响应面法优化莲子低聚糖超声波辅助提取工艺

田玉庭， 卢 旭， 郑宝东

(福建农林大学食品科学学院，福建福州 350002)

响应面法优化莲子低聚糖超声波辅助提取工艺

田玉庭， 卢 旭， 郑宝东

(福建农林大学食品科学学院，福建福州 350002)

采用响应面分析法对超声辅助提取莲子低聚糖工艺参数进行优化．研究了超声波功率(300～500 W)、料液比(g/mL)1∶15～1∶25和提取时间(30～50 min)对超声辅助提取莲子低聚糖得率的影响，对实验数据进行回归分析，优化工艺参数．结果表明:超声辅助提取各试验因素对莲子低聚糖得率的影响次序为料液比＞超声波功率＞提取时间．优化所得莲子低聚糖超声波辅助提取较佳工艺参数为:超声波功率320 W，液料比1∶25，提取时间48 min，在该条件下，低聚糖得率为1.13%．与热回流提取法和微波辅助提取法相比，超声辅助提取法使莲子低聚糖得率分别提高66.18%和29.88%．

莲子;低聚糖;超声波辅助提取;响应面分析

莲子是我国重要的出口创汇特色农副产品之一，可以药食两用．研究发现，莲子中富含低聚糖［1－3］，低聚糖被证实为双歧杆菌增殖因子［4－5］．

低聚糖普遍存在于植物细胞内，要想研究其结构和功能，必须经过破壁提取．目前，低聚糖提取方法主要有热回流浸提法［6］、微波辅助提取法［7－8］以及超声波辅助提取法［9］．与前两者相比，超声波辅助提取法具有选择性高、能耗低、效率高等优点，且不破坏所提生物活性成分的结构和性能［10］，因此应用广泛，但未见超声波辅助提取莲子低聚糖(LSO)研究报道．本文以干莲为供试原料，对其所含的低聚糖进行超声波辅助提取实验．选取超声波功率、料液比和提取时间为试验因素，采用Box-Behnken试验设计并结合响应面分析法，探讨试验因子对莲子低聚糖得率的影响，优化莲子低聚糖超声波辅助提取工艺参数，为开发利用莲子低聚糖资源及工业化生产提供一定的理论依据和技术支持．

1 材料与方法

1.1 实验材料

干莲，由绿田(福建)食品有限公司提供;95%乙醇、苯酚、硫酸、氯仿、异戊醇均为分析纯;α-淀粉酶，Sigma公司，酶活力为50 000 U/mg．

1.2 主要仪器与设备

CTXNW-2Bx型循环超声波提取机，北京弘祥隆生物技术股份有限公司;MAS-Ⅱ型微波萃取仪，上海新仪微波化学科技有限公司;UV-2550型紫外可见分光光度计，日本岛津公司;TDL-5型低速台式大容量离心机，上海安亭科学仪器厂;DY89-1型电动玻璃匀浆机，宁波新芝生物科技股份有限公司;BUCHI 409型旋转蒸发器，美国 Buchi公司;MCFD5505型冷冻干燥机，美国SIM公司．

1.3 实验方法

1.3.1 莲子低聚糖提取工艺流程

干莲→粉碎过筛→加水浸泡→酶解→浸提→过滤→脱蛋白→过滤→真空浓缩→乙醇沉降→过滤→真空浓缩→柱层析→真空浓缩→冷冻干燥→低聚糖．

操作要点:

酶解处理［11］:莲子粉水溶液于50℃下 α-淀粉酶酶解，用碘试剂法确定酶解终点;

脱蛋白［12］:向提取液中加入正丁醇和氯仿(1∶4)混合溶液，剧烈振摇20 min后离心，分去水层和溶液层交界处的变性蛋白质，重复5～6次;

乙醇沉降［11－12］:向提取液中缓慢加入5倍量的95%乙醇，搅拌后于4℃下沉降过夜;

柱层析［13］:低聚糖浓缩液经 AB-8大孔树脂(1.6 cm×60 cm)吸附层析，去离子水洗脱速度为5 mL/min，每管收集5 mL，490 nm下测定合并．

1.3.2 莲子低聚糖浸提实验

传统热水浸提:参考文献［6］，经单因素实验，确定热水浸提工艺参数为:料液比为(g/mL)1∶20，提取温度95℃，提取时间180 min;

微波辅助浸提:参考文献［7－8］，经单因素实验，确定微波辅助浸提工艺参数:微波功率600 W，料液比(g/mL)1∶20，提取时间20 min，提取温度80℃;

超声波辅助浸提:超声波间歇比1∶1，提取温度70 ℃，搅拌速度60 r·min－1，其他实验参数见1.3.3．

1.3.3 响应面试验设计

根据中心组合试验设计原理，综合前期超声波辅助提取单因素实验结果，选取超声波功率(X1)、料液比(X2)和提取时间(X3)3个因素为自变量，以莲子低聚糖得率(Y)为因变量，选用N=15的Box-Behnken试验设计，因素水平编码见表1．

1.3.4 低聚糖得率测定［9］

葡萄糖标准曲线:A=0.007 2C－0.003 3，R2=0.998 4．式中A为葡萄糖吸光度;C为溶液中葡萄糖质量浓度，μg/mL．

表1 Box-Behnken试验因素及水平编码Tab．1 Levels of variables employed in present study for construction of Box-Behnken Design

1.3.5 统计分析

所有试验分析重复3次，结果取平均值;采用SAS(version 9.1，SAS Institute.，Cary，NC，USA)进行试验设计和数据分析．

2 结果与分析

2.1 模型构建及参数分析

莲子低聚糖提取Box-Behnken试验设计矩阵及试验结果如表2．

表2 Box-Behnken试验设计及低聚糖得率实测值与预测值Tab．2 Box-Behnken Design and actrual and predicted values of LSO yield

以低聚糖得率为响应值，利用SAS软件对试验结果进行多元回归拟合，得到超声波功率、料液比和提取时间对低聚糖得率的二元多项式回归模型:式(1)中:Y为莲子低聚糖得率的预测值，X1、X2和X3分别为超声波功率、料液比和提取时间的编码值．

对上述各回归模型进行方差分析，并对模型系数进行显著性检验．模型方差分析结果见表3，由表3可知，F=79.289 9，P＜0.000 1，表明本试验所选用的二次多项式模型具有高度的显著性;失拟项P=0.1164＞0.05，不显著;同时，模型的 R=0.996 5、，皆接近于1，表明试验数据与回归数学模型拟合性良好［14］，能够用上述模型较好地预测各指标实际值．

表3 回归模型的方差分析Tab．3 Analysis of variance testing fitness of regression equation

模型回归系数显著性检验结果见表4．P值可用来检验各模型系数的显著性，同时也可反映变量之间交互作用大小，P值越小越显著［15］．由表4可知，超声波功率(X1)和料液比(X2)对莲子低聚糖得率的线性效应皆极显著(P＜0.01)，提取时间(X3)对莲子低聚糖得率的线性效应皆显著(P＜0.05);微波功率和料液比两交互作用(X1X2)对低聚糖得率影响极显著(P＜0.01)，微波功率和提取时间以及料液比和提取时间两交互作用(X1X3，X2X3)分别对低聚糖得率影响不显著(P＞0.05);超声波功率曲面效应(X21)对低聚糖得率影响极显著(P＜0.01)，料液比和提取时间曲面响应(X22，X23)分别对低聚糖得率影响显著(P＜0.05)．由F值大小可知，各因素对莲子低聚糖得率的影响由大到小依次为:液料比(X2)＞超声波功率(X1)＞提取时间(X3)(表4)．

表4 回归方程系数的显著性检验Tab．4 Testing of significance of regression coefficients

2.2 响应面分析

借助SAS软件依回归方程(1)来绘制上述各因子交互作用的响应面分析图，所得3D响应面立体分析图和相应的2D等高线图见图1．

图1(a)和(d)显示了提取时间位于中心点，即40 min时，超声波功率和料液比对莲子低聚糖得率的交互影响效应．由图1(a)和(d)可以看出，在同一料液比下，莲子低聚糖得率随超声波功率的增大表现为先增大后减小;在同一超声波功率下，莲子低聚糖得率随料液比的增加而增大．由图1(d)可以看出，当超声波功率为338～404 W，料液比为1∶22～1∶25 g/mL时，莲子低聚糖得率有极大值．

图1(b)和(e)显示料液比位于中心点，即1∶20时，超声波功率和提取时间对莲子低聚糖得率的交互影响．由图1(b)和(e)可以看出，在同一提取时间下，莲子低聚糖得率随超声波功率的增大表现为先增大后减小;在同一超声波功率下，莲子低聚糖得率随提取时间的延长表现为先增加后降低．由图1(e)可看出，当超声波功率为346～360 W，提取时间为42～48 min时，莲子低聚糖得率有极大值．

图1(c)和(f)显示了超声波功率位于中心点，即400 W时，料液比和提取时间对莲子低聚糖得率的交互影响效应．由图1(c)和(f)可以看出，在同一料液比下，莲子低聚糖得率随提取时间的延长表现为先增加后降低;在同一提取时间下，莲子低聚糖得率随料液比的增加而增大．由图1(f)可以看出，当料液比为1∶24～1∶25，提取时间为31～50 min时，莲子低聚糖得率有极大值．

图1 超声波功率、料液比和提取时间两两关系对低聚糖得率影响的响应面图和等高线图Figure 1 Response surface plots(a，b，and c)and contour plots(d，e，and f)showing the effect of ultrasonic power(X1)，solid-liquid ratio(X2)，and extraction time(X3)on LSO yield(Y)．

2.3 参数优化及模型验证

采用SAS数据处理系统对实验数据进行分析，以莲子低聚糖得率最大为优化目标，得到超声波辅助提取的优化条件为:超声波功率318.5 W，料液比1∶24.8，提取时间 48.3 min，在此条件下，模型预测莲子低聚糖得率为1.20%．为检验模型预测的准确性，并考虑实际操作的可行性，将确定的较佳工艺参数修正为:超声波功率320 W，料液比1∶25，提取时间48 min，在此条件下进行莲子低聚糖提取的验证试验，3次平行试验低聚糖实际得率为(1.13±0.026)%，与预测值较为接近，说明回归方程能够比较真实地反映各因子对低聚糖得率的影响，能较好地模拟和预测低聚糖得率．

2.4 超声波提取方法对比实验

超声波法、微波法和热回流3种方法对莲子低聚糖得提取效果如表5．由表5可以看出，超声波提取莲子低聚糖得率最高，达到1.13%，较热回流法提高66.18%，较微波法提高29.88%．同时超声波法提取温度最低，为72℃．与热回流相比，微波法与超声波法提取时间大为缩短，分别缩短了86.12%和73.34%．与微波法相比，尽管超声波法提取时间长，但其提取温度低、设备功率小．综上所述，超声波辅助提取莲子低聚糖与热回流提取法和微波提取法相比，效果最好．

表5 超声波、微波和热水浸提萃取莲子低聚糖的比较Tab．5 Comparison of ultrasonic，microwave，and hot water method on extraction of LSO

3 结论

1)采用中心组合试验设计并结合响应面分析法优化了莲子低聚糖超声波辅助提取工艺参数，建立了超声波功率、料液比和提取时间对莲子低聚糖得率的二次多项式回归模型．

2)确定莲子低聚糖超声波辅助提取优化工艺参数为:超声波功率320 W，液料比1∶25，提取时间48 min，在该条件下，低聚糖得率为1.13%．与热回流法和微波辅助法相比，超声波法使莲子低聚糖得率分别提高了66.18%和29.88%．

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(责任编辑:叶红波)

Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction of Oligosaccharide from Lotus Seeds Using Response Surface Methodology

TIAN Yu-ting， LU Xu， ZHENG Bao-dong
(Food Science College，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China)

Ultrasonic-assisted extraction(UAE)of oligosaccharides from lotus(Nelumbo nucifera Gaertn．)seeds(LSO)was studied in this paper．The three parameters，ultrasonic power(300 ～500 W)，solid to liquid ratio(g/mL)1∶15 ～1∶25，and extraction time(30 ～50 min)，were optimized using the Box-Behnkens Design(BBD)with a quadratic regression model built by Response Surface Methodology(RSM)．The order of three parameters on the LSO yield was as follows:solid to liquid ratio＞ultrasonic power＞extraction time．The highest oil yield，1．13%(w/w)，was obtained under optimal conditions for ultrasonic power，solid to liquid ratio，and extraction time at 320 W，1∶25，and 48 min，respectively．The LSO yield extracted by UAE was significantly higher than that by using hot water extraction(HWE:68.18%)and microwave-assisted extraction(MAE:29.88%)．

lotus seed;oligosaccharides;ultrasonic-assisted extraction;response surface methodology

TS255.36

A

1671-1513(2012)02-0017-05

2011-12-20

国家“十一五”科技支撑计划项目(2007BAD07B05);福建省科技重大专项(2008N0007);福建省自然科学基金资助项目(2011J05123);校青年教师基金资助项目(2011xjj15)．

田玉庭，男，讲师，博士，主要从事天然产物提取和食品发酵工程研究;

郑宝东，男，教授，博士，主要从事食品加工技术方面的研究．通讯作者．

编者按:农副产物功能成分的提取是提高其附加值及食品加工的基础，为提高效率，需要针对提取产物的溶解性、结构等物理与化学特性，设计合理的工艺路线及参数。在“响应面法优化莲子低聚糖超声波辅助提取工艺”一文中，应用响应面分析法，研究了超声波辅助提取的因素条件对莲子低聚糖提取率的影响，优化其提取工艺。在“不同酸处理对罗非鱼皮明胶提取率及物化特性的影响”一文中，研究了不同酸对罗非鱼皮蛋白质的羟脯氨酸、蛋白质分布、黏度及明胶提取率的影响。论文为莲子和鱼皮资源的开发利用提供了一定的理论指导和技术参数。(栏目主持人:王成涛教授)