微波輔助法提取獼猴桃多糖的條件優(yōu)化

盧丹, 呂淼華, 姚善涇

(浙江大學化學工程與生物工程學系,杭州杭州 310027)

微波輔助法提取獼猴桃多糖的條件優(yōu)化

盧丹, 呂淼華, 姚善涇＊

(浙江大學化學工程與生物工程學系,杭州杭州 310027)

為了提高獼猴桃多糖的收率,研究了微波輔助提取法從中華獼猴桃根、莖和葉中分離多糖的過程,采用均勻設計法考察了固液質(zhì)量體積比,提取時間和微波功率對多糖提取率的影響。結果發(fā)現(xiàn)不同原料的最佳提取條件也不同,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和實際情況確定了3種多糖的最優(yōu)提取條件分別為:根多糖的固液質(zhì)量體積比為0.016 9 g/mL,微波功率為385 W,作用時間24 min;莖多糖的固液質(zhì)量體積比為0.017 0 g/mL,微波功率為539 W,作用時間為23.8 min;葉多糖的固液質(zhì)量體積比為0.016 1 g/mL,微波功率為539 W,作用時間為23.5 min。在最優(yōu)提取條件下,根、莖、葉多糖的得率依次為7.0%、3.7%和3.2%,明顯高于其它的提取方法。同時還經(jīng)試驗驗證,3種多糖得率實驗值與回歸方程的計算值偏差均小于5%。

中華獼猴桃,多糖,微波輔助提取,均勻設計法

獼猴桃屬植物(ActinidiaLindl.)在中國的種質(zhì)資源豐富[1],其中,中華獼猴桃(A.chinensis Planch.)根(藤梨根)在中國傳統(tǒng)醫(yī)藥中一直被用于治療消化不良、痢疾、關節(jié)炎等多種疾病[2]。近年的研究表明了,獼猴桃屬植物的根、莖、果多糖均具有一定的抗腫瘤功效[3-5],而且由于所處的部位不同,其治療效果也有差異。自1975年Samra等首次將家用微波爐用于實驗室提取生物樣品開始,微波輔助提取技術已經(jīng)廣泛用于植物成分的提取。與傳統(tǒng)提取方法相比,微波提取具有提取效率高、對樣品的破壞小,節(jié)能等優(yōu)點[6-9]。文獻中已經(jīng)報導了一些用于獼猴桃多糖的提取方法,主要包括熱水浸提、醇提、堿提和超聲波輔助提取等[10-11],有一定效果,但提取率都比較低。

作者以中華獼猴桃的根、莖和葉為原料,從中提取出獼猴桃多糖。考慮到由于材質(zhì)的不同,提取過程的參數(shù)也會不同。因此將采用均勻設計法優(yōu)化,對在微波輔助提取中的3個最主要參數(shù)——固液質(zhì)量體積比、提取時間和微波功率,進行優(yōu)化,以得到中華獼猴桃根、莖、葉多糖的在不同部位時的優(yōu)化提取工藝條件,以期獲得更高的提取效率。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 設備 高速中藥粉碎機:DFY-500,大德中藥機械有限公司產(chǎn)品;紫外/可見光分光光度計: Ultrospec 3300 pro,英國Biochrom Ltd公司產(chǎn)品;微波爐:PJ21C-AN,美的微波爐公司產(chǎn)品。

1.1.2 原料與試劑 中華獼猴桃根、莖和葉均采自浙江省桐廬縣;葡萄糖:浙江華東醫(yī)藥公司產(chǎn)品;硫酸(分析純),醫(yī)用酒精:浙江方亭化工公司產(chǎn)品;質(zhì)量分數(shù)6%苯酚溶液:取苯酚100 g,加鋁片0.1 g和NaHCO30.05 g,減壓蒸餾,收集182℃餾分。稱取苯酚結晶15 g,加適量去離子水溶解,轉移至250 mL容量瓶中,加水至刻度。轉移至250 mL棕色瓶中,置冰箱內(nèi)備用[12-13]。

1.2 試驗方法

1.2.1 原材料預處理 將采自果園的新鮮中華獼猴桃根和莖切片,室溫風干后用高速中藥粉碎機粉碎。中華獼猴桃葉經(jīng)室溫風干后切碎。為了除去脂溶性雜質(zhì),粉碎樣品經(jīng)60℃石油醚回流提取1 h后,40℃真空干燥。干燥后樣品加入體積分數(shù)80%乙醇,采用不同微波功率(700,539,385,231, 119 W)依次作用4 min,除去含有單糖、低聚糖及苷類的上清后真空干燥備用。原材料預處理流程見圖1所示。

圖1 原材料預處理流程圖Fig.1 Flowchart of pretreatment of fresh materials

1.2.2 多糖測定方法 采用苯酚-硫酸法,具體參照文獻[14]。精確移取葡萄糖標液(40 mg/L)0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 mL,依次置于9個試管中,再分別加入去離子水補至2.0 mL。搖勻后分別加入質(zhì)量分數(shù)6%的苯酚1.0 mL和濃硫酸5.0 mL,室溫靜置10 min,搖勻。再靜置20 min,以空白溶液作參比,分別于490 nm處測定吸光值(A)。標準曲線的線性回歸方程為:

1.2.3 樣品的均一性測定 為了避免樣品差異掩蓋微波輔助提取條件對提取率的影響,在進行微波提取前有必要對樣品的均一性進行測定。根、莖和葉各取3份樣品,每份5 g。加入250 mL去離子水,浸泡30 min后,539 W功率作用10 min。用苯酚-硫酸法測定每份樣品中的多糖含量。

1.2.4 多糖的微波輔助提取 微波輔助提取多糖過程在常壓下進行。稱取10 g的預處理后的干燥樣品置于反應皿中,加入相應體積的去離子水。浸泡30 min后,按均勻設計的相應操作條件進行提取。均勻設計操作條件見表1。用苯酚-硫酸法測定多糖含量。

表1 均勻設計操作條件Tab.1 Experimental design matrix

2 結果與分析

2.1 樣品的均一性

經(jīng)苯酚-硫酸法測定,根、莖和葉中每份樣品中多糖含量的標準偏差依次為3.0%,5.0%和2.5%,小于等于5%。因此,可以認為樣品均一。結果如表2所示。

表2 樣品的均一性Tab.2 The homogeneity of the samples

2.2 提取溶劑的選擇

介質(zhì)吸收微波的能力主要取決于其介電常數(shù)、介質(zhì)損失因子、比熱和形狀等。極性大的溶劑或目標成分,其吸收微波的能力強,反之弱[8]。常用于微波輔助提取多糖的溶劑包括乙醇、甲醇和它們的水溶液。對于一個給定的微波功率,溶劑的相對介電常數(shù)越大,釋放的熱量越多,加熱越快。水作為微波輔助提取的溶劑,有高介電常數(shù),具備很好的吸收微波能量的能力[15]。因此,在本試驗中,作者選擇水作為微波輔助提取多糖的溶劑。

2.3 均勻設計回歸分析

試驗數(shù)據(jù)符合二階多元模型?？偟亩嘣A模型如下:

式中Y指多糖得率,以提取得到的多糖質(zhì)量與進行反應的預處理后樣品質(zhì)量的百分比值表示;xi和xj表示自由變量,這里分別指固液比、提取時間和微波功率;a0,ai,aii和aij分別表示截距、一次項、二次項和交互項的回歸系數(shù)。多糖的質(zhì)量以苯酚-硫酸法測得的多糖濃度與相應溶液體積的乘積表示。

根據(jù)設置的提取條件,進行了相關的提取試驗,得到了不同條件下3種多糖的提取得率,采用軟件SA S進行回歸分析,分別得到如下根、莖和葉多糖得率的回歸方程:

獼猴桃根多糖得率:

式中自變量與應變量表示與式(2)相同。由上面3個方程,可以計算得到不同條件下,3種多糖的提取率,3種多糖得率實驗值與方程的計算值偏差均小于5%。

為了得到最優(yōu)的操作條件,對回歸方程中的x1,x2和x3求偏導,聯(lián)立方程求解,在導數(shù)等于零時求得極大值,如表3所示。

由于受所采用的微波率固定功率的限制,作者選取最接近的微波功率替代計算得到的最佳微波功率。實際可行的優(yōu)化操作條件如表4所示。

表3 從回歸方程中得到的極值Tab.3 Extremes obtained from the equations

表4 實際采用的最優(yōu)的操作條件Tab.4 The Actual optimum operating conditions

2.4 驗證試驗

根據(jù)回歸方程計算得到的實際選取的優(yōu)化操作條件下的多糖得率與該條件下的試驗值如圖3所示。兩者的偏差依次為4.4%,19.5%和0。因此,所得到的回歸方程可以較好地預測根和葉在不同操作條件下的多糖得率。

圖3 實際優(yōu)化操作條件下的試驗值與計算值比較Fig.3 Experimental and calculated values of polysaccharide yield under optimal operating conditions

3 討 論

微波輔助提取技術具有快速、高效、安全、節(jié)能的優(yōu)點,近年已被廣泛應用于植物成分的提取。微波作用于細胞,使胞內(nèi)溫度迅速升高,水汽化,胞內(nèi)的壓力升高,致使細胞破裂,使胞內(nèi)物質(zhì)自由流出,溶于提取劑中。其中影響微波提取的最主要的因素有溶劑種類、提取時間、微波功率以及固液質(zhì)量體積比等等[8]。

在確定了水為溶劑后,作者主要考慮的就是固液質(zhì)量體積比、提取時間和微波功率3個參數(shù),對此進行優(yōu)化,可得到相應的提取操作條件。在優(yōu)化的操作條件下中華獼猴桃根,莖,葉多糖的得率依次為7.0%、3.7%和3.2%。作者在之前的工作中也曾對中華獼猴桃根、莖、葉多糖采用了傳統(tǒng)的水浴回流提取,其多糖得率依次為0.64%、1.85%和2.0%。吳瑾瑾[11]曾用超聲波輔助方法從中華獼猴桃根、莖和葉中提取多糖,其提取率依次只有0.544%,1.814%和0.405%,這些提取率已經(jīng)比傳統(tǒng)熱水提取多糖得率要高。而作者采用的微波輔助提取方法,已明顯優(yōu)于超聲波輔助提取法和傳統(tǒng)提取法,是超聲波輔助提取法的多糖得率的12.9、2.0和7.9倍。

另外,利用微波輔助提取方法從3種原料中均可以提取得到多糖,其中根的多糖含量最高,葉子的多糖含量次之,而莖中的多糖含量相對較低。但根是植物的不可或缺的關鍵生長部位,而莖、葉則較易獲取。因此,如果后續(xù)的多糖結構分析和藥理研究顯示3種多糖具有可比性,則以莖、葉代替根作為藥材來源則更有現(xiàn)實意義。

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(責任編輯:朱明)

Optimization of the Extraction of Polysaccharides with Microwave-Assisted Extraction fromActinidia chinensis

LU Dan, LV Miao-hua, YAO Shan-jing＊
(Department of Chemical and Biochemical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

Microwave-assisted extraction(MAE)was applied to the polysaccharides extraction from the dried root,stem and leaf of Actinidia Chinensis.Three key operation parameters, including the extraction time,the power of microwave and the ratio of material to solvent,were optimized with uniform experimental design method.The optimal conditions for extracting three raw materials were determined by the regression equations.Considering the efficiency and the feasibility of experiment,the actual operating conditions were 0.016 9 of the ratio of material to solvent,24 min of the extraction time and 385 W of the microwave power in the extraction of root;0.0170 of the ratio of material to solvent,23.8 min of the extraction time and 539 w of the microwave power in the extraction of stem;and 0.016 1 of the ratio of material to solvent,23.5 min of the extraction time and 539 W of the microwave power in the extraction of leaf, respectively.The extracted yields of polysaccharides in the actual optimal conditions were 7.0%, 3.7%和3.2%.The deviation between the values from experiments and calculation from root andleaf were both below 5%,which demonstrated that the regression equation could predict the yield of polysaccharide in the given conditions well.

ActinidiaChinensis,polysaccharide,microwaveassistedextraction,uniform experimental design method

O 629.12

:A

1673-1689(2010)03-0401-05

2009-06-22

浙江省科技廳面上項目(2008C33031)。

盧丹(1980-),女,福建建甌人,生物化工博士研究生,主要從事生物分離工程研究。Email:danro324@163.com

＊通信作者:姚善涇(1957-),男,浙江平湖人,教授,主要從事生物分離工程研究。Email:yaosj@zju.edu.cn