响应面优化木立芦荟皮多糖的研究

谌素华，邓　敏，王维民，李国伟，钟赛意，胡　武（.广东海洋大学食品科技学院，广东湛江54088；.广东海洋大学医院，广东湛江54088）

响应面优化木立芦荟皮多糖的研究

谌素华1，邓敏2，王维民1，李国伟1，钟赛意1，胡武1
（1.广东海洋大学食品科技学院，广东湛江524088；2.广东海洋大学医院，广东湛江524088）

摘要：采用响应面分析法对木立芦荟皮多糖的提取工艺进行优化，对提取率影响因素进行单因素分析后，以Box-Behnken设计评价微波时间、提取液pH和液料比3个因素显著性和交互作用，最终得出木立芦荟皮多糖的最佳提取条件为：微波时间为168 s，提取液的pH为9，液料比为52∶1（mL/g），微波功率为320 W，在此条件下提取率为14.37%；并对提取的粗多糖进行红外光谱分析，结果表明木立芦荟皮粗多糖具有多糖的特征吸收峰。

关键词：木立芦荟皮；多糖；微波辅助提取；响应面分析；红外光谱分析

芦荟（Aloe），为阿拉伯语allcoh演变而来，是一种民间药食两用植物，自古以来深受人们的喜爱，《药性本草》、《本草纲目》、《本草逢原》等许多古代医书，很早已经记录了对芦荟在药用价值上的分析认识[1]。芦荟是百合科多年生常绿多肉质草本植物，种类多，已分类定名的品种已经多达500多个，但是人们在实际生活生产中使用的只有以下几种：木立芦荟、库拉索芦荟、中华芦荟、开普芦荟等[2]。一般来说，芦荟多糖的含量会随品种、采收季节和生长地区不同而异，不同的芦荟品种所含的单糖成分和比例有所差异，有的多糖是单独存在的，也有些多糖是以糖蛋白的形式与蛋白质结合[3]，芦荟多糖具有免疫调节、抗辐射、抗病毒、抗氧化、抗肿瘤、抗菌、降血脂血糖、促进伤口愈合、促造血作用等多种生物活性功能[4-8]。

湛江港口地理优势明显，芦荟资源相当丰富，取材特别方便，且结合当地的资源优势，符合三农政策。本试验通过单因素试验及响应面试验研究微波辅助提取木立芦荟（Aloe arborescens Mill.）皮渣多糖的提取工艺，旨在为芦荟的综合利用提供理论参考，为全面实现芦荟健康产业创新发展做出一定贡献。

1　材料与方法

1.1材料

新鲜木立芦荟叶：湛江市霞山区花鸟市场；蒽酮：广东光华科技股份有限公司；氢氧化钠：广东光华科技股份有限公司；浓硫酸：衡阳市凯信化工试剂有限公司。

1.2主要仪器设备

GZX-9246 MBE型数显鼓风干燥箱、HHS型电热恒温水浴锅：上海博讯实业有限公司医疗设备厂；722S型可见分光光度计：上海精密科学仪器有限公司；美国丹佛UB-7/10精密PH计：南京承正科学仪器有限公司；AW120型岛津托盘电子天平：日本岛津；松下NN-GT556WXPE型微波炉：上海松下微波炉有限公司。

1.3方法

1.3.1多糖标准曲线的测定

采用蒽酮-浓硫酸比色法，以甘露糖溶液为标准溶液，精密称取干燥恒重的甘露糖0.100 g于100 mL容量瓶中，蒸馏水解定容，摇匀，制得1 mg/mL甘露糖标准液，准确移取甘露糖标准贮备液0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 mL分别置于50 mL容量瓶中定容，分别取上述溶液2.0 mL置10 mL具塞试管中，滴加蒽酮-浓硫酸试4.0 mL，冷水冷却，以试剂空白为参比，在610 nm处测吸光度A值，横坐标为甘露糖的含量，纵坐标为吸光度A值，绘制标准曲线，所得标准曲线方程为：y=7.183 7x-0.011 6，R2=0.999 1。

1.3.2木立芦荟皮多糖的提取

将木立芦荟新鲜叶片剪下，洗净，将除去凝胶后的叶皮晾晒干粉碎，过80目筛，准确称取1 g干粉样品于锥形瓶中，加入50 mL水，微波消解适当时间后继续在70℃水浴中提取40 min，以消除微波时间不同导致的溶液温度变化对提取率的影响，冷却至室温，移取滤液2.0 mL至50 mL容量瓶，用蒸馏水定容至刻度，计算多糖提取率。

1.3.3芦荟皮渣多糖含量的测定

芦荟多糖含量的测定采用蒽酮-硫酸比色法，木立芦荟皮渣中多糖的提取率α即为：

α（mg/g）=m多糖/m样品×100%

1.3.4单因素和响应曲面法试验设计

以液料比、提取液pH、微波时间、微波功率为影响因素，对库拉索皮渣多糖提取率的影响进行考察。根据单因素试验结果，设计三因素三水平的响应面优化试验。为考察方便，提取次数均为1次，试验均设3次重复取平均值。

1.3.5多糖的红外光谱分析

采用Nicolet SDXB FT IR红外光谱仪，多糖样品1 mg左右，用KBr压片法，在4 000 cm-1～400 cm-1，区间扫描。

2　结果与分析

2.1单因素试验

选定试验条件为液料比为50∶1（mL/g），pH为9.0，微波时间为160 s，微波功率320 W。保持其中3个因素固定，变化另一个因素，分别研究液料比、提取液pH、微波时间、微波功率对芦荟皮渣多糖提取率的影响，结果如图1～图4所示。

图1　微波功率的影响Fig.1　Effect of microwave wave on extraction rate

图2　微波时间的影响Fig.2　Effect of microwave time on extraction rate

图3　液料比的影响Fig.3　Effect of liquid-solid ratio on extraction rate

图4　pH的影响Fig.4　Effect of pH on extraction rate

由图可知，随着微波时间、提取液pH、微波功率的变化，多糖提取率在当微波时间为160 s，提取液pH为9，微波功率为320 W时为最大，液料比在20∶1 mL/g～50∶1 mL/g之间时，多糖提取率显著增大，在液料比50∶1 mL/g之后，多糖提取率增速减缓，但是液料比过大，就增加了后续浓缩成本而且浓缩时间过长增加成本。因此综合考虑，选择液料比为50∶1（mL/g）。故取微波时间120 s～200 s，提取液pH 8～10，微波功率280 W～360 W，液料比40 mL/g～60 mL/g范围内进行响应面试验。

2.2响应曲面法设计方案与试验结果

由于微波时间、提取液pH、液料比对提取率的影响范围较大，数据较分散，而功率对提取率的影响范围较小，其数值相对较集中，因此选取单因素中对芦荟多糖提取率影响较为显著的3个因素（微波时间、提取液pH、液料比）采用响应曲面法设计试验。

根据Box-Behnken试验设计原理，在单因素试验的基础上，采用三因素三水平的响应面分析方法，试验因子水平见表1，试验方案及结果见表2。

表1　响应曲面分析因素与编码水平Table 1　Factors and levels of response surface methodology

试验设计试验点共15个，其中析因点为1～12，零点为13～15，析因点在变量取值为X1、X2、X3所构成的三维顶点，零点为区域的中心点，其中零点试验重复3次，用以估算试验误差。

2.3二元回归方程拟合和方差分析

利用Design-Expert.V8.0.6软件对表2数据进行二次多元回归拟合，得到芦荟皮渣多糖提取率的预测值对编码自变量的二次多项回归方程：

表2　Box-Behnken设计方案及木立芦荟皮多糖的试验测定结果Table 2　The experimental design and results of response surface methodology on polysaccharide from skin of Aloe arborescens Mill. extraction technology

Y=14.2+0.24X1-0.084X2+0.50X3-0.24X1X2+ 0.04X1X3-0.55X12-1.28X22-0.34X32

通过方差分析（表3）可知，回归方程的P<0.000 1（极显著），表明方程对试验拟合良好，试验误差小。本试验中决定系数R2=0.997 6，说明回归方程可以很好地描述各因素与响应值之间的真实关系。校正系数R2Adj=0.993 4表明在多糖提取率总的变异中，有99.34%是由独立变量引起的，只有0.66%与该模型不符。失拟项对应的P=0.699 4＞0.05，失拟项不显著，从而表明该模型能够对木立芦荟皮渣中多糖的提取进行准确的预测和分析。

模型的系数显著性检验见表3。

表3　响应面法优化芦荟皮多糖提取工艺方差分析结果Table 3　The results of ANOVA on skin of Aloe polysaccharides extraction technology

续表3　响应面法优化芦荟皮多糖提取工艺方差分析结果Continue table 3　The results of ANOVA on skin of Aloe polysaccharides extraction technology

P值用来检测各系数的显著性，P值越小，则相应的系数越显著，当P<0.05时，则认为该系数是显著的，从表3中可以看出一次项X2对试验指标影响显著，X1、X3影响极显著，二次项X12、X22、X32对试验指标影响均极显著。从F值得出，单因素对多糖提取的影响顺序依次是提取时间＞液料比＞pH。

2.4交互作用分析

图5～图7为相应的响应曲面图和等高线图，从中可以明显的看出各独立变量之间的交互作用对响应值的影响。对比可知提取液pH对芦荟皮渣多糖提取率的影响最为显著，表现为图5、图7的曲面较为陡峭，这说明要获得良好的提取效果，在提取过程中对pH的控制至关重要。由图5可以直观地反映出pH与液料比之间交互作用相当显著，表现为该图等高线的椭圆形状最为显著，而时间与液料比、pH与液料比之间交互作用不显著，表现为图6、图7中等高线椭圆的程度很小，尤其是时间与液料比的等高线近乎为圆了。这些结果都与回归方程的方差分析相吻合，说明响应面优化设计能够较好地反映出试验所设定的三个因素对芦荟多糖提取率的影响。

2.5最优工艺条件及验证试验

利用Design-Expert.V8.0.6软件根据所建立的模型进行参数的最佳优化分析，得到最优提取的工艺条件为：微波时间为168 s，提取液pH为8.92，液料比为54.35 mL/g，微波功率为320 W，在此条件下的木立芦荟皮渣多糖提取率为14.32%。为了验证响应曲面法的可靠性，同时考虑到实际操作的情况，将提取工艺参数修正为：微波提取时间为168 s，提取液的pH为9，液料比为54∶1 mL/g，微波功率为320 W，在此条件下提取，实际测得的3次平均提取率为14.37%，误差较小。

2.6木立芦荟皮多糖结果分析

木立芦荟皮粗多糖在3 420 cm-1附近都出现了羟基（O-H）的伸缩振动峰2 920 cm-1附近都出现C-H变角振动。1 737附近出现C=O伸缩振动，这些都是多糖的特征吸收峰，且在956 cm-1附近有吸收峰，是β-吡喃糖苷的特征吸收峰，在877 cm-1处有吸收峰，说明存在甘露糖。红外图谱解析见表4。

图5　液料比和pH的交互作用Fig.5　Chart of response surface of the effect on liquid-solid ratio and pH interaction

图6　液料比和微波时间的交互作用Fig.6　Chart of response surface of the effect on liquid-solid ratio and microwave time interaction

图7　pH和微波时间的交互作用Fig.7　Chart of response surface of the effect on pH and microwave time interaction

3　结论

1）在单因素试验基础上，采用响应曲面分析法优化木立芦荟皮渣多糖的提取工艺，结果表明，芦荟皮渣多糖最佳提取工艺为：微波时间为168 s，提取液pH值为8.94，液料比为52.59 mL/g，微波功率为320 W，多糖提取率为14.37%。

2）木立芦荟皮粗多糖具有多糖的特征吸收峰，且在956 cm-1附近有吸收峰，是β-吡喃糖苷的特征吸收峰，在877 cm-1处有吸收峰，说明存在甘露糖。

3）采用微波辅助水提取芦荟皮渣多糖相对其他提取工艺大大缩短了提取时间，多糖提取率较高，可降低生产成本，为实现芦荟产业综合利用提供可靠的参考。

表4　木立芦荟皮粗多糖红外光谱Table 4　IR spectrum of polysaccharide from skin of Aloe arborescens Mill.

参考文献：

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[8]王宗伟,王勇,黄兆胜,等.芦荟多糖对小鼠放射损伤的防护作用研究[J].中草药,2002(3):61-63

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.18.040

收稿日期：2014-08-13

基金项目：2010年度湛江市科技攻关项目（湛科[2010]78号文），项目编号：2010C3103022

作者简介：谌素华（1973—），女（汉），高级实验师，硕士，从事食品科学与工程教学与科研工作。

Optimization for Extraction of Polysaccharide from Skin of Aloe arborescens Mill.Using Response Surface Method

CHEN Su-hua1，DENG Min2，WANG Wei-min1，LI Guo-wei1，ZHONG Sai-yi1，HU Wu1
（1.College of Food Science and Technology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，Guangdong，China；2.Hospital of Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，Guangdong，China）

Abstract：The extraction technology of polysaccharide from skin slag of Aloe arborescens Mill.was studied using response Surface Method（RSM），and microwave time，Extraction liquid pH，liquid-solid ratio were selected as experimental the factors.Based on the analysis of significance and interaction among different factors，the optimal condition of extraction technology was obtained as followed：microwave time was 168 s，Extraction liquid pH was 9，liquid-solid ratio was 52∶1（mL/g），microwave power was 320 W.Under the conditions of extraction，the average value of three times actual measured extraction rate was 14.37%.Using IR to analyze structure of polysaccharide from skin slag of Aloe arborescens Mill，IR spectra suggested its had polysaccharide′s characteristic groups.

Key words：Skin of Aloe arborescens Mill.；polysaccharide；microwave assisted extraction；response surface method；IR spectrum