響應(yīng)面法優(yōu)化金花葵籽多糖提取工藝研究

劉劍，羅倉學(xué)，*，伍賢密，魏麗娜

（1.陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，陜西西安710021；2.紫陽縣硒產(chǎn)業(yè)發(fā)展辦公室，陜西安康725300）

響應(yīng)面法優(yōu)化金花葵籽多糖提取工藝研究

劉劍1，羅倉學(xué)1，*，伍賢密2，魏麗娜1

（1.陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，陜西西安710021；2.紫陽縣硒產(chǎn)業(yè)發(fā)展辦公室，陜西安康725300）

采用水提法對金花葵籽中多糖成分進(jìn)行提取，研究不同提取條件對金花葵籽多糖得率的影響。以金花葵籽多糖的得率為考察指標(biāo)，以提取溫度、提取時間、液料比進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再利用響應(yīng)面法優(yōu)化金花葵籽多糖的提取條件。結(jié)果表明，金花葵籽多糖的最佳提取工藝條件為提取溫度71℃、提取時間3.30 h、液料比31∶1（mL/g），多糖得率為13.58%，與預(yù)期值的相對誤差為3.74%，試驗(yàn)表明采用響應(yīng)面法優(yōu)化提取金花葵籽多糖是合理可行的。

金花葵籽；多糖；提取；響應(yīng)面法優(yōu)化

金花葵又名菜芙蓉，一年生草本植物，錦葵科、秋葵屬，是中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院于2003年8月在河北邢臺地區(qū)發(fā)現(xiàn)的瀕臨絕種的植物[1]，金花葵富含生物黃酮[2]，不飽和脂肪酸[3]，維生素E，植物膠原蛋白和多種微量元素，具有很高的食用、藥用和保健價值[4]。金花葵籽中粗脂肪含量18.55%，粗蛋白21.73%，水分5.27%，灰分8.27%；金花葵籽中富含不飽和脂肪酸，維生素E等[5]，具有補(bǔ)脾、健胃、生肌，治消化不良、不思飲食等功效[6]。

植物多糖是植物在生命活動中形成的高分子聚合物或復(fù)合體，具有可再生、投入少、成本低、污染小、利用率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食品的加工生產(chǎn)中[7]；多糖還具有廣泛的藥理作用，如抗腫瘤[8-9]、抗輻射[10]、抗氧化[11]、降血糖[12]、抗凝血[13]、增強(qiáng)機(jī)體免疫力[14]、保護(hù)胃腸功能等[15]，是保健品和藥品研發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，目前人們已成功地從近百種植物中提取出了多糖，但是從金花葵籽中提取多糖的研究未見報道，因此對金花葵籽中多糖的提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，可為金花葵籽多糖的進(jìn)一步深入研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

金花葵籽：陜西紫陽富硒研究所種植；葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)樣品、石油醚、無水乙醇、濃硫酸、苯酚：分析純。UV755B紫外可見分光光度計：上海菁華科技儀器有限公司；DK-S28電熱恒溫水浴鍋：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；H1850R湘儀臺式高速冷凍離心機(jī)：湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司；101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱：北京科偉永興儀器有限公司；LT600B型電子天平：常熟市天量儀器有限責(zé)任公司；RHP-400型高速多功能粉碎機(jī)：浙江永康市榮浩工貿(mào)有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 提取工藝

金花葵籽→烘干至恒重→粉碎→過篩→金花葵籽粉末→石油醚脫脂→熱水提取→離心→上清液→測多糖含量

1.2.2 多糖得率的測定

采用苯酚-硫酸法[16]進(jìn)行測定。首先用標(biāo)準(zhǔn)D-葡萄糖配制系列濃度的溶液作標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性回歸得標(biāo)準(zhǔn)曲線為：y=0.010 8x+0.084 7，式中：y為吸光度；x為多糖質(zhì)量濃度/（mg/mL），R2=0.9983，在20μg/mL～80μg/mL范圍內(nèi)，葡萄糖的質(zhì)量濃度（x）和吸光度（y）有良好的線性關(guān)系。吸取上清液1mL，用蒸餾水稀釋定容至25mL，再取上述稀釋液2.5mL至具塞試管，采用苯酚-硫酸法，在490 nm處測定吸光度值，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線方程和稀釋倍數(shù)計算多糖含量。

式中：C為樣品溶液中葡萄糖濃度，（μg/mL）；D為樣品溶液稀釋倍數(shù)；m為金花葵籽粉末質(zhì)量，g。

1.3 單因素試驗(yàn)

以金花葵籽多糖的液料比、提取時間與提取溫度為單因素，研究不同單因素對金花葵籽多糖得率的影響。提取基本條件為：液料比30∶1（mL/g）、提取時間1.5 h、提取溫度60℃。各因素水平為：液料比10∶1、20 ∶1、30 ∶1、40 ∶1、50 ∶1（mL/g）；提取時間 1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5 h；提取溫度 40、50、60、70、80 ℃。

1.4 響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)提取工藝的單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用Design Expert 8.0.6的Box-Behnken中心組合設(shè)計原理，以提取溫度、提取時間、液料比3個因素進(jìn)行響應(yīng)面分析試驗(yàn)，確定金花葵籽中多糖的最佳提取工藝條件。實(shí)驗(yàn)設(shè)計因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面設(shè)計試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors levels used in response surface analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 液料比的影響

液料比對多糖得率的影響見圖1。

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

由圖1可知，在一定范圍內(nèi)，隨著水量的增加，金花葵籽多糖的得率不斷上升，但增加到30∶1（mL/g）后，多糖得率呈下降的趨勢，而且加水量過大會使工業(yè)生產(chǎn)中后續(xù)工序增加，耗能增加，效率降低，所以選擇30∶1（mL/g）做為最優(yōu)的液料比。

2.1.2 提取時間的影響

提取時間對多糖得率的影響見圖2。

由圖2可知，隨著提取時間的增加，金花葵籽多糖得率明顯上升，但是當(dāng)提取時間超過3 h，多糖得率反而減小。這可能是因?yàn)樘崛r間過短多糖溶解不充分，但時間過長則可能會使產(chǎn)物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化進(jìn)而使多糖得率降低，所以確定提取時間為3 h。

圖2 提取時間對多糖得率的影響Fig.2 Effect of extraction time on the yield of polysaccharide

2.1.3 提取溫度的影響

提取溫度對多糖得率的影響見圖3。

圖3 提取溫度對多糖得率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on the yield of polysaccharide

由圖3可知，隨著提取溫度的升高，金花葵籽多糖的得率逐漸增加，但當(dāng)溫度大于70℃時，多糖得率反而減小。探究其原因可能是因?yàn)闇囟容^低時，多糖得不到充分的提取，而過高的溫度，導(dǎo)致多糖分解，而且溫度過高可能對多糖的結(jié)構(gòu)和活性產(chǎn)生影響，所以確定提取溫度為70℃。

2.2 響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 響應(yīng)面法設(shè)計及結(jié)果

選取提取時間A，提取溫度B，液料比C 3個因素，以金花葵籽多糖得率為響應(yīng)值Y，對提取多糖的工藝條件作三因素三水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，一共17個試驗(yàn)點(diǎn)，表2為具體的試驗(yàn)方案和結(jié)果。

2.2.2 多元二次響應(yīng)面回歸模型的建立及顯著性分析

利用Design-Expert 8.0軟件對表2的結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到擬合全變量二次回歸方程：Y=13.58-0.23A-0.13B+0.061C+0.46AB+0.059AC+0.18BC-0.89A2-1.21B2-0.91C2（R2=0.997 4），響應(yīng)面多元二次模型方差分析結(jié)果見表3。

表2 響應(yīng)面優(yōu)化的試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 The response surface optimization scheme and test results

表3 響應(yīng)面二次模型方差分析Table 3 The response surface quadratic model analysis of variance

由表3可以看出，模型的“Pr＞F”值＜0.01，所以該模型是高度顯著的。失擬項(xiàng)“Pr＞F”值＞0.05，說明沒有失擬因素，可以通過此模型來預(yù)測金花葵籽多糖最優(yōu)提取條件。在回歸方程中，A、B、AB、BC、A2、B2、C2對金花葵籽多糖得率影響高度顯著，C對多糖得率影響顯著。各影響因素對多糖得率影響的大小關(guān)系依次為：提取時間（h）＞提取溫度（℃）＞液料比（mL/g）。

2.2.3 根據(jù)響應(yīng)面三維圖和等高線圖分析因素間的相互作用

通過響應(yīng)曲面圖和等高線圖可以清晰的看出各因素之間的相互作用對多糖得率的影響作用：響應(yīng)曲面圖曲線越陡則該因素對金花葵籽多糖得率的影響越顯著，曲線越平滑說明影響不顯著；等高線的形狀為圓形表示交互作用不顯著，形狀為橢圓形則表示交互作用顯著。

圖4 提取時間和提取溫度對多糖得率的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface plot of extraction temperature and time on the yield of polysaccharide

圖5 提取時間和液料比對多糖得率的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface plot of extraction time and liquid-solid ratio on the yield of polysaccharide

圖6 提取溫度和液料比對多糖得率的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface plot of extraction temperature and liquidsolid ratio on the yield of polysaccharide

圖4顯示，響應(yīng)曲面坡度陡峭，說明提取時間和提取溫度交互作用顯著，與表3中交互項(xiàng)值的分析結(jié)果一致；圖5中曲面較為平緩，說明提取時間和液料比的交互作用對金花葵籽多糖的得率影響不大；由圖6可以看出提取溫度和液料比交互作用顯著，與表3中的交互項(xiàng)值的分析結(jié)果一致，根據(jù)以上分析可以看出3個試驗(yàn)因素與響應(yīng)值的關(guān)系模擬與試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)吻合，因此響應(yīng)面法可以用來對金花葵籽多糖的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)響應(yīng)面法軟件進(jìn)行參數(shù)的最優(yōu)化分析，得出提取率的優(yōu)化條件為提取時間3.32h、提取溫度70.69℃、液料比30.61∶1（mL/g）。在此工藝條件下，理論上金花葵籽多糖得率為13.09%。為了驗(yàn)證該法的可靠性以及可行性，用最佳的條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在用最佳試驗(yàn)條件進(jìn)行驗(yàn)證時，考慮到實(shí)際操作的可行性和簡便性，將金花葵籽多糖的提取條件修正為提取時間 3.30 h、提取溫度 71℃、液料比 31∶1（mL/g），結(jié)果得出金花葵籽多糖得率的實(shí)際值為13.58%，實(shí)際值與理論值的相對誤差為3.74%，由以上結(jié)果可知，利用響應(yīng)面法優(yōu)化提取金花葵籽多糖是合理可行的。

3 結(jié)論

通過響應(yīng)面法對金花葵籽多糖的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：1、3個影響因素對多糖得率影響的大小關(guān)系依次為：提取時間（h）＞提取溫度（℃）＞液料比（mL/g）；2、金花葵籽多糖的最優(yōu)提取工藝條件為：提取時間 3.30 h、提取溫度 71 ℃、液料比 31∶1（mL/g）；3、理論上金花葵籽多糖得率為13.09%，在最優(yōu)提取條件下金花葵籽多糖得率的實(shí)際值為13.58%，與預(yù)期值的相對誤差為3.74%。此研究給金花葵籽多糖在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，同時可以充分利用安康紫陽的特色資源，達(dá)到產(chǎn)業(yè)增值的目的。

[1]盧丹,賈瑞波.中藥金花葵的研究進(jìn)展[J].中國藥物評價,2015,32(2):90-92

[2]宋琳琳,黃蓓蓓,張朝暉.金花葵花中總黃酮的超聲波提取工藝[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,44(2):70-72

[3]吳正平.金花葵籽不飽和脂肪酸對實(shí)驗(yàn)性高脂血癥大鼠血脂和肝功能的影響[J].中成藥,2011,33(7):1245-1247

[4]吳名全.珍稀植物—金花葵[J].現(xiàn)代園藝,2008(10):16-17

[5]孫林華,杜建梅,孫晴,等.金花葵種子萌發(fā)特性及萌發(fā)期抗脅迫能力分析[J].種子,2014,33(11):05-09

[6]李俊采,張興國,何歡,等.不同處理方法及不同部位的金花葵紅外光譜研究[J].中華中醫(yī)藥學(xué)刊,2016,34(3):597-600

[7]王恒禹,劉玥,姜猛,等.多糖在食品工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].食品科學(xué),2013,34(21):431-438

[8]Liu L,Jia J,Zeng G,et al.Studies on immunoregulatory and anti-tumor activities of a polysaccharide from Salvia miltiorrhiza Bunge[J].Carbohydrate Polymers,2013,92(1):479-483

[9]林俊,李萍,陳靠山.近5年多糖抗腫瘤活性研究進(jìn)展[J].中國中藥雜志,2013,38(8):1116-1125

[10]JinmL,Huang QS,Zhao K,et al．Biological activities and potential health benefit effects of polysaccharides isolated from Lycium barbarum L.[J].International Journal of Biological Macromolecules,2013,54(1):16-23

[11]Zhang ZS,Wang XM,Han ZP,et al.Purification,antioxidant and moisture-preserving activities of polysaccharides from papaya[J].Carbohydrate Polymers,2012,87(3):2332-2337

[12]Niu J,Pi ZF,Yue H,et al．Effect of ginseng polysaccharide on the urinary excretion of type 2 diabetic rats studied by liquid chromatography-mass spectrometry[J].Journal of Chromatograpy B,2012,907:7-12

[13]蔡為榮,顧小紅,湯堅．仙人掌多糖提取純化及其抗凝血活性研究[J]．食品科學(xué),2010,31(6):131-136

[14]Zhang SS,Nie SP,Huang DF,et al.Immunomodulatory effect of Ganoderma atrum polysaccharide on CT26 tumorbearing mice[J].Food Chemistry,2013,136(3/4):1213-1219

[15]CAO W,LI X Q,LIU L,et al.Structure of an antitumor polysaccharide from Angelica sinensis(Oliv.)Diels[J].Carbohydrate Polymers,2006,66(2):149-159

[16]池源,王麗波.苯酚-硫酸法測定南瓜籽多糖含量的條件優(yōu)化[J].食品與機(jī)械,2014,30(1):89-92

Study on the Extraction Technology of Polysaccharide from the Seed of Hibiscus manihot L.

LIU Jian1，LUO Cang-xue1，*，WU Xian-mi2，WEI Li-na1
（1.School of Food and Biological Engineering，Shaanxi University of Science&Technology，Xi'an 710021，Shaanxi，China；2.Ziyang Selenium Industry Office，Ankang 725300，Shaanxi，China）

The effects of different extraction conditions on the yield of Seed of Hibiscus manihot L.polysaccharide were studied by water extraction method.In this study，the extraction rate of polysaccharide from seed of Hibiscus manihot L.was studied by using response surface methodology on the basis of single factor experiments with extraction temperature，extraction time and ratio of liquid to material.The results showed that the optimum extraction conditions were as follows：extraction temperature 71℃，extraction time 3.30 h，ratio of liquid to material 31 ∶1（mL/g）.The yield of polysaccharide was 13.58%，and the relative error with the expected value was 3.74%.The results showed that it was reasonable to use the response surface method to optimize the extraction of polysaccharide from Hibiscus manihot L..

seed of Hibiscus manihot L.；polysaccharide；extract；response surface methodology

劉劍，羅倉學(xué)，伍賢密，等.響應(yīng)面法優(yōu)化金花葵籽多糖提取工藝研究[J].食品研究與開發(fā)，2018，39（1）：25-29

LIU Jian，LUO Cangxue，WU Xianmi，et al.Study on the Extraction Technology of Polysaccharide from the Seed of Hibiscus manihot L.[J].Food Research and Development，2018，39（1）：25-29

10.3969/j.issn.1005-6521.2018.01.006

2017年陜西省重點(diǎn)研發(fā)計劃（2017TSCXL-NY-02-03）

劉劍（1991—），男（漢），碩士研究生，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工及資源綜合利用。

*通信作者：羅倉學(xué)（1959—），男（漢），教授，碩士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工及資源綜合利用。

2017-05-17