響應面法優化提取竹屑多糖的工藝研究

許子競，舒群威，羅樹常

（貴州工程應用技術學院天然產物中心，貴州畢節551700）

響應面法優化提取竹屑多糖的工藝研究

許子競，舒群威，羅樹常

（貴州工程應用技術學院天然產物中心，貴州畢節551700）

以竹屑為原料，利用響應面法對竹屑多糖的提取工藝條件進行優化。在單因素試驗的基礎上，選取提取溫度、提取時間、液料比為影響因子，以多糖得率為響應值，根據Box-Behnken中心組合試驗設計原理，采用三因素三水平的響應面分析法，建立二次回歸模型，研究各變量交互作用及其對竹屑多糖得率的影響。結果表明，通過方差分析可知各因素對竹屑多糖提取率影響的大小依次為提取溫度、時間、料液比。竹屑提取多糖的最佳工藝條件為：浸提溫度78℃、浸提時間21min、料液比1∶16（g/mL），在此條件下竹屑多糖提取率可達3.1809%，與模型預測值3.1812%高度相符。

竹屑多糖；響應面分析法；提取；優化

我國毛竹資源十分豐富，素有竹子“王國”的美稱。毛竹在我國具有悠久的藥用和食用歷史，如竹茹，其味甘，性微寒，具有清熱化痰、除煩止嘔的功效；竹子除藥用之外，竹材加工業也得到迅速的發展。毛竹是竹制品生產加工的主要原料，如加工竹筷、竹涼席、竹地板等，但在加工過程中，產生了大量的諸如竹屑狀的廢棄物，據統計，全國竹加工業每年產生這樣的廢棄物多達4千多萬t，而這種廢棄物大部分作為廢物丟掉[1-2]。研究表明，竹材細胞壁中含有大量的水溶和不水溶性膳食纖維，多糖是水溶性纖維組成的主要成分[3-4]，而目前對竹材水溶性纖維—多糖的提取工藝和活性研究鮮有報道。因此，本文采用響應面優化法（Response Surface Methodology，RSM），對竹屑多糖（Bamboo Chip Polysaccharides，BCP）提取工藝進行研究，對竹材加工產生的廢棄物，再度開發利用，探索竹資源的新用途，具有十分重要的意義[5]。

本試驗采用超聲波輔助純化水提取BCP，此工藝具有方便、快速、低耗等優點，同時利用響應面分析法對BCP提取工藝條件進行優化[6]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

竹屑：貴州赤水竹涼席加工公司；純化水：貴州工程應用技術學院天然產物中心實驗室制備。

丙酮、無水乙醇、甲醇、葡萄糖、苯酚、濃硫酸等：分析純。

1.2 主要儀器

TDL-5C臺式離心機：上海安亭科學儀器廠；2102PCS紫外-可見分光光度計：尤尼科（上海）儀器有限公司；AL204電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；BSZ-100B旋轉蒸發儀：上海亞榮生化有限公司。

2 試驗方法

2.1 竹屑多糖提取工藝流程

毛竹竹屑→陰干恒重→粉碎→稱重→無水乙醇脫除色素→超聲波輔助水提取3次→合并提取液→定容體積→苯酚-硫酸顯色→紫外光下檢測→計算提BCP的提取得率

2.2 工作曲線和回歸方程

精密稱取標準葡萄糖白色粉末0.050 0 g至500 mL容量瓶中，加入蒸餾水定容，搖勻待用。分別吸取上述葡萄糖標準液（100 μg/mL）1、2、3、4、5、6、7 mL到10 mL容量瓶中，加水定容，然后分別移取1 mL于7支試管中，各加入5%苯酚溶液1mL和4mL濃硫酸，充分搖勻，靜置30 min，冷卻至室溫。以蒸餾水為參比，在UV（紫外）490 nm波長處測各管的Abs（吸收峰）值，以葡萄糖濃度C為橫坐標，以吸光度值A為縱坐標繪制標準曲線，回歸方程為A=0.010 6C＋0.147 2，R2=0.999 5。

2.3 樣品中多糖化合物含量的測定

準確稱取樣品2.000 g于250 mL三角瓶中，超聲提取3次，抽濾，合并濾液，定容至100 mL容量瓶中，搖勻。移取25 mL于50 mL的容量瓶中進行稀釋2倍，竹屑多糖類化合物的產率計算為：

式中：C為供試液中葡萄糖濃度，mg/mL；D為多糖的稀釋因素，mL；f為換算因子，1.312；W為供試竹屑樣品的重量，mg。

3 結果與討論

3.1 BCP提取的單因素試驗

影響BCP提取的因素很多，本試驗主要討論提取溫度、時間和料液比三因素對BCP提取率的影響。

3.1.1 時間的影響

固定提取溫度75℃、料液比1∶15（g/mL），研究時間對BCP提取的影響，見圖1。

圖1 時間對BCP提取率的影響Fig.1Effect of time on BCP yield

從圖1可知，時間對BCP的提取率有明顯的影響，從6 min～16 min，BCP的提取得率幾乎線性上升，而從16 min后提取率略有下降，說明提取16 min比較適宜。

3.1.2 溫度的影響

固定提取時間16 min、料液比1∶15（g/mL），研究溫度對BCP提取的影響，見圖2。

圖2 溫度對BCP提取率的影響Fig.2Effect of different temperature on BCP yield

從圖2可知，溫度對BCP的提取率的影響比較顯著，從45℃～75℃，BCP的提取得率達到最大，而從75℃后提取率開始略有下降，說明75℃提取較適宜。

3.1.3 料液比的影響

固定提取溫度75℃、提取時間16 min，研究料液比對BCP提取的影響，見圖3。

從圖3可知，料液比從1∶5（g/mL）提高到1∶15（g/mL），BCP的提取率逐漸升高，而隨著料液比增加，BCP的提取率略有下降，說明料液比在1∶15（g/ mL）時，BCP的提取較適宜。

3.1.4 提取次數的影響

批次料以提取溫度75℃、時間16 min，第1次提取料液比1∶6（g/mL），后3次提取料液比1∶4（g/mL），提取3批次，每批次提取率如表1。

圖3 料液比對BCP提取率的影響Fig.3Effect of radio of solid to liquid on BCP yield

表1 提取次數對BCP提取率的影響Table 1Effect of extraction times on BCP yield

由表1可知，批次試驗中，提取率隨提取次數增加，提取率逐漸減少，第4次提取率占批次總提取率＜2%，說明每批次料提取3次比較合適。

3.2 響應面分析法對BCP提取工藝的優化

3.2.1 響應面分析因素的選擇

運用SAS 8.1軟件程序，根據Box-Behnken的中心組合試驗設計原理[7-8]，綜合上面單因素的試驗結果，以提取溫度、提取時間和料液比為三影響因素，采用三因素三水平的響應面分析方法，試驗因素與水平設計見表2。

表2 響應面分析因素與水平Table 2Analytical factors and levels for RSM

3.2.2 響應面分析

分別對提取時間（X1）、提取溫度（X2）和料液比（X3）作變換：設X1=（Z1-20）/4，X2=（Z2-75）/10，X3=（Z3-15）/5，以X1、X2、X3為自變量，BCP的提取率為響應值（Y），試驗方案及結果如表3，回歸模型方差分析及模型系數顯著性檢驗表4。

表3中，1～12是析因試驗，13～15是中心試驗。15個試驗點分為析因點和零點，其中析因點為自變量取值在所構成的三維頂點，零點為區域的中心點，零點重復3次，用以估計試驗的誤差。用SAS RSREG程序對所得數據進行回歸分析，分析結果見表4，響應面和等高線圖見4～6圖。各因素經回歸擬合，得回歸方程：

表3 Box-Behnken中心組合設計方案及試驗結果Table 3Box-Behnken experiment design and the results of the experiments

表4 回歸模型方差分析及模型系數顯著性檢驗Table 4Analysis of variances and significance test of coefficients for the created regression model

圖4 Y=f（X1、X2）的響應面與等值線圖Fig.4Responsive surfaces and contours of Y=f（X1，X2）

圖5 Y=f（X1、X3）的響應面與等值線圖Fig.5Responsive surfaces and contours of Y=f（X1，X3）

圖6 Y=f（X2、X3）的響應面與等值線圖Fig.6Responsive surfaces and contours of Y=f（X2，X3）

從表4回歸分析可以看出，模型回歸異極顯著。一次項X1、X2、X3對BCP提取率的影響極顯著，三因素影響順序為X2＞X1＞X3（以P值及F值的大小判斷），二次項X1X1、X2X2、X3X3對BCP提取率的影響極顯著，交互項對BCP提取率的影響極顯著。回歸方程的F值為805.43，P＜0.001，且失擬誤差的P值為0.000 1，極顯著，這說明，利用響應面法擬合得到的試驗模型極顯著，按照擬合模型得到的回歸方程，考察其因變量與自變量之間的線性相關系數，r=99.81%/99.93%=0.998 8，表明用該數學模型來評估各相關因素對BCP提取率的影響可信度較高。

圖4～圖6直觀地反映了各因素對響應值Y的影響，給出了各個因子交互作用的響應面的3D和等值線分析圖。從響應面的最高點和等值線可以看出，在所選的范圍內存在極值，既是響應面的最高點，同時也是等值線最小橢圓的中心點。

為了進一步確定最佳點的值，對回歸方程取一階偏導數得：

解方程組得：X1=0.239 4，X2=0.341 3，X3=0.188 0代入方程（1）得：Z1=20.957 6，Z2=78.413，Z3=15.94，即BCP的最佳提取時間：20.957 6 min，提取溫度：78.413℃，料液比：1∶15.94（g/mL），在此條件下，BCP的理論值可達3.181 2%。

考慮到實際情況，將最佳條件修正為提取時間21 min，提取溫度78℃，料液比1∶16（g/mL），BCP的提取率為：3.180 9%。

4 結論

本試驗以水為溶劑，超聲波輔助提取竹屑多糖，探索了提取溫度、提取時間、液料比對竹屑多糖提取率的影響，經單因素和響應面試驗，得出竹屑多糖的最佳工藝為：提取溫度78℃、提取時間21 min、液料比1∶16（g/mL），竹屑多糖的提取率為3.180 9%，與預測值3.181 2%高度相符，并得到竹屑多糖得率與提取各因素變量的二次方程模型，該模型回歸極顯著，對試驗擬合較好，說明模型方程能很好地反應真實的試驗值，有一定應用價值。

[1]周建鐘,馮炎龍,劉力,等.竹青竹黃的化學成分及綜合利用[J].林產化工通訊,2003(2)：8-10

[2]潘天林.毛竹的開發利用[J].現代農業科技,2013(4)：187

[3]張雪,李焱,陶文亮,等.毛竹竹屑多糖的抗氧化活性研究[J].食品科技,2015,40(2)：243-245

[4]黃曹興,何娟,閔斗勇,等.毛竹竹青和竹黃半纖維素的提取與結構表征[J].林產化學與工業,2015,35(5)：29-33

[5]黃曹興,何娟,閔斗勇,等.毛竹竹青和竹黃細胞壁中阿魏酸和對香豆素定量分析[J].林產化學與工業,2016,36(3)：16-22

[6]趙志剛,宣麗英,李志英,等.響應面法優化超聲輔助提取夏枯草多糖工藝[J].食品研究與開發,2016,37(12)：91-95

[7]WU C F J,HAMADA M.試驗設計與分析及參數優化[M].北京：中國統計出版社,2002：341-382

[8]Box G E P,Hunter W G.Statistics for Experiments：An Introduction to Design,Data Analysis and Model Building[M].New York：Wiley, 1978

Optimization of the Extraction Technique of Bamboo Chip Polysaccharide by Response Surface Methodology

XU Zi-jing，SHU Qun-wei，LUO Shu-chang
（Center of Natural Products，Guizhou University of Engineering Science，Bijie 551700，Guizhou，China）

In order to optimize the conditions of extraction method of polysaccharides from bamboo chip，based on the experiment of single factor，a three-factor-three-level test was employed for the analysis of variance of the factorial parameters（extraction temperature，extraction time and ratio of solid to liquid）and their interaction on extraction rate.The mathematical regression model was established by employing Box-Behnken Design（BBD）of response surface methodology（RSM）.The polysaccharides yield was taken as the response of the designed experiments.The results indicated the importance of three process parameters affecting extraction yield of polysaccharides order were extraction temperature，extraction time and ratio of solid to liquid.The optimum extraction conditions of polysaccharides from bamboo chip were as follows：extraction temperature 78℃，extraction time 21 min and ratio of solid to liquid 1∶16（g/mL）.The extraction yield of polysaccharides of bamboo chip could be up to 3.180 9%，exhibiting a good agreement with the predicted values 3.181 2%.

bamboochippolysaccharides（BCP）；responsesurfacemethodology（RSM）；extraction；optimization

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.09.016

2016-08-12

貴州省科技廳、市科技局學校聯合基金LH[2016]7059號；貴州省畢節市2016年科學發展計劃基金[2016]32號

許子競（1970—），男（漢），副教授，博士，研究方向：天然產物提取分離。