薛雅茹 操然 盧旭 張怡

摘 要 采用響應面法優(yōu)化超聲波輔助提取薏苡仁低聚糖的工藝條件。在單因素試驗基礎上，選取液料比、超聲波時間以及超聲波功率3個因素結合Box-Behnken試驗建立數(shù)學模型，分析考察3個因素對薏苡仁低聚糖響應值的影響程度，優(yōu)化工藝參數(shù)。各因素對薏苡仁低聚糖提取率影響程度從大到小順序依次為：超聲波功率>超聲波時間>液料比。響應面設計法優(yōu)化出其最佳超聲波提取條件為：超聲波溫度70 ℃，液料比33 ∶ 1（mL/g），超聲波時間27 min，超聲波功率450 W。在該條件下，薏苡仁低聚糖提取率為0.94%，與模型預測值0.98%接近。說明使用響應面法優(yōu)化超聲波輔助提取薏苡仁低聚糖的工藝條件是可行的。

關鍵詞 薏苡仁；低聚糖；超聲波提取；響應面法

中圖分類號 TS201.4 文獻標識碼 A

Abstract Response surface analysis methodology（RSM）was applied in this paper to optimize the ultrasonic-assisted extraction（UAE）of oligosaccharides from Coix seed（CSO）. On the basis of single factor experiment， liquid-solid ratio， ultrasonic temperature， ultrasonic time and ultrasonic power were chosen as the random factors. Established the mathematical model by Box-Behnken test and then analyzed the impact degree of the three technological parameters on the response of CSO to optimized the processing parameters. The result showed that the order of parameters on the yield of CSO was as follows： ultrasonic power > extraction time > liquid-solid ratio. The optimal technical condition for CSO： ultrasonic temperature was 70 ℃， liquid-solid ratio was 33 ∶ 1 mL/g， ultrasonic time was 27 min and ultrasonic power was 450 W. Under this condition the extraction rate was 0.94%， which is close to the predicted value of 0.98%. It indicated that using the response surface methodology to optimize the yield of CSO is reasonable.

Key words coix seed； oligosaccharides； ultrasonic-assisted extraction； response surface methodology

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.03.028

薏苡仁[（Coix Seed， Coix lachryma-jobi（L） var. frumentacea Makino）]，別名薏米、藥玉米、珍珠米等，為一年或多年生草本禾本科植物薏苡（Coix lacryma-jobi L.）的干燥成熟種仁。全國大部分地區(qū)均有種植，以福建、河北、遼寧等地產量較高[1]，被冠以“世界禾本科植物之王”的稱號[2]，具有抗腫瘤[3-4]、提高機體免疫力[5]、降血糖[6]、消炎鎮(zhèn)痛[7]、調節(jié)血脂代謝[8]、抑制骨質疏松[9]等作用，被我國衛(wèi)生部列入既是食品又是藥品的名單中[10]。

低聚糖（Oligosaccharides）又叫寡糖，是由單糖分子以糖苷鍵形式連接而成的聚合度為2～10的低度聚合糖[11]。低聚糖可以分為兩類，一類是普通性低聚糖，主要作用是提供人體活動所需的能量和賦予食品怡人的甜味[12]。另一類是功能性低聚糖，可直接代替蔗糖，但不被人體胃酸、胃酶降解，不被小腸吸收，直接到達大腸，具有促進雙歧桿菌增殖等生理特性[13]。經過動物實驗發(fā)現(xiàn)功能性低聚糖不僅具有安全和無毒的良好的理化特性，且大多數(shù)具有良好的溶解性、熱穩(wěn)定性和耐酸性，以及良好的保濕性[14]。由于低聚糖具有諸多獨特的生理功能，因此近年來作為一種功能性食品基料廣受青睞。

目前，國內外學者對薏苡仁的研究主要集中在具有抗腫瘤活性的薏苡仁酯、降血糖活性的薏苡多糖、薏苡仁油等，對薏苡仁低聚糖的相關研究尚未見報道。因此，研究薏苡仁低聚糖的提取工藝不僅對我國薏苡仁產業(yè)的提升有重大意義，而且為薏苡仁低聚糖后續(xù)功能性的研究奠定了一定實驗基礎。其提取工藝主要有水提法[15]、微波輔助提取法[16]、超聲波輔助提取法[17]、酶法[18]等，其中超聲波輔助提取法無需特殊裝置、操作簡單、易于實現(xiàn)；與傳統(tǒng)溶劑提取相比，有利于縮短提取時間。

本研究以福建蒲城薏苡仁為原材料，采用響應面法優(yōu)化超聲波輔助提取薏苡仁低聚糖的工藝條件。在單因素試驗基礎上，選取液料比、超聲波時間以及超聲波功率3個因素為隨機因子，結合Box-Behnken試驗建立數(shù)學模型，分析3個考察因素對薏苡仁低聚糖響應值的影響程度，優(yōu)化工藝參數(shù)，以期為薏苡仁低聚糖的提取和制備提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與試劑 薏苡仁由福建三明楊晨食品有限公司提供；95%乙醇、苯酚、濃硫酸、葡萄糖、酵母均為國產分析純。

1.1.2 儀器與設備 KQ-500VDE 型雙頻數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；T6型新世紀紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；RE 5298A型旋轉蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；HH-2型數(shù)顯電子恒溫水浴鍋，常州國華電器有限公司；FW177型中草藥粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿有限公司；FD-1D-80 型冷凍干燥機，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；試驗標準篩，上虞市銀河測試儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 薏苡仁低聚糖提取工藝流程 薏苡仁→粉碎過篩（20目試驗標準篩）→加水攪拌→超聲波輔助提取→加酵母→抽濾→真空濃縮至原體積的1/3→乙醇沉降→過濾→真空旋轉蒸發(fā)濃縮旋干后加原體積的1/3的水復溶至無醇味→低聚糖濃縮液→冷凍干燥→薏苡仁低聚糖粉末（CSO）。

工藝要點：

①加酵母：酵母用量為原料量的1%，將酵母在38～40 ℃、含糖2%、酵母用量10倍以上的水溶液中復水活化，30～60 min后即可添加使用。單糖可被酵母發(fā)酵從而除去。

②乙醇沉降：加入5倍體積95%乙醇，沉降8 h過夜。乙醇可將溶液中的多糖沉降下來。

1.2.2 薏苡仁低聚糖含量的測定 采用苯酚-硫酸法[19]進行低聚糖含量的測定。

（1）標準曲線溶液的配制。精確稱取20 mg已恒重的葡萄糖標樣于500 mL容量瓶中，用蒸餾水定容。分別吸取0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6及1.8 mL，各以蒸餾水補至2.0 mL，然后加入1.0 mL 6%的苯酚，接著迅速加入5.0 mL濃硫酸，搖勻后快速冷卻，室溫放置20 min后在波長490 nm處測定吸光度OD值，以2.0 mL蒸餾水按同樣顯色操作作為空白。

繪制得到標準曲線：Y=6.444 3X+0.002 2（R2=0.995 9）。表明葡萄糖溶液濃度與吸光度OD值在0～0.08 μg/mL范圍內呈良好的線性關系。X表示葡萄糖溶液濃度，單位mg/mL；Y表示吸光度OD值。

（2）樣品中低聚糖提取率的測定。將制得的CSO粉末定容到一定體積的容量瓶中，吸取樣品液2.0 mL后加入1.0 mL 6%的苯酚，接著迅速加入5.0 mL濃硫酸，搖勻后快速冷卻，室溫放置20 min后，在波長490 nm處測定吸光度Y1，將Y1代入葡萄糖標準曲線方程，得到樣品液中低聚糖的濃度X1。

低聚糖提取率=×100%

X1為樣品液中低聚糖的濃度（μg/mL）；V1為定容后的體積（mL）；M1為薏苡仁干粉的質量（mg）。

1.2.3 單因素試驗設計 本試驗取10 g薏苡仁干粉，以CSO提取率為指標，選取液料比、超聲波溫度、超聲波時間以及超聲波功率4個因素進行單因素試驗。液料比采用10 ∶ 1、20 ∶ 1、30 ∶ 1、40 ∶ 1、50 ∶ 1、60 ∶ 1、70 ∶ 1 mL/g 7個水平；超聲波時間采用15、20、25、30、35、40、45 min 7個水平；超聲波溫度采用30、40、50、60、70 ℃ 5個水平；超聲波功率采用200、250、300、350、400、450、500 W 7個水平。考察各個因素對CSO提取率的影響。

1.2.4 Box-Behnken響應面試驗設計 根據(jù)單因素試驗結果，選用Box-Behnken試驗優(yōu)化超聲波輔助提取CSO的工藝參數(shù)。

1.3 統(tǒng)計分析

所有試驗分析重復3次，結果取平均值；采用DPS 7.05分析單因素試驗結果，Design Expert 8.0軟件建立響應面模型，對其結果進行分析。

2 結果與分析

2.1 超聲波輔助提取薏苡仁低聚糖單因素試驗

2.1.1 不同液料比對薏苡仁低聚糖提取率的影響

在超聲波功率為350 W、超聲波時間為30 min、超聲波溫度為60 ℃條件下，考察液料比對薏苡仁低聚糖提取率的影響，結果如圖2所示。由圖2可以看出，不同液料比對薏苡仁低聚糖的提取率有一定影響。在液料比較低時，薏苡仁低聚糖的提取率隨液料比的增大而顯著提高，在液料比為30 ∶ 1 mL/g時薏苡仁低聚糖提取率達到最大值，當液料比超過30 ∶ 1 mL/g后薏苡仁低聚糖的提取率逐漸趨于穩(wěn)定。這可能是因為增加溶劑用量可以增大薏苡仁干粉與溶劑的接觸面積，并使細胞內外的滲透壓差增大，提高了傳質推動力，從而使薏苡仁低聚糖的提取率增大，但由于薏苡仁低聚糖的含量有限，當液料比增大到了一定程度時提取率趨于穩(wěn)定。從實際生產條件和成本考慮，液料比過大不僅浪費溶劑，而且給濃縮帶來困難，因此本試驗液料比考察范圍選取為20 ∶ 1～40 ∶ 1 mL/g。

2.1.2 不同超聲波溫度對薏苡仁低聚糖提取率的影響

在液料比為40 ∶ 1 mL/g、超聲波功率為350 W、超聲波時間為30 min條件下，考察超聲波溫度對薏苡仁低聚糖提取率的影響，結果如圖3所示。由圖3可以看出，不同超聲波溫度對薏苡仁低聚糖的提取率有一定影響。當超聲波溫度為30～70 ℃時，薏苡仁低聚糖提取率隨著超聲波溫度的升高而升高。這可能是因為溫度越高，對薏苡仁細胞的破壞作用越大，分子運動加劇，有利于低聚糖的浸出。由于儀器本身的限制，超聲波溫度最高只能達到70 ℃，因此，選取70 ℃作為后續(xù)正交實驗的條件。

2.1.3 不同超聲波時間對薏苡仁低聚糖提取率的影響

在液料比為40 ∶ 1 mL/g、超聲波功率為350 W、超聲波溫度為60 ℃條件下，考察超聲波時間對薏苡仁低聚糖提取率的影響，結果如圖4所示。由圖4可以看出，不同超聲波時間對薏苡仁低聚糖的提取率有一定影響。當超聲波時間在15～25 min范圍內時，薏苡仁低聚糖的提取率隨著超聲波時間的延長而大幅度提高，25 min后則趨于穩(wěn)定。這說明隨著時間的延長，薏苡仁顆粒充分溶脹，骨架結構伸展，低聚糖充分溶出。但當超聲波時間過長時提取率趨于平穩(wěn)可能是因為隨著時間的延長提取率接近極限。因此，超聲波時間考察范圍定為20～30 min。

2.1.4 不同超聲波功率對薏苡仁低聚糖提取率的影響

在液料比為40 ∶ 1 mL/g、超聲波時間為30 min、超聲波溫度為60 ℃條件下，考察超聲波功率對薏苡仁低聚糖提取率的影響，結果如圖5所示。由圖5可以看出，不同超聲波功率對薏苡仁低聚糖的提取率有顯著影響。隨著超聲波功率的提高，薏苡仁低聚糖提取率明顯增加，當超聲波功率達到450 W時，提取率增加幅度變緩。這可能是由于超聲波功率越大，空化作用和機械振動作用越強烈，細胞壁越容易被破壞，從而有利于低聚糖的溶出，當超聲波功率達到一定值后，細胞壁被破壞得比較徹底，提取率增幅明顯減小，故超聲波功率考察范圍定為400～500 W。

2.2 響應面法優(yōu)化薏苡仁低聚糖的提取工藝條件

2.2.1 Box-Behnken響應面試驗 由于設備的限制，超聲波溫度最高只能設定為70 ℃，由單因素試驗可以看出，采用超聲波輔助提取薏苡仁低聚糖時提取率隨著超聲波溫度的增大而增大，且液料比、超聲波時間、超聲波功率對薏苡仁低聚糖提取率影響較大，所以超聲波溫度直接設定為70 ℃，選擇可能形成曲面且對提取率影響較大的3個因素（液料比、超聲波時間、超聲波功率），采用Box-Behnken設計法進行試驗設計，因素水平編碼值見表1。

表2是17個試驗點給出的試驗設計及結果。17個試驗點可以分成兩類：其一是析因點，自變量取值在X1、X2、X3所構成的三維頂點，共有12個析因點；其二是零點，為區(qū)域中心點，零點試驗重復5次，用來估計試驗誤差。

2.2.2 模型方差分析 以提取率為響應值（Y），根據(jù)表2的試驗結果，利用Design Expert 8.0軟件進行多元回歸分析，結果見表3。從表3中可以看出，方程一次項中，液料比、超聲波時間及超聲波功率對薏苡仁低聚糖提取率影響均達到顯著水平（p<0.05），其中超聲波時間和超聲波功率對薏苡仁低聚糖提取率影響最大，達到極顯著水平（p<0.01）。在二次項中，液料比、超聲波時間和超聲波功率都達到了極顯著水平（p<0.01）。在交互項中，X2X3達到顯著水平（p<0.05），其余項X1X2、X1X3影響不顯著，可以看出各具體實驗因子對響應值的影響不是簡單的線性關系。

實驗所選模型極顯著（p<0.01），其失擬項p值為0.214 4，表明模型的純誤差不顯著；模型的決定系數(shù)R2=0.960 5，R2Adj=0.909 9，R2越接近1，表明模型越能預測其響應值；變異系數(shù)C.V.%=5.47<10，變異系數(shù)的大小代表試驗的可重復性，其值越小表明實驗越精確；Adeq Precision=10.803>4，該值是模型信噪比的反映，其值大于4即說明模型的響應信號足夠強，可以用來擬合試驗結果。

綜上分析可得，該模型可以用來分析、預測超聲波輔助提取薏苡仁低聚糖的工藝條件。

由表3可知，各因素影響程度從大到小順序依次為：超聲波功率>超聲波時間>液料比。經回歸擬合后，實驗因子對響應值的影響可用回歸方程表示為：

薏苡仁低聚糖提取率：

Y=-13.043+0.052 475X1+0.018 150X2+0.046 135X3-0.000 15X1X2+0.000 01X1X3+0.000 23X2X3-0.000 81X12-0.005 34X22-0.000 056 40X32。

解回歸方程可得，液料比32.81 ∶ 1 mL/g，超聲波時間26.57 min，超聲波功率466.11 W時，薏苡仁低聚糖提取率最高，在該條件下薏苡仁低聚糖的理論提取率為0.98%。

2.2.3 響應曲面分析與優(yōu)化 超聲波輔助提取薏苡仁低聚糖工藝條件的等高線與響應曲面圖見圖6～8。由圖6可以看出，當超聲波時間處于20～26 min范圍內時，隨著超聲波時間的延長，薏苡仁低聚糖提取率不斷上升，當超聲波時間處于26～30 min范圍內時，隨著超聲波時間的延長，薏苡仁低聚糖提取率略有下降。同樣，當液料比處于20 ∶ 1～30 ∶ 1 mL/g變化范圍內，薏苡仁低聚糖提取率隨著液料比的增加而提高，當液料比處于30 ∶ 1～40 ∶ 1 mL/g變化范圍內，薏苡仁低聚糖提取率隨著液料比的增加而趨于平穩(wěn)。

由圖7可以看出，在液料比處于20 ∶ 1～30 ∶ 1 mL/g范圍內，薏苡仁低聚糖提取率隨著液料比的增加而提高，在液料比處于30 ∶ 1～40 ∶ 1 mL/g范圍內，薏苡仁低聚糖提取率隨著液料比的增加而趨于平穩(wěn)。當超聲波功率在400～470 W之間時，隨著超聲波功率的增加，薏苡仁低聚糖提取率顯著提高，而當超聲波功率在470～500 W之間時，隨著超聲波功率的增加，薏苡仁低聚糖提取率略有下降。

由圖8可以看出，當超聲波時間處于20～26 min范圍內時，薏苡仁低聚糖提取率隨著超聲波時間的延長而顯著上升，而當超聲波時間處于26～30 min范圍內時，薏苡仁低聚糖提取率隨著超聲波時間的延長而下降。當超聲波功率處于400～460 W范圍內時，薏苡仁低聚糖提取率隨著超聲波功率的增加而提高，當超聲波功率處于460～500 W范圍內時，薏苡仁低聚糖提取率隨著超聲波功率的增加而降低。當超聲波時間處于25～27 min之間，超聲波功率處于450～470 W之間時，響應曲面達到最高點。

結合回歸模型，采用模型所得優(yōu)化條件，根據(jù)實際操作條件，調整選用液料比33 ∶ 1 mL/g，超聲波時間27 min，超聲波功率450 W，在此條件下重復3次試驗，薏苡仁低聚糖提取率分別為0.93%、0.94%、0.94%，平均值為0.937%，與理論預測值基本一致，說明回歸模型準確可靠。

2.3 與傳統(tǒng)熱水浸提法對比

傳統(tǒng)熱水浸提法的研究結果表明，熱水浸提法提取薏苡仁低聚糖的最佳工藝條件為：液料比20 ∶ 1 mL/g、浸提溫度75 ℃、浸提3 h，在此條件下，薏苡仁低聚糖提取率為0.590%。在本研究超聲波輔助提取薏苡仁低聚糖所得最佳工藝條件下，薏苡仁低聚糖提取率為0.937%，比傳統(tǒng)熱水浸提法提高了0.347%。說明該方法可應用于提高薏苡仁低聚糖的提取率。

3 討論

在提取低聚糖的相關研究中，超聲波的空化效應可破壞原料的細胞壁使低聚糖更容易溶脹出來，超聲波輔助法與傳統(tǒng)熱水浸提法提取低聚糖相比顯著提高了低聚糖的提取率。劉露等[20]采用響應面法優(yōu)化了超聲波輔助提取山藥低聚糖的工藝條件，結果表明在最優(yōu)工藝條件下山藥低聚糖得率為7.21%，與預測值7.25%基本一致，且比相同條件下未使用超聲波的提取工藝提高了3.91%。唐雪娟等[21]采用正交試驗優(yōu)化了超聲波法和溫水法提取香蕉低聚糖的工藝條件，結果表明，超聲波法提取香蕉低聚糖的得率為17.89%，明顯高于溫水法提取香蕉低聚糖的得率。Ruzica Jovanovic-Malinovska等[22]采用響應面法優(yōu)化了超聲波輔助提取一些選定的果蔬（如藍莓、西瓜、大蒜、菊芋等）中低聚糖的工藝條件，結果表明超聲波輔助法與常規(guī)熱水浸提法相比，這些被研究的所有果蔬里低聚糖的提取率都提高了2～4倍，這些果蔬中菊芋低聚糖的提取率提高的幅度最大，采用常規(guī)熱水浸提法提取菊芋低聚糖，菊芋低聚糖的提取率僅為1.96%，而采用超聲波輔助提取法，菊芋低聚糖的提取率可達17%。而本研究采用超聲波輔助提取薏苡仁低聚糖，在最佳工藝條件下薏苡仁低聚糖提取率為0.937%，與傳統(tǒng)熱水浸提法相比提高了0.347%。由此可見，超聲波輔助提取法具有操作簡單、縮短時間、提高得率等優(yōu)點。因此，可以采用超聲波輔助提取法對低聚糖進行工業(yè)化生產。

4 結論

采用Design Expert 8.0軟件的Box-Behnken設計方法設計響應面試驗，建立數(shù)學模型。方差分析結果表明影響薏苡仁低聚糖提取率各因素的影響程度從大到小順序依次為：超聲波功率>超聲波時間>液料比。響應面設計法優(yōu)化出其最佳超聲波提取條件為：超聲波溫度70 ℃，液料比33 ∶ 1 mL/g，超聲波時間27 min，超聲波功率450 W。在該條件下，薏苡仁低聚糖提取率為0.94%，與模型預測值0.98%接近。說明使用響應面法優(yōu)化超聲波輔助提取薏苡仁低聚糖的工藝條件是可行的。

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