响应面法优化超声波辅助提取油茶饼粕多糖

戴丹，仲山民，郑剑

（1.浙江农林大学信息工程学院，浙江杭州311300；2.漳州城市职业学院食品工程系，福建漳州363000；3.浙江农林大学农业与食品科学学院，浙江杭州311300；4.浙江省农产品品质改良技术研究重点实验室，浙江杭州311300）

响应面法优化超声波辅助提取油茶饼粕多糖

戴丹1，仲山民2，3，4，*，郑剑3，4

（1.浙江农林大学信息工程学院，浙江杭州311300；2.漳州城市职业学院食品工程系，福建漳州363000；3.浙江农林大学农业与食品科学学院，浙江杭州311300；4.浙江省农产品品质改良技术研究重点实验室，浙江杭州311300）

为优化油茶饼粕多糖的超声波辅助提取工艺，在单因素试验的基础上，运用响应面分析法，研究超声波提取温度、超声功率、超声波提取时间对多糖提取率的影响。建立多糖提取率的二次回归方程，并确定超声波辅助提取油茶饼粕多糖最佳条件为：超声波提取温度58℃，超声波处理时间20 min，超声波功率440 W，料液比选用单因素试验得到的最佳水平220∶1（mL/g），此时得到的平均提取率为10.31%。

响应面分析；油茶饼粕；多糖；超声波辅助提取；优化

Abstract：The ultrasonic wave-assisted extraction of polysaccharides from camellia seed cake was optimized by response surface methodology.According to the single factor experiment，three levels of the factors（ultrasonic wave power，ultrasonic wave irradiation time，solid-liquid ratio）were selected for the Box-Behnken factorial design to establish a quadric regression equation for describing the yield of polysaccharides.By response surface analysis，the optimal ultrasonic wave-assisted extraction conditions were obtained as follows：ultrasonic wave power of 440 W for 20 min with liquid-solid ratio of 220∶1（mL/g）and extraction temperature of 58℃，resulting in a polysaccharide yield as high as 10.31%.

Key words：responsesurfaceanalysis；camelliaseedcake；polysaccharides；ultrasonicwave-assistedextraction；optimization

油茶是山茶属的木本植物，它的种植最早是在我国，从我们国家栽种这一种植物到现在已有2000多年。油茶主要在我国南方的山丘陵地区种植生长。茶油营养价值很高，其对人体健康的益处已经得到全世界人民的广泛认可[1]。

油茶饼粕是油茶籽榨油后的废弃物，其年产量十分惊人，高达39.71万吨。有研究报道称，油茶饼粕中含有的蛋白质约为10%～20%，糖类物质约为30%～50%，茶皂素约为10%～15%[2]。在这些物质中，油茶饼粕多糖具有明显的保健作用：抗血栓、降血糖、增强免疫力等[2-4]。

本文选取超声波辅助法作为本试验的主要方法，并通过响应面法试验设计，对其提取工艺条件进行优化，以期为油茶饼粕多糖的研究和利用提供一些参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

油茶饼粕的制备：油茶饼粕取自天台油脂公司，粉碎过40目筛后用95%乙醇回流脱脂，残渣晾干备用。

3，5-二硝基水杨酸、浓硫酸、亚硫酸氢钠、苯酚、氯化氢、酒石酸钾钠、氢氧化钠、乙醇等化学试剂均为分析纯；无水葡萄糖标准品：国药集团化学试剂公司。

FE20数显pH计、ME分析天平：梅特勒-托利多（上海）有限公司；DGG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱：上海森信实验仪器有限公司；200克手提式高速万能粉碎机：温岭市林大机械有限公司；HH-S数显恒温水浴锅：金坛市医疗仪器厂；Sigma低温高速离心机3K15：德国西格玛离心机有限公司；宏朗RE-5203旋转蒸发仪：郑州宏朗仪器设备有限公司；SYDZ106-2型定制实验用超声波设备：上海之信机械设备有限公司。

1.2 油茶饼粕水溶性多糖的提取与测定[5]

取0.5 g干燥后的油茶饼粕粉末，加入一定量的蒸馏水，在不同料液比、超声波功率和超声处理时间下进行多糖提取，离心后取上层清液测量溶液中的多糖含量。用苯酚-硫酸法测定稀释液中的总糖含量，用DNS法测定稀释液中的还原糖含量，总糖和还原糖含量相减即可得多糖的含量，多糖的质量与所用样品质量的比值即为多糖的提取率。多糖的提取率计算公式为

多糖含量=总糖含量-还原糖含量

多糖提取率/%=（多糖质量/原料质量）×100

1.3 试验设计

1.3.1 单因素试验

根据预试验的结果，以样品多糖提取率为指标，在其他条件不变的情况下，选取料液比、超声波功率、超声波处理时间3个对油茶饼粕水溶性多糖提取率影响较大的因素，优化最佳提取工艺。

1.3.2 响应曲面法优化试验

在单因素试验的基础上，利用Design expert 8.05b软件，采用Box-Behnken设计方法进行响应面法试验设计。主要内容包括以-1、0、1代表变量的水平，以提取温度、超声波功率、超声波处理时间为变量，以多糖提取率为响应值。试验设计方案见表1。

表1 响应面试验自变量因素编码及水平Table 1 Factors and levels of the response surface methodology

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

2.1.1 液料比对水溶性油茶饼粕多糖提取率的影响

称取油茶饼粕粉0.5 g，超声波功率300 W，超声波处理时间10 min，提取温度40℃，液料比分别取80∶1、100∶1、120∶1、140∶1、160∶1、180∶1、200∶1、220∶1、240∶1（mL/g），考察液料比对水溶性油茶饼粕多糖提取率的影响，结果见图1。

图1 液料比对多糖提取率的影响Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on the extraction rate of polysaccharides

由图1可见，随着提取溶剂水的体积的增加，多糖的得率随之增加，在液料比到达220∶1（mL/g）时，达到最高值，之后增加趋势逐渐趋缓。究其原因，可能是由于随着水体积的增加，油茶饼粕中的多糖绝大部分都已溶出，因此多糖的提取率增加趋势逐渐平缓。因此，确定液料比的较佳工艺参数为220∶1（mL/g）。

2.1.2 超声波处理时间对水溶性油茶饼粕多糖提取率的影响

称取油茶饼粕粉 0.5 g，液料比 220∶1（mL/g），超声波功率300 W，提取温度40℃，超声波处理时间分别取 0、5、10、15、20、25、30、35 min，考察超声波处理时间对水溶性油茶饼粕多糖提取率的影响，结果见图2。

由图2可见，超声波处理时间的延长，多糖提取率先上升，20min和25min达到最高值，且25min较20min略高一点，而后下降。推测原因可能是，由于后一阶段，超声波处理时间过长，多糖在超声波的强剪切作用下出现降解，从而造成多糖提取率降低。因此，综合考虑超声波处理成本，确定超声处理较佳时间为20 min。

图2 超声波处理时间对多糖提取率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic wave irradiation time on the extraction rate of polysaccharides

2.1.3 超声波功率对水溶性油茶饼粕多糖提取率的影响

称取油茶饼粕粉 0.5 g，液料比 220∶1（mL/g），超声波处理时间20 min，提取温度40℃，超声波功率取0、100、200、300、400、500、600 W，考察超声波功率对水溶性油茶饼粕多糖提取率的影响，结果见图3。

图3 超声波功率对多糖提取率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic wave power on the extraction rate of polysaccharides

由图3可见，多糖提取率随着超声波功率的增加而呈先上升后下降的趋势，在超声波功率400 W时达到最高。原因可能是随着超声波功率的增加，超声波的剪切作用和空穴效应逐渐增强，从而导致超声波功率超过400 W后，油茶饼粕多糖开始降解，造成多糖提取率降低。因此，综合考虑，确定400 W为较适宜的超声波提取功率。

2.1.4 超声波提取温度对水溶性油茶饼粕多糖提取率的影响

称取油茶饼粕粉 0.5 g，液料比 220∶1（mL/g），超声波处理时间20 min，超声波功率取400 W，提取温度取 35、40、45、50、55、60、65、70、75、80 ℃，考察超声提取温度对水溶性油茶饼粕多糖提取率的影响，结果见图4。

图4 温度对多糖提取率的影响Fig.4 Effect of temperature on the extraction rate of polysaccharides

由图4可见，多糖提取率随着提取温度的增加而呈先上升后下降的趋势，60℃和70℃达到最高值，且70℃较60℃略高一点，而后下降。推测原因可能是，由于后一阶段，提取温度过高，在升温和超声作用下，水相液体结构的完整性遭到破坏，造成空穴效应，从而使得多糖在超声波的强剪切作用下出现降解，从而造成多糖提取率降低。因此，综合考虑超声波处理成本，确定较佳提取温度为60℃。

2.2 响应曲面法优化试验结果

2.2.1 响应面模型建立及其显著性检验

在单因素试验的基础上，选择提取温度、超声波处理时间、超声波功率3个因子为自变量，根据以前的试验经验，料液比不纳入响应面试验设计。分别以X1、X2、X3表示，采用Box-Behnken方法，同时根据单因素试验结果，将其取值范围确定为：50℃～70℃、15 min～25 min、300 W～500 W，以超声波辅助提取油茶饼粕多糖的提取率为响应值设计试验，结果见表2。

表2 响应曲面法优化试验设计及结果Table 2 Experimental design and results of response surface methodology

续表2 响应曲面法优化试验设计及结果Continue table 2 Experimental design and results of response surface methodology

运用Design expert 8.05b软件对表2进行数据处理分析，得到油茶饼粕多糖提取率与超声波辅助提取法处理各因素编码值的二次回归模型：

表3 回归模型方差分析Table 3 Analysis of variance for regression model

表4 模型回归方程系数显著性检验结果Table 4 Test of significance for the fitted regression coefficient

由表4提取率回归模型方差分析可以看出p＜0.000 1表明模型极其显著。提取率失拟项p=0.742 2＞0.05表明失拟不显著，此方法有效可信。

利用Design-Expert软件中Box-Behnken法计算提取率回归模型得出的结果中，调整确定系数R2（调整）=96.19%，表明96.19%响应值的变化可以用该模型解释，因而该模型的试验误差较小，拟合程度良好，可以应用此模型对超声波辅助提取油茶饼粕多糖进行提取率的分析和预测。

从表3和表4回归方程系数显著性检验可以看出，如果模型中检验项p值小于0.05，该项显著；p值小于0.01，则该项极其显著；否则该项不显著。在提取率模型中，一次项X1提取温度（p=0.012）显著，X2超声波处理时间（p=0.024 2）显著，X3超声波功率（p＜0.000 1）极显著；二次项X12（p=0.003 4）、X22（p＜0.000 1）、X32（p＜0.000 1）三者极显著；交互项X1X2（p=0.650 8）、X1X3（p=0.462 9）和X2X3（p=0.055 3）都不显著。

2.2.2 响应面模型分析

响应曲面模型分析与优化中，X1、X2、X3交互作用对响应值提取率的影响如图5、图6、图7所示。

图5 提取温度和超声波处理时间对多糖提取率影响的等高线和响应曲面（X3=400 W）Fig.5 Contour plot and response surface plot of the effect of temperature and ultrasonic wave irradiation time on extraction rate（X3=400 W）

图6 提取温度和超声波功率对多糖提取率影响的等高线和响应曲面（X2=20 min）Fig.6 Contour plot and response surface plot of the effect of temperature and ultrasonic wave power on extraction rate（X2=20 min）

图7 超声波功率和超声波处理时间对多糖提取率影响的等高线和响应曲面（X1=60℃）Fig.7 Contour plot and response surface plot of the effect of ultrasonic wave power and ultrasonic wave irradiation time on extraction rate（X1=60 ℃）

由回归模型预测提取率的最佳条件，使用Design expert 8.05b软件分析，结合回归模型和响应曲面图分析得出，取提取温度57.5℃，超声波处理时间20.4 min，超声波功率439 W时作为超声波辅助提取油茶饼粕多糖的最优条件，此时预测多糖的最大提取率为10.35%。

2.3 响应曲面法优化试验结果验证

为了方便实际工艺操作，将以上工艺参数优化为超声波提取温度58℃，超声波处理时间20 min，超声波功率440 W条件下进行3次验证试验，得到平均多糖提取量为10.31%，与理论值较为接近，表明数学模型对优化提取工艺是可行的。因此，本次利用Box-Behnken设计优化的得到的超声波辅助提取油茶饼粕多糖工艺条件准确度高、较可靠。

3 结论

在单因素试验基础上，以提取率为衡量指标，通过Box-Behnken法设计优化，得到超声波辅助提取油茶饼粕多糖工艺最优条件为：超声波提取温度58℃，超声波处理时间20 min，超声波功率440 W，液料比220∶1（mL/g），此时得到的平均提取率为10.31%。

[1]庄瑞林.中国油茶[M].北京:中国林业出版社,2008:167-172

[2]沈建福,康海权,陈亚琪,等.油茶果壳多糖的提取及抗氧化作用研究[J].中国粮油学报,2010,25(8):51-54

[3]王海林,王春艳,谢长林,等.亲和层析法分离纯化油茶籽多糖Ⅰ的研究[J].中国粮油学报,2012,27(11):34-38

[4]Jin X C,Ning Y.Antioxidant and antitumor activities of the polysaccharide from seed cake of Camellia oleifera[J].International Journal of Biological Macromolecules,2012,51(4):364-368

[5]张胜.普通油茶饼粕与果壳中多糖的提取、活性及应用研究[D].长沙:中南林业科技大学,2013

Optimization of Ultrasonic Wave-assisted Extraction of Polysaccharides from Camellia Seed Cake by Response Surface Methodology

DAI Dan1，ZHONG Shan-min2，3，4，*，ZHENG Jian3，4
（1.School of Information Engineering，ZheJiang A&F University，Hangzhou 311300，Zhejiang，China；2.Department of Food Engineering，Zhangzhou City College，Zhangzhou 363000，Fujian，China；3.School of Agriculture and Food Science，ZheJiang A&F University，Hangzhou 311300，Zhejiang，China；4.The Key Laboratory for Quality Improvement of Agricultural Products of Zhejiang Province，Hangzhou 311300，Zhejiang，China）

2016-10-23

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.20.007

浙江省木本粮油产业科技创新团队项目“油茶饼粕中茶籽多糖的提取与纯化研究”（2011R50030-2）；浙江省自然科学基金项目“板栗果肉褐变近红外无损检测关键技术研究”（Y3110450）

戴丹（1978—），女（汉），副教授，硕士，主要从事农林经济大数据研究。

*通信作者：仲山民，教授，博士，主要从事林特产品贮藏加工与综合利用研究。