮到實際操作條件，將工藝條件修正為：液料比30 m L·g-1、超聲功率245 W、超聲溫度65℃，超聲40 min。在此條件下進行三次平行驗證實驗，實際測得佛手瓜多糖得率為3.287%、3.282%、3.295%，平均值為3.288%，相對偏差為0.656%，與理論預(yù)測值相比，其相對誤差為0.934%，說明回歸模型擬合度高，證明了回歸模型的可靠性。

3 結(jié)論

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，采用超聲輔助法提取佛手瓜多糖，并對多糖的提取參數(shù)進行四因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化，建立了響應(yīng)值和各個因素之間的四元二次回歸方程：

Y=3.21-0.018A+0.26B+0.29C+0.053D-0.044AB+0.00775AC+0.014AD-0.025BC+0.00625BD-0.066C D-0.37A2-0.47B2-0.28C2-0.18D2

依據(jù)此數(shù)學(xué)模型確定了超聲輔助提取佛手瓜多糖的最佳工藝參數(shù)為：液料比30 m L·g-1、超聲功率245 W、超聲溫度65℃，超聲40 min。在此條件下進行三次平行驗證實驗，實際測得佛手瓜多糖得率的平均值為3.288%，與理論預(yù)測值相比，其相對誤差為0.934%，說明回歸模型擬合度高，證明了回歸模型的可靠性，對佛手瓜多糖提取的工業(yè)化有一定的應(yīng)用價值。

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Polysaccharides Extracted from Sechium edule(Jacq.)Swartz by Response Surface Methodology with Ultrasonic Optimization

CHEN Jian-xuan
Applied Technology Engineering Center of Fujian University for Further Processing and Safety of Agricultural Products, Department of Food and Biology Engineering/Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000,China

The ultrasonic-assisted extraction conditions of Polysaccharides from Sechium edule(Jacq.)Swartz were optimized by response surface methodology.Based on the single-factor experiments,the effects of four variables on Polysaccharides yield and the optimum process were evaluated by Box-Behnken central composite experimental design and response surface methodology analysis.The results showed the optimum conditions were the ratio of liquid-to-material 30 mL·g-1,ultrasonic power 245 W,ultrasonic temperature 65℃,ultrasonic time 40 min,under these optimized conditions the yield of polysaccharides could be up to 3.288%and the relative error was 0.934%.

Sechium edule(Jacq.)Swartz;Ultrasonic;Polysaccharide

TS255;R93

:A

:1000-2324(2017)02-0171-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2017.02.003

2015-05-26

:2015-06-12

福建省中青年教師教育科研項目(JB14182)

陳健旋(1964-),女,副教授,主要從事食品生物技術(shù)研究.E-mail:cjxsp@126.com