超声波法提取柳蒿芽多糖及其工艺优化

宋瑞祥,高亚军,赵 雪,贡永鹏,崔艳艳,*

1.扬州大学 食品科学与工程学院 (扬州 225127) 2.通化师范学院 食品科学与工程学院 (通化 134000) 3.吉林省长白山食用植物资源开发工程中心 (通化 134000)

柳蒿芽(ArtemisiaintegrifoliaL.),菊科蒿属植物,有特异香气,一般生长在地势较低且潮湿的地方,全球各地均有分布[1]。在我国主要分布在东北、华北和华中地区,其中,以吉林省长白山、内蒙古呼伦贝尔和黑龙江省大兴安岭地区为主[2]。柳蒿芽具有一定的药用和食用价值。《本草纲目》描述柳蒿芽:“利隔开胃,杀河豚毒” 记载了柳蒿芽与河豚同煮具有减轻河豚毒的解毒功效[3]。此外,在传统草药学中,柳蒿芽被用作清热解毒、消肿止痛的草药,具有健脾去火、降血压、降血脂、健胃、清热凉血消炎、瘦身、生毛发、利尿等作用,可用于治疗感冒、发热、鼻窦炎、高血压、糖尿病等症状[4,5]。已有研究表明,柳蒿芽含有多种有效成分,如挥发油、黄酮类化合物、生物碱等,具有抗氧化、抗炎、抗菌等生物活性[6,7],而关于多糖的研究未见报道。

多糖具有广泛的生物活性和应用价值。超声波法提取植物多糖是一种有效的提取技术,它利用超声波的机械效应来破坏植物细胞壁和细胞膜,从而促进多糖的释放;其次,超声波的热效应可以加快多糖与溶剂的反应速率,提高提取效果;此外,超声波还可以提高溶剂的渗透性和扩散能力,使得多糖更容易被提取[8,9]。与传统的提取方法相比较,超声波法能够显著提高多糖的得率和纯度,缩短提取时间,减少对环境的污染[10]。因此,为了优化柳蒿芽多糖的提取工艺,为今后柳蒿芽多糖的深入研究应用奠定基础,本研究采用响应面法优化柳蒿芽多糖的超声波提取工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

柳蒿,采摘于2023年5月7日,吉林通化(东经125°10′～126°44′,北纬40°52′～43°3′),经校内相关专家确认后,挑选清洗,置于50 ℃鼓风干燥箱烘干,粉碎成粉末并过80目筛,冷冻备用;苯酚试剂,分析纯,辽宁泉瑞试剂有限公司;浓硫酸,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司;无水乙醇,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司;石油醚,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司;无水葡萄糖,分析纯,国药化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

XFB-100型粉碎机,吉首市中诚制药机械厂;BILON-650 Y型超声波细胞破碎机,上海比朗仪器有限公司;ZF-20 L型抽滤机,河南省艾瑞德仪器设备有限公司;SHZ-D III型循环水式真空泵,巩义市予华仪器设备有限公司;RE-3000 A型旋转蒸发仪,上海亚荣生化仪器厂;FA 2004型电子天平,上海市安亭电子仪器厂;UV-2600 i型紫外可见分光光度计,岛津仪器(苏州)有限公司。

1.3 方法

1.3.1标准曲线绘制及多糖得率的测定

精确称取0.1 g葡萄糖标准品,定容于100 mL容量瓶中,制得质量浓度为1 mg/mL的葡萄糖标准品溶液。取8只10 mL试管,依次标记序号并依次加入0 μL、10 μL、30 μL、50 μL、70 μL、90 μL、110 μL、130 μL葡萄糖标准品溶液,加蒸馏水至1 mL,分别加入1 mL 6%苯酚试剂和5 mL浓硫酸溶液,震荡混匀,使用双光束紫外可见分光光度计测定其在490 nm波长处的吸光度值。以葡萄糖系列浓度(X,μg/mL)为横坐标,吸光值Y为纵坐标绘制标准曲线,方程为Y= 0.010 3x-0.071 3,R2=0.993 5。提取样液稀释后按照标准曲线绘制方法测定吸光度值,按照公式(1)计算多糖得率。

(1)

式中:m1为实际测定的柳蒿芽总糖含量,mg;m为称量的柳蒿芽干燥粉末的质量,mg。

1.3.2单因素试验

以料液比(g/mL)(1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80);提取温度(55 ℃、65 ℃、75 ℃、85 ℃、95 ℃);提取时间(40 min、50 min、60 min、70 min、80 min);超声功率(200 W、300 W、400 W、500 W、600 W)进行单因素试验,测定多糖得率。

1.3.3响应面试验

以多糖得率为响应指标,通过Design-Expert 8.0.6软件中的Box-Behnken试验设计原理对料液比、提取温度、提取时间、超声功率进行四因素三水平优化实验,获得柳蒿芽多糖的最优提取条件。具体因素及水平如表1。

表1 响应面优化试验因素水平表

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

2.1.1料液比对柳蒿芽多糖得率的影响

由图1可知,料液比对柳蒿芽多糖得率的影响曲线整体呈先迅速上升后缓慢下降趋势,当料液比(g/mL)从1∶40增加到1∶70时,多糖得率明显升高,达到最高(24.75% ± 0.42%),可能是由于料液比升高,降低溶液浓度和黏度,有利于多糖成分溶解[11];继续升高料液比到1∶80时,可能由于溶剂较多导致多糖流失[11]。因此,选择料液比(g/mL)1∶60、1∶70、1∶80这三水平进行响应面优化试验。

图1 不同料液比对柳蒿芽多糖得率的影响

2.1.2提取温度对柳蒿芽多糖得率的影响

由图2可知,多糖得率随提取温度的升高而逐渐上升,当提取温度达到75 ℃时,多糖得率最高(22.83% ± 0.54%),产生此现象的原因可能是高温对多糖的释放和溶解有利,但温度过高可能会导致多糖的降解而损失[12-13]。因此,选择提取温度65 ℃、75 ℃、85 ℃这三水平进行响应面优化试验。

图2 不同提取温度对柳蒿芽多糖得率的影响

2.1.3提取时间对柳蒿芽多糖得率的影响

由图3可知,提取时间增加到60 min时,多糖得率最高(24.27% ± 0.95%),说明提取时间增大有利于多糖溶出,提取完全;但提取时间从60 min增加到70 min时,多糖得率逐渐下降,可能是由于在高温条件下提取时间过长多糖稍有降解[14]。因此,选择提取时间50 min、60 min、70 min这三水平进行响应面优化试验。

图3 不同提取时间对柳蒿芽多糖得率的影响

2.1.4超声功率对柳蒿芽多糖得率的影响

由图4可知,超声功率增加到400 W时,多糖得率最高(15.99% ± 0.74%),之后得率逐渐降低,出现这种趋势可能是由于超声功率过大破坏多糖的链接键[15],导致多糖降解。因此,选择超声功率300 W、400 W、500 W这三水平进行响应面优化试验。

图4 不同超声功率对柳蒿芽多糖得率的影响

2.2 响应面试验结果

响应面优化实验设计方案及结果见表2。实验数据经多元回归拟合得到响应值与检验变量的二次多元回归方程:多糖得率(%)=28.85+1.09×A+1.33×B-0.13×C+0.30×D+1.08×AB+1.65×AC+2.35×AD+2.43×BC-3.33×BD-3.04×CD-0.70×A2-3.42×B2-3.94×C2-5.88×D2

表2 响应面优化试验设计方案与结果

表3 方差分析结果

2.2 因素交互作用结果

两因素交互作用结果如图5～图10所示,结合回归方程,分析了各因素对柳蒿芽多糖得率的影响。响应曲面的斜率越陡,等高线图呈椭圆形,相互作用越显著[16]。图中响应表面趋于抛物线,并且表面的斜率陡峭,表明两因素之间存在相互作用,与表3方差分析的结果一致(P<0.05)。图5中多糖得率的变化随提取温度的变化程度高于随料液比的变化,表明B提取温度的主效应强于A料液比。

图5 料液比与提取温度对多糖得率交互作用的影响

图6 料液比与提取时间对多糖得率交互作用的影响

图7 料液比与超声功率对多糖得率交互作用的影响

图8 提取温度与提取时间对多糖得率交互作用的影响

图9 提取温度与超声功率对多糖得率交互作用的影响

2.3 验证试验

经响应面优化确定最优提取工艺参数为料液比(g/mL)77.8,提取温度77.2 ℃,提取时间61.9 min,超声功率399.5 W,多糖得率为29.8%。为验证模型的准确性,结合实际操作选取参数78 g/mL,78 ℃,62 min,400 W条件重复3次实验,多糖得率为 (28.9±0.6)%,与模型理论值误差仅为0.9%,表明该模型优化工艺参数可靠。

3 结论

本研究以柳蒿芽多糖得率为考查指标,在单因素实验的基础上,采用响应面法优化柳蒿芽多糖的超声波提取工艺,得到最佳工艺:料液比(g/mL)1∶78,提取温度78 ℃,提取时间62 min,超声功率400 W,多糖得率为28.9%。相比传统的浸提方法,超声波提取多糖更加高效快速,为今后植物多糖的提取及研究应用提供理论依据。