超声波辅助提取洋葱多糖工艺研究

闫生辉，高玉红

（郑州职业技术学院 郑州 450121）

洋葱（Allium cepa L.）属百合科（Liliaceae）葱属（Allium）草本植物,在我国广泛种植[1]。其含有丰富的营养物质，主要有硫化合物、多糖、类黄酮、苯丙素酚类、甾体皂苷和前列腺素类等化学成分,具有消炎抑菌活血化淤、降血糖、防癌抗癌以及预防心血管疾病等功效，因而被誉为“菜中皇后”[2-5]。

随着分子生物学和医药学研究的发展，人们陆续发现不同来源的多糖具有广泛的药理活性，它不仅可以作为广谱免疫促进剂调节机体免疫功能，还可以在抗肿瘤、抗病毒、抗氧化、降血糖、抗辐射等方面发挥广泛的药理作用，因而成为当今生命科学研究的热点之一[6-8]。传统提取多糖的方法为水提醇降法[9]，但是此种方法存在提取时间长、提取效率低等缺点。为了提高多糖的提取效率，在此方法的基础上发展了酸提取法[10]、碱提取法[11]，虽然提高了多糖的获得率，但是酸碱会使多糖进行一定的分解，也存在着不足之处。根据已有的研究结果可知[12]，影响多糖提取得率的主要因素有：温度、时间、液料比等。本文将超声波技术应用于洋葱多糖的提取工艺，以期找到最佳的提取工艺，为洋葱中多糖的提取利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

洋葱‘红叶三号’由河南省农业科学院提供。超声波提取机（KB-50），购自北京林子大科技有限公司。

1.2 方法

将一定量干燥、粉碎的洋葱粉末放入试验条件下的温水中，进行超声波提取3次，将提取液进行减压浓缩，加入95%乙醇使溶液中的多糖沉淀，进行高速离心得到沉淀，用丙酮洗涤5次，冷冻干燥得到多糖。首先分析超声波提取时间、超声波功率、提取温度和液料比等单因素对洋葱多糖提取时的影响，确定主要自变量为液料比（X1）、超声波功率（X2）和提取温度（X3），进而采用响应面法进行分析。以-1、0、+1分别代表3个主要自变量的低、中、高水平，以洋葱多糖提取率为目标函数，采用Box-Behnken Design（BBD）进行提取工艺优化设计，通过对拟合得到的二次多项式方程进行计算，从而得到洋葱多糖提取率最大时的提取工艺条件[13]。洋葱中多糖含量的测定采用苯酚-硫酸法[14]。响应曲面因素与水平的确定如表1所示。

表1 响应曲面因素与水平

2 结果与分析

2.1 单因素条件分析

2.1.1 超声波时间对洋葱多糖提取率的影响 分别将预处理好的液料比为15∶1的样品置于70℃的水浴中，在功率为400 W的超声波下分别提取30、40、50、60、70 min，考察不同提取时间下洋葱多糖的提取率，结果如图1所示。

图1 提取时间对洋葱多糖提取率的影响

由图1可知，在其他条件不变的情况下，洋葱多糖的提取率随着时间的延长是逐渐提高的，但是50 min以后多糖的提取率随着时间的延长几乎没有明显的变化。这是因为在提取的初期，多糖在超声波的作用下不断浸出，在50 min时达到平衡，即使时间再延长，提取率也不会有显著的变化。因此在进一步优化时固定提取时间为50 min。

2.1.2 液料比对洋葱多糖提取率的影响 分别配置液料比为 10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1 的样品 5份，置于70℃的水浴中，在400 W的超声波下提取50 min，考察不同液料比下洋葱多糖的提取率，结果如图2所示。

图2 液料比对洋葱多糖提取率的影响

由图2可知，在上述条件下，随着液料比的增大，多糖提取率逐渐上升，当达到15∶1左右时，增加液料比对多糖提取率影响很小，这可能是因为随着液料比的增加，在超声波的作用下洋葱多糖的溢出量逐渐增加，到达一定浓度时，溶液中多糖分子的数目也达到饱和状态，即使增加液料比，多糖的提取率也不会再有大的提升。

2.1.3 提取温度对洋葱多糖提取率的影响 分别将预处理好的液料比为15∶1的样品置于50、60、70、80、90℃的水浴中，进行充分的溶解。在400 W的超声波下提取50 min，考察在不同温度下对洋葱多糖提取率的影响，结果如图3所示。

图3 提取温度对洋葱多糖提取率的影响

由图3可知，在上述条件下提取洋葱多糖时，随着温度的升高，多糖的提取率是逐渐提高的，当到达70℃左右时，提取率到最大值。随后随着温度的升高，多糖的提取率会明显的下降。产生这种现象的原因可能是随着温度的升高，洋葱内部的多糖分子动能逐渐增大，溢出的多糖分子数目就明显增多。当温度过高时，由于多糖分子的热稳定性差，又会不断的分解，从而引起多糖提取率的降低。因而最佳提取温度设置在70℃左右。

2.1.4 超声波功率对洋葱多糖提取率的影响 将预处理好的液料比为15∶1的样品置于70℃的水浴中，进行充分的溶解。分别在功率为200、300、400、500、600 W的超声波下提取50 min，考察不同超声波功率对洋葱多糖提取率的影响，结果如图4所示。

图4 超声波功率对洋葱多糖提取率的影响

由图4可知，在上述条件下提取洋葱多糖时，随着超声波功率的增大，多糖提取率先升高，后降低，在功率为400 W左右时提取率最大。这可能是因为随着超声波功率的增大，洋葱分子间的距离逐渐变大，多糖分子的动能逐渐变大，更利于多糖分子溢出。当超声波功率过大时，作用于多糖分子上的能量也过大，从而导致多糖分子不断的降解，影响了多糖的提取率。因此最佳超声波功率确定为400 W左右。

2.2 响应面试验结果

根据单因素试验结果，结合BBD的中心组合试验设计原理，取预处理好的样品17份，在提取时间为 50 min 时，选取液料比（X1）、提取温度（X2）和超声波功率（X3）等3个因素作为影响洋葱多糖提取率相对重要的条件，采用响应面分析方法对提取工艺参数进行优化。响应面分析及试验结果见表2、3。

由表3可知，由试验结果所得到的模型的F值为17.13，P值为0.0005，表示该模型显著。由表2试验数据拟合得到的回归方程为：R1=-134.2365+0.32402X1+3.79465X2+0.11043X3-（1.5E-4）X1X2+（1.3E-4）X1X2-（5.5E-4）X2X3-（2.8225E-3）X12-0.03189X22-（9.9975E-5）X32。方程中的 R2为0.9673表示该方程具有良好的拟合度，可以准确的预测试验结果。方程的失拟度值为0.43，表示该方程失拟度并不显著，能够通过该模型优化洋葱中多糖的提取工艺条件。对于不同的影响因素进行响应面分析得到RSM图形如图5、6、7所示。该图形直观地反映出各个影响因素之间的相互关系。由图5、6、7可知超声波功率和提取温度对多糖提取率的影响最为显著，其交互项对试验结果的影响也最大。而液料比对多糖的提取率影响最小，这和响应曲面的方差分析结果一致。由响应面法得到的最优提取工艺为：提取温度为71.5℃，液料比为16.2∶1，提取时超声波功率为403.5 W，此时洋葱多糖提取率理论上最大值为5.25%。

表2 响应曲面试验以及响应值

表3 响应曲面方差分析表

2.3 最优提取工艺的验证

根据实际试验操作条件，将洋葱多糖提取工艺条件修正为：在提取时间为50 min时，提取温度为71℃，液料比为16∶1，提取时超声波功率400 W。洋葱多糖提取率为5.13%，相对于预测值5.25%比较接近，结果较为理想。比传统的水提法[15]得到的洋葱多糖提取率提高了19.1%。

图5 液料比和提取温度交互作用对洋葱多糖提取率的影响

图6 超声波功率和提取温度交互作用对洋葱多糖提取率的影响

图7 超声波功率和液料比交互作用对洋葱多糖提取率的影响

3 结论

笔者采用响应面法优化了超声波辅助提取洋葱多糖的工艺，得到的最佳提取工艺条件为：在提取时间为50 min时，提取温度为71℃，液料比为16∶1，提取时超声波功率400 W。洋葱多糖提取率为5.13%。将优化后的试验条件与传统的水提法相比，不但提高了洋葱多糖提取的效率，而且多糖的得率也增加了19.1%。该研究成果为洋葱多糖方面的进一步利用提供了一定的理论基础。