超聲波輔助法優(yōu)化馬齒莧多糖的提取工藝

張志強，梁魁景，高小寬，劉言，李志濤，王婷婷

（衡水學(xué)院生命科學(xué)系，河北衡水053000）

超聲波輔助法優(yōu)化馬齒莧多糖的提取工藝

張志強，梁魁景，高小寬，劉言，李志濤，王婷婷

（衡水學(xué)院生命科學(xué)系，河北衡水053000）

多糖是馬齒莧的主要生物活性成分之一，具有重要的醫(yī)療保健作用，市場潛力大。為確定馬齒莧多糖的最佳提取工藝，通過單因素試驗與響應(yīng)面法對其提取工藝進行優(yōu)化。結(jié)果表明，馬齒莧多糖的最佳提取條件為：提取功率120 W，提取時間53min，提取溫度61℃，料液比1∶39（g/mL），馬齒莧多糖提取率為13.55%。

馬齒莧；多糖；超聲波輔助法；響應(yīng)面分析法

馬齒莧為馬齒莧科馬齒莧屬一年生草本植物，又名長命草、五行草、瓜子菜、地馬菜等。馬齒莧起源于印度，是我國衛(wèi)生部劃定的78種藥食同源的野生植物之一[1]。馬齒莧富含L-去甲腎上腺素、多巴胺、有機酸、氨基酸、蒽醌、香豆素和多糖等多種生物活性成分[2]。多糖作為馬齒莧的重要成分之一，具有抗氧化、抗衰老，免疫調(diào)節(jié)、抑菌和抗病毒活性、抗腫瘤活性等多種功效[3-7]，馬齒莧多糖在醫(yī)藥保健行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，馬齒莧多糖提取方法主要有水提法、酶提法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法[8-13]。其中，水提法是傳統(tǒng)的提取方法，具有操作簡單、方便的優(yōu)點，但是卻存在著提取率低、損失大、能耗高等缺點，不利于工業(yè)化生產(chǎn)；與水提法相比，酶提法雖然提取率有所提高，但是酶的制作成本較高、使用條件相對苛刻，限制著馬齒莧多糖的工業(yè)化生產(chǎn)。超聲波輔助提取馬齒莧多糖是目前比較新穎的提取方法，具有能耗低、提取率高、操作簡單等優(yōu)點。超聲波輔助提取法是一種物理破碎的過程，具有“機械振動”、“熱效應(yīng)”、“空化作用”等特性。超聲波輔助提取法的工作原理就是利用“空化作用”破壞馬齒莧的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，增強溶劑分子的穿透力，增強了馬齒莧中各種分子的運動頻率，提高了馬齒莧多糖的提取率。由于超聲波的作用時間很短，瞬間即可完成破碎作用，極大的縮短了提取時間，節(jié)約了提取成本，同時提高了多糖的產(chǎn)率，因此，超聲波輔助提取法是當(dāng)前提取工藝中最具有應(yīng)用前景的技術(shù)之一[14]。本試驗采用超聲輔助提取法對馬齒莧多糖進行提取，通過單因素試驗與響應(yīng)面法優(yōu)化試驗對其提取工藝進行優(yōu)化，以確定最佳工藝條件，提高馬齒莧多糖的提取率，為其醫(yī)療保健方面的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬齒莧：河北省衡水市桃城區(qū)；葡糖糖、濃硫酸、苯酚、石油醚、無水乙醇：分析純。

CW-2000型超聲-微波協(xié)同萃取儀：上海新拓分析儀器科技有限公司；GZX-9070MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；TGL-20000ck離心機：上海安亭科學(xué)儀器廠；T9紫外分光光度計：北京普析通用儀器有限公司；DF-15藥用粉碎機：成都浩馳儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 馬齒莧多糖的超聲提取

將馬齒莧洗凈、風(fēng)干，在50℃干燥箱中烘干，然后用藥用粉碎機粉碎，過60目篩后，保存?zhèn)溆?。稱取2 g馬齒莧粉末，用5倍石油醚脫脂2次，然后用5倍95%無水乙醇提取2次后，置于45℃恒溫干燥箱烘干。加入若干倍蒸餾水充分?jǐn)嚢杌靹?，放置于超?微波協(xié)同萃取儀中，在一定提取功率、提取溫度、提取時間及料液比下進行超聲提取，提取結(jié)束后在高速離心機下離心，棄沉淀雜質(zhì)，取上清液進行多糖含量的測定。

1.2.2 單因素試驗

通過單因素試驗分別考察提取功率80、120、160、200、240 W；提取時間30、40、50、60、70 min；提取溫度40、50、60、70、80℃；料液比1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60（g/mL）對馬齒莧多糖提取率的影響。

1.2.3 響應(yīng)曲面法試驗

以單因素試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)用Design Expert 8.05中的Box-Behnken Design對提取功率、提取時間、提取溫度、料液比4個考察因子進行設(shè)計，以馬齒莧多糖提取率為響應(yīng)值，各因子與水平設(shè)計見表1。

表1 響應(yīng)面設(shè)計因素和水平Table 1 Factors and levels of central composite design

1.2.4 硫酸苯酚法測多糖含量

使用苯酚-硫酸法測定馬齒莧多糖含量[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 提取功率對馬齒莧多糖提取率的影響

按料液比1∶30（g/mL）、提取溫度50℃、時間40min，在不同提取功率80、120、160、200、240 W下，研究馬齒莧多糖的提取率。不同提取功率對馬齒莧多糖提取率的影響見圖1。

圖1 提取功率對馬齒莧多糖提取率的影響Fig.1 Effect of extraction power on polysaccharide extraction efficiency

在80 W～120 W之間，隨著超聲波功率的增大，馬齒莧多糖提取率逐漸增大，因為隨著超聲波功率不斷加強，馬齒莧細(xì)胞壁被破壞程度隨之增大，多糖溶出率隨之增大。當(dāng)超聲波功率達(dá)到120 W時，馬齒莧多糖的提取率最大。當(dāng)提取功率超過120 W后，隨著超聲波的功率加強，多糖提取率反而呈現(xiàn)下降的趨勢，這有可能是超聲產(chǎn)生的剪切力破壞了溶出的多糖結(jié)構(gòu)，結(jié)果使多糖提取率逐漸降低。

2.1.2 提取時間對馬齒莧多糖提取率的影響

按料液比1∶30（g/mL）、提取溫度50℃、超聲功率120 W，在不同提取時間30、40、50、60、70 min下，研究馬齒莧多糖的提取率。不同提取時間對馬齒莧多糖提取率的影響見圖2。

圖2 提取時間對多糖提取率的影響Fig.2 Effect of extraction time on polysaccharide extraction efficiency

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在30 min～50 min之間，隨著時間的不斷增加，多糖提取率逐漸提高，并且在50 min時達(dá)到最大值，之后隨著時間的延長，提取率呈下降趨勢。這是因為超聲波作用過程時會產(chǎn)生大量熱能，并且時間越長，聚集的熱能也就越多，當(dāng)熱能超過一定界限時，就會破壞多糖的分子結(jié)構(gòu)，使多糖提取率降低。

2.1.3 提取溫度對馬齒莧多糖提取率的影響

在超聲功率為120 W、提取時間50 min、料液比為1∶30（g/mL）條件下，分別改變提取溫度為40、50、60、70、80℃，研究不同提取溫度下馬齒莧多糖的提取率，其結(jié)果見圖3。

圖3 提取溫度對多糖提取率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on polysaccharide extraction efficiency

從圖3可以看出，隨著溫度的逐漸增大，馬齒莧多糖的提取率逐漸增大，當(dāng)溫度為60℃時，馬齒莧多糖的提取率達(dá)到最大，為11.72%。隨著溫度的再次增大，馬齒莧多糖的提取率呈下降的趨勢，這有可能是高溫破壞了多糖結(jié)構(gòu)所致。

2.1.4 料液比對馬齒莧多糖提取率的影響

在超聲功率為120 W、提取溫度60℃、提取時間50 min條件下，改變料液比，使料液比分別為1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60（g/mL）。不同料液比對馬齒莧多糖提取率的影響結(jié)果如圖4。

圖4 料液比對馬齒莧提取率的影響Fig.4 Effect of solid to liquid ratio on polysaccharide extraction efficiency

從圖4可以看出，隨著料液比的逐漸增多，多糖提取率逐漸增高，當(dāng)料液比為1∶40（g/mL）后，多糖提取率最大，因此選擇料液比為1∶40（g/mL）。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化

對馬齒莧多糖提取工藝進行響應(yīng)面分析，具體試驗方案及結(jié)果見表2?；貧w方程方差分析見表3。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Design and results of response surface experiment

續(xù)表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Continue table 2 Design and results of response surface experiment

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

利用Design Expert 8.05對馬齒莧多糖提取率進行多元回歸擬合，得到多糖提取率（Y）對提取功率（A），提取時間（B）、提取溫度（C）及料液比（D）的二元回歸方程為：

表3是回歸方程的方差分析。從表中可以看出，相關(guān)系數(shù)R2為0.981 1，表明試驗數(shù)據(jù)與模型預(yù)測的數(shù)據(jù)有98.11%的符合度。失擬項=0.086 9＞0.05，說明失擬項不顯著，從而說明該回歸模型具有良好的顯著性。該模型的F值為51.97，P＜0.000 1，說明該回歸模型極顯著。此外，F(xiàn)值的大小也反應(yīng)了各因子對響應(yīng)值影響的強弱，F(xiàn)值越大，表明該因子對響應(yīng)值的影響越強。FA＜FD＜FC＜FB，說明模型所選的4個因素中，提取時間對馬齒莧多糖提取率影響最大，提取溫度次之，提取功率影響最小。

利用Design Expert 8.05軟件對回歸模型中的參數(shù)進行優(yōu)化，得到響應(yīng)面圖及等高線圖見圖5。

圖5 各因素交互作用對多糖提取率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surface plots and contour line of interaction among each factors on polysaccharide extraction efficiency

等高線圖越近似橢圓，代表兩因素間的交互作用越顯著，等高線圖越接近圓形，就代表兩因素的交互作用越不顯著。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，提取溫度與料液比之間的交互作用最為顯著，其次為提取時間與料液比之間的交互作用，提取功率與提取溫度之間的交互作用最不顯著。

2.3 驗證試驗結(jié)果

利用Design Expert 8.05對多個參數(shù)的提取條件進行優(yōu)化，得到最優(yōu)提取條件為：提取功率120.51 W，提取時間53.08 min，提取溫度61.34℃，料液比1∶38.84（g/mL），在該情況下，馬齒莧多糖預(yù)測提取率為：13.64%。為了驗證預(yù)測情況與實際情況是否一致，同時為了便于試驗操作，將提取條件修改為，提取功率120 W，提取時間53 min，提取溫度61℃，料液比1∶39（g/mL），在該條件下，馬齒莧多糖提取率為13.55%，與預(yù)測值相差很小，說明該模型準(zhǔn)確性很高。

3 結(jié)論

本試驗以馬齒莧為原材料，在單因素的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法對馬齒莧多糖的提取率進行優(yōu)化，得到最優(yōu)提取條件為提取功率120 W，提取時間53 min，提取溫度61℃，料液比1∶39（g/mL），馬齒莧多糖提取率為13.55%，與預(yù)測值13.64%相差很小，說明該模型可以用于馬齒莧多糖提取條件的優(yōu)化。同時該模型較高的F值，也說明了該模型的準(zhǔn)確性。目前，馬齒莧多糖的提取率普遍較低[9，11-13]，與其相比本方法的提取率超過了13%，說明該方法的提取率高，提取效果好，工藝簡單可行，為馬齒莧多糖的工業(yè)化生產(chǎn)提供了參考。由于時間原因，本研究暫時未對提取后的馬齒莧多糖進行特性研究，這是今后研究的一個重要方向。

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Optimization of Ultrasound-assisted Extraction of Polysaccharides from Portulaca oleracea L.

ZHANG Zhi-qiang，LIANG Kui-jing，GAO Xiao-kuan，LIU Yan，LI Zhi-tao，WANG Ting-ting
（College of Life Sciences，Hengshui University，Hengshui 053000，Hebei，China）

Polysaccharides is one of the main biological active substance in Portulaca oleracea L.and has important health protection function and big marketing potential.Polysaccharides extraction process from Portulace oleracea L.were optimized through single factor experiment and response surface methodology.The results indicated that the optimum extraction process of polysaccharides from Portulace oleracea L.were as following：extraction power 120 W，extraction time 53 min，extraction temperature 61℃，solid to liquid ratio 1∶39（g/mL）. Under the optimal conditions，the extraction rate of polysaccharides was up to 13.55%.

Portulace oleracea L.；polysaccharide；ultrasonic assisted method；response surface methodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.08.009

2016-07-26

衡水學(xué)院教育教學(xué)改革與研究項目（jg2016046）

張志強（1983—），男（漢），碩士研究生，研究方向：食品生物技術(shù)。