响应面法优化槐花水溶性多糖的超声波辅助提取工艺

徐建国，田呈瑞，胡青平，董俊荣

响应面法优化槐花水溶性多糖的超声波辅助提取工艺

徐建国1,2，田呈瑞1，胡青平2，董俊荣2

(1.陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西 西安 710062；2.山西师范大学食品科学与工程系，山西 临汾 041004)

目的：优化超声波辅助提取槐花水溶性多糖提取工艺。方法：采用单因素试验和二次回归旋转组合试验确定超声波辅助提取条件。结果：在试验范围内各因素对槐花多糖得率的影响程度由大到小依次为超声波处理时间、液料比、超声波功率；超声波辅助提取槐花多糖的最优工艺参数为液料比31:1(mL/g)、超声波功率217W、超声提取时间58min、提取温度30℃。结论：超声波辅助提取时间短、效率高，可作为槐花水溶性多糖的提取工艺。

槐花；多糖；超声波；提取

槐花(Sophorae Flos)为豆科植物槐(Sophora japonica L.)的干燥花或花蕾，我国大部分地区均有生长。据医书记载[1]，槐花性味苦，微寒，归肝、大肠经，具有泄热凉血、止血、利尿的作用。槐花中富含黄酮、多糖、三萜皂甙、植物甾类、鞣质、氨基酸及槐花米甲、乙、丙素等多种活性物质[1-3]。现代医学研究证明，槐花具有抗菌、降压、防止冠状动脉硬化、改善心肌循环等多种医疗保健功能的功效[4-5]，因此对其研究具有重要意义。

超声波辅助提取是利用超声波热学机理、超声波机械机制和空化作用强化萃取过程的的传质速率和效果，与传统的浸取法相比，大大缩短了提取时间，提高了提取效率，且提取液中的杂质较传统方法低，已广泛地应用于天然产物的提取研究中[6-7]。目前，对槐花的研究主要集中在黄酮类化合物[8-10]，对槐花多糖的研究报道较少，目前仅有王丽华等[11]采用水提法对槐花多糖的提取及抗氧化性进行研究，提取温度高，时间长。本研究采用响应面试验(二次回归旋转组合设计)优化超声波辅助提取槐花水溶性多糖的工艺参数，旨在为槐花的深入研究及产业化开发提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

槐花：采自山西师范大学莳英园，室温阴干；1,1-二苯基苦基苯肼(DPPH)自由基 美国Sigma公司，其他化学试剂均为国产分析纯；试验用水均为蒸馏水。

1.2 仪器与设备

KQ-50DB型数控超声波发生器 上海精密仪器生产有限公司；FZ102微型植物粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司；HH-S恒温水浴锅 郑州长城科工贸有限公司；RE-52AA旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂；Christ Alphal-4低温冷冻干燥机。

1.3 方法

1.3.1 槐花水溶性多糖的提取工艺

工艺流程：干燥原料→粉碎过40目筛→石油醚脱脂→干燥得脱脂样品→加适量蒸馏水→超声波浸提→抽滤→滤液减压浓缩→乙醇沉淀→离心→沉淀干燥→脱蛋白→离心去不溶物→上清液冷冻干燥→槐花水溶性多糖。

其中脱蛋白采用酶解结合Sevag法[12]进行，即配制1mg/mL木瓜蛋白酶溶液，然后将蛋白酶液与样品液以1:100的体积比混匀，于37℃恒温磁力搅拌器保温2h后加入等体积Sevag液(氯仿:异戊醇=24:1，V/V)，剧烈振摇30min后在4000r/min条件下离心5min，除去变性蛋白质沉淀，取水相。反复萃取3次，得脱蛋白液。

1.3.2 多糖含量的测定方法

总糖测定采用蒽酮-硫酸法[13]，用葡聚糖作标准曲线；还原糖测定采用3,5-二硝基水杨酸(DNS)比色法[13]，用葡萄糖作标准曲线，并计算多糖质量及其得率。

1.3.3 单因素试验

准确称取经预处理的槐花3.000g，放入200mL烧杯中，在其他条件相同的情况下，采用不同液料比、超声波功率、超声波提取时间、超声波提取温度进行超声辅助提取，以槐花水溶性多糖得率为响应值，逐个考察各提取条件对提取效果的影响。

1.3.4 二次回归旋转组合设计试验

根据单因素试验结果，以影响槐花多糖得率的主要因素为输入变量，以多糖得率为指标，采用二次回归旋转组合设计试验优化提取工艺。

1.4 数据分析

所有的试验均重复3次，利用统计分析软件DPS (v3.01专业版)及Excel程序对试验结果进行分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 液料比对多糖得率的影响

在超声波功率200W、超声波提取时间50min、超声波提取温度30℃的条件下，考察液料比分别为10:1、20:1、30:1、40:1、50:1(mL/g)时对多糖得率的影响。结果如图1所示。

图1 液料比对多糖得率的影响Fig.1 Effect of liquid-to-solid ratio on extraction yield of polysaccharides

由图1可知，液料比对槐花水溶性多糖得率有较大的影响。在液料比较低时，槐花多糖得率随着液料比的增大而显著提高，在液料比30:1时，多糖得率达到最高值，此后再增加液料比，多糖得率下降。其原因可能是加水量过大，增加了后续工艺的难度，使分离效率降低，多糖损失率增加。因此，选择液料比30:1mL/g为宜。

2.1.2 超声波功率对多糖得率的影响

在液料比30:1(mL/g)、超声波提取时间50min、超声波提取温度30℃条件下，考察超声波功率150、175、200、225、250W对多糖得率的影响。结果如图2所示。

图2 超声波功率对多糖得率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic power on extraction yield of polysaccharides

由图2可知，在超声波功率150～200W范围内，槐花水溶性多糖得率随着超声波功率的增大而提高，在超声波功率200W时，多糖得率基本达到最大值，此后再增加超声波功率，多糖得率并没有明显增加。原因可能是超声波功率越大，其产生的空化作用和机械作用越剧烈，媒质粒子的速度和加速度亦越大，界面扩散层上的分子扩散就越快，结果多糖渗透出来的速度就越快[14]。但当超声波功率达到一定值时，槐花中多糖含量逐渐减小，内外渗透压达到平衡，多糖的渗出率便趋于恒定。因此，选择超声波功率为200W左右为宜。

2.1.3 超声波提取时间对多糖得率的影响

在液料比30:1(mL/g)、超声波提取温度30℃、超声波功率200W条件下，考察超声波提取时间分别为10、30、50、70、90min时对多糖得率的影响。结果如图3所示。

图3 超声波提取时间对多糖得率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic treatment time on extraction yield of polysaccharides

由图3可知，在超声波提取时间10～50min范围时，随着提取时间的延长，槐花多糖得率提高明显，再延长时间多糖得率没有显著提高，当提取时间超过70min时多糖得率开始下降。原因可能是长时间的超声波处理，其产生的较强的机械剪切作用会使溶出的大分子多糖的糖苷键断裂，从而导致多糖含量下降。因此，超声波提取时间应在50～70min之间为宜。

2.1.4 超声波提取温度对多糖得率的影响

在液料比为30:1(mL/g)、超声波提取时间50min、超声波功率200W的条件下，考察超声波提取温度分别为20、30、40、50、60℃时对多糖得率的影响。结果如图4所示。

图4 超声波提取温度对多糖得率的影响Fig.4 Effect of temperature on extraction yield of polysaccharides

由图4可知，超声波提取温度在20～30℃之间，多糖得率增加比较迅速，此后再提高温度，多糖得率没有明显增加，考虑到温度提高会导致杂质的溶出量及能耗的增加，因此，试验确定超声波提取温度为30℃。

2.1.5 提取次数对多糖得率的影响

在液料比30:1(mL/g)，超声波功率200W，提取温度30℃，超声波提取时间50min条件下，提取4次，分别测定每次提取的多糖得率，结果如图5所示。

图5 提取次数对多糖得率的影响Fig.5 Effect of the number of repeated extraction on extraction yield of polysaccharides

由图5可知，不同提取次数的多糖得率分别为3.02%、0.39%、0.19%、0.11%。综合考虑后期浓缩的困难、产率及能耗等因素，选择提取1次为宜。

2.2 超声波辅助提取工艺优化模型的建立

2.2.1 响应面试验因素及编码水平

根据单因素试验结果，固定提取温度30℃，选用对多糖得率影响较大的液料比、超声波功率、超声波提取时间3个因素，进行三因素的二次回归旋转组合试验，各因素水平及编码如表1所示。

表1 槐花水溶性糖超声波辅助提取响应面试验因素水平编码表Table 1 Coded variables and their coded levels in response surface analysis

2.2.2 响应面试验设计及结果

由DPS(v3.01专业版)统计分析软件的试验设计功能可知，三因素二次回归旋转组合设计包括23个试验方案，具体试验方案及试验结果如表2所示。

表2 槐花水溶性多糖超声辅助提取响应面试验设计及结果Table 2 Experimental design and corresponding results for response surface analysis

2.2.3 回归方程的建立与检验

根据表2结果，建立槐花水溶性多糖得率与液料比X1、超声波功率X2、超声波提取时间X3的三因素的数学回归模型：Y=3.06051＋0.15723X1＋0.14731X2＋0.17946X3-0.20675X12-0.11837X22-0.10776X32-0.08125X1X2-0.08875X1X3＋0.03625X2X3。由表3方差分析可知：回归方程的失拟性检验F1=2.247＜F0.05(5,8)=3.69，差异不显著，可以认为所选用的二次回归模型是适当的；回归方程的显著性检验F2=14.423＞F0.01(9,13)= 4.19，差异极显著，说明模型的预测值与实际值非常吻合，模型成立。对回归系数显著性检验，在α=0.10显著水平剔除不显著项，得到优化后的方程为：Y = 3.06051＋0.15723X1＋0.14731X2＋0.17946X3-0.20675X12-0.11837X22-0.10776X32-0.08875X1X3。

2.2.4 各因素的影响程度分析

各因素的F值可以反映出各因素对试验指标的重要性，F值越大，表明对试验指标的影响越大，即重要性越大。从表3方差分析可知，各因素对多糖得率的影响程度大小依次为超声波提取时间＞液料比＞超声波功率。

表3 响应面试验结果方差分析表Table 3 Analysis variance of the constructed regression equation for extraction yield of polysaccharides

2.2.5 双因素交互作用分析

由方差分析表可知，本试验所建立的数学回归模型中，只有X1和X3交互作用显著，即液料比和超声波提取时间的交互作用对槐花多糖的得率有显著的影响，因此，固定超声波功率于零水平，得到液料比和超声波处理时间交互作用的响应曲面图和等高线图如图6所示。

图6 液料比与超声波提取时间对多糖得率的交互作用分析Fig.6 Response surface and its contour showing the effects of liquid-to-solid ratio and ultrasonic treatment time on extraction yield of polysaccharides

由图6可知，槐花多糖得率随液料比和超声波提取时间的变化会产生较大变化。随着二因素交互因素编码值的升高，多糖得率呈上升趋势，但当编码值达到一定组合后，多糖得率呈下降的趋势。原因可能是过大的液料比使分离效率降低，多糖损失率增加；过长的超声波处理时间会导致多糖的降解，这与单因素的分析结果一致。由此可知，只有当液料比和超声波处理时间合理搭配时才能获得更好的提取效果。

2.2.6 提取工艺参数的优化及验证

用频率分析方法寻找最优浸提条件，其中多糖得率高于2.80%的方案有24个，频率分析结果见表4。由表4可知，在95%置信区间内多糖得率高于2.80%的优化提取方案为液料比29.805～32.695(mL/g)、超声波功率209.75～224.425W、超声波提取时间54.54～61.10min，取优化后提取条件的平均值方案，X1=0.25、X2=0.6835、X3=0.782，即液料比31.25:1(mL/g)，超声波功率217.088W，超声波提取时间57.82min。为便于指导实际生产，将最优组合方案定为：液料比31:1(mL/g)、超声波功率217W、超声波提取时间58min、提取温度30℃。按最优组合方案中的提取条件进行验证实验，重复3次，取平均值，测得槐花水溶性多糖得率3.16%，与理论值3.19%接近，其相对误差为0.94%，进一步验证了数学回归模型的适合性。

表4 优化提取方案中Xi取值频率分布表Table 4 Level distribution frequency of various extraction parameters

3 结 论

3.1 建立的超声波辅助提取槐花水溶性多糖的提取条件优化数学回归模型为：Y=3.06051＋0.15723X1＋0.14731X2＋0.17946X3-0.20675X12-0.11837X22-0.10776X32-0.08875X1X3。采用此模型在本试验范围内能较准确地预测槐花多糖的提取率。

3.2 通过试验结果的方差分析可知，在本实验范围内，各因素对槐花水溶性多糖得率的影响作用大小顺序依次为超声波处理时间＞液料比＞超声波功率。

3.3 超声波辅助提取槐花水溶性多糖的最佳工艺参数为液料比31:1(mL/g)、超声波功率217W、超声提取时间58min、提取温度30℃。在此优化工艺条件下，实际测得的槐花多糖得率为3.16%，与理论预测值的相对误差为0.95%左右。

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Optimizing Ultrasonic-assisted Extraction Process for Water-soluble Polysaccharides from Sophora japonica Flower by Response Surface Methodology

XU Jian-guo1,2，TIAN Cheng-rui1，HU Qing-ping2，DONG Jun-rong2
(1. College of Food Engineering and Nutritional Science, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China；2. Departerment of Food Science and Engineering, Shanxi Normal University, Linfen 041004, China)

Purpose: To optimize the ultrasonic-assisted extraction process for water-soluble polysaccharides from Sophora japonica flower for improved extraction efficiency. Methods: The optimization strategy used was a series of one-factor-at-a-time investigations and subsequent response surface analysis based on a quadratic regression rotary combination design. Results: Within tested level ranges, the importance of four process parameters affecting extraction yield of polysaccharides from big to small was ultrasonic treatment time, liquid-to-solid ratio and ultrasonic power in turn. Ultrasonic treatment time of 58 min, ultrasonic power of 217 W and extraction temperature of 30 ℃ were found optimum for polysaccharide extraction. Conclusion: ultrasonic assistance is beneficial to shorten extraction time and improve extraction efficiency and consequently, suitable for the extraction of water-soluble polysaccharides from Sophora japonica flower.

Sophora japonica；polysaccharides；ultrasonic；extraction

TS224；TS201.1

A

1002-6630(2011)04-0112-05

2010-04-17

陕西省“13115”科技创新工程重大科技专项(2007ZDKJ-10)

徐建国(1971—)，男，副教授，博士，研究方向为植物资源开发利用。E-mail：xjg71@163.com