均匀设计优化小米多糖提取工艺

诸爱士，叶金娜，严飞娜

（浙江科技学院 生物与化学工程学院，杭州310023）

小米是粟（Setaria italica）脱壳制成的粮食，因其粒小，直径1mm左右，故名。目前，中国小米的种植面积和产量均居世界首位，是中国北方地区主要的粮食作物之一，年产量270～450万t，资源丰富。每100g小米含蛋白质9.7g，比大米高；脂肪1.7g、碳水化合物76.1g，都不低于稻、麦。一般粮食中不含有的胡萝卜素，而在小米中含量达0.12mg，维生素B1的含量位居所有粮食之首。因此，对小米资源的开发利用具有非常重要的意义。

有文献报道了小米淀粉［1］、黄色素［2］、多酚［3］、VB［4］2、细糠油［5］等的提取，而活性多糖的提取鲜见报道。从天然产物中提取多糖［6－10］的报道已有很多，并且证明天然多糖是一种免疫调节剂，它能激活免疫细胞而对正常细胞没有毒副作用［11］。为研究小米多糖的提取工艺，对颗粒与粉、液料比（去离子水与小米的质量比，g/g，全文同）、提取时间、提取温度、提取次数和搅拌速率6个因素影响小米多糖提取效果的情况进行了单因素考察，在此基础上选取液料比、提取时间、提取温度3个因素均匀设计试验进行优化，以期为工业化应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小米：市售，内蒙古赤峰产；粉碎，过20目筛，在60℃干燥箱中干燥备用。

葡萄糖（分析纯），广东汕头市光华化学厂；苯酚（分析纯），杭州高晶精细化工有限公司；硫酸（分析纯），浙江衢州巨化试剂有限公司。

722E型可见分光光度计，上海光谱仪器有限公司；DK－S24电热恒温水浴锅，上海精宏试验设备有限公司；DHG－9123A型电热恒温鼓风干燥箱，上海精密实验设备有限公司；800B离心机，上海安亭科学仪器厂；HL－26型多功能食品粉碎机，上海海菱电器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 多糖含量的测定

多糖含量的测定采用硫酸－苯酚法，含量以葡萄糖质量浓度计［6，9］。

经作工作曲线，将吸光度与含量拟合得关系式如下式（1）：

式（1）中：X— 葡萄糖质量浓度，g/L；Y—485nm处的吸光度。

多糖的收率依公式（2）计算：

式（2）中：η—小米多糖的收率，mg/g；V— 粗多糖溶解定容后的总体积，L；M—原料小米用量，g。

1.2.2 试验步骤与单因素考察

取60℃下干燥的小米颗粒或粉5g放入三口烧瓶，加入一定比例的水，将烧瓶放入设定温度的恒温水浴中，搅拌浸提一定时间；取出料液用离心机在4 000r/min下离心15min，然后取上清液，加3倍95%乙醇进行醇析，再在4 000r/min下将料液离心15min，接着进行过滤，得到小米粗多糖；溶解并定容，进行多糖含量测定。

单因素考察颗粒与粉、提取温度、提取时间、液料比、提取次数和搅拌速率6个因素对多糖提取收率的影响。

1.2.3 均匀设计试验

根据单因素试验结果，选择影响提取收率明显的3个因素进行均匀设计试验，优化提取条件。

1.2.4 统计及分析

采用DPS v7.05软件进行分析，用OriginPro 75软件绘图。

2 结果与讨论

2.1 单因素考察

2.1.1 颗粒与粉对收率的影响

液料比20∶1、70℃、50r/min搅拌、1次提取1.5h，对比颗粒与粉对多糖收率的影响，结果如图1所示。

图1 颗粒或粉对收率的影响Fig.1 Effects of particle or powder on extraction yield

由图1可见，相同条件下粉状有利于多糖的提取。原因是多糖从颗粒内部扩散至溶液中需要更多的时间，而粉增大了传质的面积，并减小了传递的距离，即减少了传质阻力，故相同的提取时间，粉获取的多糖多于颗粒；但对于颗粒，延长提取时间会提高多糖的收率。当然，颗粒的粒度也会有一定的适宜值，试验没有作进一步的研究，以下试验采用粉状。

2.1.2 液料比对收率的影响

粉状、70℃、50r/min搅拌、1次提取1.5h，研究液料比对收率的影响，结果见图2。

图2 液料比对收率的影响Fig.2 Effects of liquid－solid ratio on extraction yield

图2表明，多糖收率先随着液料比的增加而增大，这是因为在传质过程中，随着液料比的增加，溶液中多糖质量浓度被稀释降低，从而增加了固相与液相间多糖的质量浓度差，使传质推动力增加，加快了传递速率；在液料比为20∶1时收率达到最大，随后收率反而有所减小。液料比增大会带来一系列的影响，如提取剂用量增大、后续分离操作产品损耗增多、设备容积加大、提取与分离操作的能耗增加等，所以在提取多糖时取液料比为20∶1。

2.1.3 提取时间对收率的影响

粉状、液料比20∶1、70℃、50r/min搅拌、1次提取，考察提取时间对收率的影响，结果见图3。

图3表明，多糖收率先随提取时间的增加有比较大的增加，后随时间增长有所减少。这是因为小米细胞破壁与多糖从固相传递到液相中需要一定的时间，随着提取时间延长有更多的多糖扩散至溶液中；但是提取时间过长会使已经进入溶液中的多糖因长时间处在较高温度下而导致变性，表现出收率有明显降低，所以确定提取时间为2.0h。

图3 提取时间对收率的影响Fig.3 Effects of extraction time on extraction yield

2.1.4 提取温度对收率的影响

粉状、液料比20∶1、50r/min搅拌、1次提取2.0h，考察提取温度对收率的影响，结果见图4。

图4显示，多糖收率先随提取温度升高而增大，到70℃后，收率随温度升高而变小。热处理是有效降低致密的植物组织连接及破解植物细胞的方法之一，它能有效地破壁，使多糖从细胞中扩散出来变得容易；温度升高一则加快了分子热运动，提高了物质的扩散系数，同时降低了溶液的黏度，减少了传质的阻力，进而加快了传质速率，在相同的提取时间里增加了多糖的提取量；但过高的温度会使多糖分解变性而降低收率，因此，确定多糖提取温度为70℃。

图4 提取温度对收率的影响Fig.4 Effects of extraction temperature on extraction yield

2.1.5 提取次数对收率的影响

粉状、液料比20∶1、70 ℃、50r/min搅拌、提取2.0h，考察提取次数对收率的影响。分别水提1、2、3次，各次的多糖收率见图5。

图5 提取次数对收率的影响Fig.5 Effects of extraction times on extraction yield

由图5可知，增加提取次数会提高多糖收率。2次提取，多糖总收率增幅为6.9%；3次提取，多糖总收率增幅为2次的2.6%，增幅不大。而增加提取次数会使操作成本成倍增加，故多次提取所带来的收益可能弥补不了费用的增大，故以下试验选提取次数为1次。

2.1.6 搅拌速率对收率的影响

粉状、液料比20∶1、70℃、1次提取2.0h，考察搅拌速率对收率的影响，结果见图6。

图6显示，收率先随搅拌速率增大而增大，到150r/min后，收率基本不变。其原因是搅拌加快了物质的传递和扩散，而搅拌速率达到一定值后，其强化作用已完全发挥而不再使收率增大，因此150r/min的搅拌速率比较适宜。

图6 搅拌速率对收率的影响Fig.6 Effects of stirring rate on extraction yield

2.2 均匀设计优化

2.2.1 试验结果与分析

在单因素试验结果的基础上，采用粉状小米、150r/min搅拌、1次提取，选择影响提取收率明显的液料比、提取时间、提取温度3因素为考察因素，再根据单因素考察结果，以液料比20∶1、提取时间2.0h、提取温度70℃为水平中心，以多糖收率为评价指标，用U12（123）均匀设计表［12］设计试验，对提取工艺进行优化。所选因素水平见表1，均匀试验方案及试验结果见表2。

表1 试验因素水平表Table 1 Experimental factors and levels

表2 试验设计及结果Table 2 Experimental design and results

将表2试验结果经DPS软件进行二次多项式逐步回归分析，得到回归方程为：

相关系数R＝0.988 1，调整后的相关系数R＝0.973 7，决定系数R2＝0.976 36；F＝34.418 7＞

a F0.01（6，5）＝10.67；显著水平p＝0.000 7；剩余标准差S＝0.220 2；Durbin－Watson统计量d＝2.440 112 78，说明该方程能很好地拟合热水法提取小米多糖的过程，具体的拟合误差见表3。

表3 多糖实测值与拟合值对比Table 3 Actual and theory yields of polysaccharides

各因素之间的交互作用及各因素对试验结果影响程度见表4，比较t值和p值的绝对值，可以看出，表4中所列各项对多糖提取影响均达到极显著水平（p＜0.01）；由3个因素的平方项、因素间的组合项对提取有影响可以看出，均匀设计优化优于单因素考察选择条件。两因素间的交互作用见图7，由图7可以看出，两因素对多糖收率的作用不是简单的拮抗或叠加作用，在操作范围内多糖收率均能获得极值。

表4 回归系数对收率的影响Table 4 Significance of regression coefficient for yield

图7 不同因素组合的交互作用图Fig.7 Chart of interactive effect as function of different conditions

2.2.2 极 值

由DPS可得多糖收率最高指标时各个因素组合：液料比X1＝21.71∶1，提取时间X2＝2.19h，提取温度X3＝72.27℃，此时多糖收率为7.95mg/g。

2.2.3 验证试验

为验证方程的准确程度，采用以上获得最高收率时的因素条件，进行3次重复提取试验。考虑指标控制和方便操作，取液料比21.7∶1、提取时间2.19h、提取温度72.3℃，得到平均收率为7.90mg/g。与理论值基本相等，说明拟合得到的最优条件和提取操作可靠、稳定。

3 结 语

研究小米多糖提取中采用单因素考察结合均匀设计试验，分别研究了颗粒与粉、提取温度、提取时间、液料比、提取次数和搅拌速率对小米多糖收率的影响，进而选择液料比、提取时间、提取温度3个因素进行了U12（123）均匀设计试验，研究了多糖提取条件的优化，获得了优化提取条件，即液料比21.7∶1（g/g）、提取时间2.19h、提取温度72.3℃，在此优化条件下小米多糖收率为7.90mg/g。

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