響應面法優化超聲波輔助提取燕麥麩皮多糖工藝的研究

劉少娟，劉會平，*，趙范，孫娜新，李委紅

（1.天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津300457；2.保齡寶生物股份有限公司，山東德州251200）

響應面法優化超聲波輔助提取燕麥麩皮多糖工藝的研究

劉少娟1，劉會平1，*，趙范2，孫娜新1，李委紅1

（1.天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津300457；2.保齡寶生物股份有限公司，山東德州251200）

采用響應面法對燕麥麩皮多糖超聲波輔助提取工藝進行了優化研究。在4個單因素試驗基礎上，選取超聲溫度、pH值、超聲時間和超聲波功率作為考察因素，以燕麥麩皮多糖提取得率作為評價指標，利用響應面法考察4個不同因素及其交互作用對燕麥麩皮多糖提取得率的影響。試驗結果表明，燕麥麩皮多糖的最佳提取工藝條件為：超聲溫度為66℃，pH值為9.2，超聲時間為21 min和超聲波功率為401 W。在此工藝參數的條件下提取了3批燕麥麩皮，多糖的平均提取得率為（7.48±2.6）%（n=3）。

燕麥麩皮多糖；超聲波輔助提取；響應面法

燕麥（Avena sativaL.）作為禾木科燕麥屬一年生草本植物，是一種重要的糧食作物，被公認為人類的“健康食品”。燕麥的副產品是燕麥麩皮，經常在現實生活中當作動物飼料或者直接被丟棄，使得資源不能被充分利用。β-葡聚糖是燕麥麩皮多糖的主要組成成分，具有多種生理調節作用。β-葡聚糖具有降膽固醇[1-2]、降血糖[3]、降血脂[4-5]、抗腫瘤[6-7]和免疫調節作用[8]等多種活性。超聲波輔助提取作為一種進步的提取方式，可以產生機械破碎、空化作用和熱學機制的機理[9]。一方面，超聲波輔助提取法利用超聲波的空化效應形成強大沖擊波或高速射流，對提取的植物細胞組織產生物理剪切力作用，破碎了植物細胞壁，使細胞內部可溶性成分流出來，因此提高了成分的提取效率；另一方面，超聲波輻射出的多重效應包括熱效應、凝結作用、生物效應和化學作用等，能夠加快有效成分的擴散速度，增加溶劑和活性成分的接觸，提高活性成分的提取率[10]。超聲提取是利用高頻率的聲波破碎植物細胞壁使可溶性物質流出細胞外，從而更好地溶解在溶劑中。與傳統提取工藝相比較，超聲波輔助提取工藝擁有較高的提取率、便利的操作等多個優勢，已經普遍應用到多種植物提取的多糖工藝中[11-12]。本文以燕麥麩皮為試驗材料，以燕麥麩皮多糖提取得率作為評價指標，選取超聲溫度、pH值、超聲時間和超聲波功率這四個單因素試驗，綜合利用響應面法對燕麥麩皮多糖進行超聲波輔助優化提取的工藝參數進行優化，旨在找出提取燕麥麩皮多糖的最佳提取工藝參數，從而為燕麥麩皮β-葡聚糖資源的綜合使用及產業化生產提供現實參考意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

燕麥麩皮：石家莊凌峰農副產品開發有限公司；無水葡萄糖（CAS：50-99-7）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；苯酚（分析純）：天津市永大化學試劑有限公司；濃硫酸（分析純）：天津市化學試劑一廠。

1.2 儀器與設備

離心機（TDL-5-A）：上海安亭科學儀器廠；超聲細胞破碎機（JY92-Ⅱ）：寧波新芝生物科技股份有限公司；搖擺式高速中藥粉碎機（LK-1000A）：浙江省溫嶺市創立藥材器械廠；電子分析天平（MS204S）：梅特勤—托利多儀器（上海）有限公司；電熱恒溫水浴鍋（HWS26型）：上海一恒科學儀器有限公司；紫外可見分光光度計（10S UV-Vis）：美國Thermo賽默飛世爾科技（中國）有限公司。

1.2 方法

1.2.1 燕麥麩皮多糖提取工藝流程

燕麥麩皮→干燥→粉碎→過50目篩→乙醇回流滅酶→抽濾→烘干→熱水浸提→超聲波輔助提取→離心獲得上清液→去蛋白→去淀粉→濃縮→醇沉→離心→凍干→燕麥麩皮多糖粗品

1.2.2 葡萄糖標準曲線的制備

無水葡萄糖放置在105℃烘箱中直至烘干，準確稱取10.0 mg無水葡萄糖，用蒸餾水在100 mL容量瓶中定容，分別吸取 0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL 葡萄糖溶液，再用蒸餾水全部補至1.0 mL。依次向各個試管中加入5%苯酚溶液1 mL及濃硫酸溶液5 mL，在室溫下條件下靜止放置30 min于490 nm可見光波長處測定吸光度。用1 mL蒸餾水作為空白對照試驗，操作和以上所述一樣，測定其對應的吸光度值。橫坐標表示葡萄糖含量，縱坐標表示對應的吸光度值，繪制葡萄糖標準曲線，所得回歸方程為y=1.657 8x+0.031 8（R2=0.996）。

1.2.3 苯酚-硫酸法測定燕麥麩皮多糖提取液中多糖的含量

[13]采用硫酸-苯酚法測定燕麥麩皮中多糖提取液的多糖含量。以下為操作步驟：準確量取燕麥麩皮皮多糖提取液1 mL于10 mL試管中，再加入5%苯酚溶液1 mL和濃硫酸溶液5 mL，混合直至均勻，在室溫下條件下冷卻放置30 min于490 nm可見光波長處測定待測溶液的吸光度[14]。燕麥麩皮多糖提取得率公式如下：

燕麥麩批多糖提取率/%=（CV×稀釋倍數）/M×100

式中：C為檢測到的吸光度相對應的濃度，（mg/mL）；V為提取溶液的體積，mL；M為燕麥麩皮質量，mg。

1.2.4 單因素試驗

在單因素試驗中，選擇超聲溫度、pH值、超聲時間和超聲波功率為自變量，考察提取工藝中的各個因素對燕麥麩皮多糖提取得率所產生的影響。其中，超聲溫度選取 40、50、60、70、80 ℃ 5 個水平，pH 值選取6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 5 個水平，超聲時間選取 5、10、15、20、25 min 5 個水平，超聲波功率選取 300、400、500、600、700 W 5 個水平。

1.2.5 響應面試驗

綜合考慮各個單因素試驗的結果，試驗選取超聲波溫度（A，℃）、pH 值（B）、超聲時間（C，min）和超聲波功率（D，W）作為自變量，以燕麥麩皮多糖提取得率（Y，%）為響應值，對燕麥麩皮多糖超聲波輔助提取工藝采用Box-Benhnken響應面分析法進行優化研究。試驗設計因素水平表見表1。

表1 試驗設計水平表Table 1 Variables in the Box-Benhnken design

2 結果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 超聲溫度

在pH值為8.0，超聲時間為20 min，超聲波功率為300 W的條件下，超聲溫度依次按照40、50、60、70、80℃5個水平對燕麥麩皮多糖進行提取，利用上述公式計算燕麥麩皮多糖的提取得率，結果如圖1所示。

試驗結果表明，燕麥麩皮多糖的提取得率隨著超聲溫度的增大呈現先增加后降低的趨勢，在超聲溫度為70℃時，燕麥麩皮多糖提取得率出現峰值；當小于最適溫度時，隨著超聲溫度的上升，多糖提取得率增大，因為隨著溫度的不斷升高，加快了多糖分子的運動速率，促進燕麥麩皮多糖分子的溶解析出；當溫度超過一定溫度界線時，燕麥麩皮多糖的提取得率將有所降低，這是因為溫度超過最適溫度時，燕麥麩皮中一些多糖分子的分解，導致燕麥麩皮多糖提取得率有所下降。

圖1 超聲溫度對燕麥麩皮多糖提取率的影響Fig.1 Effects of ultrasonic temperature on extraction rate of Oat bran polysaccharides

2.1.2 pH值

在超聲溫度為70℃，超聲波功率為300 W，超聲時間為20 min的條件下，pH值依次按照6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 5個水平對燕麥麩皮多糖進行提取，利用上述公式計算燕麥麩皮多糖的提取得率，結果如圖2所示。

圖2 提取液pH值對燕麥麩皮多糖提取率的影響Fig.2 Effect of pH on extraction rate of Oat bran polysaccharides

試驗結果結果表明，燕麥麩皮多糖提取率隨著提取液pH值的增加呈先上升后平緩的趨勢，在pH值為10.0時，燕麥麩皮多糖得率出現峰值。因為中性的燕麥麩皮多糖，能夠全部溶解到堿性溶液中，然而當溶液的pH值不斷增加時，燕麥麩皮中的多糖的交聯度將會變小，出現解離聚合的現象，并且當提取液的pH值較高時，提取所得的燕麥麩皮多糖顏色較深，繼而增大后續試驗操作的難度，試驗發現當pH值為9.0和pH值為10.0時，燕麥麩皮多糖提取得率相差并不大，綜合各因素考慮選擇pH值為9.0比較合適。

2.1.3 超聲時間

在超聲溫度為70℃，pH值為9.0，超聲波功率為300 W 的條件下，超聲時間分別按照 5、10、15、20、25min 5個水平對燕麥麩皮多糖進行提取，利用上述公式計算燕麥麩皮多糖的提取得率，結果如圖3所示。

圖3 超聲時間對燕麥麩皮多糖提取率的影響Fig.3 Effect of Ultrasonic time on extraction rate of Oat bran polysaccharides

試驗結果表明，燕麥麩皮多糖提取率隨超聲時間的增加呈先上升后下降的趨勢，當超聲時間為15 min時，燕麥麩皮多糖提取得率出現峰值。由于在一定時間范圍內，可溶性多糖溶解不充分，需要增加時間來提高燕麥麩皮多糖的溶解性，從而提高多糖在溶液中的提取得率；當時間超過一定界線時，隨著超聲時間的延長，在超聲波強大的剪切力作用下，燕麥麩皮皮出現破碎和分解的現象，燕麥麩皮多糖的提取得率下降，綜合考慮選擇超聲時間為15 min。

2.1.4 超聲波功率

在超聲溫度為70℃，pH值為9.0和超聲時間為15 min的條件下，超聲波功率依次按照300、400、500、600、700 W 5個水平對燕麥麩皮多糖進行提取，利用上述公式計算燕麥麩皮多糖的提取得率，結果如圖4所示。

試驗結果表明，燕麥麩皮多糖的提取得率隨著超聲波功率的增大，先出現增加現象隨后出現降低的趨勢。當超聲波功率為400 W時，燕麥麩皮多糖的提取得率出現峰值。由于隨著超聲波功率的增加，剪切作斷加大，空化作用不斷增強，加速水分子的運動和溶解速度，細胞充分的破裂，加快了燕麥麩皮多糖的溶出速率；當超聲波功率超過一定功率界線時，因為介質的劇烈震蕩，過大的功率對燕麥麩皮多糖產生破壞作用，多糖分子鏈斷裂，燕麥麩皮多糖逐漸被降解，從而導致燕麥麩皮多糖的提取得率逐漸變小。

圖4 超聲波功率對燕麥麩皮多糖提取率的影響Fig.4 Effect of Ultrasonic power on extraction rate of Oat bran polysaccharides

2.2 響應面優化試驗結果

2.2.1 響應面試驗及結果

在單因素試驗基礎上，選取超聲溫度（A，℃），pH值（B），超聲時間（C，min）和超聲波功率（D，W）為自變量，選擇燕麥麩皮多糖提取得率（Y，%）為因變量[15]，超聲波輔助提取燕麥麩皮多糖的得率運用四因素三水平的Box-Benhnken響應面法進行優化研究，共包含29個試驗點，響應面法試驗設計及對應響應值結果見表2。

表2 Box-Benhnken試驗設計表與響應值Table 2 Box-Benhnken experiment design independent（A，B，C，D）and dependent variables

續表2 Box-Benhnken試驗設計表與響應值Continue table 2 Box-Benhnken experiment design independent（A，B，C，D）and dependent variables

使用“Design-expert 8.0.5b”程序對29個試驗設計進行數據處理和分析，研究因變量對4個自變量的方程回歸擬合情況及方差分析，結果見表3。

表3 方差分析與顯著性檢驗Table 3 Analysis of variance and significance test

對表3中試驗數據采用多元回歸擬合的方法，從而獲得因變量對各個自變量的二次多項回歸方程為Y=7.28-0.72A+0.43B+0.42C+0.29D-0.17AB-0.48AC+0.055AD+0.080BC-0.20BD-0.71CD-1.07A2-0.92B2-1.03C2-0.68D2。從表3中可以看出，總回歸模型F值為41.79，Pr＞F＜0.000 1，說明總回歸模型極顯著；失擬項 F值為 0.70，Pr＞F 為 0.703 6＞0.05，說明失擬項相對于誤差來說不顯著。Pr＞F＞0.000 1，方程的模型顯著，說明模型擬合有意義；Pr＞F為0.703 6＞0.05，失擬差不顯著，說明該模型擬合程度良好，從而說明此模型對實驗結果能夠進行預測和分析。由表3可知，所有一次項A、B、C、D均為極顯著水平（p＜0.01）；交互項 AC、CD 是極顯著水平（p＜0.01），其余交叉項水平不顯著（p＞0.05）；二次項 A2，B2，C2，D2水平均極顯著（p＜0.01）。相關系數R2=97.66%，校正相關系數Adj.R=95.33%，說明該實驗的模型擬合好。

2.2.2 響應面分析

圖5和圖6分別為交互項AC和CD對燕麥麩皮多糖提取得率影響顯著的兩個交互作用影響曲面。

圖5 超聲溫度和超聲時間對燕麥麩皮提取率的交互作用Fig.5 The interaction of ultrasonic temperature and ultrasonic time on the yield of oat bran polysaccharides

由圖5可知，當超聲溫度在（57℃～67℃）范圍內，超聲時間在（16 min～22 min）范圍內，二者之間具有顯著增效的作用，燕麥麩皮皮多糖提取得率隨著超聲溫度的延長和超聲時間的增加而變大；當超聲溫度在（67℃～73℃）范圍內，超聲時間在（22 min～24 min）范圍內，燕麥麩皮多糖提取得率隨著二者的增加而逐漸減小。由圖6可知，當超聲時間在（16 min～22 min）范圍內，超聲波功率在（300 W～400 W）范圍內，二者存在顯著增效的作用，燕麥麩皮多糖提取得率隨著超聲時間的延長和超聲功率的增加而變大；當超聲時間在（22 min～24 min）范圍內，超聲波功率在（400 W～500 W）范圍內，燕麥麩皮多糖提取得率隨著二者的增加而逐漸減小。

圖6 超聲時間和超聲波功率對燕麥麩皮提取率的交互作用Fig.6 The interaction of ultrasonic time and ultrasonic power on the yield of oat bran polysaccharides

2.3 優化工藝參數驗證

利用實驗設計軟件“Design-Expert 8.0.5b”找出了最優的超聲波輔助提取工藝參數為：超聲溫度為66.09℃，pH值為9.21，超聲時間為21.41 min，超聲波功率為401 W，從而獲得燕麥麩皮皮多糖提取得率的最大值。因為該預測條件下實際試驗中難以操作控制，所以在實際的測試中進行一定地調整，實際測試條件為：超聲溫度為66℃，pH值為9.2，超聲時間為21 min和超聲波功率401 W。重復上述超聲波輔助提取多糖的工藝，使用優化后的工藝條件平行提取3次燕麥麩皮多糖。結果表明，3批燕麥麩皮多糖平均提取率為（7.48±2.6）%（n=3），試驗觀測值與模型預測值偏差僅為1.01%，從而可以得出，試驗觀察值和回歸方程得到的模型預測值相接近，說明模型預測性良好。

3 結論

通過研究單因素試驗考察燕麥麩皮多糖提取條件，利用Box-Benhnken響應曲面分析法分析評價燕麥麩皮多糖提取得率，得到燕麥麩皮多糖超聲波輔助提的最佳工藝參數為：超聲溫度為66℃，pH值為9.2，超聲時間為21 min和超聲波功率為401 W。使用優化后的工藝參數提取燕麥麩皮多糖，結果表明，3批燕麥麩皮多糖的平均提取得率為（7.48±2.6）%（n=3）。

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Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction Process of Oat Bran Polysaccharide Based on Response Surface Methodology

LIU Shao-juan1，LIU Hui-ping1，*，ZHAO Fan2，SUN Na-xin1，LI Wei-hong1
（1.College of Food Engineering and Biotechnology，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300457，China；2.Baolingbao Biolgy Co.，Ltd.，Dezhou 251200，Shandong，China）

The response surface methodology was used to optimize the ultrasonic-assisted extraction of polysaccharides from oat bran.On the basis of four single factor tests，ultrasonic temperature，pH，ultrasonic time and ultrasonic power were selected as the influencing factors，and the extraction rate of oat bran was evaluated as the evaluation index.Response surface method was used to investigate the effects of four different factors and interactions on oat bran polysaccharide extraction yield.The results indicated that the optimal extraction from oat bran conditions are ultrasonic temperature 66 ℃，pH9.2，ultrasonic time 21 min and ultrasonic power of 404 W，respectively.Under these conditions，3 batchs polysaccharide from oat bran were extracted.The average extraction rate of oat bran polysaccharide was（7.48±2.6）%（n=3）.

oat bran polysaccharides；ultrasonic-assisted extraction；response surface methodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.22.015

劉少娟（1992—），女（漢），在讀碩士研究生，研究方向：動物資源開發與功能食品。

*通信作者：劉會平（1965—），男（漢），教授，博士，研究方向：動物資源開發與功能食品。

2017-04-07

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