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    響應(yīng)曲面法優(yōu)化野薔薇根多糖脫色工藝

    2016-05-30 05:36:58阿吾提·艾買爾古力齊曼·阿布力孜迪麗努爾·馬里克
    關(guān)鍵詞:脫色過氧化氫多糖

    阿吾提·艾買爾 古力齊曼·阿布力孜 迪麗努爾·馬里克

    摘要:【目的】優(yōu)化野薔薇根多糖的過氧化氫(H2O2)法脫色工藝條件,為野薔薇根多糖的脫色純化提供技術(shù)支持?!痉椒ā恳砸八N薇根為試驗(yàn)材料,以多糖脫色率和保留率為考察指標(biāo),利用響應(yīng)曲面法對H2O2法脫色野薔薇根多糖的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化?!窘Y(jié)果】通過響應(yīng)曲面法建立野薔薇根多糖脫色的回歸模型為:Y=94.84+3.08A+1.83B+0.88C+0.17AB+0.23AC-0.055BC-3.17A2-1.31B2-0.87C2(Y為多糖脫色率,A為H2O2體積分?jǐn)?shù)、B為溶液pH、C為脫色時(shí)間),該模型擬合度較好。H2O2法脫色野薔薇根多糖的最佳工藝條件為:H2O2體積分?jǐn)?shù)35.0%、溶液pH 9.00、脫色時(shí)間4.5 h,在此條件下多糖脫色率和保留率分別為95.48%和75.17%,脫色率與理論值96.55%的相對誤差為1.11%。H2O2體積分?jǐn)?shù)、溶液pH和脫色時(shí)間3個(gè)因素對野薔薇根多糖脫色效果均有極顯著影響(P<0.01)?!窘Y(jié)論】H2O2脫色法具有操作簡便、脫色效果明顯、成本低等優(yōu)點(diǎn),可對野薔薇根多糖進(jìn)行有效脫色。

    關(guān)鍵詞: 野薔薇根;多糖;脫色;過氧化氫;響應(yīng)曲面法

    中圖分類號: R284.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:2095-1191(2016)04-0629-06

    0 引言

    【研究意義】野薔薇(Rosa multiflora Thunb)具有一定的健脾理氣、養(yǎng)血調(diào)經(jīng)、助消化等作用,廣泛用于胃功能失調(diào)、慢性氣管炎、腸炎等疾病治療(劉士俠和叢者福,2000)。野薔薇根中含有多種有效成分,如多酚、黃酮、皂苷、多糖等(李延芳等,2002;其買古麗·阿沙木等,2013)。多糖具有增強(qiáng)機(jī)體免疫功能、抗病毒、降血脂、抗腫瘤、抗輻射、抗氧化、抑菌等作用(李明春等,2010;周妍等,2010;黃秀香等,2013)。植物多糖在制備過程中,常因?yàn)橹参锉旧砗写罅可仡愇镔|(zhì)而使浸提液呈現(xiàn)不同顏色,即使經(jīng)乙醇沉淀,得到的粗多糖中仍含有色素,影響多糖質(zhì)量及其應(yīng)用。因此,在多糖的分離純化過程中,有必要對多糖進(jìn)行脫色?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前,常見的脫色方法主要有活性炭吸附法、大孔樹脂吸附法、過氧化氫(H2O2)脫色法等(李敏晶等,2014)。楊云等(2004)分別以多糖含量、多糖提取率和脫色率為指標(biāo)研究活性炭法對大棗渣多糖的脫色效果,通過正交試驗(yàn)法對脫色條件進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果多糖提取率、多糖含量及脫色率分別為30.8%、54.6%和31.2%。李元元等(2012)采用活性炭法對沙棗多糖進(jìn)行脫色,得到脫色率為45.52%。李小蓉等(2013)用水提法提取倒卵葉五加多糖,分別采用H2O2法和大孔樹脂法對其進(jìn)行脫色,其中H2O2法的多糖脫色率和保留率分別為84.45%和90.94%,大孔樹脂法的多糖脫色率和保留率分別為79.50%和82.80%。何釗等(2014)利用大孔樹脂法對白蠟蟲多糖進(jìn)行脫色,在最佳脫色條件下得到白蠟蟲多糖脫色率為71.4%,多糖回收率為60.0%?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】H2O2脫色法操作簡單、脫色效果明顯、成本低、適于大規(guī)模生產(chǎn)(汪鵬榮等,2012),但目前尚無利用此法對野薔薇根多糖進(jìn)行脫色的相關(guān)研究報(bào)道?!緮M解決的關(guān)鍵問題】以野薔薇根多糖為研究對象,以野薔薇根多糖脫色率和保留率為考察指標(biāo),對H2O2脫色法進(jìn)行響應(yīng)曲面分析,確定最佳脫色工藝條件,為野薔薇根多糖的脫色純化提供技術(shù)支持。

    1 材料與方法

    1. 1 試驗(yàn)材料

    野薔薇根采自新疆巴楚縣,由新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院努爾拜·阿布都沙勒克教授鑒定為野薔薇的干燥根。葡聚糖、95%乙醇、H2O2、苯酚、石油醚、濃硫酸、正丁醇、三氯甲烷等試劑均為國產(chǎn)分析純。主要儀器設(shè)備:XH-300B型微波超聲波組合合成/萃取儀(北京樣祥鵠科技發(fā)展有限公司)、UV-2100紫外可見分光光度計(jì)(北京瑞利分析儀器有限公司)、SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水式真空泵(鞏義市英峪予華儀器廠)、RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠)、AL204型電子天平[梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司]、HFP-200型高速多功能粉碎機(jī)(永康市紅太陽機(jī)電有限公司)、ZHWY-110X型恒溫水浴振蕩搖床(上海智城分析儀器制造有限公司)。

    1. 2 樣品預(yù)處理

    取一定量野薔薇根,粉碎后過16目篩,用石油醚脫脂,干燥后用密封袋包裝,置于干燥器內(nèi)備用。

    1. 3 野薔薇根多糖提取

    準(zhǔn)確稱取樣品20 g,按30倍量加入去離子水,在微波功率300 W、提取溫度80 ℃的條件下,置于超聲—微波協(xié)同萃取儀中提取20 min;趁熱減壓抽濾提取液,用真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將濾液濃縮至適當(dāng)體積,取濾液,加入4倍體積的95%乙醇沉淀,放置過夜,離心,棄上清液,得到的沉淀即為粗多糖;再用去離子水將其溶解,加入Sevag試劑脫去蛋白,過濾,取其濾液,用去離子水定容于容量瓶中,即得粗多糖溶液。

    1. 4 野薔薇根多糖含量測定

    準(zhǔn)確稱取干燥至恒重的葡聚糖0.010 g,溶于100 mL容量瓶中,定容,搖勻,配成質(zhì)量濃度為0.1 mg/mL葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別吸取此溶液0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4和1.6 mL置于10.0 mL具塞比色管中,用去離子水補(bǔ)足至2.0 mL,再加入1.0 mL 5%苯酚和5.0 mL濃硫酸,搖勻,室溫放置20 min后置于沸水加熱15 min,取出冷卻30 min,于488 nm處測其吸光值,以去離子水作空白。以吸光值y和葡萄糖質(zhì)量濃度x計(jì)算回歸方程,得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為:y=0.0667x+0.005786(R=0.9994)。精密吸取粗多糖溶液2.0 mL,按照上述方法測定脫色前后的野薔薇根多糖含量。多糖保留率計(jì)算公式為:

    多糖保留率(%)=脫色后多糖含量/脫色前多糖含量×100

    1. 5 單因素試驗(yàn)

    配制成0.5 mg/mL的多糖溶液,移取10.0 mL,加入H2O2,以氨水調(diào)節(jié)溶液pH,于50 ℃下水浴加熱一定時(shí)間后,在450 nm波長處測定吸光值,考察H2O2體積分?jǐn)?shù)、溶液pH和脫色時(shí)間3因素對多糖脫色率的影響。脫色率的計(jì)算公式為:

    脫色率(%)=(A前-A后)/A前×100

    式中,A前、A后分別為脫色前后野薔薇根多糖溶液在450 nm波長處的吸光值。

    1. 6 響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,以H2O2體積分?jǐn)?shù)、溶液pH和脫色時(shí)間3個(gè)因素為自變量,以野薔薇根多糖脫色率和保留率為影響值,采用Design-Expert 8.0.5軟件中的Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理對試驗(yàn)的各因素進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

    1. 7 統(tǒng)計(jì)分析

    利用Design-Expert 8.0.5和Origin 8.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

    2 結(jié)果與分析

    2. 1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

    2. 1. 1 H2O2體積分?jǐn)?shù)對野薔薇根多糖脫色效果的影響 在固定溶液pH 9.00、脫色時(shí)間3.0 h的條件下,考察不同H2O2體積分?jǐn)?shù)(5.0%、10.0%、20.0%、30.0%和40.0%)對野薔薇根多糖脫色效果的影響。由圖1可知,隨著H2O2體積分?jǐn)?shù)的增大,野薔薇根多糖脫色率逐漸升高;當(dāng)H2O2體積分?jǐn)?shù)大于30.0%后,脫色率緩慢升高,但多糖保留率一直降低。這是因?yàn)镠2O2對野薔薇根多糖具有較強(qiáng)的氧化作用,從而破壞多糖結(jié)構(gòu),因此H2O2體積分?jǐn)?shù)以30.0%左右為宜,此時(shí)多糖保留率為78.84%。

    2. 1. 2 溶液pH對野薔薇根多糖脫色效果的影響

    在固定H2O2體積分?jǐn)?shù)30.0%、脫色時(shí)間3.0 h的條件下,考察不同溶液pH(8.00、8.50、9.00、9.50和10.00)對野薔薇根多糖脫色效果的影響。由圖2可知,隨著溶液堿性的增強(qiáng),野薔薇根多糖脫色效果越來越好。這是由于野薔薇根多糖為弱酸性,在堿性條件下能促進(jìn)H2O2分解生成HO2-,HO2-與有機(jī)物的發(fā)色基團(tuán)作用,破壞發(fā)色基團(tuán)從而起到脫色作用。當(dāng)溶液pH大于9.00時(shí),脫色率已達(dá)較高值,說明此時(shí)H2O2分解趨于平衡,對野薔薇根多糖的脫色能力也趨于穩(wěn)定;同時(shí),溶液堿性過強(qiáng)也可能促使多糖分解,從而導(dǎo)致多糖保留率急劇降低。因此,溶液pH控制在9.00左右為宜,在此條件下多糖保留率為78.72%。

    2. 1. 3 脫色時(shí)間對野薔薇根多糖脫色效果的影響

    在固定H2O2體積分?jǐn)?shù)30.0%、溶液pH 9.00的條件下,考察不同脫色時(shí)間(2.0、3.0、4.0、5.0和6.0 h)對野薔薇根多糖脫色效果的影響。由圖3可知,脫色時(shí)間越長,脫色率越高;當(dāng)脫色4.0 h時(shí),脫色率基本達(dá)最高值,此后隨著脫色時(shí)間的延長,脫色率無明顯變化,但多糖保留率明顯降低。故脫色時(shí)間以4.0 h為宜,此時(shí)多糖保留率為76.27%。

    2. 2 響應(yīng)曲面法優(yōu)化野薔薇根多糖脫色工藝

    2. 2. 1 響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果 利用Design-Expert 8.0.5軟件對響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果(表2)進(jìn)行多元回歸擬合,得到野薔薇根多糖脫色率(Y)對H2O2體積分?jǐn)?shù)(A)、溶液pH(B)、脫色時(shí)間(C)的二次多項(xiàng)回歸模型為:Y=94.84+3.08A+1.83B+0.88C+0.17AB+0.23AC-0.055BC-3.17A2-1.31B2-0.87C2。

    對回歸模型及其系數(shù)進(jìn)行顯著性分析,結(jié)果見表3。由表3可知,模型P<0.01,表明回歸模型極顯著;回歸方程的失擬項(xiàng)P>0.05,差異不顯著,說明模型選擇合適;模型的R2=0.9974、R2Adj=0.9927,說明該模型與實(shí)際試驗(yàn)擬合較好,自變量與響應(yīng)值間線形關(guān)系顯著,試驗(yàn)誤差小,可用于野薔薇根多糖脫色試驗(yàn)的理論預(yù)測。此外,模型一次項(xiàng)和二次項(xiàng)對野薔薇根多糖脫色效果的影響均為極顯著(P<0.01,下同);交互項(xiàng)的影響均不顯著(P>0.05,下同)。

    2. 2. 2 響應(yīng)曲面與等高線分析 根據(jù)回歸模型繪制的響應(yīng)面圖形是三維空間的曲面圖及二維平面上的等高線圖,可以直觀反映各因素對響應(yīng)值的影響,分析出因素間的交互作用,如等高線為橢圓形表示兩因素交互作用顯著,圓形則與之相反,同時(shí)等高線的密集程度可以判定兩交互因素中對響應(yīng)值影響較大的因素。由圖4~6可知,脫色率隨著H2O2體積分?jǐn)?shù)和溶液pH的增大及脫色時(shí)間的延長而提高,同時(shí)導(dǎo)致多糖保留率降低,因此,應(yīng)合理控制H2O2體積分?jǐn)?shù)、溶液pH和脫色時(shí)間。兩因素間的交互作用均不顯著,各因素的影響均達(dá)極顯著水平,影響程度的排序?yàn)椋篐2O2體積分?jǐn)?shù)>溶液pH>脫色時(shí)間,與交互項(xiàng)及一次項(xiàng)P的分析結(jié)果一致。

    2. 3 脫色參數(shù)的優(yōu)化與模型驗(yàn)證試驗(yàn)

    2. 3. 1 最佳脫色條件 利用Design-Expert 8.0.5軟件對回歸模型進(jìn)行分析,得到野薔薇根多糖脫色的最佳條件為:H2O2體積分?jǐn)?shù)35.24%、溶液pH 9.36、脫色時(shí)間4.55 h,在此條件下野薔薇根多糖脫色率預(yù)測值為96.55%。

    2. 3. 2 回歸模型驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果 為了檢驗(yàn)所得試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,采用上述優(yōu)化條件對野薔薇根多糖進(jìn)行脫色,考慮到實(shí)際操作的便利,將優(yōu)化工藝參數(shù)修正為:H2O2體積分?jǐn)?shù)35.0%、溶液pH 9.00、脫色時(shí)間4.5 h,在此修正條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn),實(shí)際測得的平均脫色率為95.48%,與預(yù)測值相比,相對誤差為1.11%,多糖保留率為75.17%。說明采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化多糖脫色工藝的實(shí)際性較高。

    3 討論

    脫色是多糖分離純化中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),目前多糖脫色的方法主要有活性炭吸附法、大孔樹脂吸附法、H2O2脫色法等。陳建等(2010)通過對比H2O2脫色法和大孔樹脂法對香菇多糖的脫色效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn),用H2O2脫色所得的香菇多糖外觀好,且工藝簡單,多糖保留率高。宿瑋等(2011)利用樹脂D392對海地瓜多糖進(jìn)行脫色,在優(yōu)化后的工藝條件下得到多糖脫色率為84.2%、多糖保留率為82.9%。彭友舜等(2014)采用活性炭法對蘆筍多糖進(jìn)行脫色,脫色率為67%、多糖保留率為56%。對比這3種脫色方法發(fā)現(xiàn),活性炭法脫色效率較低,糖損失量大,且活性炭法脫色后的溶液中活性炭殘?jiān)y以完全去除;樹脂脫色效果較好,但樹脂價(jià)格較高,且需再生使用,生產(chǎn)周期較長,僅適合少量樣品的脫色;H2O2脫色法的多糖脫色率和多糖保留率較高,成本低,且操作簡單。本研究在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化野薔薇根多糖的H2O2法脫色工藝,并建立了野薔薇根多糖脫色率與H2O2體積分?jǐn)?shù)、pH及脫色時(shí)間之間的二次多項(xiàng)回歸模型;利用該模型優(yōu)化得到的最佳脫色工藝條件為:H2O2體積分?jǐn)?shù)35.0%、溶液pH 9.00、脫色時(shí)間4.5 h,在此條件下野薔薇根多糖脫色率和保留率分別為95.48%和75.17%,脫色率與理論值96.55%的相對誤差為1.11%,高于李元元等(2012)利用活性炭法、何釗等(2014)利用大孔樹脂法得到的多糖脫色率??梢?,采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化的H2O2法脫色條件準(zhǔn)確可靠,脫色效果明顯,可用于野薔薇根多糖的實(shí)際脫色。

    黎國慶等(2013)采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化H2O2脫色法對油茶多糖的脫色工藝,得到多糖脫色率為97.06%,但未對多糖保留率進(jìn)行研究。沈巳焱等(2013)采用H2O2脫色法對紅松松塔多糖進(jìn)行脫色,并通過正交試驗(yàn)法優(yōu)化其脫色工藝,在優(yōu)化條件下多糖脫色率為95.62%,多糖保留率為61.00%~67.00%。與正交試驗(yàn)法相比,響應(yīng)曲面法提供了有效的試驗(yàn)方法,各因素間的交互更均勻,通過此法可尋找出最優(yōu)試驗(yàn)條件以大幅度降低開發(fā)的時(shí)間和成本,使產(chǎn)品具有更高的可靠性,從而提高產(chǎn)出率,減少不良品。本研究的二次多項(xiàng)回歸模型顯著性分析結(jié)果表明,H2O2體積分?jǐn)?shù)、溶液pH和脫色時(shí)間3個(gè)因素對野薔薇根多糖脫色率均有極顯著影響,影響排序?yàn)椋篐2O2體積分?jǐn)?shù)>溶液pH>脫色時(shí)間;但雙因素交互作用對脫色率的影響均不顯著。脫色率隨著H2O2體積分?jǐn)?shù)和溶液pH的增大及脫色時(shí)間的延長而提高,同時(shí)多糖保留率逐漸降低,是因?yàn)镠2O2具有較強(qiáng)的氧化作用,導(dǎo)致多糖分解,因此在使用時(shí)須合理控制試驗(yàn)條件。

    4 結(jié)論

    H2O2脫色法具有操作簡便、脫色效果明顯、成本低等優(yōu)點(diǎn),可對野薔薇根多糖進(jìn)行有效脫色。

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    (責(zé)任編輯 羅 麗)

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