無花果多糖的微波提取工藝優(yōu)化

李樂，陳本壽，袁瑩

（重慶化工職業(yè)學(xué)院環(huán)境與質(zhì)量檢測學(xué)院,重慶 401228）

無花果（Ficus carica）又名秘果、牛奶仔、無花果、天仙子，是?？崎艑僦参?，原分布于地中海沿岸，唐代傳入我國，今南北方均有種植，尤以新疆最多。無花果果實皮薄無核、香甜可口，其果實、根和葉均具有極高的藥用價值和營養(yǎng)價值。無花果具有健胃清腸、消腫解毒、潤肺止咳、清熱生津、健脾輕瀉等功效[1]。現(xiàn)代藥理研究表明，無花果富含多種生物活性成分，如無花果多糖、黃酮類化合物、多酚類化合物、花青素、補(bǔ)骨脂素和微量元素維生素C、維生素E、硒等，同時還具有抗腫瘤[2]、抗氧化[3]、抑菌作用[4]調(diào)節(jié)免疫等功能[5-6]。

多糖是由許多相同或不同的單糖以α或β糖苷鍵所組成的大分子化合物，廣泛存在于動物細(xì)胞膜和植物細(xì)胞壁中，具有多種生物活性。如菌類多糖具有促進(jìn)胰島素分泌從而降血糖的作用；部分中草藥多糖具有調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞體積從而增強(qiáng)機(jī)體免疫力的功能；有些多糖可以誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞分化凋亡從而起到抗腫瘤作用[7-8]。

由于植物細(xì)胞壁比較牢固，需進(jìn)行破壁處理，且植物種子常含有較多的脂質(zhì)或蛋白，需去除雜質(zhì)。植物多糖的提取方法有多種，如熱水浸提法、酶解提取法、有機(jī)溶劑浸提法、微波-超聲波輔助法和超臨界萃取法等。其中微波輔助提取法的原理是頻率為300～300000 MHz 電磁波具有超強(qiáng)的穿透能力，微波進(jìn)入細(xì)胞后將能量迅速傳遞給溶劑分子和細(xì)胞內(nèi)部，使細(xì)胞內(nèi)部溫度上升、壓力變大，當(dāng)壓力超過細(xì)胞壁最大承受能力時，細(xì)胞壁發(fā)生破裂，從而釋放出細(xì)胞內(nèi)的有效成分，溶解到溶劑里[9-10]。微波輔助提取法相比于傳統(tǒng)的溶劑提取法具有提取效率高、溶劑用量少、提取速度快、無污染等優(yōu)點，因而被稱為“綠色提取工藝”[11]。在無花果多糖提取工藝的相關(guān)研究中，微波輔助法研究相對較少。

本文研究了無花果多糖微波輔助提取的最佳工藝，在單因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗設(shè)計，優(yōu)化得到無花果多糖的最佳提取條件，進(jìn)而為相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料

無花果果實，市售，來自新疆阿圖什。選擇適當(dāng)成熟，新鮮無損壞的果實。洗凈在70～80 ℃的烘箱中干燥3 d，用磨機(jī)研磨并過60 目篩，裝入密封袋中，儲存在干燥和避光處，備用。

1.2 主要儀器設(shè)備

H8048 型微波萃取儀，邢臺智冠機(jī)械科技有限公司；FW-80 型研磨機(jī)，北京興時利和科技發(fā)展有限公司；DHG-9053A 型臺式鼓風(fēng)干燥箱，無錫瑪瑞特科技有限公司；PSB200 型試驗室離心機(jī)，蘇州優(yōu)格曼機(jī)械有限公司；HH-4 型數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州國華電器有限公司；UV-2102C 型紫外可見分光光度計，上海儀天科學(xué)儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 多糖的提取及測定

取適量干燥的無花果粉末，用蒸餾水浸泡1 h，采用試驗設(shè)定的不同微波功率、水料比、溫度和時間進(jìn)行多糖提取。提取液過濾除去碎屑，離心處理15 min，轉(zhuǎn)速為4500 r/min，將得到的上清液進(jìn)行真空濃縮至原體積的1/4 左右，然后在濃縮液中加入3 倍濃縮液體積的60%乙醇，4 ℃冷藏放置10 h，再次離心處理15 min，轉(zhuǎn)速為4500 r/min，得到的沉淀即為粗多糖。然后，使用Sevage 法[12]去除粗多糖中的蛋白質(zhì)，得到無花果多糖。

采用苯酚-硫酸法[13]進(jìn)行多糖提取率的測定，以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)品繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，測定無花果多糖含量，并按照以下公式計算：

1.3.2 單因素試驗設(shè)計

1.3.2.1 微波功率對無花果多糖提取率的影響

稱取適量無花果多糖干粉，按水料比40 mL/g 加入蒸餾水，攪拌均勻，在溫度70 ℃條件下處理40 min，微波功率分別為300 W、400 W、500 W、600 W 和700 W，試驗結(jié)束后測定無花果多糖含量。

1.3.2.2 水料比對無花果多糖提取率的影響

稱取適量無花果多糖干粉，分別按水料比10 mL/g、20 mL/g、30 mL/g、40 mL/g 和50 mL/g 加入蒸餾水，攪拌均勻，在溫度70 ℃、微波功率600 W條件下分別處理40 min，試驗結(jié)束后測定無花果多糖含量。

1.3.2.3 溫度對無花果多糖提取率的影響

稱取適量無花果多糖干粉，按水料比40 mL/g 加入蒸餾水，攪拌均勻，在微波功率600 W 條件下處理40 min，溫度分別為50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃和70 ℃，試驗結(jié)束后測定無花果多糖含量。

1.3.2.4 時間對無花果多糖提取率的影響

稱取適量無花果多糖干粉，按水料比40 mL/g 加入蒸餾水，攪拌均勻，在溫度70 ℃、微波功率600 W條件下分別處理20 min、30 min、40 min。

1.3.3 正交試驗設(shè)計

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以微波功率（W）、水料比（mL/g）、溫度（℃）和時間（min）4 個因素為研究對象，以無花果多糖提取率為評價指標(biāo)，設(shè)計四因素三水平正交試驗，確定無花果多糖最佳提取條件。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel和SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 微波功率對無花果多糖提取率的影響

微波功率有助于植物細(xì)胞壁破碎，有助于多糖溶出，提高多糖的提取率。但是，當(dāng)微波功率過大時，會引起部分多糖的降解，從而降低多糖的提取率。由圖1 可知，無花果多糖提取率隨微波功率變化而變化，當(dāng)微波功率為600 W 時，多糖提取率達(dá)到最高值；當(dāng)微波功率為700 W 時，多糖提取率略有下降。因此，選擇微波功率500 W、600 W 和700 W 作為正交試驗設(shè)計的因素水平。

圖1 微波功率對無花果多糖提取率的影響Fig.1 Effects of microwave power on the yield of Ficus carica polysaccharides

2.1.2 水料比對無花果多糖提取率的影響

水料比是提取過程中一個重要影響因素。當(dāng)溶質(zhì)與溶劑的濃度差越大，則傳輸動力越大，擴(kuò)散到溶劑中溶質(zhì)越多，但水料比過大后對多糖提取率無顯著影響[14-15]。由圖2 可知，無花果多糖提取率隨水料比的增加而上升。當(dāng)水料比從10 mL/g 增加到50 mL/g 時，多糖提取率呈不斷上升趨勢；當(dāng)水料比為50 mL/g 時，多糖提取率增加不明顯。因此，選擇水料比30 mL/g、40 mL/g 和50 mL/g 作為正交試驗設(shè)計的因素水平。

圖2 水料比對無花果多糖提取率的影響Fig.2 Effect of water to material ratio on the extraction rate of Ficus carica polysaccharides

2.1.3 溫度對無花果多糖提取率的影響

提取溫度對多糖提取率具有較大影響。隨著溫度的升高，多糖溶解性和擴(kuò)散性增強(qiáng)，有利于多糖的溶出，但溫度過高會使多糖降低部分活性，從而降低多糖提取率[16]。由圖3 可知，無花果多糖提取率隨溫度升高而變化。當(dāng)溫度為65 ℃時，多糖提取率達(dá)到最高值；當(dāng)溫度為75 ℃時，多糖提取率略有下降。因此，選取60、65 和70 ℃作為正交試驗設(shè)計的因素水平。

圖3 溫度對無花果多糖提取率的影響Fig.3 Effects of temperature on the yield of Ficus carica polysaccharides

2.1.4 微波時間對無花果多糖提取率的影響

在相同的微波功率下，時間延長有助于植物細(xì)胞破碎，亦有助于植物多糖溶出。同時，處理時間過長會使多種成分溶出，降低多糖的溶出率[17]。由圖4 可知，無花果多糖提取率隨微波時間的延長而變化。當(dāng)微波時間為50 min 時，多糖提取率達(dá)到最高值；當(dāng)微波時間為60 min 時，多糖提取率略有下降。因此，選擇微波時間為40 min、50 min 和60 min 作為正交試驗設(shè)計的因素水平。

圖4 時間對無花果多糖提取率的影響Fig.4 Effects of microwave time on the extraction rate of Ficus carica polysaccharides

2.2 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，設(shè)計四因素三水平正交試驗，優(yōu)化無花果多糖最佳提取條件。正交試驗因素水平如表1 所示。正交試驗結(jié)果見表2。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels in orthogonal test

表2 正交試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal test results

由表2 可知，R 值越大，表示因素對評價指標(biāo)的影響越大。各因素對多糖得率影響的主次順序為A>D>B>C，即微波功率>時間>水料比>溫度。最佳提取條件組合為A2B2C3D1，即微波功率600 W、水料比40 mL/g、溫度70 ℃和時間40 min，該條件下多糖得率為12.17%。采用最佳提取條件進(jìn)一步驗證正交試驗結(jié)果，重復(fù)測定3 次，實際測得多糖得率為12.05%，與預(yù)測值誤差較小。因此，此正交設(shè)計能夠預(yù)測試驗的最佳條件。

目前，無花果多糖的提取方法有多種，如水提法、酶提法、微波輔助法、超聲波輔助法、微波-超聲波聯(lián)合法、超臨界萃取和亞臨界水法提取等，其中無花果多糖的微波輔助提取方法相關(guān)研究較少。

王振斌等[18]研究了水提法提取無花果多糖，通過單因素和正交試驗設(shè)計，得到無花果多糖提取的最優(yōu)條件為提取溫度100 ℃，料液比1:12（g/mL），浸提2 次，每次浸提3 h，其水溶性多糖提取率達(dá)8.52%。葉文斌[19]采用響應(yīng)面試驗設(shè)計對酶法提取無花果多糖提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳工藝條件為酶解溫度50.36 ℃，酶用量0.06 g 和pH 4.73，多糖得率為34.13%。

余希成等[20]利用超聲波輔助法提取無花果多糖，通過單因素和正交試驗設(shè)計，得到最佳提取參數(shù)為浸提溫度55 ℃、浸提時間20 min、料液比1:20（g/mL），提取率為4.82%。趙群等[21]探討了響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2提取無花果多糖的條件，得到最優(yōu)條件組合為溫度78.5 ℃，壓力33.4 MPa，時間96.2 min，重復(fù)測定三次多糖的平均得率為17.31%，與預(yù)測值17.36%無顯著差異。沙坤等[22]使用響應(yīng)面分析法優(yōu)化亞臨界水法提取無花果多糖的工藝條件，得到最佳工藝條件為提取時間為17 min，提取溫度為150 ℃，液料比為30 mL/g，提取壓力為1.5 MPa，并在該工藝條件下對模型參數(shù)進(jìn)行驗證，多糖提取率達(dá)56.48%。

劉婭等[23]采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗對微波輔助提取無花果多糖的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)條件組合為pH 8.2，時間20.1 min，微波功率556 W，料液比為1:10.2（g/mL），多糖得率為27.6%。趙叢枝等[24]通過單因素和正交試驗研究了微波輔助提取無花果干多糖的方法，得出最佳提取條件為料液比1:50（g/mL），浸泡時間60 min，微波功率640 W，微波時間3 min，在該條件下，無花果多糖得率為4.65%。劉煥燕等[25]通過單因素試驗和正交試驗優(yōu)化了微波輔助法提取無花果葉中補(bǔ)骨脂素的工藝，得到最佳工藝條件為乙醇濃度20%、提取時間6 min、微波功率420 W、料液比1:20（g/mL），補(bǔ)骨脂素的得率為3.69%。結(jié)果表明，微波輔助提取工藝合理、提取率高，應(yīng)用前景廣闊。

本文采用單因素和正交試驗設(shè)計，優(yōu)化了微波輔助提取無花果多糖工藝相關(guān)參數(shù)，得到了無花果多糖微波輔助法的最佳提取條件為微波功率600 W，水料比40 mL/g，溫度70 ℃和時間40 min，該條件下多糖得率為12.17%，驗證試驗實際測得多糖得率為12.05%。

與傳統(tǒng)的水提法相比，微波輔助法有助于提高無花果多糖的提取率；與酶解法相比，微波輔助法多糖提取率較低，生物酶活性受多種因素影響，需嚴(yán)格控制條件方能提高多糖提取率；與超聲波輔助法相比，微波輔助法有助于提高無花果多糖的提取率，超聲波輔助法常常與化學(xué)溶劑提取法聯(lián)用，進(jìn)而提高植物多糖的提取率；與新型植物多糖提取法，如超臨界萃取和亞臨界水相比，微波輔助法多糖提取率較低，但新型提取技術(shù)成本高耗能大，還需要更多的研究，目前不能工業(yè)應(yīng)用。與劉婭[23]和趙叢枝[24]等微波輔助提取法研究相比，多糖得率具有差異性。由于無花果品種、提取條件及考察因素的不同，如pH、溫度和浸泡時間，對無花果多糖的溶出均產(chǎn)生不同影響。所以，還需進(jìn)一步增加考察因素研究其更優(yōu)的提取條件。因此，微波輔助法有助于提高無花果多糖的提取率，正交設(shè)計試驗?zāi)軌蝾A(yù)測無花果多糖提取的最佳條件。

3 結(jié)論

本研究采用單因素試驗和正交試驗設(shè)計，考察了微波功率、水料比、溫度和時間對無花果多糖提取率的影響，得到了無花果多糖微波輔助法的最佳提取條件為微波功率600 W、水料比40 mL/g、溫度70 ℃和時間40 min，實際測得該條件下多糖得率為12.05%。其中微波功率是影響多糖得率的主要因素，其次為時間、水料比和溫度。結(jié)果表明，微波輔助法和正交試驗設(shè)計可以應(yīng)用于無花果多糖提取，進(jìn)而為相關(guān)研究提供參考。