银条水苏糖提取条件研究

陈 燕,钟先锋,2,黄桂东,2,李超波,常 通,邓泽元

1＊1南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,南昌 330047;2河南科技大学食品科学和生物工程学院,洛阳 471003

银条水苏糖提取条件研究

陈 燕1,钟先锋1,2,黄桂东1,2,李超波1,常 通1,邓泽元

1＊1南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,南昌 330047;2河南科技大学食品科学和生物工程学院,洛阳 471003

唇形科水苏属植物银条,也称银苗,药食两用,主产于偃师县 (市),产量约有 95%。本文以偃师产银条为原料,通过单因素、响应面分析法,研究了乙醇提取银条中水苏糖的最佳提取条件。以银条中水苏糖提取率为指标,通过单因素实验确定了银条水苏糖提取条件的参数范围,通过响应面分析法确定了其最佳提取条件。结果表明,最佳提取条件为乙醇浓度 60%,液固比 10∶1,提取温度 60℃,提取时间 40 min,该条件下银条水苏糖提取率为 46.8924%。

银条;水苏糖;提取;响应面

Abstract:Stachys floridanaschuttl.ex benth,also named yinmiao,a speciesof genusStachys.And it is a special and traditional Chinese vegetable which can use as food and medicine.Yanshi city is the main origin with production over 95%.In this paper,the optimum extraction conditionsof stachyose from yinmiaowere studied byResponse surfacemethodology(RS M).The results showed that the optimum extraction conditions for stachyose yield from yinmiao were as follows:extraction temperature 60 ℃,extraction time 40 min,ethanol concentration 60%,and ratio of liquid-solid 10∶1.At these conditions,the yield of stachyose was 46.8924%.In conclusion,RS M was successfully applied to deter mine the opt imum extraction conditions for stachyose from yinmiao.

Key words:Stachys floridanaschuttl.Ex benth;stachyose;extraction;response surface methodology

银条又称银苗,系唇形科水苏属多年生蓄根草本植物,地下茎圆状细长,肉质洁白;其中洛阳市偃师县 (市)是其主要产地,占有 95%的产量,2005年6月 1日,国家质量监督检验检疫总局发布公告:从2005年 4月 15日起,各地质量技术监督部门开始对偃师银条实施“原产地域保护”。

水苏糖是一种四糖,由两个半乳糖、一个葡萄糖和一个果糖组成[1]。它是一种典型的棉籽低聚糖家庭成员 (RFOs:棉籽糖、水苏糖和毛蕊糖)[2]。水苏糖普遍存在于高等植物,它是水溶性碳水化合物的主要组成部分,在蔬菜组织和许多植物种子中大量存在,且具有多种生理功能[3]。

水苏糖属于非还原性糖[4],由于人和其它单胃动物 (猪,家禽)不具有α-半乳糖苷酶,不能分解这些低聚糖[5],因此单胃动物的小肠不能消化水苏糖,后经产气细菌在肠道内发酵,造成胀气 (这些气体主要包括二氧化碳,氢气和甲烷)[3]。然而,由于水苏糖既不被人体消化也不被人体吸收,故作为糖尿病病人的潜在糖替代品[6,7]。此外它还能刺激人体肠道内的双歧杆菌增殖,保护组织免受有害物质的侵害[8-10]。因此,在许多国家药食两用的低聚糖(如棉籽糖和水苏糖)被称为特别健康食物[7]。做为低聚糖的良好来源地,中国银条对人体营养作出了重大贡献,且可作为工业化生产水苏糖的新型原料,同时成本低廉,经济效益高。

响应面分析法 (RS M)是一种应用合理设计实验得出的定量数据来同步解决多元方程,多元回归分析的经验统计方法[11]。本研究的目的是研究提取时间、提取温度、乙醇浓度、以及液固比对水苏糖提取率的影响和使用响应面分析法优化水苏糖提取的最佳条件。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

1.1.1 原料及试剂

银条:购于河南省偃师;水苏糖标准品购于天津一方科技有限公司;乙腈为 HPLC级,购于天冿永大;乙醇等均为国产分析纯。

1.1.2 仪器

H-S-G IB-2电热恒温水浴锅 (上海仪表集团供销公司),MOV202F电热恒温鼓风干燥机 (日本SNNYO),PB602-E电子天平 (梅特勒-托利多上海有限公司),Agilent 1200高效液相色谱仪,RE52CS-1旋转蒸发仪 (上海亚荣生化仪器厂)等。

1.2 实验方法

1.2.1 银条干粉的制备

新鲜银条经挑拣洗净后,于 60℃烘 12 h,得黄棕色银条干燥品,然后经过初次粉碎后再超微粉碎,最终得到银条干粉。

1.2.2 水苏糖提取液的制备

称取银条干粉 1.0 g,加 10倍体积 60%乙醇溶解,转入 250 mL圆底烧瓶中 60℃回流 40 min,真空泵抽虑得提取液。所有待测溶液都需经 0.45μm的微孔过滤膜过滤待测。

1.2.3 水苏糖的测定方法——HPLC方法。

水苏糖的含量采用 HPLC进行分析测定。

色谱条件:色谱柱:Hypersil-氨基柱,4.6×250 mm;流动相为乙腈 ∶水 (65∶35);柱温 25℃,流速1.0 mL/min,进样量 20μL;采用 Agilent 1200系列的G1362 A示差检测器进行测定。所得结果图如图 1.

图1 糖标准品的图谱Fig.1 chromatogram of standard mixture of glucose,sucrose,raffinose and stachyose

图2 样品图谱Fig.2 chromatogram of sample

1.2.4 水苏糖标准曲线的绘制

准确称取水苏糖标准品,用双蒸水溶解,配制成分别为 0.625,1.25,2.5,5.0,10,20 mg/mL的 6个浓度标准液,按上述色谱条件测得其峰面积,以标准溶液浓度为横坐标,峰面积为纵坐标,绘制水苏糖标准曲线。如图 3所示。y=0.8893x– 0.0112,R2=0.9993,其中X为含量 (mg),Y为吸光度,R2=0.9993。说明在 0.625-20 mg范围内呈良好得线性关系。

图3 水苏糖标准曲线Fig.3 The standard curve of stachyose

1.2.5 单因素及响应面试验设计

在水苏糖提取过程中,影响提取的因素很多,经初步试验选定提取温度提取时间、乙醇浓度及液固比作为主要影响因素,以水苏糖的提取率为指标,在单因素试验的基础上采用四因素三水平响应面试验设计,对提取条件进行优化。

水苏糖提取率 (%)=提取后水苏糖总质量/提取前原料质量 ×100%,提取后水苏糖总质量:通过所测得的峰面积代入标准曲线公式算得水苏糖质量×体积 ×稀释倍数

1.2.6 统计分析

采用 Design-Expert 6.0.5软件进行响应面分析。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 提取温度对水苏糖提取率的影响

在液固比 10∶1,乙醇浓度 60%,提取时间 40 min的条件下,得到不同提取温度与水苏糖提取率的关系,如图 4所示。

图4 不同温度对水苏糖提取率的影响Fig.4 Effects of different temperature on the extraction rate of stachyose

由图 4可知,当提取温度低于 60℃时,随温度升高水苏糖提取效率呈上升趋势,这说明温度对水苏糖提取率有影响,且当温度较高,活性成分溶出较多,与生产实际情况也比较相符,故本实验选择 60℃的提取温度。

2.1.2 提取时间对水苏糖提取率的影响

在乙醇浓度 60%,提取温度 60℃,液固比 10∶1的条件下,得到不同提取时间与水苏糖提取率的关系,如图 5所示。

图5 不同提取时间对水苏糖提取率的影响Fig.5 Effects of different t ime on the extraction rate of stachyose

由图 5可知,提取时间在前 20～40 min内,水苏糖提取率随时间延长而提高;在 40 min提取率达到最大值。这表明水苏糖的提取过程与时间密切相关,提取时间较短时,产物溶解不充分;时间过长,水苏糖提取率略趋平缓下降。所以,水苏糖的最佳提取时间应在 40 min左右,故本实验选择提取银条水苏糖的提取时间为 40 min。

2.1.3 乙醇浓度对水苏糖提取率的影响

在液固比 10∶1,提取时间 40 min,提取温度 60℃的条件下,得到不同乙醇浓度与水苏糖提取率的关系,如图 6所示。

图6 不同乙醇浓度对水苏糖的影响Fig.6 Effects of the concentraion of ethanol on the extration of stachyose

由图 6可知,当乙醇浓度在 30%～60%时,水苏糖提取率有明显的增长,60%时水苏糖提取率达到最高,当乙醇浓度为 70%时出现下降,这是由于当醇浓度过高时银条中的多糖会沉淀,水苏糖提取率也会相应下降。因此,本实验选择乙醇浓度60%。

2.1.4 不用液固比对水苏糖提取率的影响

在乙醇浓度 60%,提取时间 40 min,提取温度60 ℃的条件下,比较不同液固比 (8∶1,,10∶1,12∶1,14∶1,16∶1)与水苏糖提取率的关系,如图 7所示。

图7 不同液固比对水苏糖提取率的影响Fig.7 Effects of different ratio of liquid-solid on the extraction rate of stachyose

由图 7可知,在各个点中水苏糖提取率差异不大,在液固比 10∶1时,得率出现最高峰,本试验在液固比 14∶1后又做了更大液固比的样本,发现均没有10∶1高。虽然 10∶1后的提取率没有什么太大区别,为了节约成本,故本实验选择液固比 10∶1。

2.2 响应面法优化水苏糖提取工艺结果及分析

响应面方法 (Response Surface Methodology,简称 RS M)是利用合理的试验设计并通过实验得到的一定数据,采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系,通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数,解决多变量问题的一种统计方法。RS M在优化研究中应用频繁,是降低开发成本、优化加工条件、提高产品质量、解决生产过程中的实际问题的一种有效方法,它已广泛地应用于农业、生物、食品、化学、制造等领域[12]。

2.2.1 Box-Behneken实验设计方案

根据 Box-Behneken的中心组合实验设计原理[12],结合上述单因素实验结果,选取水苏糖提取温度、提时间取、乙醇浓度和液固比四个因素为影响因素,在单因素实验的基础上采用四因素三水平的响应面分析优化方法。其实验因素与因素水平见表1。整个实验设计共 29个实验点 (5个中心点),其中析因点共 24个,零点 5个 (零点为区域的中心点,实验操作重复 5次,用以估计误差),整个实验结果见表 2。

表1 试验因素水平及编码Table 1 Levels and factors for response surfaceMethodology

表2 响应面分析试验安排及结果Table 2 Experimental design and results of Response Surface Analysis for the extraction rate of Stachyose

24 0 1 0 1 37.8120 36.1625 25 0 0 0 0 46.6857 47.4429 26 0 0 0 0 45.1873 47.4429 27 0 0 0 0 45.4351 47.4429 28 0 0 0 0 48.5563 47.4429 29 0 0 0 0 49.1195 47.4429

2.2.2 建立模型及其显著性分析

实验采用Design Expert 6.0.5软件对实验结果进行多元回归拟合,经过运算后分别得到水苏糖提取率对提取温度 (X1)、提取时间 (X2)、乙醇浓度(X3)和液固比 (X4)的模型,其二次多项回归模拟方程为:

Y= 46. 99678-0. 56134X1-0. 29633X2-2.14699X3+2.59757X4-6.75242X21-7.63866X22-5.94977X23-4.09086X24-0.0581X1X2+1.99203X1X3+0.21005X1X4-0.9171X2X3-1.4218X2X4+5.7532X3X4。其中 Y值为响应值,即水苏糖的提取率。

该模型的显著性检验,既方差分析结果见表 3。

表3 方差分析表Table 3 The analysis of variance for the design

表3的方差分析表明,该回归方程极显著 (P＜0.0001)。该模型决定系数R2=0.9309,表明响应值水苏糖提取率 (Y)实际值与预测值之间具有较好的拟合度,因此该模型可用于预测响应值水苏糖提取率 (Y)的实际情况。

该模型的回归模型系数显著性检验结果见表4。

表4 回归方程系数显著性检验Table 4 Regression coefficients and their significance of regression equation

–5.95 0.89 1 ＜0.0001X23–4.09 0.89 1 0.0004X1X2 –0.058 1.14 1 0.9599X1X3 1.99 1.14 1 0.1012X1X4 0.21 1.14 1 0.8559X2X3 –0.92 1.14 1 0.4328X2X4 –1.42 1.14 1 0.2310X3X4 5.75 1.14 1 0.0002X24

从表中可以看出,水苏糖提取模型中一次项X、X显著 ,X、X不显著 ;二次项X2、X2、X极显3412123著,X24显著;交互项只有X3X4显著,其余都不显著。说明水苏糖提取模型中各因素对水苏糖提取模型含量的影响不是简单的线性关系。同时可以从该表中看出对各个因素的效应进行的评价,其中四个因素的主次关系为:X4＞X3＞X1＞X2,即液固比 ＞乙醇浓度 ＞温度＞时间。

2.3 水苏糖提取工艺条件的响应面分析

每个响应面分别代表着两个独立变量之间的相互作用,此时其他变量保持在最佳水平。

等高线的形状和响应面的陡缓程度可以反映出交互效应的强弱,椭圆形表示两因素交互作用显著,而圆形则表示交互作用不显著;响应面比较陡表示两因素交互作用显著,响应面比较缓表示交互作用不显著。

2.3.1 提取温度和提取时间对水苏糖提取率影响的响应面结果与分析

当乙醇浓度为 59.6%,液固比为 10.58∶1时,提取温度和提取时间对水苏糖提取率的影响如图 8所示。由图 8可知,随着温度的上升,提取率增加,但当温度上升到 59.6℃以后,提取率有所下降;随着时间的延长,提取率增加,但当提取 39.6 min以后,提取率有所下降。而且其等高线的形状近似圆形,说明二者之间的交互作用不显著。

图8 Y=f(x1,x2)的响应值与等高线Fig.8 Response surface plot and contour plot of Y=f(x1,x2)

2.3.2 提取温度和乙醇浓度对水苏糖提取率影响的响应面结果与分析

当提取时间为 39.6 min,液固比为 10.58∶1时,提取温度和乙醇浓度对水苏糖提取率的影响如图 9所示。由图 9可知,随着温度的上升,提取率增加,但当温度上升到 59.6℃以后,提取率有所下降;随着乙醇浓度的增加,提取率增加,但当乙醇浓度达到59.6%以后,提取率有所下降。而且其等高线的形状为圆形,说明二者之间的交互作用不显著。

图9 Y=f(x1,x3)的响应值与等高线Fig.9 Response surface plot and contour plot of Y=f(x1,x3)

2.3.3 提取温度和液固比对水苏糖提取率影响的响应面结果与分析

当提取时间为 39.6 min,乙醇浓度为 59.6%时,提取温度和液固比对水苏糖提取率的影响如图10所示。由图 10可知,随着温度的上升,提取率增加,但当温度上升到 59.6℃以后,提取率有所下降;随着液固比的增加,提取率增加,但当液固比达到10.58∶1以后,提取率有所下降。而且其等高线的形状近似圆形,说明二者之间的交互作用不显著。

图10 Y=f(x1,x4)的响应值与等高线Fig.10 Response surface plot and contour plot of Y=f(x1,x4)

2.3.4 提取时间和乙醇浓度对水苏糖提取率影响的响应面结果与分析

当提取温度为 59.6℃,液固比为 10.58∶1时,提取时间和乙醇浓度对水苏糖提取率的影响如图11所示。由图 11可知,随着提取时间的延长,提取率增加,但当提取 39.6 min以后,提取率有所下降;随着乙醇浓度的增加,提取率增加,但当乙醇浓度达到 59.6%以后,提取率有所下降。而且其等高线的形状近似圆形,说明二者之间的交互作用不显著。

图11 Y=f(x2,x3)的响应值与等高线Fig.11 Response surface plot and contour plot ofY=f(x2,x3)

2.3.5 提取时间和液固比对水苏糖提取率影响的响应面结果与分析

当提取温度为 59.6℃,乙醇浓度为 59.6%时,提取时间和液固比对水苏糖提取率的影响如图 12所示。由图 12可知,随着提取时间的延长,提取率增加,但当提取 39.6 min以后,提取率有所下降;随着液固比的增加,提取率增加,但当液固比达到 10.58∶1以后,提取率有所下降。而且其等高线的形状近似圆形,说明二者之间的交互作用不显著。

2.3.6 乙醇浓度和液固比对水苏糖提取率影响的响应面结果与分析

图12 Y=f(x2,x4)的响应值与等高线Fig.12 Response surface plot and contourplotof Y=f(x2,x4)

当提取温度为 59.6℃,提取时间为 39.6 min时,乙醇浓度和液固比对水苏糖提取率的影响如图13所示。由图 13可知,随着乙醇浓度的增加,提取率增加,但当乙醇浓度达到 59.6%以后,提取率有所下降;随着液固比的增加,提取率增加,但当液固比达到 10.58∶1以后,提取率有所下降。而且其等高线的形状近似椭圆形,说明二者之间的交互作用显著。

图13 Y=f(x3,x4)的响应值与等高线Fig.13 Response surface plot and contour plot of Y=f(x3,x4)

由响应面曲线和等高线图,可知有最大响应值,即水苏糖提取率,为 47.4429%,其最佳的提取工艺为提取温度为 59.6℃,提取时间为 39.6 min,乙醇浓度为 59.6%,液固比为 10.58∶1。

2.4 验证试验

验证试验结果见表 5。

表5 验证试验结果Table 5 Resuls of verfication experiments

在上述优化的提取条件下 (即当提取温度为59.6℃,提取时间为 39.6 min,乙醇浓度为 59.6%,液固比为 10.58∶1),响应面模型所得的预测值为47.4429%,与验证试验的平均值的误差为 1.16%,在误差允许范围内 (20%),说明该模型能较真实地反映各个因素对水苏糖提取率的影响,证明该模型较可靠。

但对于实际生产而言,上述条件较为难于控制,而且上述条件与我们设计的中心点试验非常接近,而且对于实际生产容易控制,且中心点试验结果与预测值之间的误差在允许范围之内,所以从实际生产的角度来看,其最优工艺条件可以选为取温度为60℃,提取时间为 40 min,乙醇浓度为 60%,液固比为 10∶1。

3 结论

银条银条种植历史悠久,在我国偃师市等地种有大量种植,在使用与药用两方面的应用历史悠久,其中水苏糖是银条中有效的成分之一。银条水苏糖具有显著改善人体内环境、调节微生态平衡,抑菌抗癌,抗病毒,降血糖等多种作用。本文重点对水苏糖的提取条件优化进行了研究,应用乙醇溶液提取银条水苏糖,通过单因素法与响应面分析得到了提取银条水苏糖的最佳提取工艺:乙醇浓度 60%,液固比 10∶1,提取温度 60℃,提取时间 40 min,该条件下银条水苏糖提取率为 46.8924%。

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Extraction Conditions of Stachyose fromStachys floridanaSchuttl.ex Benth

CHEN Yan1,ZHONG Xian-feng1,2,HUANG Gui-dong1,2,L IChao-bo1,CHANG Tong1,DENG Ze-yuan

1＊1State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China;2Food B ioengineering College,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China

Q949.777.6;Q535

A

1001-6880(2011)01-0123-08

2009-09-08 接受日期:2010-07-01

教育部开放课题 (NCU200509)

＊通讯作者 Tel:86-791-3969958;E-mail:dengzy@ncu.edu.cn