响应面法优化微波提取生姜多糖的工艺

王颖，曾霞，周天，王一飞

（1.广东石油化工学院环境与生物工程学院，广东茂名525000；2.暨南大学国家基因工程药物研究中心广东省生物医药研究开发基地，广东广州510632）

响应面法优化微波提取生姜多糖的工艺

王颖1，2，曾霞1，周天1，王一飞2

（1.广东石油化工学院环境与生物工程学院，广东茂名525000；2.暨南大学国家基因工程药物研究中心广东省生物医药研究开发基地，广东广州510632）

利用响应面法优化微波提取生姜中多糖的工艺条件。在单因素试验的基础上，选取料液比、浸泡时间、微波时间和微波功率为影响因子，应用Box-behnken中心组合设计建立数学模型，以多糖的提取率为响应值，进行响应面分析。微波提取生姜中多糖的最佳工艺条件为料液比1∶22.21（g/mL），浸泡时间为120.06 min，微波时间为86.43 s，微波功率为247.02 W。此条件下多糖的提取率预测值为18.91%，验证值为18.93%。

响应面分析法；生姜；多糖；微波

多糖（Polysaccharides）又称多聚糖，是生物体内除蛋白质和核酸外的又一类重要信息分子，具有多种生物活性。研究发现，多糖具有抗肿瘤、抗病毒、抗突变、抗衰老、抗凝血、降血糖和环境治理等作用［1-2］。植物多糖因具有多种生物活性而备受人们关注，生姜（Zingiber officinale Roscoe.）又名姜，白姜，均姜等，属姜科（Zingiber Zingiberaceae）姜属多年生草宿根植物，是常用的香辛料和传统中医药材［3］。目前，已有研究表明生姜根中含有大量多糖［4］，且对其进行了相关的研究［5-9］。但利用微波方法提取生姜多糖的研究目前鲜见。本实验以生姜多糖提取率为检测指标，采用微波辅助法从生姜中提取多糖，选取料液比、浸泡时间、微波时间和微波功率为影响因素，对生姜多糖提取率的影响进行了研究，并通过响应面分析法对生姜多糖微波提取的最佳工艺条件进行优化［10-11］。旨在为生姜多糖的工业化提取提供一定的技术参考。

1　材料与方法

1.1材料

生姜：市售。

无水乙醇、苯酚、浓硫酸、均为国产分析纯；葡萄糖对照品：天津市大茂化学试剂厂。

1.2主要仪器与试剂

DHG-9246A型数显鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；WP-800T型微波炉：佛山格兰仕电器有限公司；DK-S24型电热恒温水浴锅：上海精宏试验设备有限公司；SS250-A型打浆机：佛山万胜电器实业有限公司；AUY220电子天平：日本岛金有限公司；80-2型电动离心机：常州澳华仪器有限公司；722N型可见分光光度计：上海菁华科技仪器有限公司；FA2104型分析电子天平：上海良平仪器表有限公司。

1.3方法

1.3.1生姜的预处理

将鲜生姜洗净晾干后，切片后于真空干燥箱40℃干燥恒重，搅拌机粉碎后过40目筛得生姜粉，按1∶5加入无水乙醇80℃回流2 h、石油醚50℃回流2 h脱去脂质和色素；重复2次，过滤后风干用广口瓶密封储存备用。

1.3.2生姜多糖提取

精确称量生姜粉2.000 g，放入250 mL锥形瓶中，加入一定体积的蒸馏水，按一定的微波条件（料液比，浸泡时间，微波时间及微波功率）提取。过滤后得到生姜多糖提取液。通过改变微波功率、浸泡时间、微波处理时间和料液比等因素来探讨微波取技术对生姜多糖提取率的影响，通过响应面试验优化确定最佳提取工艺参数。每组做3个重复，求其平均值。

1.3.3多糖含量的测定

1.3.3.1葡萄糖标准曲线的绘制

准确称取105℃干燥至恒重的葡萄糖标准品0.100 0 g，置于1 000 mL容量瓶中，加蒸馏水溶解并稀释至刻度，配制成100 μg/mL的储备液精确移取100 μg/mL葡萄糖标准溶液0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 mL，各以纯水补至1.0 mL，即得到葡萄糖浓度为10 μg/mL、30、50、70、90 μg/mL，然后分别加入质量分数6%苯酚溶液1.0 mL，浓硫酸5.0 mL摇匀，于沸水浴中加热15 min，然后置冰水浴中冷却15 min，室温中放置30 min，在波长490 nm处测定吸光度。以葡萄糖质量浓度为横坐标，490 nm波长下的吸光度（A490）为纵坐标，绘制标准曲线。线性回归得标准曲线：y=10.228x－0.014 2，R2=0.995 2。

1.3.3.2多糖含量的测定

采用苯酚-硫酸法［12］。然后按照下列公式计算多糖的提取率。

2　结果与分析

2.1响应曲面优化提取工艺

2.1.1响应面实验结果

在单因素试验的基础上，根据响应面分析软件中Box-Benhnken的中心组合试验设计原理，选取对生姜多糖提取率影响显著的4个因素：料液比（A）、浸泡时间（B）、微波时间（C）、微波功率（D），采用四因素三水平的响应面分析方法进行试验设计（见表1）。试验结果见表2。

表1　响应面因素水平编码表Table 1Response surface factor levels coding table

表2　响应面分析试验结果Table 2Response surface analysis of test results

2.1.2数据分析

以生姜多糖提取率为响应值，根据表2的试验结果，运用响应面分析软件进行多元回归分析，分析结果见表3，对各因素回归拟合后，得回归方程：

Y=18.67+0.56A+0.19B+0.52C+0.39D-0.11AB+ 0.005AC-0.090AD-0.39BC-0.038BD-0.19CD-0.62A2-1.00B2-0.77C2-0.82D2

表3　响应曲面二次回归方程模型方差分析Table 3Analysis of variances for the developed regression model

从表3方差分析表中可以看出，用上述回归方程描述各因素与响应值的关系时，其因变量和全体变量间的线性关系显著R2=0.925 8，模型的显著水平（pr＞F）远远小于0.05，此时Quadratic回归方差模型是高度显著的，该实验方法是可靠的。回归方程各项方差分析，当显著水平小于0.05时，它所对应的条件对响应值的作用是显著的，方程的失拟误差不显著，可用该回归方程代替实验真实点对实验结果进行分析。结果表明各实验因子对响应值的影响不是线性关系，表中作用高度显著的是一次项中A、C，作用显著的是D；二次项中B、C、D的影响是高度显著的，A的影响是显著；交互项中BC作用影响显著。对提取率影响的大小依次为料液比、微波时间、微波功率、浸泡时间，即料液比与微波时间对多糖提取率的影响为高度显著。

2.1.3响应曲面分析与优化

根据回归分析结果作相应曲面图，结果见图1～图6。

图1　料液比、浸泡时间及其交互作用的响应曲面Fig.1Response surface plot indicating the interactive effects of immersion time and liquid/solid ratio on polysaccharide yield

图2　料液比、微波时间及其交互作用的响应曲面Fig.2Response surface plot indicating the interactive effects of microwave time and liquid/solid ratio on polysaccharide yield

图3　料液比、微波功率及其交互作用的响应曲面Fig.3Response surface plot indicating the interactive effects of microwave power and liquid/solid ratio on polysaccharide yield

图4　浸泡时间、微波时间及其交互作用的响应曲面Fig.4Response surface plot indicating the interactive effects of immersion time and microwave time on polysaccharide yield

图5　浸泡时间、微波功率及其交互作用的响应曲面Fig.5Response surface plot indicating the interactive effects of immersion time and microwave power on polysaccharide yield

图6　微波时间、微波功率及其交互作用的响应曲面Fig.6Response surface plot indicating the interactive effects of microwave time and microwave power on polysaccharide yield

由表3和图1～图6可知，模型中的浸泡时间和微波时间的交互项、料液比二次项对生姜多糖提取率有显著影响，浸泡时间二次项、微波时间二次项、微波功率二次项和提取时间二次项对生姜多糖提取率有极显著影响，而微波功率和料液比之间、液料比和微波时间之间、浸泡时间和料液比之间、浸泡时间和微波功率之间、微波时间和微波功率之间的交互作用较小。料液比的影响最大，微波时间次之，而浸泡时间所起的作用最小。表明各因素对生姜多糖提取率的影响不只是简单的线性关系。为进一步确定最佳提取工艺参数，对所得方程进行逐步回归，删除不显著项，然后求一阶偏导，并令其为0，可得优化后的最佳工艺参数：料液比为1∶22.21（g/mL）、浸泡时间为120.06 min、微波时间为86.43 s、微波功率为247.02 W，此时生姜多糖提取率为18.91%。为检验响应面分析软件中Box-Behnken试验设计所得结果的可靠性，采用上述优化工艺参数提取3次（提取率18.91%、19.00%、18.87%），平均提取得率为18.93%，与理论预测值相比，相对误差约为0.000 9%，说明此最佳模型可靠。

3　结论

本试验将响应曲面法与微波技术结合起来来优化生姜多糖的提取工艺。结果表明：各因素对生姜多糖提取率的影响为：料液比〉微波时间〉微波功率〉浸泡时间。通过响应面分析法中Box-Behnken试验设计得生姜多糖提取最佳工艺参数是：料液比为1∶22.21、浸泡时间为120.06 min、微波时间为86.43 s、微波功率为247.02 W。在此条件下，多糖提取率为18.93%，与理论值18.91%相对误差仅为0.000 9%，说明此最佳模型可靠。

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Optimization of Microwave Extraction Conditions of Zingiber officinale Roscoe Polysaccharides by Response Surface Methodology

WANG Ying1，2，ZENG Xia1，ZHOU Tian1，WANG Yi-fei2
（1.School of Environmental and Biological Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，Guangdong，China；2.Biomedicine Research&Development Center；Biomedine Research and Development Center of Jinan Umversity，Guangzhou 510632，Guangdong，China）

Response surface methodology was used for optimization the ultrasonic extraction technology of polysaccharide from Zingiber officinale Roscoe.Based on single factor experiments，solid-solvent ratio，immersion time，microwave time and microwave power were selected as influencing factors.The experiment mathematical model was arranged according to Box-Behnken central composite design.The optimum extraction conditions showed that the solid-solvent ratio 1∶22.21（g/mL），immersion time 120.06 min，microwave time86.43 s，microwave power 247.02 W.The predicted polysaccharide extraction yield was 18.91%and the verification yield was 18.93%.

response surface methodology（RSM）；Zingiber officinale Roscoe.；polysaccharide；microwave

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.13.016

2014-11-05

广东省科技计划项目（2012B040400005）；茂名市科技计划项目（2012B01027）

王颖（1980—），女（汉），讲师，硕士，从事生物方面的教学与研究。