微波輔助提取紫薯蕷中多糖工藝的研究

王澤鋒，石 玲，蘇一蘭，閔 勇

（紅河學院理學院，云南蒙自661199）

微波輔助提取紫薯蕷中多糖工藝的研究

王澤鋒，石 玲，蘇一蘭，閔 勇*

（紅河學院理學院，云南蒙自661199）

為優(yōu)化微波輔助提取紫薯蕷中多糖的提取方法，在單因素實驗基礎(chǔ)上，選取提取時間、提取溫度、料液比、微波功率為自變量，多糖含量為響應(yīng)值，采用中心組合（Box-Behnken）實驗設(shè)計方法，研究各自變量及其交互作用對多糖含量影響，采用Design-Expert軟件，建立了多糖含量與提取過程中各因素的二次多項式模型，并通過響應(yīng)面優(yōu)化法分別確定紫薯蕷多糖提取最佳工藝為：提取溫度90℃、提取時間30min，料液比1∶30（g∶mL）、微波功率為900W，提取多糖的預(yù)測值為2.84%，經(jīng)過實驗驗證，紫薯蕷多糖的含量為2.852%，與預(yù)測值的相對誤差為0.42%。

紫薯蕷，多糖，響應(yīng)面優(yōu)化法，微波輔助提取

紫薯蕷別名紫山藥、紫蒔藥，是薯蕷科（Dioscoreaceae）薯蕷屬（Dioscorea）草本蔓生性植物，據(jù)《本草綱目》記載，紫薯蕷具有補肺益腎、補脾養(yǎng)胃的功效，可用于治療脾虛久瀉、慢性腸炎、肺虛咳喘、慢性胃炎、糖尿病、遺精、遺尿、帶下等癥。紫薯蕷中富含多糖、花色苷、皂苷、氨基酸、多種微量元素，其中，多糖在抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)、抗衰老、降血糖、降血脂、增強骨髓造血功能、抗輻射、保護肝腎[1-3]等主要臟器等方面顯示出良好的應(yīng)用前景。因此，對紫薯蕷中多糖的提取進行研究具有十分重要的意義。

植物多糖種類繁多，大部分不溶于冷水，在熱水中呈粘液狀，根據(jù)植物多糖的這種特性，常用的提取方法有：熱水浸提法、酸浸提法、堿浸提法和酶法、超聲提取、微波提取法、復(fù)合法、超臨界CO2等[4]。微波提取技術(shù)具有溶劑用量少、提取時間短、提取效率高、提取物不易破壞等優(yōu)點，在植物藥物提取方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，尤其適合需避免加熱的植物多糖提取。這將促進植物多糖的結(jié)構(gòu)、作用機制、功能等基礎(chǔ)研究，也將促進和推動植物多糖功能的研究。

作為一種新型的提取技術(shù)，微波輔助提取技術(shù)有其獨特的特點：較高的選擇性和較快的提取效率。極性較大的分子可以獲得較多的微波能，析出速度較快，析出的量也較大，從而提高了產(chǎn)品的純度，改善了產(chǎn)品質(zhì)量[5]。大量文獻表明微波提取法效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)水提法[6-9]。且微波加熱具有速度快、操作便捷、能保持原有營養(yǎng)成分等諸多優(yōu)點，是理想的多糖提取新工藝。關(guān)于研究紫薯蕷中多糖的微波提取方法尚未見報道。本課題以紫薯蕷為原料，研究了微波提取多糖的實驗條件，考察了提取溫度、提取時間、料液比、微波功率等因素對紫薯蕷含量的影響，并采用響應(yīng)面法[10-13]對多糖提取條件進行優(yōu)化。

表1 紫薯蕷中多糖提取單因素實驗Table.1 The single factor experiment of extraction of polysaccharide from purple yam

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫薯蕷 采自紅河州元陽縣；葡萄糖（分析純）、濃硫酸（分析純）、苯酚（分析純）、95%乙醇（分析純）國藥集團。

MAS-Ⅱ型常溫微波萃取儀 上海新儀微波化學科技有限公司；UV-2000X型紫外-可見分光光度計 上海尤尼科有限公司；FA1004型電子天平 上海精密科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紫薯蕷多糖分析 分別吸取0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0及1.2mL 0.1mg/mL葡萄糖標準液，然后加入1mL 5%苯酚和5mL濃硫酸，混勻，顯色，靜置20min，蒸餾水定容至10mL配成標準儲備液，將上述已處理的葡萄糖標準儲備液，在波長490nm處用紫外分光光度計測定其吸光值，以葡萄糖濃度c為橫坐標，吸光度A為縱坐標，進行線性回歸，得回歸方程。

稱取5.0g紫薯蕷樣品，勻漿，置于微波萃取儀專用三頸燒瓶中，以水作為溶劑，根據(jù)不同的料液比（紫薯蕷∶水）加入相應(yīng)的體積，于微波萃取儀上加熱，設(shè)置好相應(yīng)的加熱時間、加熱溫度、微波功率進行提取得浸提液，過濾，定容至100mL。準確吸取1mL樣品溶液，精密加入10mL無水乙醇，冷藏1h，取出離心（4000r/min）20min，棄去上清液，沉淀加適量熱水溶解，轉(zhuǎn)移至10mL容量瓶中，冷卻，然后加入1mL 5%苯酚及5mL濃硫酸，混勻，靜置20min，蒸餾水定容至10mL，在波長490nm處用紫外分光光度計測定其吸光值，并帶入標準曲線方程求出不同浸提液中多糖的含量。

1.2.2 紫薯蕷多糖的含量測定 計算方法如下所示：

式中，w：多糖含量，%；C：多糖濃度，mg/mL；V：稀釋體積，mL；N：稀釋倍數(shù)；M：紫薯蕷質(zhì)量，g。

1.2.3 紫薯蕷多糖提取單因素實驗 在其他條件恒定不變時，分別考察提取溫度、提取時間、料液比、微波功率等主要影響因素對多糖提取效果的影響，具體單因素實驗設(shè)計見表1。

1.2.4 BBD響應(yīng)面實驗設(shè)計 采用Design-Expert軟件中的Box-Benhnken進行實驗設(shè)計[14]，綜合單因素影響實驗結(jié)果，選取提取溫度、提取時間、料液比、微波功率四個對多糖微波提取效果影響顯著的因素，分別以A、B、C和D為代表，每個自變量的低、中、高實驗水平分別以-1、0、1進行編碼。以多糖的提取含量（Y）為響應(yīng)值，對紫薯蕷中多糖的提取方法進行四因素三水平的響應(yīng)面分析方法，利用Design-Expert 8.0.6軟件進行數(shù)據(jù)處理和回歸分析。具體的實驗因素與水平設(shè)計見表2。

表2 BBD響應(yīng)面因素水平表Table.2 Independent variables and their levels for Box-Behnken design

2 結(jié)果與分析

2.1 標準曲線繪制

將上述已處理的葡萄糖標準儲備液，在490nm處測定其吸光值，按1.2.1中的分析條件進行測定，以葡萄糖濃度C為橫坐標，吸光度A為縱坐標，進行線性回歸，得回歸方程：A=30.105+0.0182C，其相關(guān)系數(shù)為R=0.9999。

圖1 葡萄糖標準曲線Fig.1 Standard curve for glucose concentration determination

2.2 單因素實驗結(jié)果

2.2.1 提取溫度對多糖提取效果的影響 保持其他實驗條件恒定不變，改變微波提取溫度，考察溫度對多糖提取效果的影響。實驗結(jié)果如圖2所示，結(jié)果表明在50～90℃內(nèi)，隨著提取溫度的升高，紫薯蕷多糖含量也隨之升高，90℃時多糖含量達到最高，超過90℃后多糖的含量開始降低，這可能是因為溫度過低，多糖不能有效地溶出；而溫度太高，部分紫薯蕷多糖降解為單糖，提取出的多糖含量減少。因此選擇90℃為最適溫度。

2.2.2 提取時間對多糖提取效果的影響 圖3是通過改變提取時間考察其對多糖提取效果的影響，由圖3可知，在5～30min內(nèi)，隨著提取時間的延長，多糖含量逐漸增加，但是繼續(xù)延長提取時間，多糖的提取含量反而下降，這是因為部分紫薯蕷多糖降解為單糖。同時，為了減少時間和人力資源得到較豐富的可供分析實驗數(shù)據(jù)，故選擇30min作為最適宜的提取時間。

圖2 提取溫度對多糖提取效果的影響Fig.2 Effects of different extraction temperature on the extraction result of polysaccharide

圖3 提取時間對多糖提取效果的影響Fig.3 Effects of extraction time on the extraction result of polysaccharide

2.2.3 料液比對多糖提取效果的影響 由圖4可知，料液比在1∶10～1∶30（g∶mL）內(nèi)，隨著浸提液體積的增加，紫薯蕷多糖含量逐漸增加，在1∶30（g∶mL）時多糖含量達到最高。但是，繼續(xù)增加浸提液用量，多糖含量緩慢下降。這是因為料液比太低時，在短時間內(nèi)多糖浸取就達到平衡，不利于多糖的進一步浸出。浸提液體積過大，加熱時間過長，導(dǎo)致部分多糖降解。同時，料液比過大，不利于下一步的濃縮分離。因此，選擇1∶30（g∶mL）作為最佳料液比。

圖4 料液比對多糖提取效果的影響Fig.4 Effects of solid-solvent ratio on the extraction result of polysaccharide

2.2.4 微波功率對多糖提取效果的影響 由圖5可知，微波功率在100～900W內(nèi)，隨著微波提取功率的增加，多糖含量呈逐漸上升的趨勢，在900W時多糖含量達到最高。但是，繼續(xù)增加微波提取功率，其含量增加呈緩慢下降的趨勢，這是由于微波功率過大易造成溫度過高使部分多糖分解，進而降低多糖的提取含量。

2.3 響應(yīng)面分析法優(yōu)化工藝條件

圖5 微波功率對多糖提取效果的影響Fig.5 Effects of microwave power on the extraction result of polysaccharide

采用Design-Expert軟件中的BBD響應(yīng)面進行實驗設(shè)計考察，本次實驗共有29個實驗點，分為兩類：其一是析因點，自變量取值在各因素所構(gòu)成的三維頂點，共有24個析因點；其二是零點，為區(qū)域的中心點，零點實驗重復(fù)5次，以含量多糖為響應(yīng)值詳見表3。

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件對表3中的數(shù)據(jù)進行二次回歸方程擬合，得到提取溫度（A）、提取時間（B）、料液比（C）、微波功率（D）、與多糖含量之間的二次多項回歸方程：

Y=2.52+0.24A+0.014B-0.090C-0.056D-0.059AB+ 0.029AC-0.043AD+7.250×10-3BC-0.077BD-0.092CD-0.056A2-2.650×10-3B2-0.049C2-0.16D2

對上述回歸模型進行顯著性檢驗，結(jié)果見表4。

由表4可知，模型的p＜0.01，表明回歸模型極顯著，可以用模型分析、預(yù)測紫薯蕷多糖提取方法結(jié)果；回歸方程中各自變量對指標（響應(yīng)值）影響的顯著性，由F檢驗來判定，概率p的值越小，則相應(yīng)變量的顯著程度越高。由表中可以看出，C對紫薯蕷多糖含量有著顯著影響，A、A2、B2、C2、D2對紫薯蕷多糖含量的影響達到極顯著水平。各因素對紫薯蕷多糖含量的影響次序為：A＞C＞B＞D，即加熱溫度＞料液比＞加熱時間＞微波功率。此外，從方差分析結(jié)果可知，R2=0.9023，表明該模型與實驗擬合較好。提取溫度、料液比、提取時間、微波功率之間的交互作用見圖6～圖11。

通過軟件分析，得到紫薯蕷多糖提取的最佳條件為：提取溫度90℃、提取時間：30.75min，料液比1∶28.44（g∶mL）、微波功率為880.63W，在此條件下，紫薯蕷多糖含量的預(yù)測值為2.84%?？紤]到實際操作的便利，將提取參數(shù)修正為：提取溫度90℃、料液比1∶30（g∶mL）、提取時間30min，微波功率為900W。

表3 微波提取多糖BBD響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果Table.3 Box-Behnken design and results of response surface design

圖6 提取溫度與提取時間對多糖含量影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface plots of the contents of polysaccharide showing the effect of extraction temperature and extraction time

2.4 最優(yōu)條件下紫薯蕷多糖的提取

表4 回歸模型方差分析Table.4 Analysis of variance of the quadratic polynomial model

圖7 料液比和提取溫度對多糖含量影響的響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface plots of the contents of polysaccharide showing the effect of solid-solvent ratio extraction temperature

圖8 微波功率與提取溫度對多糖含量影響的響應(yīng)面圖

Fig.8 Response surface plots of the contents of polysaccharide showing the effect of microwave power and extraction temperature

為檢驗響應(yīng)曲面法所得結(jié)果的可靠性，根據(jù)響應(yīng)面分析所得最優(yōu)條件，按照1.2.1的方法，平行制作3份樣品，分別測定吸光度A，并計算其多糖含量及多糖平均含量，見表5。在修正條件下，實驗提取得到的紫薯蕷多糖平均含量為2.852%，與理論預(yù)測值相比，其相對誤差小于l%。因此，響應(yīng)曲面法所得的優(yōu)化提取方法參數(shù)準確可靠，具有實用價值。

圖9 料液比與提取時間對多糖含量影響的響應(yīng)面圖Fig.9 Response surface plots of the contents of polysaccharide showing the effect of solid-solvent ratio and extraction time

圖10 微波功率與提取時間對多糖含量影響的響應(yīng)面圖Fig.10 Response surface plots of the contents of polysaccharide showing the effect of microwave power and extraction time

圖11 微波功率與料液比對多糖含量影響的響應(yīng)面圖Fig.11 Response surface plots of the contents of polysaccharideshowing the effect of microwave power and solid-solvent ratio

表5 驗證實驗結(jié)果Table.5 The contents of polysaccharide extracted from purple yam by using optimum ultrasonic-assisted extraction

3 結(jié)論

通過單因素實驗優(yōu)化紫薯蕷多糖的提取條件范圍，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計法進行實驗設(shè)計并分析處理數(shù)據(jù)，最終通過響應(yīng)面分析得出最佳的多糖提取工藝條件為：提取溫度90℃、料液比1∶30（g∶mL）、提取時間30min，微波功率為900W，在此條件下，紫薯蕷多糖的平均含量為2.852%，與預(yù)測值相比，相對誤差為0.42%，小于1%。因此，可確定此法得到的優(yōu)化提取工藝參數(shù)準確、可靠，得到的多糖提取條件具有實際應(yīng)用價值。同時，采用簡單、快速的硫酸-苯酚比色法測總糖含量，該法靈敏度較高、重現(xiàn)性好，而且無需貴重儀器和多糖純品。

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Study on optimization of microwave-assisted extraction method of polysaccharides from purple yam

WANG Ze-feng，SHI Ling，SU Yi-lan，MIN Yong*
（Department of Chemistry，Honghe University，Mengzi 661199，China）

In order to optimize the extraction method of polysaccharides from purple yam by microwave-assisted extraction.Based on single-factor experiments，extraction time，extraction temperature，solid-solvent ratio and microwave power were selected as influencing factors and the content of polysaccharides as response during extraction.The experiment method was designed according to Box-Behnken central composite experiment，which studied each variable and their interactions effects on the contents of polysaccharide.The quadratic multinomial model on the contents of polysaccharide and each factor was established by using the Design-Expert software.The optimum reactive condition of extracting process was determined by means of response surface method.The results showed that the optimum ultrasonic conditions for polysaccharide were extraction temperature 90℃，extraction time 30min，solid-solvent ratio 1∶30（g∶mL）microwave power 900W，under which the highest extraction rate of polysaccharides reached with verified value being of 2.852%and the relative error was 0.42%which compared to the predictive value being of 2.84%.

purple yam；polysaccharide；response surface method；microwave assisted extraction

TS201.1

B

1002-0306（2014）04-0256-05

2013－07－04 *通訊聯(lián)系人

王澤鋒（1984-），男，碩士研究生，助教，研究方向：天然產(chǎn)物與食品開發(fā)。

云南省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（2013FZ120）。