响应面法优化超声辅助提取佛手瓜多糖工艺

陈健旋

漳州职业技术学院 食品与生物工程系;农产品深加工及安全福建省高校应用技术工程中心,福建 漳州 363000

响应面法优化超声辅助提取佛手瓜多糖工艺

陈健旋

漳州职业技术学院 食品与生物工程系;农产品深加工及安全福建省高校应用技术工程中心,福建 漳州 363000

本文以佛手瓜为原料，采用响应面法优化超声辅助提取佛手瓜多糖。在单因素试验基础上，运用Box-Behnken中心组合实验和响应面法考察了液料比、超声功率、超声温度、超声时间四个因素对佛手瓜多糖得率的影响，并优化了提取工艺。结果表明最佳的工艺条件为：液料比30 mL·g-1、超声功率245 W、超声温度65℃，超声40 min。在此条件下佛手瓜多糖得率的预测值为3.319%，验证实验值为3.288%，其相对误差为0.934%。

佛手瓜;超声;多糖

佛手瓜（Sechium edule(Jacq.)Swartz）原产于西印度群岛、墨西哥及中美洲热带，是葫芦科梨瓜属的一种珍稀瓜类蔬菜，于19世纪初传入我国，目前在我国的广东、福建、浙江、云南、山东等地有大量的种植[1,2]。佛手瓜生命力旺盛，适应性强，是一种优质高产的“无公害”蔬菜。佛手瓜营养丰富，富含人体所需胡萝卜素及镁、铁、磷、钙、锌等多种矿物质，还含有各种氨基酸等天然活性物质，具有极大的开发前景[3,4]。多糖是生命有机体的重要组成部分，参与各种生命功能活动，具有降血脂、降血糖、降血压、抗疲劳、抗衰老、抗氧化、活血抗栓、增强免疫、增强骨髓造血机能等多种活性[5,6]。目前，尚未有佛手瓜多糖提取的报道，而利用超声辅助佛手瓜多糖的提取更是未见报道，超声波具有空化效应，可促进植物细胞内物质与溶剂之间的扩散与溶解，可有效地提高被提取物的收率[7,8]。本文在单因素实验的基础上，利用超声波辅助对佛手瓜多糖进行提取，并对实验工艺进行响应面分析得到了最佳的提取工艺，为佛手瓜多糖的进一步研究与开发提供基础数据。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

佛手瓜，购于漳州菜市场。乙醇、正丁醇、氯仿、浓硫酸、葡萄糖、苯酚、石油醚、乙醚等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

BSA124S电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司；UV-1800PC-DS2紫外可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；SCQ-3201E超声波清洗机，上海声彦超声波有限公司；LGJ10-C冷冻干燥机，北京四环科学仪器厂；Q-250B高速多功能粉碎机，上海冰都电器有限公司；GZX-9070MBE数显鼓

1.3 试验方法

风干燥箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂。

1.3.1 佛手瓜多糖含量的测定 采用苯酚—硫酸法[9]，以葡萄糖为标准品，配制一系列浓度的葡萄糖溶液，在490 nm处测定吸光度，以吸光度Y为纵坐标，葡萄糖溶液浓度X为横坐标、绘制标准曲线并进行线性回归，得到回归方程。

测定所提取的待测液在490 nm下的吸光度，并代入回归方程，得到多糖的浓度，并按下式计算得到多糖的得率。

1.3.2 超声辅助提取佛手瓜多糖工艺 将市场采购的佛手瓜洗净，切成条状，自然晾干，后于冷冻干燥机中进行冷冻干燥，粉碎，过80目筛，并将筛后的佛手瓜置于无水乙醇中浸泡，过滤，用石油醚脱色、脱酯，后干燥备用。准确称取一定量备用的佛手瓜粉末，装入250 mL烧瓶中，置于超声反应器中，按设置的工艺条件对佛手瓜多糖进行提取，提取结束后，加入Sevage试剂去除蛋白质，并分离除去有机溶剂，过滤去渣、减压浓缩，定容，按1.3.1中的方法进行计算多糖得率。

1.3.3 单因素实验

1.3.3.1 液料比对多糖得率的影响 称取一定量的佛手瓜粉末于250 mL的烧瓶中，在超声功率240 W，超声温度60℃，超声时间40 min的条件下，考察不同液料比（15、20、25、30、35、40 mL·g-1）对多糖得率的影响。

1.3.3.2 超声功率对多糖得率的影响 称取一定量的佛手瓜粉末于250 mL的烧瓶中，在液料比30 mL·g-1，超声温度60℃，超声时间40 min的条件下，考察不同超声功率（180、200、220、240、260、280 W）对多糖得率的影响。

1.3.3.3 超声温度对多糖得率的影响 称取一定量的佛手瓜粉末于250 mL的烧瓶中，在液料比30 mL·g-1，超声功率240 W，超声时间40 min的条件下，考察不同超声温度（40、50、60、70、80、90℃）对多糖得率的影响。

1.3.3.4 超声时间对多糖得率的影响 称取一定量的佛手瓜粉末于250 mL的烧瓶中，在液料比30 mL·g-1，超声功率240 W，超声温度60℃，的条件下，考察不同超声时间（10、20、30、40、50、60 min）对多糖得率的影响。

1.4 试验设计

根据单因素实验的结果，以多糖得率为响应值，采用Box-Behnken实验设计，选择液料比（A）、超声功率（B）、超声温度（C）、超声时间（D）为工艺参数，运用Design Expert 8.05b软件进行四因素三水平响应面优化实验，建立预测模型，其因子编码及水平如表1。

表1 响应面分析因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface methodology

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 液料比对佛手瓜多糖得率的影响 如图1所示，随着液料比的增加，佛手瓜多糖的得率逐渐增大，当液料比达到30 mL·g-1时，得率达到最大，继续增加液料比，多糖得率反而下降，这是因为液料比较小时，溶剂无法充分浸透，使得多糖得率较低，随着液料比的增大，溶剂与佛手瓜颗粒间的浓度梯度增大，增大了多糖从颗粒内部向溶剂主体的扩散系数，使得多糖得率增大，当液料比超过30 mL·g-1后，溶剂用量过大，溶剂会消耗超声产生的能量[10]，而使得多糖得率下降。因此，最佳的液料比选择为30 mL·g-1。

图1 液料比对多糖得率的影响Fig.1 Effect of liquid-material ratio on yield of Polysaccharides

图2 超声功率对多糖得率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic power on yield of Polysaccharides

2.1.2 超声功率对佛手瓜多糖得率的影响 如图2所示，随着超声功率的增大，佛手瓜多糖得率逐渐增加，当超声功率达到240 W时，多糖得率达到最大，继续增大超声功率，多糖得率反而下降。这是因为随着超声功率的增加，超声产生的机械剪切、空化效应等作用加强促进了溶剂与佛手瓜颗粒的浸润，加速了多糖从佛手瓜颗粒内部的溶出，使得多糖得率增大，但当超声功率超过240 W时，过高的超声功率会使得溶剂局部瞬间地升温而造成多糖分子链的断裂与破坏[11]，而造成得率的下降。因此最佳的超声功率选择为240 W。

2.1.3 超声温度对佛手瓜多糖得率的影响 如图3所示，随着超声温度的升高，佛手瓜多糖的得率逐渐增大，当超声温度到达60℃时，佛手瓜多糖得率达到最大值，继续升高超声温度，多糖得率反而又下降，这是因为随着超声温度的升高，多糖与溶剂的分子热运动增强，促进了二者之间的扩散与交换，且温度的升高，促进了多糖在溶剂中的溶解，从而使得多糖得率的增加，但当超声温度超过60℃时，温度过高，会导致部分多糖的降解与破坏[12]，从而使得多糖得率的下降。因此最佳的超声温度选择为60℃。

图3 超声温度对多糖得率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on yield of Polysaccharides

图4 超声时间对多糖得率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic time on yield of Polysaccharides

2.1.4 超声时间对佛手瓜多糖得率的影响 如图4所示，随着超声时间的延长，佛手瓜多糖得率逐渐增大，当超声时间达到60 min时，多糖得率达到最大，继续增加超声时间，多糖得率反而下降。这是因为随着超声时间的延长，促进了溶剂与佛手瓜颗粒内部多糖的溶解与扩散，而使得多糖得率增大，但超声时间过长，长时间的超声作用，会使得多糖分子链的断裂及降解[13]，从而导致多糖得率的下降。因此最佳的的超声时间选择为50 min。

2.2 响应优化佛手瓜多糖提取工艺

2.2.1 响应面优化结果 采用Box-Behnken中心组合实验设计，用自变量A、B、C、D表示液料比（mL·g-1）、超声功率（W）、超声温度（℃）、超声时间（min）四个影响因素，以多糖得率为响应值（Y）。利用Design Expert 8.05b软件对试验结果进行响应面分析，得到回归模型参数和方差分析，其结果见表2，表3。

表2 响应曲面设计方案及实验结果Table 2 Experiment design and result of response surface method

表3 佛手瓜多糖提取参数回归分析结果Table 3 Regression analysis results of extraction parameter of Polysaccharides

利用Design-Expert 8.05b软件对液料比（A）、超声功率（B）、超声温度（C）、超声时间（D）四个因素对佛手瓜多糖得率（Y）进行响应面分析，建立四元二次回归方程：Y=3.21-0.018A+0.26B+0.29C+0.053D-0.044AB+0.00775AC+0.014AD-0.025BC+0.00625BD-0.066CD -0.37A2-0.47B2-0.28C2-0.18D2；由表3的方差分析可以看出，该回归模型P＜0.01，说明回归模型达到极显著水平，失拟项P=0.067＞0.05，差异不显著，表明该未知因素对试验结果干扰较小，残差均由随机误差所引起。该模型的相关系数R2=0.9698，表明有96.98%的实验值可用预测值来代替，说明该模型拟合度好，实验误差小。根据P值及F值可看出，影响因子的主效应主次顺序为：超声温度＞超声功率＞超声时间＞液料比。一次项A、D，交互项AB、AC、AD、BD、CD对试验结果影响不显著（P＞0.05）；一次项B、C，二次项A2、B2、C2、D2对试验结果影响极显著（P＜0.01），说明各工艺条件与佛手瓜多糖得率之间不是简单的线性关系，而是一种非线性关系。综上所述，该模型拟合度高，可用该回归模型来描述各工艺参数与响应值之间的真实关系，因此可用该模型预测超声辅助提取佛手瓜多糖的工艺条件。

2.2.2 响应面分析 对表2的结果作响应面及等高线图，图中表示A、B、C、D四因素中任意两个变量取零水平时，另两个变量对多糖得率的交互影响，如图5～10。从图中可以看出，超声温度和超声功率的曲线较陡，说明超声温度和超声功率对多糖得率的影响最为显著；而超声时间和液料比的曲线均较平缓，响应值变化较小，说明超声时间和液料比对多糖得率的影响较不显著。由图及分析可知，主次因素顺序为超声温度＞超声功率＞超声时间＞液料比。

图5 液料比和超声功率对多糖得率影响的响应面和等高线图Fig.5 Response surface and contour plots for the effect of liquid-material ratio and ultrasonic power on yield of Polysaccharides

图6 液料比和超声温度对多糖得率影响的响应面和等高线图Fig.6 Response surface and contour plots for the effect of liquid-material ratio and ultrasonic temperature on yield of Polysaccharides

图7 液料比和超声时间对多糖得率影响的响应面和等高线图Fig.7 Response surface and contour plots for the effect of liquid-material ratio and ultrasonic time on yield of Polysaccharides

图8 超声功率和超声温度对多糖得率影响的响应面和等高线图Fig.8 Response surface and contour plots for the effect of ultrasonic power and ultrasonic temperature on yield of Polysaccharides

图9 超声功率和超声时间对多糖得率影响的响应面和等高线图Fig.9 Response surface and contour plots for the effect of e ultrasonic power and ultrasonic time on yield of Polysaccharides

图10 超声温度和超声时间对多糖得率影响的响应面和等高线图Fig.9 Response surface and contour plots for the effect of ultrasonic temperature and ultrasonic time on yield of Polysaccharides

2.2.3 提取工艺优化及验证实验 根据四元二次回归模型，在所选取的各工艺条件范围内，通过Design Expert 8.05b软件对回归模型进行分析处理，得到超声波辅助提取佛手瓜多糖的最佳条件为：液料比29.83 m L·g-1、超声功率245.23 W、超声温度65.06℃、超声时间40.61 min，在此条件下，回归模型所预测的最大多糖得率为3.319%。考虑到实际操作条件，将工艺条件修正为：液料比30 m L·g-1、超声功率245 W、超声温度65℃，超声40 min。在此条件下进行三次平行验证实验，实际测得佛手瓜多糖得率为3.287%、3.282%、3.295%，平均值为3.288%，相对偏差为0.656%，与理论预测值相比，其相对误差为0.934%，说明回归模型拟合度高，证明了回归模型的可靠性。

3 结论

在单因素实验的基础上，采用超声辅助法提取佛手瓜多糖，并对多糖的提取参数进行四因素三水平的响应面优化，建立了响应值和各个因素之间的四元二次回归方程：

Y=3.21-0.018A+0.26B+0.29C+0.053D-0.044AB+0.00775AC+0.014AD-0.025BC+0.00625BD-0.066C D-0.37A2-0.47B2-0.28C2-0.18D2

依据此数学模型确定了超声辅助提取佛手瓜多糖的最佳工艺参数为：液料比30 m L·g-1、超声功率245 W、超声温度65℃，超声40 min。在此条件下进行三次平行验证实验，实际测得佛手瓜多糖得率的平均值为3.288%，与理论预测值相比，其相对误差为0.934%，说明回归模型拟合度高，证明了回归模型的可靠性，对佛手瓜多糖提取的工业化有一定的应用价值。

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Polysaccharides Extracted from Sechium edule(Jacq.)Swartz by Response Surface Methodology with Ultrasonic Optimization

CHEN Jian-xuan
Applied Technology Engineering Center of Fujian University for Further Processing and Safety of Agricultural Products, Department of Food and Biology Engineering/Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000,China

The ultrasonic-assisted extraction conditions of Polysaccharides from Sechium edule(Jacq.)Swartz were optimized by response surface methodology.Based on the single-factor experiments,the effects of four variables on Polysaccharides yield and the optimum process were evaluated by Box-Behnken central composite experimental design and response surface methodology analysis.The results showed the optimum conditions were the ratio of liquid-to-material 30 mL·g-1,ultrasonic power 245 W,ultrasonic temperature 65℃,ultrasonic time 40 min,under these optimized conditions the yield of polysaccharides could be up to 3.288%and the relative error was 0.934%.

Sechium edule(Jacq.)Swartz;Ultrasonic;Polysaccharide

TS255;R93

:A

:1000-2324(2017)02-0171-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2017.02.003

2015-05-26

:2015-06-12

福建省中青年教师教育科研项目(JB14182)

陈健旋(1964-),女,副教授,主要从事食品生物技术研究.E-mail:cjxsp@126.com