超声辅助米脂小米中多糖的提取工艺*

高晶晶，慕 苗，刘丽娜，陈锦中

(榆林学院 化学与化工学院，陕西 榆林 71900)

小米原名粟，是谷子脱壳后的产物，小米具有很高的营养价值，其中蛋白质、脂肪和维生素含量很高[1]。由于陕北特殊的地理位置和得天独厚的气候环境，米脂小米相对于其他小米更加优良[2-3]。据文献报道，米脂小米含有更多的蛋白质和脂肪，含有8种人体必需的氨基酸，营养比例更加合理[4-5]。

多糖是广泛存在于动植物当中的碳水化合物，多糖具有抑制肿瘤生长、调节免疫、延缓衰老、抗菌抗病毒、保护肝脏等作用[6-10]。目前对小米的研究重点大多集中在小米淀粉、黄色素等方面[11-13]，对小米中多糖的研究很少，因此，作者选取米脂小米中多糖为研究对象，对其提取工艺进行了优化。

常见的多糖提取方法有热水提取法、有机溶剂提取法、超声辅助提取法和微波辅助提取法等[14-15]。作者之前对传统的热水提取法进行了研究，该方法提取温度为50 ℃，提取时间为4.3 h，搅拌速率为36 r/min，m(小米)∶V(提取液)(简称料液比)=1∶20 g/mL，平均提取率为1.046 7%，该提取方法耗时较长[16]，因此，利用超声辅助法对其进行改进研究。由于超声具有空化作用，使得其中的成分更容易溶出，被广泛应用于提取研究。作者采用超声辅助热水提取法对米脂小米中的多糖进行了提取研究，进行了单因素实验，在此基础上，采用响应面法对提取条件进行了优化，建立了该提取过程的数学模型，并得到了小米多糖提取的最优工艺条件。

1 实验部分

1.1 原料、试剂与仪器

米脂小米：产地陕西省米脂县。

葡萄糖标准品：上海金穗生物科技有限公司；浓硫酸：四川西陇科学有限公司；无水乙醇：天津市致远化学试剂有限公司；苯酚：天津市瑞金特化学品有限公司；以上试剂均为分析纯。

电子天平：FA-1004，上海精科天平厂；紫外分光光度计：UV-2450，日本岛津公司；超声波发生器：SN-2000直插式，广州欣诺科超声设备公司；数显超级恒温水浴：HH-501，郑州科丰仪器设备有限公司；电热恒温鼓风干燥箱：DHG-9140A，上海一恒科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 葡萄糖标准曲线

分别取ρ(葡萄糖)=0、20、30、40、50、60、70、80 μg/mL的标准品溶液2 mL，各加入w(苯酚)=5%溶液1 mL，然后立即加入5 mL浓硫酸，混均，静置30 min，冷却后在490 nm处测各溶液的吸光度值[17]。以ρ(葡萄糖)为横坐标，吸光度值为纵坐标，绘制标准曲线。

1.2.2 小米多糖提取方法

小米预处理：将小米与w(乙醇)=95%溶液混合后置于三口烧瓶中，搅拌，置于50 ℃恒温水浴中加热3 h进行脱脂，取出小米后晾干备用。

准确称取10 g脱脂小米置于烧杯中，加入一定量蒸馏水，将超声波发生器插入烧杯中，设定超声功率，然后在恒温水浴下搅拌，提取一定时间后，取上清液，加入3倍w(乙醇)=95%溶液进行醇沉，转速为4 500 r/min，离心30 min，取沉淀。溶解沉淀并定容，用苯酚硫酸法检测多糖的含量，并计算多糖提取率[18]。

1.2.3 多糖提取率的计算

多糖提取率的计算公式见式(1)。

(1)

式中：η为小米多糖的提取率，%；ρ为检测液多糖质量浓度，mg/mL；V为粗多糖溶解定容后的总体积，L；m为原料小米的质量，g；N为稀释倍数。

2 结果与讨论

2.1 葡萄糖标准曲线

绘制出葡萄糖标准曲线见图1。图中的横坐标为ρ(葡萄糖)，纵坐标为吸光度值，得出标准曲线的线性回归方程为y=0.007x+0.006，线性相关系数R2=0.999，说明该标准曲线线性关系良好。

ρ(葡萄糖)/(μg·mL-1)图1 葡萄糖标准曲线

2.2 单因素实验结果

采用单因素实验测定了超声时间、超声功率、提取温度和料液比4种因素对米脂小米多糖超声提取率的影响，结果见图2。

超声时间/mina 超声时间

超声功率/Wb 超声功率

提取温度/℃c 提取温度

料液比/(g·mL-1)d 料液比图2 不同条件对小米多糖提取率的影响

由图2a可知，随着超声时间的增加提取率在增加，在50min后趋于稳定，因此选择超声时间为50min；由图2b可知，多糖提取率在超声功率为70W时达到最大，继续增加功率多糖提取率反而减小，说明超声功率过大可能会破坏多糖的结构，因此选择超声功率为70W；由图2c可知，小米多糖的提取最佳温度为50 ℃，因此，选择温度为50 ℃；由图2d可知，随着提取液的增加多糖提取率在增加，在料液比为1∶20g/mL后趋于稳定，提取率不再上升，因此选择料液比为1∶20g/mL。在上述条件下，陕北小米多糖的提取率可达0.923%。

2.3 响应面优化小米多糖提取工艺

2.3.1 响应面实验设计及结果

根据单因素实验的结果采用响应面分析软件中的Box-Behnken设计实验，将对影响小米多糖提取的4个因素超声时间(A)、超声功率(B)、提取温度(C)和料液比(D)进行四因素三水平的响应面优化实验设计，设计了29组实验。实验的因素和水平设计见表1，实验结果见表2。

表1 实验因素与水平设计编码表

表2 响应面实验设计与结果

表2中前24组是析因实验，后5组为中心实验，中心实验的作用是估计实验误差。

2.3.2 模型的建立及方差分析

该提取模型的建立及方差分析见表3。

表3 回归模型的建立与方差分析

续表

2.3.3 响应面分析

响应面法可以得出各因素间交互作用对小米多糖提取率的影响，从3D立面图中曲面的陡峭程度来判断其对提取率的影响，图中曲面越陡峭(颜色越深)的一方对提取率的影响越大，具体见图3。

a 超声时间与超声功率的交互作用

b 超声时间与提取温度的交互作用

c 超声时间与料液比的交互作用

d 超声功率与提取温度的交互作用

e 超声功率与料液比的交互作用

f 提取温度与料液比的交互作用图3 各因素间交互作用对小米多糖提取率影响的3D立面图

由图3可知，图3a中2个因素对应的曲面陡峭程度相差不大，说明超声时间和超声功率对多糖提取率的影响程度几乎接近；由图3b可知提取温度的影响略大于超声时间的影响；图3c中料液比对应的一面明显比超声时间所对应的面更陡峭，因此，料液比的影响更大；由图3d可知提取温度的影响略大于超声功率的影响；图3e中料液比对提取率的影响要明显大于超声功率；图3f中料液比的影响也明显大于提取温度对提取率的影响。综合可得，料液比对米脂小米多糖提取率的影响最大，然后是提取温度和超声时间，超声功率对提取率的影响最小。

响应面优化法建立的该提取过程的数学模型及回归方程可以预测出该提取过程的最佳提取条件为超声时间53.21min、超声功率72.82W、提取温度48.79 ℃、料液比1∶22.16g/mL，预测提取率为0.993%。为了便于操作，将提取操作条件圆整为提取时间53min、超声功率73W、提取温度49 ℃、料液比1∶22g/mL。最后进行了3次平行验证实验，得出平均提取率为0.985%，与预测值基本接近。因此，可以用该模型来优化该提取过程的工艺条件。

3 结 论

对米脂小米多糖进行了提取研究，采用超声辅助提取法，用苯酚硫酸法对多糖进行检测，采用单因素实验和响应面优化实验相结合的方法对提取条件进行了优化，建立了米脂小米多糖超声提取过程的数学模型，得到的优化工艺路线为提取时间53min，超声功率73W，提取温度49 ℃，料液比1∶22g/mL，米脂小米多糖的平均提取率为0.985%，与该提取模型的预测值基本一致，说明用响应面优化的方法可以较好完成该提取条件的优化，同时与传统的提取方法比较，大大缩短了小米多糖的提取时间，而提取率基本相当。综上所述，小米多糖的超声提取研究可以为其后续研究提供一定的理论基础。