超聲波輔助提取長(zhǎng)梗黃精多糖工藝的研究

駱文燦

(福建省食品藥品認(rèn)證審評(píng)中心，福建　福州　350002)

超聲波輔助提取長(zhǎng)梗黃精多糖工藝的研究

駱文燦

(福建省食品藥品認(rèn)證審評(píng)中心，福建福州350002)

摘要：以梅列產(chǎn)的長(zhǎng)梗黃精為原料，研究液料比、提取溫度、超聲波功率和超聲波時(shí)間等因素對(duì)超聲波輔助提取長(zhǎng)梗黃精多糖得率的影響規(guī)律，經(jīng)優(yōu)化確定超聲波提取長(zhǎng)梗黃精多糖的最佳工藝。由單因素試驗(yàn)結(jié)果確定液料比、提取溫度、超聲波作用功率和超聲波處理時(shí)間各因素的優(yōu)化參數(shù)，采用DPS 9.05和 Design Expert7.0數(shù)據(jù)分析軟件，建立響應(yīng)面模型進(jìn)行結(jié)果分析，通過(guò)響應(yīng)面法分析結(jié)果獲得各因素與長(zhǎng)梗黃精多糖得率的交互關(guān)系，從而確定超聲波提取長(zhǎng)梗黃精多糖的最佳工藝條件。結(jié)果顯示長(zhǎng)梗黃精多糖優(yōu)化后的提取工藝為：液料比18:1，超聲波處理時(shí)間59.7 min，浸提的溫度72.9℃，超聲波作用功率152.8 W，所得的長(zhǎng)梗黃精多糖的得率理論值16.65%。經(jīng)響應(yīng)面模型驗(yàn)證，實(shí)際得率為16.59%，表明該模型可靠。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)梗黃精；多糖；超聲波輔助提取

黃精Polygonatumsibiricum名老虎姜、雞頭參。系百合科Liliaceae黃精屬Polygonatum多年生草本植物[1]。福建、浙江、云南為其主要產(chǎn)區(qū)。從中醫(yī)學(xué)來(lái)看，黃精可有效提高人體的免疫力。《本草綱目》稱之為“芝草之精”，是一種藥食同源性的中草藥。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，黃精根莖中包括黃精多糖、蒽醌類化合物、甾體皂苷、強(qiáng)心苷、生物堿、木脂素、維生素等化合物?！陡＝ㄖ参镏尽分薪榻B，黃精可歸納為3個(gè)品種[2]，主要分布在福建省三明市梅列區(qū)。其中，長(zhǎng)梗黃精的產(chǎn)量位列第2，僅次于多花黃精，但是國(guó)內(nèi)外對(duì)于長(zhǎng)梗黃精的研究較少。

植物多糖由于它豐富且獨(dú)特的生物活性和復(fù)雜的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)中藥中，其已被廣泛用于治療及預(yù)防某些疾病，對(duì)于保持健康，提高整體免疫狀態(tài)，以及預(yù)防和治療慢性疾病有著獨(dú)特療效[3]，具有免疫調(diào)節(jié)[4]、抗腫瘤[4]、降血糖[5]、抗病毒、抗血脂、抗衰老等作用。因此，植物多糖已成為食品科學(xué)和生物化學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。植物多糖的提取方法主要包括溶劑提取法、酸提法、堿提法、酶解法、超濾法、超聲波輔助提取法、微波提取法等。其中，超聲波法提取多糖有較多的優(yōu)點(diǎn)，可以縮短提取時(shí)間，提高工作效率，節(jié)省溶劑，提高有效成分的產(chǎn)率等特點(diǎn)[6]。另外，超聲提取一般是在常溫條件下進(jìn)行，提取全過(guò)程無(wú)須加熱，避免了高溫對(duì)有效成分的破壞[7]。因此，本研究采用超聲波輔助提取法提取長(zhǎng)梗黃精多糖，以料液比、超聲時(shí)間，超聲功率，提取溫度為指標(biāo)，研究制備長(zhǎng)梗黃精多糖的最佳工藝。

1材料與方法

1.1 材料與試劑

長(zhǎng)梗黃精：產(chǎn)自福建省三明市梅列區(qū)；苯酚、濃硫酸、95%乙醇、石油醚：均為分析純?cè)噭?，?guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司； 其他試劑若無(wú)特別標(biāo)明均為分析純；本試驗(yàn)用水均為雙蒸水。

1.2主要儀器

101A-1型數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海陽(yáng)光實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；FZ102植物粉碎機(jī)：天津市泰斯特儀器有限公司； AL104型精密分析天平：梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；L530型臺(tái)式低速離心機(jī)：湘儀離心機(jī)儀器有限公司；UV-2000型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：尤尼柯(上海)儀器有限公司；KQ-300VDE型三頻數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲波儀器有限公司；鹵素快速水分測(cè)定儀：深圳市冠亞電子科技有限公司；LG 1.0型真空冷凍干燥機(jī)：新陽(yáng)速凍設(shè)備制造有限公司；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)篩：上虞市銀河測(cè)試儀器廠。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1長(zhǎng)梗黃精樣品的制備長(zhǎng)梗黃精→篩選→清洗→切片→粉碎→長(zhǎng)梗黃精粉末(經(jīng)測(cè)定水分含量< 3%)。

1.3.2長(zhǎng)梗黃精多糖的提取工藝流程長(zhǎng)梗黃精粉 → 加入至圓底燒瓶 → 加入石油醚(1∶20) → 回流浸提(60℃，0.5 h) → 紗布過(guò)濾 → 得到濾渣 → 95%乙醇(1∶20)→ 回流(70℃，1 h)→ 風(fēng)干 → 得到樣品[8]。

稱取樣品1 g → 加入一定比例的蒸餾水于一定的溫度和超聲波功率下進(jìn)行浸提 → 離心(4 000 r·min-1， 20 min)→ 取上清液 → 過(guò)濾 → 濾液 → 70%乙醇(3倍體積)→ 離心(同上)→ 沉淀 → 蒸餾水定容至100 mL → 取5 mL→ 定容至250 mL → 490 nm測(cè)吸光度。

1.3.3多糖含量的測(cè)定以葡萄糖為標(biāo)樣測(cè)定長(zhǎng)梗黃精多糖，采用硫酸-苯酚比色法[9]。

長(zhǎng)梗黃精中多糖含量=[(X×V)/(M×103)]×100%

式中：M為所取長(zhǎng)梗黃精粉末的重量(g)；V為稀釋的體積(mL)；X為樣液的濃度(mg·mL-1)。

1.3.4單因素試驗(yàn)考察液料比(10∶1、15∶1、25∶1、35∶1、45∶1)、提取溫度(40、50、60、70、80℃)、超聲波功率(120、150、180、210、240 W)、超聲波時(shí)間(20、40、60、80、100 min)等4個(gè)單因素對(duì)長(zhǎng)梗黃精多糖得率的影響。

1.3.5響應(yīng)面法優(yōu)化工藝條件及統(tǒng)計(jì)分析單因素試驗(yàn)結(jié)果 → Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì) → 指標(biāo)為多糖得率Y(%) → 四因素三水平響應(yīng)面分析 → 優(yōu)化提取工藝參數(shù)(27個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，24個(gè)分析引子，3個(gè)零點(diǎn))→ 零點(diǎn)(3次) → 估計(jì)誤差。

試驗(yàn)因素及水平表見(jiàn)表1。結(jié)果通過(guò)Design Expert 7.0軟件計(jì)算響應(yīng)面模型，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表1　Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平及編碼

2結(jié)果與分析

2.1各因素對(duì)長(zhǎng)梗黃精多糖得率的影響

2.1.1液料比對(duì)長(zhǎng)梗黃精多糖得率的影響由圖1所示，在液料比處于較低水平時(shí)，長(zhǎng)梗黃精多糖得率隨溶液和物料的比例的增大而升高，但當(dāng)液料比大于15∶1時(shí)，提取率下降。干燥后的長(zhǎng)梗黃精粉末，吸水性很強(qiáng)，便于樣品粉末的溶脹，而后溶解多糖[10]。當(dāng)加水量不斷加大，多糖從細(xì)胞中擴(kuò)散出來(lái)，多糖含量也在不斷加大，逐漸形成液固兩相間溶解平衡和吸附平衡。但水量增多會(huì)增加超聲波破碎細(xì)胞的阻力，降低多糖的得率，因此，確定溶液和物料的比例為15∶1為適當(dāng)?shù)囊毫媳壤?/p>

2.1.2超聲波時(shí)間對(duì)長(zhǎng)梗黃精多糖得率的影響由圖2可知，在所設(shè)定的初始時(shí)間范圍內(nèi)，隨作用時(shí)間的增加致使多糖得率明顯增加，多糖提取率在處理時(shí)間為60 min時(shí)到達(dá)峰值，但當(dāng)時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，多糖得率反而降低。此現(xiàn)象可能是因?yàn)榇朔N輔助提取法主要通過(guò)破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，促使細(xì)胞內(nèi)的內(nèi)容物向細(xì)胞外滲出[11]，在20～60 min，細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的內(nèi)容物含量逐漸上升，在60 min基本達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，再加大超聲波作用時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間的超聲波剪切處理，將造成多糖的糖苷鍵斷開(kāi)，導(dǎo)致多糖提取率的下降[12]。因此，超聲波時(shí)間60 min為合適的提取時(shí)間。

2.1.3提取溫度對(duì)長(zhǎng)梗黃精多糖得率的影響由圖3可知，在所設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，較低溫度時(shí)，隨浸提的溫度不斷增加，多糖得率顯著加大；多糖提取率在60℃達(dá)到峰值，但當(dāng)溫度不斷上升時(shí)，多糖得率反而降低。這是由于溫度過(guò)高，水分蒸發(fā)加快，減少了液料之間的有效接觸面，從而造成提取率下降。所以，確定60℃為適宜的浸提溫度條件。

2.1.4超聲波功率對(duì)長(zhǎng)梗黃精多糖浸提效果的影響由圖4可知，在所設(shè)定的功率范圍內(nèi)，較低功率時(shí)，功率數(shù)值不斷增加，超聲波作用力也在不斷增強(qiáng)，細(xì)胞壁破碎更為明顯，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物很快溶出至細(xì)胞外，得率不斷增加，當(dāng)功率數(shù)值達(dá)到150 W以上，隨著功率的加大，多糖得率有所降低。此現(xiàn)象是因?yàn)楣β蔬^(guò)大，可能造成多糖中的一部分出現(xiàn)不同程度的降解引起多糖得率的下降[13]。因此，確定超聲波功率150 W為適當(dāng)?shù)慕峁β省?/p>

2.2響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1模型的建立及顯著性檢驗(yàn)表2中的試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行多元回歸擬合，獲得長(zhǎng)梗黃精多糖得率Y(% )和超聲波功率(X1)、超聲波時(shí)間(X2)、液料比(X3)、提取溫度(X4)相互關(guān)系的二次回歸方程(模型)：

由表3、表4顯示方程中各因素的相關(guān)性。一次項(xiàng)中X1不顯著，X2、X3、X4為極顯著因素，從各因素交互作用的顯著性來(lái)看，X1與X3、X2與X3、X3與X4極顯著，其余不顯著。從而說(shuō)明，各因素的交互作用與響應(yīng)值之間存在較大關(guān)系。方差分析顯示，回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2為95.4 %，失擬項(xiàng)為0.057，說(shuō)明失擬檢驗(yàn)結(jié)果不顯著，回歸方程的擬合度好，反映了超聲波功率、超聲波時(shí)間、液料比、提取溫度在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)多糖得率的影響，可用來(lái)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表2　Box-Beknhen試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.2.2響應(yīng)面分析與優(yōu)化根據(jù)回歸模型分析，用數(shù)據(jù)分析軟件作交互作用顯著的雙因素響應(yīng)面及等高線圖，見(jiàn)圖5～7。結(jié)果所示，液料比與超聲時(shí)間、液料比與提取溫度、液料比與超聲功率的交互作用極顯著，將顯著影響長(zhǎng)梗黃精多糖提取率。以單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，應(yīng)用Matlab數(shù)據(jù)分析軟件，最終獲得長(zhǎng)梗黃精多糖的最佳提取工藝參數(shù)為：超聲功率152.8 W，超聲時(shí)間59.7 min，液料比18∶1，浸提溫度72.9℃，代入方程得出Y值(長(zhǎng)梗黃精多糖得率)為16.65%，此值為理論值。為了驗(yàn)證擬合的回歸方程是否可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)操作，最佳工藝參數(shù)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件更正為：超聲功率150 W，超聲時(shí)間60 min，液料比18∶1，浸提溫度73℃，進(jìn)一步驗(yàn)證多糖的提取工藝，重復(fù)試驗(yàn)條件3次，得到長(zhǎng)梗黃精多糖得率的實(shí)際值分別為16.58%、16.57% 及16.62 %，其平均值為16.59%。綜上所述，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果和回歸模

表3　回歸系數(shù)方差分析結(jié)果

注：**為極顯著P<0.01，*為顯著P<0.05。

表4　二次響應(yīng)面方差分析

3討論與結(jié)論

本研究采用超聲波輔助進(jìn)行長(zhǎng)梗黃精多糖提取工藝的研究，通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行回歸分析，最終確定各因素對(duì)長(zhǎng)梗黃精多糖得率的影響，預(yù)測(cè)模型和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相符合，獲得超聲波輔助提取長(zhǎng)梗黃精多糖的最佳工藝條件為：超聲功率150 W，超聲時(shí)間60 min，液料比18∶1，浸提溫度73℃；驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)梗黃精多糖的實(shí)際得率為16.59%。

本團(tuán)隊(duì)的前期研究表明，熱水浸提法提長(zhǎng)梗黃精多糖的最佳工藝條件為：提取溫度70℃，液料比18∶1，提取時(shí)間2 h·次-1，提取次數(shù)3次，多糖的得率為12.46%。相比之下，超聲波輔助水提提取長(zhǎng)梗黃精多糖有如下優(yōu)點(diǎn)：提取時(shí)間顯著減少，提取溫度得到降低，液料比減少，提取次數(shù)減少，多糖的得率得到提高。因此，超聲波法以快速、節(jié)能、提取率高等優(yōu)勢(shì)，此方法應(yīng)用前景廣闊，可作為長(zhǎng)梗黃精多糖良好的提取方法。

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(責(zé)任編輯：柯文輝)

Ultrasound-assisted Extraction of Polysaccharides fromPolygonatumFilipes

LUO Wen-can

(FoodandDrugCertificationCenter，F(xiàn)uzhou,Fujian350002，China)

Abstract：Effect of various factors in an ultrasound-assisted process on the polysaccharide extraction from Polygonatum filipes were studied for the technology optimization. The liquid/material ratio, temperature, as well as power and duration of ultrasonic application for the process were scrutinized. A quadratic regression rotational combinational design and the Design Expert 7.0 analytical procedures were applied to establish a regression model for projecting the maximal extraction yield under optimized conditions. Theoretically, the optimized process included the application of a liquid/material ratio of 17.81 mL/1 g at 72.97℃ with a 152.85 W ultrasonic treatment for 59.74 min to reach 16.6471% yield on polysaccharides. In a triplicated test run, an averaged polysaccharide yield of 16.59% was obtained with a liquid/material ratio of 18 mL/1 g at 73℃ with a 150 W ultrasonic treatment for 60 min. The result showed that the mathematic model was accurate in predicting the performance of the extraction process.

Key words：Polygonatum filipes; polysaccharides; ultrasound-assisted extraction

收稿日期：2016-01-05初稿；2016-03-17修改稿

作者簡(jiǎn)介：駱文燦(1983-)，男，碩士，工程師，研究方向：食品加工與營(yíng)養(yǎng)(E-mail:89170373@qq.com)

中圖分類號(hào)：TS 201.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0384(2016)04-431-06

駱文燦.超聲波輔助提取長(zhǎng)梗黃精多糖工藝的研究[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2016，31(4)：431-436.

LUO W-C.Ultrasound-assisted Extraction of Polysaccharides fromPolygonatumFilipes[J].FujianJournalofAgriculturalSciences，2016，31(4)：431-436.