山藥多糖提取工藝響應(yīng)面法優(yōu)化

諸愛士,成 忠

(浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院,杭州310023)

山藥多糖是目前公認(rèn)的山藥重要活性成分之一,其具有許多優(yōu)越的生理功能[1-3],如免疫調(diào)節(jié)、增強(qiáng)免疫功能、抗腫瘤、調(diào)節(jié)血糖、抗細(xì)菌、降血脂和抗氧化等。

王剛等[4]采用水提法、許本波等[5]采用微波輔助水提法、李金忠等[6]采用超聲輔助水提法、張?jiān)萚7]采用酶法等確定了山藥多糖提取的最佳工藝條件。但均未考慮預(yù)處理時(shí)間對(duì)得率的影響,也沒有考慮溶劑回收。因此,筆者在前文[8]考察了提取過程的溫度、時(shí)間、水物比(去離子水與預(yù)處理過的山藥質(zhì)量比,全文同)、提取次數(shù)等因素及預(yù)處理時(shí)間、溶劑回收再利用等對(duì)得率影響的基礎(chǔ)上,將響應(yīng)面法應(yīng)用于提取山藥多糖的優(yōu)化工藝中,建立多糖提取條件與得率之間的模型,以期獲得最優(yōu)的工藝參數(shù),提高多糖的得率。

1 材料與方法

1.1 主要原料、試劑及儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

山藥飲片,產(chǎn)地河南,安徽德昌藥業(yè)飲片有限公司生產(chǎn)。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

無水乙醇、無水乙醚、丙酮、甲醇、正丁醇、硫酸、苯酚、三氯甲烷、葡萄糖,均為AR。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

722E型可見分光光度計(jì)(上海光譜儀器有限公司),DK-S24型電熱恒溫水浴鍋(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司),BS124S型電子天平(北京塞多利斯儀器系統(tǒng)有限公司),RE52CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞龍生化儀器廠),800B離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠),DHG-9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精密實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 山藥飲片的預(yù)處理

使用前恒溫50℃烘干4 h,再粉碎至粉末干燥待用。

1.2.2 山藥多糖的提取

山藥的預(yù)處理和水提方法同文獻(xiàn)[9]。

1.2.3 葡萄糖質(zhì)量濃度測(cè)定及提取得率計(jì)算

含量測(cè)定采用苯酚-硫酸法。經(jīng)作工作曲線,將吸光度與質(zhì)量濃度擬合得關(guān)系式如下:

其中:X—葡萄糖質(zhì)量濃度,g/L;Y-485 nm處的吸光度;山藥多糖的質(zhì)量濃度以葡萄糖計(jì)[9],山藥多糖的得率按以下公式計(jì)算:

其中:η—山藥多糖的得率,%;m—提取出的山藥多糖的質(zhì)量,g;X—由吸光光度法測(cè)得的山藥多糖的質(zhì)量濃度,g/L;M—原料山藥質(zhì)量,g。

2 結(jié)果與分析

單因素考察實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提取溫度、提取時(shí)間和水物比三因素對(duì)多糖的提取得率影響較大,其較佳值分別為60 ℃、2 h、20?，F(xiàn)采用Box-Behnken設(shè)計(jì)[10],以山藥多糖得率為目標(biāo),乙醇預(yù)處理(2+2)h,提取1次,以提取溫度、提取時(shí)間和水物比分別對(duì)應(yīng)獨(dú)立變量X1、X2和X3。試驗(yàn)因素與水平編碼見表1,模型選用二次方程:

表1 試驗(yàn)因素與水平編碼Table 1 Codes and levels of factors chosen

2.1 響應(yīng)值結(jié)果及其擬合模型

由Box-Behnken設(shè)計(jì)方案所得結(jié)果見表2。

通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design-Expert[11]將表2的結(jié)果對(duì)模型(1)進(jìn)行了擬合,得到了擬合方程:

試驗(yàn)的方差分析見表3。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and results

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for regression equation

表3顯示,模型的F值為34.47,F＞f0.01(9,4)=14.66,說明因變量和自變量之間的線性關(guān)系顯著;各試驗(yàn)因子對(duì)響應(yīng)值的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系;模型的失擬項(xiàng)很小,表明該模型對(duì)試驗(yàn)擬合情況好。

將回歸模型通過SAS軟件嶺脊分析[12]預(yù)測(cè)得到山藥多糖提取的最佳工藝條件為:提取溫度71.1℃,提取時(shí)間4.12 h,水物比23.3,在此條件下,山藥多糖理論得率6.846%。

2.2 等高線圖和響應(yīng)曲面圖分析

保持其他因素不變,可獲得某兩個(gè)因素及其交互作用對(duì)得率影響的二元二次方程如下:

由此就可以得到一組響應(yīng)曲面圖及其等高線圖,從而可觀察某兩個(gè)因素及其交互作用同時(shí)對(duì)得率的影響,并為因素的最佳水平確定給出了范圍。

回歸優(yōu)化響應(yīng)面曲面圖及等高線圖見圖1。

由圖1a可知,在水物比20固定時(shí),由提取溫度55～65℃、提取時(shí)間1.5～2.5 h所形成的區(qū)域中,隨著提取溫度的升高與提取時(shí)間的增加,得率有所增加,但其增幅有減緩的趨勢(shì);當(dāng)提取溫度65℃、提取時(shí)間2.5 h時(shí),提取得率最大。

圖1 不同因素組合影響多糖得率的曲面圖及其等高線Fig.1 Response surface plots and contour plots of yield of yam polysaccharide as function of different conditions

由圖1b可知,在提取時(shí)間2 h固定時(shí),由提取溫度55～65℃、水物比15～25所形成的區(qū)域中,隨著提取溫度的升高與物水比的增加,得率有所增加,但其增幅同樣有減緩的趨勢(shì);當(dāng)提取溫度65℃、水物比25時(shí),提取得率最大。

由圖1c可知,在提取溫度60℃時(shí),由提取時(shí)間1.5～2.5 h、水物比15～25所形成的區(qū)域中,隨著提取時(shí)間的增加與物水比的增加,得率有所增加,但其增幅依然有減緩的趨勢(shì);當(dāng)提取時(shí)間2.5 h、水物比25時(shí),提取得率最大。

2.3 模型的驗(yàn)證

為檢驗(yàn)RSM 法的可靠性,采用最優(yōu)提取條件進(jìn)行山藥多糖的提取實(shí)驗(yàn),在提取溫度71.1℃、提取時(shí)間4.12 h、水物比23.3、提取次數(shù)1次條件下進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn),實(shí)際測(cè)得的多糖得率平均值為6.75%,與理論預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為1.40%。

3 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的山藥多糖提取最優(yōu)條件為:提取溫度71.1℃,提取時(shí)間4.12 h,水物比23.3,山藥多糖得率理論值6.846%,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)實(shí)際得率為6.75%,誤差為1.40%。該法直觀有效,并可減少工藝條件選擇的盲目性。

山藥多糖提取條件優(yōu)化的回歸模型為:

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