響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取桔梗多糖工藝

劉佳，郭少林，陳婷婷，張繼業(yè)，范清玉

（西安培華學(xué)院，陜西西安 710125）

商洛地理位置優(yōu)越，處于秦嶺南麓，因此有著豐富的天然藥材，也被譽(yù)為天然藥庫(kù)。其中桔梗作為多年生的草本植物，是當(dāng)?shù)刂饕乃幉念愋停幮r(jià)值較高，并且有一定的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，在心腦血管預(yù)防及宣肺止咳方面療效明顯，市場(chǎng)銷售理想。此外商洛地區(qū)的桔梗可以食療，通過(guò)研究其化學(xué)成分，我們認(rèn)為其根莖中蘊(yùn)含著豐富的多糖苷，也就是百姓俗稱的桔梗皂苷。此外還含有豐富的多糖，維生素，氨基酸等物質(zhì)。當(dāng)前對(duì)于其多糖成分的研究還不夠深入，更多的是其藥理活性價(jià)值的分析，臨床上認(rèn)為其可以抗疲勞，降血糖，而接下來(lái)對(duì)其多糖的工藝制備研究還不夠系統(tǒng)與完善，這也是我們后期借助超聲輔助技術(shù)提取多糖的主導(dǎo)思路。事實(shí)驗(yàn)證其成效十分明顯，既能大幅縮短提取時(shí)間，也能確保多糖的得率。而本文主要以液料比、超聲時(shí)間、超聲溫度作為試驗(yàn)因素，基于響應(yīng)面法探討超聲輔助技術(shù)支持下的桔梗多糖提取工藝，以期獲得桔梗多糖得率最大限度的提升，推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

桔梗藥材，采自陜西省商洛市，為3年生桔梗的干燥根莖。

755B紫外光光度計(jì)、BILON-1000CT超聲波提取器、工業(yè)用電子天平、冷凍干燥機(jī)、TGL-20bR的高速冷凍離心機(jī)、RE-3000B的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 桔梗多糖的制備及含量測(cè)定。

獲取桔梗根莖，進(jìn)行初步的粉碎處理，進(jìn)行石油醚脫脂，進(jìn)行超聲輔助熱水回流提取，進(jìn)行離心處理，獲得上清液，液體濃縮，進(jìn)行乙醇沉淀，進(jìn)行離心沉淀，采用Sevage法除蛋白透析后進(jìn)行真空冷凍干燥處理，最終獲得桔梗多糖。采用苯酚-硫酸法進(jìn)行多糖含量的測(cè)量，具體的測(cè)量公式為M粗多糖/M桔梗粉末×100%

1.2.2 試驗(yàn)單因素分析

在桔梗多糖制備過(guò)程中進(jìn)行單因素的試驗(yàn)分析。分別選擇液料比為20∶1、超聲時(shí)間40 min、超聲溫度80℃、超聲功率150 W，這些都是試驗(yàn)對(duì)照指標(biāo)，而對(duì)應(yīng)的單因素試驗(yàn)指標(biāo)為：液料比（10∶1，20∶1，30∶1，60∶1）、超聲時(shí)間（20、40、60min）、超聲溫度（40、60、80℃）、超聲功率（75、100、125、150W），探討單因素對(duì)桔梗多糖得率的影響。單因素試驗(yàn)分析時(shí)，其他因素選擇的是固定水平，起到實(shí)驗(yàn)對(duì)照的積極作用。其中桔梗多糖得率為主要的試驗(yàn)指標(biāo)，據(jù)此繪制單因素曲線圖，進(jìn)行單一因素對(duì)其得率的具體影響的試驗(yàn)分析。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化桔梗多糖提取

綜合考慮到單因素的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)液料比，超聲時(shí)間，超聲溫度及超聲功率等進(jìn)行自變量的分析，參考Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)，以桔梗多糖得率作為響應(yīng)值，分別開(kāi)展四大因素的響應(yīng)面試驗(yàn)，借助通用的Design Expert8.06軟件進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

此次試驗(yàn)無(wú)論是方案的設(shè)計(jì)與部署還是模型的建構(gòu)都使用的Design Expert8.06軟件，采用Excel 2016進(jìn)行收集到數(shù)據(jù)的處理，采用SPSS18.0軟件中的單因素ANOVA進(jìn)行數(shù)據(jù)因素的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 桔梗多糖提取物總糖含量測(cè)定結(jié)果

基于苯酚-硫酸法測(cè)定總糖含量，繪制曲線，如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系中對(duì)應(yīng)的R2數(shù)值為0.9965，對(duì)應(yīng)的總糖含量為87.51%。

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 PGPs制備工藝單因素試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，超聲溫度、超聲時(shí)間、超聲功率、液料比四個(gè)因素對(duì)桔梗多糖得糖率有明顯影響，液料比對(duì)桔梗得糖率的影響是呈線性增長(zhǎng)的，達(dá)到一定程度后趨于平緩。常規(guī)情況下，在液料比25∶1時(shí)會(huì)達(dá)到峰值，之后開(kāi)始緩慢下降。而超聲時(shí)間對(duì)其得糖率的影響屬于正態(tài)分布模式，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。常規(guī)情況下20分鐘時(shí)達(dá)到頂峰。超聲溫度與桔梗得糖率也是正相關(guān)的關(guān)系，隨著超聲溫度的提升，桔梗的得糖率明顯提升，一般認(rèn)為70℃為得糖率最高的溫度。在這之后逐步下降。最后超聲功率對(duì)桔梗得糖率也有一定影響，其與超聲溫度的影響一致，是正相關(guān)關(guān)系，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。

圖2 試驗(yàn)因素對(duì)桔梗多糖得率的影響

2.3 PGPs提取工藝優(yōu)化結(jié)果

2.3.1 Box-Behnken設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

在單因素分析的基礎(chǔ)之上進(jìn)行綜合因素的影響分析，主要是開(kāi)展液料比、超聲時(shí)間、超聲溫度和超聲功率與PGPs得率之間的水平響應(yīng)面試驗(yàn)。基Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，輔助Design Expert 8.06試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件和 SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)綜合因素影響結(jié)果進(jìn)行分析，得到桔梗多糖得率（Y）對(duì)液料比（A）、超聲時(shí)間（B）、超聲溫度（C）和超聲功率（D）的四元二次回歸方程：

Y=7.907+0.587A+0.165B+0.072C-0.084D-0.141AB-0.202AC-0.054AD+0.084BC+0.053BD+0.214CD-0.380A2-0.082B2-0.261C2-0.219D2

從方程結(jié)果看，液料比的影響性大于超聲時(shí)間，而超聲時(shí)間大于超聲功率，而超聲功率大于超聲溫度；基于二次項(xiàng)看，液料比、超聲溫度、超聲功率、超聲時(shí)間依次減弱。

2.3.2 響應(yīng)面分析

數(shù)據(jù)擬合后得出回歸方程，進(jìn)行各因素響應(yīng)曲線的繪制。其中交互作用顯著與否受實(shí)驗(yàn)因素影響明顯，如果響應(yīng)曲面中曲線走勢(shì)明顯則意味著該因素對(duì)桔梗得糖率影響增大。如果曲線平緩則影響小。最終結(jié)果顯示：液料比的影響最大，其次是超聲功率和溫度，最后是超聲時(shí)間。

2.4 最佳工藝參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證試驗(yàn)

進(jìn)行Box-Behnken設(shè)計(jì)工藝優(yōu)化處理，對(duì)應(yīng)的研究結(jié)論是：液料比21.35∶1，超聲時(shí)間19.53min，超聲溫度70.3 ℃，超聲功率151.53 W，綜合這些條件，PGPs得率可達(dá)最大值8.172%。此條件下重復(fù)5次，PGPs平均得率為8.108%（純度為87.43%）接近模型預(yù)測(cè)值，可以在桔梗多糖工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)踐中得以運(yùn)用與推廣。

3 結(jié)論

多次試驗(yàn)結(jié)果表明：采用超聲輔助熱水浸提桔梗多糖最佳因素組合為：液料比為20∶1，超聲時(shí)間20min，超聲溫度70℃，超聲功率150W，這些條件綜合作用下，桔梗多糖率最高。各因素對(duì)桔梗多糖的影響呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。深入分析原因，一般認(rèn)為桔梗為多年生的草本植物，其多糖成分屬于胞內(nèi)多糖，提取時(shí)需要對(duì)植物細(xì)胞壁進(jìn)行破除，利用超聲波的空化作用延長(zhǎng)提取時(shí)間確保細(xì)胞壁破除率提升，確保多糖得糖率。這也不是絕對(duì)的，如果延長(zhǎng)超聲時(shí)間無(wú)限制增加，則超聲波的空化作用對(duì)桔梗的多糖結(jié)構(gòu)起到一定的破壞性，如果持續(xù)性的高溫也導(dǎo)致多糖得糖率達(dá)到頂峰后的急速下降，這些都有學(xué)者在試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證與論述。