响应面法优化槐花水溶性多糖的超声波辅助提取工艺.pdf

2011, Vol. 32, No. 04食品科学工艺技术112 响应面法优化槐花水溶性多糖的超声波 辅助提取工艺 徐建国 1,2，田呈瑞1，胡青平2，董俊荣2 (1.陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西 西安 710062； 2.山西师范大学食品科学与工程系，山西 临汾 041004) 摘 要：目的：优化超声波辅助提取槐花水溶性多糖提取工艺。方法：采用单因素试验和二次回归旋转组合试验 确定超声波辅助提取条件。结果：在试验范围内各因素对槐花多糖得率的影响程度由大到小依次为超声波处理时 间、液料比、超声波功率；超声波辅助提取槐花多糖的最优工艺参数为液料比 31:1(mL/g)、超声波功率 217W、 超声提取时间58min、提取温度30。结论：超声波辅助提取时间短、效率高，可作为槐花水溶性多糖的提取工艺。 关键词：槐花；多糖；超声波；提取 Optimizing Ultrasonic-assisted Extraction Process for Water-soluble Polysaccharides from Sophora japonica Flower by Response Surface Methodology XU Jian-guo1,2，TIAN Cheng-rui1，HU Qing-ping2，DONG Jun-rong2 (1. College of Food Engineering and Nutritional Science, Shaanxi Normal University, Xi an 710062, China； 2. Departerment of Food Science and Engineering, Shanxi Normal University, Linfen 041004, China) Abstract：Purpose: To optimize the ultrasonic-assisted extraction process for water-soluble polysaccharides from Sophora japonica flower for improved extraction efficiency. Methods: The optimization strategy used was a series of one-factor-at-a-time investigations and subsequent response surface analysis based on a quadratic regression rotary combination design. Results: Within tested level ranges, the importance of four process parameters affecting extraction yield of polysaccharides from big to small was ultrasonic treatment time, liquid-to-solid ratio and ultrasonic power in turn. Ultrasonic treatment time of 58 min, ultrasonic power of 217 W and extraction temperature of 30 were found optimum for polysaccharide extraction. Conclusion: ultrasonic assistance is beneficial to shorten extraction time and improve extraction efficiency and consequently, suitable for the extraction of water-soluble polysaccharides from Sophora japonica flower. Key words：Sophora japonica；polysaccharides；ultrasonic；extraction 中图分类号：TS224；TS201.1 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2011)04-0112-05 收稿日期：2010-04-17 基金项目：陕西省“13115”科技创新工程重大科技专项(2007ZDKJ-10) 作者简介：徐建国(1971 )，男，副教授，博士，研究方向为植物资源开发利用。E-mail：xjg71 槐花(Sophorae Flos)为豆科植物槐(Sophora japonica L.)的干燥花或花蕾，我国大部分地区均有生长。据医 书记载 1 ，槐花性味苦，微寒，归肝、大肠经，具 有泄热凉血、止血、利尿的作用。槐花中富含黄酮、 多糖、三萜皂甙、植物甾类、鞣质、氨基酸及槐花 米甲、乙、丙素等多种活性物质1-3。现代医学研究证 明，槐花具有抗菌、降压、防止冠状动脉硬化、改 善心肌循环等多种医疗保健功能的功效4-5，因此对其研 究具有重要意义。 超声波辅助提取是利用超声波热学机理、超声波机 械机制和空化作用强化萃取过程的的传质速率和效果， 与传统的浸取法相比，大大缩短了提取时间，提高了 提取效率，且提取液中的杂质较传统方法低，已广泛 地应用于天然产物的提取研究中6-7。目前，对槐花的 研究主要集中在黄酮类化合物8-10，对槐花多糖的研究 报道较少，目前仅有王丽华等11采用水提法对槐花多糖 的提取及抗氧化性进行研究，提取温度高，时间长。 本研究采用响应面试验(二次回归旋转组合设计)优化超声 波辅助提取槐花水溶性多糖的工艺参数，旨在为槐花的 深入研究及产业化开发提供一定参考。 113 工艺技术食品科学2011, Vol. 32, No. 04 1材料与方法 1.1材料与试剂 槐花：采自山西师范大学莳英园，室温阴干； 1,1-二苯基苦基苯肼(DPPH)自由基 美国Sigma 公司， 其他化学试剂均为国产分析纯；试验用水均为蒸馏水。 1.2仪器与设备 KQ-50DB型数控超声波发生器 上海精密仪器生产 有限公司；FZ102 微型植物粉碎机 天津市泰斯特仪器 有限公司；HH-S 恒温水浴锅 郑州长城科工贸有限公 司；RE-52AA 旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂； Christ Alphal-4 低温冷冻干燥机。 1.3方法 1.3.1槐花水溶性多糖的提取工艺 工艺流程：干燥原料粉碎过40 目筛石油醚脱脂 干燥得脱脂样品加适量蒸馏水超声波浸提抽滤 滤液减压浓缩乙醇沉淀离心沉淀干燥脱蛋白离 心去不溶物上清液冷冻干燥槐花水溶性多糖。 其中脱蛋白采用酶解结合Sevag 法12进行，即配制 1mg/mL 木瓜蛋白酶溶液，然后将蛋白酶液与样品液以 1:100 的体积比混匀，于37恒温磁力搅拌器保温2h 后 加入等体积Sevag 液(氯仿:异戊醇=24:1，V/V)，剧烈振 摇30min后在4000r/min条件下离心5min，除去变性蛋白 质沉淀，取水相。反复萃取 3 次，得脱蛋白液。 1.3.2多糖含量的测定方法 总糖测定采用蒽酮 -硫酸法13，用葡聚糖作标准曲 线；还原糖测定采用 3,5-二硝基水杨酸(DNS)比色法13， 用葡萄糖作标准曲线，并计算多糖质量及其得率。 多糖质量 = 总糖质量还原糖质量 多糖质量 多糖得率 /%= 100 原料质量 1.3.3单因素试验 准确称取经预处理的槐花3.000g，放入200mL烧杯 中，在其他条件相同的情况下，采用不同液料比、超 声波功率、超声波提取时间、超声波提取温度进行超 声辅助提取，以槐花水溶性多糖得率为响应值，逐个 考察各提取条件对提取效果的影响。 1.3.4二次回归旋转组合设计试验 根据单因素试验结果，以影响槐花多糖得率的主要 因素为输入变量，以多糖得率为指标，采用二次回归 旋转组合设计试验优化提取工艺。 1.4数据分析 所有的试验均重复 3 次，利用统计分析软件 DPS (v3.01 专业版)及 Excel 程序对试验结果进行分析。 2结果与分析 2.1单因素试验 2.1.1液料比对多糖得率的影响 在超声波功率 200W、超声波提取时间 50min、超 声波提取温度 30的条件下，考察液料比分别为 10:1、 20:1、30:1、40:1、50:1(mL/g)时对多糖得率的影响。结 果如图 1 所示。 图1 液料比对多糖得率的影响 Fig.1 Effect of liquid-to-solid ratio on extraction yield of polysaccharides 3.5 2.5 1.5 0.5 多糖得率/% 液料比(mL/g) 10:120:130:140:150:1 由图1 可知，液料比对槐花水溶性多糖得率有较大 的影响。在液料比较低时，槐花多糖得率随着液料比 的增大而显著提高，在液料比 30:1 时，多糖得率达到 最高值，此后再增加液料比，多糖得率下降。其原因 可能是加水量过大，增加了后续工艺的难度，使分离 效率降低，多糖损失率增加。因此，选择液料比 30:1mL/g 为宜。 2.1.2超声波功率对多糖得率的影响 在液料比 30:1(mL/g)、超声波提取时间50min、超 声波提取温度30条件下，考察超声波功率 150、175、 200、225、250W 对多糖得率的影响。结果如图 2 所示。 3.5 2.5 1.5 0.5 多糖得率/% 超声波功率/W 150175200225250 图2 超声波功率对多糖得率的影响 Fig.2 Effect of ultrasonic power on extraction yield of polysaccharides 由图2 可知，在超声波功率150200W 范围内，槐 花水溶性多糖得率随着超声波功率的增大而提高，在超 声波功率200W 时，多糖得率基本达到最大值，此后再 增加超声波功率，多糖得率并没有明显增加。原因可 能是超声波功率越大，其产生的空化作用和机械作用越 剧烈，媒质粒子的速度和加速度亦越大，界面扩散层 2011, Vol. 32, No. 04食品科学工艺技术114 上的分子扩散就越快，结果多糖渗透出来的速度就越快14。 但当超声波功率达到一定值时，槐花中多糖含量逐渐减 小，内外渗透压达到平衡，多糖的渗出率便趋于恒定。 因此，选择超声波功率为 200W 左右为宜。 2.1.3超声波提取时间对多糖得率的影响 在液料比 30:1(mL/g)、超声波提取温度 30、超声 波功率 200W 条件下，考察超声波提取时间分别为 10、 30、50、70、90min 时对多糖得率的影响。结果如图 3 所示。 图3 超声波提取时间对多糖得率的影响 Fig.3 Effect of ultrasonic treatment time on extraction yield of polysaccharides 3.5 2.5 1.5 0.5 多糖得率/% 超声波提取时间/min 1030507090 由图 3 可知，在超声波提取时间 1050min 范围 时，随着提取时间的延长，槐花多糖得率提高明显， 再延长时间多糖得率没有显著提高，当提取时间超过 70min 时多糖得率开始下降。原因可能是长时间的超声 波处理，其产生的较强的机械剪切作用会使溶出的大分 子多糖的糖苷键断裂，从而导致多糖含量下降。因 此，超声波提取时间应在 5070min 之间为宜。 2.1.4超声波提取温度对多糖得率的影响 在液料比为30:1(mL/g)、超声波提取时间50min、 超声波功率200W 的条件下，考察超声波提取温度分别 为 20、30、40、50、60时对多糖得率的影响。结 果如图 4 所示。 图4 超声波提取温度对多糖得率的影响 Fig.4 Effect of temperature on extraction yield of polysaccharides 3.5 2.5 1.5 0.5 多糖得率/% 提取温度/ 2030405060 由图4 可知，超声波提取温度在 2030之间，多 糖得率增加比较迅速，此后再提高温度，多糖得率没 有明显增加，考虑到温度提高会导致杂质的溶出量及能 耗的增加，因此，试验确定超声波提取温度为 30。 2.1.5提取次数对多糖得率的影响 在液料比30:1(mL/g)，超声波功率200W，提取温 度 30，超声波提取时间 50min 条件下，提取 4 次， 分别测定每次提取的多糖得率，结果如图 5 所示。 图5 提取次数对多糖得率的影响 Fig.5 Effect of the number of repeated extraction on extraction yield of polysaccharides 3.5 2.8 2.1 1.4 0.7 0.0 多糖得率/% 提取次数 1234 由图 5 可知，不同提取次数的多糖得率分别为 3.02%、0.39%、0.19%、0.11%。综合考虑后期浓缩 的困难、产率及能耗等因素，选择提取 1 次为宜。 2.2超声波辅助提取工艺优化模型的建立 2.2.1响应面试验因素及编码水平 根据单因素试验结果，固定提取温度 30，选用 对多糖得率影响较大的液料比、超声波功率、超声波 提取时间 3 个因素，进行三因素的二次回归旋转组合试 验，各因素水平及编码如表 1 所示。 水平 因素 X1 液料比(mL/g)X2功率/WX3 提取时间/min 1.68238.41:1242.0566.82 135:122560 030:120050 125:117540 1.68221.59:1157.9533.18 表1 槐花水溶性糖超声波辅助提取响应面试验因素水平编码表 Table 1 Coded variables and their coded levels in response surface analysis 2.2.2响应面试验设计及结果 由DPS(v3.01 专业版)统计分析软件的试验设计功能 可知，三因素二次回归旋转组合设计包括 23 个试验方 案，具体试验方案及试验结果如表 2 所示。 115 工艺技术食品科学2011, Vol. 32, No. 04 2.2.3回归方程的建立与检验 根据表2 结果，建立槐花水溶性多糖得率与液料比 X1、超声波功率 X2、超声波提取时间 X3的三因素的数 学回归模型：Y=3.06051 0.15723X1 0.14731X2 0.17946X3 0.20675X120.11837X22 0.10776X32 0.08125X1X20.08875X1X30.03625X2X3。由表3方差分 析可知：回归方程的失拟性检验F1=2.247F0.05(5,8)=3.69， 差异不显著，可以认为所选用的二次回归模型是适当 的；回归方程的显著性检验 F2=14.423 F0.01(9,13)= 4.19， 差异极显著，说明模型的预测值与实际值非常吻合，模 型成立。对回归系数显著性检验，在=0.10 显著水平 剔除不显著项，得到优化后的方程为：Y = 3.06051 0.15723X10.14731X20.17946X30.20675X12 0.11837X22 0.10776X320.08875X1X3。 2.2.4各因素的影响程度分析 各因素的 F 值可以反映出各因素对试验指标的重要 性，F 值越大，表明对试验指标的影响越大，即重要 性越大。从表 3 方差分析可知，各因素对多糖得率的影 响程度大小依次为超声波提取时间液料比超声波 功 率 。 试验号X1X2X3多糖得率Y/% 11112.97 21112.84 31112.96 41112.64 51113.05 61112.23 71112.38 81112.04 91.682002.33 101.682002.59 1101.68202.43 1201.68202.99 13001.6822.49 14001.6822.99 150002.86 160003.11 170002.95 180003.09 190003.14 200003.02 210003.16 220023.02 230003.20 表2 槐花水溶性多糖超声辅助提取响应面试验设计及结果 Table 2 Experimental design and corresponding results for response surface analysis 2.2.5双因素交互作用分析 由方差分析表可知，本试验所建立的数学回归模型 中，只有 X1和 X3交互作用显著，即液料比和超声波提 取时间的交互作用对槐花多糖的得率有显著的影响，因 此，固定超声波功率于零水平，得到液料比和超声波 处理时间交互作用的响应曲面图和等高线图如图 6 所示。 变异来源平方和自由度均方F值P值 X10.337610.337619.275790.00073 X20.296410.296416.920450.00122 X30.439810.439825.112530.00024 X10.669110.669138.203230.00003 X20.214610.214612.251740.00391 X30.177010.177010.103330.00726 X1X20.052810.05283.015280.10610 X1X30.063010.06303.597640.08030 X2X30.010510.01050.600200.45236 回归2.273690.2526F2=14.4230.00018 剩余0.2277130.0175 失拟0.133050.0266F1=2.2470.11120 误差0.094780.0118 总和2.501322 表3 响应面试验结果方差分析表 Table 3 Analysis variance of the constructed regression equation for extraction yield of polysaccharides 2 2 2 图6 液料比与超声波提取时间对多糖得率的交互作用分析 Fig.6 Response surface and its contour showing the effects of liquid-to-solid ratio and ultrasonic treatment time on extraction yield of polysaccharides 3.5 2.1 0.7 多糖得率/% 1.68 1.00 0.00 1.00 1.681.68 1.00 0.00 1.00 1.68 X1：料液比 X3：超声时间 1.68 1.00 0.00 1.00 1.68 1.681.000.001.001.68 X 1：液料比 X3：超声时间 固定水平：超声波功率 200W。 由图6 可知，槐花多糖得率随液料比和超声波提取 时间的变化会产生较大变化。随着二因素交互因素编码 值的升高，多糖得率呈上升趋势，但当编码值达到一 2011, Vol. 32, No. 04食品科学工艺技术116 定组合后，多糖得率呈下降的趋势。原因可能是过大 的液料比使分离效率降低，多糖损失率增加；过长的超 声波处理时间会导致多糖的降解，这与单因素的分析结 果一致。由此可知，只有当液料比和超声波处理时间 合理搭配时才能获得更好的提取效果。 2.2.6提取工艺参数的优化及验证 用频率分析方法寻找最优浸提条件，其中多糖得率 高于 2.80% 的方案有 24 个，频率分析结果见表 4。由 表 4 可知，在 95% 置信区间内多糖得率高于2.80% 的优 化提取方案为液料比 29.80532.695(mL/g)、超声波功率 209.75224.425W、超声波提取时间54.5461.10min，取 优化后提取条件的平均值方案，X1=0.25、X2=0.6835、 X3=0.782，即液料比31.25:1(mL/g)，超声波功率217.088W， 超声波提取时间57.82min。为便于指导实际生产，将最 优组合方案定为：液料比 31:1(mL/g)、超声波功率 217W、超声波提取时间 58min、提取温度 30。按最 优组合方案中的提取条件进行验证实验，重复 3 次，取 平均值，测得槐花水溶性多糖得率 3.16%，与理论值 3.19% 接近，其相对误差为 0.94%，进一步验证了数学 回归模型的适合性。 水平 X1 X2 X3 次数频率次数频率次数频率 1.6800.0000000.0000000.00000 140.1666710.0416720.08333 0100.4166790.3750060.25000 1100.4166790.3750090.37500 1.6800.0000050.2083370.29167 加权均数 0.250 0.684 0.782 标准误 0.147 0.150 0.167 95%的置信区间 (0.039, 0.539) (0.390, 0.977) (0.454, 1.110) 提取条件 (29.805, 32.695) (209.75 , 224.425) (54.54, 61.1) 表4 优化提取方案中Xi取值频率分布表 Table 4 Level distribution frequency of various extraction parameters 优化数学回归模型为：Y=3.060510.15723X10.14731X2 0.17946X3 0.20675X120.11837X22 0.10776X32 0.08875X1X3。采用此模型在本试验范围内能较准确地预 测槐花多糖的提取率。 3.2通过试验结果的方差分析可知，在本实验范围 内，各因素对槐花水溶性多糖得率的影响作用大小顺序 依次为超声波处理时间液料比超声波功率。 3.3超声波辅助提取槐花水溶性多糖的最佳工艺参数为