超聲波輔助熱浸提甘薯多糖工藝研究

田璐，李凌燕，王偉青，肖海峻，楊新建，母婷婷

(北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院, 北京 102442)

甘薯，旋花科一年生草本植物，原產(chǎn)于美洲，16世紀(jì)末引入中國(guó)，甘薯中含有糖蛋白、多糖、花色苷、類黃酮等多種生物活性物質(zhì)，都具有獨(dú)特的生理保健作用和藥用價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)，甘薯多糖具有抗氧化性、清除自由基作用，增強(qiáng)免疫、抗腫瘤作用，降低血糖、抗衰老作用，降血脂、抗動(dòng)脈粥硬化作用等多種生理作用[1～4]，甘薯多糖是從甘薯中提取的一類水溶性糖類混合物，白色的固體粉末，可溶于水，但難溶于高濃度的甲醇、乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑，利用這一性質(zhì)來(lái)提取甘薯多糖。

目前，甘薯多糖的提取方法主要有水提法、超聲波提取法、微波提取法、酶解法等[5～10]，其中以水提法最為常見，該方法耗時(shí)長(zhǎng)，能耗高，提取率也比較低。而超聲波輔助熱水浸提法具有能夠節(jié)約時(shí)間，消耗能量少的優(yōu)點(diǎn)，而且甘薯多糖的提取率也非常高，這種方法不僅適用于甘薯多糖的提取，而且近年來(lái)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到各種植物活性成分的提取中[7,11]。甘薯多糖以國(guó)內(nèi)研究居多，主要集中在多糖提取分離、組分分析和生物活性等方面; 而國(guó)外研究較少，側(cè)重于多糖的鑒定和生物活性研究[12]。本研究采用單因素試驗(yàn)法和正交試驗(yàn)法對(duì)超聲波輔助熱水浸提法提取甘薯多糖的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，以期得到最佳甘薯多糖的提取工藝，為甘薯資源的進(jìn)一步開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料

1.1 材料

甘薯：來(lái)源于北京市大興區(qū)龐各莊鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站。

無(wú)水乙醇、95%乙醇、丙酮、無(wú)水乙醚、葡萄糖、濃硫酸、三氯甲烷、正丁醇和苯酚均為分析純。

1.2 儀器

UV型紫外-可見分光光度計(jì)(尤尼柯儀器有限公司)；KQ-700VDE型三頻數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；TDL-5通用臺(tái)式離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠)；ZF-602真空干燥箱(上海申賢恒溫設(shè)備廠)。

2 方法

2.1 甘薯的預(yù)處理

新鮮甘薯洗凈，削皮切細(xì)絲，放到60 ℃的干燥箱內(nèi)連續(xù)烘干4 h,完全干燥后，使用粉碎機(jī)5 min將其完全打碎，過(guò)40目篩，裝袋備用。

2.2 超聲波輔助提取甘薯多糖工藝流程

甘薯→干燥、粉碎→超聲浸提→過(guò)濾→濾液濃縮→醇沉、離心→沉淀復(fù)溶→脫蛋白→水層醇沉→離心、洗滌沉淀→干燥→粗多糖[13～15]；

具體過(guò)程：取干燥粉碎好的甘薯粉3 g，按照每次單因素的料液比情況加水復(fù)融，超聲提取規(guī)定次數(shù)后，合并濾液，減壓濃縮4倍，加入4倍體積的無(wú)水乙醇沉淀，4 ℃冰箱靜置過(guò)夜。8 000 r·min-1離心10 min后，用蒸餾水復(fù)溶，用Sevage法進(jìn)行脫蛋白，水相繼續(xù)醇沉離心，沉淀依次使用無(wú)水乙醇、丙酮和無(wú)水乙醚洗滌，以便除去殘留的有機(jī)溶劑和出去多余的水分，將沉淀干燥即可得到甘薯的粗多糖。

2.3 甘薯多糖含量的測(cè)定

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

準(zhǔn)確稱取105 ℃干燥至恒重的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品1 g，溶解稀釋后定容于100 mL容量瓶中，配成10 g·L-1的標(biāo)準(zhǔn)貯備液，再精密量取貯備液1 mL定容至100 mL的容量瓶中，配成0.1 g·L-1的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液。

精密移取0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液于25 mL的具塞刻度試管中，加蒸餾水補(bǔ)至2.0 mL，然后加入6%的苯酚溶液1.0 mL，搖勻，并迅速加入濃硫酸溶液5.0 mL，充分振蕩，立即將試管放入沸水浴中，加熱15 min，取出后冷卻至室溫，于490 nm波長(zhǎng)下測(cè)其OD值，以多糖含量為橫坐標(biāo)，光密度值為縱坐標(biāo)，得出標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。

2.3.2 樣品測(cè)定

吸取2.0 mL適當(dāng)濃度的甘薯多糖提取液，并以其中的一支試管加入2.0 mL的蒸餾水作為空白對(duì)照，接著向各個(gè)試管中加入1.0 mL 6%的苯酚溶液混勻后并立即加入5 mL濃硫酸，充分振蕩后迅速浸入沸水浴中準(zhǔn)確煮沸保溫15 min 后取出，并冷卻至室溫后于490 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度值，平均測(cè)定3次，取平均值。

甘薯粗多糖提取率/%=

2.4 單因素試驗(yàn)

以甘薯粉為原料，固定的350 W超聲頻率，分別以超聲時(shí)間(15、30、45、60、75 min)、料液比(1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30)、超聲溫度(30、40、50、60、70 ℃)和提取次數(shù)(1、2、3、4、5)作為單因素，分析不同提取條件對(duì)甘薯多糖提取率的影響。

2.5 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，用正交試驗(yàn)對(duì)甘薯多糖的提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，具體因素水平表見表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

精密移取葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL于25 mL的具塞刻度試管中，加蒸餾水補(bǔ)至2.0 mL，加6%的苯酚溶液1.0 mL，搖勻，并迅速加入濃硫酸溶液5.0 mL，充分振蕩，立即將試管放入沸水浴中，加熱15 min，取出后冷卻至室溫，490 nm波長(zhǎng)下測(cè)其OD值，以多糖含量為橫坐標(biāo)，OD值為縱坐標(biāo)，得出標(biāo)準(zhǔn)曲線方程(圖1)為:

表1 L9(34)正交試驗(yàn)因素水平表

Table1 The factors and levels for the L9(34)orthogonal design

水平Levels因素FactorsA超聲溫度/℃UltrasonictemperatureB超聲時(shí)間/minUltrasonictimeC料液比/m∶vMaterialandsolventratioD超聲次數(shù)/次Ultrasonicextraction150451∶201260601∶252370751∶303

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Glucose standard curve

y=0.9543x+0.0088，R2=0.9916。

3.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 超聲時(shí)間對(duì)甘薯多糖提取率的影響

圖2 超聲時(shí)間對(duì)提取率的影響Fig.2 The effect of extraction time on extraction rate

由圖2可知，多糖提取率隨著超聲波處理時(shí)間的延長(zhǎng)而快速升高。當(dāng)超聲波處理時(shí)間為60 min時(shí)，提取效果較好。超聲處理時(shí)間繼續(xù)增加，多糖提取率逐漸下降。

3.2.2 料液比對(duì)甘薯多糖提取率的影響

從圖3可知，料液比對(duì)甘薯多糖的提取率影響較大，在料液比為1∶10～1∶20范圍內(nèi)，多糖提取率隨料液比增加而呈大幅度的增大，而當(dāng)料液比高于1∶20后，多糖提取率不再升高。

圖3 料液比對(duì)提取率的影響Fig.3 The effect of liquid ratio on extraction rate

3.2.3 提取溫度對(duì)甘薯多糖提取率的影響

從圖4可知，超聲溫度對(duì)提取率有影響，溫度低于60 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，提取率增加，當(dāng)溫度超過(guò)60 ℃時(shí)，提取率略有降低。結(jié)果表明，60 ℃是最佳提取溫度。溫度升高對(duì)多糖的影響較大。

圖4 超聲溫度對(duì)提取率的影響Fig.4 The effects of extraction temperature on extraction rate

3.2.4 提取次數(shù)對(duì)甘薯多糖提取率的影響

由圖5可知，在提取次數(shù)為1～3次時(shí)，甘薯多糖的提取率隨提取次數(shù)的增加而增大，當(dāng)提取次數(shù)超過(guò)3次以后，提取率幾乎不再增加。

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用正交試驗(yàn)對(duì)甘薯多糖的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見表2。

根據(jù)表2極差分析的R值可看出，對(duì)甘薯多糖提取率影響最大的是提取溫度，其次是提取時(shí)間和料液比，最后是浸提次數(shù)，即提取溫度>提取時(shí)間>料液比>提取次數(shù)。由于提取次數(shù)(D)對(duì)提取率影響最小，在方差分析中其作為誤差項(xiàng)，由表3方差分析可知，超聲提取溫度(A)對(duì)多糖提取率的影響極為顯著，超聲提取時(shí)間(B)和料液比(C)對(duì)提取率影響顯著。

圖5 提取次數(shù)對(duì)提取率的影響Fig.5 The influence of extraction frequency on extraction rate

編號(hào)NumberABCD多糖提取率/%Extractionrate1111120.572122223.483133324.294212321.585223128.596231226.787313230.558321332.819332127.14K168.3472.7080.1676.30K276.9584.9472.2080.81K390.5078.2183.4378.68k122.7824.2326.7225.43k225.6528.3124.0726.94k330.1726.0727.8126.23R7.394.083.740.71

表3 方差分析表Table 3 Analysis results of variance

注：**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)。

Note：**show significant diffrernce at the 0.01 level,*show significant difference at the 0.05.

根據(jù)表2的提取率比較可知最高的提取率為32.81%，所對(duì)應(yīng)的最佳提取條件是A3B2C1D3,即提取溫度70 ℃，提取時(shí)間60 min， 料液比1∶20，連續(xù)提取3次。在此條件下，進(jìn)行了5次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果見表4，重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，平均甘薯多糖的得率為32.95%。

表4甘薯多糖提取工藝條件驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

Table4 Test results of extraction process of sweet potato polysaccharide

試驗(yàn)號(hào)Testnumber多糖得率/%Polysaccharideyield132.88232.97332.99432.93532.98平均得率/%32.95

4 討論與結(jié)論

甘薯干燥粉末吸收水分，料液比過(guò)小，超聲探頭發(fā)出的超聲波不能在介質(zhì)中很好傳遞，不利于超聲波作用的發(fā)揮；料液比過(guò)高則使處理后濃縮溶劑的步驟變得困難繁瑣，而且長(zhǎng)時(shí)間加熱會(huì)使多糖分解甚至變性，所以選擇最佳的比例來(lái)展開試驗(yàn)尤為重要。超聲波輔助提取草本植物中有效成分已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，用超聲波與熱水浸提的方法相結(jié)合提取多糖，提取的時(shí)間遠(yuǎn)比傳統(tǒng)方法提取多糖時(shí)間短，既節(jié)省試驗(yàn)成本，也使多糖的提取率大大提高。但超聲波產(chǎn)生的噪音過(guò)大，處理時(shí)間不宜過(guò)久。林娟[14]等采用水提法提取甘薯多糖，其優(yōu)化的工藝條件為:提取溫度85 ℃, 料液1∶7, 提取時(shí)間2.5 h, 提取率為26.71%；全桂靜[16]等采用熱水浸提法提取甘薯塊根多糖，在浸提溫度65 ℃、料液比為1∶20，浸提時(shí)間2.5 h，浸提液pH=6.5，粗多糖得率可達(dá)31.34%；付宏媛[17]等采用酶法結(jié)合熱水浸提甘薯多糖, 提取率為5.55%；林茹[11]等采超聲波輔助熱水浸提方法提取甘薯多糖甘薯多糖提取工藝的最佳條件為:料液比1∶6, 在70 ℃提取45 min, 提取3次后得到的提取率最高為23.68%。李利華[7]采用超聲輔助提取甘薯多糖，最佳提取工藝為：浸提溫度70 ℃，浸提時(shí)間60 min，料液比1∶25，超聲功率350 W，在此工藝條件下甘薯多糖提取率為32.22%；本試驗(yàn)采用超聲波輔助熱水法提取甘薯多糖，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，用L9(34)正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝條件，利用硫酸-苯酚法測(cè)定多糖含量，Sevage法對(duì)粗多糖進(jìn)行純化。結(jié)果表明，采用固定350 W超聲頻率，甘薯多糖的最佳提取條件為：浸提溫度60 ℃，料液比為1∶20，提取時(shí)間為60 min，連續(xù)提取3次后合并提取液，甘薯多糖提取率高達(dá)32.95%。其中浸提溫度對(duì)甘薯多糖提取率的影響最為顯著，提取時(shí)間和料液比影響顯著，提取次數(shù)對(duì)甘薯多糖提取率的影響不顯著。

綜上所述，采用超聲波輔助熱水浸提法提取甘薯多糖的方法不僅提高多糖的得率，而且節(jié)約時(shí)間，本試驗(yàn)得到的最佳提取工藝在實(shí)際生產(chǎn)中可行。

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