超声波辅助提取湘玉竹多糖工艺优化

黄大川 华伟伟

HUANG Da－chuanHU Wei－wei

（邵阳学院生物与化学工程系，湖南 邵阳 422000）

玉竹属药食同源中药材，具有养阴润燥、除烦祛暑的功效［1］。玉竹中含有甾体皂苷、多糖、黄酮、生物碱、植物甾醇等多类具有医疗保健作用的化学成分［2］，现代医学研究表明：玉竹多糖具有提高机体免疫力［3］、延缓衰老［4］、抑制肿瘤［5］、降血脂［6］、抗氧化［7］、降血糖［8］等多 种营养保健 功能。市场上已经出现了一些保健食品与保健饮料，如玉竹茶、玉竹面条［9］、玉竹饮料等［10］。

目前国内外对于玉竹多糖的提取多采用高温长时间水浸提法［11］，该方法得率低，操作费时，能耗大。微波［12］、超声波［13］辅助提取效率高，操作简单。中国玉竹资源丰富，湖南邵东是玉竹的盛产地，己列为国家玉竹原产地保护［14］。本研究拟以湘玉竹为原料，将超微粉碎技术和超声辅助提取技术结合应用于玉竹多糖的提取，研究了影响提取效率的各因素，并运用响应面分析法优化超声波辅助提取玉竹多糖的工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉竹：市售邵东产干玉竹片，无外皮，肉质呈白色。

无水乙醇、苯酚：分析纯，湖南汇虹试剂有限公司；

葡萄糖：分析纯，天津市博迪化工有限公司；

浓硫酸：分析纯，邵阳市方华化工有限公司。

1.2 仪器与设备

分光光度计：7200型，尤尼可（上海）仪器有限公司；

分光光度计：UV－2100型，北京莱伯泰科仪器有限公司；

电子分析天平：AUY 220型，Shimadzu Corporat on Japan；

电热恒温鼓风干燥箱：202－1A型，上海东星建材试验设备有限公司；

植物标本粉碎机：FSJ－114型，农牧渔业部扶沟科学仪器厂；

电热恒温水浴锅：DK－S26型，金坛市正基仪器有限公司；

胶体磨：JM－80型，温州星星机械设备有限公司；

全能台式高速冷冻离心机：STARSOS型，上海民仪电子有限公司；

超声波细胞破碎器：JY92－2D型（0～1 000W），宁波新芝生物科技股份有限公司；

冷冻真空干燥器：FD－2型，北京博医康实验仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉竹多糖提取工艺流程

湘玉竹片→50℃烘干→粉碎成20目碎末→称重→石油醚提取2次（料液比1∶5（m∶V），1h）→胶体磨超微粉碎（三道胶体磨串联，三道胶体磨的磨齿间隙分别为60，40，20μm）→蒸馏水超声波提取→滤液脱蛋白（氯仿∶正丁醇为4∶1）→浓缩液→加5倍体积的无水乙醇醇析→冷冻离心（4℃，4 000r／min，30min）→沉淀物加水复溶→离心→上清液浓缩→真空冷冻干燥（－40℃，真空度0.1kPa，干燥24h）→玉竹粗多糖

1.3.2 单因素试验设计 本试验分别考察了超声波处理时间、物料粉细度、水料比对玉竹多糖提取率的影响。

（1）处理时间对玉竹多糖提取率的影响：在提取温度为60℃，水料比为45∶1（V∶m），物料粉细度为过200目筛的条件下，考察不同的超声波处理时间（15，20，25，30，35，40min）对玉竹多糖提取率的影响。

（2）物料粉细度对提取率的影响：在水料比为45∶1（V∶m），处理时间为30min，提取温度为60℃的条件下，考察不同的物料粉细度（50，100，150，200，250，300目）对玉竹多糖提取率的影响。

（3）水料比对提取率的影响：在玉竹粉细度为过200目筛，超声波提取时间为30min，提取温度为60℃的条件下，考察不同的水料比15∶1，30∶1，45∶1，60∶1，75∶1，90∶1（V∶m）对玉竹多糖提取率的影响。

1.3.3 响应面优化试验设计 通过单因素试验，确定Box－Benhnken中心组合试验设计原理所需的自变量［15］，选超声波处理时间、物料粉细度、水料比为自变量，以玉竹多糖的提取率为响应值，运用Design－expert 7软件设计响应面优化试验，通过响应曲面分析优化出提取工艺参数。

1.3.4 玉竹多糖含量测定 采用苯酚－硫酸法［16］。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 超声波处理时间对提取率的影响 由图1可知，玉竹多糖的提取率随处理时间延长慢慢提高，在20～30min内多糖提取率快速提高，30min左右达到最大。约30min之后，提取率呈缓慢下降的趋势，可能是由于超声波具有较强的剪切作用，长时间的作用会使大分子的多糖结构断裂或被破坏，使提取率出现了下降趋势。故处理时间选在30min左右为宜。

图1 超声波处理时间对玉竹多糖提取率的影响Figure1 Effect of ultrasonic processing time extraction yield on Polygonatumpolysaccharide

2.1.2 物料粉细度对提取率的影响 由图2可知，玉竹粉细度在50～200目时，玉竹多糖的提取率总体呈上升趋势，200目左右达到最大，200目之后又出现较明显的下降趋势，这是因为粉碎的物料粒径越小，细胞壁破壁率越高，多糖越容易溶出；但如果粒子粒径继续减小，溶剂中多糖含量反而下降，可能是因为颗粒表面能会增加，将对一部分多糖产生吸附作用，故粉细度大小选在过200目筛左右为宜。

图2 粉细度对玉竹多糖提取率的影响Figure2 Effect of crushing degree extraction yield on Polygonatumpolysaccharide

2.1.3 水料比对提取率的影响 由图3可知，随着水料比的增大，玉竹多糖提取率快速增加，当水料比达到45∶1（V∶m）以前，玉竹多糖提取率随着水料比的增加非常明显，在水料比达45∶1（V∶m）以后，多糖提取得率增加幅度不明显。由于水料比增加会给以后的浓缩工序带来麻烦，增加了提取成本。因此在保证提取效果的情况下，应尽量减少水的用量和工作难度，将水料比控制为45∶1（V∶m）左右。

图3 水料比对玉竹多糖提取率的影响Figure3 Effect of water to material ratio extraction yield on Polygonatumpolysaccharide

2.2 响应面试验

2.2.1 响应面分析因素水平的选择 在单因素试验基础上，根据中心组合试验设计原理设计3因素3水平的试验方案，确定超声处理时间、物料粉碎度、水料比水平值见表1。

表1 响应面分析因素及水平设计Table1 Factors and levels of central composite design

2.2.2 试验结果及模型方程的建立 根据响应面软件设计的试验方案，共有17个试验点。具体试验计方案和结果见表2。

表2 响应面试验设计方案和结果Table2 The response surface design scheme and test results

利用Design－expert软件对表2中响应值与各因素进行多元回归拟合后，得回归方程：

2.2.3 回归模型的方差分析与显著性检验 对该模型进行方差分析和回归模型系数显著性检验结果见表3。由表3可知，模型P＜0.000 1（P＜0.01时，表示显著）表明该模型极显著，失拟性不显著，表明方程能有很好的拟合性。模型中一次项B，二次项A2、B2、C2极显著，一次项A、C和二次项AB表现为显著。

表3 回归模型的方差分析与显著性检验†Table3 Variance analysis and significance test of regression model

在试验设计范围内，A（处理时间）、B（粉细度）、C（水料比）对于玉竹多糖提取率的影响都是显著的，其中B（粉细度）的影响为极显著，根据F值大小可知，对湘玉竹多糖提取率影响因素的大小为物料粉细度＞超声波处理时间＞水料比。三者之间两两交互作用对玉竹多糖提取率的影响表现为超声波处理时间A与粉细度B交互作用对玉竹多糖提取率影响显著，超声波处理时间与水料比对多糖提取率影响，以及粉细度与水料比对玉竹多糖的提取率的影响表现为不显著，说明粉细度对多糖提取率的影响比其他两个因素大。综上所述，该回归方程可用于描述玉竹多糖提取工艺与各因素的关系。

2.3 响应曲面处理结果分析与优化

通过Design－expert7.1.6软件对试验数据进行响应面处理和分析，得到三因素之间两两交互作用的模型等高线图及响应曲面图，分别见图4～6。

由图4可知，当水料比为45∶1（V∶m）时，超声波处理时间和物料粉细度以及二者交互作用对多糖提取率的影响。当超声波处理时间从20min增加到30min的过程中，玉竹多糖的提取率显著增加，当物料粉细度从过100目筛增加到过250目筛的过程中，玉竹多糖的提取率增速明显。从图4还可以看出，相对于超声波处理时间，物料粉细度对玉竹多糖的提取率影响更大些，其曲面更加陡峭。

由图5可知，当物料粉细度为过200目筛时，随着水料比和超声波处理时间的增大，玉竹多糖提取率现出先增大后减小的趋势，从图中可以看出超声波处理时间和水料比对玉竹多糖提取率影响相当，表现为曲面陡峭程度差不多，而且均比较陡峭，说明二者对多糖提取率影响都比较大。

图4 超声波处理时间和粉细度对提取率的影响Figure4 Ultrasonic processing time and crushing degree influence on extraction yield

图5 超声波处理时间和水料比对提取率的影响Figure5 Ultrasonic processing time and water to material ratio on extraction yield

由图6可知，玉竹多糖的提取率随着粉碎度的增加和水料比的增大都是增大的。相对于水料比，粉细度对玉竹多糖的提取率影响更大，曲面表现更陡峭。

图6 粉碎度和水料比对提取率的影响Figure6 Crushing degree and water to material ratio on extraction yield

运用响应面优化软件得到玉竹多糖的最佳提取工艺为超声波处理时间30.51min，物料粉细度过223.03目，水料比49.63∶1（V∶m），按此参数，玉竹多糖提取率理论预测值可达到8.29%。

2.4 实验验证

受仪器设备的操作限制，将最优条件修正为超声波处理时间31min、物料粉细度≥220目筛、水料比50∶1（V∶m），用修正后的条件进行验证，进行3组平行实验得到玉竹多糖的提取率为8.26%，8.25%，8.27%，平均值为8.26%，与理论预测值非常接近。表明基于响应曲面法所得的优化提取工艺参数比较可靠，有一定的参考价值，起到了优化的功能。

3 结论

超声波提取湘玉竹多糖工艺最佳提取条件为物料经胶体磨超微粉碎处理，超声波处理时间31min、粉细度为过220目筛、水料比50∶1（V∶m），按此最优条件，进行了验证实验，平均提取率可达8.26%。由于本试验采用超微粉碎技术与超声波辅助提取相结合的工艺技术，这项技术较前人的研究成果有提取效率高，提取时间短的优势。如王强等［17］以80℃热水多次提取玉竹多糖，其提取率为2.68%；王晓林等［18］以微波法辅助提取玉竹多糖，采用正交试验，其提取率为3.76%。原因是玉竹通过超微粉碎后，大大增加了物料与提取溶剂的接触面积以及提高了超声波破碎植物细胞壁和破坏细胞组织程度的效率［19］。

1 梁海霞，李焕德.玉竹的药理活性研究进展［J］.中南药学，2008，6（3）：342～344.

2 林厚文，韩公羽，廖时萱.中药玉竹有效成分研究［J］.药学学报，1994，29（3）：215～222.

3 单颖，姜东，潘兴瑜，等.玉竹多糖对衰老模型鼠免疫功能的影响［J］.中国老年学杂志，2007（27）：20～22.

4 单颖，潘兴瑜，姜东，等.玉竹多糖抗衰老的实验观察［J］.中国临床康复，2006，10（3）：79～81.

5 许金波，陈正玉.玉竹多糖抗肿瘤作用及其对免疫功能影响的实验研究［J］.深圳中西医结合杂志，1996，6（1）：13～15.

6 朱欣佚，谢建军，王长松.玉竹多糖对糖尿病模型大鼠糖脂代谢和脂质过氧化作用的影响［J］.江苏中医药，2008，40（10）：114～116.

7 肖锦松，崔风军，赵文仲，等.玉竹、菟丝子提取物对小鼠血清集落刺激因子的影响［J］.中医研究，1992，5（2）：12～15.

8 金艳书，庄晓燕，吴学敏，等.玉竹提取物A对1型糖尿病小鼠血糖及细胞因子的调控作用［J］.数理医药学杂志，2006，19（1）：30～32.

9 晏春耕，曹瑞芳.玉竹的研究进展与开发利用［J］.中国现代中药，2007，9（4）：33.

10 谷春梅，顾岩，赵洪梅，等.混浊型玉竹饮料配方及稳定性研究［J］.食品科技，2011，36（12）：69～71.

11 何璐，刘莹，胡亚蕊等玉竹多糖提取工艺的研究［J］.农业科技与装备，2011，1（1）：28～30.

12 张慧，刘宗敏，黎继烈.微波萃取在食品工业中的应用［J］.食品与机械，2006，22（6）：147～150.

13 郭守军，杨永利，张正平，等.超声波辅助提取蜈蚣藻多糖的工艺优化研究［J］.食品与机械，2011，27（4）：54～57.

14 梁超全.湘玉竹产业发展现状与对策［D］.长沙：湖南农业大学，2010.

15 Box G E P，Hunter W G.Statistics for exeriments：an introduction to design，data analysis and model buiding ［M］.New York：Wiley，1990.

16 徐光域，颜军，郭晓强，等.硫酸－苯酚定糖法的改进与初步应用［J］.食品科学，2005，26（8）：342.

17 王强，李盛珏，王晶，等.玉竹多的提取工艺研究［J］.长春师范学院学报（自然科学版），2010，29（6）：54～56.

18 王晓林，钟方丽，杨蕾.微波法辅助提取玉竹多糖的工艺［J］.食品研究与开发，2012，33（3）：46～50.

19 纵伟，张欢欢.湿式超微粉碎提取怀菊花总黄酮的研究［J］.食品科学，2009，30（16）：169～171.