超声波辅助提取长梗黄精多糖工艺的研究

骆文灿

(福建省食品药品认证审评中心，福建　福州　350002)

超声波辅助提取长梗黄精多糖工艺的研究

骆文灿

(福建省食品药品认证审评中心，福建福州350002)

摘要：以梅列产的长梗黄精为原料，研究液料比、提取温度、超声波功率和超声波时间等因素对超声波辅助提取长梗黄精多糖得率的影响规律，经优化确定超声波提取长梗黄精多糖的最佳工艺。由单因素试验结果确定液料比、提取温度、超声波作用功率和超声波处理时间各因素的优化参数，采用DPS 9.05和 Design Expert7.0数据分析软件，建立响应面模型进行结果分析，通过响应面法分析结果获得各因素与长梗黄精多糖得率的交互关系，从而确定超声波提取长梗黄精多糖的最佳工艺条件。结果显示长梗黄精多糖优化后的提取工艺为：液料比18:1，超声波处理时间59.7 min，浸提的温度72.9℃，超声波作用功率152.8 W，所得的长梗黄精多糖的得率理论值16.65%。经响应面模型验证，实际得率为16.59%，表明该模型可靠。

关键词：长梗黄精；多糖；超声波辅助提取

黄精Polygonatumsibiricum名老虎姜、鸡头参。系百合科Liliaceae黄精属Polygonatum多年生草本植物[1]。福建、浙江、云南为其主要产区。从中医学来看，黄精可有效提高人体的免疫力。《本草纲目》称之为“芝草之精”，是一种药食同源性的中草药。

实验结果显示，黄精根茎中包括黄精多糖、蒽醌类化合物、甾体皂苷、强心苷、生物碱、木脂素、维生素等化合物。《福建植物志》中介绍，黄精可归纳为3个品种[2]，主要分布在福建省三明市梅列区。其中，长梗黄精的产量位列第2，仅次于多花黄精，但是国内外对于长梗黄精的研究较少。

植物多糖由于它丰富且独特的生物活性和复杂的物理化学结构，在传统中药中，其已被广泛用于治疗及预防某些疾病，对于保持健康，提高整体免疫状态，以及预防和治疗慢性疾病有着独特疗效[3]，具有免疫调节[4]、抗肿瘤[4]、降血糖[5]、抗病毒、抗血脂、抗衰老等作用。因此，植物多糖已成为食品科学和生物化学的一个研究热点。植物多糖的提取方法主要包括溶剂提取法、酸提法、碱提法、酶解法、超滤法、超声波辅助提取法、微波提取法等。其中，超声波法提取多糖有较多的优点，可以缩短提取时间，提高工作效率，节省溶剂，提高有效成分的产率等特点[6]。另外，超声提取一般是在常温条件下进行，提取全过程无须加热，避免了高温对有效成分的破坏[7]。因此，本研究采用超声波辅助提取法提取长梗黄精多糖，以料液比、超声时间，超声功率，提取温度为指标，研究制备长梗黄精多糖的最佳工艺。

1材料与方法

1.1 材料与试剂

长梗黄精：产自福建省三明市梅列区；苯酚、浓硫酸、95%乙醇、石油醚：均为分析纯试剂，国药集团化学试剂有限公司； 其他试剂若无特别标明均为分析纯；本试验用水均为双蒸水。

1.2主要仪器

101A-1型数显电热鼓风干燥箱：上海阳光实验仪器有限公司；FZ102植物粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司； AL104型精密分析天平：梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；L530型台式低速离心机：湘仪离心机仪器有限公司；UV-2000型紫外可见分光光度计：尤尼柯(上海)仪器有限公司；KQ-300VDE型三频数控超声波清洗器：昆山市超声波仪器有限公司；卤素快速水分测定仪：深圳市冠亚电子科技有限公司；LG 1.0型真空冷冻干燥机：新阳速冻设备制造有限公司；试验标准筛：上虞市银河测试仪器厂。

1.3试验方法

1.3.1长梗黄精样品的制备长梗黄精→筛选→清洗→切片→粉碎→长梗黄精粉末(经测定水分含量< 3%)。

1.3.2长梗黄精多糖的提取工艺流程长梗黄精粉 → 加入至圆底烧瓶 → 加入石油醚(1∶20) → 回流浸提(60℃，0.5 h) → 纱布过滤 → 得到滤渣 → 95%乙醇(1∶20)→ 回流(70℃，1 h)→ 风干 → 得到样品[8]。

称取样品1 g → 加入一定比例的蒸馏水于一定的温度和超声波功率下进行浸提 → 离心(4 000 r·min-1， 20 min)→ 取上清液 → 过滤 → 滤液 → 70%乙醇(3倍体积)→ 离心(同上)→ 沉淀 → 蒸馏水定容至100 mL → 取5 mL→ 定容至250 mL → 490 nm测吸光度。

1.3.3多糖含量的测定以葡萄糖为标样测定长梗黄精多糖，采用硫酸-苯酚比色法[9]。

长梗黄精中多糖含量=[(X×V)/(M×103)]×100%

式中：M为所取长梗黄精粉末的重量(g)；V为稀释的体积(mL)；X为样液的浓度(mg·mL-1)。

1.3.4单因素试验考察液料比(10∶1、15∶1、25∶1、35∶1、45∶1)、提取温度(40、50、60、70、80℃)、超声波功率(120、150、180、210、240 W)、超声波时间(20、40、60、80、100 min)等4个单因素对长梗黄精多糖得率的影响。

1.3.5响应面法优化工艺条件及统计分析单因素试验结果 → Box-Behnken中心组合试验设计 → 指标为多糖得率Y(%) → 四因素三水平响应面分析 → 优化提取工艺参数(27个试验点，24个分析引子，3个零点)→ 零点(3次) → 估计误差。

试验因素及水平表见表1。结果通过Design Expert 7.0软件计算响应面模型，对其结果进行统计分析。

表1　Box-Behnken设计试验因素水平及编码

2结果与分析

2.1各因素对长梗黄精多糖得率的影响

2.1.1液料比对长梗黄精多糖得率的影响由图1所示，在液料比处于较低水平时，长梗黄精多糖得率随溶液和物料的比例的增大而升高，但当液料比大于15∶1时，提取率下降。干燥后的长梗黄精粉末，吸水性很强，便于样品粉末的溶胀，而后溶解多糖[10]。当加水量不断加大，多糖从细胞中扩散出来，多糖含量也在不断加大，逐渐形成液固两相间溶解平衡和吸附平衡。但水量增多会增加超声波破碎细胞的阻力，降低多糖的得率，因此，确定溶液和物料的比例为15∶1为适当的液料比例。

2.1.2超声波时间对长梗黄精多糖得率的影响由图2可知，在所设定的初始时间范围内，随作用时间的增加致使多糖得率明显增加，多糖提取率在处理时间为60 min时到达峰值，但当时间继续增加时，多糖得率反而降低。此现象可能是因为此种辅助提取法主要通过破坏细胞壁和细胞膜的结构，促使细胞内的内容物向细胞外渗出[11]，在20～60 min，细胞内和细胞外的内容物含量逐渐上升，在60 min基本达到动态平衡，再加大超声波作用时间，长时间的超声波剪切处理，将造成多糖的糖苷键断开，导致多糖提取率的下降[12]。因此，超声波时间60 min为合适的提取时间。

2.1.3提取温度对长梗黄精多糖得率的影响由图3可知，在所设定的温度范围内，较低温度时，随浸提的温度不断增加，多糖得率显著加大；多糖提取率在60℃达到峰值，但当温度不断上升时，多糖得率反而降低。这是由于温度过高，水分蒸发加快，减少了液料之间的有效接触面，从而造成提取率下降。所以，确定60℃为适宜的浸提温度条件。

2.1.4超声波功率对长梗黄精多糖浸提效果的影响由图4可知，在所设定的功率范围内，较低功率时，功率数值不断增加，超声波作用力也在不断增强，细胞壁破碎更为明显，导致细胞内容物很快溶出至细胞外，得率不断增加，当功率数值达到150 W以上，随着功率的加大，多糖得率有所降低。此现象是因为功率过大，可能造成多糖中的一部分出现不同程度的降解引起多糖得率的下降[13]。因此，确定超声波功率150 W为适当的浸提功率。

2.2响应面法优化试验

2.2.1模型的建立及显著性检验表2中的试验结果通过数据分析软件进行多元回归拟合，获得长梗黄精多糖得率Y(% )和超声波功率(X1)、超声波时间(X2)、液料比(X3)、提取温度(X4)相互关系的二次回归方程(模型)：

由表3、表4显示方程中各因素的相关性。一次项中X1不显著，X2、X3、X4为极显著因素，从各因素交互作用的显著性来看，X1与X3、X2与X3、X3与X4极显著，其余不显著。从而说明，各因素的交互作用与响应值之间存在较大关系。方差分析显示，回归方程的相关系数R2为95.4 %，失拟项为0.057，说明失拟检验结果不显著，回归方程的拟合度好，反映了超声波功率、超声波时间、液料比、提取温度在实际生产中对多糖得率的影响，可用来对实际生产进行预测。

表2　Box-Beknhen试验设计与结果

2.2.2响应面分析与优化根据回归模型分析，用数据分析软件作交互作用显著的双因素响应面及等高线图，见图5～7。结果所示，液料比与超声时间、液料比与提取温度、液料比与超声功率的交互作用极显著，将显著影响长梗黄精多糖提取率。以单因素实验结果为基础，应用Matlab数据分析软件，最终获得长梗黄精多糖的最佳提取工艺参数为：超声功率152.8 W，超声时间59.7 min，液料比18∶1，浸提温度72.9℃，代入方程得出Y值(长梗黄精多糖得率)为16.65%，此值为理论值。为了验证拟合的回归方程是否可应用于实际生产操作，最佳工艺参数根据实际生产条件更正为：超声功率150 W，超声时间60 min，液料比18∶1，浸提温度73℃，进一步验证多糖的提取工艺，重复试验条件3次，得到长梗黄精多糖得率的实际值分别为16.58%、16.57% 及16.62 %，其平均值为16.59%。综上所述，实际试验结果和回归模

表3　回归系数方差分析结果

注：**为极显著P<0.01，*为显著P<0.05。

表4　二次响应面方差分析

3讨论与结论

本研究采用超声波辅助进行长梗黄精多糖提取工艺的研究，通过响应面法对提取工艺进行优化实验，根据数据分析软件对所设计的实验进行回归分析，最终确定各因素对长梗黄精多糖得率的影响，预测模型和实际试验结果相符合，获得超声波辅助提取长梗黄精多糖的最佳工艺条件为：超声功率150 W，超声时间60 min，液料比18∶1，浸提温度73℃；验证试验结果表明，长梗黄精多糖的实际得率为16.59%。

本团队的前期研究表明，热水浸提法提长梗黄精多糖的最佳工艺条件为：提取温度70℃，液料比18∶1，提取时间2 h·次-1，提取次数3次，多糖的得率为12.46%。相比之下，超声波辅助水提提取长梗黄精多糖有如下优点：提取时间显著减少，提取温度得到降低，液料比减少，提取次数减少，多糖的得率得到提高。因此，超声波法以快速、节能、提取率高等优势，此方法应用前景广阔，可作为长梗黄精多糖良好的提取方法。

参考文献：

[1]中华人民共和国药典 [M]．北京：化学工业出版社，2015.

[2]中国科学院中国植物志编辑委员会．中国植物志[M]．北京：科学出版社，2006，620.

[3]UMA C, SUGANYA N, VANITHA P, et al. Antihyper-glycemic effect of Codariocalyx motorius modulated carbohydrate metabolic enzyme activities in streptozotocin-induced diabetic rats[J]. Journal of Functional Foods, 2014, 11: 517-527.

[4]OHTA T, KUSANO K, IDO A, et al. Silkrose: A novel acidic polysaccharide from the silkmoth that can stimulate the innate immune response[J]. Carbohydrate polymers, 2016, 136: 995-1001.

[5]HAN Y, WU J, LIU T, et al. Separation, characterization and anticancer activities of a sulfated polysaccharide from Undaria pinnatifida[J]. International journal of biological macromolecules, 2016, 83: 42-49.

[6]侯双菊,林超群,鲁坚,等.黄精多糖提取工艺的试验研究[J].安徽化工,2006(4):20-22.

[7]CHEN C, YOU L J, ABBASI A M, et al. Optimization for ultrasound extraction of polysaccharides from mulberry fruits with antioxidant and hyperglycemic activity in vitro[J]. Carbohydrate Polymers, 2015, 130: 122-132.

[8]刘艳杰,项荣武.星点设计效应面法在药学试验设计中的应用[J].中国现代应用药学杂志,2007,24(6):455-457.

[9]陈钢,陈红兰,苏伟,等.响应面分析法优化黄精多糖提取工艺参数[J].食品科学,2007,(7):98-201.

[10]MIMAKI Y,TADAAKI SATOU,MINPEI KURODA,et al.New steroidal constituents from the bulbs of lilium candidum[J].Chem.Pharm Bull,1998,46(11):1829-1832.

[11]郭孝武.超声提取分离[M].北京,化学工业出版社，202-210.

[12]陶涛,李立祥,张芳,等.超声波协同纤维素酶对黄精多糖和皂苷的提取研究[J].食品工业科技,2012,(9):271-275.

[13]高峰于,亚莉,刘静波,等.超声波提取北冬虫夏草多糖的工艺[J].食品研究与开发,2010,31(6):107-110.

(责任编辑：柯文辉)

Ultrasound-assisted Extraction of Polysaccharides fromPolygonatumFilipes

LUO Wen-can

(FoodandDrugCertificationCenter，Fuzhou,Fujian350002，China)

Abstract：Effect of various factors in an ultrasound-assisted process on the polysaccharide extraction from Polygonatum filipes were studied for the technology optimization. The liquid/material ratio, temperature, as well as power and duration of ultrasonic application for the process were scrutinized. A quadratic regression rotational combinational design and the Design Expert 7.0 analytical procedures were applied to establish a regression model for projecting the maximal extraction yield under optimized conditions. Theoretically, the optimized process included the application of a liquid/material ratio of 17.81 mL/1 g at 72.97℃ with a 152.85 W ultrasonic treatment for 59.74 min to reach 16.6471% yield on polysaccharides. In a triplicated test run, an averaged polysaccharide yield of 16.59% was obtained with a liquid/material ratio of 18 mL/1 g at 73℃ with a 150 W ultrasonic treatment for 60 min. The result showed that the mathematic model was accurate in predicting the performance of the extraction process.

Key words：Polygonatum filipes; polysaccharides; ultrasound-assisted extraction

收稿日期：2016-01-05初稿；2016-03-17修改稿

作者简介：骆文灿(1983-)，男，硕士，工程师，研究方向：食品加工与营养(E-mail:89170373@qq.com)

中图分类号：TS 201.4

文献标识码：A

文章编号：1008-0384(2016)04-431-06

骆文灿.超声波辅助提取长梗黄精多糖工艺的研究[J].福建农业学报，2016，31(4)：431-436.

LUO W-C.Ultrasound-assisted Extraction of Polysaccharides fromPolygonatumFilipes[J].FujianJournalofAgriculturalSciences，2016，31(4)：431-436.