响应面法优化牛蒡菊糖超声波提取工艺

万国福++张兰

摘要：以牛蒡为原料，研究影响超声波提取的因素，包括液料比、作用时间、间歇时间、功率、温度、浸提次数6个因素。通过PB试验和最陡爬坡试验，找出影响牛蒡菊糖提取率的最重要因素，即液料比、超声时间和功率，并确定 Box-Behnken 试验的因素和水平。对Box-Behnken试验结果进行统计分析，在模型预测的最佳条件下，即液料比、温度、超声功率分别为：14.39 mL ∶1 g、76.73 ℃、600 W；作用时间、间歇时间、提取次数为：10 min、2 s、1次，所得牛蒡菊糖的提取率为16.89%，与预测值的提取率17.053 5%比较接近，证明该模型对优化牛蒡菊糖的提取工艺可行。

关键词：牛蒡菊糖；超声提取；响应面；优化；提取工艺

中图分类号： TS201.1文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0346-03

菊糖（inulin）是呋喃构型D-果糖经β-（2，1）-糖苷键脱水聚合而成果聚糖的混合物，聚合度一般为2～60，分子量在3 500～5 500之间[1]，为水溶性膳食纤维，具有柔滑凝胶特性，可作为食品与营养增补剂，广泛应用于食品、药品和保健品中[2]。富含菊糖的目标物及其分离提取技术引起了人们极大的关注。

采用传统热水浸提方法提取菊糖存在能耗高、提取率低，细胞内释放困难等缺点。超声波法具有分散破坏植物组织、加速溶剂穿透组织作用、解聚大分子、缩短浸提时间、无物料损失、无副反应、提高菊糖提取率等优点。与酶法提取相比，大大缩短提取时间，相比于超高压萃取和超临界CO2萃取，设备简单、安全性高、易于工业化[3]。

本研究以两年生新鲜黄牛蒡为原料，在20～25 kHz频率下，探讨超声波提取的影响因素，包括液料比、作用时间、间歇时间、功率、温度、浸提次数6个因素[4]。通过PB试验和最陡爬坡试验，找出其中最重要因素和确定Box-Behnken试验因素水平。对Box-Behnken试验结果进行统计分析，求得回归方程，并求得模型的极大值，以及最重要因素的两两交互作用。在模型预测的最佳条件下进行平行试验，以验证预测结果[5]。所有试验设计、数据处理及模型建立均采用Design-Expert 8.0 Trial软件进行处理[6]。

1材料与方法

1.1材料、试剂与仪器

两年生新鲜黄牛蒡为原料，产自江苏省徐州市丰县。

仪器：7230G型可见分光光度计，AL204万分之一电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；PC-1000 数显式电热恒温水浴锅，GZX-DH-600 电热恒温干燥箱，上海跃进医疗器械厂；FW100高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；GY92-IIN型超声波细胞粉碎机，浙江省宁波新芝生物科技股份有限公司。

试剂：试剂均为分析纯，水为蒸馏水。

1.2试验方法

1.2.1预处理工艺流程新鲜的黄牛蒡根洗净、100 ℃下灭酶2 min，冷却，采用0.5%柠檬酸+0.7%维生素C+1%NaCl护色，去皮、切片、烘干、粉碎、过60目筛得牛蒡根干粉，置于广口瓶中备用。

1.2.2牛蒡菊糖测定方法和提取率的计算采用改良的苯酚-硫酸法，以果糖为标准样品，以糖浓度（C）为横坐标，以吸光度（D）为纵坐标，绘制标准曲线。测得超声提取的牛蒡菊糖的吸光度，牛蒡菊糖含量=由标准曲线换算得的浓度值×8×100/0.5×100%；牛蒡菊糖提取率=样品中菊糖含量/原料质量×100%[4]。

1.2.3试验设计

1.2.3.1PB试验设计PB试验设计是一种2水平的试验设计方法，用于从众多考察因素中快速筛选出最重要的几个因素，试图以最少的试验次数使影响因素的主效果得到尽可能精确的估计。本试验每个因素取高低2个水平，高水平为低水平的2倍。根据超声波可调参数，选择6个因素，响应值为菊糖提取率。自变量、编码和水平因素见表1。

1.2.3.2最陡爬坡试验根据PB试验结果设计最陡爬坡试验路径，按一定的梯度增加超声波功率和提高提取温度（正效应），并按一定的梯度减少液料比（负效应），其余3个非重要因素均取初始条件（作用时间10 min、间歇时间2 s、提取次数为1次），然后检测牛蒡中菊糖的提取率。

1.2.3.3Box-Behnken试验设计以PB试验确定的3个最显著因素为自变量，根据各因素的效应，以最陡爬坡试验确定的最佳浓度为中心点，设计重要因素的水平及其编码。根据相应的试验表进行试验后，使用Design-Expert 8.0 Trial软件进行处理。

2结果与分析

2.1超声波提取牛蒡菊糖的PB试验结果

PB试验设计结果见表3。采用Design-Expert 8.0 Trial软件对表3中的牛蒡菊糖提取率进行回归分析，得到各影响因子的偏回归系数及显著性结果（表4）。表4表明，液料比、温度和超声功率对响应值的提取率影响显著。其中，液料比和间歇时间对响应值的影响是负效应，超声温度、功率、超声时间、提取次数对响应值的影响均为正效应。

2.2超声波提取牛蒡菊糖中心试验点的确定

2.3超声波提取牛蒡菊糖Box-Behnken试验结果及分析

Box-Behnken试验结果见表6。

试验数据采用Design-Expert 8.0 Trial软件进行回归分析，方差分析结果见表7，回归方程为：

牛蒡菊糖提取率=16.10+0.61A+1.04B+0.97C+041AB-0.22AC-0.040BC-1.34A2-1.56B2-0.23C2。

R2=0.9836，R2Adj=0.962 6，方程回归性显著。模型使用条件为液料比12～16 mL ∶1 g、温度为70～80 ℃、超声功率为500～600 W。

对回归模型进行响应面分析，得到各响应面立体分析结果（图1、图2、图3），对回归方程求解，得到模型的极点值，即液料比、温度、超声功率的最佳水平分别为：14.39 mL ∶1 g、7673 ℃、600 W时，响应值达到最大值，即牛蒡菊糖提取率为17.053 5%

2.4优化结果验证

为验证模型的准确性，在最接近预测最佳提取条件下（即液料比、温度、超声功率分别为：14.4 mL ∶1 g、76.7 ℃、600 W；作用时间、间歇时间、提取次数为：10 min、2 s、1次）平行试验3次，所得牛蒡菊糖的提取率为16.89%，与预测值的提取率17.0535%比较接近，证明该模型能较好地预测给定条件下牛蒡菊糖的实际提取率。

3结果与讨论

已有研究结果表明影响菊糖提取的单因素较多，PB试验从众多因子中筛选出3个最为重要的影响因素，分别为液料比、温度、超声功率，其中温度、超声功率对响应值牛蒡菊糖的提取率呈正效应，而液料比对响应值呈负效应。通过最陡爬坡试验，确定了Box-Behnken试验的中心试验点为液料比14 mL ∶1 g、温度75 ℃、超声功率550 W。

利用Design-Expert 8.0 Trial软件对Box-Behnken试验结果的回归分析，得到R2为0.983 6的回归方程，并得到两两因素交互作用的响应面图形。通过对回归方程求解，得到模型的极点值，即液料比、温度、超声功率的最佳水平分别为：14.39 mL ∶1 g、76.73 ℃、600 W时，响应值达最大值。在此最佳条件下，非重要因子水平分别为：作用时间10 min、间歇时间2 s、提取次数为1次，牛蒡菊糖实际提取率为16.89%。

参考文献：

[1]于纯淼，于栋华，刘晓艳，等. 牛蒡菊糖的研究进展[J]. 食品研究与开发，2010，31（12）：272-275.

[2]熊政委，董全. 菊糖的生理功能和在食品中应用的研究进展[J]. 食品工业科技，2012，33（20）：351-354.

[3]孔涛，吴祥云. 菊芋中菊糖提取及果糖制备研究进展[J]. 食品工业科技，2013，34（18）：375-378，382.

[4]钟丹，张建新，张世恒.超声波提取牛蒡菊糖的工艺研究[J]. 西北农业学报，2008，17（2）：297-300.

[5]张嫚. 响应面法优化蒲菜中膳食纤维的提取工艺[J]. 江苏农业科学，2013，41（2）：233-235.

[6]徐向宏，何明珠.试验设计与Design-Expert、SPSS应用[M]. 北京：科学出版社，2010.马圣洲，赵飞，吴琴燕，等. 真空微波脱除红茶中咖啡碱的工艺研究[J]. 江苏农业科学，2016，44（5）：349-352.