响应面法优化无梗五加果多糖超声波、微波法提取工艺研究

冯 颖，陈巧红，孟宪军，王建国

(1.沈阳农业大学食品学院，辽宁 沈阳 110866； 2.辽宁省质量技术监督局，辽宁 沈阳 110003)

响应面法优化无梗五加果多糖超声波、微波法提取工艺研究

冯 颖1，陈巧红1，孟宪军1，王建国2

(1.沈阳农业大学食品学院，辽宁 沈阳 110866； 2.辽宁省质量技术监督局，辽宁 沈阳 110003)

根据中心组合(Box-Behnken)试验设计原理采用响应面分析法，分别对无梗五加果多糖的超声波提取工艺和微波提取工艺进行优化。结果表明：超声波法提取多糖的最佳工艺参数为料液比1:70(g/mL)、提取时间50min、提取功率175W、提取温度为60℃，实际测得多糖得率为3.491%；微波法提取多糖的最佳工艺参数为料液比1:40 (g/mL)、提取时间80s、提取功率595W，实际测得多糖得率为3.482%，与模型预测值基本相符。

无梗五加；多糖；提取；响应面

无梗五加，又名短梗五加，为五加科五加属植物。长期以来，在我国东北地区代替刺五加药用[1-2]。2003年韩国学者文献报道无梗五加果多糖具有抗肿瘤活性[3]，本课题组也曾研究报道无梗五加果多糖具有清除羟自由基、抗疲劳、抗缺氧、免疫调节的活性[4]。因此，开发利用无梗五加果多糖资源，优化其提取工艺，对扩大其应用和工业化生产具有现实意义。响应面分析法是一种优化工艺条件的有效方法，可检查一个或多个响应变量与一系列试验变量之间的关系，确定试验因素及其交互作用在工艺过程中对指标响应值的影响，精确地表述因素和响应值之间的关系，在试验设计与结果表述方面更加优良[5-8]。近年来，科研工作者将响应面分析法应用于植物多糖提取工艺参数的优化，提取参数更加精确，多糖提取率大大提高[9-13]。而目前尚未见有关于响应面法应用于无梗五加果多糖提取工艺参数优化方面的研究报道。课题组在前期试验[14-15]研究的基础上，进一步采用响应面法对该多糖的超声波法提取工艺和微波法提取工艺进行了优化，旨在加速无梗五加果多糖在功能食品和药品领域的应用步伐。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

无梗五加干果：人工栽培品种，由辽宁省丹东农业科学院提供。

无水乙醇、丙酮、乙醚、葡萄糖、浓硫酸、苯酚均为分析纯。

7200型可见分光光度计 尤尼柯(上海)有限公司；微波炉 Galanz公司；KQ-250DB型数控超声波清洗器昆山市超声仪器有限公司； SHZ-IIIB型循环水真空泵 上海华琦科学仪器有限公司；布氏漏斗、小型粉碎机、天平等。

1.2 无梗五加果多糖提取工艺流程

无梗五加干果→粉碎→微波(超声波)提取→抽滤→滤液→醇沉过夜(乙醇体积分数达到75%)→离心→沉淀→无水乙醇、丙酮、乙醚依次洗涤→60℃烘干→粗多糖粉末

1.3 多糖测定方法及提取率的计算

取0.01g粗多糖粉末，以适量蒸馏水溶解并定容至100mL，取2mL采用苯酚硫酸法[9-10]测定多糖质量浓度，从而计算提取出的多糖质量，并计算提取率。

多糖测定的标准曲线：Y=9.0518X－0.0116[(Y为吸光度，X为多糖质量浓度/(mg/mL)]，R2=0.9916。

多糖提取率/%= 提取出的多糖质量/原料用量×100 (原料用量均为2g)

基于上述分析，已知信息节点集合可采用上述方法依次进行不等概率抽样来确定。不完全信息下节点失效策略即为优先失效集合中的节点和随机失效集合中的节点。同时，为避免高重要度节点的重复入样，上述不等概率抽样为无放回的，即每完成一次抽样后，重新计算ρi和χi再进行抽样，直至获取η×n个已知信息节点为止。

1.4 超声波法提取无梗五加果多糖响应面试验设计因素水平及编码

在前期单因素试验[9]的基础上，选择提取功率、提取温度、提取时间以及料液比为自变量，根据中心组合(Box-Behnken)试验设计原理采用四因素三水平的响应面分析法，确定超声波法提取无梗五加果多糖的最佳工艺参数。试验设计因素水平及编码见表1。

表1 超声波法提取无梗五加果多糖响应面试验设计因素水平及编码Table1 Factors and levels of response surface methodology for ultrasonic extraction of polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits

1.5 微波法提取无梗五加果多糖响应面试验设计因素水平及编码

在前期单因素试验[10]基础上，选择提取功率、提取时间以及料液比为自变量，根据中心组合(B o x-Behnken)试验设计原理采用三因素三水平响应面分析法，确定微波法提取无梗五加果多糖的最佳工艺参数。试验设计因素水平及编码见表2。

表2 微波法提取无梗五加果多糖响应面试验设计因素水平及编码Table2 Factors and levels of response surface methodology for microwave extraction of polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits

2 结果与分析

2.1 超声波法提取无梗五加果多糖响应面试验设计及结果

表3 超声波法提取无梗五加果多糖响应面试验设计及结果Table3 Design and results of response surface methodology for ultrasonic extraction of polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits

根据表3的结果，利用Minitab 15软件对表 3中的试验数据进行多元回归拟合。得到无梗五加果多糖提取率对编码自变量的二次多项式回归模型为：

表4 回归模型显著性检验及方差分析Table4 Significance test and variance analysis for the regression model of ultrasonic extraction

表4结果表明该模型回归显著。模型的R2=0.9863，说明模型与实际实验拟合较好，自变量和响应值之间关系显著。模型失拟项P=0.885，不显著，表明该回归模型对实验结果拟合良好，实验误差小，因此，可用该回归模型代替实验真实点对实验结果进行分析和预测。

表5 回归模型系数显著性检验Table5 Significance test for each item in the regression model of ultrasonic extraction

由表5可知，各因素对无梗五加果多糖得率的影响是X4＞X1＞X2＞X3，即料液比影响最大，其次是提取时间、提取温度、提取功率。交互项除X2X4不显著外(P＞0.05)，其余之间都显著，即除提取温度和料液比之间不存在显著交互作用，其余之间都存在显著的交互作用，各因素对无梗五加果实多糖得率的影响不是简单的线性关系。

图1 超声波法提取无梗五加果多糖响应曲面分析Fig.1 Response surface analysis for ultrasonic extraction of polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits

从图1A可以看出，提取功率对多糖提取率的影响变化趋势受料液比的交互作用的影响。当提取功率较小时，多糖提取率随料液比的增加先快速增加到峰值后迅速减少，当提取功率较大时，多糖提取率随料液比的增加而急剧增加。

从图1B可以看出，提取时间对多糖提取率的影响变化趋势受提取温度的交互作用的影响。当提取时间较小时，多糖提取率随提取温度的增加而急剧增加，当提取时间较大时，多糖提取率随提取温度的增加变化不明显。

从图1C可以看出，提取时间对多糖提取率的影响变化趋势受提取功率的交互作用的影响。当提取时间较小时，多糖提取率随提取功率的增加而急剧增加，当提取时间较大时，多糖提取率随提取功率的增加而下降。

从图1D可以看出，提取时间对多糖提取率的影响变化趋势受料液比的交互作用的影响。当提取时间较小时，多糖提取率随料液比的增加减小，当提取时间较大时，多糖提取率随料液比的增加而急剧增加。

从图1E可以看出，提取温度对多糖提取率的影响变化趋势受提取功率的交互作用的影响。当提取温度较低时，多糖提取率随提取功率的增加而急剧增加，当提取温度较高时，多糖提取率随提取功率的增加降低。

2.3 超声波法提取无梗五加果多糖响应面试验模型的验证

由回归模型得到的无梗五加果多糖提取的最佳工艺条件为料液比1:70(g/mL)、提取时间50min、提取功率175W、提取温度60℃，多糖提取的理论值达到3.695%。在此工艺条件下实际提取无梗五加果多糖，测定多糖提取率为3.491%，与理论最大值接近，说明回归模型可以较好地反映出无梗五加果多糖提取的最佳条件。

2.4 微波法提取无梗五加果多糖响应面试验设计及结果

表6 微波法提取无梗五加果多糖响应面试验设计及结果Table6 Design and results of response surface methodology for microwave extraction of polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits

表7 回归模型方差分析Table7 Significance test and variance analysis for the regression model of microwave extraction

表7结果表明该模型回归显著。模型的R2=0.9780，说明通过二次回归得到的多糖提取率的模型与实际实验拟合较好，自变量和响应值之间关系显著。模型失拟项P=0.981，不显著，表明该模型对实验结果拟合良好,实验误差小，因此，可用该回归模型代替实验真实点对实验结果进行分析和预测。

表8 回归模型系数显著性检验Table8 Significance test for each item in the regression model of microwave extraction

由表8可知，各因素对多糖提取率的影响是X3＞X1＞X2，即料液比对多糖提取率的影响最大，其次是提取时间，最后是提取功率。交互项X1X2、X1X3、X2X3显著(P＜0.05)，表明提取时间、提取功率和料液比之间存在显著交互作用，各因素对多糖得率的影响不是简单的线性关系。各因素拟合后，选择对响应值显著的各项，得到无梗五加果实多糖得率对编码自变量的二次多项式回归方程为：Y=3.0606＋0.2270X1－0.6820X3＋0.6392X12＋0.4379X22－0.5697X1X2－0.3710X1X3－0.5146X2X3。

2.5 微波法提取无梗五加果多糖响应曲面直观分析

图2 微波法提取无梗五加果多糖响应曲面分析Fig.2 Response surface analysis for microwave extraction of polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits

从图2A可以看出，提取功率对多糖提取率的影响变化趋势受料液比的交互作用的影响。当提取功率较小时，多糖提取率随料液比的增加变化不明显，当提取功率较大时，多糖提取率随料液比的增加而急剧减小。

从图2B可以看出，提取时间对多糖提取率的影响变化趋势受料液比的交互作用的影响。当提取时间较小时，多糖提取率随料液比的增加变化不明显，当提取时间较大时，多糖提取率随料液比的增加而急剧减小。

从图2C可以看出，提取时间对多糖提取率的影响变化趋势受提取功率的交互作用的影响。当提取时间较小时，多糖提取率随料液比的增加而急剧增加，当提取时间较大时，多糖提取率随提取功率的增加下降。

2.6 微波法提取无梗五加果多糖响应面试验模型的验证

回归模型预测的微波法提取多糖的最佳工艺条件为料液比1:40(g/mL)、提取时间80s、提取功率595W，多糖提取的理论值达到3.700%。实际测得提取率3.482%，与理论最大值接近，偏差较小，说明回归模型可以较好的反映出无梗五加果多糖提取的最佳条件，从而也说明了响应面法对无梗五加果多糖提取条件参数优化的可行性。

3 结 论

采用响应面分析法优化无梗五加果多糖的超声波法提取工艺及微波法提取工艺的最佳工艺参数分别为料液比1:70 (g/mL)、提取时间50min、提取功率175W、提取温度为60℃，实际测得多糖得率为3.491%；料液比1:40(g/mL)、提取时间80s、提取功率595W，实际测得多糖得率为3.482%，与模型预测值基本相符。

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Optimization of Microwave and Ultrasonic Extraction of Polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus Fruits by Response Surface Methodology

FENG Ying1，CHEN Qiao-hong1，MENG Xian-jun1，WANG Jian-guo2
(1. College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China；2. Liaoning Bureau of Quality and Technical Supervision, Shenyang 110003, China)

The response surface methodology based on Box-Behnken design principle was used to optimize processing parameters of ultrasonic and microwave extraction for polysaccharides from Acanthopanax sessiliflorus fruits. Results showed that the optimal processing conditions of ultrasonic extraction were material-liquid ratio of 1:70 (g/mL), ultrasonic power of 175 W, extraction temperature of 60 ℃ and extraction time of 50 min. The optimal processing conditions of microwave extraction were material-liquid ratio of 1:40 (g/mL), microwave power of 595 W and extraction time of 80 s. The yields of polysaccharides were up to 3.491% and 3.482% under the optimal ultrasonic and microwave extraction conditions, respectively, which was consistent with the predicted results.

Acanthopanax sessiliflorus；polysaccharide；extraction；response surface methodology

O629.12

A

1002-6630(2010)22-0268-05

2010-06-30

辽宁省博士科研启动基金项目(20091068)

冯颖(1975—)，女，副教授，博士，研究方向为天然产物与功能食品。E-mail：fywjg@sina.com