響應面法優化豆薯多糖的超聲輔助提取工藝研究

葛星星， 李 義，凌去非

（蘇州大學基礎醫學與生物科學學院，江蘇蘇州 215123）

響應面法優化豆薯多糖的超聲輔助提取工藝研究

葛星星， 李 義*，凌去非

（蘇州大學基礎醫學與生物科學學院，江蘇蘇州 215123）

為優化豆薯多糖的提取工藝，在單因素試驗的基礎上，選取超聲時間、水料比、超聲功率和水提溫度作為優化因素，根據Box-Behnken試驗設計原理，進行四因素三水平試驗。利用響應面分析方法，建立豆薯多糖得率的多元二次回歸方程，并得到最佳提取工藝條件。結果表明：當工藝條件為超聲時間 20.33 min、水料比 20.96 mL/g、超聲功率395.9 W、提取溫度67.56℃時，豆薯多糖的理論最高得率為8.40%，驗證值為8.28%。

豆薯；多糖；超聲波；響應面

豆薯（Pachyrhizus erosus）是豆科豆薯屬中的一年生或多年生草質藤本植物，又名涼薯、沙葛、地瓜等（劉永娟等，2017）。豆薯食用部分為肥大的塊根，其肉質潔白，富含淀粉、糖分和蛋白質、氨基酸、類黃酮和維生素C以及人體所必需的鈣、鐵、鋅、銅、磷等多種元素 （Ramos-de-la-Pen~a等2013；鄧清等，2003；Fernandez 等 1997），脂肪含量低，且不含膽固醇（任曦竹等，2011），生食或熟食后具有生津止渴、清涼去熱、解酒毒、降血壓等功效（楊文慧等，2011）。

研究表明，許多植物多糖具有免疫調節、抗腫瘤、降血糖、降血脂、抗輻射、抗菌、抗病毒、保護肝臟等生物活性。因此植物多糖已被廣泛應用于醫藥、食品工業和飼料工業中。目前，有關豆薯多糖的研究報道較少。Ramos-de-la-Pen~a等（2011）采用高壓輔助技術自去淀粉豆薯果渣中提取果膠多糖，提取率為 22.8%（干基）；Pressey（1993）報道，豆薯細胞壁結構多糖由中性和酸性糖包括阿拉伯糖、鼠李糖、木糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖、半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸組成。本研究在單因素試驗基礎上，采用響應面分析法對豆薯多糖的超聲波輔助提取工藝進行優化，以期為豆薯的進一步加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器 豆薯，購于蘇州市工業園區蓮花五區農貿市場。乙醇、正丁醇、氯仿、丙酮、過氧化氫等均為分析純；α-淀粉酶（活性為5000 U/g）為市售生物試劑。KQ-500DB臺式數控超聲波清洗器 （昆山市超聲儀器有限公司）；HH-8數顯恒溫水浴鍋 （金壇市晶玻實驗儀器廠）；EYELAN-1000旋轉蒸發儀 （日本東京理化機械公司）；SHZ-III型循環水真空泵 （上海亞榮生化儀器廠）；VLP200冷凍干燥系統（美國Thermo公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 豆薯多糖超聲提取工藝 原料預處理：新鮮豆薯→去皮、洗凈、切條→60℃烘干至恒重→冷卻后粉碎→過60目篩→豆薯干粉，冷藏待用。工藝流程：稱取定量豆薯粉末→超聲浸提→加酶水浴 （以豆薯粉末質量2%的比例加入α-淀粉酶消化1 h）→過濾→濾液濃縮→加酶水浴（以豆薯粉末質量的3%加入α-淀粉酶消化10 h）→離心棄沉淀（5000 r/min、10 min）→Sevage 法去蛋白→醇析→沉淀復溶→脫色處理→醇析→離心、洗滌沉淀→真空干燥→粗多糖。

1.2.2 豆薯多糖得率測定 豆薯多糖得率/%=豆薯多糖質量/豆薯干粉質量×100。

1.2.3 超聲輔助提取豆薯多糖單因素試驗 精確稱取 5 g 豆薯干粉，選擇液料比 10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1，超聲功率 250、300、350、400、450 W，超聲時間 10、15、20、25、30 min， 提取溫度 40、50、60、70、80 ℃ ， 乙 醇 濃 度 50% 、60%、70% 、80%、90%進行單因素試驗，考察各個因素對豆薯多糖得率的影響。每個單因素試驗設3個重復，結果取平均值。

1.2.4 響應面法優化豆薯多糖提取工藝 在單因素試驗結果的基礎上，運用Design-Expert7.0軟件，根據Box-Behnken中心組合（費榮昌，2001；Box等，1990）設計四因素三水平試驗，以超聲功率、超聲時間、提取溫度和水料比為自變量，豆薯多糖得率為響應值設計響應面試驗 （車榮珍等，2011）。因素與水平見表1。

表1 響應面設計因素與水平

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 超聲功率對豆薯多糖得率的影響 超聲功率對豆薯多糖得率的影響見圖1。由圖1可知，超聲功率為250～400 W時，豆薯多糖得率隨功率的增大而緩慢增加，當超聲功率增加到400 W時，多糖得率最大，由4.72%增加到5.58%，然后多糖得率呈明顯的下降趨勢。當功率增加到450 W時，豆薯多糖的得率為5.25%，比功率400 W時的多糖得率下降0.33%。

圖1 超聲功率對多糖得率的影響

2.1.2 水料比對豆薯多糖得率的影響 水料比對豆薯多糖得率的影響見圖2。由圖2可知，水料比為10～20時，豆薯多糖得率隨水料比值的增大而提高，由4.26%提高到5.63%，繼續增大水料比，豆薯多糖得率呈下降趨勢。當水料比為30時，多糖得率為5.18%，比水料比為20時的多糖得率下降0.45%。

圖2 水料比對多糖得率的影響

2.1.3 提取溫度對豆薯多糖得率的影響 提取溫度對豆薯多糖得率的影響見圖3。由圖3可知，當提取溫度從40℃增加到70℃時，豆薯多糖得率隨提取溫度的增加而明顯增加，即由3.92%增加到7.08%。隨著溫度的繼續升高多糖得率呈現降低趨勢，可能是因為長時間的高溫使得部分多糖降解而導致得率降低。

圖3 提取溫度對多糖得率的影響

2.1.4 超聲時間對豆薯多糖得率的影響 超聲時間對豆薯多糖得率的影響見圖4。由圖4可知，超聲時間為10～20 min時，豆薯多糖得率隨超聲時間的延長而增加，即由4.79%增加到5.85%。超聲時間為20 min時，多糖得率最大，增加了1.14%，之后多糖得率隨著時間的延長呈下降趨勢。當超聲時間達到30 min時，多糖得率下降到5.43%，比超聲15 min時下降0.42%。

圖4 超聲處理時間對多糖得率的影響

2.1.5 乙醇濃度對豆薯多糖得率的影響 乙醇濃度對豆薯多糖得率的影響見圖5。由圖5可知，乙醇濃度從50%增加到80%時，豆薯多糖得率隨乙醇濃度升高而增加，即由2.42%增加到6.12%。在乙醇濃度為80%時，多糖得率最大，增加了3.7%，之后多糖得率隨著時間的延長呈下降趨勢。當乙醇濃度達到90%時，多糖得率下降到5.78%，比乙醇濃度80%時下降0.34%。

2.2 響應面試驗結果與分析 綜合單因素試驗結果，固定乙醇濃度為80%，選擇超聲時間、水料比、超聲功率和提取溫度4個因素為自變量進行響應面優化試驗，試驗設計及結果見表2。

運用Design-Expert7.0軟件對表2數據進行二次多元回歸擬合，計算得出回歸模型方程，各項系數及方差分析結果見表3。

圖5 乙醇濃度對多糖得率的影響

表2 響應面試驗設計及結果

運用Design-Expert7.0對響應值進行回歸分析，經回歸擬和后得到回歸方程：

表3 響應面回歸模型方差分析

對回歸方程系數進行顯著性檢驗，從表3可以看出，一次項水料比X2對豆薯多糖的提取量影響極顯著（P＜0.01），一次項超聲功率X3、提取溫度X4對豆薯多糖的提取量影響顯著 （P＜0.05），超聲功率X3和提取溫度X4的交互項對豆薯多糖得率影響顯著（P＜0.05），其他交互項對豆薯多糖提取量的影響不顯著；二次項和極顯著處于顯著水平。

圖6～圖9為各試驗因素交互作用對響應值影響的3D分析結果。

由圖6可知，水料比與超聲時間的交互作用對豆薯多糖得率的影響比較小，水料比對應的等高線密集，說明水料比對得率的影響大于超聲時間，而且多糖得率隨水料比的增大而增加，到了最高點后，水料比的繼續增大，多糖的得率略微下降。

由圖7的等高線形狀可以看出，提取溫度和水料比的交互作用較顯著。且沿著水料比軸變化相對密集，因此水料比的影響比提取溫度的影響大，而且水料比與提取溫度的交互作用較明顯。當水料比大于20 mL/g時，隨著添加的溶劑量增大，多糖得率下降。過多的溶劑會增加雜質的溶解，降低粗多糖的溶出量（豆亞靜，2013）。

圖6 超聲時間和水料比對多糖得率的響應曲面圖

圖7 提取溫度和水料比對多糖得率的響應曲面圖

由圖8的等高線形狀可以看出，提取溫度和超聲功率的交互作用顯著。等高線沿著超聲功率軸變化相對密集，因此超聲功率的影響比提取溫度的影響大。但過高的超聲功率和過高的提取溫度都會導致提取液中部分多糖分解從而降低多糖的得率。

圖8 提取溫度和超聲功率對多糖得率的響應曲面圖

從圖9可以看出，水料比與超聲功率的交互作用不顯著。水料比變化對多糖得率變化的影響較大，表現為響應曲面的坡度較陡和等高線較密集，超聲功率的影響小，表現為曲線平緩、等高線稀疏。多糖得率增幅減小，在功率400 W左右達到最大，隨著超聲功率的增加，多糖得率反而有所降低，這可能是超聲功率達到一定強度后促使了多糖的降解（熊冰等，2007）。

圖9 超聲功率和水料比對多糖得率的響應曲面圖

運用Design-Expert7.0軟件對試驗數據進行優化預測，即對回歸方程取一階偏導數等于0，得到浸提多糖最佳工藝參數為：超聲時間20.33 min、水料比 20.96 mL/g、超聲功率 395.9 W、提取溫度67.56℃，在此條件下預測多糖得率為8.40%。根據實際試驗的可操作性，將多糖浸提的工藝參數設為：超聲時間20.33 min、水料比21 mL/g、超聲功率396 W、提取溫度67.5℃。在此條件下對模型的預測參數進行3次平行驗證試驗，試驗結果見表4。得到多糖得率為8.28%，與模型預測值較接近，表明采用響應面分析法優化得到的超聲輔助提取豆薯多糖工藝參數可靠，按照建立的模型進行預測在實踐中是可行的。

表4 驗證試驗結果%

3 結論

本研究采用響應面法優化超聲波輔助提取豆薯多糖工藝，得到最佳工藝條件為：超聲時間20.33 min、水料比20.96 mL/g、超聲功率395.9 W、提取溫度67.56℃，在此條件下預測豆薯多糖得率為8.40%，驗證值為8.28%，相對誤差為1.43%。本試驗將超聲波技術應用于豆薯多糖的提取，不僅用時短，而且大大提高了提取效率，所得豆薯多糖經除蛋白質、脫色和凍干處理后呈淡黃色的多孔疏松固體，多糖含量在78%以上，且質地均勻，溶解性好。可見采用響應面法可實現多目標同步優化豆薯多糖的提取工藝流程，具有實際應用價值。

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The extraction technology of polysaccharide from jicama （Pachyrhizus erosus） was optimized with the extraction yield as the assessment index.On the basis of single-factor experiments，four factors including ultrasonic treatment time，water material ratio，ultrasonic power and extraction temperature were selected as the independent variables.With response surface analysis，a quadratic regression model was established by the Box-Behnken design experiments.The results showed that the optimum extraction conditions were as follows：ultrasonic treatment time 20.33 min，water material ratio 20.96 mL/g，ultrasonic power 395.9 W and water extraction temperature 67.56 ℃.Under these conditions，the predicted and experimental values of polysaccharide yield from jicama were 8.40%and 8.28%，respectively.

jicama；polysaccharides；ultrasonic；response surface methodology

S816.11

A

1004-3314（2017）21-0011-05

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20172103

江蘇省水產三新工程重大項目（DY2012-3-8)；江蘇省科技廳項目（BE2012354）

*通訊作者