超聲波輔助法提取打瓜多糖工藝研究

曹曉倩　楊　慧　謝新民　李　靜　馬　磊　王　成*

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，石河子 832000)

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超聲波輔助法提取打瓜多糖工藝研究

曹曉倩1楊慧2謝新民1李靜1馬磊1王成1*

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，石河子 832000)

以新疆打瓜為試驗(yàn)材料，以打瓜多糖提取率為考察指標(biāo)，采用超聲波輔助法提取打瓜多糖。通過單因素試驗(yàn)考察了料液比、超聲溫度、提取時(shí)間和超聲功率等因素對多糖提取率的影響，通過響應(yīng)面法確定了最佳打瓜多糖提取工藝條件：料液比為1∶21(g∶mL)，超聲溫度為82℃，提取時(shí)間62min。打瓜多糖提取率為17.24%，較傳統(tǒng)乙醇浸提法提高了46%。

打瓜多糖超聲波輔助響應(yīng)面法

打瓜(Seeding-watermelon)，又稱籽瓜，圓形，表皮光滑，淺綠，有深綠色條紋，瓜內(nèi)色白，較甜。屬葫蘆科西瓜變種，主要分布于我國新疆、甘肅、東北及內(nèi)蒙古東部等地區(qū)[1，2]，其中新疆打瓜種植面積占全國的75%。在準(zhǔn)噶爾盆地西部邊緣、天山以北及南疆部分地區(qū)，是主要的打瓜生產(chǎn)區(qū)[3]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，打瓜皮瓤中含有多種氨基酸、維生素、多糖和果膠，其富含的糖苷、果糖、葡萄糖等糖類物質(zhì)由于不產(chǎn)生熱量，十分適合糖尿病人食用。同時(shí)，打瓜皮瓤中的多糖具有提高免疫、抗氧化等生物活性[4，5]，因此開發(fā)利用廢棄打瓜瓤中的多糖具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前對多糖的提取方法主要有熱水提取法、溶劑提取法、超聲輔助法和酶提取法[6-11]。與其他方法相比，超聲輔助法具有強(qiáng)烈的空化效應(yīng)、增加溶劑穿透力，提高物質(zhì)的浸出速度和溶出次數(shù)，既能將植物組織分解，又不破壞其生物活性，提高打瓜皮瓤多糖的提取率。本實(shí)驗(yàn)采用超聲波輔助法提取打瓜皮瓤中的多糖，獲得較高純度的多糖，為新疆打瓜深加工和綜合利用提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

打瓜：購自烏魯木齊市北園春果蔬批發(fā)市場。

葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品、濃硫酸、苯酚和無水乙醇均為分析純，上?；瘜W(xué)試劑有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

DFY-500型高速萬能粉碎機(jī)：浙江溫嶺市林大機(jī)械有限公司；

Neofuge 13臺式高速離心機(jī)：力康發(fā)展有限公司；

BSA-CW型萬分之一天平：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；

UV 2600型紫外可見分光光度計(jì)：日本島津有限公司；

R-201型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：德國海爾道夫；

KQ-100DE型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司。

1.3試驗(yàn)方法1.3.1工藝流程

打瓜→洗凈去籽→粉碎(40目過篩)→超聲波浸提→離心→上清液→定容→多糖測定。

1.3.2打瓜多糖得率的計(jì)算

本試驗(yàn)采用硫酸-苯酚法分光光度法測定打瓜多糖含量，以葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)品測定提取液中打瓜多糖的含量，打瓜多糖得率按公式(1)計(jì)算。

(1)

式中：25為稀釋倍數(shù)；C為定容后打瓜粗多糖提取液濃度，(mg/L)；V為打瓜粗多糖提取液的體積，mL；m為打瓜的質(zhì)量，g；1000為g轉(zhuǎn)化為mg。

1.3.3單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)，分別考察料液比、超聲溫度、提取時(shí)間及超聲功率4個(gè)因素對打瓜多糖得率的影響。料液比分別固定為1∶10、1∶20、1∶30(g∶mL) 3個(gè)水平，超聲溫度分別固定為60、80、100 ℃ 3個(gè)水平，提取時(shí)間為別固定為40、60、80min3個(gè)水平，超聲功率分別固定為300、500、700W3個(gè)水平。

1.3.4響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取料液比、超聲溫度和超聲功率為實(shí)驗(yàn)因素，打瓜多糖提取率為評價(jià)指標(biāo)，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用SAS9.0 軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析處理，獲得最優(yōu)打瓜多糖提取工藝條件[12-17]。

2　結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果

料液比、超聲溫度、提取時(shí)間超聲功率對打瓜多糖提取率的影響見表1。

表1　4因素對打瓜多糖提取率的影響

表1結(jié)果表明，隨著料液比的增加，多糖提取率先迅速增加后逐步減緩，考慮到料液比加大不利于下一步驟的減壓濃縮，因此選取最佳料液比為1∶20(g∶mL)。隨著超聲功率的增加，多糖提取率沒有顯著變化，根據(jù)節(jié)能原則，選取最佳功率為300W。隨著溫度和時(shí)間的增加，多糖提取率先升高后降低，當(dāng)溫度為80℃、提取時(shí)間為60min條件下，打瓜多糖提取率最高，達(dá)到14.37%。分析原因可能是合適的超聲溫度和提取時(shí)間有利于多糖的提取，但溫度過高、提取時(shí)間過長，使部分多糖分解從而導(dǎo)致提取率下降。

2.2響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以對提取率有顯著影響的料液比A、超聲溫度B和提取時(shí)間 C 3個(gè)因素為自變量，多糖得率Y作為響應(yīng)值，進(jìn)行3因素3水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平編碼見表2。

表2　響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼

響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果表明(表3)，料液比A、超聲溫度B和提取時(shí)間C對多糖提取率Y有著顯著影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3。

2.2.1方程擬合及方差分析

采用SAS 9.2 統(tǒng)計(jì)軟件對表3中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，得出描述各因素與響應(yīng)值(多糖提取率)關(guān)系的三元二次回歸方程式為：Y=17.17+0.17A+0.91B+0.34C-0.27AB+0.23AC+0.6BC-1.13A2-2.11B2-1.41C2。對回歸方程式進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表4。結(jié)果表明回歸方程極顯著(P<0.01，下同)，其相關(guān)系數(shù)為0.9974，表明響應(yīng)值(多糖提取率)的變化有99.74%來自于自變量(料液比、超聲溫度、提取時(shí)間)的變化，即回歸模型對試驗(yàn)的擬合情況較好，試驗(yàn)誤差小，可以利用該回歸方程確定影響因素的最佳水平。

表3　響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表4　回歸模型方差分析

*表示差異顯著(P<0.05)， **表示差異極顯著(P<0.01).

2.2.2響應(yīng)面交互作用分析與優(yōu)化

為進(jìn)一步研究相關(guān)因素之間的交互作用并確定最優(yōu)點(diǎn)，利用SAS 9.2軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出響應(yīng)面立體圖，該圖組可以直觀地反映料液比、超聲溫度和提取時(shí)間及其交互作用對多糖提取率的影響，結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。

圖1　料液比和超聲溫度的交互作用對打瓜多糖提取率的響應(yīng)面

圖2　料液比和提取時(shí)間的交互作用對打瓜多糖提取率的響應(yīng)面

圖3　超聲溫度和提取時(shí)間的交互作用對打瓜多糖提取率的響應(yīng)面

各因素的交互作用影響可通過圖1～圖3展示的響應(yīng)面三維圖及等高線圖反應(yīng)出來，等高線的形狀可反應(yīng)出因素間交互作用的強(qiáng)弱大小，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則與之相反。通過等高線可以看出，A、B、C 3因素對打瓜多糖提取率影響顯著，各因素間交互作用顯著。通過三維圖可以看出，固定其中兩個(gè)因素，隨著任一因素的增加，多糖提取率呈先升高后降低的趨勢，說明過高或過低的各因素水平對打瓜多糖提取率均有不利的影響。這個(gè)結(jié)論與單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

2.3最佳工藝條件驗(yàn)證

在選取的各因素范圍內(nèi)，根據(jù)回歸模型，由軟件分析得出打瓜多糖最佳提取條件為：料液比1∶21(g∶mL)、超聲溫度82℃、提取時(shí)間為62min，在此條件下預(yù)測提取率為17.31%，為了檢驗(yàn)響應(yīng)面分析法優(yōu)化出的打瓜多糖提取工藝的準(zhǔn)確性，采取最佳工藝條件進(jìn)行了3次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果打瓜多糖平均提取率為17.24%，與理論預(yù)測值吻合較好，說明優(yōu)化后的提取工藝條件是可靠的，具有實(shí)用價(jià)值。

2.4對比試驗(yàn)

為了考察超聲波輔助法提取打瓜多糖的效率，實(shí)驗(yàn)將其與傳統(tǒng)熱水提取法浸提進(jìn)行了對比試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5　打瓜多糖兩種提取方法的比較

從表5可以看出，與傳統(tǒng)熱水提取法相比，超聲波輔助法提取打瓜多糖提取率提高了46%，說明超聲波技術(shù)能有效促進(jìn)打瓜多糖的提取。

3　結(jié)論

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波提取打瓜多糖過程中受料液比、超聲溫度和提取時(shí)間3個(gè)因素影響較大，且各因素水平數(shù)據(jù)之間存在一定的梯度差。響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果表明，打瓜多糖最佳提取工藝條件為料液比1∶21(g∶mL)、超聲溫度82℃、提取時(shí)間62 min。此條件下多糖提取率為17.24%。對比試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波輔助法較傳統(tǒng)熱水提取法效果好，打瓜提取率提高了46%。

利用超聲波技術(shù)提取打瓜多糖具有節(jié)約時(shí)間、能耗低、提取率高等優(yōu)點(diǎn)，可為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)打瓜多糖的提供理論基礎(chǔ)。

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Research on conditions for extracton of polysaccharide from seeding-watermelon by ultrasonic-assisted method.

Cao Xiaoqian1， Yang Hui2， Xie Xinmin1， Li Jing1， Ma Lei1， Wang Cheng1*

(1.InstituteofQualityStandards&TestingTechnologyforAgro-Products，XinjiangAcademyofAgriculturalSciences，Urumqi830091,China; 2.InstituteofAgriculturalproductsprocessing，XinjiangAcademyofAgriculturalandReclamationSciences，Shihezi832000,China)

The influences of ratio of material to solvent， ultrasonic temperature， extraction time and the power of ultrasonic on the extraction rate of polysaccharide were studied by the single factor experiment. The optimum condition for extraction of polysaccharide from seeding-watermelon was determined by the response surface method. The ratio of material to solvent was 1∶21 (g∶mL)， the ultrasonic temperature was 82 ℃ and the extraction time was 62 min.The extraction rate was 17.24% which was 1.46 times of the traditional ethanol extraction method.

watermelon; polysaccharide; ultrasonic-assisted method; response surface method

自治區(qū)成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(201454122)；新疆農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目(xjnkkl-2013-003)；國家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評估重大專項(xiàng)(GJFP2015002)。

曹曉倩，女，1985年出生，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全及檢測技術(shù)研究，E-mail：shannon0925@sina.com。
＊

王成，男，1971年出生，研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全及檢測技術(shù)研究從事農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全及檢測技術(shù)研究，E-mail：wangcheng312@sina.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.05.012

2016-06-23