超聲波微波協(xié)同提取超微粉碎落葵中多糖工藝優(yōu)化

胡曉冰，王振偉，申森，陳西良

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系，河南開封475003）

超聲波微波協(xié)同提取超微粉碎落葵中多糖工藝優(yōu)化

胡曉冰，王振偉，申森，陳西良

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系，河南開封475003）

采用微波-超聲波協(xié)同提取落葵中的多糖，研究超微粉碎與普通粉碎的多糖提取率差別，并對(duì)超微粉碎的提取進(jìn)行條件優(yōu)化。結(jié)果表明：1）在設(shè)定的相同條件下，超微粉碎落葵的多糖提取率比普通粉碎提高64.11%；2）通過單因素試驗(yàn)考察了液料比、時(shí)間、超聲波功率和微波功率對(duì)于超微粉碎落葵多糖提取率的影響；3）在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken中心設(shè)計(jì)對(duì)超微粉碎落葵進(jìn)行微波-超聲波協(xié)同提取多糖條件優(yōu)化，確定最佳工藝條件為微波功率331W、超聲波功率193W、提取時(shí)間18min、液料比50mL/g，在此最佳工藝條件下，落葵多糖提取率的可達(dá)到27.39%，相對(duì)誤差為-2.35%，與理論值基本符合，表示該模型能很好的預(yù)測(cè)實(shí)際提取情況。

落葵多糖；超聲波-微波協(xié)同作用；超微粉碎；工藝優(yōu)化

落葵又稱木耳菜、胭脂菜、豆腐菜、籬笆菜等，為落葵科落葵屬纏繞莖生草本植物，在我國有著悠久的種植歷史。落葵含有豐富的營養(yǎng)成分，蛋白質(zhì)、維生素和無機(jī)鹽的含量均很高，除此之外還含有皂苷、葡聚糖、黏多糖等多糖藥用成分，碳水化合物可占落葵干重的50%以上[1]。落葵多糖具有較高的的抗氧化[2]、抗病毒[3-4]和抗腫瘤[5]作用。目前，植物性多糖的提取有熱水、超聲、微波、高溫高壓等方法，落葵多糖主要以熱水提取為主[6]，存在時(shí)間長(zhǎng)、能耗高和提取率低等問題。國內(nèi)外一些學(xué)者為了提高多糖提取效率，使用了超聲或者微波助提[7]的方法，但效果有限。

超聲波輔助提取因其空化作用而產(chǎn)生高強(qiáng)度機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)，具有細(xì)胞破碎、增加穿透性與加速質(zhì)量傳遞等優(yōu)勢(shì)，但由于機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)均不強(qiáng)，在輔助提取時(shí)往往需要控制物料大小及溫度。微波輔助提取通過產(chǎn)生高效內(nèi)熱和電介質(zhì)熱而提高提取效率、減少提取時(shí)間并降低料液消耗，但存在著加熱不均勻、溫度不易控制的缺點(diǎn)。因此，國內(nèi)外很多學(xué)者采用超聲波和微波同時(shí)協(xié)同提取各自原料功能因子，均發(fā)現(xiàn)比傳統(tǒng)方法（如熱回流、水浴振蕩或索氏抽提等）或單獨(dú)采用時(shí)提取時(shí)間更短、得率更高、效率更好[8-9]。超微粉碎是指利用機(jī)械或流體動(dòng)力方法克服固體內(nèi)部凝聚力使之破碎，從而將物料顆粒粉碎至10μm～25μm的操作技術(shù)。經(jīng)超微粉碎技術(shù)加工后，原料被超微細(xì)化，細(xì)胞壁大部分被破壞，顆粒的表面積和孔隙率顯著增加，產(chǎn)品的分散性、溶解性、功能性明顯增強(qiáng)[10]。

目前，鮮有使用3種技術(shù)工藝協(xié)同提取原料功能因子的研究，因此，本文在實(shí)驗(yàn)室前期研究基礎(chǔ)上，對(duì)協(xié)同提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，為落葵多糖高效提取方法以及該方法將來的工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

落葵：黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品工程實(shí)驗(yàn)室種植，偏堿性土壤，未噴灑農(nóng)藥，未施任何化學(xué)肥料。落葵收獲后，洗凈，晾干，60℃條件下干燥，0℃條件下保藏備用。

無水乙醇：購于安徽安特食品股份有限公司；石油醚、苯酚、正丁醇、氯仿：均購于天津市得恩化學(xué)試劑有限公司；濃硫酸：購于中國平煤神馬集團(tuán)開封東大化工有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

XO-SM50超聲波微波聯(lián)合反應(yīng)系統(tǒng)：南京先歐儀器制造有限公司（設(shè)備運(yùn)行示意圖見圖1）；HC-3018R高速冷凍離心機(jī)：科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司；ZRD-5210鼓風(fēng)干燥箱：上海智城分析儀器制造有限公司；RT-25超微粉碎機(jī)：臺(tái)灣榮聰精密科技有限公司；FW-400A傾斜式高速萬能粉碎機(jī)：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海亞榮生化儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 落葵粉樣品的制作與儲(chǔ)藏

圖1 超聲波-微波協(xié)同反應(yīng)設(shè)備示意圖Fig.1 Schem atic diagram of com binedm icrowave-ultrasonic treatment

將適量干燥落葵加入粉碎機(jī)，經(jīng)過1min粉碎后制得普通粉碎落葵干粉；將普通粉碎落葵干粉加入超微粉碎機(jī)，經(jīng)過1min粉碎后制得超微粉碎落葵干粉。

1.3.2 落葵多糖提取方法

干燥落葵→普通/超微粉碎→落葵粉→加水浸泡→超聲波-微波協(xié)同提取→過濾→離心→濃縮→一次醇沉→過濾收集多糖→溶解多糖→二次醇沉→過濾收集多糖→溶解多糖→用石油醚脫脂→用sevage法脫蛋白[11]→三次醇沉→過濾，收集多糖→冷凍干燥→粗多糖→溶解多糖→苯酚硫酸法測(cè)定多糖[12]→計(jì)算提取率

1.3.3 普通粉碎與超微粉碎多糖提取率對(duì)比

將超微粉碎和普通粉碎的落葵粉分別進(jìn)行多糖提取，稱?。?.000±0.001）g超微粉碎和普通粉碎的落葵粉各5份，提取條件為超聲功率160W、微波功率300W、提取時(shí)間15min、液料比50mL/g，取平均值進(jìn)行對(duì)比。其中，液料比是指提取溶劑體積與落葵粉質(zhì)量的比值。

1.3.4 電鏡試驗(yàn)

采用電子熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察普通粉碎和超微粉碎的粉碎狀態(tài)，取樣品固定，噴金，掃描電鏡下觀察，加速電壓5 kV。

1.3.5 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

稱取（5.000±0.001）g的超微落葵粉，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

1.3.5.1 考察微波功率對(duì)提取率的影響

在超聲功率160W，提取時(shí)間15 min，液料比50mL/g的條件下，研究不同的微波功率（0、150、300、450、600W）對(duì)落葵多糖提取率的影響。

1.3.5.2 考察超聲功率對(duì)提取率的影響

在微波功率300W，提取時(shí)間15 min，液料比50mL/g的條件下，研究不同的超聲功率（0、80、160、240、320W）對(duì)落葵多糖提取率的影響。

1.3.5.3 考察提取時(shí)間對(duì)提取率的影響

在超聲功率160 W，微波功率300 W，液料比50mL/g的條件下，研究不同的提取時(shí)間（5、10、15、20、25min）對(duì)落葵多糖提取率的影響。

1.3.5.4 考察液料比對(duì)提取率的影響

在超聲功率160W，微波功率300W，提取時(shí)間15min的條件下，研究不同的液料比（30、40、50、60、70mL/g）對(duì)落葵多糖提取率的影響。

1.3.6 多糖提取優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

采用響應(yīng)面法進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，選用Box-Behnken模型對(duì)影響超微粉碎-超聲波-微波協(xié)同技術(shù)提取落葵多糖得率的因素進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)，以落葵多糖得率為響應(yīng)值進(jìn)行優(yōu)化。

表1 中心組合設(shè)計(jì)因素水平表Table1 Centralcom posite design factorsand levels

2 結(jié)果與討論

2.1 普通粉碎與超微粉碎多糖提取率對(duì)比

普通粉碎與超微粉碎對(duì)多糖提取率的影響如圖2所示。

圖2 普通粉碎與超微粉碎對(duì)多糖提取率的影響Fig.2 Theeffectof ultram icro grinding and ordinary grinding on extraction rate

由圖2可知，普通粉碎的落葵粉5份樣品多糖提取率平均值為16.97%；超微粉碎的落葵粉5份樣品多糖提取率平均值為27.85%。超微粉碎落葵粉多糖提取率比普通粉碎提高64.11%。

2.2 掃描電鏡分析（SEM）

普通粉碎掃描電鏡圖見圖3，落葵超微粉碎掃描電鏡圖見圖4。

圖3 普通粉碎掃描電鏡圖Fig.3 SEM of ordinary grinding

圖4 落葵超微粉碎掃描電鏡圖Fig.4 SEM ofultram icro grinding

如圖3所示，未經(jīng)過超微粉碎處理的普通落葵粉顆粒較大，且呈現(xiàn)出大小不均勻的現(xiàn)象。圖4是經(jīng)過超微粉碎的落葵粉，顆粒明顯變小，均一度明顯改善，這為落葵多糖的高效提取提供了有力的保障。

2.3 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 液料比的影響

超聲波-微波協(xié)同提取液料比單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 液料比對(duì)落葵多糖提取率的影響Fig.5 Effectof liquid-solid ratio on theextraction yield of Basella rubra L.

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在液料比30mL/g～50mL/g范圍內(nèi)，落葵多糖提取率值隨著液料比的增大逐漸增大，在液料比50mL/g～70mL/g范圍內(nèi)，落葵多糖提取率增大逐漸放緩，最后還有下降趨勢(shì)?？紤]到液料比因素條件下，多糖提取率變化趨勢(shì)不明顯以及后期提取工藝操作性和經(jīng)濟(jì)性，故不再對(duì)該因素進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，直接選定液料比50mL/g做后續(xù)試驗(yàn)。

2.3.2 時(shí)間的影響

超聲波-微波協(xié)同提取時(shí)間單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 時(shí)間對(duì)落葵多糖提取率的影響Fig.6 Effectof tim eon theextraction yield of Basella rubra L.

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間5min～15min范圍內(nèi)，落葵多糖提取率值隨著時(shí)間的增加逐漸增大，在時(shí)間15min～25min范圍內(nèi)，落葵多糖提取率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)反而逐漸下降。其原因可能是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，落葵中所含的一些對(duì)溫度敏感的成分在300W功率微波和150W功率超聲波產(chǎn)生的較高局部溫度環(huán)境中逐漸失去活性的緣故。故選定時(shí)間10、15、20min做后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)。

2.3.3 微波功率的影響

超聲波-微波協(xié)同提取微波功率單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 微波功率對(duì)落葵多糖提取率的影響Fig.7 Effectofm icrowavepower on theextraction yield of Basella rubra L.

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，在微波功率0～300W范圍內(nèi)，落葵多糖提取率值隨著微波功率的增加逐漸增大，在微波功率300W～600W范圍內(nèi)，落葵多糖提取率隨著微波功率的增加反而逐漸下降。其原因可能是高微波功率會(huì)造成落葵多糖中敏感成分分解的緣故。故選定微波功率150、300、450W做后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)。

2.3.4 超聲波功率的影響

超聲波-微波協(xié)同提取超聲波功率單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 超聲波功率對(duì)落葵多糖提取率的影Fig.8 Effectof ultrasonic power on theextraction yield of Basella rubra L.

從圖8可以發(fā)現(xiàn)，在超聲波功率0～160W范圍內(nèi)，落葵多糖提取率值隨著超聲波功率的增加逐漸增大，在超聲波功率160W～320W范圍內(nèi)，落葵多糖提取率隨著超聲波功率的增加反而逐漸下降。其原因可能是隨著超聲功率從160W增加到320W，落葵多糖中所含的一些敏感成分在較高功率超聲波環(huán)境中失去活性的緣故。故選定超聲波功率80、160、240W做后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)。

2.4 落葵多糖提取條件優(yōu)化結(jié)果及分析

落葵多糖提取響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果見表2，響應(yīng)面回歸方程方差分析結(jié)果見表3。

表2 落葵多糖提取響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Table2 Box-Behnken design and experimental results for extraction of polysaccharides from Basella rubra L.

表3 響應(yīng)面回歸方程方差分析結(jié)果Table3 Resultsof varianceanalysisof response surface regression m odel

利用Design Expert軟件，通過表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得落葵多糖提取率對(duì)微波功率、超聲波功率和提取時(shí)間真實(shí)值的回歸模型：

落葵多糖提取率Y=27.48+2.57A－0.12B+0.51C－0.15AB－0.59AC－0.26BC－4.90A2－2.02B2－2.70C2。

3個(gè)試驗(yàn)因素均以量綱線性編碼處理，方程中各項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)值的大小能反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響程度。

回歸方程的方差分析采用Design Expert Version軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

由表3可知，模型的P＜0.000 1，表明二次方程擬合極其顯著，而且失擬項(xiàng)的F值遠(yuǎn)大于0.05，表明失擬項(xiàng)不顯著，說明方程模擬的比較好，可以很好用于數(shù)據(jù)的分析。決定系數(shù)R2=0.988 9，校正系數(shù)為R2= 0.974 5，也說明回歸方程的擬合程度很好，失擬較小。綜上所述，該回歸方程為優(yōu)化落葵多糖的提取工藝條件提供了一個(gè)良好的模型，可以利用該回歸方程確定最佳提取工藝條件。

當(dāng)提取時(shí)間編碼固定為0時(shí)，微波功率與超聲波功率對(duì)多糖提取率的影響見圖9。

由圖9可知，在微波功率的編碼在-1到0范圍內(nèi)，多糖提取率呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，之后編碼增大在0到1范圍內(nèi)，多糖提取率有下降的趨勢(shì)。超聲波功率編碼在-1到0的范圍內(nèi)，多糖提取率不斷增加，之后編碼增大在0到1范圍內(nèi)，多糖提取率有下降的趨勢(shì)。通過圖9及方差分析可知，微波功率要比超聲波功率對(duì)多糖的提取率影響更大。

圖9 微波功率和超聲功率對(duì)多糖提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.9 Responsesurfaceof effectsofm icrowave power and ultrasonic power on polysaccharidesextractyield

當(dāng)超聲波功率編碼固定為0時(shí)，微波功率與提取時(shí)間的對(duì)多糖提取率的影響見圖10。

圖10 微波功率和提取時(shí)間對(duì)多糖提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.10 Response surfaceof effectsofm icrowave power and time on polysaccharidesextract yield

由圖10可知，在微波功率的編碼在-1到0范圍內(nèi)，多糖提取率呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，之后編碼增大在0到1范圍內(nèi)，多糖提取率有下降的趨勢(shì)。提取時(shí)間編碼在-1到0.5的范圍內(nèi)，多糖提取率不斷增加，之后編碼增大到1范圍內(nèi)，多糖提取率有下降的趨勢(shì)。通過圖10及方差分析可知，微波功率要比提取時(shí)間對(duì)多糖的提取率影響更大。

當(dāng)微波功率編碼固定為0時(shí)，超聲波功率與提取時(shí)間的對(duì)多糖提取率的影響見圖11。

由圖11可知，超聲波功率編碼在-1到0的范圍內(nèi)，多糖提取率不斷增加，之后編碼增大在0到1范圍內(nèi)，多糖提取率有下降的趨勢(shì)。提取時(shí)間編碼在-1到0的范圍內(nèi)，多糖提取率不斷增加，之后編碼增大到1范圍內(nèi)，多糖提取率有下降的趨勢(shì)。通過圖11及方差分析可知，超聲功率要比提取時(shí)間對(duì)多糖的提取率影響更大。

圖11 超聲功率和提取時(shí)間對(duì)多糖提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.11 Response surfaceofeffectsofultrasonic power and timeon polysaccharidesextract yield

2.5 超聲波-微波協(xié)同法驗(yàn)證試驗(yàn)

通過圖9、圖10、圖11響應(yīng)面以及回歸模型預(yù)測(cè)的落葵多糖提取最佳工藝條件為：微波功率331.11W，超聲波功率192.79W，提取時(shí)間18.23min，在此條件下，落葵多糖提取率理論上可達(dá)28.05%?？紤]到實(shí)際操作的可行性，將落葵多糖的最佳提取條件在理論值基礎(chǔ)上修正為微波功率331W，超聲波功率193W，提取時(shí)間18min。采用此工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，平行3組，測(cè)得的落葵多糖提取率分別為27.08%、27.32%和27.77%，落葵多糖提取率的平均值為27.39%，相對(duì)誤差為-2.35%，與理論值基本符合，表示該模型能很好的預(yù)測(cè)實(shí)際提取情況。

3 結(jié)論

1）通過普通粉碎和超微粉碎處理干燥落葵，對(duì)比粉碎效果對(duì)于落葵多糖提取率的影響，在設(shè)定的相同條件下，超微粉碎落葵的多糖提取率比普通粉碎提高64.11%?？紤]到超微粉碎的破壁效果，落葵多糖提取率的提高有可能是胞壁多糖和胞內(nèi)多糖更大量析出的原因。

2）通過單因素以及Box-Behnken中心設(shè)計(jì)對(duì)超微粉碎落葵進(jìn)行微波-超聲波協(xié)同提取多糖條件優(yōu)化，確定最佳工藝條件為微波功率331W、超聲波功率193W、提取時(shí)間18min、液料比50mL/g，在此最佳工藝條件下，落葵多糖提取率可達(dá)27.39%，相對(duì)誤差為-2.35%，與理論值（28.05%）基本符合，表示該響應(yīng)面模型能很好的預(yù)測(cè)實(shí)際提取情況。本研究為落葵多糖高效提取提供一個(gè)思路，為超微粉碎，超聲波-微波協(xié)同等方法將來的工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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Optim ization of M icrowave-Ultrasound Assisted Extraction Process of Polysaccharide from Basella rubra L.after Ultram icro Grinding

HU Xiao-bing，WANGZhen-wei，SHENSen，CHENXi-liang
（DepartmentofEnvironmentand Chemistry Engineering，YelloWRiverConservancy Technical Institute，Kaifeng475003，Henan，China）

Polysaccharide was extracted from Basella rubra L.using microwave-ultrasound assisted method. The difference of influence ofultramicro grinding and ordinary grinding on extraction ratewas studied.And the ultramicro extraction conditionswere optimized aswell.The results demonstrated that：（1）therewas64.11% increased in polysaccharide extraction rate for ultramicro grinding than that of the normal grinding technology under the same conditions；（2）The influence of liquidmaterial ratio，time，ultrasonic power andmicrowave power on the polysaccharide extraction ratio from Basella rubra L.were investigated through the single factor experiment；（3）Box-Behnken Center design was used on the basis of single factor test to optimize themicrowave-ultrasonic assisted extracting conditionsofpolysaccharide.The optimum conditionswere determined as themicrowave powerwas331W，ultrasonic powerwas193W，extraction timewas18min，and the liquid-solid ratiowas50mL/g.The extraction rate could reach 27.39%and the relative errorwas-2.35%under the optimum conditions，whichwas consistentwith the theoreticalvalue.So themodelwas proved to be effective to predict theactualextraction rate.

polysaccharide from Basella rubra L.；combined microwave-ultrasonic treatment；ultramicro grinding；processoptimization

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.07.010

2016-07-16

2014年河南省教育廳科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目（14B550010）

胡曉冰（1981—），男（漢），講師，碩士，研究方向：食品生物技術(shù)。