星點設(shè)計—響應(yīng)面法優(yōu)化黃芪多糖超聲提取工藝

王 丹，王 娟

（徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221006）

黃芪中有多糖、黃酮和皂苷等成分，利于托毒利尿、補氣固表、生肌斂瘡，還可以有效增強人體的免疫調(diào)節(jié)能力，對控制人體血糖、延緩衰老、抑制癌癥等有一定的效果，此外還能有效提高人體心肺功能。本文主要研究超聲波提取和加溫煎煮結(jié)合提取黃芪多糖的工藝方法，首先進行單因素試驗，之后再運用響應(yīng)面法來確定黃芪多糖的最佳提取參數(shù)，為工業(yè)化生產(chǎn)提供研究思路。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

黃芪飲品藥材，北京同仁堂藥店；D-葡萄糖、無水乙醇、苯酚、濃硫酸等，分析純。FA2204 電子天平（上海力辰）；UV-9600 型紫外分光光度計；JP-080S 超聲波清洗機；RE-5003 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。

1.2 多糖提取工藝方法

黃芪飲片處理成粉，準確稱取3.000 g，利用超聲波并加溫輔助提取黃芪多糖,用Sevag 試劑去除提取液中的蛋白，并用無水乙醇沉降，取濾液加水稀釋至100 mL，再取0.5 mL 稀釋液定容至100 mL。

1.3 多糖提取率的測定方法

對照品用D-葡萄糖，用苯酚-硫酸顯色法顯色，檢測波長488 nm，測定其吸光度。用D-葡萄糖濃度（mg/mL）作橫坐標X，吸光度作縱坐標Y，繪制標準曲線，并得到方程式Y(jié)＝13.046 X+0.509 1，r＝0.994 0。在0.002 ～0.012 mg/mL 區(qū)間范圍內(nèi)呈線性。

2 結(jié)果與討論

2.1 優(yōu)化單因素試驗結(jié)論

2.1.1 單因素物料比的優(yōu)化結(jié)果

準確稱取3 g 黃芪粗粉,超聲時間15 min，超聲功率350 W,溫度85℃，做五組平行試驗取平均值，結(jié)果見圖1。最初在一定范圍內(nèi)，隨物料比的增加黃芪多糖的提取率逐漸升高，但當物料比＞1∶11 g/mL 后，黃芪多糖提取率基本不變。因此綜合考查各方面因素，最佳物料比最終選取1∶11 g/mL。

圖1 單因素物料比的優(yōu)化結(jié)果

2.1.2 單因素超聲時間優(yōu)化結(jié)果

圖2 單因素超聲時間優(yōu)化結(jié)果

準確稱取3 g 黃芪粗粉，超聲功率350 W，物料比為1∶11 g/mL，溫度為85℃,做五組平行試驗，取平均值，結(jié)果見圖2。

試驗初期，黃芪多糖提取率隨時間增加而迅速升高，但當超聲時間達到15 min 后，黃芪多糖提取率不增反而有所降低，因此最佳超聲時間確定為15 min。

2.1.3 提取溫度對黃芪多糖提取率的影響

準確稱取5 份3 g 黃芪粗粉,考查提取溫度對黃芪多糖提取率的影響，在功率為350 W，物液料比1∶11（g/mL），時間15 min 試驗條件下，在45℃～85℃進行單因素試驗，結(jié)果見圖3。提取溫度逐漸升到75℃，多糖提取率也隨之升高，但大于75℃后多糖提取率基本無變化。因此，提取溫度75℃為最優(yōu)試驗條件。

圖3 不同提取溫度對黃芪多糖提取率的影響

2.1.4 超聲功率對黃芪多糖提取率的影響

在其他因素確定條件下，設(shè)定150 W、250 W、350 W、450 W、550 W 功率下進行5 次平行單因素試驗，取5次試驗平均值，試驗數(shù)據(jù)見圖4。隨超聲功率逐漸升高，黃芪多糖提取率也逐漸升高。超聲功率小于450 W 時黃芪多糖提取率增長速度顯著，450 W ～550 W 之間黃芪多糖提取率增加不顯著。最終確定最優(yōu)超聲功率為450 W。

圖4 超聲功率對黃芪多糖提取率的影響

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化多糖提取條件

2.2.1 Box-Benhnken 試驗設(shè)計與結(jié)果

根據(jù)單因素試驗數(shù)據(jù)設(shè)定各因素的范圍，用多糖提取率作為評價指標，選取3 因素3 水平共17 組試驗，具體因素設(shè)計水平數(shù)據(jù)見表1，結(jié)果見表2。

表1 黃芪多糖提取優(yōu)化試驗三因素三水平編碼表

表2 黃芪多糖Box-Benhnken 設(shè)計與結(jié)果

用Design Expert 7.0 軟件分析試驗所得數(shù)據(jù)，可以得到模型模擬方程式為Y=-50.097 9+0.528 7A+2.496 4B+0.183 7C-0.011 2AB-0.000 1AC+0.001 4BC-0.010 6A2-0.124 7B2-0.000 2C2，R2=0.987 1，結(jié)果見表3。

表3 方差分析結(jié)果

分析方差結(jié)果可知，F(xiàn)=59.54，P 值＜0.01，說明該模型極顯著，R2=0.987 1，RAdj2=0.970 5，失擬項為0.315，差異不顯著（P＞0.05），表明試驗和模型擬合較好，誤差較小，用于預(yù)測各因素條件下的響應(yīng)值是合理的。分析結(jié)果可知，對多糖的提取率影響中物料比（B）、超聲功率（C）、物料比的平方（B2）、超聲功率的平方（C2）影響差異性極為顯著（P＜0.01）；AB 兩因素和BC 兩因素對多糖提取率的影響則不顯著（P＞0.05），說明三因素之間的影響作用較小。通過F 值可知，各因素的影響為：超聲功率＞物料比＞時間。

2.2.2 響應(yīng)面及等高線分析

超聲時間（A）、物料比（B）、超聲功率（C）三因素構(gòu)成了3D 響應(yīng)面圖。通過3D 響應(yīng)面圖分析可知，在因素相互作用的過程中，多糖提取率均先升高后減緩，3D 曲面的頂點即為多糖提取率的最高值。由3D 曲面圖坡度陡峭程度綜合分析可知，影響的主要因素為物料比（B）。

由等高線圖5 分析可知，A 和B、A 和C 的交互作用較大，兩因素交互作用顯著；B 與C 交互作用也較顯著，但與前兩對因素相比，B 與C 交互作用弱一些。

圖5 3D 響應(yīng)面圖和等高線圖

2.2.3 驗證試驗

通過軟件Design Expert 7.0 分析確定的最優(yōu)條件預(yù)測值為：超聲時間16.22 min，物料比1∶11.67（g/mL），超聲功率425.12 W，預(yù)測多糖提取率為7.81%。根據(jù)實際操作方便性考慮，對各因素進行適當調(diào)整，調(diào)整后最佳條件為：超聲時間16 min，物料比1∶11（g/mL），超聲功率430 W，進行三次重復(fù)提取試驗，求出多糖提取率為7.58%，結(jié)果與預(yù)測值接近，表明響應(yīng)面分析所得的模型是有效的，得到的方程能反映試驗各因素對多糖提取率的影響。

3 結(jié)論

本文根據(jù)單因素試驗結(jié)果，運用Box-Benhnken 響應(yīng)面法對多糖提取影響因素進行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果顯示，超聲時間、物料比和超聲功率對多糖提取率影響均顯著，兩個因素之間均有一定交互作用。最終確定的最佳提取條件為：超聲時間16 min，物料比1∶11 g/mL，超聲功率430 W，此條件下多糖提取率為7.58%。驗證模型可靠，可為優(yōu)化黃芪多糖的提取工藝提供一定的參考。