超声波辅助提取紫薯多糖工艺优化的研究*

李欣，陈培琳，张怡，曾红亮

（福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002）

超声波辅助提取紫薯多糖工艺优化的研究*

李欣，陈培琳，张怡，曾红亮

（福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002）

为了研究超声波辅助提取紫薯多糖的最佳工艺，在超声波频率60Hz下,考察超声波功率、提取温度、提取时间、液料比等4个单因素对紫薯多糖得率影响的基础上，采用响应面分析法对紫薯多糖的超声波辅助提取工艺进行优化。结果表明，紫薯多糖超声波辅助提取的最佳工艺条件为：超声波功率270W、提取温度44℃、提取时间84min、液料比46∶1（mL/g），在此条件下，多糖得率为8.45%～8.75%，与理论预测值一致。与传统热水浸提法、超高压辅助提取法相比，采用超声波法的紫薯多糖得率分别提高了341.03%和46.01%。这表明，超声波辅助提取工艺可以有效地提取紫薯多糖。

紫薯多糖；超声波提取；响应面分析法

紫薯又名黑薯（Purple Sweet Potato)，旋花科植物紫心甘薯的块根，在福建、广东、广西、湖南、四川等地广泛种植[1]。薯肉呈紫色或深紫色，富含蛋白质、淀粉、果胶、氨基酸、维生素及各种矿物质，因其富含硒元素和花青素，营养成分远高于普通甘薯[2]。紫薯是一种良好的食物来源，含有多种生物活性物质如紫薯多糖、紫薯糖蛋白、紫薯花色甘等[3]。多糖作为一种重要的生物活性分子，具有特殊的保健功能，可以抗疲劳、清除体内的自由基，预防胃癌和肝癌的发生[4,5]。相关试验已经证明紫薯多糖具有抗氧化、抗辐射、抗肿瘤、增强免疫及降血脂等功能[6]。如叶小力等[7]在研究紫薯多糖对S180荷瘤小鼠的肿瘤的体内抑制、免疫器官的影响的相关实验中发现，紫薯多糖能增加白细胞的数量、增强小鼠的免疫能力，可以显著降低S180在小鼠体内的生长速度。说明低剂量的多糖对肿瘤的治疗有辅助作用。

多糖作为紫薯重要活性成分之一，目前的提取方法主要有超声波辅助法、微波辅助法、酸碱提法、热水浸提和超高压辅助结合水提法等。酸碱提法容易导致多糖结构的破坏[8]，对容器的腐蚀较为严重。微波辅助法和超高压辅助结合水提法需要特殊的设备，增加了提取的费用[7]。而超声波辅助提取法是近年发展起来的一种新方法，其原理包括利用超声波产生的强烈振动、高速运转、剧烈的空化搅拌等破碎过程，使得目标成分更快更容易进入溶剂，从而提高其提取率[9,10]。赵兵等[11]对循环气升式超声波破碎鼠尾藻提取海藻多糖的研究中发现，超声波强化提取多糖是缩短时间，降低提取温度的有效途径，而且提取率也较高。

因此，文章采用超声波辅助提取法提取紫薯多糖，在考察超声波功率、提取温度、提取时间、液料比等4因素对多糖得率影响的基础上，通过响应面法对紫薯多糖超声波提取工艺条件进行优化，为今后紫薯多糖分离纯化、结构表征和功能特性研究及综合开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 材料与试剂

新鲜紫薯（产自福建长乐紫罗兰）；乙醇为国产分析纯试剂；试验用水均为2次蒸馏水。

1.1.2 仪器与设备

KQ-300VDE超声清洗机：江苏省昆山市淀山湖镇；

RE-52A型旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂；

BCD-213KC型新飞冰箱：河南新飞电器有限公司；

FW-100 高速万能粉碎器：北京中兴伟业仪器有限公司；

AL104型精密分析天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；

丹瑞HH-6型数显恒温水浴锅：江苏省金坛市荣华仪器制造有双捷实验仪器厂；

L530型台式低速离心机：长沙高新技术产业开发区湘仪离心机仪器有限公司；

Unic-UV-2000型紫外可见分光光度计：尤尼柯（上海）仪器有限公司；

LG-1.0型真空冷冻干燥机：新阳速冻设备制造有限公司；

SZ-96 自动纯水蒸馏器：上海亚荣生化仪器厂；

DHG-9146A 电热恒温鼓风干燥箱：上海精密实验设备有限公司；

卤素快速水分测定仪：深圳市冠亚电子科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 紫薯样品的前处理

取新鲜的紫薯，清洗、去皮、切片、放入55℃恒温干燥箱中进行烘干，用植物粉碎机粉碎，过100目筛，得到紫薯粉末样品。取紫薯粉末，用卤素快速水分测定仪测水分含量，使其水分含量小于3%。

1.2.2 紫薯多糖的提取工艺流程

取定量的紫薯粉末样品，加入一定比例的2次蒸馏水在一定的超声波功率和温度下浸提，4000r/min离心15min后取上清液，在上清液中加入3倍体积的无水乙醇沉降20h，4000r/min离心20min，将沉淀用2次蒸馏水溶解浓缩后冷冻干燥称重。

1.2.3 紫薯多糖得率的测定

1.2.4 单因素试验

取5.00g紫薯粉末，以紫薯多糖得率为指标，研究超声波功率、提取温度、提取时间、液料比对多糖得率的影响。分别选取超声波功率为120、150、180、210、240、270、300W，提取温度为20、30、40、50、60、70℃，提取时间为20、40、60、80、100、120min，液料比为20:1、30:1、40:1、50:1、60:1、70:1(mL/g)进行单因素试验（平行试验3次）。

1.2.5 响应面优化试验

根据单因素实验结果，采用二次回归分析法研究紫薯多糖提取过程中超声波功率、提取温度、提取时间、液料比与多糖得率的关系，并根据Design-Expert8.0.6软件处理数据得到二次回归方程，采用响应面分析法得到最佳的工艺条件。

1.2.6 验证试验

根据响应面预测的最佳提取工艺参数，按照1.2.2的提取工艺流程操作，测定实际得到的紫薯多糖得率，以验证响应面预测的准确性。

1.3 数据处理

采用Design-Expert8.0.6对试验数据进行处理，并对模型进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 单因素结果

2.1.1 超声波功率对紫薯多糖得率的影响

称取5.00g的紫薯粉末，加入150mL2次蒸馏水，研究紫薯粉在超声波功率120、150、180、210、240、270、300W，提取温度30℃，提取时间40min下的多糖得率。

试验结果表明，在超声波功率120～240W范围内，多糖得率随着功率的增大而增大，这可能是因为随着超声波功率的增加超声波产生的强烈震动，剧烈空化搅拌的破碎过程，使目标成分更快、更易地进入溶剂，从而提高多糖得率；在240W之后随着功率的增加而减小，这可能是因为机械振动强度达到一定范围之后，造成多糖分子糖苷键的断裂[12]，从而影响多糖的提取效果，导致多糖得率下降。因此，最适宜的超声波提取功率为240W。

图1 超声波功率对紫薯多糖得率的影响

2.1.2 提取温度对紫薯多糖得率的影响

称取5.00g的紫薯粉末，加入150mL2次蒸馏水，研究紫薯粉在提取温度20、30、40、50、60、70℃，超声功率240W，提取时间40min下的多糖得率。

试验结果表明，在温度20～40℃之间，随着温度的增大而增大，在40℃之后随着温度的增加而减小。这可能是因为温度的升高加快了分子的运动速率，使得提取液的粘度降低，多糖的溶解度升高，从而提高了紫薯多糖的得率。当提取温度超过40℃时，由于多糖被氧化，分子结构遭到破坏，使得紫薯多糖的得率降低[13]。因此，最适宜的提取温度为40℃。

图2 浸提温度对紫薯多糖得率的影响

2.1.3 提取时间对紫薯多糖得率的影响

称取5.00g的紫薯粉末，加入150mL2次蒸馏水，研究紫薯粉在提取时间20、40、60、80、100、120min，超声功率240W，提取温度40℃下的多糖的率。

实验结果表明，在20～80min范围内，随着提取时间的增加，多糖得率增加，在80～120min范围内，随着提取时间的增加，多糖得率下降。这可能是因为时间的增加破坏了越来越多的细胞，使得多糖释放量增加，当时间超过80min后，释放出的多糖被水解[14,15]，导致紫薯多糖得率减小。因此，最适宜的提取时间为80min。

图3 浸提时间对紫薯多糖得率的影响

2.1.4 液料比对紫薯多糖得率的影响

称取5.00g的紫薯粉末，研究紫薯粉在2次蒸馏水100、150、200、250、300、350mL，超声功率240W，提取温度40℃，提取时间80min下的多糖得率。

图4 液料比对紫薯多糖得率的影响

实验结果表明，在液料比20:1～50:1的范围内，随着液料比的增大，多糖得率增大，在液料比为50:1～70:1的范围内，随着液料比的加大，多糖得率下降。这可能是因为液料比的增加加剧了细胞内外的浓度差，使得多糖的传质驱动力增加，但当液料比加大到50:1时，溶剂渗透到细胞内部的距离增大[16,17]，导致多糖得率下降。因此，最适宜的液料比选择50:1（mL/g）。

2.2 正交试验设计和结果

由单因素试验可知：超声波提取功率选择240W为宜、提取温度选择40℃为宜、提取时间选择80min为宜、液料比选择50:1（mL/g）为宜。根据单因素试验结果，以超声波功率(A，W)、提取温度（B，℃)、提取时间（C，min）、液料比（D，mL/g）为变量，以多糖得率（Y，%)为目标函数，设计正交实验，各试验因素和水平见表1。

试验设计及结果见表2。试验1～25是析因试验点，试验25～30是中心试验点。

表1 中心组合设计的因素和水平表

2.3 模型的建立及显著性分析

采用Design-Expert 8.0.6对表2中的试验数据进行多元回归拟合，对回归系数和回归模型进行方差分析，分析结果如表3所示。

从表3可看出，回归模型的P值=0.0001＜0.01，表明该回归模型极显著；在一次项中，A、B、C对多糖得率的影响达到极显著水平，D对多糖得率的影响不显著；在交互项中，BC对多糖得率的影响达到极显著水平，其余交互项对多糖得率的影响不显著；在二次项中， A2、B2、C2和D2对多糖得率的影响达到极显著水平；失拟项不显著，并且该模型的相关系数R2=0.9354，修正相关系数R2Adj=0.8751，变异系数C.V.=4.5106%，说明响应值的变化有95.49%来源于所选变量，模型可以较好的解释试验所得紫薯多糖得率的变化。因此，该回归方程可以较好的描述各因素与紫薯多糖得率之间的真实关系，可用于确定紫薯多糖最佳提取工艺条件。在所选取的各因素水平范围内，从P值显著水平可以看出各因素对多糖得率的影响程度从大到小依次排列为：提取温度＞超声功率＞提取时间。

表2 试验设计及结果

各因素经二次多项式回归拟合后，得到紫薯多糖得率对超声波功率、提取温度、液料比和提取时间4个因素的二次多项回归方程为：

表3 回归模型方差分析

2.4 响应面图和等高线图分析

由以上回归模型方差分析结果（表3）可知，各因素对多糖得率的影响程度大小依次为：B＞A＞C＞D。B、A、C和D二次项的系数均为负值，方程表示的抛物面开口向下有极大值点。

2.4.1 超声波提取温度与提取时间的交互作用对紫薯多糖得率的影响

超声波提取温度与提取时间的交互作用对紫薯多糖得率的影响如图5所示，二者交互作用对紫薯多糖得率的响应面坡度较陡，说明超声波提取温度和提取时间对多糖的得率影响较大。当液料比为50:1（mL/g），提取功率为240W，在超声波提取温度38～46℃和提取时间78～85min范围内，多糖得率最大。

图5 超声波提取温度与提取时间对多糖得率影响的响应面和等高线图

2.4.2 超声波功率与提取温度的交互作用对紫薯多糖得率的影响

超声波功率与提取温度的交互作用对紫薯多糖得率的影响如图6所示，当液料比为50:1（mL/g），提取时间80min，在超声波功率235～245W和提取温度38～50℃范围内，多糖得率最大。

图6 超声波功率与提取温度对多糖得率影响的响应面和等高线图

2.4.3 超声波功率与提取时间的交互作用对紫薯多糖得率的影响

超声波功率与提取时间的交互作用对紫薯多糖得率的影响如图7所示，当液料比为50:1（mL/g），提取温度为40℃时，在超声波功率242～250W 和提取时间80～90min范围内，多糖得率最大。这是因为在一定时间内，溶剂渗透到细胞内使得多糖溶解达到平衡，适当的超声波功率产生的剧烈搅拌和震碎的过程，使得多糖得率增加并达到最大值。

图7 超声波功率与提取时间对多糖得率影响的响应面和等高线图

2.4.4 超声波功率与液料比的交互作用对紫薯多糖得率的影响

超声波功率与液料比的交互作用对紫薯多糖得率的影响如图8所示，当提取时间80min，提取温度为40℃时，在超声波功率245～250W和液料比48:1～52:1（mL/g）范围内，多糖得率最大。

图8 超声波功率与液料比对多糖得率影响的响应面和等高线图

2.4.5 超声波提取温度与液料比的交互作用对紫薯多糖得率的影响

超声波提取温度与液料比的交互作用对紫薯多糖得率的影响如图9所示，当超声波提取功率为240W，提取时间为80min，在超声波提取温度45～50℃和液料比45:1～55:1（mL/g）范围内，多糖得率最大。

图9 超声波提取温度与液料比对多糖得率影响的响应面和等高线图

2.4.6 超声波提取时间与液料比的交互作用对紫薯多糖得率的影响

超声波提取时间与液料比的交互作用对紫薯多糖得率的影响如图10所示，当浸提时间不变时，紫薯多糖得率随液料比的增加而增加，当超声波提取功率为240W，提取温度为40℃，在超声波提取时间82～85min和液料比45:1～50:1（mL/g）范围内，多糖得率最大。

图10 超声波提取时间与液料比对多糖得率影响的响应面和等高线图

综上所述，图5～10均直观地反应了各因素的交互作用对多糖得率的影响，通过6组图可知，超声波提取温度B与提取时间C交互作用对紫薯多糖得率的影响最为显著，表现为曲面较陡，其余交互作用对紫薯多糖得率影响不显著，表现为曲面较为平滑。这与方差分析结果一致。

2.5 提取工艺的确定

结合回归模型，由Design-Expert 8.0.6软件分析得到紫薯多糖最佳的超声波提取工艺条件为：超声波功率270W、提取温度43.62℃、提取时间84.08min、液料比46.16:1（mL/g），在此条件下，紫薯多糖的理论得率为8.58%。考虑到实际操作条件，将最佳工艺条件修正为：超声波功率为270W、提取温度为44 ℃、提取时间84min、液料比46:1（mL/g），在此条件下重复3次试验，紫薯多糖得率分别为8.75%，8.60%，8.45%。

2.6 与其他提取方法的对比

林翔凯等[9]研究水提法提取紫薯多糖的最佳工艺为提取温度80℃、提取时间3h、料液比1:20（m/V)，此工艺条件下紫薯多糖的提取率为1.95%，受提取温度和时间的影响显著。林翔凯等[9]研究超高压辅助提取紫薯多糖最优工艺条件为：压力为600MPa，温度为60℃，料液比为1:20（m/V)，保压时间为6min。此条件下紫薯多糖提取率为5.89%，受超高压作用的压力和温度的影响显著。

由此可见，超声波提取法（多糖得率：8.45%～8.75%）比传统热水浸提法（1.95%）、超高压辅助提取法（5.89%）的多糖得率分别提高了341.03%和46.01%。因此，采用超声波辅助提取法提取紫薯多糖，不仅提高了多糖得率，而且缩短了工艺时间或降低了工艺要求。

图11 实际值与预测值的线性关系图

3 结论

超声波辅助提取法提取紫薯多糖的最佳工艺条件为：超声波功率270W、提取温度44℃、提取时间84min、液料比46:1（mL/g），在此条件下，多糖得率为8.45%～8.75%，与理论值基本一致，相比传统热水浸提法（1.95%）、超高压辅助提取法（5.89%）提取的多糖得率分别提高了341.03%和46.01%，说明超声波辅助提取法是一种有效的提取紫薯多糖的方法。

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10.3969/j.issn.1007-550X.2017.08.001

S531 TS245.9

A

：1007-550X（2017）08-0020-09

福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划（JA14094）。

2017-05-15

李欣（1996-），女，福建莆田人，大学本科，研究方向：食品科学与工程。

曾红亮（1986-），男，硕士生导师，研究方向：食品科学与工程，E-mail：zhlfst@163.com。