葛星星， 李 義，凌去非

（蘇州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，江蘇蘇州 215123）

響應(yīng)面法優(yōu)化豆薯多糖的超聲輔助提取工藝研究

葛星星， 李 義*，凌去非

（蘇州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，江蘇蘇州 215123）

為優(yōu)化豆薯多糖的提取工藝，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取超聲時(shí)間、水料比、超聲功率和水提溫度作為優(yōu)化因素，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行四因素三水平試驗(yàn)。利用響應(yīng)面分析方法，建立豆薯多糖得率的多元二次回歸方程，并得到最佳提取工藝條件。結(jié)果表明：當(dāng)工藝條件為超聲時(shí)間 20.33 min、水料比 20.96 mL/g、超聲功率395.9 W、提取溫度67.56℃時(shí)，豆薯多糖的理論最高得率為8.40%，驗(yàn)證值為8.28%。

豆薯；多糖；超聲波；響應(yīng)面

豆薯（Pachyrhizus erosus）是豆科豆薯屬中的一年生或多年生草質(zhì)藤本植物，又名涼薯、沙葛、地瓜等（劉永娟等，2017）。豆薯食用部分為肥大的塊根，其肉質(zhì)潔白，富含淀粉、糖分和蛋白質(zhì)、氨基酸、類黃酮和維生素C以及人體所必需的鈣、鐵、鋅、銅、磷等多種元素 （Ramos-de-la-Pen~a等2013；鄧清等，2003；Fernandez 等 1997），脂肪含量低，且不含膽固醇（任曦竹等，2011），生食或熟食后具有生津止渴、清涼去熱、解酒毒、降血壓等功效（楊文慧等，2011）。

研究表明，許多植物多糖具有免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、降血糖、降血脂、抗輻射、抗菌、抗病毒、保護(hù)肝臟等生物活性。因此植物多糖已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品工業(yè)和飼料工業(yè)中。目前，有關(guān)豆薯多糖的研究報(bào)道較少。Ramos-de-la-Pen~a等（2011）采用高壓輔助技術(shù)自去淀粉豆薯果渣中提取果膠多糖，提取率為 22.8%（干基）；Pressey（1993）報(bào)道，豆薯細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)多糖由中性和酸性糖包括阿拉伯糖、鼠李糖、木糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖、半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸組成。本研究在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面分析法對(duì)豆薯多糖的超聲波輔助提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期為豆薯的進(jìn)一步加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器 豆薯，購(gòu)于蘇州市工業(yè)園區(qū)蓮花五區(qū)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。乙醇、正丁醇、氯仿、丙酮、過(guò)氧化氫等均為分析純；α-淀粉酶（活性為5000 U/g）為市售生物試劑。KQ-500DB臺(tái)式數(shù)控超聲波清洗器 （昆山市超聲儀器有限公司）；HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋 （金壇市晶玻實(shí)驗(yàn)儀器廠）；EYELAN-1000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 （日本東京理化機(jī)械公司）；SHZ-III型循環(huán)水真空泵 （上海亞榮生化儀器廠）；VLP200冷凍干燥系統(tǒng)（美國(guó)Thermo公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 豆薯多糖超聲提取工藝 原料預(yù)處理：新鮮豆薯→去皮、洗凈、切條→60℃烘干至恒重→冷卻后粉碎→過(guò)60目篩→豆薯干粉，冷藏待用。工藝流程：稱取定量豆薯粉末→超聲浸提→加酶水浴 （以豆薯粉末質(zhì)量2%的比例加入α-淀粉酶消化1 h）→過(guò)濾→濾液濃縮→加酶水?。ㄒ远故矸勰┵|(zhì)量的3%加入α-淀粉酶消化10 h）→離心棄沉淀（5000 r/min、10 min）→Sevage 法去蛋白→醇析→沉淀復(fù)溶→脫色處理→醇析→離心、洗滌沉淀→真空干燥→粗多糖。

1.2.2 豆薯多糖得率測(cè)定 豆薯多糖得率/%=豆薯多糖質(zhì)量/豆薯干粉質(zhì)量×100。

1.2.3 超聲輔助提取豆薯多糖單因素試驗(yàn) 精確稱取 5 g 豆薯干粉，選擇液料比 10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1，超聲功率 250、300、350、400、450 W，超聲時(shí)間 10、15、20、25、30 min， 提取溫度 40、50、60、70、80 ℃ ， 乙 醇 濃 度 50% 、60%、70% 、80%、90%進(jìn)行單因素試驗(yàn)，考察各個(gè)因素對(duì)豆薯多糖得率的影響。每個(gè)單因素試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)，結(jié)果取平均值。

1.2.4 響應(yīng)面法優(yōu)化豆薯多糖提取工藝 在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Design-Expert7.0軟件，根據(jù)Box-Behnken中心組合（費(fèi)榮昌，2001；Box等，1990）設(shè)計(jì)四因素三水平試驗(yàn)，以超聲功率、超聲時(shí)間、提取溫度和水料比為自變量，豆薯多糖得率為響應(yīng)值設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn) （車榮珍等，2011）。因素與水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素與水平

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 超聲功率對(duì)豆薯多糖得率的影響 超聲功率對(duì)豆薯多糖得率的影響見(jiàn)圖1。由圖1可知，超聲功率為250～400 W時(shí)，豆薯多糖得率隨功率的增大而緩慢增加，當(dāng)超聲功率增加到400 W時(shí)，多糖得率最大，由4.72%增加到5.58%，然后多糖得率呈明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)功率增加到450 W時(shí)，豆薯多糖的得率為5.25%，比功率400 W時(shí)的多糖得率下降0.33%。

圖1 超聲功率對(duì)多糖得率的影響

2.1.2 水料比對(duì)豆薯多糖得率的影響 水料比對(duì)豆薯多糖得率的影響見(jiàn)圖2。由圖2可知，水料比為10～20時(shí)，豆薯多糖得率隨水料比值的增大而提高，由4.26%提高到5.63%，繼續(xù)增大水料比，豆薯多糖得率呈下降趨勢(shì)。當(dāng)水料比為30時(shí)，多糖得率為5.18%，比水料比為20時(shí)的多糖得率下降0.45%。

圖2 水料比對(duì)多糖得率的影響

2.1.3 提取溫度對(duì)豆薯多糖得率的影響 提取溫度對(duì)豆薯多糖得率的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知，當(dāng)提取溫度從40℃增加到70℃時(shí)，豆薯多糖得率隨提取溫度的增加而明顯增加，即由3.92%增加到7.08%。隨著溫度的繼續(xù)升高多糖得率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，可能是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的高溫使得部分多糖降解而導(dǎo)致得率降低。

圖3 提取溫度對(duì)多糖得率的影響

2.1.4 超聲時(shí)間對(duì)豆薯多糖得率的影響 超聲時(shí)間對(duì)豆薯多糖得率的影響見(jiàn)圖4。由圖4可知，超聲時(shí)間為10～20 min時(shí)，豆薯多糖得率隨超聲時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，即由4.79%增加到5.85%。超聲時(shí)間為20 min時(shí)，多糖得率最大，增加了1.14%，之后多糖得率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)，多糖得率下降到5.43%，比超聲15 min時(shí)下降0.42%。

圖4 超聲處理時(shí)間對(duì)多糖得率的影響

2.1.5 乙醇濃度對(duì)豆薯多糖得率的影響 乙醇濃度對(duì)豆薯多糖得率的影響見(jiàn)圖5。由圖5可知，乙醇濃度從50%增加到80%時(shí)，豆薯多糖得率隨乙醇濃度升高而增加，即由2.42%增加到6.12%。在乙醇濃度為80%時(shí)，多糖得率最大，增加了3.7%，之后多糖得率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。當(dāng)乙醇濃度達(dá)到90%時(shí)，多糖得率下降到5.78%，比乙醇濃度80%時(shí)下降0.34%。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析 綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，固定乙醇濃度為80%，選擇超聲時(shí)間、水料比、超聲功率和提取溫度4個(gè)因素為自變量進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

運(yùn)用Design-Expert7.0軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，計(jì)算得出回歸模型方程，各項(xiàng)系數(shù)及方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖5 乙醇濃度對(duì)多糖得率的影響

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

運(yùn)用Design-Expert7.0對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行回歸分析，經(jīng)回歸擬和后得到回歸方程：

表3 響應(yīng)面回歸模型方差分析

對(duì)回歸方程系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，從表3可以看出，一次項(xiàng)水料比X2對(duì)豆薯多糖的提取量影響極顯著（P＜0.01），一次項(xiàng)超聲功率X3、提取溫度X4對(duì)豆薯多糖的提取量影響顯著 （P＜0.05），超聲功率X3和提取溫度X4的交互項(xiàng)對(duì)豆薯多糖得率影響顯著（P＜0.05），其他交互項(xiàng)對(duì)豆薯多糖提取量的影響不顯著；二次項(xiàng)和極顯著處于顯著水平。

圖6～圖9為各試驗(yàn)因素交互作用對(duì)響應(yīng)值影響的3D分析結(jié)果。

由圖6可知，水料比與超聲時(shí)間的交互作用對(duì)豆薯多糖得率的影響比較小，水料比對(duì)應(yīng)的等高線密集，說(shuō)明水料比對(duì)得率的影響大于超聲時(shí)間，而且多糖得率隨水料比的增大而增加，到了最高點(diǎn)后，水料比的繼續(xù)增大，多糖的得率略微下降。

由圖7的等高線形狀可以看出，提取溫度和水料比的交互作用較顯著。且沿著水料比軸變化相對(duì)密集，因此水料比的影響比提取溫度的影響大，而且水料比與提取溫度的交互作用較明顯。當(dāng)水料比大于20 mL/g時(shí)，隨著添加的溶劑量增大，多糖得率下降。過(guò)多的溶劑會(huì)增加雜質(zhì)的溶解，降低粗多糖的溶出量（豆亞靜，2013）。

圖6 超聲時(shí)間和水料比對(duì)多糖得率的響應(yīng)曲面圖

圖7 提取溫度和水料比對(duì)多糖得率的響應(yīng)曲面圖

由圖8的等高線形狀可以看出，提取溫度和超聲功率的交互作用顯著。等高線沿著超聲功率軸變化相對(duì)密集，因此超聲功率的影響比提取溫度的影響大。但過(guò)高的超聲功率和過(guò)高的提取溫度都會(huì)導(dǎo)致提取液中部分多糖分解從而降低多糖的得率。

圖8 提取溫度和超聲功率對(duì)多糖得率的響應(yīng)曲面圖

從圖9可以看出，水料比與超聲功率的交互作用不顯著。水料比變化對(duì)多糖得率變化的影響較大，表現(xiàn)為響應(yīng)曲面的坡度較陡和等高線較密集，超聲功率的影響小，表現(xiàn)為曲線平緩、等高線稀疏。多糖得率增幅減小，在功率400 W左右達(dá)到最大，隨著超聲功率的增加，多糖得率反而有所降低，這可能是超聲功率達(dá)到一定強(qiáng)度后促使了多糖的降解（熊冰等，2007）。

圖9 超聲功率和水料比對(duì)多糖得率的響應(yīng)曲面圖

運(yùn)用Design-Expert7.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化預(yù)測(cè)，即對(duì)回歸方程取一階偏導(dǎo)數(shù)等于0，得到浸提多糖最佳工藝參數(shù)為：超聲時(shí)間20.33 min、水料比 20.96 mL/g、超聲功率 395.9 W、提取溫度67.56℃，在此條件下預(yù)測(cè)多糖得率為8.40%。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)的可操作性，將多糖浸提的工藝參數(shù)設(shè)為：超聲時(shí)間20.33 min、水料比21 mL/g、超聲功率396 W、提取溫度67.5℃。在此條件下對(duì)模型的預(yù)測(cè)參數(shù)進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。得到多糖得率為8.28%，與模型預(yù)測(cè)值較接近，表明采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的超聲輔助提取豆薯多糖工藝參數(shù)可靠，按照建立的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)在實(shí)踐中是可行的。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果%

3 結(jié)論

本研究采用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取豆薯多糖工藝，得到最佳工藝條件為：超聲時(shí)間20.33 min、水料比20.96 mL/g、超聲功率395.9 W、提取溫度67.56℃，在此條件下預(yù)測(cè)豆薯多糖得率為8.40%，驗(yàn)證值為8.28%，相對(duì)誤差為1.43%。本試驗(yàn)將超聲波技術(shù)應(yīng)用于豆薯多糖的提取，不僅用時(shí)短，而且大大提高了提取效率，所得豆薯多糖經(jīng)除蛋白質(zhì)、脫色和凍干處理后呈淡黃色的多孔疏松固體，多糖含量在78%以上，且質(zhì)地均勻，溶解性好。可見(jiàn)采用響應(yīng)面法可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)同步優(yōu)化豆薯多糖的提取工藝流程，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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The extraction technology of polysaccharide from jicama （Pachyrhizus erosus） was optimized with the extraction yield as the assessment index.On the basis of single-factor experiments，four factors including ultrasonic treatment time，water material ratio，ultrasonic power and extraction temperature were selected as the independent variables.With response surface analysis，a quadratic regression model was established by the Box-Behnken design experiments.The results showed that the optimum extraction conditions were as follows：ultrasonic treatment time 20.33 min，water material ratio 20.96 mL/g，ultrasonic power 395.9 W and water extraction temperature 67.56 ℃.Under these conditions，the predicted and experimental values of polysaccharide yield from jicama were 8.40%and 8.28%，respectively.

jicama；polysaccharides；ultrasonic；response surface methodology

S816.11

A

1004-3314（2017）21-0011-05

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20172103

江蘇省水產(chǎn)三新工程重大項(xiàng)目（DY2012-3-8)；江蘇省科技廳項(xiàng)目（BE2012354）

*通訊作者