響應(yīng)面法優(yōu)化蓮子低聚糖超聲波輔助提取工藝

田玉庭， 盧 旭， 鄭寶東

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建福州 350002)

響應(yīng)面法優(yōu)化蓮子低聚糖超聲波輔助提取工藝

田玉庭， 盧 旭， 鄭寶東

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建福州 350002)

采用響應(yīng)面分析法對超聲輔助提取蓮子低聚糖工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化．研究了超聲波功率(300～500 W)、料液比(g/mL)1∶15～1∶25和提取時間(30～50 min)對超聲輔助提取蓮子低聚糖得率的影響，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，優(yōu)化工藝參數(shù)．結(jié)果表明:超聲輔助提取各試驗因素對蓮子低聚糖得率的影響次序為料液比＞超聲波功率＞提取時間．優(yōu)化所得蓮子低聚糖超聲波輔助提取較佳工藝參數(shù)為:超聲波功率320 W，液料比1∶25，提取時間48 min，在該條件下，低聚糖得率為1.13%．與熱回流提取法和微波輔助提取法相比，超聲輔助提取法使蓮子低聚糖得率分別提高66.18%和29.88%．

蓮子;低聚糖;超聲波輔助提取;響應(yīng)面分析

蓮子是我國重要的出口創(chuàng)匯特色農(nóng)副產(chǎn)品之一，可以藥食兩用．研究發(fā)現(xiàn)，蓮子中富含低聚糖［1－3］，低聚糖被證實為雙歧桿菌增殖因子［4－5］．

低聚糖普遍存在于植物細(xì)胞內(nèi)，要想研究其結(jié)構(gòu)和功能，必須經(jīng)過破壁提?。壳?，低聚糖提取方法主要有熱回流浸提法［6］、微波輔助提取法［7－8］以及超聲波輔助提取法［9］．與前兩者相比，超聲波輔助提取法具有選擇性高、能耗低、效率高等優(yōu)點，且不破壞所提生物活性成分的結(jié)構(gòu)和性能［10］，因此應(yīng)用廣泛，但未見超聲波輔助提取蓮子低聚糖(LSO)研究報道．本文以干蓮為供試原料，對其所含的低聚糖進(jìn)行超聲波輔助提取實驗．選取超聲波功率、料液比和提取時間為試驗因素，采用Box-Behnken試驗設(shè)計并結(jié)合響應(yīng)面分析法，探討試驗因子對蓮子低聚糖得率的影響，優(yōu)化蓮子低聚糖超聲波輔助提取工藝參數(shù)，為開發(fā)利用蓮子低聚糖資源及工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持．

1 材料與方法

1.1 實驗材料

干蓮，由綠田(福建)食品有限公司提供;95%乙醇、苯酚、硫酸、氯仿、異戊醇均為分析純;α-淀粉酶，Sigma公司，酶活力為50 000 U/mg．

1.2 主要儀器與設(shè)備

CTXNW-2Bx型循環(huán)超聲波提取機(jī)，北京弘祥隆生物技術(shù)股份有限公司;MAS-Ⅱ型微波萃取儀，上海新儀微波化學(xué)科技有限公司;UV-2550型紫外可見分光光度計，日本島津公司;TDL-5型低速臺式大容量離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠;DY89-1型電動玻璃勻漿機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司;BUCHI 409型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，美國 Buchi公司;MCFD5505型冷凍干燥機(jī)，美國SIM公司．

1.3 實驗方法

1.3.1 蓮子低聚糖提取工藝流程

干蓮→粉碎過篩→加水浸泡→酶解→浸提→過濾→脫蛋白→過濾→真空濃縮→乙醇沉降→過濾→真空濃縮→柱層析→真空濃縮→冷凍干燥→低聚糖．

操作要點:

酶解處理［11］:蓮子粉水溶液于50℃下 α-淀粉酶酶解，用碘試劑法確定酶解終點;

脫蛋白［12］:向提取液中加入正丁醇和氯仿(1∶4)混合溶液，劇烈振搖20 min后離心，分去水層和溶液層交界處的變性蛋白質(zhì)，重復(fù)5～6次;

乙醇沉降［11－12］:向提取液中緩慢加入5倍量的95%乙醇，攪拌后于4℃下沉降過夜;

柱層析［13］:低聚糖濃縮液經(jīng) AB-8大孔樹脂(1.6 cm×60 cm)吸附層析，去離子水洗脫速度為5 mL/min，每管收集5 mL，490 nm下測定合并．

1.3.2 蓮子低聚糖浸提實驗

傳統(tǒng)熱水浸提:參考文獻(xiàn)［6］，經(jīng)單因素實驗，確定熱水浸提工藝參數(shù)為:料液比為(g/mL)1∶20，提取溫度95℃，提取時間180 min;

微波輔助浸提:參考文獻(xiàn)［7－8］，經(jīng)單因素實驗，確定微波輔助浸提工藝參數(shù):微波功率600 W，料液比(g/mL)1∶20，提取時間20 min，提取溫度80℃;

超聲波輔助浸提:超聲波間歇比1∶1，提取溫度70 ℃，攪拌速度60 r·min－1，其他實驗參數(shù)見1.3.3．

1.3.3 響應(yīng)面試驗設(shè)計

根據(jù)中心組合試驗設(shè)計原理，綜合前期超聲波輔助提取單因素實驗結(jié)果，選取超聲波功率(X1)、料液比(X2)和提取時間(X3)3個因素為自變量，以蓮子低聚糖得率(Y)為因變量，選用N=15的Box-Behnken試驗設(shè)計，因素水平編碼見表1．

1.3.4 低聚糖得率測定［9］

葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線:A=0.007 2C－0.003 3，R2=0.998 4．式中A為葡萄糖吸光度;C為溶液中葡萄糖質(zhì)量濃度，μg/mL．

表1 Box-Behnken試驗因素及水平編碼Tab．1 Levels of variables employed in present study for construction of Box-Behnken Design

1.3.5 統(tǒng)計分析

所有試驗分析重復(fù)3次，結(jié)果取平均值;采用SAS(version 9.1，SAS Institute.，Cary，NC，USA)進(jìn)行試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析．

2 結(jié)果與分析

2.1 模型構(gòu)建及參數(shù)分析

蓮子低聚糖提取Box-Behnken試驗設(shè)計矩陣及試驗結(jié)果如表2．

表2 Box-Behnken試驗設(shè)計及低聚糖得率實測值與預(yù)測值Tab．2 Box-Behnken Design and actrual and predicted values of LSO yield

以低聚糖得率為響應(yīng)值，利用SAS軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，得到超聲波功率、料液比和提取時間對低聚糖得率的二元多項式回歸模型:式(1)中:Y為蓮子低聚糖得率的預(yù)測值，X1、X2和X3分別為超聲波功率、料液比和提取時間的編碼值．

對上述各回歸模型進(jìn)行方差分析，并對模型系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗．模型方差分析結(jié)果見表3，由表3可知，F(xiàn)=79.289 9，P＜0.000 1，表明本試驗所選用的二次多項式模型具有高度的顯著性;失擬項P=0.1164＞0.05，不顯著;同時，模型的 R=0.996 5、，皆接近于1，表明試驗數(shù)據(jù)與回歸數(shù)學(xué)模型擬合性良好［14］，能夠用上述模型較好地預(yù)測各指標(biāo)實際值．

表3 回歸模型的方差分析Tab．3 Analysis of variance testing fitness of regression equation

模型回歸系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果見表4．P值可用來檢驗各模型系數(shù)的顯著性，同時也可反映變量之間交互作用大小，P值越小越顯著［15］．由表4可知，超聲波功率(X1)和料液比(X2)對蓮子低聚糖得率的線性效應(yīng)皆極顯著(P＜0.01)，提取時間(X3)對蓮子低聚糖得率的線性效應(yīng)皆顯著(P＜0.05);微波功率和料液比兩交互作用(X1X2)對低聚糖得率影響極顯著(P＜0.01)，微波功率和提取時間以及料液比和提取時間兩交互作用(X1X3，X2X3)分別對低聚糖得率影響不顯著(P＞0.05);超聲波功率曲面效應(yīng)(X21)對低聚糖得率影響極顯著(P＜0.01)，料液比和提取時間曲面響應(yīng)(X22，X23)分別對低聚糖得率影響顯著(P＜0.05)．由F值大小可知，各因素對蓮子低聚糖得率的影響由大到小依次為:液料比(X2)＞超聲波功率(X1)＞提取時間(X3)(表4)．

表4 回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗Tab．4 Testing of significance of regression coefficients

2.2 響應(yīng)面分析

借助SAS軟件依回歸方程(1)來繪制上述各因子交互作用的響應(yīng)面分析圖，所得3D響應(yīng)面立體分析圖和相應(yīng)的2D等高線圖見圖1．

圖1(a)和(d)顯示了提取時間位于中心點，即40 min時，超聲波功率和料液比對蓮子低聚糖得率的交互影響效應(yīng)．由圖1(a)和(d)可以看出，在同一料液比下，蓮子低聚糖得率隨超聲波功率的增大表現(xiàn)為先增大后減小;在同一超聲波功率下，蓮子低聚糖得率隨料液比的增加而增大．由圖1(d)可以看出，當(dāng)超聲波功率為338～404 W，料液比為1∶22～1∶25 g/mL時，蓮子低聚糖得率有極大值．

圖1(b)和(e)顯示料液比位于中心點，即1∶20時，超聲波功率和提取時間對蓮子低聚糖得率的交互影響．由圖1(b)和(e)可以看出，在同一提取時間下，蓮子低聚糖得率隨超聲波功率的增大表現(xiàn)為先增大后減小;在同一超聲波功率下，蓮子低聚糖得率隨提取時間的延長表現(xiàn)為先增加后降低．由圖1(e)可看出，當(dāng)超聲波功率為346～360 W，提取時間為42～48 min時，蓮子低聚糖得率有極大值．

圖1(c)和(f)顯示了超聲波功率位于中心點，即400 W時，料液比和提取時間對蓮子低聚糖得率的交互影響效應(yīng)．由圖1(c)和(f)可以看出，在同一料液比下，蓮子低聚糖得率隨提取時間的延長表現(xiàn)為先增加后降低;在同一提取時間下，蓮子低聚糖得率隨料液比的增加而增大．由圖1(f)可以看出，當(dāng)料液比為1∶24～1∶25，提取時間為31～50 min時，蓮子低聚糖得率有極大值．

圖1 超聲波功率、料液比和提取時間兩兩關(guān)系對低聚糖得率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Figure 1 Response surface plots(a，b，and c)and contour plots(d，e，and f)showing the effect of ultrasonic power(X1)，solid-liquid ratio(X2)，and extraction time(X3)on LSO yield(Y)．

2.3 參數(shù)優(yōu)化及模型驗證

采用SAS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以蓮子低聚糖得率最大為優(yōu)化目標(biāo)，得到超聲波輔助提取的優(yōu)化條件為:超聲波功率318.5 W，料液比1∶24.8，提取時間 48.3 min，在此條件下，模型預(yù)測蓮子低聚糖得率為1.20%．為檢驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測的準(zhǔn)確性，并考慮實際操作的可行性，將確定的較佳工藝參數(shù)修正為:超聲波功率320 W，料液比1∶25，提取時間48 min，在此條件下進(jìn)行蓮子低聚糖提取的驗證試驗，3次平行試驗低聚糖實際得率為(1.13±0.026)%，與預(yù)測值較為接近，說明回歸方程能夠比較真實地反映各因子對低聚糖得率的影響，能較好地模擬和預(yù)測低聚糖得率．

2.4 超聲波提取方法對比實驗

超聲波法、微波法和熱回流3種方法對蓮子低聚糖得提取效果如表5．由表5可以看出，超聲波提取蓮子低聚糖得率最高，達(dá)到1.13%，較熱回流法提高66.18%，較微波法提高29.88%．同時超聲波法提取溫度最低，為72℃．與熱回流相比，微波法與超聲波法提取時間大為縮短，分別縮短了86.12%和73.34%．與微波法相比，盡管超聲波法提取時間長，但其提取溫度低、設(shè)備功率?。C上所述，超聲波輔助提取蓮子低聚糖與熱回流提取法和微波提取法相比，效果最好．

表5 超聲波、微波和熱水浸提萃取蓮子低聚糖的比較Tab．5 Comparison of ultrasonic，microwave，and hot water method on extraction of LSO

3 結(jié)論

1)采用中心組合試驗設(shè)計并結(jié)合響應(yīng)面分析法優(yōu)化了蓮子低聚糖超聲波輔助提取工藝參數(shù)，建立了超聲波功率、料液比和提取時間對蓮子低聚糖得率的二次多項式回歸模型．

2)確定蓮子低聚糖超聲波輔助提取優(yōu)化工藝參數(shù)為:超聲波功率320 W，液料比1∶25，提取時間48 min，在該條件下，低聚糖得率為1.13%．與熱回流法和微波輔助法相比，超聲波法使蓮子低聚糖得率分別提高了66.18%和29.88%．

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(責(zé)任編輯:葉紅波)

Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction of Oligosaccharide from Lotus Seeds Using Response Surface Methodology

TIAN Yu-ting， LU Xu， ZHENG Bao-dong
(Food Science College，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China)

Ultrasonic-assisted extraction(UAE)of oligosaccharides from lotus(Nelumbo nucifera Gaertn．)seeds(LSO)was studied in this paper．The three parameters，ultrasonic power(300 ～500 W)，solid to liquid ratio(g/mL)1∶15 ～1∶25，and extraction time(30 ～50 min)，were optimized using the Box-Behnkens Design(BBD)with a quadratic regression model built by Response Surface Methodology(RSM)．The order of three parameters on the LSO yield was as follows:solid to liquid ratio＞ultrasonic power＞extraction time．The highest oil yield，1．13%(w/w)，was obtained under optimal conditions for ultrasonic power，solid to liquid ratio，and extraction time at 320 W，1∶25，and 48 min，respectively．The LSO yield extracted by UAE was significantly higher than that by using hot water extraction(HWE:68.18%)and microwave-assisted extraction(MAE:29.88%)．

lotus seed;oligosaccharides;ultrasonic-assisted extraction;response surface methodology

TS255.36

A

1671-1513(2012)02-0017-05

2011-12-20

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2007BAD07B05);福建省科技重大專項(2008N0007);福建省自然科學(xué)基金資助項目(2011J05123);校青年教師基金資助項目(2011xjj15)．

田玉庭，男，講師，博士，主要從事天然產(chǎn)物提取和食品發(fā)酵工程研究;

鄭寶東，男，教授，博士，主要從事食品加工技術(shù)方面的研究．通訊作者．

編者按:農(nóng)副產(chǎn)物功能成分的提取是提高其附加值及食品加工的基礎(chǔ)，為提高效率，需要針對提取產(chǎn)物的溶解性、結(jié)構(gòu)等物理與化學(xué)特性，設(shè)計合理的工藝路線及參數(shù)。在“響應(yīng)面法優(yōu)化蓮子低聚糖超聲波輔助提取工藝”一文中，應(yīng)用響應(yīng)面分析法，研究了超聲波輔助提取的因素條件對蓮子低聚糖提取率的影響，優(yōu)化其提取工藝。在“不同酸處理對羅非魚皮明膠提取率及物化特性的影響”一文中，研究了不同酸對羅非魚皮蛋白質(zhì)的羥脯氨酸、蛋白質(zhì)分布、黏度及明膠提取率的影響。論文為蓮子和魚皮資源的開發(fā)利用提供了一定的理論指導(dǎo)和技術(shù)參數(shù)。(欄目主持人:王成濤教授)