响应面优化超声辅助提取虎眼万年青多糖工艺

李海平，陈瑞战，金辰光，刘小娜

虎眼万年青(俗称葫芦兰)，为多年生草本植物，原产于非洲南部。20世纪70年代，虎眼万年青以一种观赏植物被引进中国，并在海南、西安、长白山等地区试栽［1］。大量研究发现，虎眼万年青多糖及配糖体通过非特异性免疫、体液免疫和细胞免疫，对机体具有显著的免疫增强和调节作用，有抗氧化、抗衰老、抗病毒和抗肿瘤等药理活性［2－3］。虎眼万年青多糖常用的提取方法是热回流提取，该方法具有时间长、温度高、能耗高、提取率较低等缺点，且过高的温度、较长的提取时间易引起多糖的结构变化［4］。超声波是指频率为2×104～2×109Hz的声波。超声提取是通过一定频率的大量超声波作用于提取液时，溶液中尺寸适宜的小泡产生共振，小泡随声波的变化而迅速胀大和压缩，从而产生高压冲击波。这种强烈的冲击作用能使超声提取方法大幅度地提高有效成分的提取率［5］，但过强的超声功率、较高超声温度也可能引起多糖结构变化和活性的降低。因此，本研究在单因素试验的基础上，采用超声波提取虎眼万年青多糖并用响应面法对提取工艺进行了优化，以缩短时间、提高提取率、降低能量消耗，为高活性多糖的生产提供一种高效的提取工艺，为多糖的综合利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

虎眼万年(青鳞茎)由长春应用化学研究所化学生物学实验室提供。化学试剂均为国产分析纯。

SL－2010N多频超声波细胞粉碎仪(南京顺流仪器有限公司);UV－2401紫外－可见分光光度计(日本岛津公司);DZ－2BCII真空干燥箱 (天津泰斯特);RV10旋转蒸发仪 (德国IKA公司);GSY－11型恒温水浴箱(北京市医疗设备厂);FD－1－50冷冻干燥机(北京博医康实验仪器有限公司);TDL－40B离心机(上海安亭科学仪器厂);SHB－B88循环水式多用真空泵(菏泽市生化仪器厂)。

1.2 试验方法

1.2.1 原料预处理

虎眼万年青鳞茎真空干燥24h，粉碎成粉末，用石油醚回流脱脂、脱色两次，每次2h，抽滤，滤渣挥干溶剂备用。

1.2.2 多糖超声提取

准确称取预处理样品5g于提取瓶中，加入蒸馏水150mL，浸泡6h，用多频超声波细胞粉碎仪，在提取时间(10～50min)、温度(40～80℃)、超声功率(600～1200W)条件下超声提取;提取液浓缩至一定体积，加入乙醇至最终为75%(乙醇)，在4℃温度下沉化36h，减压过滤，沉淀用蒸馏水溶解，除去游离蛋白质，用蒸馏水透析48h，除去寡糖、单糖、无机盐等小分子，冻干得粗多糖，用苯酚－硫酸法测量多糖含量［6］，计算出提取得率。提取得率(%)=(虎眼万年青多糖质量/虎眼万年青原料质量)×100%。

1.2.3 多糖含量测定

精密称取葡萄糖标准品1g，溶解后定容成50mL，然后稀释成0.25mg·mL－1标准液。准确量取0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8mL 葡萄糖标准液于15mL 比色管中，加蒸馏水至 2.0mL，再分别加入 5%苯酚溶液1.0mL，摇匀，加入浓H2SO45mL，置于沸水浴中加热20min，取出冷却至室温，在490nm波长下，以试剂空白(2mL蒸馏水代替葡萄糖溶液)为参比，测定吸光值。得线性回归方程为:

A=5.3417C+0.4727， 相关系数 R2=0.9948，

式中，A为吸光度;C为测定液浓度(mg·mL－1)。

1.2.4 单因素试验

以多糖提取得率为指标，分别考察超声时间 (10、20、30、40、50min)、提取温度 (40、50、60、70、80℃)、超声功率 (600、750、900、1050、1200W)和溶剂原料比(20、30、40、50、60mL·g－1)对虎眼万年青多糖提取得率的影响。

1.2.5 提取工艺响应面法优化

在单因素试验基础上，采用Box－Benhnken Design试验设计方案，以超声时间 (X1)、提取温度 (X2)、超声功率(X3)和溶剂原料比(X4)为考察变量，以虎眼万年青粗多糖提取得率 (Y)为响应值，应用Design－Expert 6.0软件，建立数学回归模型，确定最佳超声辅助提取工艺参数。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 超声时间对多糖提取得率的影响

固定溶剂原料比30mL·g－1、提取温度60℃、超声功率1050W，考察超声时间10、20、30、40、50min对提取得率的影响，结果如图1(a)所示。由图1(a)可看出，超声时间在30min内，多糖提取得率会随时间的延长而增大;但超声时间超过30min后，提取得率有所降低。由于超声波可以提高水分子渗透到固体组织内部和细胞内多糖在水中溶解以及向周围溶剂扩散的速率，在较短的时间内多糖从细胞内扩散到外部的水中。但是，较长的超声时间可能会导致部分多糖的分解，多糖的提取率会随超声时间的延长而降低。有学者认为这部分多糖可能分解成一些游离的小分子糖［7］。因此，超声提取最佳时间选择30min较为合适。

2.1.2 超声温度对多糖提取得率的影响

固定溶剂原料比30mL·g－1、超声时间30min、超声功率 1050W，考察超声温度 40、50、60、70、80℃对提取得率的影响，结果如图1(b)所示。由图1(b)可看出，在40～60℃温度范围内，多糖提取得率随温度的增加而增加;但超过60℃后，多糖提取得率随温度增加而降低。说明在一定的提取温度范围内，多糖的溶解度会随着温度的升高而增大，提取得率增加;但提取温度升高达到一定程度时，可能会引起部分多糖水解为单糖或低聚糖，从而导致多糖的提取率下降。所以，采用超声辅助提取虎眼万年青多糖时，选用60℃左右的温度比较适宜。

2.1.3 超声功率对多糖提取得率的影响

固定溶剂原料比30mL·g－1、提取温度60℃、超声时间 30min，考察超声提取功率600、750、900、1050、1200W对提取得率的影响，结果如图1(c)所示。由图1(c)可以看到，超声功率在600～1050W内，多糖得率随超声功率的增加而增加;但功率超过1050W时，多糖得率随功率增加反而开始降低。据文献报道，超声波具有无选择性的破坏作用。在高功率下，超声空化作用强，不仅能破坏细胞壁，也能破坏欲提取物质的分子结构，造成提取率下降［8］;而且对于多糖来说，超声作用效果与超声功率、多糖的结构与活性有关。所以，超声频率选用1050W较为适宜。

2.1.4 溶剂原料比对多糖提取率的影响

超声时间 30min、提取温度60℃、超声功率 1050W，考察溶剂原料比20、30、40、50、60mL·g－1对多糖提取得率的影响，结果如图1(d)显示。图1(d)显示，多糖提取得率随溶剂原料比的增大而增加，当溶剂原料比高于40mL·g－1时，多糖提取率开始下降。原因可能是溶剂原料比过低会导致多糖的溶解不充分，也不利于细胞内多糖向周围提取溶剂的扩散;当溶剂原料比过大时，在超声功率和超声时间一定的条件下，单位体积的提取溶剂吸收的超声能量会大幅降低，超声波引起的空化、机械、热效应也会降低，最终导致多糖的提取得率下降。所以，溶剂原料比选择为40mL·g－1。

图1 单因素对提取得率的影响

2.2 响应面设计试验结果

2.2.1 Box－Behnken设计方案

在单因素试验的基础上，选择超声时间(X1)、提取温度(X2)、超声功率(X3)以及溶剂原料比(X4)4个因素，每个因素取3个水平，以虎眼万年青粗多糖提取得率(Y)为响应值进行响应面优化。根据 Box－Behnken的中心组合试验设计原理设计试验方案［9］，试验因素和水平设计见表1，试验结果见表2。

表1 试验因素水平及编码

表2 Box－Behnken试验设计方案及结果

2.2.2 回归方程的构建和方差分析

通过SAS数据分析软件对表2中的响应面试验结果进行回归分析。以虎眼万年青粗多糖的提取得率(Y)为因变量，超声时间(X1)、提取温度(X2)、超声功率(X3)以及溶剂原料比(X4)为自变量，进行回归拟合，得到回归方程:

对上述回归模型进行F检验，判定回归方程中各变量对响应值影响的显著性。概率越小，则相应变量的显著程度越高。方差分析结果见表3。

表3 响应面回归模型的方差分析结果

由表3可看出，模型Pr＞F值＜0.0001，说明该模型极显著，不同因素间的差异显著，证明该回归模型能够较好地预测试验结果。模型的复相关系数R2为0.9127，说明响应值的变化有91.27%来源于所选因变量的变化，说明模型试验误差小，拟合程度良好。在所选因素和水平范围内，对响应值的影响次序为:提取温度二次方项(X22)＞超声功率二次方项()＞溶剂原料比的一次项(X4)＞溶剂原料比的二次方项)＞提取温度的一次项(X2)＞超声时间二次方项(X12)＞超声功率的一次项(X3)＞超声时间的一次项(X1)＞超声时间和提取温度的交互项(X1X2)。其它因素对响应值的影响不显著(p＞0.05)。

2.2.3 响应面分析

超声提取过程中，超声时间、提取温度、超声功率以及溶剂原料比对提取得率影响的三维响应曲面如图2所示。固定超声功率1050W、溶剂原料比40 mL·g－1，超声时间和提取温度对提取得率的交互影响的响应曲面如图2(a)所示，在20～35min超声时间内延长超声时间有利于多糖的提取，当超声时间超过35min后随时间增加提取得率缓慢降低，发生这一现象的可能原因是长的超声时间(较高的温度)导致多糖的降解［10］。在50～65.8℃范围内，随温度的增加提取得率快速增加;提取温度超过65.8℃时，随温度的增加提取得率快速降低，发生这一现象的原因除了在较高的温度和较强的超声波作用多糖可能降解之外，另一方面是随温度的升高，超声波的空化效应降低，从而导致提取得率降低［11］。综合看来，相对较长的超声时间和较高的提取温度对增加提取得率是有利的，提取温度较超声时间对提取得率的影响相对较大。

超声时间与超声功率对提取得率的交互影响的响应曲面如图2(b)所示。由图2(b)可以看到，超声时间和超声功率的等值线图呈现显著的椭圆形，说明二者的交互作用相对较强。在超声时间20～33.5min和超声功率900～1100W范围内，提取得率随超声时间和功率的增加而增加;之后随超声时间和超声功率的增加，提取得率逐渐降低。说明在较强的超声功率作用下，在短的超声时间内多糖的溶解和扩散即可达到平衡，而过高的超声功率和长的超声时间共同的作用结果会导致提取得率的降低。超声功率相对较超声时间对提取得率的影响较大。

图2 三维响应曲面图

超声时间与溶剂原料比对提取得率的交互影响的响应曲面如图2(c)所示。由图2(c)可以看到，在超声时间20～30min和溶剂原料比30～41.5mL·g－1范围内，提取得率随超声时间和溶剂原料比的增加逐渐增加;之后随超声时间和溶剂料液比的增加缓慢降低。表明在一定的范围内增加超声时间和溶剂原料液比都有利于提取得率的增加，但过分增加会导致提取得率的降低，适宜的超声时间和溶剂原料比对虎眼万年青多糖的提取是十分必要的。综合分析可以看到超声时间和溶剂原料比对提取得率的影响相对较小。

提取温度与超声功率对提取得率的交互影响的响应曲面如图2(d)所示。由图2(d)可以看出，在50～62℃和900～1060W的范围内，提取得率随温度和超声功率的增加快速增加，超过这一范围后逐渐降低。说明在一定的范围内增加超声功率和提取温度都有利于提取得率的增加，但过高的提取温度和超声功率共同作用的结果会导致多糖的降解、提取得率的降低，所以应选择适应的超声功率和提取温度。从图形分析看，温度对提取得率的影响高于超声功率。

提取温度与溶剂原料比对提取得率的交互影响的响应曲面如图2(e)所示。由图2(e)可以看出，在50～62.5℃和30～43mL·g－1的范围内，提取得率随提取温度和溶剂原料比的增加逐渐增加，之后会随二者增加而逐渐降低，原因是在一定范围内增加溶剂原料比和提高温度，都利于多糖的溶解和扩散，增加提取得率;但溶剂原料比过大时，超声波能量会被溶剂缓释，作用效果降低，造成多糖的提取得率下降。

超声功率与溶剂原料比对提取得率的交互影响的响应曲面如图2(f)所示。在900～1100W和30～45mL·g－1范围内，多糖提取得率随超声功率和溶剂原料比的增加而逐渐增加;之后又会随着超声功率和溶剂原料比的增加而降低。说明在超声功率过大时，提取物的分子结构也会被破坏;而溶剂原料比过大时，超声波辐射能会被溶剂缓释，使多糖提取率降低。

2.2.4 最优提取工艺的确定

通过对响应曲面图以及利用Design－Expert 6.0的软件对实验数据进行优化分析，确定了超声辅助提取虎眼万年青多糖的最优提取条件:超声时间30.05min、提取温度59.47℃、超声功率1059.15W、溶剂原料比40.11mL·g－1，该条件下虎眼万年青多糖理论提取得率为50.12%。考虑到试验的可操作性，把上述优化提取条件修正为超声时间30min、提取温度60℃、超声功率1050W、溶剂原料比40mL·g－1，重复5次进行验证试验，得到虎眼万年青粗多糖平均提取得率为50.06%，相对预测值的误差0.06%，相对误差小于1%，验证了模型的可行性。所以，应用响应面法优化超声辅助提取虎眼万年青多糖获得的工艺参数是可靠的，具有一定的实用价值。

3 结论

在单因素试验的基础上，通过Box－Behnken试验设计、响应面分析，建立了超声提取虎眼万年青多糖的回归模型;经过方差分析建立的模型与实际实验拟合较好，试验误差较小，可以用于提取得率的预测分析;通过响应面分析优化出最佳提取条件:超声时间30.05min、提取温度59.47℃、超声功率1059.15W、溶剂原料比40mL·g－1。按此工艺条件，虎眼万年青多糖实验提取得率接近于模型的预测得率，说明优化得到的条件可靠，该模型具有较高的准确性和实用性。本研究为植物多糖的生产供了一种有效的方法，为多糖的开发与利用提供了理论依据。

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