響應面法優(yōu)化牛蒡菊糖超聲波提取工藝

萬國福++張?zhí)m

摘要：以牛蒡為原料，研究影響超聲波提取的因素，包括液料比、作用時間、間歇時間、功率、溫度、浸提次數6個因素。通過PB試驗和最陡爬坡試驗，找出影響牛蒡菊糖提取率的最重要因素，即液料比、超聲時間和功率，并確定 Box-Behnken 試驗的因素和水平。對Box-Behnken試驗結果進行統(tǒng)計分析，在模型預測的最佳條件下，即液料比、溫度、超聲功率分別為：14.39 mL ∶1 g、76.73 ℃、600 W；作用時間、間歇時間、提取次數為：10 min、2 s、1次，所得牛蒡菊糖的提取率為16.89%，與預測值的提取率17.053 5%比較接近，證明該模型對優(yōu)化牛蒡菊糖的提取工藝可行。

關鍵詞：牛蒡菊糖；超聲提取；響應面；優(yōu)化；提取工藝

中圖分類號： TS201.1文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0346-03

菊糖（inulin）是呋喃構型D-果糖經β-（2，1）-糖苷鍵脫水聚合而成果聚糖的混合物，聚合度一般為2～60，分子量在3 500～5 500之間[1]，為水溶性膳食纖維，具有柔滑凝膠特性，可作為食品與營養(yǎng)增補劑，廣泛應用于食品、藥品和保健品中[2]。富含菊糖的目標物及其分離提取技術引起了人們極大的關注。

采用傳統(tǒng)熱水浸提方法提取菊糖存在能耗高、提取率低，細胞內釋放困難等缺點。超聲波法具有分散破壞植物組織、加速溶劑穿透組織作用、解聚大分子、縮短浸提時間、無物料損失、無副反應、提高菊糖提取率等優(yōu)點。與酶法提取相比，大大縮短提取時間，相比于超高壓萃取和超臨界CO2萃取，設備簡單、安全性高、易于工業(yè)化[3]。

本研究以兩年生新鮮黃牛蒡為原料，在20～25 kHz頻率下，探討超聲波提取的影響因素，包括液料比、作用時間、間歇時間、功率、溫度、浸提次數6個因素[4]。通過PB試驗和最陡爬坡試驗，找出其中最重要因素和確定Box-Behnken試驗因素水平。對Box-Behnken試驗結果進行統(tǒng)計分析，求得回歸方程，并求得模型的極大值，以及最重要因素的兩兩交互作用。在模型預測的最佳條件下進行平行試驗，以驗證預測結果[5]。所有試驗設計、數據處理及模型建立均采用Design-Expert 8.0 Trial軟件進行處理[6]。

1材料與方法

1.1材料、試劑與儀器

兩年生新鮮黃牛蒡為原料，產自江蘇省徐州市豐縣。

儀器：7230G型可見分光光度計，AL204萬分之一電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；PC-1000 數顯式電熱恒溫水浴鍋，GZX-DH-600 電熱恒溫干燥箱，上海躍進醫(yī)療器械廠；FW100高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；GY92-IIN型超聲波細胞粉碎機，浙江省寧波新芝生物科技股份有限公司。

試劑：試劑均為分析純，水為蒸餾水。

1.2試驗方法

1.2.1預處理工藝流程新鮮的黃牛蒡根洗凈、100 ℃下滅酶2 min，冷卻，采用0.5%檸檬酸+0.7%維生素C+1%NaCl護色，去皮、切片、烘干、粉碎、過60目篩得牛蒡根干粉，置于廣口瓶中備用。

1.2.2牛蒡菊糖測定方法和提取率的計算采用改良的苯酚-硫酸法，以果糖為標準樣品，以糖濃度（C）為橫坐標，以吸光度（D）為縱坐標，繪制標準曲線。測得超聲提取的牛蒡菊糖的吸光度，牛蒡菊糖含量=由標準曲線換算得的濃度值×8×100/0.5×100%；牛蒡菊糖提取率=樣品中菊糖含量/原料質量×100%[4]。

1.2.3試驗設計

1.2.3.1PB試驗設計PB試驗設計是一種2水平的試驗設計方法，用于從眾多考察因素中快速篩選出最重要的幾個因素，試圖以最少的試驗次數使影響因素的主效果得到盡可能精確的估計。本試驗每個因素取高低2個水平，高水平為低水平的2倍。根據超聲波可調參數，選擇6個因素，響應值為菊糖提取率。自變量、編碼和水平因素見表1。

1.2.3.2最陡爬坡試驗根據PB試驗結果設計最陡爬坡試驗路徑，按一定的梯度增加超聲波功率和提高提取溫度（正效應），并按一定的梯度減少液料比（負效應），其余3個非重要因素均取初始條件（作用時間10 min、間歇時間2 s、提取次數為1次），然后檢測牛蒡中菊糖的提取率。

1.2.3.3Box-Behnken試驗設計以PB試驗確定的3個最顯著因素為自變量，根據各因素的效應，以最陡爬坡試驗確定的最佳濃度為中心點，設計重要因素的水平及其編碼。根據相應的試驗表進行試驗后，使用Design-Expert 8.0 Trial軟件進行處理。

2結果與分析

2.1超聲波提取牛蒡菊糖的PB試驗結果

PB試驗設計結果見表3。采用Design-Expert 8.0 Trial軟件對表3中的牛蒡菊糖提取率進行回歸分析，得到各影響因子的偏回歸系數及顯著性結果（表4）。表4表明，液料比、溫度和超聲功率對響應值的提取率影響顯著。其中，液料比和間歇時間對響應值的影響是負效應，超聲溫度、功率、超聲時間、提取次數對響應值的影響均為正效應。

2.2超聲波提取牛蒡菊糖中心試驗點的確定

2.3超聲波提取牛蒡菊糖Box-Behnken試驗結果及分析

Box-Behnken試驗結果見表6。

試驗數據采用Design-Expert 8.0 Trial軟件進行回歸分析，方差分析結果見表7，回歸方程為：

牛蒡菊糖提取率=16.10+0.61A+1.04B+0.97C+041AB-0.22AC-0.040BC-1.34A2-1.56B2-0.23C2。

R2=0.9836，R2Adj=0.962 6，方程回歸性顯著。模型使用條件為液料比12～16 mL ∶1 g、溫度為70～80 ℃、超聲功率為500～600 W。

對回歸模型進行響應面分析，得到各響應面立體分析結果（圖1、圖2、圖3），對回歸方程求解，得到模型的極點值，即液料比、溫度、超聲功率的最佳水平分別為：14.39 mL ∶1 g、7673 ℃、600 W時，響應值達到最大值，即牛蒡菊糖提取率為17.053 5%

2.4優(yōu)化結果驗證

為驗證模型的準確性，在最接近預測最佳提取條件下（即液料比、溫度、超聲功率分別為：14.4 mL ∶1 g、76.7 ℃、600 W；作用時間、間歇時間、提取次數為：10 min、2 s、1次）平行試驗3次，所得牛蒡菊糖的提取率為16.89%，與預測值的提取率17.0535%比較接近，證明該模型能較好地預測給定條件下牛蒡菊糖的實際提取率。

3結果與討論

已有研究結果表明影響菊糖提取的單因素較多，PB試驗從眾多因子中篩選出3個最為重要的影響因素，分別為液料比、溫度、超聲功率，其中溫度、超聲功率對響應值牛蒡菊糖的提取率呈正效應，而液料比對響應值呈負效應。通過最陡爬坡試驗，確定了Box-Behnken試驗的中心試驗點為液料比14 mL ∶1 g、溫度75 ℃、超聲功率550 W。

利用Design-Expert 8.0 Trial軟件對Box-Behnken試驗結果的回歸分析，得到R2為0.983 6的回歸方程，并得到兩兩因素交互作用的響應面圖形。通過對回歸方程求解，得到模型的極點值，即液料比、溫度、超聲功率的最佳水平分別為：14.39 mL ∶1 g、76.73 ℃、600 W時，響應值達最大值。在此最佳條件下，非重要因子水平分別為：作用時間10 min、間歇時間2 s、提取次數為1次，牛蒡菊糖實際提取率為16.89%。

參考文獻：

[1]于純淼，于棟華，劉曉艷，等. 牛蒡菊糖的研究進展[J]. 食品研究與開發(fā)，2010，31（12）：272-275.

[2]熊政委，董全. 菊糖的生理功能和在食品中應用的研究進展[J]. 食品工業(yè)科技，2012，33（20）：351-354.

[3]孔濤，吳祥云. 菊芋中菊糖提取及果糖制備研究進展[J]. 食品工業(yè)科技，2013，34（18）：375-378，382.

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