高晶晶，慕 苗，劉麗娜，陳錦中

(榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 71900)

小米原名粟，是谷子脫殼后的產(chǎn)物，小米具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，其中蛋白質(zhì)、脂肪和維生素含量很高[1]。由于陜北特殊的地理位置和得天獨(dú)厚的氣候環(huán)境，米脂小米相對(duì)于其他小米更加優(yōu)良[2-3]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，米脂小米含有更多的蛋白質(zhì)和脂肪，含有8種人體必需的氨基酸，營(yíng)養(yǎng)比例更加合理[4-5]。

多糖是廣泛存在于動(dòng)植物當(dāng)中的碳水化合物，多糖具有抑制腫瘤生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)免疫、延緩衰老、抗菌抗病毒、保護(hù)肝臟等作用[6-10]。目前對(duì)小米的研究重點(diǎn)大多集中在小米淀粉、黃色素等方面[11-13]，對(duì)小米中多糖的研究很少，因此，作者選取米脂小米中多糖為研究對(duì)象，對(duì)其提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

常見的多糖提取方法有熱水提取法、有機(jī)溶劑提取法、超聲輔助提取法和微波輔助提取法等[14-15]。作者之前對(duì)傳統(tǒng)的熱水提取法進(jìn)行了研究，該方法提取溫度為50 ℃，提取時(shí)間為4.3 h，攪拌速率為36 r/min，m(小米)∶V(提取液)(簡(jiǎn)稱料液比)=1∶20 g/mL，平均提取率為1.046 7%，該提取方法耗時(shí)較長(zhǎng)[16]，因此，利用超聲輔助法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)研究。由于超聲具有空化作用，使得其中的成分更容易溶出，被廣泛應(yīng)用于提取研究。作者采用超聲輔助熱水提取法對(duì)米脂小米中的多糖進(jìn)行了提取研究，進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對(duì)提取條件進(jìn)行了優(yōu)化，建立了該提取過程的數(shù)學(xué)模型，并得到了小米多糖提取的最優(yōu)工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料、試劑與儀器

米脂小米：產(chǎn)地陜西省米脂縣。

葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品：上海金穗生物科技有限公司；濃硫酸：四川西隴科學(xué)有限公司；無水乙醇：天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；苯酚：天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；以上試劑均為分析純。

電子天平：FA-1004，上海精科天平廠；紫外分光光度計(jì)：UV-2450，日本島津公司；超聲波發(fā)生器：SN-2000直插式，廣州欣諾科超聲設(shè)備公司；數(shù)顯超級(jí)恒溫水浴：HH-501，鄭州科豐儀器設(shè)備有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9140A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

分別取ρ(葡萄糖)=0、20、30、40、50、60、70、80 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)品溶液2 mL，各加入w(苯酚)=5%溶液1 mL，然后立即加入5 mL濃硫酸，混均，靜置30 min，冷卻后在490 nm處測(cè)各溶液的吸光度值[17]。以ρ(葡萄糖)為橫坐標(biāo)，吸光度值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.2 小米多糖提取方法

小米預(yù)處理：將小米與w(乙醇)=95%溶液混合后置于三口燒瓶中，攪拌，置于50 ℃恒溫水浴中加熱3 h進(jìn)行脫脂，取出小米后晾干備用。

準(zhǔn)確稱取10 g脫脂小米置于燒杯中，加入一定量蒸餾水，將超聲波發(fā)生器插入燒杯中，設(shè)定超聲功率，然后在恒溫水浴下攪拌，提取一定時(shí)間后，取上清液，加入3倍w(乙醇)=95%溶液進(jìn)行醇沉，轉(zhuǎn)速為4 500 r/min，離心30 min，取沉淀。溶解沉淀并定容，用苯酚硫酸法檢測(cè)多糖的含量，并計(jì)算多糖提取率[18]。

1.2.3 多糖提取率的計(jì)算

多糖提取率的計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：η為小米多糖的提取率，%；ρ為檢測(cè)液多糖質(zhì)量濃度，mg/mL；V為粗多糖溶解定容后的總體積，L；m為原料小米的質(zhì)量，g；N為稀釋倍數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

繪制出葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。圖中的橫坐標(biāo)為ρ(葡萄糖)，縱坐標(biāo)為吸光度值，得出標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性回歸方程為y=0.007x+0.006，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.999，說明該標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系良好。

ρ(葡萄糖)/(μg·mL-1)圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用單因素實(shí)驗(yàn)測(cè)定了超聲時(shí)間、超聲功率、提取溫度和料液比4種因素對(duì)米脂小米多糖超聲提取率的影響，結(jié)果見圖2。

超聲時(shí)間/mina 超聲時(shí)間

超聲功率/Wb 超聲功率

提取溫度/℃c 提取溫度

料液比/(g·mL-1)d 料液比圖2 不同條件對(duì)小米多糖提取率的影響

由圖2a可知，隨著超聲時(shí)間的增加提取率在增加，在50min后趨于穩(wěn)定，因此選擇超聲時(shí)間為50min；由圖2b可知，多糖提取率在超聲功率為70W時(shí)達(dá)到最大，繼續(xù)增加功率多糖提取率反而減小，說明超聲功率過大可能會(huì)破壞多糖的結(jié)構(gòu)，因此選擇超聲功率為70W；由圖2c可知，小米多糖的提取最佳溫度為50 ℃，因此，選擇溫度為50 ℃；由圖2d可知，隨著提取液的增加多糖提取率在增加，在料液比為1∶20g/mL后趨于穩(wěn)定，提取率不再上升，因此選擇料液比為1∶20g/mL。在上述條件下，陜北小米多糖的提取率可達(dá)0.923%。

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化小米多糖提取工藝

2.3.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果采用響應(yīng)面分析軟件中的Box-Behnken設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將對(duì)影響小米多糖提取的4個(gè)因素超聲時(shí)間(A)、超聲功率(B)、提取溫度(C)和料液比(D)進(jìn)行四因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了29組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的因素和水平設(shè)計(jì)見表1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)編碼表

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表2中前24組是析因?qū)嶒?yàn)，后5組為中心實(shí)驗(yàn)，中心實(shí)驗(yàn)的作用是估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。

2.3.2 模型的建立及方差分析

該提取模型的建立及方差分析見表3。

表3 回歸模型的建立與方差分析

續(xù)表

2.3.3 響應(yīng)面分析

響應(yīng)面法可以得出各因素間交互作用對(duì)小米多糖提取率的影響，從3D立面圖中曲面的陡峭程度來判斷其對(duì)提取率的影響，圖中曲面越陡峭(顏色越深)的一方對(duì)提取率的影響越大，具體見圖3。

a 超聲時(shí)間與超聲功率的交互作用

b 超聲時(shí)間與提取溫度的交互作用

c 超聲時(shí)間與料液比的交互作用

d 超聲功率與提取溫度的交互作用

e 超聲功率與料液比的交互作用

f 提取溫度與料液比的交互作用圖3 各因素間交互作用對(duì)小米多糖提取率影響的3D立面圖

由圖3可知，圖3a中2個(gè)因素對(duì)應(yīng)的曲面陡峭程度相差不大，說明超聲時(shí)間和超聲功率對(duì)多糖提取率的影響程度幾乎接近；由圖3b可知提取溫度的影響略大于超聲時(shí)間的影響；圖3c中料液比對(duì)應(yīng)的一面明顯比超聲時(shí)間所對(duì)應(yīng)的面更陡峭，因此，料液比的影響更大；由圖3d可知提取溫度的影響略大于超聲功率的影響；圖3e中料液比對(duì)提取率的影響要明顯大于超聲功率；圖3f中料液比的影響也明顯大于提取溫度對(duì)提取率的影響。綜合可得，料液比對(duì)米脂小米多糖提取率的影響最大，然后是提取溫度和超聲時(shí)間，超聲功率對(duì)提取率的影響最小。

響應(yīng)面優(yōu)化法建立的該提取過程的數(shù)學(xué)模型及回歸方程可以預(yù)測(cè)出該提取過程的最佳提取條件為超聲時(shí)間53.21min、超聲功率72.82W、提取溫度48.79 ℃、料液比1∶22.16g/mL，預(yù)測(cè)提取率為0.993%。為了便于操作，將提取操作條件圓整為提取時(shí)間53min、超聲功率73W、提取溫度49 ℃、料液比1∶22g/mL。最后進(jìn)行了3次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得出平均提取率為0.985%，與預(yù)測(cè)值基本接近。因此，可以用該模型來優(yōu)化該提取過程的工藝條件。

3 結(jié) 論

對(duì)米脂小米多糖進(jìn)行了提取研究，采用超聲輔助提取法，用苯酚硫酸法對(duì)多糖進(jìn)行檢測(cè)，采用單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)提取條件進(jìn)行了優(yōu)化，建立了米脂小米多糖超聲提取過程的數(shù)學(xué)模型，得到的優(yōu)化工藝路線為提取時(shí)間53min，超聲功率73W，提取溫度49 ℃，料液比1∶22g/mL，米脂小米多糖的平均提取率為0.985%，與該提取模型的預(yù)測(cè)值基本一致，說明用響應(yīng)面優(yōu)化的方法可以較好完成該提取條件的優(yōu)化，同時(shí)與傳統(tǒng)的提取方法比較，大大縮短了小米多糖的提取時(shí)間，而提取率基本相當(dāng)。綜上所述，小米多糖的超聲提取研究可以為其后續(xù)研究提供一定的理論基礎(chǔ)。