微波辅助提取紫薯蓣中多糖工艺的研究

王泽锋，石 玲，苏一兰，闵 勇

（红河学院理学院，云南蒙自661199）

微波辅助提取紫薯蓣中多糖工艺的研究

王泽锋，石 玲，苏一兰，闵 勇*

（红河学院理学院，云南蒙自661199）

为优化微波辅助提取紫薯蓣中多糖的提取方法，在单因素实验基础上，选取提取时间、提取温度、料液比、微波功率为自变量，多糖含量为响应值，采用中心组合（Box-Behnken）实验设计方法，研究各自变量及其交互作用对多糖含量影响，采用Design-Expert软件，建立了多糖含量与提取过程中各因素的二次多项式模型，并通过响应面优化法分别确定紫薯蓣多糖提取最佳工艺为：提取温度90℃、提取时间30min，料液比1∶30（g∶mL）、微波功率为900W，提取多糖的预测值为2.84%，经过实验验证，紫薯蓣多糖的含量为2.852%，与预测值的相对误差为0.42%。

紫薯蓣，多糖，响应面优化法，微波辅助提取

紫薯蓣别名紫山药、紫莳药，是薯蓣科（Dioscoreaceae）薯蓣属（Dioscorea）草本蔓生性植物，据《本草纲目》记载，紫薯蓣具有补肺益肾、补脾养胃的功效，可用于治疗脾虚久泻、慢性肠炎、肺虚咳喘、慢性胃炎、糖尿病、遗精、遗尿、带下等症。紫薯蓣中富含多糖、花色苷、皂苷、氨基酸、多种微量元素，其中，多糖在抗肿瘤、免疫调节、抗衰老、降血糖、降血脂、增强骨髓造血功能、抗辐射、保护肝肾[1-3]等主要脏器等方面显示出良好的应用前景。因此，对紫薯蓣中多糖的提取进行研究具有十分重要的意义。

植物多糖种类繁多，大部分不溶于冷水，在热水中呈粘液状，根据植物多糖的这种特性，常用的提取方法有：热水浸提法、酸浸提法、碱浸提法和酶法、超声提取、微波提取法、复合法、超临界CO2等[4]。微波提取技术具有溶剂用量少、提取时间短、提取效率高、提取物不易破坏等优点，在植物药物提取方面具有巨大的发展潜力，尤其适合需避免加热的植物多糖提取。这将促进植物多糖的结构、作用机制、功能等基础研究，也将促进和推动植物多糖功能的研究。

作为一种新型的提取技术，微波辅助提取技术有其独特的特点：较高的选择性和较快的提取效率。极性较大的分子可以获得较多的微波能，析出速度较快，析出的量也较大，从而提高了产品的纯度，改善了产品质量[5]。大量文献表明微波提取法效果明显优于传统水提法[6-9]。且微波加热具有速度快、操作便捷、能保持原有营养成分等诸多优点，是理想的多糖提取新工艺。关于研究紫薯蓣中多糖的微波提取方法尚未见报道。本课题以紫薯蓣为原料，研究了微波提取多糖的实验条件，考察了提取温度、提取时间、料液比、微波功率等因素对紫薯蓣含量的影响，并采用响应面法[10-13]对多糖提取条件进行优化。

表1 紫薯蓣中多糖提取单因素实验Table.1 The single factor experiment of extraction of polysaccharide from purple yam

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫薯蓣 采自红河州元阳县；葡萄糖（分析纯）、浓硫酸（分析纯）、苯酚（分析纯）、95%乙醇（分析纯）国药集团。

MAS-Ⅱ型常温微波萃取仪 上海新仪微波化学科技有限公司；UV-2000X型紫外-可见分光光度计 上海尤尼科有限公司；FA1004型电子天平 上海精密科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 紫薯蓣多糖分析 分别吸取0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0及1.2mL 0.1mg/mL葡萄糖标准液，然后加入1mL 5%苯酚和5mL浓硫酸，混匀，显色，静置20min，蒸馏水定容至10mL配成标准储备液，将上述已处理的葡萄糖标准储备液，在波长490nm处用紫外分光光度计测定其吸光值，以葡萄糖浓度c为横坐标，吸光度A为纵坐标，进行线性回归，得回归方程。

称取5.0g紫薯蓣样品，匀浆，置于微波萃取仪专用三颈烧瓶中，以水作为溶剂，根据不同的料液比（紫薯蓣∶水）加入相应的体积，于微波萃取仪上加热，设置好相应的加热时间、加热温度、微波功率进行提取得浸提液，过滤，定容至100mL。准确吸取1mL样品溶液，精密加入10mL无水乙醇，冷藏1h，取出离心（4000r/min）20min，弃去上清液，沉淀加适量热水溶解，转移至10mL容量瓶中，冷却，然后加入1mL 5%苯酚及5mL浓硫酸，混匀，静置20min，蒸馏水定容至10mL，在波长490nm处用紫外分光光度计测定其吸光值，并带入标准曲线方程求出不同浸提液中多糖的含量。

1.2.2 紫薯蓣多糖的含量测定 计算方法如下所示：

式中，w：多糖含量，%；C：多糖浓度，mg/mL；V：稀释体积，mL；N：稀释倍数；M：紫薯蓣质量，g。

1.2.3 紫薯蓣多糖提取单因素实验 在其他条件恒定不变时，分别考察提取温度、提取时间、料液比、微波功率等主要影响因素对多糖提取效果的影响，具体单因素实验设计见表1。

1.2.4 BBD响应面实验设计 采用Design-Expert软件中的Box-Benhnken进行实验设计[14]，综合单因素影响实验结果，选取提取温度、提取时间、料液比、微波功率四个对多糖微波提取效果影响显著的因素，分别以A、B、C和D为代表，每个自变量的低、中、高实验水平分别以-1、0、1进行编码。以多糖的提取含量（Y）为响应值，对紫薯蓣中多糖的提取方法进行四因素三水平的响应面分析方法，利用Design-Expert 8.0.6软件进行数据处理和回归分析。具体的实验因素与水平设计见表2。

表2 BBD响应面因素水平表Table.2 Independent variables and their levels for Box-Behnken design

2 结果与分析

2.1 标准曲线绘制

将上述已处理的葡萄糖标准储备液，在490nm处测定其吸光值，按1.2.1中的分析条件进行测定，以葡萄糖浓度C为横坐标，吸光度A为纵坐标，进行线性回归，得回归方程：A=30.105+0.0182C，其相关系数为R=0.9999。

图1 葡萄糖标准曲线Fig.1 Standard curve for glucose concentration determination

2.2 单因素实验结果

2.2.1 提取温度对多糖提取效果的影响 保持其他实验条件恒定不变，改变微波提取温度，考察温度对多糖提取效果的影响。实验结果如图2所示，结果表明在50～90℃内，随着提取温度的升高，紫薯蓣多糖含量也随之升高，90℃时多糖含量达到最高，超过90℃后多糖的含量开始降低，这可能是因为温度过低，多糖不能有效地溶出；而温度太高，部分紫薯蓣多糖降解为单糖，提取出的多糖含量减少。因此选择90℃为最适温度。

2.2.2 提取时间对多糖提取效果的影响 图3是通过改变提取时间考察其对多糖提取效果的影响，由图3可知，在5～30min内，随着提取时间的延长，多糖含量逐渐增加，但是继续延长提取时间，多糖的提取含量反而下降，这是因为部分紫薯蓣多糖降解为单糖。同时，为了减少时间和人力资源得到较丰富的可供分析实验数据，故选择30min作为最适宜的提取时间。

图2 提取温度对多糖提取效果的影响Fig.2 Effects of different extraction temperature on the extraction result of polysaccharide

图3 提取时间对多糖提取效果的影响Fig.3 Effects of extraction time on the extraction result of polysaccharide

2.2.3 料液比对多糖提取效果的影响 由图4可知，料液比在1∶10～1∶30（g∶mL）内，随着浸提液体积的增加，紫薯蓣多糖含量逐渐增加，在1∶30（g∶mL）时多糖含量达到最高。但是，继续增加浸提液用量，多糖含量缓慢下降。这是因为料液比太低时，在短时间内多糖浸取就达到平衡，不利于多糖的进一步浸出。浸提液体积过大，加热时间过长，导致部分多糖降解。同时，料液比过大，不利于下一步的浓缩分离。因此，选择1∶30（g∶mL）作为最佳料液比。

图4 料液比对多糖提取效果的影响Fig.4 Effects of solid-solvent ratio on the extraction result of polysaccharide

2.2.4 微波功率对多糖提取效果的影响 由图5可知，微波功率在100～900W内，随着微波提取功率的增加，多糖含量呈逐渐上升的趋势，在900W时多糖含量达到最高。但是，继续增加微波提取功率，其含量增加呈缓慢下降的趋势，这是由于微波功率过大易造成温度过高使部分多糖分解，进而降低多糖的提取含量。

2.3 响应面分析法优化工艺条件

图5 微波功率对多糖提取效果的影响Fig.5 Effects of microwave power on the extraction result of polysaccharide

采用Design-Expert软件中的BBD响应面进行实验设计考察，本次实验共有29个实验点，分为两类：其一是析因点，自变量取值在各因素所构成的三维顶点，共有24个析因点；其二是零点，为区域的中心点，零点实验重复5次，以含量多糖为响应值详见表3。

应用Design-Expert 8.0.6软件对表3中的数据进行二次回归方程拟合，得到提取温度（A）、提取时间（B）、料液比（C）、微波功率（D）、与多糖含量之间的二次多项回归方程：

Y=2.52+0.24A+0.014B-0.090C-0.056D-0.059AB+ 0.029AC-0.043AD+7.250×10-3BC-0.077BD-0.092CD-0.056A2-2.650×10-3B2-0.049C2-0.16D2

对上述回归模型进行显著性检验，结果见表4。

由表4可知，模型的p＜0.01，表明回归模型极显著，可以用模型分析、预测紫薯蓣多糖提取方法结果；回归方程中各自变量对指标（响应值）影响的显著性，由F检验来判定，概率p的值越小，则相应变量的显著程度越高。由表中可以看出，C对紫薯蓣多糖含量有着显著影响，A、A2、B2、C2、D2对紫薯蓣多糖含量的影响达到极显著水平。各因素对紫薯蓣多糖含量的影响次序为：A＞C＞B＞D，即加热温度＞料液比＞加热时间＞微波功率。此外，从方差分析结果可知，R2=0.9023，表明该模型与实验拟合较好。提取温度、料液比、提取时间、微波功率之间的交互作用见图6～图11。

通过软件分析，得到紫薯蓣多糖提取的最佳条件为：提取温度90℃、提取时间：30.75min，料液比1∶28.44（g∶mL）、微波功率为880.63W，在此条件下，紫薯蓣多糖含量的预测值为2.84%。考虑到实际操作的便利，将提取参数修正为：提取温度90℃、料液比1∶30（g∶mL）、提取时间30min，微波功率为900W。

表3 微波提取多糖BBD响应面实验设计及结果Table.3 Box-Behnken design and results of response surface design

图6 提取温度与提取时间对多糖含量影响的响应面图Fig.6 Response surface plots of the contents of polysaccharide showing the effect of extraction temperature and extraction time

2.4 最优条件下紫薯蓣多糖的提取

表4 回归模型方差分析Table.4 Analysis of variance of the quadratic polynomial model

图7 料液比和提取温度对多糖含量影响的响应面图Fig.7 Response surface plots of the contents of polysaccharide showing the effect of solid-solvent ratio extraction temperature

图8 微波功率与提取温度对多糖含量影响的响应面图

Fig.8 Response surface plots of the contents of polysaccharide showing the effect of microwave power and extraction temperature

为检验响应曲面法所得结果的可靠性，根据响应面分析所得最优条件，按照1.2.1的方法，平行制作3份样品，分别测定吸光度A，并计算其多糖含量及多糖平均含量，见表5。在修正条件下，实验提取得到的紫薯蓣多糖平均含量为2.852%，与理论预测值相比，其相对误差小于l%。因此，响应曲面法所得的优化提取方法参数准确可靠，具有实用价值。

图9 料液比与提取时间对多糖含量影响的响应面图Fig.9 Response surface plots of the contents of polysaccharide showing the effect of solid-solvent ratio and extraction time

图10 微波功率与提取时间对多糖含量影响的响应面图Fig.10 Response surface plots of the contents of polysaccharide showing the effect of microwave power and extraction time

图11 微波功率与料液比对多糖含量影响的响应面图Fig.11 Response surface plots of the contents of polysaccharideshowing the effect of microwave power and solid-solvent ratio

表5 验证实验结果Table.5 The contents of polysaccharide extracted from purple yam by using optimum ultrasonic-assisted extraction

3 结论

通过单因素实验优化紫薯蓣多糖的提取条件范围，根据Box-Behnken设计法进行实验设计并分析处理数据，最终通过响应面分析得出最佳的多糖提取工艺条件为：提取温度90℃、料液比1∶30（g∶mL）、提取时间30min，微波功率为900W，在此条件下，紫薯蓣多糖的平均含量为2.852%，与预测值相比，相对误差为0.42%，小于1%。因此，可确定此法得到的优化提取工艺参数准确、可靠，得到的多糖提取条件具有实际应用价值。同时，采用简单、快速的硫酸-苯酚比色法测总糖含量，该法灵敏度较高、重现性好，而且无需贵重仪器和多糖纯品。

[1]Undie A S，Akubue P I.Pharmacological evaluation of Dioscorea dumetorum tuber used in traditional antidiabetic therapy[J].Journal of Ethnopharmacology，1986，15：133-144.

[2]Araghiniknam M，Chung S，Nelson-White，et al.Antioxidant activity of dioscorea and dehydroepiandrosterone（DHEA）in older humans[J].Life Science，1996，59：147-157.

[3]Tewtrakul S，Itharat A.Anti-allergic substances from the rhizomes of Dioscorea membranacea[J].Bioorganic Medicinal Chemistry，2006，14（24）：8707-8711.

[4]李娜，杨晓杰，李旭业，等.植物多糖提取技术研究[J].高师理科学刊，2012，32（2）：86-89.

[5]傅荣杰，冯怡.微波萃取技术在中药及天然产物提取中的应用[J].中国中药杂志，2003，28（9）：804-807.

[6]许海燕，杨义芳，黄春跃.微波提取黄芪中多糖的工艺研究[J].中草药，2008，39（10）：1496-1499.

[7]刘桓宇，袁金田，孙国峰，等.微波法提取龙胆多糖的工艺研究[J].中药材，2007，30（12）：1605-1607.

[8]陈金娥，李成义，张海容.微波法与传统工艺提取枸杞多糖的比较研究[J].中成药，2006，28（4）：573-576.

[9]刘青梅，杨性民，邓红霞，等.采用微波技术提取紫菜多糖的工艺研究[J].农业工程学报，2005，21（2）：153-156.

[10]幕运动.响应面方法及其在食品工业中的应用[J].郑州工程学院学报，2001，22（3）：91-94.

[11]J Guan.Selected functional properties of extruded starch Acetate and natural fibers foams[J].Cereal Chemistry，2004，81：199-206.

[12]A Kramar，S Turk.Statistical optimization of diclofenac sustained release pellets coated with polymethacrylic films[J].Int J Pharm，2003，256（1-2）：43-52.

[13]Annadurai G，Sheeja R Y.Use of Box-Behken design of experiments for the dasorption of verofix-red using Biopolymer [J].Bioprocess Eng，1998，18：463-466.

[14]Liu Q M，Yang X M，Zhang L，et al.Optimization of ultrasonic-assisted extraction of chlorogenic acid from Folium eucommiae and evaluation of its antioxidant activity[J].Journal of Medicinal Plants Research，2010，4（23）：2503-2511.

Study on optimization of microwave-assisted extraction method of polysaccharides from purple yam

WANG Ze-feng，SHI Ling，SU Yi-lan，MIN Yong*
（Department of Chemistry，Honghe University，Mengzi 661199，China）

In order to optimize the extraction method of polysaccharides from purple yam by microwave-assisted extraction.Based on single-factor experiments，extraction time，extraction temperature，solid-solvent ratio and microwave power were selected as influencing factors and the content of polysaccharides as response during extraction.The experiment method was designed according to Box-Behnken central composite experiment，which studied each variable and their interactions effects on the contents of polysaccharide.The quadratic multinomial model on the contents of polysaccharide and each factor was established by using the Design-Expert software.The optimum reactive condition of extracting process was determined by means of response surface method.The results showed that the optimum ultrasonic conditions for polysaccharide were extraction temperature 90℃，extraction time 30min，solid-solvent ratio 1∶30（g∶mL）microwave power 900W，under which the highest extraction rate of polysaccharides reached with verified value being of 2.852%and the relative error was 0.42%which compared to the predictive value being of 2.84%.

purple yam；polysaccharide；response surface method；microwave assisted extraction

TS201.1

B

1002-0306（2014）04-0256-05

2013－07－04 *通讯联系人

王泽锋（1984-），男，硕士研究生，助教，研究方向：天然产物与食品开发。

云南省科技厅应用基础研究项目（2013FZ120）。