響應(yīng)面優(yōu)化超聲輔助提取雪燕水溶性多糖

王睿哲，周 霞，楊大帥，馬 進(jìn)，段盛杰，孫芬芳

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院食品系，山東萊陽 265200）

近幾年，隨著人們天然、綠色理念的提升，自然界生物活性成分的研究和精深加工成為頗受關(guān)注的熱點(diǎn)。來源廣泛、毒副作業(yè)小、藥理功效繁多的天然活性物質(zhì)植物多糖，在醫(yī)藥緩釋劑[1]、功能性保健品[2]、綠色食品添加劑[3]、食品貯藏保鮮[4]等領(lǐng)域都有不俗的表現(xiàn)。多糖含量在80%以上[5-6]、由薔薇科植物桃或山桃等樹皮分泌的膠質(zhì)半透明物質(zhì)桃膠，其研究和應(yīng)用十分普遍。在食品行業(yè)，既可以作為食品直接食用，也可以作為食品添加劑，制作成風(fēng)味獨(dú)特、營(yíng)養(yǎng)豐富的面條[7]、果凍[8]、冰激凌[9]、蜜餞[10]、軟糖[11]等；在醫(yī)藥領(lǐng)域，其控制血糖、血脂的功效十分明顯[12-13]，可以用于治療糖尿病[14]，對(duì)燒傷創(chuàng)面的愈合也有積極的療效[15-16]，另外基于其優(yōu)良的成膜性，在中藥桃膠涂膜劑或者作為天然囊材制作藥物微膠囊，以緩釋藥物在體內(nèi)的吸收方面也有報(bào)道[17-19]。

與桃膠類似，美食界的新寵兒雪燕，也是一種以多糖為主要成分的樹膠。與桃膠是樹皮分泌物不同，雪燕是刺萍婆樹的木髓分泌物，主要產(chǎn)自緬甸和我國(guó)云南地區(qū)。在緬甸，雪燕作為一種珍貴的滋補(bǔ)品被應(yīng)用已經(jīng)有1 000多年的歷史了。隨著緬甸雪燕國(guó)際化進(jìn)程的加快[20]，雪燕逐漸走上中國(guó)人的餐桌并被人們所喜愛。經(jīng)試驗(yàn)前期研究發(fā)現(xiàn)，雪燕的多糖含量達(dá)85%以上，其余部分主要是水分，蛋白質(zhì)、灰分等含量極低，且與桃膠的棕色、褐色相比，雪燕以白色為主，少量淡黃色，在提取多糖的過程中無需脫色處理，工藝簡(jiǎn)單，是獲取多糖的絕佳自然食材。試驗(yàn)以超聲波輔助熱水浸提雪燕中的水溶性多糖，并采用響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝[21-22]，為雪燕多糖的應(yīng)用開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

雪燕，云南倍恩健食品有限公司提供；95%乙醇，分析純，萊陽康德化工有限公司提供；水為三級(jí)水。

1.2 儀器與設(shè)備

Neofuge 18R型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)，利康生物醫(yī)療科技控股有限公司產(chǎn)品；SB25-12DTN型超聲波清洗機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司產(chǎn)品；FW135型中草藥粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；IKA-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，德國(guó)伊卡有限公司產(chǎn)品；VFD-2000型真空冷凍干燥機(jī)，上海比朗儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 雪燕水溶性多糖的提取方法

將雪燕用中草藥粉碎機(jī)粉碎，過20目篩，得雪燕粉末。準(zhǔn)確稱取雪燕粉末2.00 g，置于1 L燒杯中，加入532 mL蒸餾水，靜置使其充分溶脹，其間不時(shí)用玻璃棒攪拌。待溶脹完全后，將燒瓶置于超聲波清洗機(jī)上，加熱至46℃，超聲振蕩提取0.75 h。將提取液用雙層紗布減壓過濾，濾液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至原體積的1/5，得到黏稠的多糖水溶液。將該溶液轉(zhuǎn)移至燒杯中，向其中加入4倍體積的95%乙醇，置于冰箱中放置過夜，析出白色絮團(tuán)狀雪燕水溶性多糖。離心，將沉淀置于冷凍干燥機(jī)中，冷凍干燥，得雪燕水溶性多糖成品。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)后，確定單因素試驗(yàn)各變量的區(qū)間范圍。以水為提取劑，提取雪燕中的水溶性多糖，研究提取溫度、超聲時(shí)間、料液比對(duì)雪燕水溶性多糖提取率的影響。

1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以單因素試驗(yàn)結(jié)果為參考，水溶性多糖提取率為響應(yīng)值Y，以提取溫度（A）、超聲時(shí)間（B）、料液比（C） 3個(gè)影響因素為自變量，利用軟件Design Expert8.0.6中的Box-behnke中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，根據(jù)響應(yīng)面等高線圖，確定雪燕水溶性多糖的超聲輔助熱水浸提的最佳提取條件。

1.4 水溶性多糖提取率的計(jì)算

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel對(duì)單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖并利用Design Expert 8.0.6進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 雪燕水溶性多糖提取的單因素試驗(yàn)

2.1.1 提取溫度對(duì)雪燕水溶性多糖提取率的影響

以水為提取劑，固定料液比1∶200，超聲時(shí)間0.75 h，在充分溶脹的基礎(chǔ)上，考查超聲提取溫度為20，30，40，50，60℃時(shí)提取率的變化情況。

提取溫度對(duì)水溶性多糖提取率的影響見圖1。

圖1 提取溫度對(duì)水溶性多糖提取率的影響

由圖1可知，隨著提取溫度的升高，提取率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。究其原因可能是在一定溫度范圍內(nèi)，多糖分子的運(yùn)動(dòng)能力隨溫度升高而增大，更易溶于溶劑中，因此在低溫區(qū)隨著溫度的升高，水溶性多糖提取率逐漸增大。隨著溫度繼續(xù)升高，多糖分子結(jié)構(gòu)可能發(fā)生改變，水溶性變差，提取率反而下降，故固定提取溫度50℃。

2.1.2 超聲時(shí)間對(duì)雪燕水溶性多糖提取率的影響

在超聲波的空化、振蕩等機(jī)械作用下，分子內(nèi)部的氫鍵等被破壞，物料結(jié)構(gòu)變松散，使水溶性多糖更易溶出。因此，超聲輔助提取對(duì)提取率的提高是有利的。

超聲時(shí)間對(duì)水溶性多糖提取率的影響見圖2。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)水溶性多糖提取率的影響

由圖2可知，當(dāng)固定料液比1∶200，提取溫度50℃時(shí)，多糖提取率隨超聲時(shí)間延長(zhǎng)而增大，在超聲0.75 h時(shí)，提取率達(dá)到最大值66.82%。隨著超聲時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，多糖提取率反而有所下降，究其原因，可能是由于長(zhǎng)時(shí)間的超聲空化效應(yīng)使物料局部溫度升高，導(dǎo)致多糖分子失活、變性。因此，超聲時(shí)間選擇0.75 h較為合適。

2.1.3 料液比對(duì)雪燕水溶性多糖提取率的影響

隨著料液比增加，多糖擴(kuò)散壓增大，從而促使多糖分子向溶液中擴(kuò)散，提取率隨之提升。但隨著溶劑比例的持續(xù)上升，多糖產(chǎn)率增速放緩，同時(shí)雪燕中的其他雜質(zhì)成分也可能隨之溶出，導(dǎo)致產(chǎn)品純度下降，另外也為后續(xù)的過濾、減壓濃縮等操作帶來不便，因此將料液比設(shè)定為1∶200。

料液比對(duì)水溶性多糖提取率的影響見圖3。

圖3 料液比對(duì)水溶性多糖提取率的影響

2.2 提取工藝的響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，以雪燕水溶性多糖提取率為響應(yīng)值，以提取溫度、超聲時(shí)間、料液比3個(gè)因素為自變量，獲得響應(yīng)值最大時(shí)的各種條件組合。

響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，利用響應(yīng)面設(shè)計(jì)三因素三水平優(yōu)化試驗(yàn)，實(shí)施17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中12個(gè)為分析因子，5個(gè)為中心試驗(yàn)以估計(jì)誤差。

響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

2.2.2 回歸性方程的方差分析及顯著性檢驗(yàn)

采用Design Expert 8.0.6對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合分析，得到多糖提取率（Y）和超聲溫度（A）、超聲時(shí)間（B）、料液比（C） 的三元二次回歸方程：

表2 響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果

回歸模型的方差分析見表3。

表3 回歸模型的方差分析

模型F值93.88表明模型是具有顯著性的。而由于噪音造成此類較大模型值的概率僅有0.01%，可忽略。決定系數(shù)C2=0.991 8，R2adj=0.981 2，R2pred=0.905 7與R2adj=0.981 2接近，證明該模型與實(shí)際試驗(yàn)過程擬合程度較高。由此可知，該回歸模型可行度較高，可以利用該模型對(duì)雪燕多糖提取率、單因素水平變化的關(guān)系、數(shù)據(jù)波動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

對(duì)p值進(jìn)行分析，當(dāng)p＜0.050 0時(shí)，該因素為顯著因素，當(dāng)p＜0.010 0時(shí)，該因素為極顯著因素。失擬項(xiàng)p達(dá)到0.163 4，不顯著，說明殘差主要由隨機(jī)誤差組成，對(duì)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果影響不顯著。交互項(xiàng)BC交互作用顯著，而AB，AC的p值均大于0.050 0，交互作用較弱。一次項(xiàng)A和二次項(xiàng)A2，B2達(dá)到極顯著水平，對(duì)多糖提取率影響極顯著，B，C的p值較大（p＞0.1），代表該因素不顯著，對(duì)于響應(yīng)值的波動(dòng)起次要作用。因此3個(gè)因素提取溫度、超聲時(shí)間、料液比對(duì)雪燕多糖提取率影響的主次順序?yàn)槌暅囟龋玖弦罕龋境晻r(shí)間。

2.2.3 交互作用對(duì)多糖產(chǎn)率影響的響應(yīng)面分析圖

利用Design Expert 8.0.6軟件繪制出3個(gè)因素中任意兩因素之間的交互作用響應(yīng)面分析圖。交互作用對(duì)于多糖產(chǎn)率影響越顯著意味著相應(yīng)曲面的陡峭程度越大。

交互作用AB對(duì)多糖產(chǎn)率影響的響應(yīng)面分析圖見圖5，交互作用AC對(duì)多糖產(chǎn)率影響的響應(yīng)面分析圖見圖6，交互作用BC對(duì)多糖產(chǎn)率影響的響應(yīng)面分析圖見圖7。

圖5 交互作用AB對(duì)多糖產(chǎn)率影響的響應(yīng)面分析圖

由圖5～圖7可知，交互作用BC的相應(yīng)曲面陡峭程度最大，而交互作用AB，AC的曲面相對(duì)平滑，陡峭程度小。對(duì)圖5～圖7的等高線圖進(jìn)行分析，交互作用BC的軸向等高線密度明顯大于交互作用AB，BC。響應(yīng)面圖與等高線圖的分析結(jié)果與方差分析結(jié)果一致。

2.2.4 提取工藝最佳參數(shù)的確定和驗(yàn)證

利用Design Expert 8.0.6進(jìn)行分析計(jì)算，得出提取工藝的最佳參數(shù)超聲溫度46.49℃，超聲時(shí)間0.74 h，料液比1∶266.10，理論最高產(chǎn)率為68.914%。為便于實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，將條件簡(jiǎn)化為超聲溫度46℃，超聲時(shí)間0.74 h，料液比1∶266，嚴(yán)格按照該條件平行試驗(yàn)5次，得到多糖產(chǎn)率為67.39%±0.53%，與理論產(chǎn)率68.91%的相對(duì)誤差為1.56%，誤差較小，說明該回歸模型與實(shí)際試驗(yàn)過程擬合度較高，所建模型與采用的優(yōu)化方法可靠，適用于雪燕水溶性多糖的超聲波輔助提取工藝優(yōu)化和分析。

圖7 交互作用BC對(duì)多糖產(chǎn)率影響的響應(yīng)面分析圖

3 結(jié)論

通過響應(yīng)面法對(duì)雪燕水溶性多糖超聲波輔助提取法進(jìn)行優(yōu)化，建立了由超聲提取溫度、超聲時(shí)間和料液比為考查因素，水溶性多糖提取率為響應(yīng)值的回歸模型。在簡(jiǎn)化實(shí)際生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)上得到提取工藝的最佳參數(shù)超聲提取溫度46℃，超聲時(shí)間0.74 h，料液比1∶266。在該條件下，雪燕多糖提取率為67.39%±0.53%，與預(yù)期結(jié)果相符。說明用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的提取條件準(zhǔn)確可靠，為雪燕多糖提取研究提供了一定的數(shù)據(jù)支持。相較于桃膠多糖的廣泛研究和應(yīng)用，同為樹膠的雪燕水溶性多糖的研究尚未展開。在植物多糖生理活性被廣泛關(guān)注的背景下，雪燕水溶性多糖的性質(zhì)和應(yīng)用研究是值得深入探討的課題。