响应面法优选火龙果多糖的微波提取工艺研究

蔡锦源，许金蓉，孙 松，熊建文*

（1.广西科技大学鹿山学院 食品与化学工程系，广西 柳州 545616；2.广西科技大学 生物与化学工程学院，广西 柳州 545006）

0 引言

多糖是机体内的天然大分子之一，由多个相同或不相同的单糖以糖苷键相连而形成，广泛存在于高等植物、动物、真菌等体内[1].近年来有关多糖的提取及抗氧化等研究[2-4]已成为重要研究热点.文献[5]报道植物多糖具有提高纤维蛋白溶解酶活性、抗癌、降中性脂肪、降血脂、降低密度脂蛋白胆固醇及总胆固醇的作用，还有降血糖、清除自由基、抗衰老、抗氧化、抗疲劳、抗炎等功能.火龙果含有大量的植物多糖，何聪芬等[6]对火龙果茎多糖进行了提取和结构鉴定，高慧颖等[7]采用热水浸提法研究了火龙果花多糖的提取工艺，而有关火龙果果肉多糖的提取未见文献报道.本研究以火龙果果肉中的多糖提取率为指标，采用单因素试验法和响应面法优选火龙果果肉多糖的提取工艺条件，以期为火龙果果肉多糖的提取方法提供科学的理论依据.

1 材料与仪器

1.1 试验材料

火龙果：产地海南，购于柳州某超市；苯酚、浓硫酸、乙醇、石油醚、葡萄糖等均为分析纯.

1.2 仪器与设备

UV-1800 紫外可见分光光度计：日本岛津公司；JY1002（0.01 g）电子天平：上海精密科学仪器有限公司；FW100 高速万能粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司；CW-2000 超声-微波协同萃取仪：上海新拓分析仪器科技有限公司.

2 试验方法

2.1 火龙果多糖的提取工艺路线

新鲜火龙果→预处理（脱色、脱脂）→粉碎→过筛（40 目）→称量→微波提取→过滤→定容→比色测量→进行单因素试验和响应面试验→工艺优化与验证.

2.2 总糖标准曲线的制作

采用苯酚-硫酸法[8]绘制总糖标准曲线，以吸光度为纵坐标，总糖质量浓度为横坐标，绘制总糖的标准曲线，回归方程为：Y1=45.443X1+0.021 7，R2=0.999 1，线性关系良好，线性范围为0.002 5～0.017 5 mg/mL.

2.3 火龙果多糖的含量测定及其提取率的计算方法

将火龙果粉末（2.00 g）经提取后得到的提取液稀释至100 mL，精确吸取1 mL 样品溶液加入到25 mL 容量瓶稀释定容，再精确移取1 mL 稀释液置于25 mL 容量瓶中，加入1 mL 蒸馏水，精确加入1.0 mL 6%苯酚溶液，摇匀，迅速加入5.0 mL 浓硫酸，盖上塞，摇匀，在室温显色20 min，以空白校正零点，于490 nm 处测定其吸光度，根据总糖标准回归方程计算总糖质量浓度，按式（1）计算总糖含量.火龙果多糖提取率按式（2）计算：

式中：W总糖为总糖质量，g；X1为总糖质量浓度，mg/mL；E 为火龙果多糖提取率，%；W 为火龙果投料质量，g.

2.4 单因素试验

2.4.1 液料比对多糖提取率的影响

精确称取2.00 g 火龙果样品，置于锥形瓶中，在80 ℃热水中浸泡25 min，在微波功率250 W 条件下，于微波萃取仪中提取4 min，研究不同料液比（10∶1、15∶1、20∶1、25∶1，30∶1，35∶1 mL/g）对火龙果多糖提取率的影响.

2.4.2 热水浸泡时间对多糖提取率的影响

精确称取2.00 g 火龙果样品，置于锥形瓶中，在液料比20∶1（mL/g）、微波功率250 W、微波时间4 min 的条件下，于微波萃取仪中提取，研究在80℃下，不同热水浸泡时间（20、25、30、35、40 min）对火龙果多糖提取率的影响.

2.4.3 微波时间对多糖提取率的影响

精确称取2.00 g 火龙果样品，放于锥形瓶中，在液料比20∶1（mL/g）、80 ℃热水浸泡25 min、微波功率250 W 条件下，于微波萃取仪中进行提取，研究不同微波时间（2、4、6、8、10 min）对火龙果多糖提取率的影响.

2.4.4 微波功率对多糖提取率的影响

精确称取2.00 g 火龙果样品，置于锥形瓶中，在液料比20∶1（mL/g）、80 ℃热水浸泡25 min、微波时间4 min 条件下，于微波萃取仪中进行提取，研究不同微波功率（100、150、200、250、300 W）对火龙果多糖提取率的影响.

2.4.5 响应面试验设计

依据单因素试验结果和Box-Behnken 中心组合试验设计原理[9]，选取浸泡时间、微波时间、微波功率对火龙果多糖提取结果影响明显的3 个因素，以火龙果多糖提取率为响应值，确定火龙果多糖的最佳提取工艺参数，试验因素与水平见表1.

表1 试验因素与水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken design

3 结果与讨论

3.1 火龙果多糖微波辅助提取的单因素试验

3.1.1 液料比对多糖提取率的影响（图1）

图1 液料比对多糖提取率的影响Fig.1 The effect of liquid to material ratio on the extraction rate

由图1 可知，当液料比从10∶1 逐步增加到20∶1时，多糖提取率不断增大，达到最大值，但继续增大液料比，火龙果多糖提取率则有下降趋势.原因可能是，在其他操作条件相同的情况下，液料比过大，微波的内加热效应降低，不利于多糖的溶出，造成多糖提取率下降.考虑到生产成本（主要是后续的浓缩成本），液料比以20∶1 为宜.

3.1.2 热水浸泡时间对多糖提取率的影响（图2）

图2 浸泡时间对多糖提取率的影响Fig.2 The effect of infusion time on the extraction rate

由图2 可知，随着浸泡时间的延长，多糖提取率显著增加，当热水浸泡时间为30 min 时，多糖提取率达最大值，但继续延长浸泡时间，多糖提取率逐渐下降.原因可能是：热浸泡有利于植物细胞溶胀，使细胞壁和细胞膜在后续的微波内加热效应下破裂，有利于多糖的溶出，多糖提取率不断提高，但是随着浸泡时间的不断延长，火龙果肉的细胞吸水越来越充分，在微波提取时从细胞游离出来的多糖量增多，多糖提取率不断上升，但是当浸泡时间超过30 min 后，细胞溶胀达到最大，此时增加浸泡时间也对后续操作无增效作用，即对多糖提取率的提高影响不大，反而增加了操作时间，故热水浸泡时间以30 min 为宜.

3.1.3 微波时间对多糖提取率的影响（图3）

图3 微波时间对多糖提取率的影响Fig.3 The effect of microwave time on the extraction rate

由图3 可见，随着微波提取时间的不断延长，多糖提取率也显著增加，但当微波时间为4 min时，多糖的提取率达到最大值14.4%，继续延长微波时间，多糖得率反而明显下降.原因可能是，微波提取时间较短时，微波辐射对火龙果果肉细胞的破坏作用较大，溶解出来的多糖比较多，但是当微波提取时间过长时，大量水分蒸发后，物料被加热，导致火龙果多糖的水解程度加大，造成物料局部焦糊，多糖碳化[8]，故微波时间以4 min 为宜.

3.1.4 微波功率对多糖提取率的影响（图4）

图4 微波功率对多糖提取率的影响Fig.4 The effect of microwave power on the extraction rate

图4 表明，随着微波功率的增加，多糖提取率也逐渐增加，当微波提取功率为200 W 时，提取率达到最大值，但继续增大微波提取功率，多糖提取率逐渐下降.原因可能是：微波的内加热效应迫使火龙果的细胞膜破裂，多糖组分迅速离开细胞溶解于水中，随着微波功率逐渐增大时，热效应也不断增强，多糖提取率逐渐上升，当微波功率为200 W 时多糖提取率达到最大值.但当微波功率较大时，局部的加热强度过大，导致物料出现微焦化现象，部分多糖被碳化，降低了火龙果多糖的提取率.另外微波功率的加大可使一些原本溶解度较小的物质开始溶解，使得溶液中的杂质增多，不利于后期的纯化，故微波提取功率以200 W 为宜.

3.2 火龙果多糖微波辅助提取的响应面试验

3.2.1 试验设计与结果（表2）

表2 Box-Behnken 试验设计与结果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiment

采用Design Expert 软件对表2 中的数据进行多元二次回归拟合分析，构建回归方程为：Y=15.40-0.001 25A+0.020B+0.003 75C-0.56A2-0.77B2-0.47C2+0.005AB-0.052AC+0.005BC.

所得回归方程的方差分析如表3 所示.由表3可知，二次项A2、B2、C2极显著，其余项均不显著，所得模型极显著（P＜0.000 1），失拟项不显著（P=0.997 0），相关系数R2=0.991 4，模型修正决定系数R2adj=0.980 2，误差项不显著，失拟项P=0.997 0（P＞0.05）不显著.说明该模型非常显著，回归方程的拟合度和可信度较高，可用于预测实际的提取效果.

3.2.2 响应面分析

采用Design Expert 软件绘制AB、AC、BC 的交互作用3D 曲面图和等高线图（图5—图7），通过响应面图可以直观预测最优响应值以及确定变量的相互作用关系，而等高线图的形状可反映出交互效应的强弱，椭圆形表示两因素交互作用显著，而圆形则与之相反[10].

由图5 可知，当微波功率固定为200 W 时，浸泡时间曲面变化幅度低于微波时间曲面变化幅度，说明微波时间对多糖提取率的影响较大.当微波时间较短时，要得到较高提取率必须提高浸泡时间；当微波时间较长时，较少的浸泡时间就能达到较高的提取率.等高线图为椭圆形，表明浸泡时间和微波功率交互作用显著.

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

图5 浸泡时间和微波时间对多糖提取率的响应面Fig.5 Response surface plots of immersion time and microwave time on the extraction rate

图6 浸泡时间和微波功率对多糖提取率的响应面Fig.6 Response surface plots of immersion time and microwave power on the extraction rate

图7 微波时间和微波功率对多糖提取率的响应面Fig.7 Response surface plots of microwave time and microwave power on the extraction rate

由图6 可知，当微波时间固定为4 min 时，浸泡时间曲面变化幅度低于微波功率曲面变化幅度，说明微波功率对多糖提取率的影响较大.当浸泡时间较短时，要得到较高提取率必须提高微波功率，但微波功率过大，提取率反而下降，而浸泡时间较长时，较低的微波功率就能达到较高的提取率.等高线图为椭圆形，表明浸泡时间和微波功率交互作用较显著.

由图7 可知，当浸泡时间固定为30 min 时，微波时间曲面变化幅度低于微波功率曲面变化幅度，说明微波功率对多糖提取率的影响较大.当微波时间和微波功率较大或较小时，都会降低多糖的提取率.等高线图接近圆形，说明微波时间和微波功率交互作用不显著.

3.2.3 提取条件的优化和验证

根据Design-Expert 建立的数学模型，进行参数的最优化分析，得出火龙果多糖提取的最佳条件为：浸泡时间29.99 min，微波时间4.03 min，微波功率200.22 W，此工艺条件下，火龙果多糖提取率可达15.402 1%.为验证该方法的可行性，采用上述优化条件进行验证试验，考虑到试验的可操作性，将工艺参数调整为浸泡时间30 min，微波时间4 min，微波功率200 W，进行3 组平行试验，火龙果多糖提取率平均值为15.47%，与模型预测值相对误差为0.45%，表明该工艺条件可靠，具有一定的可行性和参考价值.

4 结论

以火龙果多糖提取率为指标，对液料比、热水浸泡时间、微波时间、微波功率等因素进行单因素试验，在液料比为20 ∶1 的条件下，通过Box-Benhnken 中心组合实验设计，构建了微波提取火龙果多糖的模型，优选的最佳工艺条件为：浸泡时间30 min，微波时间4 min，微波功率200 W，此工艺条件下，火龙果多糖提取率可达15.47%，与预测值的相对误差为0.45%.试验结果表明，该工艺条件可靠，具有一定的可行性和参考价值.

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