响应曲面法优化超声波-微波协同萃取生姜多糖工艺

刘全德，唐仕荣，王卫东，冯彩霞

(徐州工程学院食品工程学院，江苏 徐州 221008)

响应曲面法优化超声波-微波协同萃取生姜多糖工艺

刘全德，唐仕荣，王卫东，冯彩霞

(徐州工程学院食品工程学院，江苏 徐州 221008)

以远红外干燥的生姜粉为原料，通过单因素试验探讨超声波-微波协同萃取生姜多糖工艺中液料比、微波功率、提取时间、颗粒大小及超声波等因素对多糖提取率的影响，利用响应曲面法对影响生姜多糖提取率的3个主要因素即微波功率、液料比和提取时间进行优化。分析表明最佳提取工艺参数：鲜生姜60℃干燥、粉碎过40目筛、纯水为溶剂、液料比25:1、微波功率258W条件下提取85s，生姜多糖提取率23.65%，比热水回流浸提6h所得提取率高21.10%。超声波-微波协同具萃取的方法有方法简单及萃取效率高等优点，可为生姜多糖的提取应用提供一定参考。

生姜多糖；超声波-微波协同萃取；响应曲面；工艺

生姜是世界范围内一种重要香辛调味料，世界年贸易量超过2万吨，也是亚洲传统的药食两用植物[1]。因其具有发汗解表、镇痛消炎等作用，外加独特的香辣味而深得百姓喜爱。目前，生姜研究主要集中在精油[2]和姜油树脂[3-4]方面。植物多糖是一种天然功能性食用多糖，抗氧化，具有可溶性膳食纤维和生物活性前体的生理功能[5]，可作为防治肿瘤、冠心病、糖尿病、结肠癌、便秘等的保健食品配料和天然药物[6-7]，也可作为糖、脂肪替代物而大量用于低热量、低糖、低脂食品中[8]。生姜根中含有大量多糖[9]，开发生姜多糖具有重要意义。

多糖提取多采用热水浸提法[10]和酶法[11]等。近年来，微波因促进反应的高效性、强选择性、操作简便、副产物少及产率高等优点在食品、天然产物、中药和环境等领域得到广泛的应用[12-15]。超声波提取技术也是近年来应用于天然产物活性成分提取的一种新的手段，

可大大简化操作、缩短提取时间、增加得率等[16-18]。本实验主要探讨生姜多糖的超声波-微波萃取协同萃取工艺及其影响因素，为生姜多糖的进一步研究提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

鲜生姜 徐州农贸市场；葡萄糖、苯酚、浓硫酸等(均为分析纯)。

CW-2000型超声-微波协同萃取仪 上海新拓分析仪器科技有限公司；TU-1810型紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司。

1.2 方法

1.2.1 生姜多糖检测方法

采用改良苯酚-硫酸法[19]。精确移取100μg/mL葡萄糖标准溶液0.2、0.4、0.8、1.2、1.6、2.0mL，各以纯水补至2.0mL，然后分别加入质量分数6%苯酚溶液1.0mL，浓硫酸5.0mL摇匀，于沸水浴中加热15min，然后置冷水浴中冷却30min，在波长490nm处测定吸光度。以2.0mL纯水同样显色操作为空白，以葡萄糖质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制标准曲线。线性回归得标准曲线A=0.0133C－0.0253，R2= 0.9994，表明葡萄糖在10～100μg/mL质量浓度范围内线性关系良好。

1.2.2 生姜多糖的提取方法

新鲜生姜洗净切片，远红外干燥箱中60℃干燥，粉碎过40目筛。称取生姜粉5g于250mL萃取仪专用瓶中，加入100mL纯水，250W微波处理60s，4800r/min离心15min，取上清液测定生姜多糖提取率。

通过改变微波功率、微波处理时间和液料比等因素来探讨超声波-微波协同萃取技术对生姜多糖提取的影响，通过响应面试验优化确定最佳提取工艺参数。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 提取次数的影响

多次提取可以提高生姜多糖的提取率，但提取次数增加会延长提取时间、增加提取液体积及后续操作困难等，所以应确定合适的提取次数。生姜粉5g加纯水100mL，250W条件下微波处理60s，4800r/min离心15min，残渣加100mL纯水再次处理60s，如此多次处理，分别测定每次提取液中生姜多糖提取率。结果表明，随着提取次数的增加，生姜多糖提取率显著下降，第二次生姜多糖的提取量约为第一次的10.7%，第三次的约为第一次的1.7%，表明2次即可将绝大部分生姜多糖提取出来，因此，提取次数选择2次。

2.1.2 液料比的影响

溶剂用量越多，传质推动力越高，有效成分的提取就越完全，但溶剂用量太多，又容易增加后续除去溶剂的难度，因此应选择合适的液料比。在其他条件不变的情况，分别加入不同液料比的纯水考察液料比对生姜多糖提取的影响。由图1可看出，纯水量较少时生姜多糖提取率随液料比增大而增加，当液料比(mL/g)达到20:1时，多糖提取率趋于平稳，表明基本达到溶解平衡，过高液料比对多糖提取率增加有限，反而会增加浓缩时间及费用。因此液料比选择20:1。

图1 液料比对生姜多糖提取的影响Fig.1 Effect of liquid/solid ratio on polysaccharide yield

2.1.3 微波功率的影响

微波功率对生姜多糖的提取有较大影响，功率越高，体系的升温速度越快，更高的提取温度可以提高样品内部的扩散能力和目标组分从样品中解吸附的能力，从而提高提取效率；然而温度过高也可能会引起某些成分的结构被破坏。因此，根据能够有效提取出目标成分的原则，选取不同的功率，考察微波功率对生姜多糖提取的影响。

图2 微波功率对生姜多糖提取的影响Fig.2 Effect of microwave power on polysaccharide yield

由图2可知，生姜多糖提取率先随功率的增大而增加，在250W时达到最大。这可能是由于微波对细胞膜的破碎作用随着功率增加而逐渐增强，从而有利于提取；而当微波功率进一步增加时其强热效应可能破坏某些成分而造成提取率下降。结果发现在较高功率下非常

容易发生暴沸而影响实验，所以微波功率选取250W。

2.1.4 处理时间的影响

在提取过程中，决定生姜多糖提取效率的一个基本因素就是溶剂与多糖成分的接触时间，为实现尽可能充分的提取就需要足够的提取时间，但过长的提取时间可能引起过热，造成组分损失，因此，需确定最佳提取时间。通过选取不同提取时间以考察时间对生姜多糖提取的影响。由图3可知，在80s内，生姜多糖提取率随时间的增大而增加，当超过80s后提取率增加非常有限。可能是由于微波作用下分子振动加快，摩擦导致细胞膜破碎，从而有利于多糖的提取；而当时间较长时提取液中多糖基本达到饱和而增加有限。因此处理时间选择80s。

图3 处理时间对生姜多糖提取的影响Fig.3 Effect of extraction duration on polysaccharide yield

2.1.5 粒度的影响

在提取工艺中，固体颗粒越细小，提取率越高，提取时间也越短；但粒度过小会显著增加粉碎难度，而且也会增加提取后过滤的难度。分别选用不同颗粒大小的物料进行对比实验，考察粒度对生姜多糖提取率的影响。由图4可知，随着颗粒变细，提取率有所增加，但增加非常有限，即40目的物料即可满足微波提取的需要。该结果也体现了微波在活性成分提取方面的高效性。

图4 粒度对生姜多糖提取的影响Fig.4 Effect of material particle size on polysaccharide yield

2.1.6 超声波对提取的影响

称取生姜粉5g，加入100mL纯水，关闭超声波仅250W微波处理80s，对比超声波对提取的影响。结果表明，关闭超声波时多糖提取率21.32%，协同作用时22.93%，表明超声波对多糖提取有一定促进作用。

2.2 响应曲面优化提取工艺

2.2.1 响应曲面试验设计及结果

结合单因素试验，选择微波功率、提取时间和液料比3因素，在超声波常开条件下，利用Design-Expert软件，采用Box-Behnken设计响应曲面试验方案[20]，以微波功率、提取时间和液料比为自变量，分别用X1、X2、X3来表示，并以+1、0、－1分别代表变量的水平，试验因素水平编码如表1所示。试验设计方案和结果见表2。

表1 生姜多糖提取工艺响应曲面试验因素与水平Table 1 Factors and levels in the response surface design

表2 响应曲面设计与试验结果Table 2 Response surface design arrangement and experimental results

利用Design-Expert V7.0.0软件对试验结果进行回归拟合，得到生姜多糖提取率对以上3个因素的二次多项回归模型：

当晚他刚进家门，就听赶回家的父亲埋怨继母：“云天迟交学费打什么紧，你不怕耽搁了小儿子治病？”继母嗫嚅：“没想到有这么严重。当时我只想云天的学费迟交好几天了，我怕他在同学面前没面子。”原来徐云天走不久，弟弟疼得直打滚。家里没钱，廉小花揣上金项链贱卖抱小儿子去医院，原来徐天任得急性阑尾炎，已穿孔，再晚半小时，会有生命危险。

Y/% = 22.71+0.51X1+1.74X2+1.39X3－1.45X1X2+ 0.42X1X3－0.018X2X3－1.92X12－3.12X22－0.51X32

对该模型进行方差分析，结果见表3。由表3可知，模型具有高度显著性(P=0.0013)，失拟项不显著(P=0.6335)，R2Adj=0.9377和信噪比为16.067，远大于4，可知回归方程拟合度和可信度均较高，能够用此模

型对生姜多糖提取率进行分析和预测。

表3 响应曲面二次回归方程模型方差分析结果Table 3 Analysis of variances for the developed regression model

2.2.2 响应曲面分析与优化

图5 微波功率、提取时间及其交互作用的响应曲面图Fig.5 Response surface plot indicating the interactive effects of microwave power and extraction duration on polysaccharide yield

图6 微波功率、液料比及其交互作用的响应曲面图Fig.6 Response surface plot indicating the interactive effects of microwave power and liquid/solid ratio on polysaccharide yield

图7 提取时间、液料比及其交互作用的响应曲面图Fig.7 Response surface plot indicating the interactive effects of extraction duration and liquid/solid ratio on polysaccharide yield

根据回归分析结果作相应曲面图，结果见图5～7。

由图5～7和表3可知，模型中的提取时间和液料比、微波功率和提取时间的交互项、微波功率二次项和提取时间二次项对生姜多糖提取率有极显著影响，而微波功率和液料比之间、液料比和提取时间之间的交互作用较小。提取时间的影响最大，液料比次之。表明各因素对生姜多糖提取率的影响不是简单的线性关系。

2.3 协同萃取与回流提取的比较

使用同一批原料，对比超声波-微波萃取协同法和回流提取法对生姜多糖的提取差异。回流提取法的工艺条件：过40目筛的生姜粉、液料比25:1、100℃回流提取3次、每次提取2h，生姜多糖提取率为19.53%。超声波-微波萃取协同萃取85s的生姜多糖提取率比回流提取6h高21.10%，充分体现了超声波、微波提取快速高效的优点。

3 结 论

通过单因素和响应曲面法探讨超声波-微波协同萃取生姜多糖的工艺条件，确定最佳提取工艺参数：鲜生姜60℃远红外干燥、粉碎过40目筛、纯水为溶剂、液料比25:1、微波功率258W条件下提取85s，提取3次，取平均值为生姜多糖提取率23.65%，比热水回流浸提6h的高21.10%。体现了微波、超声波提取方法简单、高效率等优点，具有一定的实用价值。

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Response Surface Methodology for Ultrasonic and Microwave Synergistic Extraction Optimization of Ginger Polysaccharides

LIU Quan-de，TANG Shi-rong，WANG Wei-dong，FENG Cai-xia
(College of Food Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221008, China)

Fresh gingers were dried in a far infrared drying oven and powder to provide a starting material for extraction ginger polysaccharides on an ultrasonic and microwave synergistic instrument. The effects of liquid/solid ratio, microwave power, extraction duration, material particle size and added ultrasonic treatment on polysaccharide yield were explored through single factor experiments. Three main affecting factors, namely microwave power, extraction duration and liquid/solid ratio were selected to carry out response surface optimization based on Box-Behnken experimental design. The optimal extraction conditions were determined as follows: drying temperature for fresh gingers, 60 ℃; sieve mesh size for powdered gingers, 40; extraction solvent; pure water; microwave power, 258 W; and extraction duration, 85 s. The polysaccharide yield obtained under these optimal conditions was 23.65%, higher than that obtained after three-time hot water reflux extraction for 2 hour each time (19.53%). Ultrasonic and microwave synergistic extraction has the benefits of simplicity and high efficiency.

ginger polysaccharide；ultrasonic and microwave synergistic extraction；response surface methodology；processing

TQ929.2

A

1002-6630(2010)18-0124-05

2010-06-21

徐州工程学院2007年度自然科学研究计划项目(XKY2007223)

刘全德(1958—)，男，副教授，研究方向为食品工程。E-mail：lqd@xzit.edu.cn