響應(yīng)面法優(yōu)化微波提取生姜多糖的工藝

王穎，曾霞，周天，王一飛

（1.廣東石油化工學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，廣東茂名525000；2.暨南大學(xué)國(guó)家基因工程藥物研究中心廣東省生物醫(yī)藥研究開(kāi)發(fā)基地，廣東廣州510632）

響應(yīng)面法優(yōu)化微波提取生姜多糖的工藝

王穎1，2，曾霞1，周天1，王一飛2

（1.廣東石油化工學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，廣東茂名525000；2.暨南大學(xué)國(guó)家基因工程藥物研究中心廣東省生物醫(yī)藥研究開(kāi)發(fā)基地，廣東廣州510632）

利用響應(yīng)面法優(yōu)化微波提取生姜中多糖的工藝條件。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取料液比、浸泡時(shí)間、微波時(shí)間和微波功率為影響因子，應(yīng)用Box-behnken中心組合設(shè)計(jì)建立數(shù)學(xué)模型，以多糖的提取率為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面分析。微波提取生姜中多糖的最佳工藝條件為料液比1∶22.21（g/mL），浸泡時(shí)間為120.06 min，微波時(shí)間為86.43 s，微波功率為247.02 W。此條件下多糖的提取率預(yù)測(cè)值為18.91%，驗(yàn)證值為18.93%。

響應(yīng)面分析法；生姜；多糖；微波

多糖（Polysaccharides）又稱多聚糖，是生物體內(nèi)除蛋白質(zhì)和核酸外的又一類重要信息分子，具有多種生物活性。研究發(fā)現(xiàn)，多糖具有抗腫瘤、抗病毒、抗突變、抗衰老、抗凝血、降血糖和環(huán)境治理等作用［1-2］。植物多糖因具有多種生物活性而備受人們關(guān)注，生姜（Zingiber officinale Roscoe.）又名姜，白姜，均姜等，屬姜科（Zingiber Zingiberaceae）姜屬多年生草宿根植物，是常用的香辛料和傳統(tǒng)中醫(yī)藥材［3］。目前，已有研究表明生姜根中含有大量多糖［4］，且對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的研究［5-9］。但利用微波方法提取生姜多糖的研究目前鮮見(jiàn)。本實(shí)驗(yàn)以生姜多糖提取率為檢測(cè)指標(biāo)，采用微波輔助法從生姜中提取多糖，選取料液比、浸泡時(shí)間、微波時(shí)間和微波功率為影響因素，對(duì)生姜多糖提取率的影響進(jìn)行了研究，并通過(guò)響應(yīng)面分析法對(duì)生姜多糖微波提取的最佳工藝條件進(jìn)行優(yōu)化［10-11］。旨在為生姜多糖的工業(yè)化提取提供一定的技術(shù)參考。

1　材料與方法

1.1材料

生姜：市售。

無(wú)水乙醇、苯酚、濃硫酸、均為國(guó)產(chǎn)分析純；葡萄糖對(duì)照品：天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2主要儀器與試劑

DHG-9246A型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；WP-800T型微波爐：佛山格蘭仕電器有限公司；DK-S24型電熱恒溫水浴鍋：上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司；SS250-A型打漿機(jī)：佛山萬(wàn)勝電器實(shí)業(yè)有限公司；AUY220電子天平：日本島金有限公司；80-2型電動(dòng)離心機(jī)：常州澳華儀器有限公司；722N型可見(jiàn)分光光度計(jì)：上海菁華科技儀器有限公司；FA2104型分析電子天平：上海良平儀器表有限公司。

1.3方法

1.3.1生姜的預(yù)處理

將鮮生姜洗凈晾干后，切片后于真空干燥箱40℃干燥恒重，攪拌機(jī)粉碎后過(guò)40目篩得生姜粉，按1∶5加入無(wú)水乙醇80℃回流2 h、石油醚50℃回流2 h脫去脂質(zhì)和色素；重復(fù)2次，過(guò)濾后風(fēng)干用廣口瓶密封儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2生姜多糖提取

精確稱量生姜粉2.000 g，放入250 mL錐形瓶中，加入一定體積的蒸餾水，按一定的微波條件（料液比，浸泡時(shí)間，微波時(shí)間及微波功率）提取。過(guò)濾后得到生姜多糖提取液。通過(guò)改變微波功率、浸泡時(shí)間、微波處理時(shí)間和料液比等因素來(lái)探討微波取技術(shù)對(duì)生姜多糖提取率的影響，通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化確定最佳提取工藝參數(shù)。每組做3個(gè)重復(fù)，求其平均值。

1.3.3多糖含量的測(cè)定

1.3.3.1葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

準(zhǔn)確稱取105℃干燥至恒重的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品0.100 0 g，置于1 000 mL容量瓶中，加蒸餾水溶解并稀釋至刻度，配制成100 μg/mL的儲(chǔ)備液精確移取100 μg/mL葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 mL，各以純水補(bǔ)至1.0 mL，即得到葡萄糖濃度為10 μg/mL、30、50、70、90 μg/mL，然后分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%苯酚溶液1.0 mL，濃硫酸5.0 mL搖勻，于沸水浴中加熱15 min，然后置冰水浴中冷卻15 min，室溫中放置30 min，在波長(zhǎng)490 nm處測(cè)定吸光度。以葡萄糖質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，490 nm波長(zhǎng)下的吸光度（A490）為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。線性回歸得標(biāo)準(zhǔn)曲線：y=10.228x－0.014 2，R2=0.995 2。

1.3.3.2多糖含量的測(cè)定

采用苯酚-硫酸法［12］。然后按照下列公式計(jì)算多糖的提取率。

2　結(jié)果與分析

2.1響應(yīng)曲面優(yōu)化提取工藝

2.1.1響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)響應(yīng)面分析軟件中Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取對(duì)生姜多糖提取率影響顯著的4個(gè)因素：料液比（A）、浸泡時(shí)間（B）、微波時(shí)間（C）、微波功率（D），采用四因素三水平的響應(yīng)面分析方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)（見(jiàn)表1）。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1　響應(yīng)面因素水平編碼表Table 1Response surface factor levels coding table

表2　響應(yīng)面分析試驗(yàn)結(jié)果Table 2Response surface analysis of test results

2.1.2數(shù)據(jù)分析

以生姜多糖提取率為響應(yīng)值，根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用響應(yīng)面分析軟件進(jìn)行多元回歸分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3，對(duì)各因素回歸擬合后，得回歸方程：

Y=18.67+0.56A+0.19B+0.52C+0.39D-0.11AB+ 0.005AC-0.090AD-0.39BC-0.038BD-0.19CD-0.62A2-1.00B2-0.77C2-0.82D2

表3　響應(yīng)曲面二次回歸方程模型方差分析Table 3Analysis of variances for the developed regression model

從表3方差分析表中可以看出，用上述回歸方程描述各因素與響應(yīng)值的關(guān)系時(shí)，其因變量和全體變量間的線性關(guān)系顯著R2=0.925 8，模型的顯著水平（pr＞F）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.05，此時(shí)Quadratic回歸方差模型是高度顯著的，該實(shí)驗(yàn)方法是可靠的?；貧w方程各項(xiàng)方差分析，當(dāng)顯著水平小于0.05時(shí)，它所對(duì)應(yīng)的條件對(duì)響應(yīng)值的作用是顯著的，方程的失擬誤差不顯著，可用該回歸方程代替實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明各實(shí)驗(yàn)因子對(duì)響應(yīng)值的影響不是線性關(guān)系，表中作用高度顯著的是一次項(xiàng)中A、C，作用顯著的是D；二次項(xiàng)中B、C、D的影響是高度顯著的，A的影響是顯著；交互項(xiàng)中BC作用影響顯著。對(duì)提取率影響的大小依次為料液比、微波時(shí)間、微波功率、浸泡時(shí)間，即料液比與微波時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響為高度顯著。

2.1.3響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化

根據(jù)回歸分析結(jié)果作相應(yīng)曲面圖，結(jié)果見(jiàn)圖1～圖6。

圖1　料液比、浸泡時(shí)間及其交互作用的響應(yīng)曲面Fig.1Response surface plot indicating the interactive effects of immersion time and liquid/solid ratio on polysaccharide yield

圖2　料液比、微波時(shí)間及其交互作用的響應(yīng)曲面Fig.2Response surface plot indicating the interactive effects of microwave time and liquid/solid ratio on polysaccharide yield

圖3　料液比、微波功率及其交互作用的響應(yīng)曲面Fig.3Response surface plot indicating the interactive effects of microwave power and liquid/solid ratio on polysaccharide yield

圖4　浸泡時(shí)間、微波時(shí)間及其交互作用的響應(yīng)曲面Fig.4Response surface plot indicating the interactive effects of immersion time and microwave time on polysaccharide yield

圖5　浸泡時(shí)間、微波功率及其交互作用的響應(yīng)曲面Fig.5Response surface plot indicating the interactive effects of immersion time and microwave power on polysaccharide yield

圖6　微波時(shí)間、微波功率及其交互作用的響應(yīng)曲面Fig.6Response surface plot indicating the interactive effects of microwave time and microwave power on polysaccharide yield

由表3和圖1～圖6可知，模型中的浸泡時(shí)間和微波時(shí)間的交互項(xiàng)、料液比二次項(xiàng)對(duì)生姜多糖提取率有顯著影響，浸泡時(shí)間二次項(xiàng)、微波時(shí)間二次項(xiàng)、微波功率二次項(xiàng)和提取時(shí)間二次項(xiàng)對(duì)生姜多糖提取率有極顯著影響，而微波功率和料液比之間、液料比和微波時(shí)間之間、浸泡時(shí)間和料液比之間、浸泡時(shí)間和微波功率之間、微波時(shí)間和微波功率之間的交互作用較小。料液比的影響最大，微波時(shí)間次之，而浸泡時(shí)間所起的作用最小。表明各因素對(duì)生姜多糖提取率的影響不只是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。為進(jìn)一步確定最佳提取工藝參數(shù)，對(duì)所得方程進(jìn)行逐步回歸，刪除不顯著項(xiàng)，然后求一階偏導(dǎo)，并令其為0，可得優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)：料液比為1∶22.21（g/mL）、浸泡時(shí)間為120.06 min、微波時(shí)間為86.43 s、微波功率為247.02 W，此時(shí)生姜多糖提取率為18.91%。為檢驗(yàn)響應(yīng)面分析軟件中Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化工藝參數(shù)提取3次（提取率18.91%、19.00%、18.87%），平均提取得率為18.93%，與理論預(yù)測(cè)值相比，相對(duì)誤差約為0.000 9%，說(shuō)明此最佳模型可靠。

3　結(jié)論

本試驗(yàn)將響應(yīng)曲面法與微波技術(shù)結(jié)合起來(lái)來(lái)優(yōu)化生姜多糖的提取工藝。結(jié)果表明：各因素對(duì)生姜多糖提取率的影響為：料液比〉微波時(shí)間〉微波功率〉浸泡時(shí)間。通過(guò)響應(yīng)面分析法中Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)得生姜多糖提取最佳工藝參數(shù)是：料液比為1∶22.21、浸泡時(shí)間為120.06 min、微波時(shí)間為86.43 s、微波功率為247.02 W。在此條件下，多糖提取率為18.93%，與理論值18.91%相對(duì)誤差僅為0.000 9%，說(shuō)明此最佳模型可靠。

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Optimization of Microwave Extraction Conditions of Zingiber officinale Roscoe Polysaccharides by Response Surface Methodology

WANG Ying1，2，ZENG Xia1，ZHOU Tian1，WANG Yi-fei2
（1.School of Environmental and Biological Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，Guangdong，China；2.Biomedicine Research&Development Center；Biomedine Research and Development Center of Jinan Umversity，Guangzhou 510632，Guangdong，China）

Response surface methodology was used for optimization the ultrasonic extraction technology of polysaccharide from Zingiber officinale Roscoe.Based on single factor experiments，solid-solvent ratio，immersion time，microwave time and microwave power were selected as influencing factors.The experiment mathematical model was arranged according to Box-Behnken central composite design.The optimum extraction conditions showed that the solid-solvent ratio 1∶22.21（g/mL），immersion time 120.06 min，microwave time86.43 s，microwave power 247.02 W.The predicted polysaccharide extraction yield was 18.91%and the verification yield was 18.93%.

response surface methodology（RSM）；Zingiber officinale Roscoe.；polysaccharide；microwave

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.13.016

2014-11-05

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012B040400005）；茂名市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012B01027）

王穎（1980—），女（漢），講師，碩士，從事生物方面的教學(xué)與研究。