響應(yīng)面法優(yōu)化黃秋葵多糖超聲提取工藝

任丹丹，陳 谷*

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640)

響應(yīng)面法優(yōu)化黃秋葵多糖超聲提取工藝

任丹丹，陳 谷*

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640)

目的：探討黃秋葵多糖的超聲提取工藝。方法：選定時(shí)間、水料比和溫度作為影響因素，以黃秋葵多糖提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過3因素3水平Box-Behnken中心組合試驗(yàn)，建立多糖提取率的二次多項(xiàng)式回歸方程，經(jīng)響應(yīng)面回歸分析得到優(yōu)化組合條件。結(jié)果：最佳提取工藝條件為提取時(shí)間20min、水料比44:1(mL/g)、提取溫度52℃、提取1次時(shí)，多糖提取率達(dá)到最大值。該條件下多糖提取率預(yù)測(cè)值為27.82%，驗(yàn)證值為27.75%。結(jié)論：為黃秋葵多糖的提取工藝提供參考，有利于對(duì)黃秋葵的進(jìn)一步開發(fā)利用。

黃秋葵；多糖；超聲提取工藝；響應(yīng)面分析優(yōu)化

黃秋葵[Abelmoschus esculentus (L.) Moench]，又名咖啡黃葵、補(bǔ)腎草、洋辣椒、羊角豆等，為錦葵科秋葵屬一年生草本植物，原產(chǎn)于非洲，現(xiàn)在我國(guó)部分城市有少量栽培。嫩果潤(rùn)滑風(fēng)味獨(dú)特，營(yíng)養(yǎng)成分豐富，含蛋白質(zhì)、脂肪、多糖、維生素、微量元素和黃酮等，是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮臓I(yíng)養(yǎng)保健蔬菜[1-3]。黃秋葵的嫩莢果中特有的黏性物質(zhì)可助消化、防便秘，長(zhǎng)期食用可治療胃炎、胃潰瘍，并可保護(hù)肝臟及增強(qiáng)人體耐力[4-6]。其黏液所制得浸膏可作為脂肪替代物，制作低脂肪巧克力、低脂肪餅干等[7]。除此之外，實(shí)驗(yàn)證明黃秋葵具有抗疲勞、減少肺損傷、治療燒(燙)傷[8-11]等功能。任丹丹等[12]研究表明：黃秋葵多糖具有膽酸結(jié)合活性的作用。

超聲波在天然產(chǎn)物的提取中的應(yīng)用，主要是利用超聲波的空化效應(yīng)增大介質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)速度，使可溶性活性成分迅速溶出[13]。響應(yīng)面分析(response surface methodology，RSM) 采用多元二次回歸方程來擬合影響因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，對(duì)回歸方程進(jìn)行分析得到優(yōu)化的工藝參數(shù)。與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)相比，能研究幾種因素之間的交互作用，現(xiàn)被越來越廣泛地應(yīng)用于解決多變量問題[14-15]。本實(shí)驗(yàn)利用響應(yīng)面分析法對(duì)黃秋葵多糖的超聲提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，為進(jìn)一步開發(fā)利用黃秋葵多糖提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃秋葵 廣州蔬菜批發(fā)市場(chǎng)。將黃秋葵清洗后冷凍干燥，磨粉過50目篩，避光密封，－20℃保存?zhèn)溆?。無水葡萄糖、無水乙醇、苯酚(重蒸)、濃硫酸等均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?/p>

1.2 儀器與設(shè)備

電子精密天平 德國(guó)Sartorius公司；QL-901型漩渦混合器 江蘇其林貝爾儀器公司；KQ5200DE型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；臺(tái)式高速離心機(jī) 美國(guó)貝克曼公司；冷凍離心機(jī) 德國(guó)Eppendorf公司；UV-2300紫外-可見分光光度計(jì) 上海天美科學(xué)儀器有限公司；冷凍干燥機(jī) 美國(guó)Thermo公司； JYL-380料理機(jī) 濟(jì)南九陽股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 黃秋葵多糖的提取工藝流程

黃秋葵嫩果→蒸餾水清洗→冷凍干燥→粉碎過篩→加水浸泡→超聲提取→離心→濾液定容→測(cè)定多糖含量

1.3.2 黃秋葵多糖含量和提取率測(cè)定

用苯酚-硫酸法制備葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程：y=15.6x－0.0018(R2=0.9977)，在0～40μg/mL范圍內(nèi)，葡萄糖的質(zhì)量濃度(x)和吸光度(y)有良好的線性關(guān)系。經(jīng)超聲處理的黃秋葵水溶液，離心取100μL上清液，用蒸餾水稀釋定容至5mL。再取上述稀釋液100μL至具塞試管，添加900μL蒸餾水混勻。然后用苯酚-硫酸法測(cè)定樣品在波長(zhǎng)490nm處的吸光度，通過回歸方程和稀釋倍數(shù)計(jì)算多糖含量。

1.3.3 提取工藝的優(yōu)化

選取超聲時(shí)間、水料比、提取溫度及提取次數(shù)為主要影響因素，以黃秋葵多糖的提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，研究各個(gè)因素之間對(duì)多糖提取率的影響，做出響應(yīng)面圖，對(duì)超聲法提取黃秋葵多糖工藝進(jìn)行條件優(yōu)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 超聲時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響

圖1 超聲時(shí)間對(duì)黃秋葵多糖提取率的影響Fig.1 Effect of extraction time on the yield of polysaccharides from okra

固定水料比40:1(mL/g)、提取溫度60℃，研究不同超聲時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響。由圖1可知，多糖提取率在15min附近出現(xiàn)最大值。隨著超聲時(shí)間的增加，提取率呈先上升再下降的趨勢(shì)?？赡苁怯捎诙嗵浅曁崛r(shí)間過長(zhǎng)，超聲波引起產(chǎn)物結(jié)構(gòu)變化降低提取率。因此，超聲時(shí)間選在15min左右。

2.1.2 水料比對(duì)多糖提取率的影響

固定超聲時(shí)間15min、提取溫度60℃，研究不同的水料比對(duì)多糖提取率的影響。由圖2可知，隨著水料比的增大，多糖的提取率逐漸的上升。當(dāng)水料比超過40:1時(shí)，多糖提取率增幅不明顯。因此，水料比取40:1左右。

圖2 水料比對(duì)黃秋葵多糖提取率的影響Fig.2 Effect of liquid/solid ratio on the yield of polysaccharides from okra

2.1.3 提取溫度對(duì)多糖提取率的影響

固定提取時(shí)間15min、水料比40:1，研究不同的超聲溫度對(duì)多糖提取率的影響。由圖3可知，在低于60℃時(shí)，隨溫度的升高多糖提取率逐漸增加；但當(dāng)提取溫度高于60℃時(shí)，提取率明顯下降。這是由于提物溫度過高會(huì)使可溶性多糖的分子結(jié)構(gòu)受到破壞。因此，提取溫度選在60℃左右。

圖3 提取溫度對(duì)黃秋葵多糖提取率的影響Fig.3 Effect of temperature on the yield of polysaccharides from okra

2.1.4 提取次數(shù)對(duì)多糖提取率的影響

固定提取時(shí)間15min、水料比40:1，提取溫度60℃，研究不同的超聲次數(shù)對(duì)多糖提取率的影響。由圖4可知，黃秋葵經(jīng)過1次超聲提取可以達(dá)到較好的效果。因此，選擇提取次數(shù)為1次。

圖4 提取次數(shù)對(duì)黃秋葵多糖提取率的影響Fig.4 Effect of extraction number on the yield of polysaccharides from okra

2.2 響應(yīng)面分析及黃秋葵多糖提取工藝的優(yōu)化

以單因素試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，選超聲時(shí)間、水料比、提取溫度3個(gè)對(duì)多糖提取率影響顯著的因素，采用3因素3水平的響應(yīng)面分析方法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平Table 1 Factors and levels in response surface design

表2 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

響應(yīng)面分析方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。其中，試驗(yàn)號(hào)1～12是析因試驗(yàn)，而13～17是中心試驗(yàn)，用來估計(jì)試驗(yàn)誤差。

由Design-Expert 8.0.2.0軟件處理數(shù)據(jù)，采用二次型進(jìn)行變異分析(analysis of variance，ANOVA)，其方差分析結(jié)果見表3。對(duì)響應(yīng)值與各個(gè)因素進(jìn)行回歸擬合，該模型對(duì)應(yīng)的回歸方程：

表3 方差分析Table 3 Variance analysis for the yield of polysaccharides with various extraction conditions

對(duì)二次回歸方程(1)進(jìn)行方差分析，模型P＜0.01，此時(shí)回歸方差模型極顯著，該試驗(yàn)方法可靠。方程失擬項(xiàng)不顯著，該回歸模型與實(shí)測(cè)值能較好的擬合。回歸系數(shù)R2=0.9853＞0.9，表明該模型相關(guān)度好?；貧w方程各項(xiàng)的方差分析表明：B、AB、AC、BC、B2、C2均達(dá)到極顯著水平。選定的因素對(duì)多糖提取率的影響大小依次為水料比、時(shí)間和溫度。

響應(yīng)面Y對(duì)于因素A、B、C值構(gòu)成的三維空間在二維平面上的等高圖，可直觀地反映各因素之間的相互作用。Design-Expert 8.0.2.0軟件處理得到響應(yīng)面分析結(jié)果見圖5～7。

圖5 超聲時(shí)間與水料比對(duì)多糖提取率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction time and liquid/solid ratio on yield of polysaccharides

圖6 超聲時(shí)間與提取溫度對(duì)多糖提取率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction time and temperature on yield of polysaccharides

根據(jù)所得到的模型，預(yù)測(cè)最優(yōu)工藝條件：超聲時(shí)間19.77min、水料比44.20:1(mL/g)、提取溫度52.35℃，在此條件下多糖的提取率理論上可達(dá)到27.82%。但考慮到實(shí)際情況將最佳工藝修正為超聲時(shí)間20min、水料比44:1(mL/g)、提取溫度52℃。在修正條件下，實(shí)際的提取率為27.75%。與理論值較為接近，因此，采用RSM法優(yōu)化得到的提取條件參數(shù)可靠。

圖7 水料比與提取溫度對(duì)多糖提取率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots showing the interactive effects of liquid/solid ratio and temperature on yield of polysaccharides

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)使用超聲法從黃秋葵中提取分離多糖物質(zhì)，對(duì)提升黃秋葵的利用價(jià)值具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。通過響應(yīng)面分析對(duì)其提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，超聲提取的最佳工藝條件：超聲時(shí)間20min、水料比44:1(mL/g)、提取溫度52℃、提取1次，在此條件下多糖的實(shí)際提取率為27.75%。本研究為黃秋葵多糖的提取工藝提供了參考，有利于對(duì)黃秋葵的進(jìn)一步開發(fā)利用。

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Optimization of Ultrasound-assisted Extraction of Polysaccharides from Okra by Response Surface Analysis

REN Dan-dan，CHEN Gu*
(College of Light Industry and Food, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Objective: To optimize the ultrasound-assisted extraction of polysaccharides from okra by response surface analysis.Methods: On the basis of single-factor experiments, the relationship between the yield of polysaccharides and main extraction conditions including extraction time, liquid/solid ratio and temperature was modeled using a 3-factor, 3-level Box-Behnken experimental design and further, the established model was analyzed by response surface methodology to obtain the optimum extraction conditions. Results: The optimum extraction conditions were obtained as follows: extraction time of 20 min, liquid/solid ratio of 44:1 and temperature of 52 ℃. Under these conditions, the estimated and observed values of maximal yield of polysaccharides were 27.82% and 27.75%, respectively. Conclusion: The results provide a reference for extraction of okra polysaccharides, and lay a foundation for future research on okra.

okra；polysaccharides；ultrasound-assisted extraction technology；response surface methodology

TQ929.2

A

1002-6630(2011)08-0143-04

2010-05-19

任丹丹(1987—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樘穷愇镔|(zhì)及其藥物的制備與生物利用。E-mail：rendandan619@163.com

*通信作者：陳谷(1973—)，女，副教授，博士，研究方向?yàn)樘穷愇镔|(zhì)及其藥物的制備與生物利用。E-mail：chengu@scut.edu.cn