超聲波提取杏鮑菇多酚工藝的響應(yīng)面法分析

姚文華，邱承軍

（山東省農(nóng)業(yè)干部管理學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

杏鮑菇多酚（Pleurotus eryngii Polyphenols）是杏鮑菇中多酚類化合物的總稱，具有降血脂、降膽固醇、促進(jìn)胃腸消化、增強(qiáng)機(jī)體免疫能力、防止心血管病等功效，對(duì)它們的研究有很高的藥用和食用價(jià)值。酚類的提取方法主要有溶劑提取、超臨界CO2提取、微波及超聲波輔助提取等。在天然產(chǎn)物提取方面，自Ganzler等最早利用微波萃取法從羽扇豆中提取鷹爪豆生物堿后，該技術(shù)已成為天然產(chǎn)品提前的有力工具[1-2]。由于超聲波輔助提取法具有方便、快速、簡(jiǎn)單、安全、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，本試驗(yàn)應(yīng)用超聲波技術(shù)輔助提取杏鮑菇多酚。通過(guò)響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)探求超聲波提取杏鮑菇多酚的最佳工藝，以期為超聲波提取杏鮑菇多酚的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

杏鮑菇：市購(gòu)，置于50℃干燥機(jī)中干燥12 h，粉碎，過(guò)40目篩，備用。

1.2 試劑

化學(xué)試劑：95%乙醇、鉬酸鈉、濃磷酸、濃鹽酸、硫酸鋰、溴水、無(wú)水碳酸鈉、沒(méi)食子酸等均為化學(xué)純。

1.3 主要儀器設(shè)備

UV-2100紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：北京瑞利分析儀器公司；FA2104N電子分析天平：北京賽多利分析儀器系統(tǒng)有限公司；KQ-250E型超聲波清洗器：昆山市超生儀器有限公司；FW100型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)：天津市泰斯特儀器有限公司；DL102型鼓風(fēng)干燥箱：上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；TDL-60B低速臺(tái)式離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.4 方法

1.4.1 常規(guī)成分的測(cè)定

杏鮑菇多酚：FoLin-CiocaLteu法測(cè)定多酚含量。

1.4.2 試驗(yàn)要點(diǎn)

稱取1 g杏鮑菇粉末，加入到一定體積（V1）的一定濃度酒精溶液中，超聲波浸提法提取一段時(shí)間，混勻后取出一定體積（V2）的渾濁液離心，收集上清液，測(cè)定其體積（V3），取1 mL上清液按照制備標(biāo)準(zhǔn)曲線的步驟進(jìn)行操作，根據(jù)回歸方程測(cè)定濾液中杏鮑菇多酚質(zhì)量濃度（ρ）。杏鮑多酚的提取率=ρ×V3/V2×V1×100。

1.4.3 杏鮑菇多酚條件的確定

影響杏鮑菇多酚提取效果的主要因素有：液料比、提取時(shí)間、超聲功率、乙醇濃度和溫度，因此，根據(jù)Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[5]，綜合單因素影響試驗(yàn)結(jié)果可知提取率在乙醇濃度為0%，提取溫度為60℃時(shí)達(dá)到一個(gè)峰值，選擇提取時(shí)間、超聲功率、液料比3個(gè)因素，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法，試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平Table 1 response surface analysis and level

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)及分析

2.1.1 乙醇濃度對(duì)杏鮑菇中多酚提取率的影響

取液料比40 mL/g，超聲波功率400 W，溫度50℃，振蕩提取50 min，研究不同的乙醇濃度對(duì)杏鮑菇多酚提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 乙醇濃度對(duì)杏鮑菇多酚得率影響Fig.1 Effect of ethanol concentration on extraction rate of polyphenols in Pleurotus eryngii

由圖1可知，乙醇濃度0%時(shí)，杏鮑菇多酚提取率達(dá)到最高，為0.3486%，隨著乙醇濃度逐漸升高，多酚提取率反而下降。分析原因，可能是杏鮑菇多酚水溶性較強(qiáng)，醇溶性較弱，因此隨著乙醇濃度的增加杏鮑菇多酚得率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.1.2 液料比對(duì)杏鮑菇中多酚物質(zhì)提取率的影響

取乙醇濃度0%，超聲波功率400 W，溫度50℃，振蕩提取50 min，研究不同液料比對(duì)杏鮑菇多酚提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 液料比對(duì)杏鮑菇多酚得率影響Fig.2 Effect of raw liquid to material ratio on extraction rate of polyphenols in Pleurotus eryngii

由圖2可知，液料比對(duì)杏鮑菇多酚提取率影響較大，在液料比小于50 mL/g時(shí)，杏鮑菇多酚提取率隨水量的增加而提高，當(dāng)液料比達(dá)到50 mL/g左右時(shí)杏鮑菇多酚提取率達(dá)到最大為0.4805%，其后隨液料比的增加杏鮑菇多酚提取率下降。分析原因可能是過(guò)多的水量稀釋液料，在提取過(guò)程中增加浪費(fèi)。另外用水量的增加不利于后續(xù)的純化工作，基于經(jīng)濟(jì)方面的考慮控制液料比在50 mL/g左右。

2.1.3 超聲波提取時(shí)間對(duì)杏鮑菇中多酚物質(zhì)提取率的影響

取乙醇濃度0%，液料比50 mL/g，超聲波功率400 W，溫度50℃，研究不同超聲波振蕩提取時(shí)間對(duì)杏鮑菇多酚提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 超聲波提取時(shí)間對(duì)杏鮑菇多酚得率影響Fig.3 Effects of treatment time on extraction rate of polyphenols in Pleurotus eryngii

由圖3可知，提取時(shí)間小于50 min時(shí)，杏鮑菇多酚提取率隨時(shí)間的增長(zhǎng)呈上升的趨勢(shì)，提取時(shí)間50min時(shí)，杏鮑菇多酚提取率達(dá)到最大為0.6577%；提取時(shí)間大于50 min后，杏鮑菇多酚提取率隨時(shí)間的增長(zhǎng)急劇下降。分析原因可能是長(zhǎng)時(shí)間的超聲波作用使杏鮑菇多酚降解；同時(shí)超聲波時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，熱量被溶劑吸收，

降低超聲波利用率，從而使多酚的提取率下降。因此超聲波振蕩時(shí)間確定在50 min左右。

2.1.4 超聲波功率對(duì)杏鮑菇中多酚物質(zhì)提取率的影響

取乙醇濃度0%，液料比50 mL/g，溫度50℃，振蕩提取時(shí)間50 min，研究不同超聲波功率對(duì)杏鮑菇多酚提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 超聲波功率對(duì)杏鮑菇多酚得率影響Fig.4 Effects of ultrasonic power on extraction rate of polyphenols in Pleurotus eryngii

由圖4可知，當(dāng)超聲波功率小于450 W時(shí)，隨著超聲波功率增大，杏鮑菇多酚的提取效率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)超聲波功率為450 W時(shí)，杏鮑菇多酚的提取率達(dá)到最大為0.6581%；當(dāng)超聲波功率大于450 W時(shí)，多酚物質(zhì)提取率基本走平，超聲波功率對(duì)杏鮑菇多酚的提取率影響不大，故超聲波功率應(yīng)控制在450 W左右。

2.1.5 超聲波提取溫度對(duì)杏鮑菇中多酚物質(zhì)提取率的影響

取乙醇濃度0%，液料比50 mL/g，超聲波功率450 W，振蕩提取時(shí)間為50 min，研究不同的超聲波提取溫度對(duì)杏鮑菇多酚提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 提取溫度對(duì)杏鮑菇多酚得率影響Fig.5 Effects of extraction temperature on extraction rate of polyphenols in Pleurotus eryngii

由圖5可知，在溫度20℃到60℃之間，杏鮑菇多酚提取率隨溫度的升高而提高，在60℃時(shí)杏鮑菇多酚提取率達(dá)到最大，為0.6623%。超過(guò)60℃后提取率呈持平趨勢(shì)。表明達(dá)到一定溫度后杏鮑菇多酚提取率并不會(huì)因溫度升高而提高。因此確定杏鮑菇多酚提取最佳溫度為60℃。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

對(duì)液料比Z1、超聲功率Z2和提取時(shí)間Z3作變換如下：A＝（Z1－50）/10，B＝（Z2－450）/50，C＝（Z3－50）/10，以A、B、C為自變量，以杏鮑菇多酚提取率為響應(yīng)值（Y）設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及3次平行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

2.3 模型的建立及其顯著性檢驗(yàn)

運(yùn)用Minitab數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件使用已編碼單位對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到杏鮑菇多酚提取率（Y）對(duì)液料比（A）、超聲功率（B）和提取時(shí)間（C）的二次多項(xiàng)回歸模型為：

表2 杏鮑菇多酚超聲波提取試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test designs and extraction results of ultrasonic extraction process of polypenols in Pleurotus eryngii

Y=1.11240-0.00681A+0.08409B+0.01023C-0.10461A2-0.26371B2-0.11824C2+0.02502AB+0.06135AC-0.00225BC?；貧w模型系數(shù)見(jiàn)表10，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 回歸方程偏回歸系數(shù)的估計(jì)值Table 3 Estimated values of the partial regression coefficients ofthe regression model

由表3回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)可知，P<0.05說(shuō)明模型顯著；P<0.0001，說(shuō)明模型極顯著。在此試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，二次項(xiàng) AB、AC 顯著，一次項(xiàng) B、二次項(xiàng) A2、B2、C2極顯著，其余項(xiàng)均不顯著。此外，各因素對(duì)杏鮑菇多酚得率影響的大小順序?yàn)椋撼暪β蔅>提取時(shí)間C>液料比A。

由表4回歸模型方差分析可見(jiàn)，模型的P＜0.0001＜0.01，本試驗(yàn)所選用的模型具有高度的顯著性，失擬項(xiàng)在P=0.05水平上不顯著（P=0.693＞0.05），其校正決定系數(shù)為0.9888，表明此模型擬合優(yōu)度好，僅有約1.1%的多酚得率總變異不能由此模型進(jìn)行解釋?？梢杂么四Ｐ蛠?lái)分析和預(yù)測(cè)杏鮑菇多酚超聲波提取的工藝結(jié)果[6]。

根據(jù)表4回歸分析結(jié)果作出相應(yīng)曲面圖及等值線圖，結(jié)果見(jiàn)圖6～圖8。

液料比A、超聲功率B及其交互作用對(duì)超聲提取杏鮑菇多酚提取率的響應(yīng)面和等值線見(jiàn)圖6。

液料比A、提取時(shí)間C及其交互作用對(duì)超聲提取杏鮑菇多酚提取率的響應(yīng)面和等值線見(jiàn)圖7。

超聲功率B、提取時(shí)間C及其交互作用對(duì)超聲提取杏鮑菇多酚提取率的響應(yīng)面和等值線見(jiàn)圖8。

由圖6～圖8可知，液料比和提取時(shí)間之間的交互作用顯著，相比較而言，超聲功率和提取時(shí)間、超聲功率和液料比之間的交互作用較小。由圖8可知，超聲功率對(duì)杏鮑菇多酚提取率的影響最大，隨著超聲功率的增加，杏鮑菇多酚提取率也隨之增加。

圖6 液料比A、超聲功率B及交互作用對(duì)杏鮑菇多酚得率的響應(yīng)面和等值線Fig.6 Response surface and contour plots showing the effects of ratio of solvent to material and ultrasonic power on extraction rate of Pleurotus eryngii Polyphenols

圖7 液料比A、提取時(shí)間C及交互作用對(duì)杏鮑菇多酚得率的響應(yīng)面和等值線Fig.7 Response surface and contour plots showing the effects of ratio of solvent to material and working time on extraction rate of Pleurotus eryngii Polyphenols

圖8 超聲功率B、提取時(shí)間C及交互作用對(duì)杏鮑菇多酚得率的響應(yīng)面和等值線Fig.8 Response surface and contour plots showing the effects of ultrasonic power and working time on extraction rate of Pleurotus eryngii Polyphenols

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis for the regression model

2.4 杏鮑菇多酚提取工藝條件的確定

通過(guò)軟件Design Expert求解方程，即對(duì)模型方程求一階偏導(dǎo)得如下3式：

式（1）、（2）、（3）聯(lián)立方程組可以求出模型的極值點(diǎn)：A=-0.001，B=0.160，C=0.042，轉(zhuǎn)換后得 A=49.98，B=458.01，C=50.41。即最優(yōu)提取條件為：液料比49.98mL/g，超聲功率458.01 W，提取時(shí)間50.41 min，最大提取率1.11718%，采用該實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到提取率為1.10987%，表明該方程與實(shí)際情況符合得很好，響應(yīng)面法能較好地對(duì)影響杏鮑菇多酚的提取工藝進(jìn)行回歸分析和條件化。

3 結(jié)論

1）超聲波提取杏鮑菇多酚試驗(yàn)中，選擇參數(shù)主要有液料比、超聲功率和提取時(shí)間，另外還有提取液濃度和提取溫度等因素。本研究通過(guò)單因素試驗(yàn)考察液料比、超聲功率、提取時(shí)間、提取液濃度以及提取溫度對(duì)杏鮑菇多酚提取率的影響，確定了對(duì)實(shí)驗(yàn)有較大影響的液料比、超聲功率和提取時(shí)間3個(gè)因素。

2）通過(guò)響應(yīng)面分析法對(duì)各因素的最佳水平范圍及其交互作用進(jìn)行了研究和探討，建立了影響多酚提取率的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型，依據(jù)回歸分析結(jié)果可知，杏鮑菇中多酚提取的最佳工藝條件為：液料比49.98 mL/g，超聲功率458.01 W，提取時(shí)間為50.41 min，理論上最大提取率為1.11718%，而試驗(yàn)驗(yàn)證提取率為1.10987%。說(shuō)明該方程與實(shí)際情況符合度良好，通過(guò)響應(yīng)面法能較好的對(duì)影響杏鮑菇多酚的提取工藝進(jìn)行回歸分析和條件預(yù)測(cè)。

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