響應(yīng)面分析法優(yōu)化菜籽多糖酸法提取工藝的研究

鞠興榮 稅 丹 何 榮 王立峰， 王雪峰 高瑀瓏 袁 建

(南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)重點實驗室1，南京 210003)

(江南大學(xué)食品學(xué)院2，無錫 214122)

響應(yīng)面分析法優(yōu)化菜籽多糖酸法提取工藝的研究

鞠興榮1稅 丹1何 榮2王立峰1，2王雪峰1高瑀瓏1袁 建1

(南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)重點實驗室1，南京 210003)

(江南大學(xué)食品學(xué)院2，無錫 214122)

利用響應(yīng)面分析法對菜籽多糖的酸法提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化。在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取酸濃度、料液比、提取時間、提取溫度進(jìn)行了4因素3水平的Box－Behnken中心組合研究，并運(yùn)用Design Expert 7.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。建立了以上4個主要因素對酸提菜籽多糖得率影響的數(shù)學(xué)模型，并通過響應(yīng)面分析法對提取條件進(jìn)行了優(yōu)化，確定了酸法提取菜籽多糖的最佳工藝。試驗結(jié)果表明，各提取因素對酸提菜籽多糖得率的影響順序為:提取溫度＞酸濃度＞提取時間＞料液比。所得最佳提取條件為:酸濃度0.28 mol/L、料液比43.05 mL/g、提取時間5 h和提取溫度71.9℃，在此條件下預(yù)期的多糖得率是4.07%，實際得率為4.01%。

菜籽多糖 酸法提取 響應(yīng)面分析 工藝優(yōu)化

油菜是世界四大油料作物之一，我國油菜籽產(chǎn)量居世界第一位。油菜生產(chǎn)的迅速發(fā)展，不僅為我國人民提供了豐富的食用油，也為我國飼料工業(yè)提供了豐富廉價的菜籽餅粕資源。據(jù)資料顯示，我國每年油菜籽制油后所產(chǎn)生的菜籽粕可達(dá)600～700萬噸［1－2］。菜籽粕含有蛋白質(zhì)、多糖、植酸、多酚、膽堿、生物素、煙酸、VB1，VB2和豐富的微量元素如鈣、磷等成分，具有較高的利用價值［3］。目前，對于菜籽餅粕中的蛋白質(zhì)研究應(yīng)用較為常見，但其他成分的應(yīng)用尚屬開發(fā)階段。由于多糖具有多種生物活性功能，以及在功能食品和臨床上的廣泛使用，使其成為近年來的研究熱點。同時，近來許多研究證明，酸提植物多糖亦具有較高的生理活性，且其中一些功能非水提植物多糖所能取代［4－5］。因此，酸提菜籽餅粕多糖的開發(fā)利用有望為人們提供一種益于健康且原料來源豐富的功能性成份，這也可使得菜籽餅粕的綜合利用率大大提高。本試驗旨在優(yōu)化菜籽粕多糖的酸法提取工藝，以期為酸提菜籽多糖的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。

響應(yīng)曲面法(response surface method，RSM)近年來被廣泛應(yīng)用于眾多過程的優(yōu)化控制［6－8］，它采用了更為合理的試驗設(shè)計，能以最經(jīng)濟(jì)的方式，利用較少的試驗數(shù)量和時間對試驗進(jìn)行全面研究，從而快速有效地確定多因素系統(tǒng)的最佳條件［9］。本試驗采用鹽酸提取菜籽餅粕中的多糖，選定浸提液酸濃度、料液比、提取時間和提取溫度4個主要因素3水平進(jìn)行中心組合試驗，通過Design Expert 7.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析得出菜籽多糖酸法提取的最佳條件。

1 材料與方法

1.1 材料

菜籽餅粕:2009年產(chǎn)秦優(yōu)7號菜籽經(jīng)實驗室自制所得。

石油醚(30～60℃沸程)、無水乙醇、硫酸、葡萄糖、鹽酸、氫氧化鈉:南京化學(xué)試劑有限公司;苯酚:上海試劑一廠綜合經(jīng)營公司;三氯乙酸:上海山浦化工有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2 儀器

JLGJ45檢驗礱谷機(jī)、錘式旋風(fēng)磨:上海嘉定糧油儀器有限公司;TDL－5－A離心機(jī):上海安亭科學(xué)儀器廠;pHS－3C型精密數(shù)顯pH計:上海精密科學(xué)儀器廠;PB303－N分析天平:上海梅特勒有限公司;HH－2數(shù)顯恒溫水浴鍋:國華電器有限公司;RE 52－05旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:上海亞榮生化儀器廠;SHZ－D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵:鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;AIPHAI－4LD PLUO真空冷凍干燥機(jī):德國CHRIST生產(chǎn);UV－2401PC紫外可見光分光光度計:日本Shimadzu公司。

1.3 方法

1.3.1 菜籽餅粕的制備

2009年產(chǎn)秦優(yōu)7號菜籽→脫殼處理→風(fēng)選→粉碎→過80目篩→用石油醚脫油→通風(fēng)干燥→試驗所需低溫菜籽粕

1.3.2 菜籽餅粕中粗多糖的提取方法

菜籽餅粕→80%乙醇脫單糖、色素(料液比3 mL/g，0.5 h，2次)→殘渣→鹽酸溶液浸提→離心取上清液→浸提液濃縮→除蛋白(三氯乙酸法)→離心取上清液→3倍無水乙醇沉淀→離心取沉淀→洗滌→透析→冷凍干燥→粗多糖

1.3.3 多糖含量的測定方法

多糖含量的測定采用苯酚－硫酸法［10］，所得多糖標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。

圖1 多糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.3.4 多糖得率的計算［11］

對于粗多糖樣液，亦采用苯酚－硫酸法測定其吸光度，根據(jù)圖1所示多糖標(biāo)準(zhǔn)曲線，可得到樣液中多糖濃度，從而得多糖的得率。

多糖的得率的計算可以根據(jù)下列公式計算得到:

菜籽多糖得率=CVDf/m×100%

式中:C為多糖溶液中葡萄糖的質(zhì)量濃度/mg/mL;V為試驗所取已稀釋后粗多糖浸提液的體積，取1 mL;D為稀釋因素，取1 000;f為多糖的換算因子，取0.91;m為菜籽餅粕的質(zhì)量/mg。

1.3.5 單因素試驗

分別以不同的酸濃度、料液比、提取時間及提取溫度進(jìn)行單因素試驗，考察各單因素對多糖得率的影響。

1.3.6 中心組合試驗

根據(jù)Box－Benhnken的中心組合試驗設(shè)計原理，在單因素試驗基礎(chǔ)上，確定中心組合試驗因素與水平，以多糖得率為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面分析對提取條件進(jìn)行優(yōu)化。試驗因素及水平編碼如表1所示。具體試驗設(shè)計方案見表2。

表1 Box－Behnken中心組合試驗設(shè)計因素水平及編碼

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 酸濃度對提取率的影響

分別用濃度為 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol/L 的HCl溶液于50℃以20 mL/g的料液比浸提2 h。由圖2可知，隨著酸濃度的提高，菜籽多糖的得率逐漸增加，到達(dá)0.3 mol/L后呈現(xiàn)減小的趨勢。主要原因可能是酸提取有助于解除細(xì)胞壁聚合物分子間的物理和化學(xué)作用，從而提高多糖產(chǎn)率，但過高的酸濃度可能會導(dǎo)致對多糖結(jié)構(gòu)的破壞，引起多糖得率的降低。由此可見，HCl濃度0.3 mol/L時為最佳。

圖2 酸濃度對提取率的影響

2.1.2 料液比對提取率的影響

用濃度為0.2 mol/L的HCl溶液于50℃下分別以 10、20、30、40、50 mL/g 的料液比提取 2 h。由圖 3可知，多糖提取率隨液料比的增大而呈上升趨勢，這是由于加液量越大則提取出來的多糖越容易溶解，損失就越少，但料液比到達(dá)40 mL/g時達(dá)到最高點，隨后隨著液料比的繼續(xù)增加，提取率不再增加，稍呈下降趨勢。增大液料比雖有利于多糖提取，但會增大后續(xù)濃縮的時間與能耗，所以導(dǎo)致提取率稍呈下降趨勢。單因素試驗的結(jié)果顯示，料液比應(yīng)在40 mL/g左右。

圖3 料液比對提取率的影響

2.1.3 提取時間對提取率的影響

用濃度為0.2 mol/L的HCl溶液50℃下以20 mL/g的料液比進(jìn)行提取，時間分別為 1、2、3、4、5 h。由圖4可知，多糖提取率隨著提取時間的增長，呈現(xiàn)先上升再穩(wěn)定的總體趨勢，在4 h左右出現(xiàn)最大值。說明目的產(chǎn)物浸出過程與時間密切相關(guān)，時間過短，產(chǎn)物溶解不充分，但時間過長，又可能會引起產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的變化。單因素試驗的結(jié)果顯示，提取時間應(yīng)在4 h左右。

圖4 提取時間對提取率的影響

2.1.4 提取溫度對提取率的影響

用濃度為0.2 mol/L的HCl溶液以20 mL/g的料液比，分別于 20、40、60、80、100 ℃下提取 2 h。由圖5可知，隨著溫度的升高，多糖的提取率逐漸增加，且增幅明顯。當(dāng)高于 80℃時，得率有所下降。這可能是伴隨溫度的升高，原料溶脹度增大，傳質(zhì)強(qiáng)化，從而使得多糖的溶出率增加的緣故。由于多糖是活性物質(zhì)，溫度過高易破壞其結(jié)構(gòu)，且溫度高能耗也大，故選擇提取溫度在80℃左右為宜。

圖5 提取溫度對提取率的影響

2.2 響應(yīng)面分析法優(yōu)化提取條件結(jié)果分析

如表2所示，本試驗共29個試驗點，其中24個為析因點，5個為零點，析因點為變量取值在X1、X2、X3、X4，所構(gòu)成的三維頂點;零點為區(qū)域的中心點，其中零點試驗重復(fù)5次，用以估算試驗誤差。

表2 Box－Behnken試驗設(shè)計及酸提菜籽多糖得率實測值與預(yù)測值

采用Design Expert 7.0程序?qū)λ脭?shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，4個因素經(jīng)過擬合得到多糖提取率(Y)回歸方程如下所示:

表3中回歸方差分析顯著性檢驗表明，該回歸模型P＜0.000 1，方程模型達(dá)到極顯著，失擬項P=0.119 3 ＞0.05，不顯著，表明該模型方程極顯著，不同處理間的差異高度顯著，說明這種試驗方法是準(zhǔn)確可靠的，使用該方程模擬真實的4因素3水平的分析是可行的。該回歸模型的總決定系數(shù)R2=0.904 3，調(diào)整決定系數(shù) Adj R2=0.808 7，說明該模型的擬合程度較好，試驗誤差小。因此該回歸方程模型成立，可以用此模型對酸法提取菜籽多糖進(jìn)行分析及預(yù)測。

表3 菜籽多糖得率的回歸模型方差分析

表4 菜籽多糖得率回歸方程系數(shù)顯著檢驗

由表4可知，在酸法提取菜籽多糖的工藝參數(shù)中，在所選的各因素水平范圍內(nèi)，影響多糖得率的因素按主次順序排列為:提取溫度＞酸濃度＞提取時間＞料液比。同時可知，模型中因素X1(酸濃度)、X4(提取時間)對菜籽多糖得率的線性效應(yīng)極顯著;因素X2

2、X4

2對菜籽多糖得率的曲面效應(yīng)極顯著;X1X4交互作用顯著。

響應(yīng)面圖形是響應(yīng)值對各試驗因子所構(gòu)成的三維空間的曲面圖，從響應(yīng)面分析圖上可形象地看出最佳參數(shù)及各參數(shù)之間的相互作用。當(dāng)特征值均為正值時，響應(yīng)而分析圖為山谷形曲面，有極小值存在;當(dāng)特征值為負(fù)值時，為山丘曲面，有極大值存在;當(dāng)特征值有正有負(fù)時，為馬鞍形曲面，無極值存在［12］。通過響應(yīng)面三維圖，可直觀地反映各因素的交互作用對響應(yīng)值的影響，從而確定最佳工藝參數(shù)范圍。根據(jù)擬合模型繪制菜籽多糖提取率三維響應(yīng)面圖及其等高線分析圖見圖6。比較響應(yīng)面三維圖可知，在所選范圍內(nèi)存在極值，即響應(yīng)面最高點;等高線的形狀反映出交互作用的大小，圓形表示兩因素的交互作用不顯著，橢圓形則表示兩因素交互作用顯著。圖6中，酸濃度與提取溫度的交互作用顯著。在試驗水平范圍內(nèi)，提取時間為4 h，料液比為1∶40的情況下，當(dāng)提取溫度為80℃左右，菜籽多糖的得率隨酸濃度的提高先提高后降低;當(dāng)酸濃度在0.3 mol/L左右，菜籽多糖的得率亦隨提取溫度的提高先提高后略微降低。

圖6 酸濃度與提取溫度的交互作用

對回歸方程求一階導(dǎo)數(shù)，當(dāng)響應(yīng)值Y有最大值時可求得各因素的水平:X1= －0.177、X2=0.305、X3=1、X4=－0.401，轉(zhuǎn)換后得到最佳提取條件為:酸濃度0.28 mol/L、料液比 43.05 mg/mL、提取時間5 h和提取溫度71.9℃，在此條件下理論預(yù)測菜籽多糖得率可達(dá)4.07%。

2.3 最佳工藝條件的檢驗

通過回歸模型的預(yù)測，得到酸提取菜籽多糖的最佳工藝條件:酸濃度為0.28 mol/L、提取時間5 h、液料比43.05 mL/g，提取溫度為71.9℃，預(yù)測響應(yīng)值為4.07%。為檢驗RSM的可靠性，采用上述最優(yōu)條件進(jìn)行驗證試驗，同時考慮操作的方便性，將提取工藝參數(shù)修正為酸濃度0.3 mol/L、提取時間5 h、液料比40 mL/g，提取溫度70℃，實際測得的多糖平均得率為4.01%。因此，基于響應(yīng)面法所得的優(yōu)化提取工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實用價值。

3 結(jié)論

利用Design Expert7.0軟件，采用Box－Behnken建立酸法提取菜籽多糖的回歸模型，方程擬合良好。在酸法提取菜籽多糖的過程中，提取溫度是影響多糖提取率的最關(guān)鍵因素，各提取因素對酸提菜籽多糖得率的影響順序為提取溫度＞酸濃度＞提取時間＞料液比。當(dāng)酸濃度為0.28 mol/L、提取時間5 h、提取溫度71.9℃、液料比43.05 mL/g時為最佳工藝參數(shù)。在此條件下預(yù)期的多糖得率是4.07%，實際得率是4.01%。

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Study on the Optimization of the Extraction Technology of Polysaccharides from Rapeseed Meal by Acid Using Response Surface Method

Ju Xingrong1Shui Dan1He Rong2Wang Lifeng1，2Wang Xuefeng1Gao Yulong1Yuan Jian1
(College of Food Science and Engineering Nanjing University of Finance and Economics Key Laboratory of Grain and Oils Quality Control and Deep － Utilizing Technology of Jiangsu Province1，Nanjing 210003)
(School of Food Science and Technology，Jiangnan University2，Wuxi214122)

Based on response surface method(RSM)，the conditions of extracting rapeseed polysaccharides were optimized.Experimental factors and their levels were determined by single － factor tests.Subsequently，the center combination experimental design of Box－ Behnken was used to investigate the effects of acid concentration，the ratio of liquid to solid，extracting time，and temperature on the yield of polysaccharides extraction from rapeseed meal by acid.The optimum combination was obtained by Design expert 7.0 and response surface analysis.Response surface and contour were finally graphed with the extraction rate as the response value.The effect order of 4 factors on yield was as follows:temperature＞acid concentration＞extracting time＞the ratio of liquid to solid.The optimum extraction conditions were as follows:acid concentration 0.28 mol/L，liquid/solid ratio 43.05 mL/g，extraction time 5 h，extraction temperature 71.9 ℃.Under this condition，expected yield of polysaccharide is 4.07%，and actual yield is 4.01%.

rapeseed polysaccharide，acid extraction，response surface method，optimization of the extraction

TS201.2

A

1003－0174(2012)03－0089－05

農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目(2009GB2C100123)，江蘇省自然科學(xué)基金(BK2010573)

2011－07－05

鞠興榮，男，1957年出生，教授，博士，食品營養(yǎng)及功能性成分研究與開發(fā)