２０１５年第２８卷第１ １期 粮食与油脂 ６３ 响应面法优化决明子水溶性多糖提取条件研究 康佩姿，梁磊，黄清铧，王庆福，班雯婷 （广州甘蔗糖业研究所，广东省植物纤维综合利用工程技术研究开发中心， 广州市植物纤维综合利用重点实验室，广东广州 ５１０３１６） 摘 要：利用响应面法优化超声波提取决明子水溶性多糖的最佳工艺。考虑了三个单因素提取 时间、超声功率和提取温度，以决明子水溶性多糖得率为响应面值，做三因素三水平响应面回归分 析。通过分析因素的显著性和相互作用，优化得到了提取最佳工艺条件为提取时间３６．５ ｍｉｎ、超声 功率２３３ Ｗ、提取温度５１℃，其多糖得率为１０．７４％，其实际结果与预测值比较接近。 关键词：决明子；多糖；超声波提取；多糖得率’ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅｓ ｆｒｏｍ ｃａｓｓｉａ ｓｅｅｄｓ ＫＡＮＧ Ｐｅｉ－ｚｉ，ＬＩＡＮＧ Ｌｅｉ，ＨＵＡＮＧ Ｑｉｎｇ－ｈｕａ，ＷＡＮＧ Ｑｉｎｇ－ｆｕ，ＢＡＮ Ｗｅｎ－ｔｉｎｇ （Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｓｕｇａｒｃａｎｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ。Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｆｉｂｅｒ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆｒ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｆｉｂｅｒ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０３１６，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐＯｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅｓ ｆｒｏｍ ｃａｓｓｉａ ｓｅｅｄｓ．ＲＳＭ ｗａｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｎｄ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｃｒｕｃｉａｌ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅｓ ｆｒｏｍ ｃａｓｓｉａ ｓｅｅｄｓ ａｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｏｆ ３６．５ ｍｉｎ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ２３３ Ｗ ａｎｄ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ５ １℃．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｗａｓ ｕｐ ｔｏ １ ０．７４％，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｉｎ ｃｌｏｓｅ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｖａｌｕｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｏｄｅ１． 中图分类号：ＴＳ２０１．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—９５７８（２０１５）１１—００６３—０５ 决明子是我国传统的中药，是豆科植物决明或小 脂等 一 。 决明的干燥成熟种子，决明子味苦、甘、咸，性微寒；具 决明子水溶性多糖是决明子中的主要功效成分 有润肠通便、降脂明目的功效和治疗便秘及高血脂、 之一，因此对决明子水溶性多糖的研究具有很高的实 高血压等功能…。早在《神农本草经》中就有“久服 际价值。目前对决明子水溶性多糖的超声波辅助提取 能益精光，轻身”等记载，同时决明子被列为１２０种“为 法研究较少，本文采用超声波辅助提取法对决明子水 君主养命以应天”的上药之一 。 溶性多糖进行提取，采用响应面分析法分析得到最优 决明子含有多种有利于人体的物质，如蒽酮类、 决明子水溶性多糖的提取工艺。为深入研究决明子水 萘并一吡酮类、蛋白质和多糖类 。国内学者对决明 溶性多糖提供基础。 子中的物质和化学成分有一定的研究，但是对决明子 １材料与方法 水溶性多糖研究较少。多糖是人体六大营养素之一， １．１材料与试剂 多糖可以根据其组成分为纯多糖和杂多糖 。从各 决明子：产自广东茂名；无水乙醇（ＡＲ）、乙醚 种动植物中提取出来的活性多糖具有多方面的生物 （ＡＲ）、苯酚（ＡＲ）、浓硫酸（ＡＲ）、葡萄糖（ＡＲ）、丙酮 活性功能，如抗肿瘤、抗氧化、免疫调节、降血压、降血 （ＡＲ）、蒸馏水。 收稿日期：２０１５—０６—３０ 基金项目：广州市珠江科技新星项目（２０１４Ｊ２２０００７４）；科研院所技术开发研究专项资金（２０１３ＥＧ１１１２２２）；转制院所创新能 力专项资金（２０１４ＥＧ１１１２２７） 作者简介：康佩姿（１９９０￣），女，研究方向：天然产物提取。 通信作者：梁磊（１９８０￣），男，博士，高级工程师，研究方向：食品发酵，生物质高值化。 粮食与油脂 １．２主要仪器 ２０１５年第２８卷第１ １期 决明子水溶性多糖含量的测定：准确测定一定量 Ｈａｎｏｎ—ｉ５紫外可见分光光度计：济南海能仪器有 的决明子水溶性多糖，用蒸馏水溶解后，转移至容量 瓶中定容，用移液移取Ｉ ｍＬ于试管中，采用苯酚硫 酸法测定其吸光值，然后根据葡萄糖标准曲线求出样 品多糖的含量。 １．４单因素实验 准确称取脱脂后的决明子１０ ｇ，放入２００ ｍＬ烧 杯中，以水作为溶剂，利用超声波辅助提取法提取，在 提取温度５０℃，提取时间３５ ｍｉｎ，提取功率２００ Ｗ的 限公司；ＢＳ２０１Ｓ电子分析天平：北京赛多利斯仪器 系统有限公司；ＨＨ一２数显恒温水浴锅：江苏金坛市 富华仪器有限公司；ＴＤＬ一５Ａ离心机：上海菲恰尔分 析仪器有限公司；ＪＡＣ一３００超声波提取装置：济宁市 奥波超声电气有限公司。 １．３实验方法 １．３．１样品的制备 干燥的决明子经过粉碎后过１００目的筛子，然后 用乙醇乙醚的混合溶剂在水浴锅中回流２ ｈ以除去决 明子中的脂类物质。准确称取脱脂后的决明子４０ ｇ， 用水作为溶剂，按照不同的提取时间、超声功率、提取 温度和料液比进行超声波提取，提取两次，提取液离 心去除固体杂质，合并两次提取的提取液，用旋转蒸 发仪对提取液进行浓缩，浓缩至原溶液体积的１／２０左 右，然后向浓缩液中加入３倍体积的９５％乙醇，不断 搅拌后放入离心机中进行离心，去除上清液，沉淀物 经过冷冻干燥后备用，即为决明子水溶性多糖。 １．３．２多糖的测定方法 多糖含量的测定采用苯酚一硫酸法 ：用葡萄 糖标准品配置１０ ｍＬ ０．１ ｇ／Ｌ的溶液，然后用移液 分别移取０．１、０．２、０．４、０．６、０．８、１．０ ｍＬ溶液于５ ｍＬ试 管中，加水补至１ ｍＬ。然后向一个试管中加入５％的 苯酚溶液１ ｍＬ，摇匀后，快速加入５．０ ｍＬ的浓硫酸并 摇匀，每个试管依次重复操作，在室温下静置３０ ｍｉｎ， 用分光光度计测各个样品的吸光值，以蒸馏水为空白 样，测试波长为４９０ ｎｍ。根据实验结果绘制葡萄糖的 标准曲线见图１。 多糖得率＝［（多糖含量×提取液体积）／原料质 量］×１００％ ０．０１ ０．０２ ０．Ｏ３ ０．０４ ０．Ｏ５ ０．０６ Ｏ．Ｏ７ ０．０８ Ｏ．０９ Ｏ．１ 葡萄糖浓度／（ｇ／Ｌ） 图Ｉ葡萄糖的标准曲线图 条件下，考察料液比（１：２０、１：２５、１：３０、１：３５、１：４０） （ｇ／ｍＬ）对决明子水溶性多糖得率的影响。在料液比 １：３５（ｇ／ｍＬ）、提取温度５０℃、提取功率２００ Ｗ的条 件下，考察提取时间（２５、３０、３５、４０、４５ ｍｉｎ）对决明子 水溶性多糖得率的影响。在提取时问３５ ｍｉｎ、料液比 １：３５（ｇ／ｍＬ），提取温度为５Ｏ℃的条件下，考察超声功 率（１５０、１７５、２００、２２５、２５０ Ｗ）对决明子水溶性多糖得率 的影响。在提取时间３５ ｍｉｎ、提取料液比１：３５（ｇ／ｍＬ）、 提取功率２２５ Ｗ的条件下，考察提取温度（４０、４５、５０、 ５５、６０℃）对决明子水溶性多糖得率的影响。 １．５响应面实验 以单因素的实验结果，用Ｄｅｓｉｇｎ—Ｅｘｐｅ￣软件进 行设计，根据Ｂｏｘ－Ｂｅｎｈｎｋｅｎ的原理运用三因素三水 平分析法设计实验并进行，将实验结果在该软件中进 行分析，根据分析结果最终确定超声波辅助提取法提 取决明子水溶性多糖的最佳提取条件。考察提取液的 料液比、提取时间和超声功率对决明子水溶性多糖得 率的影响。 ２结果与分析 ２．１单因素实验 ２．１．１料液比对决明子水溶性多糖得率影响 超声波辅助提取法提取是一个物理过程。超声波 提取的原理是声波引起液体发生机械振动，同时会产 生“空穴作用”。 从图２可知，在提取温度５０℃、提取时间３５ ｍｉｎ、 提取功率２００ Ｗ时，考查了料液比对决明子水溶性多糖 得率的影响。其结果为决明子水溶性多糖的得率随着 料液比的增加而不断增加，在料液比小于１：３０（ｇ／ｍＬ） 时，多糖得率增加显著；当料液比大于１：３０（ｇ／ｍＬ） 时，多糖得率增加较为缓慢。这可能是当物料比到达 一定程度时，多糖的浸出将会趋于稳定。增加物料比 能提高多糖得率，但是成本增加，效果不显著。因此， ２０１５年第２８卷第１１期 粮食与油脂 ６５ 决明子水溶性多糖超声波辅助法提取的最优料液比 为１：３０（ｇ／ｍＬ）。 ２．１．２提取时间对决明子水溶性多糖得率影响 在料液比１：３５（ｇ／ｍＬ）、提取温度５０℃、提取功 率２００ Ｗ的条件下，考察了提取时间对决明子水溶性 多糖得率的影响。结果如图３所示，当提取时间小于 ３５ ｍｉｎ时，决明子水溶性多糖的得率随着提取时间的 增加而显著增加；当提取时间大于３５ ｍｉｎ时，决明子 水溶性多糖得率随提取时间增加而减少。这主要是因 为在较短的时间内，超声时间的增加有利于细胞的破 碎，因此可以浸出更多的多糖。但是当超声时间增加 到一定的程度会对多糖的结构有一定的破坏，同时浸 出时间过长会导致决明子中的其它成分被提取。所 以，决明子水溶性多糖超声波辅助法提取的最优提取 时间为３５ ｍｉｎ。 １０．５ １０．０ 褂９．５ ９．０ ８．５ ８．０ ７．５ １：２０ １：２５ １：３０ ｌ：３５ １：４０ 料液比／（ｇ／ｍＬ） 图２料液比对超声波辅助提取影响 ｌＯ．５ １０．０ 、９．５ 料 船９．０ ８．５ ８．０ ２５ ３０ ３５ ４０ ４５ 提取时间／ｍｉｎ 图３提取时间对超声波辅助提取影响 ２．１．３超声功率对决明子水溶性多糖得率影响 在提取时间３５ ｍｉｎ、料液比１：３５（ｇ／ｍＬ）、提取 温度５０℃的条件下，考察了超声功率对决明子水溶 性多糖得率的影响。结果如图４所示，当超声波功率 小于２２５ Ｗ时，决明子水溶性多糖的得率随着超声 波功率的增加而不断的增加，但是当功率大于２２５ Ｗ 时，多糖的得率增加缓慢。这主要是因为随着超声波 功率的增加，超声的空化作用也不断加强，因此多糖 的得率也增加，但是当超声功率过大时，高强度的超 声产生了过多的空泡，空泡会将声波反射从而降低能 量，同时高强度的声波对多糖结构有一定的破坏。因 此，决明子水溶性多糖超声波辅助法提取的最优超声 功率为２２５ Ｗ。 ｌ１・０ ｌ０．５ １０．０ 褂 羹 ５ ９．０ ８．５ ８．０ １４０ １６０ １８０ ２００ ２２０ ２４０ ２６０ 超声功率，ｗ 图４超声波功率对超声波辅助提取影响 ｌ１．Ｏ １０．５ １Ｏ．０ 蒸９．５ ９．０ ８．５ ８．０ ７．５ ４Ｏ ４５ ５Ｏ ５５ ６０ 提取温度／ｃＣ 图５提取温度对超声波辅助提取影响 ２．１．４提取温度对决明子水溶性多糖得率影响 在提取时间３５ ｍｉｎ、提取料液比１：３５（ｇ／ｍＬ）， 提取功率２２５ Ｗ的条件下，考察了提取温度对决明子 水溶性多糖得率的影响。结果如图５所示，当提取温 度小于５０℃时，决明子水溶性多糖的得率随着温度 的增加而显著增加；当提取温度大于５０℃时，决明子 水溶性多糖的得率随着温度的增加反而减少。这主 要是因为在温度不高时，温度的增加能加快多糖的扩 散，同时能加快细胞壁的破碎，然而当温度过高时，决 明子中的其它物质也会被提取出来，多糖也容易发生 降解，也可能与其它物质发生反应。因此，决明子水 ６６ 粮食与油脂 ２０１５年第２８卷第１１期 溶性多糖超声波辅助法提取的最优提取温度为５０℃。 ２．２响应面实验 取时间、超声功率、提取温度、提取时间的平方、提取 ●２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ¨ ¨ 温度的平方、超声功率的平方影响高度显著。影响效 ２．２．１实验分析结果 根据单因素实验结果确定了响应面实验因素及 水平编码如表１。 表１决明子水溶性多糖超声波提取工艺优化响应面 分析实验因素水平表 表２ Ｂｏｘ—Ｂｅｈｎｋｅｎ设计方案和响应值 实验号 Ｂ ｃ 提取率，％ —— ０ １ ９．７５ １ －１ ９．５３ —１ Ｏ １Ｏ．２１ １ １ １０．５６ —１ ０ ９．３４ １ Ｏ １ ｌ０．２５ １ Ｏ —１ ｌ０．０３ ０ １ １ ｌ０．０２ ｌ Ｏ —１ ９．４３ ｌ ０ １０＿３２ ｌ ｌ １０－２２ ０ ９．８７ ０ １０．６８ ０ １０．６９ ０ １Ｏ．６９ 根据实验结果分析，三因素经过拟合得到的回归 方程：多糖得率＝＋１０．６９＋０．３０＊Ａ＋０．２１＂／３＋０．２０ Ｃ一 ０．１ １ Ａ｛Ｂ一０．０２５，Ｉ：Ａ Ｃ一０．０８２．Ｂ木Ｃ一０．５１＊Ａ２— ０．２５＊／３ —０．３２＂Ｃ 从表２中可以看出响应面设计的实验点分为２ 类，１～１２是析因实验，１３～１５是中心实验，所以实验 点分为析因点和零点，其中析因点是自变量Ａ、Ｂ、ｃ 所组成的三维顶点，零点分别为三个区域的中心点， 零点实验进行了３次，可以用来估计实验误差。采用 ＳＡＳ ＲＳＲＥＧ程序对所得数据进行ＡＮＯＶＡ分析，分 析结果见表３。 综合表３，回归方程中各个因素以及它们的组合 对响应值影响的显著性可以根据显著水平即ｐ值进 行判断，变量的ｐ值越小则该变量显著程度越高，当ｐ 值小于０．０５时就可认为其显著；当ｐ值小于０．０１时 可认为其高度显著。而整个模型的ｐ值小于０．０００ １， 则表明该模型二次方程高度显著。表３可以得出：提 果：提取时间＞超声功率＞提取温度。提取相关系数 Ｒ２：＝３．４／３．４６＝０．９８２ ６６，说明提取率的变化有９８．２６％ 来源于所选的三个变量，即提取时间、超声功率和提 取温度。 表３响应面ＡＮＯＶＡ分析结果 ２．２．２因素间的交叉影响 通过模型回归分析可得，模型能够清晰地表达出 各个因素和响应值之间的变化关系。但是各个因素对 多糖的提取率的影响程度和趋势不尽相同，所以还需 要研究多个因素同时变化时对响应值的影响。因此根 据上述的响应面分析方案和结果，使用Ｄｅｓｉｇｎ－Ｅｘｐｅｒｔ 软件做出各个因素的以响应值为基准的响应面三维 分析图。响应面三维分析图可以辨别出各个的因 素最优值，可以得出因变量的最大响应。在各个因素 的响应面曲面图中，固定该因素因变量的值，即范围 的中心值，则可以得出多糖提取率随另外两个因变量 的变化而变化，而预测值的最大值将是等高线图中最 小椭圆的面积值。 图６～８是各个因素交叉相互作用的响应面３Ｄ 图和等值线分析图。三个图形都有最高点，同时观察 等值线可以得出，存在极值。该极值点反应到图中就 是响应面的最高点和等值线最小椭圆的中心点。图６ 显示，超声功率和提取时间的相互作用的影响较强， 超声功率和提取时间过大时多糖得率有下降的趋势。 图７和图８中分别显示了提取时间和提取温度的相 互作用的影响和超声功率和提取时间的相互作用的 影响。
