响应曲面法优化玉米须多糖提取工艺的研究

王艺帷，唐艳花，吴 娜，王 静*

(1.云南农业大学经济管理学院，昆明650201;2.红河学院理学院，云南蒙自661100)

玉米须又名玉米胡子，为我国常用药材品种之一［1］。玉米须中含有生物碱、皂甙、甾醇和多糖等多种活性成分，有利尿、清血热、平肝和降血糖等功效，可用于治疗黄疸、乳糜血尿、血崩等症。多糖是玉米须中主要的功效成分之一，玉米须多糖无毒，有降血糖、抗癌，提高免疫活性等功效［2－3］。目前，玉米须多糖的提取方法有常规水提法、超声波辅助提取法、纤维素酶法。而微波辅助提取乙醇沉淀法提取玉米须多糖尚未见报道。

本研究以玉米须为原料，采用微波辅助提取，乙醇沉淀的方法提取玉米须多糖。考察了料液比、微波提取时间、微波提取温度对多糖提取率的影响，并采用响应曲面法对提取工艺进行优化。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

新鲜玉米须。苯酚、硫酸、乙醇均为分析纯。MAS－Ⅱ型常温微波萃取仪(上海新仪微波化学科技有限公司);UV－2000X型紫外－可见分光光度计(上海尤尼科有限公司);FA1004型电子天平(上海精密科学仪器有限公司)。

1.2 玉米须多糖的提取

1.2.1 微波提取

精确称取玉米须粉粒5 g于烧杯中，加入8～16倍蒸馏水浸泡24 h，置于微波萃取仪专用三颈烧瓶中，在提取温度90℃、提取时间0.5 h，微波功率900 W，微波频率2 450 MHz的条件下于微波萃取仪加热，用玻砂漏斗过滤得到提取液。

1.2.2 乙醇沉淀法从提取液中提取多糖

将提取液旋转蒸发浓缩，加乙醇并搅拌;静置;4 000 r/min离心分离10 min，弃去上清液，收集得到多糖。

1.2.3 玉米须多糖测定方法

采用苯酚－硫酸法测定玉米须多糖含量［7－9］。

1.3 实验方案

1.3.1 玉米须多糖提取影响因素实验

提取温度、提取时间、料液比等均会影响玉米须多糖的溶出。采用单因素实验考察提取温度、提取时间、料液比对多糖提取率的影响。

1.3.2 玉米须多糖提取Box－Behnken Design(BBD)实验设计

采用Design－Expert软件进行实验设计考察［10］，选取料液比、提取时间、提取温度3因素为提取效果影响因素，分别用A、B、C表示，每个自变量的低、中、高试水平分别以－1、0、1编码。以多糖含量(Y)为响应值。试验因素与水平设计详见表1。

表1 BBD响应面因素水平表Tab.1 BBD response surface level of form factors

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 料液比对提取率的影响

提取温度90℃，提取时间0.5 h，微波功率900 W，微波频率2 450 MHz，取料液比为1∶4，1∶8、1∶12、1∶16、1∶20(g/mL)，考察料液比对玉米须多糖提取率的影响。实验结果见图1。

图1 料液比对玉米须多糖提取率的影响Fig.1 Effect of solid－liquid ratio on the extraction rate of polysaccharides corn

由图1知，料液比增加，多糖提取率也增加，1:16(g/mL)的时候达到最大，这是因为料液比大，使玉米须细胞内外的多糖浓度差增大，有利于多糖浸出，但由于玉米须本身干燥易吸水，料液比过高会影响多糖的提取。

2.1.2 温度对多糖提取率的影响

料液比为1∶8(g/mL)，提取时间0.5 h，微波功率900 W，微波频率2 450 MHz温度分别为60、70、80、90、100℃，考察提取温度对玉米须多糖提取率的影响。

实验结果见图2。由图2知，在70～90℃之间，随着温度升高，提取率也增加，当温度为90℃时达到最大。而随着温度升高，提取率反而降低，这是因为温度过低则多糖提取不完全，温度过高会使多糖水解，影响提取率。

图2 温度对玉米须多糖提取率的影响Fig.2 Effect of temperature on the extraction rate of polysaccharides corn

2.1.3 提取时间对多糖提取率的影响

料液比为1∶8(g/mL)，提取温度90℃，微波功率900 W，微波频率2 450 MHz，提取时间分别为10、20 、30 、40 、50 min，考察提取时间对玉米须多糖提取率的影响。实验结果见图3。由图3知，在10～30 min内，随着时间的增加，提取率也跟着增加，但随着时间继续增加，提取率开始降低，这是因为随着时间的增加，部分多糖会发生降解。

图3 提取时间对玉米须多糖提取率的影响Fig.3 Effect of extraction time on the extraction rate of polysaccharides corn

2.2 BBD响应面实验设计

采用Design－Expert软件进行实验设计考察，实验有17个点，其中12个析因点，2个零点。零点试验重复5次，以多糖含量为响应值。结果见表2。

表2 BBD响应面实验设计及结果Tab.2 BBD response surface experimental design and results

2.3 建立模型方程与方差分析

应用Design－Expert 8.0.6软件对表2中的数据进行二次回归方程拟合，得到料液比(A)、温度(B)、时间(C)、多糖提取率之间的二次多项回归方程:

对上述回归模型进行显著性检验，结果见表3。

表3 回归模型方差分析Tab.3 Regression model analysis of variance

2.4 响应面分析及最优提取条件的确定

2.4.1 响应面分析

图4～图6为实验所得的优化响应曲面，反应了当料液比、提取时间、提取温度3个因素中任意两个因素的交互作用对玉米须多糖提取率的影响，曲面陡表明该因素对多糖的提取率影响显著，曲面平缓表明该因素对多糖的提取率影响不显著，等高线的形状反应两因素的交互作用的强弱，椭圆形表明交互作用强，影响显著，圆形则相反。图4中提取温度的曲面陡峭，料液比的曲面平缓，说明提取温度对多糖提取率的影响比料液比大，等高线为椭圆形，说明温度和料液比的交互作用显著。图5中提取时间的曲面陡峭，料液比的曲面平缓，说明提取时间对多糖提取率的影响比料液比大。等高线为椭圆形，说明提取时间和料液比的交互作用显著。图6中提取时间和提取温度的都较为平缓，说明提取时间和提取温度对多糖提取率的影响差不多。等高线为圆形，说明提取时间和料液比的交互作用不显著。

图4 温度和时间对玉米须多糖提取率的响应面Fig.4 Effect of temperature and time on the extraction rate of polysaccharides corn response surface

图5 时间和料液比对玉米须多糖提取率的响应面Fig.5 Time and solid－liquid ratio on the extraction rate of polysaccharides corn response surface

图6 时间和温度对玉米须多糖提取率的响应面Fig.6 Effect of time and temperature on the extraction rate of polysaccharides corn response surface

2.4.2 最优条件确定

由表3可知，该回归模型极显著(p＜0.0001)，且方程的失拟项不显著(p=0.1327＞0.05)，表明该方程对实验拟合情况较好，实验误差小。

通过软件分析，得到玉米须多糖提取的最佳条件为:料液比 1∶8.01(g/mL)、提取温度92.37℃、提取时间30 min，在此条件下，玉米须多糖提取率预测值为1.12%.为检验响应曲面法所得结果的可靠性，采用上述优化条件提取玉米须多糖，考虑到实际操作的便利，将提取参数修正为:料液比1∶8(g/mL)，提取温度93℃、提取时间30 min，在此修正条件下玉米须多糖的提取率为1.13%，与理论预测值相比，相对误差为0.88%。因此，基于响应曲面法所得的优化提取方法参数准确可靠，具有实用价值。

3 结论

本研究采用微波提取－乙醇沉法提取玉米须多糖，通过单因素实验和Box－Behnken中心组合设计原理，设计3因素3水平实验，利用Design－Expert软件进行响应面分析，建立玉米须多糖提取的回归方程。经检验该回归方程能够较好的预测玉米须多糖的提取率。经回归优化后的玉米须多糖的最佳提取工艺条件为料液比1∶8(g/mL)，提取温度93℃、提取时间30 min。

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