纖維素酶輔助提取藕節多糖工藝優化及其動力學、熱力學研究

王占一，趙 靜，朱天順，胡錦鋼，趙春林，向 蘭

（1.棗莊學院食品科學與制藥工程學院，山東 棗莊 277160；2.山東大學藥學院，山東 濟南 250012）

蓮Nelumbo nuciferaGaertn.為睡蓮科蓮屬水生植物，其干燥根莖節部入藥，稱為藕節，2015 年版《中國藥典》 也有收載［1］，具有收斂止血、清熱涼血、通便止瀉、健脾益氣之功效，用于治療肺結核咯血、胃出血、鼻出血、吐血、便血等病癥。近年來，國內外學者發現藕節中含有大量多酚、生物堿、多糖，其中多糖類成分已引起廣泛關注［2-3］。

在天然活性成分的提取過程中，水酶法提取是將生物酶作為一種生物催化劑來破壞植物細胞壁結構，提高細胞膜、細胞壁通透性，降低底物傳質阻力，加快細胞中活性物質溶出，該方法操作安全，易于控制，提取效率高，已在生產實踐中得到大量應用［4-9］。

天然活性成分從實驗材料到提取介質中的溶出過程比較復雜，會受到各種因素的影響，但其本質都是溶質從物料的固相到溶劑的液相轉運過程。一般認為，有效成分從物料內部到物料表面擴散的過程是控制該步驟的關鍵［10］，但纖維素酶法提取多糖類成分時溶質轉運過程的動力學、熱力學研究尚未見報道。本實驗采用響應面法優化纖維素酶輔助提取藕節多糖工藝，通過Fick 擴散公式、Van’t Hoff 方程分析該成分從材料固相到溶劑液相傳遞過程中的動力學、熱力學，為工業化生產提供技術參考，也為藥材資源開發利用提供理論依據。

1 材料

藕采自微山湖，手工取其根莖節部后洗凈、烘干，經棗莊學院閆志佩教授鑒定為正品。TU-1800SPC 型紫外-可見分光光度計（上海普析通用儀器有限公司）；ALC-1104 型電子天平（北京賽多利斯儀器系統有限公司）；GZX-9240MBE 型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海博訊實業有限公司醫療設備廠）；RE-2000A 型旋轉蒸發器（上海亞榮生化儀器廠）；HH-6 型數顯恒溫水浴鍋（常州國華電器有限公司）。葡萄糖對照品（純度＞98%，批號110833-201805）購自中國食品藥品檢定研究院；纖維素酶（酶活性≥20 000 U／g）購自鄭州宇控生物科技有限公司。3，5-二硝基水楊酸、無水乙醇、碳酸鈉、濃硫酸、苯酚、抗壞血酸、磷酸鹽等試劑均為分析純，購自天津市天力化學試劑有限公司。

2 方法與結果

2.1 多糖含有量測定 采用苯酚-硫酸法［11-12］測定總糖含有量。將D-無水葡萄糖干燥至恒重后精密稱取50 mg，小燒杯溶解，置于容量瓶中定容至100 mL，作為葡萄糖貯備液，依次稀釋成10、20、30、40、50、60、70 μg／mL，以蒸餾水為對照，各量取1 mL 置于10 mL 具塞試管中，加入5%苯酚溶液0.5 mL，充分振搖后再滴加5.5 mL 濃硫酸，混合均勻，室溫下靜置30 min，于490 nm 波長處測定吸光度。以吸光度為縱坐標（A），溶液質量濃度為橫坐標（X）進行回歸，得方程為A＝0.079 2X-0.005 5（r＝0.999 5），在1.43～10 μg／mL范圍內線性關系良好。

采用DNS 顯色法［13-14］測定還原糖含有量。精密量取0.5 mg／mL 葡萄糖溶液0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL 于試管中，蒸餾水補至1.0 mL，加入2.0 mL 3，5-二硝基水楊酸（DNS）顯色劑，沸水浴5 min，冷卻，蒸餾水補至10 mL 后于540 nm波長處測定吸光度。以吸光度為縱坐標（A），溶液質量濃度為橫坐標（X）進行回歸，得方程為A＝0.017 2X-0.186 2（r＝0.999 3），在5～50 μg／mL 范圍內線性關系良好。

再計算總糖含有量與還原糖含有量的差值，即為多糖含有量。

2.2 多糖得率測定 精密稱取粉碎至40 目的藕節粉末5.0 g，置于三頸圓底燒瓶中，加入纖維素酶至設定加酶量，加入一定pH 值磷酸鹽緩沖液使料液比達到設定值，酶解反應到設定時間，其間溫度保持恒定。提取結束后，將提取物轉移至燒杯中，沸水浴滅酶10 min，抽濾，定容至250 mL，作為供試品溶液，計算多糖得率，公式為多糖得率＝（多糖含有量／藥材質量）×100%。

2.3 單因素試驗 本實驗考察了加酶量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%）、料液比（1∶8、1∶12、1∶16、1∶20、1∶24、1∶28）、介質pH（2、3、4、5、6、7）、酶解溫度（20、30、40、50、60、70 ℃）、酶解時間（1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 h）對多糖得率的影響，將其中1 個作為單因素時，其他4 個分別固定為加酶量0.8%、料液比1∶20、介質pH 5、酶解溫度50 ℃、酶解時間2.5 h。

2.3.1 加酶量 圖1 顯示，當加酶量為0.2%～0.8%時，多糖得率隨著其增加而升高；超過0.8%后，逐漸趨于平緩，表明已達到飽和狀態，考慮到生產成本，確定加酶量在0.8%左右。

圖1 加酶量對多糖得率的影響Fig.1 Effect of enzyme consumption on polysaccharides yield

2.3.2 料液比 圖2 顯示，隨著提取溶劑用量增加，多糖得率呈先升后降的趨勢，當料液比為1∶20時達到最大值，其原因是提取溶劑用量較大時有利于溶質從固相向溶劑相轉移，加速多糖溶出，得率也隨之提高；超過1∶20 后，由于后期處理過程中有損耗，導致多糖得率不升反降，故確定料液比在1∶20 左右。

圖2 料液比對多糖得率的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on polysaccharides yield

2.3.3 介質pH 圖3 顯示，隨著介質pH 升高，多糖得率呈先升后降的趨勢，在5 時達到最大值，其原因是磷酸鹽緩沖液pH 值對生物酶的影響較大，大于或小于最適pH 值都會降低后者活性，故選擇介質pH 在5 左右。

圖3 介質pH 對多糖得率的影響Fig.3 Effect of medium pH on polysaccharides yield

2.3.4 酶解溫度 圖4 顯示，當酶解溫度為20～50 ℃時，多糖得率隨著其增加而逐漸升高，在50 ℃時達到最大值；超過50 ℃后，多糖得率呈降低趨勢，其原因是酶解溫度過高時生物酶活性受到抑制，不能充分發揮作用，導致其得率降低，故確定酶解溫度在50 ℃左右。

圖4 酶解溫度對多糖得率的影響Fig.4 Effect of enzymolysis temperature on polysaccharides yield

2.3.5 酶解時間 圖5 顯示，當酶解時間為1.0～2.5 h 時，多糖得率隨著其延長而逐漸升高，在2.5 h 達到最大值；超過2.5 h 后，多糖得率幾乎不再提高，考慮到實際生產，確定酶解時間在2.5 h左右。

圖5 酶解時間對多糖得率的影響Fig.5 Effect of enzymolysis time on polysaccharides yield

2.4 Box-Behnken 響應面法優化 在單因素試驗基礎上，采用Design Expert 8.0.5 軟件進行Box-Behnken 響應面設計，選擇加酶量（X1）、介質pH（X2）、酶解溫度（X3）、酶解時間（X4）作為影響因素，多糖得率（Y）作為評價指標，共設立29個處理組，因素水平見表1，結果見表2。

表1 因素水平Tab.1 Factors and levels

表2 試驗設計與結果Tab.2 Design and results of tests

通過Design-Expert 8.0.5 軟件進行擬合，得二次回歸方程為Y＝5.68+0.61X1-0.062X2-0.13X3+0.27X4+0.24X1X2-0.43X1X3-0.36X1X4-0.07X2X3+0.16X2X4-0.38X3X4--0.64，方差分析見表3。由此可知，模型P＜0.000 1，決定系數R2＝0.909 5，失擬項P＞0.05，表明方程擬合情況良好；X1、對多糖得率有極顯著影響（P＜0.01），X4、X1X3、X3X4對其有顯著影響（P＜0.05）；各因素影響程度依次為加酶量＞酶解時間＞酶解溫度＞介質pH。響應面分析見圖6。

由此可知，最優提取工藝為加酶量0.9%，介質pH 5.07，酶解溫度47.4 ℃，酶解時間2.58 h，多糖得率為5.87%，考慮到實際操作，將其修正為加酶量0.9%，介質pH 5.0，酶解溫度47 ℃，酶解時間2.5 h。進行3 次驗證試驗，測得多糖平均得率為5.86%，與預測值5.87% 接近，表明工藝穩定可靠。

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

圖6 各因素響應面圖Fig.6 Response surface plots for various factors

2.5 提取過程動力學分析 本實驗假設整個提取體系溫度分布一致，攪拌良好，忽略傳質過程中的外部阻力，將原料粉末近似看作球形構造，表面光滑。多糖從固相向溶劑相的溶出只與徑向相關，擴散速率通常用Fick 擴散公式描述［15］，為了方便表達，假設Y＝ln ［C∞／（C∞-C）］，完整表達為Y＝kt+ln［π2C∞／6（C∞-C0）］且k＝π2DS／r2（C∞為傳質達到平衡時介質中多糖含有量，單位mg／mL；C為t時刻介質中多糖含有量，單位mg／mL；C0為介質中多糖初始含有量，單位mg／mL；k為提取速率常數，單位min-1；DS為表面擴散系數，單位cm2／min；r為近似球形的材料半徑，單位cm）。

精密稱取40 g 藕節粉末（r約為0.05 cm），設定纖維素酶加入量0.9%，介質pH 5，料液比1∶20，在7 種溫度（305、310、315、320、325、330、335 K）下水浴提取，相同條件下另設不加纖維素酶的體系。從開始反應的0.5 h 開始，每隔0.25 h 取樣0.5 mL，直至3.5 h 提取完全為止，測定提取樣品中多糖含有量，得到多糖得率隨提取時間的變化規律，結果見圖7。

由此可知，無論是否加入纖維素酶，多糖得率都隨著提取時間延長而升高；在最適酶解溫度下，加入纖維素酶后多糖得率最高，提取過程達到平衡時間最短，其原因是纖維素酶有其最佳酶解溫度，低于或者超過該溫度時活性均會受到限制，導致其得率下降，達到提取平衡時間延長；但在各提取溫度下，加入纖維素酶后多糖得率均高于未加入纖維素酶，表明纖維素酶有助于提高其得率。提取過程動力學方程（X為提取時間，Y為多糖得率）及動力學參數見表4。

圖7 不同溫度下多糖得率與提取時間的關系Fig.7 Relationships between polysaccharides yield and extraction time under different temperatures

表4 提取過程動力學方程及動力學參數Tab.4 Kinetic equations and kinetic parameters for extraction process

由此可知，在不同提取溫度下無論是否加入纖維素酶，決定系數R2均不小于0.901 3，表明方程擬合情況良好，提取過程符合一級傳質動力學模型；加入纖維素酶后，在提取溫度305～335 K 范圍內提取速率常數（k）先升后降，在320 K 達到最大值，證實將其作為最佳酶解溫度時既可保證較好的提取效果，又能達到節約資源的目的；相同提取溫度下加入纖維素酶后的k值均大于未加入纖維素酶，表面擴散系數（DS）亦然。

2.6 提取過程熱力學分析 當提取過程達到動態平衡時，可通過Van’t Hoff 方程計算熱力學參數ΔH、ΔS、ΔG［16-17］，計算公式為ln（C／C∞-C）＝-ΔG／RT＝-ΔH／RT+ΔS／R［ΔG為提取過程的自由能，單位kJ／mol；ΔS為提取過程的熵，單位J／（mol·K）；ΔH為提取過程的焓，單位kJ／mol；R為摩爾氣體常數，數值8.314 J／（mol·K）；T為提取溫度，單位K］。

加入纖維素酶后，在提取溫度320 K 時多糖提取達到平衡，即C＝C∞，將ln ［C／（C∞-C）］對1／T作線性擬合，可得2 組線性方程，即ln ［C／（C∞-C）］＝-7.841 3X+0.029 8（R2＝0.988 1）、ln ［C／（C∞-C）］＝15.468 8X-0.042 3（R2＝0.987 3），由此計算ΔH、ΔS、ΔG。由于提取溫度320 K 時ln ［C／（C∞-C）］無意義，故只計算305、310、315、325、330、335 K 下熱力學參數，結果見表5。

表5 不同提取溫度下熱力學參數Tab.5 Thermodynamic parameters under different extraction temperatures

由此可知，提取溫度為305～315 K 時，ΔH、ΔS均大于0，表明提取過程中吸熱熵增加［17］；為325～335 K 時，ΔH、ΔS均小于0，表明提取過程中放熱熵減小；不同提取溫度下ΔG均小于0，表明提取過程為自發過程，其中在320 K 前ΔG值減小，表明提取過程容易進行［17］，而超過320 K 后ΔG值反而增大，表明提取過程不容易進行，從而印證了最佳提取溫度確定為320 K（47 ℃）的合理性。

3 討論

水酶法是在機械破碎的基礎上，利用酶（蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶等）破壞細胞壁結構，提高植物細胞膜、細胞壁通透性，加快內容物溶解，從而增加提取效率、產物得率。文獻報道，采用該方法提取油橄欖葉［18］、菊苣根［19］、半邊蓮［20］等藥材中的多糖時得率高，安全可控。本實驗通過纖維素酶法輔助提取藕節多糖，并結合工業生產可行性和成本應用Box-Behnken 響應面法對提取工藝進行優化，發現所建立的模型穩定可靠。

目前，已有關于天然產物提取過程中動力學、熱力學的研究［10，16-17］，天然活性成分從實驗材料中的溶出過程比較復雜，會受到有效成分分子量大小、藥材粉末顆粒形態、藥材質地、細胞破碎程度等諸多因素的影響［10］，但有效成分向外擴散過程是關鍵。因此，本實驗采用Fick 擴散公式、Van’t Hoff 方程分析有效成分向外擴散過程的動力學、熱力學，發現纖維素酶能提高藕節多糖提取過程中提取速率常數（k）、表面擴散系數（DS），從而加快溶出速率。另外，纖維素酶法提取天然活性成分時，應在其最適溫度下進行，這樣才能充分發揮生物酶的高效性。