微波辅助提取黄参多糖的工艺研究

杨小舟，张 继，杨晓龙，王俊龙，高 峰

（西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州 730070）

微波辅助提取黄参多糖的工艺研究

杨小舟，张 继，杨晓龙，王俊龙，高 峰

（西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州 730070）

用微波辅助提取黄参多糖，首先通过单因素实验选取影响因素与水平，然后在单因素实验的基础上采用三因素三水平的Box-Benhnhen设计，依据回归分析确定最佳提取工艺条件为：微波作用时间11.2min，微波功率375W，料液比1∶43g/mL，实际得率为11.7%，明显大于常规法得率6.2%。与常规提取方法相比，微波辅助提取法具有提取时间短、提取率高等优点。

黄参多糖，微波提取，响应面分析

多糖是一类来源于植物、动物、真菌和微生物的生物高分子化合物。近几十年，由于它们具有的生物、化学和物理方面的独特性质而备受关注[1]。迷果芹（Sphallerocarpus gracilis）为伞形科（Umbelliferae）迷果芹属迷果芹的肉质根茎，又名黄参、黄葑、小叶山红罗卜，在我国黑龙江、吉林、甘肃、新疆、青海等地和蒙古及前苏联西伯利亚东部及远东地区均有分布。黄参肉质根茎是一种纯天然保健食品，其中多糖是主要营养成分[2]。贾磊[3-4]等通过实验证实，黄参多糖（Sphallerocarpus gracilis polysaccharides，SGP）对运动时能量补充及激发糖代谢和能量代谢酶系活性有积极作用，并能对小鼠骨骼肌自由基代谢和超微结构产生深刻影响，同时在提高机体免疫能力及抗疲劳方面也有显著功效。微波辅助提取技术是一种新型提取方法，与传统水浸提取相比，其能缩短提取时间，提高提取得率[5]。目前对黄芪多糖提取的研究多集中在加热浸提上[6-7]，而用微波辅助提取工艺优化条件的研究还没有报道。本工艺对此进行了研究，确定了优化条件，并与加热浸提法进行了比较。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黄参 采自甘肃省张掖市山丹县，伞形科迷果芹属迷果芹肉质根；乙醇、苯酚、浓硫酸、葡萄糖等 均为分析纯。

MG08S-2B微波实验仪 南京江研微波系统工程有限公司；EYELA旋转蒸发仪 上海爱朗仪器有限公司；LGJ-18S冷冻干燥机 北京松源华兴科技发展有限公司；TDL5M台式大容量冷冻离心机。

1.2 实验方法

1.2.1 黄参多糖的提取 将干净的黄参肉质根于60℃下烘干，然后用粉碎机粉碎，过100筛。

称取一定量过完筛的黄参粉末，按照实验设计的微波作用时间、微波作用功率、料液比条件进行微波辅助浸提，冷却后4000r/min离心10min，抽滤后弃去残渣。将上清液旋转蒸发浓缩到原体积的1/5，加入95%的乙醇，终体积为80%。静置几分钟后多糖会沉淀下来，然后再次4000r/m in离心10m in，弃去上清液，向离心管内加入少许蒸馏水，用玻璃棒搅拌使之溶解后倒入培养皿中，醇沉，冷冻干燥，得到黄参粗多糖。

1.2.2 多糖提取的单因素实验 按照不同的微波作用时间、微波作用功率、料液比提取黄参多糖，实验重复3次，计算多糖得率。

1.2.3 响应面优化设计实验及数据处理方法 根据Box-Benhnhen设计原理，综合单因素影响实验结果，选取微波作用时间、微波功率和料液比三个对黄参多糖微波辅助提取影响显著的因素，在单因素实验的基础上采用三因素三水平的响应面分析方法，实验因素与水平设计见表1。

表1 黄参多糖提取响应面分析因素与水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnhen design teston SGPextraction conditions

采用Design Expert 7.0软件对实验数据进行回归分析，多项式模型方程拟合可靠性由R2表达，其统计学上的显著性由F值检验。影响因素的线性效应、平方效应及其交互效应的显著性由模型系数的P值检验。

1.2.4 得率和糖含量的计算方法

得率（%）=黄参粗多糖重量/黄参粉末重量×100%

苯酚硫酸法测定总糖含量。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果分析

2.1.1 微波作用时间对黄参粗多糖得率的影响 设定微波作用功率为300W，料液比为1∶50g/m L，分别选择微波作用时间为2、6、8、10、12m in进行单因素实验，求得多糖得率。

图1 微波作用时间对黄参多糖得率的影响Fig.1 Effect ofmicrowave extracting time on the polysaccharide extraction rate

由图1可知，当微波作用时间在10m in以内时，随着时间的延长，多糖得率逐渐提高。这是由于微波不仅具有快速均匀的加热功能，还能因促使实验材料的细胞膜破裂而加速多糖分子对基体的渗透和溶解，使多糖被快速释放出来[8]，所以净多糖提取率随微波提取时间延长而上升得比较快。但随着时间的延长，多糖扩散作用减慢并逐渐达到平衡，而多糖得率不再增加。根据本实验结果，微波处理时间宜选择10m in较合适。

2.1.2 微波作用功率对黄参粗多糖得率的影响 设定微波作用时间为10m in，料液比为1∶50g/m L，分别选择微波作用功率为100、200、300、400、500W进行单因素实验，求得多糖得率。

图2 微波作用功率对黄参多糖得率的影响Fig.2 Effect ofmicrowave power on the polysaccharide extraction rate

由图2可知，随着微波作用功率的增大，多糖得率也随之逐渐增大，其原因可能是当微波辐射时间一定时，辐射功率越高，物系吸收微波能越多，物系温升越快，固液传质速度亦越快；且温度越高，对物料细胞破坏作用越大[9]。功率大于300W以后，得率增加不明显，考虑能耗和生产成本，选择300W较为合理。

2.1.3 料液比对黄参粗多糖得率的影响 设定微波作用时间为10m in，微波作用功率为300W，选择料液分别比为1∶10、1∶30、1∶50、1∶70、1∶90g/m L进行单因素实验，求得多糖得率。

图3 料液比对黄参多糖得率的影响Fig.3 Effectof ratio ofwater and material on the polysaccharide extraction rate

由图3可以看出，在所选范围之内，料液比增大，多糖提取得率增大，当料液比1∶50g/m L时提取得率最大，之后出现小幅度的降低。这是因为料液比偏小时，固液相中有效成分的浓度差偏小，提取过程中传质速度慢，多糖溶入溶剂的量偏少；随着料液比的增大，提取过程中两相浓度差增大，传质速度加快，多糖在溶剂中的量不断增加。当料液比增加到一定程度时，虽然两相中有效成分的浓度差依然存在，但传质动力增加不大，所以多糖的提取率增幅不明显[10]。再综合操作过程中的相对损失，因此有可能出现得率下降的情况。综合考虑资源的有效利用及降低能耗两方面，采用1∶50g/m L的料液比较适宜。

2.2 响应面法对微波辅助提取黄参多糖工艺条件的优化

在单因素实验基础上，以微波作用时间、微波功率和料液比作为自变量，进行三因素三水平Box－Behnken的中心组合实验设计，因素水平表如表1所示。微波作用时间（A）、微波功率（B）和料液比（C）编码值与实验值间的转换公式为：A=（Z1－10）/10，B=（Z2－400）/100，C=（Z3－50）/20。以黄参多糖得率为响应值进行响应面分析实验，结果如表2所示。表2中实验1～12为析因实验，13～17为中心实验。17个实验点分为分析因点和零点，其中析因点位自变量取值在A、B、C所构成的三维顶点，零点为区域的中心点。零点实验重复5次，用以估计实验误差。

表2 黄参多糖提取响应面分析方案及结果Table 2 Design scheme and results of Box－Behnhen teston SGP extraction conditions

利用统计分析软件Design－Expert 7.0对实验数据进行分析，结果见表3。因子经回归拟合，解得回归方程为：Y=3.38500A+0.04835B+0.19500C－0.0003AB－0.00043AC+0.00001BC－0.01400A2－0.00005B2－0.00012C2－22.41375

回归模型的R2为0.9534，说明模型的拟合度很好，响应值的95.34%是由于所选变量引起，采用F检验方法对模型的显著性进行分析，F值为15.92，p值小于0.01，表明模型是极显著的，可以采用回归模型对响应值进行预测。模型失拟项P=0.885，不显著，表明该回归模型对实验结果拟合良好，实验误差小。

采用F检验的方法对回归模型的各项系数进行检测，以评价各项对响应值影响的显著性，p值小于0.05的项为显著项，小于0.01为极显著。由表4的分析结果可以看出，各因素中一次项A、B、C为极显著，二次项中除了C2也均为极显著，但是交互项AB、AC、BC不显著，表明各因素对响应值的影响没有明显的交互作用。

表3 回归模型显著性检验及方差分析Table 3 Significance testand variance analysis for the regressionmodel

表4 回归模型系数显著性检验Table 4 Significance test for each item in the regressionmodel

图4 微波作用时间和功率对多糖得率的响应面图Fig.4 Response surface plot for effects of extraction time and microwave power on response value of SGPextraction yield

图5 微波作用时间和料液比对多糖得率的响应面图Fig.5 Response surface plot for effects of extraction time and liquid－solid ratio on response value of SGP extraction yield

图6 微波作用功率和料液比对多糖得率的响应面图Fig.6 Response surface plot for effectofmicrowave power and liquid－solid ratio on response value of SGP extraction yield

根据回归分析方程在考察的区域内绘制响应面图（图4～图6）。可见，三个响应曲面均为开口向下的凸形曲面，说明响应值（多糖浸出率）存在极高值。图4显示了A与B对响应值Y的交互影响效应。A在高、低水平时，随着B的增加，Y均逐渐增加，表现出相同的效果。说明AB对响应值Y无显著交互作用。图5、图6与图4的规律相似。3个因素对Y值的影响以及各因素之间的交互影响与回归分析结果吻合。

根据所得到的回归模型，可预测最佳工艺条件为微波作用时间11.21min，微波功率375.34W，料液比为1∶42.68。考虑到实际操作的便利，将最佳工艺条件修正为微波作用时间11.2min，微波功率375W，料液比1∶43，在此条件下进行3次平行实验，结果3个平行的得率分别为11.5%、12.0%和12.1%，平均得率为11.7%。与理论预测相比相对误差仅为1.7%，可见该模型能较好地模拟和预测实验得率。

2.3 与常规提取方法的比较

于瑞涛[7]等对黄参的热水浸提工艺进行了研究，得到最佳提取工艺为：提取温度90℃，提取时间2h，提取1次，料液比为1∶10。我们应用以上条件提取了黄参多糖，与微波提取工艺进行了比较，结果见表5。

表5 黄参多糖提取工艺的比较Table 5 Comparison of different technique of SGP extraction

3 结论

本实验首次运用微波辅助提取技术提取黄参多糖，在单因素实验的基础上，通过响应面法设计了三因素三水平的实验进行了优化，并利用统计软件处理实验数据，确定了黄参多糖的微波辅助提取的优化工艺条件为：微波作用时间11.2min，微波功率375W，料液比1∶43（g/m L）。与常规提取方法相比，对于同样的实验材料，微波辅助提取法不但节省了提取时间，提取率也明显提高。有关两种方法提取产物的结构和性质方面的差异有待进一步的研究。

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Study on m icrowave-assisted extraction technology of Sphallerocarpus Gracilis polysaccharides

YANG Xiao-zhou，ZHANG Ji，YANG Xiao-long，WANG Jun-long，GAO Feng

（College of Life Science，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China）

Them icrowave-assisted extraction technologywas used to extrac tpolysaccharide from Sphallerocarpus Gracilis.The experiment factors and levels were firstly selected by one-factor test，then the method of Box-Benhnhen design w ith three fac tors and three levels was adop ted and the fac tors influencing the technological parameters were determ ined by means of regression analysis.The results showed that the op timum conditions were：extrac tion time 11.2 m in，m icrowave power 375W，ratio ofmaterialand water 1∶43g/m L，and the extraction rate of SGP 11.7%，which was obviously higher than the extraction rate 6.2%of the trad itionalmethod．Com pared w ith that of the trad itionalwater extraction method，m icrowave-assisted extraction exhibited the advantage of higher extraction rate，and less extraction time．

SGP；m icrowave extrac tion；response surface analysis

TS201.1

B

1002-0306（2012）09-0319-04

2011－07－18

杨小舟（1987-），男，在读硕士，研究方向：植物资源开发与利用。