響應(yīng)面法優(yōu)化黃參多糖的提取工藝研究

黃玉龍，宋　珅，楊曉宇，龐中存，張　繼*

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，甘肅蘭州730070；2.西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730070；3.甘肅省特色植物有效成分制品工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州730070）

響應(yīng)面法優(yōu)化黃參多糖的提取工藝研究

黃玉龍1，2，3，宋珅2，3，楊曉宇2，3，龐中存1，張繼2，3*

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，甘肅蘭州730070；2.西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730070；3.甘肅省特色植物有效成分制品工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州730070）

該試驗(yàn)優(yōu)化了黃參多糖的提取工藝。通過單因素試驗(yàn)考察超聲功率、提取時(shí)間、料液比和提取溫度對黃參多糖的影響，依據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)，采用響應(yīng)面法優(yōu)化黃參多糖超聲輔助提取參數(shù)。結(jié)果表明，最佳提取工藝條件為提取時(shí)間12 min、超聲功率150 W、提取溫度70℃、料液比1∶40（g∶m L）、提取次數(shù)3次；在此條件下黃參多糖得率為13.33%。采用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助黃參多糖的工藝條件穩(wěn)定可行。

黃參；多糖；提??；響應(yīng)面試驗(yàn)

黃參是傘形科（Umbelliferae）迷果芹屬（Sphallerocarpus）單種植物迷果芹的肉質(zhì)根，屬多年生草本植物［1-2］。肉質(zhì)根呈淡黃色，外形酷似人參，故又名黃參［3］。其外形呈紡錘形或圓錐形，頂端圓鈍，有殘基，有明顯的縱皺和皮孔樣疤痕，質(zhì)地僵硬，易斷，斷面為乳白色，有胡蘿卜香氣，味淡，微甜［4-6］。黃參有很高的營養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值，含大量的人體必需氨基酸，鈣、鐵、鋅、硒等微量元素含量較高，是理想的保健食品，民間油烹即可食用［7］。據(jù)經(jīng)典本草著作《晶珠本草》記載：迷果芹辛、澀、溫，治黃水病、腎病、腰痛、腫痛、腎腰寒氣??；迷果芹全草可入藥，祛風(fēng)除濕，用于治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎［8-9］。目前，對黃參的開發(fā)利用大多還處于原料階段，對其功能成分的提取開發(fā)以及高值化利用的研究較少，對黃參有效成分進(jìn)行分離純化及生物活性的研究極其重要。本實(shí)驗(yàn)以山丹黃參為原料，研究了超聲輔助提取黃參多糖（Sphallerocarpus gracilis polysaccharides，SGP）的工藝參數(shù)。以黃參粗多糖的得率為考察指標(biāo)，通過響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)，得到了最佳提取工藝條件，為黃參的高值化加工利用提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

黃參：采自甘肅張掖市山丹縣境內(nèi)。

苯酚（分析純）：天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑公司；氯仿（分析純）：忠義化工廠；無水乙醇（分析純）：天津精細(xì)化工廠；正丁醇、濃硫酸（均為分析純）：西安化學(xué)試劑廠；木瓜蛋白酶（65萬U/g）：上海信裕生物科技有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

HHW-8型數(shù)顯恒溫?cái)嚢杷″仯航饓杏崖?lián)儀器研究所；BSA 224S型電子天平：德國賽多利斯集團(tuán)；LGJ-185型真空冷凍干燥機(jī)：北京松源華興科技公司；TDL5M型臺式大容量冷凍離心機(jī)：長沙維爾康湘鷹離心機(jī)公司；Cary100紫外/可見分光光度計(jì)：美國瓦里安公司；RE-5205型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海亞榮生化儀器廠；KQ-400GKDV型實(shí)驗(yàn)用超聲儀：常州諾基儀器有限公司。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1超聲輔助提取黃參多糖

黃參在70℃條件下干燥36 h，粉碎后過80目篩。稱取一定量的黃參粉末，通過添加一定比例的蒸餾水作為溶劑，用超聲儀在設(shè)定不同的溫度和時(shí)間條件下，進(jìn)行SGP的超聲輔助提取試驗(yàn)。提取液用兩層紗布初步過濾后，經(jīng)5 000 r/min離心10 min，上清液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀60℃減壓濃縮，之后加入4倍體積的無水乙醇，沉淀24 h，6 000 r/min離心10 min，取下層沉淀得到黃參粗多糖。然后經(jīng)Sevage法和木瓜蛋白酶聯(lián)用脫除蛋白，再次減壓濃縮醇沉，并6 000 r/min離心10 m in，下層沉淀于-60℃冷凍干燥得到黃參多糖SGP。黃參多糖得率的計(jì)算公式如下：

1.3.2超聲輔助提取SGP的單因素試驗(yàn)

影響超聲輔助提取SGP得率的主要因素有超聲功率、料液比、提取時(shí)間、提取溫度等。本試驗(yàn)分別考察超聲功率（100 W、125 W、150 W、175 W、200 W）、料液比（1∶10、1∶20、1∶30、1∶40和1∶50（g∶m L））、提取時(shí)間（5 min、10 min、15 m in、20 m in和25 min）、提取溫度（40℃、50℃、60℃、70℃和80℃）對SGP得率的影響。

1.3.3超聲輔助提取SGP的響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)確定各提取參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取超聲功率、提取時(shí)間、提取溫度和液料比作為考察因素，依據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，以SGP得率（Y）為評價(jià)指標(biāo)，各因素與水平見表1。

表1　響應(yīng)面試驗(yàn)因素、水平及編碼Table 1 Factors，leve ls and code of RSM experiments

2　結(jié)果與分析

2.1超聲輔助提取單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1提取時(shí)間對SGP得率的影響

不同提取時(shí)間對多糖得率的影響結(jié)果見圖1。超聲處理使得多糖更容易從細(xì)胞中釋放，提高提取效率，但時(shí)間過長，會造成多糖分子鏈斷裂，甚至使其中的五碳環(huán)或六碳環(huán)裂解而轉(zhuǎn)變?yōu)閱翁?、寡糖或低聚糖，在醇沉等后續(xù)處理中有所損失，導(dǎo)致提取率下降［10］。由圖1可知，隨著超聲時(shí)間的增加，SGP得率先增后減，得率最高的提取時(shí)間為10 m in，所以選擇提取時(shí)間10min為宜。

圖1　提取時(shí)間對多糖得率的影響Fig．1 Effect of extraction time on polysaccharide yield

2.1.2提取溫度對SGP得率的影響

提取溫度對多糖得率的影響結(jié)果見圖2。由圖2可知，浸提溫度對多糖得率影響較為顯著，SGP得率隨提取溫度升高而顯著上升，當(dāng)提取溫度達(dá)到70℃時(shí)，提取率最高，再繼續(xù)升高溫度，浸提液中的多糖會受損，高于最佳溫度后，多糖得率隨之降低。因此70℃為最適提取溫度。

圖2　提取溫度對多糖得率的影響Fig．2 Effect of extraction temperature on polysaccharide yield

2.1.3料液比對SGP得率的影響

圖3　料液比對多糖得率的影響Fig．3 Effec t of m aterial-liquid ratio on polysaccharide yield

料液比對多糖得率的影響結(jié)果見圖3。由圖3可知，SGP得率隨料液比的增大而顯著增加，在料液比為1∶40（g∶m L）時(shí)得率最高，之后多糖得率隨料液比的增大反而降低，這可能是因?yàn)榱弦罕刃。崛◇w系中含水量少，原料中的多糖不能充分溶出，料液比太大，濃縮時(shí)間延長，導(dǎo)致多糖損失［11］，得率降低。因此，料液比選擇為1∶40（g∶m L）。

2.1.4超聲功率對SGP得率的影響

超聲功率對多糖得率的影響結(jié)果見圖4。由圖4可知，在超聲功率＜150W時(shí)，SGP得率隨超聲功率的增加逐漸增大，當(dāng)超聲功率＞150 W之后，多糖得率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。超聲功率增大，使細(xì)胞內(nèi)部壓力升高，細(xì)胞破裂，胞內(nèi)物質(zhì)大量溶出，導(dǎo)致多糖得率下降。因此最適提取功率為150W。

圖4　超聲功率對多糖得率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic extract power on polysaccharide yield

2.2響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取SGP的工藝研究

以提取時(shí)間、超聲功率、料液比、提取溫度為評價(jià)因素，SGP得率（Y）為響應(yīng)值，采用SAS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析。共設(shè)29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中24個(gè)析因點(diǎn)，5個(gè)為零點(diǎn)，為區(qū)域的中心點(diǎn)，為估算試驗(yàn)誤差零點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)5次［12-13］。響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2，方差分析見表3。

表2　響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of RSM experiments

續(xù)表

表3　響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 3 Variance analysis of response surface methodology

經(jīng)二次回歸擬合后求得響應(yīng)函數(shù)，回歸方程如下：

由表3方差分析結(jié)果可知，該回歸模型達(dá)到極顯著水平（P＜0.001），對多糖得率影響程度依次是A＞B＞D＞C，即提取時(shí)間＞超聲功率＞提取溫度＞料液比，一次項(xiàng)A、B、D，二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2和交互項(xiàng)AD對結(jié)果影響極顯著（P＜0.01），一次項(xiàng)C、交互項(xiàng)AB、BC、CD對結(jié)果影響顯著（P＜0.05）。模型的回歸系數(shù)R2為0.993 8，說明響應(yīng)值的99.1%由所選變量引起，模型擬合度好。失擬項(xiàng)P=0.231＞0.05，差異不顯著，調(diào)整決定系數(shù)（R2adj=0.987 7）接近1，變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）非常低（1.54%），表明該模型方程可用來分析和預(yù)測不同超聲提取工藝條件下SGP得率的最佳理論值［14-15］。

2.3優(yōu)化提取參數(shù)

根據(jù)回歸方程，做出各因素間交互作用對多糖得率影響的響應(yīng)面及等高線見圖5。由圖5可知，提取時(shí)間（A）與超聲功率（B）、提取溫度（D），料液比（C）與超聲功率（B）、溫度（D）之間的交互作用顯著。提取時(shí)間和功率對多糖提取的影響最為顯著，表現(xiàn)為曲線較陡，隨著數(shù)值的增加，響應(yīng)值變化較大。

圖5　各因素兩兩相互作用對多糖得率影響的的響應(yīng)面和等高線Fig.5 Response surface plots and contour line of effects of interaction between each factors on polysaccharide extraction rate

由SAS分析表明，在提取時(shí)間11.85 m in，溫度為70.38℃，超聲功率151.75 W，料液比1∶40.41（g∶m L）時(shí)，可達(dá)到（13.42±0.46）%的理論最佳SGP提取率。通過采用理論最佳提取條件進(jìn)行SGP超聲輔助提取的試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證響應(yīng)面法的可行性，在實(shí)際操作和生產(chǎn)過程中時(shí)考慮到易操作提高效率，將SGP提取的各試驗(yàn)因素條件修訂為提取時(shí)間12 m in、提取溫度70℃、料液比1∶40（g∶m L）、超聲功率150W。經(jīng)過5次平行試驗(yàn)，得到的多糖平均得率為13.33%。

3　結(jié)論

通過黃參多糖提取工藝的單因素試驗(yàn)，并運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)、優(yōu)化，獲得黃參多糖最佳提取條件為：提取時(shí)間12 min、提取溫度70℃、料液比1∶40（g∶m L）、超聲功率150 W。在此最佳條件下，黃參多糖的提取率為13.33%。結(jié)果表明，建立的回歸模型擬合程度良好，理論值和預(yù)測值基本一致。該方法綠色環(huán)保，多糖得率高，適合黃參多糖的提取。

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Optim ization of extraction process for polysaccharide from Sphallerocarpus gracilis by response surface methodology

HUANG Yulong1，2，3，SONG Shen2，3，YANG X iaoyu2，3，PANG Zhongcun1，ZHANG Ji2，3*
（1.Agricultural Product Storage and Processing Institute，Gansu Academy of Agricultural Sciences，Lanzhou 730070，China；2.College of Life Science，Northw est Normal University，Lanzhou 730070，China；3.Bioactive Products Engineering Research Center for Gansu Distinctive Plants，Lanzhou 730070，China）

The Sphallerocarpus gracilis polysaccharide（SGP）extraction process was optim ized.The effects of ultrasounic power，extraction time，temperature and material-liquid ratio on SGP extraction yield were investigated by single factor experiments.Then the SGP extraction process was optim ized by Box-Behnken central composite design and response surface methodology.The results showed that the optimal extraction conditions were as follous：ultrasonic time 12 m in，power 150 W，temperature 70℃，material-liquid ratio 1∶40（g∶m l），extraction times 3.Under the optimum conditions，the SGP extraction yield was 13.33%.The extraction technology of SGP was stable and viable.

Sphallerocarpus gracilis；polysaccharide；extraction；response surface methodology

O658

0254-5071（2016）05-0162-04

10．11882/j．issn．0254-5071．2016．05．034

2016-01-10

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD36B04）；國家自然科學(xué)基金（51273162）

黃玉龍（1980-），男，助研，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工。

張繼（1963-），女，研究員，博士，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物化學(xué)。