響應(yīng)曲面法優(yōu)化灰棗多糖的提取工藝

彭雪萍，李星科，馬路遙，王會曉，縱偉

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程系，河南鄭州450002）

大棗營養(yǎng)豐富，不但含有大量的糖類物質(zhì)，還含有VC、核黃素、硫胺素、胡蘿卜素、尼克酸等多種營養(yǎng)成分，可謂“補(bǔ)品之王”[1-3]，此外大棗還具有廣泛的藥用價(jià)值，可提高人體免疫功能，增強(qiáng)抗病能力。研究表明，大棗多糖是大棗的主要活性成分之一，具有免疫、興奮、清除自由基、抗衰老作用，目前，國內(nèi)外對大棗多糖的提取已有一些文獻(xiàn)報(bào)道[4-6]，而灰棗是河南省主要的大棗品種，而對灰棗多糖的研究較為少見。因此，本文利用水提法，通過單因素及響應(yīng)曲面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)[7-8]，研究各因素對多糖得率的影響，為灰棗多糖的開發(fā)利用提供一定技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

灰棗：采自河南新棗，45 ℃烘干，粉碎到40 目后備用。

1.1.2 儀器

RE-52A 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海亞榮生化儀器廠；SP-2102PC 分光光度計(jì)：上海光譜儀器有限公司；LXJ-64-01 離心機(jī)：北京醫(yī)療器械總廠。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 提取方法

稱取干燥、去核、粉碎的灰棗50 g 放入具塞圓底燒瓶，加入適量水并混勻，按各種設(shè)定條件（溫度、料液比、時(shí)間）進(jìn)行提取，過濾后離心，濾渣加入一定量的水進(jìn)行第2 次提取，合并2 次提取液，濃縮，將糖提取液加80%乙醇沉淀，靜置5 h，離心，氯仿正丁醇脫蛋白，然后復(fù)溶，測定多糖含量。

1.2.2 測定方法

多糖含量測定：苯酚硫酸法[9-10]

得率（%）=提取物中多糖的含量/灰棗干物質(zhì)質(zhì)量×100%

1.2.3 單因素對多糖提取效果的影響

1.2.3.1 提取次數(shù)對多糖提取效果的影響

料液比1 ∶20，提取溫度80 ℃，分別提取1、2、3次，每次提取4 h，研究提取次數(shù)對多糖得率的影響。

1.2.3.2 不同料液比對多糖提取效果的影響

料液比（g/v）分別為1 ∶5、1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25、1 ∶30，提取溫度80 ℃、提取2 次，每次提取4 h，研究不同料液比對多糖得率的影響。

1.2.3.3 不同溫度對多糖提取效果的影響

料液比1 ∶20，于50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃分別提取4 h，各提取2 次，研究提取溫度對多糖得率的影響。

1.2.3.4 不同提取時(shí)間對多糖提取效果的影響

料液比1 ∶20，提取溫度80 ℃，每次提取時(shí)間分別為：1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h，提取2 次，研究提取時(shí)間對多糖得率的影響。

1.2.4 響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗(yàn)

在上述單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用中心組合試驗(yàn)Box-Behnden 設(shè)計(jì)方案，以A、B、C 代表料液比、提取溫度、提取時(shí)間三因素，并以-1、0、+1 分別代表自變量的低水平、中水平、高水平，試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平如表1。

表1 Box-Behnden 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表Table 1 Factors and levels of test design of Box-Behnden

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)及分析

2.2.1 提取次數(shù)對灰棗多糖提取效果的影響

提取次數(shù)對多糖提取效果的影響見表2。

表2 提取次數(shù)對灰棗多糖得率的影響Table 2 Effect of extract number of times on yield rate of Gray Jujube polysaccharide

由表2 可知，提取一次，可提取多糖的61.55 %，提取兩次，可達(dá)到87.69%，隨著提取次數(shù)的增加，提取效率顯著下降，且次數(shù)越多，后序的濃縮負(fù)荷越重，而且還會影響生產(chǎn)周期，因此考慮到試際生產(chǎn)成本，采用二次浸提較為適宜。

2.2.2 料液比對灰棗多糖提取效果的影響

料液比對灰棗多糖提取效果的影響結(jié)果如圖1。

圖1 料液比對灰棗多糖得率的影響Fig.1 Effect of material-to-liquid on yield rate of Gray Jujube polysaccharide

由圖1 可知，隨著料液比例的增大，多糖溶出率逐漸增加，1 ∶20 時(shí)達(dá)到最高。但若進(jìn)一步提高比例，多糖得率反而下降，可能是比例太大，雜質(zhì)溶出較多，有效成分并未增加，這樣既費(fèi)料又費(fèi)工，所以綜合考慮應(yīng)選擇1 ∶20。

2.2.3 溫度對大棗多糖提取效果的影響

溫度對大棗多糖提取效果的影響結(jié)果如圖2。

圖2 溫度對灰棗多糖得率的影響Fig.2 Effect of temperature on yield rate of Gray Jujube polysaccharide

由圖2 可以看出，隨著溫度的升高，多糖得率增加，在80 ℃時(shí)最高。這是由于溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加劇，多糖從大棗細(xì)胞中的溶出率增加。但如溫度繼續(xù)升高，則得率反而下降，可能是溫度太高，會破壞一些有效成分。

2.2.4 時(shí)間對大棗多糖提取效果的影響

時(shí)間對大棗多糖提取效果的影響結(jié)果如圖3。

由圖3 可知，隨著時(shí)間的延長，多糖得率逐步增加，當(dāng)時(shí)間由2 h 增加至4 h 時(shí)，得率由1.64%增加到2.04%，但隨著時(shí)間的延長，得率不再上升，可能是大棗細(xì)胞液中和提取液中的多糖達(dá)到了平衡。時(shí)間再延長得率反而下降，也許是多糖結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，故提取時(shí)間4 h 最佳。

2.3 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 提取時(shí)間、料液比和提取溫度三因素優(yōu)化試驗(yàn)

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，多糖提取時(shí)間4 h，料液比1 ∶20，80 ℃條件下提取效果最好，根據(jù)各提取條件，做出響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表3。

表3 灰棗多糖得率（料液比、溫度、時(shí)間）試驗(yàn)方案與結(jié)果表Table 3 Test plan and results of yield rate（material-to-liquid，temperature、time）of Gray Jujube polysaccharide

2.3.2 模型的建立及顯著性檢驗(yàn)

利用Design-Expert 軟件對表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，可得到料液比（A）、溫度（B）和時(shí)間（C）三因素的二次多項(xiàng)回歸模型為：

回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 灰棗多糖得率回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Inspect result of conspicuousness of regression model coefficient of yield rate of Gray Jujube polysaccharide

由表4 回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，該模型回歸顯著（p=0.0004＜0.05），模型的一次項(xiàng)A，C顯著，B 不顯著；二次項(xiàng)A2，B2顯著，C2不顯著；交互項(xiàng)AB、BC 顯著，AC 不顯著。此模型擬合度好，可以用來分析和預(yù)測灰棗多糖的提取工藝及結(jié)果。

2.3.3 水提法提取大棗多糖的響應(yīng)面分析與優(yōu)化

根據(jù)試驗(yàn)方案與結(jié)果（表3）作出相應(yīng)曲面圖4～圖6。

圖4 料液比、溫度對多糖得率的響應(yīng)曲面圖Fig.4 Response surface figure of material-to-liquid，temperature on yield rate of polysaccharide

圖5 料液比、時(shí)間對多糖得率的響應(yīng)曲面圖Fig.5 Response surface figure of material-to-liquid，time on yield rate of polysaccharide

圖6 溫度、時(shí)間對多糖得率的響應(yīng)曲面圖Fig.6 Response surface figure of temperature，time on yield rate of polysaccharide

由圖4～圖6 可以看出，溫度和料液比、溫度和時(shí)間之間的交互作用顯著，相比較而言，時(shí)間和固液比之間的交互作用較小；從圖4 可以看出，料液比、溫度對多糖得率的影響最大，隨著固液比和溫度的增加，多糖得率也隨之增加。優(yōu)化后的提取條件為：料液比1 ∶20，時(shí)間為4 h，溫度為80 ℃，在此條件下多糖的得率可達(dá)到2.8%。

3 結(jié)論

經(jīng)過單因素試驗(yàn)證明了提取次數(shù)對多糖得率有一定影響，以2 次提取最佳；不同料液比試驗(yàn)結(jié)果為1 ∶20 時(shí)得率最高，1 ∶25 次之；不同提取溫度試驗(yàn)證明80 ℃時(shí)提取效果最好，90 ℃次之；不同提取時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果為：4 h 時(shí)多糖的提取效果最好，5 h 略有降低。經(jīng)過響應(yīng)曲面法建立二次多項(xiàng)回歸方程的預(yù)測模型，優(yōu)化灰棗多糖的提取工藝，得出最佳工藝參數(shù)為：料液比1 ∶20，提取溫度80 ℃，提取時(shí)間4 h，得率為2.8 %。結(jié)果證明，該優(yōu)化工藝穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測值相符，可預(yù)測和分析多糖的提取工藝及結(jié)果，為灰棗資源的開發(fā)和利用奠定基礎(chǔ)。

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