响应面优化超声辅助提取养心菜多糖的工艺研究

陈文娟

（漳州城市职业学院食品工程系，福建，漳州 363000）

养心菜（Sedum aizoon.L.），又名救心草、高钙菜，它是景天科多年生草本植物[1]。养心菜耐寒、耐荫、耐干旱且病虫害少、无农药污染，是一种在我国大部分地区均可种植的绿色有机保健野菜[2-3]。养心菜富含黄酮类、生物碱、多糖、果酸、谷甾醇等天然有效成分，具有解毒、止血、降压、镇静、抗疲惫、抗衰老、增强免疫力等功效，可用于预防和治疗心脑血管疾病、冠心病、高血压等，对治疗失眠、心慌、烦闷、厌食、牙龈出血、病毒性感冒等也有较明显的效果[4-5]。植物多糖是一类广泛存在于植物体内的物质，具有增强免疫力、抗病毒、抗氧化、抗肿瘤等多种生物活性的一类天然高分子化合物[6-7]。对养心菜中多糖进行提取与利用，能大幅度地提高养心菜的附加产值。本研究采用超声波辅助对养心菜中的多糖进行提取，并探索养心菜多糖的提取工艺，旨在于提高多糖提取率，以节省成本和降低能耗，为养心菜多糖的开发与应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

养心菜：采摘于漳州市马鞍山。三氯甲烷、正丁醇、浓硫酸、苯酚，葡萄糖均为分析纯；95%乙醇：食用级。

KQ-100DE 型超声波清洗机：昆山市超声仪器有限公司；UV-1100 型紫外可见分光光度计：上海美谱达仪器有限公司；RODI 型实验室超纯水机：上海和泰仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 养心菜多糖的提取工艺

将采摘的新鲜养心菜全株洗净，并置于蒸馏水中浸泡30 min，后置于阴凉处晾干，转入鼓风干燥箱中进行烘干。干燥完全后用万能粉碎机进行粉碎，用60 目筛进行筛分，备用。称取一定量备用的养心菜粉末，加入无水乙醇进行浸泡，后过滤，滤渣用石油醚进行脱脂脱色并干燥。后置于100 mL烧瓶中，按工艺设定的条件进行超声提取，提取结束后，加入氯仿和正丁醇进行除蛋白，后离心、过滤得滤液，定容，并进行多糖含量测试。

1.2.2 多糖含量的测定

以葡萄糖为标准品对养心菜多糖含量进行测定，测定方法按文献[8]进行，通过下式计算得多糖的提取率。

式中：m1为养心菜多糖重量，mg；m2为养心菜重量，g。

1.3 试验设计

1.3.1 单因素试验

在固定其它工艺条件的基础上，分别考察液料比（10、20、30、40、50、60 mL/g）、超声时间（10、15、20、25、30、35 min）、超声温度（40、50、60、70、80、90 ℃）和超声功率（75、80、85、90、95、100 W）对养心菜多糖提取率的影响，其中每个工艺条件取三水平，提取率取均值。

1.3 响应面实验设计

以单因素实验结果为依据，采用Design-Expert 8.05b 软件处理数据[9]，选取液料比、超声时间、超声温度和超声功率4 个因素作为试验因素，以养心菜多糖提取率为响应值，设计试验。试验因素及水平见表1。

表1 响应面因素水平表 Table 1 Factor level of response surface

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 液料比的影响

由图1 可知，养心菜多糖提取率在液料比为30 mL/g时达到最大。这是因为随着液料比的增大，养心菜多糖提取体系中溶剂量增加，促进了养心菜颗粒内部多糖的溶出，而当液料比过大时，养心菜颗粒中的蛋白、果胶等杂质溶出量增大，并参与多糖的溶出竞争[10]。因此选择30 mL/g 为最佳液料比。

图1 液料比对多糖提取率的影响 Fig.1 Effect of liquid-to-material ratio on yield of polysaccharide

2.1.2 超声时间的影响

由图2 可知，养心菜多糖提取率在超声时间为25 min时达到最大。这是因为随着超声时间的延长，养心菜颗粒与溶剂在多糖的提取体系中作用时间增加，促进了多糖的溶出，而当超声时间过长时，养心菜多糖中部分热敏性较强的分子在长时间的超声作用下而断裂[11]。因此选择25 min 为最佳超声时间。

图2 超声时间对多糖提取率的影响 Fig.2 Effect of ultrasonic time on yield of polysaccharide

2.1.3 超声温度的影响

由图3 可知，养心菜多糖提取率在超声温度为60 ℃时达到最大。这是因为随着超声温度的升高，养心菜颗粒与溶剂在多糖提取体系中的扩散与碰撞加强，增加了多糖的溶出，而超声温度太高时，养心菜多糖中部分耐热性差的分子在过高的温度下会降解[12]。因此选择60 ℃为最佳超声温度。

图3 超声温度对多糖提取率的影响 Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on yield of polysaccharide

2.1.4 超声功率的影响

由图4 可知，养心菜多糖提取率在超声功率为85 W 时达到最大。这是因为超声功率的增加，超声空化作用增强，促进了养心菜颗粒内部多糖的溶出，使得多糖提取率增大，而当超声功率过大时，空化作用过大，造成溶剂内部分区域的瞬时升温，多糖分子链在高温下的容易发生断裂[13]。因此选择为85 W 为最佳超声功率。

图4 超声功率对多糖提取率的影响 Fig.4 Effect of ultrasonic power on yield of polysaccharide

2.2 养心菜多糖提取工艺的响应面优化

2.2.1 响应面实验设计与结果

以液料比A、超声时间B、超声温度C 和超声功率D 为自变量，以多糖提取量为因变量，利用Design-Expert软件中Box-Behnken Design响应面优化分析模块进行四因素三水平实验设计，得出一组共计29 组的实验方案，相应的实验设计表及实验结果见表2 和表3。

表2 响应面实验结果 Table 2 Experiment results of response surface

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

对表2 的实验数据进行分析与拟合后，得到养心菜多糖提取率（Y）的回归模型为：

Y = 75.31+2.03A-1.40B+2.68C+1.37D+0.52 AB-1.44AC-0.94AD+1.35BC+0.45BD-0.04CD-1.94A2-2.17B2-4.12C2-2.37D2

回归方程的显著性检验通过Design Expert 8.05b 软件进行分析得表3。由表3 可知，回归方程的F = 22.73，P ＜ 0.0001，说明回归方程达到极显著水平；失拟度P = 0.3598 ＞ 0.05，不显著，说明该方程的拟合值与试验值误差较小，拟合度较高；相关系数R2= 0.9579，表明该模型具有较高的拟合度，有超过95.79%的响应值可以利用该模型来描述。根据F 值及P 值的大小，可以得到影响养心菜多糖提取率的主次顺序为：超声温度 ＞ 液料比 ＞ 超声时间 ＞ 超声功率。其中一次项A、B、C、D，二次项A2、B2、C2、D2，对结果影响极其显著（P ＜ 0.01），交互项AC、BC 对结果影响显著（P ＜ 0.05），交互项AB、AD、BD、CD 对结果影响不显著（P ＞ 0.05），说明养心菜多糖提取率与所考察的工艺条件之间不是简单的线性关系。综上所述，该模型可以用于分析和预测养心菜多糖提取率，并确立最佳的提取工艺条件，所以可以用响应面优化养心菜多糖的提取工艺。

2.2.2 响应面分析

通过响应面曲线图对所考察的四个因素中任意两因素的交互作用进行分析，可以直观地看出各因素交互作用对响应值的影响。响应面曲线坡面较为陡峭，等高线较为密集，说明所考察的两因素的交互作用对于响应值的变动影响较大，而响应面曲线坡面较为平缓，等高线较为稀疏，说明所考察的两因素的交互作用对于响应值的变动影响较小[14]。从图5 中可以看出（其它影响较不显著的图略），液料比和超声温度交互作用的响应面曲线最陡峭，等高线最密集，说明液料比和超声温度的交互作用对养心菜多糖提取率的影响最为显著；超声时间和超声温度交互作用的响应面曲线相对较陡峭，等高线相对较密集，说明超声时间和超声温度的交互作用对养心菜多糖提取率的影响显著程度次之，同理可得，影响养心菜多糖提取率的各交互作用因素顺序为AC ＞ BC ＞AD ＞AB ＞ BD ＞ CD。

2.2.3 实验验证

通过Design Expert 8.0.6 软件，对回归方程进行拟合，得到超声辅助提取养心菜多糖的最佳工艺条件为：液料比为33.642 mL/g，超声时间为24.07 min，超声温度为62.31 ℃。超声功率85.98 W，在该工艺条件下，养心菜多糖提取率理论值可达76.25 mg/g，考虑到实际操作条件，将工艺条件修正为液料比为34 mL/g，超声时间为24 min，超声温度为62 ℃。超声功率为86 W，并进行3 次平行验证实验，实际测得养心菜多糖的提取率为75.48 mg/g，与预测值（76.25 mg/g）相比，其相对误差为1.05%，说明实验值与方程的预测值拟合性良好，可利用响应面法对养心菜多糖提取工艺进行优化。

图5 各因素相互作用的响应面与等高线图 Fig.5 Response surface and contour plot of interaction of various factors

3 小结

本研究对超声波辅助提取养心菜多糖的工艺条件进行了响应面优化，确定了养心菜多糖的最佳提取工艺条件为：液料比为34 mL/g，超声时间为24 min，超声温度为62 ℃和超声功率86 W。在该条件下，测得养心菜多糖提取率为75.48 mg/g，与预测值（76.25 mg/g）相比，其相对误差为1.05%，说明实验值与方程的预测值拟合性良好，可用于养心菜多糖提取工艺的优化，该研究为养心菜提取多糖类化合物提供了理论依据和参考。