均勻設(shè)計(jì)優(yōu)化小米多糖提取工藝

諸愛士，葉金娜，嚴(yán)飛娜

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

小米是粟（Setaria italica）脫殼制成的糧食，因其粒小，直徑1mm左右，故名。目前，中國小米的種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，是中國北方地區(qū)主要的糧食作物之一，年產(chǎn)量270～450萬t，資源豐富。每100g小米含蛋白質(zhì)9.7g，比大米高；脂肪1.7g、碳水化合物76.1g，都不低于稻、麥。一般糧食中不含有的胡蘿卜素，而在小米中含量達(dá)0.12mg，維生素B1的含量位居所有糧食之首。因此，對小米資源的開發(fā)利用具有非常重要的意義。

有文獻(xiàn)報(bào)道了小米淀粉［1］、黃色素［2］、多酚［3］、VB［4］2、細(xì)糠油［5］等的提取，而活性多糖的提取鮮見報(bào)道。從天然產(chǎn)物中提取多糖［6－10］的報(bào)道已有很多，并且證明天然多糖是一種免疫調(diào)節(jié)劑，它能激活免疫細(xì)胞而對正常細(xì)胞沒有毒副作用［11］。為研究小米多糖的提取工藝，對顆粒與粉、液料比（去離子水與小米的質(zhì)量比，g/g，全文同）、提取時(shí)間、提取溫度、提取次數(shù)和攪拌速率6個(gè)因素影響小米多糖提取效果的情況進(jìn)行了單因素考察，在此基礎(chǔ)上選取液料比、提取時(shí)間、提取溫度3個(gè)因素均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，以期為工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小米：市售，內(nèi)蒙古赤峰產(chǎn)；粉碎，過20目篩，在60℃干燥箱中干燥備用。

葡萄糖（分析純），廣東汕頭市光華化學(xué)廠；苯酚（分析純），杭州高晶精細(xì)化工有限公司；硫酸（分析純），浙江衢州巨化試劑有限公司。

722E型可見分光光度計(jì)，上海光譜儀器有限公司；DK－S24電熱恒溫水浴鍋，上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司；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；800B離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；HL－26型多功能食品粉碎機(jī)，上海海菱電器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 多糖含量的測定

多糖含量的測定采用硫酸－苯酚法，含量以葡萄糖質(zhì)量濃度計(jì)［6，9］。

經(jīng)作工作曲線，將吸光度與含量擬合得關(guān)系式如下式（1）：

式（1）中：X— 葡萄糖質(zhì)量濃度，g/L；Y—485nm處的吸光度。

多糖的收率依公式（2）計(jì)算：

式（2）中：η—小米多糖的收率，mg/g；V— 粗多糖溶解定容后的總體積，L；M—原料小米用量，g。

1.2.2 試驗(yàn)步驟與單因素考察

取60℃下干燥的小米顆?；蚍?g放入三口燒瓶，加入一定比例的水，將燒瓶放入設(shè)定溫度的恒溫水浴中，攪拌浸提一定時(shí)間；取出料液用離心機(jī)在4 000r/min下離心15min，然后取上清液，加3倍95%乙醇進(jìn)行醇析，再在4 000r/min下將料液離心15min，接著進(jìn)行過濾，得到小米粗多糖；溶解并定容，進(jìn)行多糖含量測定。

單因素考察顆粒與粉、提取溫度、提取時(shí)間、液料比、提取次數(shù)和攪拌速率6個(gè)因素對多糖提取收率的影響。

1.2.3 均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇影響提取收率明顯的3個(gè)因素進(jìn)行均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)，優(yōu)化提取條件。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)及分析

采用DPS v7.05軟件進(jìn)行分析，用OriginPro 75軟件繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素考察

2.1.1 顆粒與粉對收率的影響

液料比20∶1、70℃、50r/min攪拌、1次提取1.5h，對比顆粒與粉對多糖收率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 顆?；蚍蹖κ章实挠绊慒ig.1 Effects of particle or powder on extraction yield

由圖1可見，相同條件下粉狀有利于多糖的提取。原因是多糖從顆粒內(nèi)部擴(kuò)散至溶液中需要更多的時(shí)間，而粉增大了傳質(zhì)的面積，并減小了傳遞的距離，即減少了傳質(zhì)阻力，故相同的提取時(shí)間，粉獲取的多糖多于顆粒；但對于顆粒，延長提取時(shí)間會(huì)提高多糖的收率。當(dāng)然，顆粒的粒度也會(huì)有一定的適宜值，試驗(yàn)沒有作進(jìn)一步的研究，以下試驗(yàn)采用粉狀。

2.1.2 液料比對收率的影響

粉狀、70℃、50r/min攪拌、1次提取1.5h，研究液料比對收率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 液料比對收率的影響Fig.2 Effects of liquid－solid ratio on extraction yield

圖2表明，多糖收率先隨著液料比的增加而增大，這是因?yàn)樵趥髻|(zhì)過程中，隨著液料比的增加，溶液中多糖質(zhì)量濃度被稀釋降低，從而增加了固相與液相間多糖的質(zhì)量濃度差，使傳質(zhì)推動(dòng)力增加，加快了傳遞速率；在液料比為20∶1時(shí)收率達(dá)到最大，隨后收率反而有所減小。液料比增大會(huì)帶來一系列的影響，如提取劑用量增大、后續(xù)分離操作產(chǎn)品損耗增多、設(shè)備容積加大、提取與分離操作的能耗增加等，所以在提取多糖時(shí)取液料比為20∶1。

2.1.3 提取時(shí)間對收率的影響

粉狀、液料比20∶1、70℃、50r/min攪拌、1次提取，考察提取時(shí)間對收率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3表明，多糖收率先隨提取時(shí)間的增加有比較大的增加，后隨時(shí)間增長有所減少。這是因?yàn)樾∶准?xì)胞破壁與多糖從固相傳遞到液相中需要一定的時(shí)間，隨著提取時(shí)間延長有更多的多糖擴(kuò)散至溶液中；但是提取時(shí)間過長會(huì)使已經(jīng)進(jìn)入溶液中的多糖因長時(shí)間處在較高溫度下而導(dǎo)致變性，表現(xiàn)出收率有明顯降低，所以確定提取時(shí)間為2.0h。

圖3 提取時(shí)間對收率的影響Fig.3 Effects of extraction time on extraction yield

2.1.4 提取溫度對收率的影響

粉狀、液料比20∶1、50r/min攪拌、1次提取2.0h，考察提取溫度對收率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4顯示，多糖收率先隨提取溫度升高而增大，到70℃后，收率隨溫度升高而變小。熱處理是有效降低致密的植物組織連接及破解植物細(xì)胞的方法之一，它能有效地破壁，使多糖從細(xì)胞中擴(kuò)散出來變得容易；溫度升高一則加快了分子熱運(yùn)動(dòng)，提高了物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，同時(shí)降低了溶液的黏度，減少了傳質(zhì)的阻力，進(jìn)而加快了傳質(zhì)速率，在相同的提取時(shí)間里增加了多糖的提取量；但過高的溫度會(huì)使多糖分解變性而降低收率，因此，確定多糖提取溫度為70℃。

圖4 提取溫度對收率的影響Fig.4 Effects of extraction temperature on extraction yield

2.1.5 提取次數(shù)對收率的影響

粉狀、液料比20∶1、70 ℃、50r/min攪拌、提取2.0h，考察提取次數(shù)對收率的影響。分別水提1、2、3次，各次的多糖收率見圖5。

圖5 提取次數(shù)對收率的影響Fig.5 Effects of extraction times on extraction yield

由圖5可知，增加提取次數(shù)會(huì)提高多糖收率。2次提取，多糖總收率增幅為6.9%；3次提取，多糖總收率增幅為2次的2.6%，增幅不大。而增加提取次數(shù)會(huì)使操作成本成倍增加，故多次提取所帶來的收益可能彌補(bǔ)不了費(fèi)用的增大，故以下試驗(yàn)選提取次數(shù)為1次。

2.1.6 攪拌速率對收率的影響

粉狀、液料比20∶1、70℃、1次提取2.0h，考察攪拌速率對收率的影響，結(jié)果見圖6。

圖6顯示，收率先隨攪拌速率增大而增大，到150r/min后，收率基本不變。其原因是攪拌加快了物質(zhì)的傳遞和擴(kuò)散，而攪拌速率達(dá)到一定值后，其強(qiáng)化作用已完全發(fā)揮而不再使收率增大，因此150r/min的攪拌速率比較適宜。

圖6 攪拌速率對收率的影響Fig.6 Effects of stirring rate on extraction yield

2.2 均勻設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用粉狀小米、150r/min攪拌、1次提取，選擇影響提取收率明顯的液料比、提取時(shí)間、提取溫度3因素為考察因素，再根據(jù)單因素考察結(jié)果，以液料比20∶1、提取時(shí)間2.0h、提取溫度70℃為水平中心，以多糖收率為評價(jià)指標(biāo)，用U12（123）均勻設(shè)計(jì)表［12］設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。所選因素水平見表1，均勻試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 試驗(yàn)因素水平表Table 1 Experimental factors and levels

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

將表2試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)DPS軟件進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸分析，得到回歸方程為：

相關(guān)系數(shù)R＝0.988 1，調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)R＝0.973 7，決定系數(shù)R2＝0.976 36；F＝34.418 7＞

a F0.01（6，5）＝10.67；顯著水平p＝0.000 7；剩余標(biāo)準(zhǔn)差S＝0.220 2；Durbin－Watson統(tǒng)計(jì)量d＝2.440 112 78，說明該方程能很好地?cái)M合熱水法提取小米多糖的過程，具體的擬合誤差見表3。

表3 多糖實(shí)測值與擬合值對比Table 3 Actual and theory yields of polysaccharides

各因素之間的交互作用及各因素對試驗(yàn)結(jié)果影響程度見表4，比較t值和p值的絕對值，可以看出，表4中所列各項(xiàng)對多糖提取影響均達(dá)到極顯著水平（p＜0.01）；由3個(gè)因素的平方項(xiàng)、因素間的組合項(xiàng)對提取有影響可以看出，均勻設(shè)計(jì)優(yōu)化優(yōu)于單因素考察選擇條件。兩因素間的交互作用見圖7，由圖7可以看出，兩因素對多糖收率的作用不是簡單的拮抗或疊加作用，在操作范圍內(nèi)多糖收率均能獲得極值。

表4 回歸系數(shù)對收率的影響Table 4 Significance of regression coefficient for yield

圖7 不同因素組合的交互作用圖Fig.7 Chart of interactive effect as function of different conditions

2.2.2 極 值

由DPS可得多糖收率最高指標(biāo)時(shí)各個(gè)因素組合：液料比X1＝21.71∶1，提取時(shí)間X2＝2.19h，提取溫度X3＝72.27℃，此時(shí)多糖收率為7.95mg/g。

2.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證方程的準(zhǔn)確程度，采用以上獲得最高收率時(shí)的因素條件，進(jìn)行3次重復(fù)提取試驗(yàn)?？紤]指標(biāo)控制和方便操作，取液料比21.7∶1、提取時(shí)間2.19h、提取溫度72.3℃，得到平均收率為7.90mg/g。與理論值基本相等，說明擬合得到的最優(yōu)條件和提取操作可靠、穩(wěn)定。

3 結(jié) 語

研究小米多糖提取中采用單因素考察結(jié)合均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)，分別研究了顆粒與粉、提取溫度、提取時(shí)間、液料比、提取次數(shù)和攪拌速率對小米多糖收率的影響，進(jìn)而選擇液料比、提取時(shí)間、提取溫度3個(gè)因素進(jìn)行了U12（123）均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究了多糖提取條件的優(yōu)化，獲得了優(yōu)化提取條件，即液料比21.7∶1（g/g）、提取時(shí)間2.19h、提取溫度72.3℃，在此優(yōu)化條件下小米多糖收率為7.90mg/g。

［1］郭曉冬，李穎.小米淀粉提取方法的比較［J］.中國糧油學(xué)報(bào)，2011，26（5）：26－29.

［2］王海棠，田子俊，陽勇，等.小米黃色素的研究Ⅱ：提取工藝及穩(wěn)定性［J］.中國糧油學(xué)報(bào)，2005，20（5）：40－45.

［3］薛月圓，林勤保.小米中總酚提取條件的優(yōu)化［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊），2007（4）：24－26.

［4］董永剛，王玲，劉立丹，等.小米中 VB2提取方法研究及其含量測定［J］.食品科學(xué)，2010，31（24）：341－344.

［5］李艷福，趙文杰，馮光炷，等.小米細(xì)糠油的提取與分析［J］.糧油加工，2009（7）：49－50.

［6］程仕偉，陳超男，馮志彬，等.海帶巖藻多糖的水提制備及其抗氧化活性研究［J］.食品科學(xué)，2010，31（6）：101－104.

［7］黃婧，張名位，辛修鋒，等.苦瓜粗多糖提取工藝的優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（6）：112－116.

［8］梁亦龍，閻光凡，舒坤賢，等.山藥水溶性多糖的提取及抗氧化性研究［J］.食品研究與開發(fā)，2007，28（11）：1－3.

［9］Liu J，Li J W，Tang J.Ultrasonically assisted extraction of total carbohydrates from stevia rebaudiana bertoni and identification of extracts［J］.Food and Bioproducts Processing，2010，88（2/3）：215－221.

［10］Yoshida，T，Tsubaki S，Teramoto Y，et al.Optimization of microwave－assisted extraction of carbohydrates from industrial waste of corn starch production using response surface methodology［J］.Bioresource Technology，2010，20（101）：7820－7826.

［11］高憲軍，王承明，吳媛瑾.酸提棉籽粕多糖工藝研究［J］.中國糧油學(xué)報(bào)，2010，25（9）：41－44.

［12］李云雁，胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［M］.2版，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：236.