裂片石莼多糖的超声波辅助提取优化及其理化性质*

邵平，裴亚萍，陈晓晓，陈蒙，孙培龙

(浙江工业大学生物与环境工程学院，浙江杭州，310014)

石莼(Ulva fasciata)又名海白莱、海莴苣，属绿藻门石莼科的药食两用海藻，常见种类主要有孔石莼、石莼、砺菜、裂片石莼等。在长江以南沿海地区广泛分布，浙江沿海资源丰富。文献记载有软坚散结、清热解毒、利水降脂等作用［1］。现代研究表明，石莼有抗凝血、净化血液、抗病毒和降胆固醇等作用，其主要活性成分为多糖［2］。

国内外对石莼的研究起步较早但不够深入［1－4］。目前为止对石莼的研究主要集中在孔石莼方面，对裂片石莼的研究甚少，石莼多糖的提取仍停留在热水浸提法上，未见采用超声波辅助提取法报道，对其理化性质的研究不够深入。

海藻多糖中含有大量的羟基，能与水分子形成化学键，具有一定的吸湿作用，是保润作用的主要成分，且藻类中的多糖含量丰富，开发应用浙江沿海藻类具有巨大潜力。朱尊权等人将羊栖菜提取液作为烟用料液加入到卷烟烟丝上，在燃吸卷烟时可产生特有的化学成分，明显改善或提高卷烟的质量品质［5］。不同的海藻中含有的多糖不同，不同的多糖燃吸的口感也不同，但到目前为止还未见将裂片石莼多糖应用于烟草保润的报道。

本文选取南麂列岛地产裂片石莼为研究对象，优化超声波辅助提取裂片石莼多糖的工艺条件，并对多糖样品的理化性质进行了分析，并将其添加到烟丝中对制备样品卷烟进行综合感官评吸，为海洋绿藻资源的综合开发利用提供的参考。

1 材料与方法

1.1 设备与仪器

DJ-04型中药粉碎机(上海淀久仪器);AL104电子天平(感量:0.0001 g，梅特勒-托利多仪器有限公司);FS-1200型直插式超声波细胞破碎器(上海生析超声仪器有限公司);CR21GII型高速冷冻离心机(日本日立公司);RE-2000A型旋转蒸发器(上海亚荣生化仪器厂);752型紫外可见分光光度计(上海光学仪器有限公司);ALPHA 2-4LD PLUS型真空冷冻干燥机(德国Marin Christ公司);HWS-150型恒温恒湿箱(上海森信实验仪器有限公司);Nicolet 6700型傅里叶红外光谱仪(Thermo Electron公司);UV-2450PC紫外分光光度计(日本岛津公司)。

1.2 材料与试剂

裂片石莼，采自浙江温州平阳县南麓列岛，经过淡水反复冲洗，阴干，放于60℃烘干保存备用。

试剂:葡萄糖(广东光华化学厂有限公司);浓HCl、浓H2SO4(衢州巨化试剂有限公司);苯酚(浙江杭州双林化工试剂厂);体积分数95%乙醇(安徽安特生物化学有限公司);考马斯亮蓝G-250(国药集团化学试剂有限公司)、牛血清血蛋白(上海伯奥生物科技有限公司)、CaCl2(上海试四赫维化工有限公司)、H3PO4(上海凌峰化学试剂有限公司);明胶(中国上海试剂总厂);BaCl2(上海泗联化工厂有限公司);三氯乙酸(如皋市金陵试剂厂);K2SO3(上海振欣试剂厂)，以上样品试剂均为分析纯。

1.3 实验方法

1.3.1 裂片石莼粗多糖的提取工艺流程

裂片石莼→粉碎→过筛→超声波辅助提取→离心取上清液→浓缩→80%乙醇沉淀→离心取沉淀→冷冻干燥

1.3.2 多糖提取率的测定

采用苯酚-硫酸法测定多糖含量［6］。所得标准曲线回归方程为Y=6.954 8X－0.047 9(R2=0.999 1，说明线性关系良好)。多糖提取率计算公式如下:

式中:c为从标准曲线查得糖浓度(mg/mL);n为稀释倍数;V为原液体积(mL);m为原料质量(g)。

1.3.3 响应面试验设计

根据Box-Behnken组合试验设计原理，通过对料液比、提取时间、功率和脉冲循环时间的单因素试验考察，选取对提取工艺影响显著的3个因素，分别为提取时间(20、30、40 min)，功率(480、600、720 W)，脉冲循环时间(0、4、8 s)，分别以 A、B、C 代表，每个自变量的低、中、高实验水平分别以－1、0、1进行编码，试验设计如表1所示。

表1 响应面分析因子及水平Table 1 Factors and levels of RSM analysis

1.3.4 裂片石莼粗多糖理化性质分析

物理性质分析:观察多糖的色、溴、味，观察多糖在水及几种有机溶剂中的溶解性。

化学性质分析:Molish反应、苯酚-硫酸反应、Fehling反应。

(1)粗多糖中总糖含量的测定:苯酚-硫酸法，同1.3.2。

(2)粗多糖中蛋白含量的测定:考马斯亮蓝法［7］。所得标准曲线回归方程为 Y=5.879 8X+0.010 8，R2=0.992 2。

(3)粗多糖中硫酸根含量的测定:硫酸钡比浊度法［8］。所得标准曲线回归方程为 Y=0.003 1X+0.001 3，R2=0.992 2。

(4)粗多糖中糖醛酸含量的测定:硫酸-咔唑比色法［9］。所得标准曲线回归方程为 Y=0.010 9X+0.018 4，R2=0.998 1。

(4)裂片石莼多糖的紫外全扫描:称取粗多糖2 mg，溶于蒸馏水中稀释至1 mg/mL，于190～600 nm下进行紫外全扫描。

(5)裂片石莼多糖的红外光谱:将干燥的粗多糖样品于KBr压制成片，用红外光谱仪，扫描400～4 000 cm－1波长范围的光谱吸收值。

1.3.5 样品烟的制备和评吸

称取适量的烟丝在恒温(22℃ ±1℃)恒湿(相对湿度为60% ±2%)箱内平衡48 h，将裂片石莼多糖配成1 mg/mL的溶液，取5 mL均匀喷洒在25 g烟丝上，于恒温恒湿箱中平衡48 h(条件同上)，用手动打烟机打烟，每支卷烟保持在0.7 g烟丝，烟丝分布均匀，软硬适中，送往浙江中烟公司让专业评吸人员进行综合感官评吸。

2 结果与讨论

2.1 超声波提取过程中单因素的影响

2.1.1 料液比对多糖提取率的影响

由于裂片石莼叶肉中水分含量较少，推测料液比是影响多糖提取率的重要因素。从图1可知，料液比的增大对提高裂片石莼多糖提取率的效果不显著，曲线较平缓，当料液比为1∶20时，多糖提取率就达到9.96%，增大料液比，提取率未见增加。当料液比为1∶20、1∶60、1∶100时，多糖提取率较为接近，由于后续工序中需经浓缩，若初期加水量过大会使后续工序能耗增加，效率降低，因此选择料液比为1∶20左右较为合适。

图1 料液比对裂片石莼多糖提取率的影响Fig.1 Effect of solid/liquid ratio on polysaccharide extraction rate

2.1.2 提取时间对多糖提取率的影响

从图2可知，随提取时间的延长，多糖提取率不断增加，由4.19%增加到9.68%，提取率在30 min之前增加较显著，30 min时达到最大为9.68%，以后趋于平缓，为缩短工时减少能耗，选择最佳提取时间为30 min。

2.1.3 超声功率对多糖提取率的影响

图2 提取时间对裂片石莼多糖提取率的影响Fig.2 Effect of extraction time on polysaccharide extraction rate

从图3可知，当提取功率为240、360 W时，多糖提取率较低，分别为3.28%、4.00%。但随着功率增加多糖的提取率显著提高，480 W时达到9.61%，继续增大功率提取率上升不明显。综合考虑提取率和能耗，选择最佳提取功率为600 W。

图3 超声功率对裂片石莼多糖提取率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic power on polysaccharide extraction rate

2.1.3 超声脉冲循环时间对多糖提取率的影响

脉冲循环时间是一个周期内超声波脉冲作用的时间，如脉冲循环时间为4 s，就是超声波处理样品时，4 s作用于样品4 s停留，如此循环;脉冲循环时间为0 s代表一直超声;脉冲循环时间是影响超声波提取效率的一个重要条件。从图4可知，当脉冲循环时间为1 s时，多糖提取率最低，为3.80%;当脉冲循环时间为8 s时，多糖提取率达到最高为11.70%;在脉冲循环时间为0 s和4 s时，多糖的提取率分别为8.96%和11.22%。综合考虑，选取脉冲循环时间为4s为最佳。

2.2 响应面法优化裂片石莼多糖提取的工艺参数

2.2.1 响应面分析方案及结果

响应面分析实验结果见表2、表3。利用Design Expert 8.5软件对表2实验数据进行分析，获得裂片石莼多糖提取率对提取时间、超声功率和脉冲循环时间的多元二次回归方程因素代码形式为:

图4 脉冲循环时间对裂片石莼多糖提取率的影响Fig.4 Effect of pulse recurrent time on polysaccharide extraction rate

表2 响应面试验设计方案及试验结果Table 2 Experiment design and results of RSM

表3 回归模型方差分析Table 3 ANOVA regression model

由表3显著性检验表明，模型回归达到极显著的水平，模型的决定系数R2=0.951 5，说明模型与实际实验拟合有97.91%的符合度;校正决定系数=0.903 0，说明该模型能解释90.30%响应值的变化;失拟值P值0.309 8，说明检验结果与模型计算结果没有显著差异;若模型很好地预测了实际结果，则F检验值应远远大于理论计算值，此模型的F检验值为19.62，理论值在0.05水平上查表可得 F(8，4)=6.04，说明方差显著性很高，因此可以用该回归方程代替实验真实点对试验结果进行分析和预测［11］。

2.2.1 响应面分析方案及结果

二次回归方程的响应面及其等高线如图5～图7所示，各个因素及其相互间的交互作用对响应值的影响结果通过该组图可以直观地反映出来。

由图5可知，与超声功率相比，提取时间对多糖提取率的影响呈现较为平缓的趋势，超声功率的影响较大，曲线陡峭且呈先逐渐上升后稍微下降的趋势，超声功率与提取时间的交互作用不显著，两者各自与多糖提取率相关。由图6可知，脉冲循环时间对多糖提取率的影响大于提取时间，两者无交互作用。由图7可知，与脉冲循环时间相比，超声功率对多糖提取率的影响更为显著，且两者无交互作用。从这3组图可以看出，影响裂片石莼多糖提取率最显著的因素为超声功率，表现为响应面变化弧度较大，其次是脉冲循环时间，提取时间响应面弧度变化平缓，说明对响应值的影响较小。

图5 Y=f(A，B)的响应面和等高线图Fig.5 Responsive surfaces and contours of Y=f(A，B)

图6 Y=f(A，C)的响应面和等高线图Fig.6 Responsive surfaces and contours of Y=f(A，C)

图7 Y=f(B，C)的响应面和等高线图Fig.7 Responsive surfaces and contours of Y=f(B，C)

2.2.3 最佳工艺的求解

通过Design-Expert软件对上述方程进行求解，得到最佳的提取条件为:提取时间32.99 min，超声功率618.97 W，脉冲循环时间为0 s即一直超声，在此条件下，裂片石莼多糖提取率的理论值可达14.20%。为检验该法的可靠性，考虑到实际操作的便利，将最佳工艺修正为超声时间33 min，超声功率620 W，脉冲循环时间为0 s，在此条件下进行验证试验，经3次平衡试验，实际多糖提取率为14.11%、14.09%、14.21%，与回归模型预测的多糖提取率无显著差异，实验结果与模型符合良好，该模型可较好地模拟和预测裂片石莼多糖的提取率。

2.3 裂片石莼粗多糖理化性质分析

2.3.1 裂片石莼粗多糖的物理性质

裂片石莼多糖干品呈灰白色粉末，无味、无溴、易溶于水，不溶于乙醇、丙酮、乙醚、三氯甲烷等有机溶剂。

2.3.2 裂片石莼粗多糖的化学性质

Molish反应呈阳性，说明样品中含有游离或结合的糖;苯酚-硫酸反应呈阳性，说明有多糖的存在;Fehling反应呈阳性，说明有还原性糖存在。

2.3.3 裂片石莼粗多糖的主要成分分析

查阅文献发现多糖的活性与其主要成分有很大关系，其中多糖含量和硫酸根含量对其活性影响最大，潘路路等的研究发现随着硫酸根含量的增加，鼠尾藻多糖的抗氧化活性随之增加［12］。周军明等的研究也发现硫酸根含量高的褐藻糖胶其抗氧化活性也较强［13］。因此，本实验对超声波辅助提取所得裂片石莼粗多糖进行主要成分分析。结果显示裂片石莼粗多糖中总糖的含量为38.63%、糖醛酸含量为35.06%，硫酸根含量为 19.41%，蛋白质含量为0.28%。这与谌素华在“绿藻石莼粗多糖提取条件的研究”一文中的结论基本相符。

2.3.4 裂片石莼粗多糖的紫外全扫描和红外光谱

裂片石莼粗多糖的紫外全扫描图谱如图8所示，可知裂片石莼粗多糖在206 nm左右有较大的吸收峰，为裂片石莼多糖的特征吸收峰，其中粗多糖在260 nm处有吸收峰，说明多糖组分含有核酸类物质，在280 nm处无吸收峰，说明蛋白质含量很少或不含有蛋白质，这与结果2.3.3中所得蛋白质含量为0.28%保持了一致。

图8 裂片石莼多糖紫外全扫描光谱图Fig.8 UV scanning curve of UFP

裂片石莼粗多糖的红外光谱如图9所示。从图9可知位于3 450～3 410 cm－1有一宽且强的吸收峰，系多糖的—OH产生;2 940 cm－1附近的尖峰是饱和C—H伸缩振动的信号;在1 634 cm－1附近振动峰的出现，表明有C O羧基的存在，即多糖中含有糖醛酸，为酸性多糖;1 424 cm－1附近出现的峰是由于C—H的弯曲振动引起的;1063 cm－1左右有一较强宽吸收带，为多糖各糖残基之间糖苷键C—O—C的振动峰;1 240 cm－1的强峰和840 cm－1、791 cm－1附近的2尖峰是硫酸基的吸收信号［14］。这些都与结果2.3.3的结论是相一致的。

图9 裂片石莼多糖红外光谱图Fig.9 IR spectrum of UFP

2.3.5 裂片石莼多糖在烟草上的应用

添加裂片石莼多糖后的卷烟样品，总体有提升，外加物质香气较显著，透发性变好，烟气变细腻，干燥感有改善，对于卷烟感官清爽度、舒适度的提高具有一定作用，是很好的烟草保润增香剂。

3 结论

(1)本实验通过单因素和响应曲面分析法对裂片石莼多糖超声波辅助提取工艺进行了优化，得到的最佳提取工艺条件为:提取时间为33 min，超声功率为620 W，脉冲循环时间为0 s时，多糖提取率最高，为14.20%。响应面分析表明，超声功率对多糖提取率的影响最为显著，为关键因素，脉冲循环时间次之，提取时间对多糖提取率的影响较小。

(2)提取所得裂片石莼多糖为灰白色粉末，无味、无溴、易溶于水，不溶于乙醇、丙酮、乙醚、三氯甲烷等有机溶剂。Molish反应呈阳性，苯酚-硫酸反应呈阳性，Fehling反应呈阳性。

(3)测得粗多糖中所得粗多糖中总糖含量为38.63%;采用硫酸-咔唑比色法测得糖醛酸含量为35.06%;且对其有效活性成分-硫酸根含量进行测定，硫酸根含量为19.41%;采用考马斯亮蓝法测得粗多糖中蛋白质含量为0.28%，含量较低，说明粗多糖中杂质较少。

(4)将裂片石莼多糖应用于卷烟，整体评吸效果较好，香气提升较显著，透发性变好，烟气变细腻，清爽度，舒适感提高，干燥感有所改善。

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