駱文燦

(福建省食品藥品認證審評中心，福建　福州　350002)

超聲波輔助提取長梗黃精多糖工藝的研究

駱文燦

(福建省食品藥品認證審評中心，福建福州350002)

摘要：以梅列產(chǎn)的長梗黃精為原料，研究液料比、提取溫度、超聲波功率和超聲波時間等因素對超聲波輔助提取長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梗黃精多糖的最佳工藝。由單因素試驗結果確定液料比、提取溫度、超聲波作用功率和超聲波處理時間各因素的優(yōu)化參數(shù)，采用DPS 9.05和 Design Expert7.0數(shù)據(jù)分析軟件，建立響應面模型進行結果分析，通過響應面法分析結果獲得各因素與長梗黃精多糖得率的交互關系，從而確定超聲波提取長梗黃精多糖的最佳工藝條件。結果顯示長梗黃精多糖優(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，所得的長梗黃精多糖的得率理論值16.65%。經(jīng)響應面模型驗證，實際得率為16.59%，表明該模型可靠。

關鍵詞：長梗黃精；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)學來看，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。

實驗結果顯示，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個品種[2]，主要分布在福建省三明市梅列區(qū)。其中，長梗黃精的產(chǎn)量位列第2，僅次于多花黃精，但是國內外對于長梗黃精的研究較少。

植物多糖由于它豐富且獨特的生物活性和復雜的物理化學結構，在傳統(tǒng)中藥中，其已被廣泛用于治療及預防某些疾病，對于保持健康，提高整體免疫狀態(tài)，以及預防和治療慢性疾病有著獨特療效[3]，具有免疫調節(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和生物化學的一個研究熱點。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，可以縮短提取時間，提高工作效率，節(jié)省溶劑，提高有效成分的產(chǎn)率等特點[6]。另外，超聲提取一般是在常溫條件下進行，提取全過程無須加熱，避免了高溫對有效成分的破壞[7]。因此，本研究采用超聲波輔助提取法提取長梗黃精多糖，以料液比、超聲時間，超聲功率，提取溫度為指標，研究制備長梗黃精多糖的最佳工藝。

1材料與方法

1.1 材料與試劑

長梗黃精：產(chǎn)自福建省三明市梅列區(qū)；苯酚、濃硫酸、95%乙醇、石油醚：均為分析純試劑，國藥集團化學試劑有限公司； 其他試劑若無特別標明均為分析純；本試驗用水均為雙蒸水。

1.2主要儀器

101A-1型數(shù)顯電熱鼓風干燥箱：上海陽光實驗儀器有限公司；FZ102植物粉碎機：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型臺式低速離心機：湘儀離心機儀器有限公司；UV-2000型紫外可見分光光度計：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：新陽速凍設備制造有限公司；試驗標準篩：上虞市銀河測試儀器廠。

1.3試驗方法

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

1.3.2長梗黃精多糖的提取工藝流程長梗黃精粉 → 加入至圓底燒瓶 → 加入石油醚(1∶20) → 回流浸提(60℃，0.5 h) → 紗布過濾 → 得到濾渣 → 95%乙醇(1∶20)→ 回流(70℃，1 h)→ 風干 → 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行浸提 → 離心(4 000 r·min-1， 20 min)→ 取上清液 → 過濾 → 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測吸光度。

1.3.3多糖含量的測定以葡萄糖為標樣測定長梗黃精多糖，采用硫酸-苯酚比色法[9]。

長梗黃精中多糖含量=[(X×V)/(M×103)]×100%

式中：M為所取長梗黃精粉末的重量(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)、超聲波時間(20、40、60、80、100 min)等4個單因素對長梗黃精多糖得率的影響。

1.3.5響應面法優(yōu)化工藝條件及統(tǒng)計分析單因素試驗結果 → Box-Behnken中心組合試驗設計 → 指標為多糖得率Y(%) → 四因素三水平響應面分析 → 優(yōu)化提取工藝參數(shù)(27個試驗點，24個分析引子，3個零點)→ 零點(3次) → 估計誤差。

試驗因素及水平表見表1。結果通過Design Expert 7.0軟件計算響應面模型，對其結果進行統(tǒng)計分析。

表1　Box-Behnken設計試驗因素水平及編碼

2結果與分析

2.1各因素對長梗黃精多糖得率的影響

2.1.1液料比對長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，長梗黃精多糖得率隨溶液和物料的比例的增大而升高，但當液料比大于15∶1時，提取率下降。干燥后的長梗黃精粉末，吸水性很強，便于樣品粉末的溶脹，而后溶解多糖[10]。當加水量不斷加大，多糖從細胞中擴散出來，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。但水量增多會增加超聲波破碎細胞的阻力，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?shù)囊毫媳壤?/p>

2.1.2超聲波時間對長梗黃精多糖得率的影響由圖2可知，在所設定的初始時間范圍內，隨作用時間的增加致使多糖得率明顯增加，多糖提取率在處理時間為60 min時到達峰值，但當時間繼續(xù)增加時，多糖得率反而降低。此現(xiàn)象可能是因為此種輔助提取法主要通過破壞細胞壁和細胞膜的結構，促使細胞內的內容物向細胞外滲出[11]，在20～60 min，細胞內和細胞外的內容物含量逐漸上升，在60 min基本達到動態(tài)平衡，再加大超聲波作用時間，長時間的超聲波剪切處理，將造成多糖的糖苷鍵斷開，導致多糖提取率的下降[12]。因此，超聲波時間60 min為合適的提取時間。

2.1.3提取溫度對長梗黃精多糖得率的影響由圖3可知，在所設定的溫度范圍內，較低溫度時，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℃達到峰值，但當溫度不斷上升時，多糖得率反而降低。這是由于溫度過高，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超聲波功率對長梗黃精多糖浸提效果的影響由圖4可知，在所設定的功率范圍內，較低功率時，功率數(shù)值不斷增加，超聲波作用力也在不斷增強，細胞壁破碎更為明顯，導致細胞內容物很快溶出至細胞外，得率不斷增加，當功率數(shù)值達到150 W以上，隨著功率的加大，多糖得率有所降低。此現(xiàn)象是因為功率過大，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?shù)慕峁β省?/p>

2.2響應面法優(yōu)化試驗

2.2.1模型的建立及顯著性檢驗表2中的試驗結果通過數(shù)據(jù)分析軟件進行多元回歸擬合，獲得長梗黃精多糖得率Y(% )和超聲波功率(X1)、超聲波時間(X2)、液料比(X3)、提取溫度(X4)相互關系的二次回歸方程(模型)：

由表3、表4顯示方程中各因素的相關性。一次項中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看，X1與X3、X2與X3、X3與X4極顯著，其余不顯著。從而說明，各因素的交互作用與響應值之間存在較大關系。方差分析顯示，回歸方程的相關系數(shù)R2為95.4 %，失擬項為0.057，說明失擬檢驗結果不顯著，回歸方程的擬合度好，反映了超聲波功率、超聲波時間、液料比、提取溫度在實際生產(chǎn)中對多糖得率的影響，可用來對實際生產(chǎn)進行預測。

表2　Box-Beknhen試驗設計與結果

2.2.2響應面分析與優(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面及等高線圖，見圖5～7。結果所示，液料比與超聲時間、液料比與提取溫度、液料比與超聲功率的交互作用極顯著，將顯著影響長梗黃精多糖提取率。以單因素實驗結果為基礎，應用Matlab數(shù)據(jù)分析軟件，最終獲得長梗黃精多糖的最佳提取工藝參數(shù)為：超聲功率152.8 W，超聲時間59.7 min，液料比18∶1，浸提溫度72.9℃，代入方程得出Y值(長梗黃精多糖得率)為16.65%，此值為理論值。為了驗證擬合的回歸方程是否可應用于實際生產(chǎn)操作，最佳工藝參數(shù)根據(jù)實際生產(chǎn)條件更正為：超聲功率150 W，超聲時間60 min，液料比18∶1，浸提溫度73℃，進一步驗證多糖的提取工藝，重復試驗條件3次，得到長梗黃精多糖得率的實際值分別為16.58%、16.57% 及16.62 %，其平均值為16.59%。綜上所述，實際試驗結果和回歸模

表3　回歸系數(shù)方差分析結果

注：**為極顯著P<0.01，*為顯著P<0.05。

表4　二次響應面方差分析

3討論與結論

本研究采用超聲波輔助進行長梗黃精多糖提取工藝的研究，通過響應面法對提取工藝進行優(yōu)化實驗，根據(jù)數(shù)據(jù)分析軟件對所設計的實驗進行回歸分析，最終確定各因素對長梗黃精多糖得率的影響，預測模型和實際試驗結果相符合，獲得超聲波輔助提取長梗黃精多糖的最佳工藝條件為：超聲功率150 W，超聲時間60 min，液料比18∶1，浸提溫度73℃；驗證試驗結果表明，長梗黃精多糖的實際得率為16.59%。

本團隊的前期研究表明，熱水浸提法提長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梗黃精多糖有如下優(yōu)點：提取時間顯著減少，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，此方法應用前景廣闊，可作為長梗黃精多糖良好的提取方法。

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(責任編輯：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

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

中圖分類號：TS 201.4

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0384(2016)04-431-06

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

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