超声波辅助提取蚕蛹多糖工艺的优化

吴海燕，袁秋梅

（1.南通科技职业学院，江苏南通226007；2.南通市农副产品加工技术协会，江苏南通226000）

超声波辅助提取蚕蛹多糖工艺的优化

吴海燕1，2，袁秋梅1

（1.南通科技职业学院，江苏南通226007；2.南通市农副产品加工技术协会，江苏南通226000）

以脱脂蚕蛹粉为原料，通过超声波辅助提取，对蚕蛹多糖的提取工艺进行优化。以超声波提取时间、料液比、超声波功率为影响因素，考察对蚕蛹多糖的提取率的影响。在单因素试验基础上，利用Box-Behenken试验设计原理采用三因素三水平的响应面分析法对超声波辅助提取蚕蛹多糖的工艺条件进一步优化。试验结果表明，超声波辅助提取脱脂蚕蛹多糖的最佳工艺条件为：料液比1∶30（g/mL），功率550W，提取时间65min。在此条件下，提取蚕蛹多糖率达到94.36%。

蚕蛹多糖；超声波提取；多糖提取率；响应面分析；优化

蚕蛹是药食同源的昆虫性资源，具有丰富的营养价值和药用价值，《本草纲目》、《齐民要术》对其药用和营养价值均有记载。蚕蛹也是人类的一种新营养源，是卫生部批准的“作为普通食品管理的食品新资源名单”中唯一的昆虫类食品。蚕蛹多糖是蚕蛹中的重要活性成分之一[1-3]，近年来研究的表明[4-7]，蚕蛹多糖是一种免疫调节剂，具有促进特异性免疫和非特异性免疫功能的作用，具有较好的医药和食品开发潜力。我国是蚕桑大国，蚕蛹资源丰富，但大部分是用作饲料和肥料，其资源利用率和附加值低，研究蚕蛹多糖的提取工艺，对蚕蛹的综合利用，提高附加值；开发具有调节机体免疫力的功能产品具有实现意义。

超声波提取法利用超声波的热效应、空化作用和机械效应来加快胞内有效物质的释放、扩散和溶解[8]。近年来，由于超声波提取具有提取率高、操作方便、提取速度快、活性成分损失少等优点，目前已被广泛应用于动植物等天然原料中有效成分的提取，其中采用超声波辅助提取各种动植物中多糖技术取得了较好成果[9-13]。利用超声波辅助提取蚕蛹多糖，研究提取时间、超声功率、料液比等因素对蚕蛹多糖提取率的影响，在此基础上，根据SAS（statistical analysis system）软件中Box-Behenken试验设计原理采用三因素三水平的试验设计[12-15]，利用响应面分析法（response surface analysis，RSA）对蚕蛹多糖超声提取工艺进行优化，为蚕蛹多糖的综合开发利用及工业化生产提供试验参考。

1材料与方法

1.1材料与仪器

1.1.1材料与试剂

脱脂蚕蛹粉：南通福尔生物制品有限公司提供；葡萄糖、重蒸苯酚、浓硫酸、无水乙醇等试剂均为分析纯：国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2主要仪器设备

TU-1901紫外可见分光光度计：北京通用普析仪器公司；DZF-6020真空干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；VCX 750sonics超声提取仪：美国SONICS& MATERIALS公司。

1.2方法

1.2.1蚕蛹多糖的提取

准确称取5 g脱脂蚕蛹粉至于锥形瓶中，加入一定量的蒸馏水，置于超声波提取仪中，一定功率下提取多糖，过滤，滤液用旋转蒸发器浓缩至一定体积，加入4倍95%乙醇，低温（4℃）静置过夜；醇沉液离心分离（4 000 r/min）10min，沉淀干燥至恒重得蚕蛹粗多糖。

1.2.2蚕蛹多糖含量的测定

苯酚硫酸法是测定多糖的常用方法[17-18]，多糖在浓硫酸作用下水解成单糖并迅速脱水生成糠醛衍生物随后与苯酚结合生成有色化合物。

根据文献[19-21]，导数光谱法测定多糖，能够避免杂质的干扰，可以不进行脱色处理，直接对多糖含量进行定量。采用苯酚-硫酸法导数光谱测定多糖，糖-硫酸-苯酚形成的有色物质的一阶导数光谱在425 nm～525nm间波峰与波谷间距值的定量效果最佳。

精密量取0.1 mg/mL葡萄糖溶液0、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70、0.80mL，分别置于10mL干燥比色管中，加蒸馏水至体积为1.00mL，加入一定浓度的精制苯酚溶液0.50mL，混匀，迅速加入浓H2SO4，放置水浴锅中，一定温度保持一定时间后，迅速冷却至室温。在425 nm～525 nm波长范围内，用TU-1901紫外可见分光光度计扫描葡萄糖的零阶吸收光谱，利用uvwin5.0软件记录葡萄糖一阶导数吸收光谱。以一阶导数光谱中波峰与波谷间距对葡萄糖含量进行直线回归[21]。

将5 g待测样品定容到250mL，取10mL提取液定容到100mL待测定，精密吸取待测液1.00mL置于干燥比色管中，按上述方法绘制零阶和一阶导数吸收光谱。将一阶导数光谱中波峰与波谷间距值代入直线回归曲线，可以求得样品的多糖含量。

1.2.3蚕蛹多糖提取率的测定

式中：M1为提取的多糖质量，mg；M为原料中多糖质量，mg。

2结果与分析

2.1多糖标准曲线

按照1.2.2进行测定，以葡萄糖一阶导数吸收光谱在425 nm～525 nm间的波峰一波谷间距为纵坐标，以葡萄糖的量为横坐标求得标准曲线（如图1）。回归方程为：y=0.582 1x+0.001 4，相关系数为0.998 2。结果表明，葡萄糖浓度在1.81μg/mL～14.55μg/mL范围内呈良好的线性关系。测得脱脂蚕蛹原料中多糖含量为2.98 g/100 g。

图1 葡萄糖的一阶导数的标准曲线Fig.1 Thestandard curveof first-order derivativeofglucose

2.2单因素试验

2.2.1超声时间对提取率的影响

准确称取5g脱脂蚕蛹粉于三角瓶中，加入100mL蒸馏水，于超声波提取仪中，料液比1∶20（g/mL），功率500W，不同时间对多糖提取率的影响如图2所示。

图2 提取时间对多糖提取率的影响Fig.2 Effectof timeon theextraction percentageof polysaccharide

由图2可知，随着处理时间的延长，蚕蛹多糖提取率不断提高；但是提取时间到达60min后提取率的变化趋势变小，多糖提取基本完成，从实际生产的角度，超声波适宜的提取时间为60min。

2.2.2料液比因素对提取率的影响

准确称取5 g脱脂蚕蛹粉于三角瓶中，加入一定量的蒸馏水，于超声波提取仪中，时间60min，功率500W，不同料液比对多糖提取率的影响如图3所示。

图3 料液比对多糖提取率的影响Fig.3 Effectof ratio ofwater to raw materialon theextraction percentageof polysaccharide

由图3可知，料液比在1∶30（g/mL）之前，多糖的提取率随着溶剂体积增大而增大，溶剂体积小时，物料的黏度大，扩散速度慢，阻碍了多糖的提取；当料液比达到1∶35（g/mL）时，提取率开始下降，可能是由于提取体系中总体积的增大，增加处理量及能量吸收，在一定的超声功率和时间下导致超声波提取效果减弱，因此，料液比选择1∶30（g/mL）为佳。

2.2.3超声功率对提取率的影响

准确称取5g脱脂蚕蛹粉于三角瓶中，加入150mL蒸馏水，于超声波提取仪中，时间60 min，料液比1∶30（g/mL），不同超声波功率对多糖提取率的影响如图4所示。

图4 功率对多糖提取率的影响Fig.3 Effectof power on theextraction percentageof polysaccharide

由图4显示，随着超声波功率的增加，多糖提取率呈上升趋势。增大输出功率可加快水的循环速度，强化传质，同时使细胞的破碎程度增加，有利于多糖的提取。当超声功率达到500W时，多糖已基本从原料中溶出，进一步提高功率，多糖提取率变化不明显，因此，超声波提取功率在500W为宜。

2.2.4超声波提取蚕蛹多糖过程的优化

利用响应面分析[13-14]对三因素工艺优化作进一步的分析。根据Box-Behnken的中心组合设计原理，设计了三因素三水平共15个试验点的响应面分析试验，在中心值重复3次试验，用以估计试验误差，Box-Behnken试验设计及结果见表1、表2。

由表3可见，三因素对多糖提取率的影响并非简单的一次线性关系，而是呈二次抛物线关系。一次项X1、X3、交叉乘积项X2X3、X3X3对多糖的提取率有影响，交叉乘积项X1X1、X2X2对多糖提取率显著影响。各因素经回归拟合后，得回归方程：

表1 Box-Behnken试验设计的因素水平Table1 Levels form ain factors in the Box-Behnken design

表2 Box-Behnken试验安排、结果Table2 Experimentaldesign and resultsof Box-Behnken designs

表3 多糖提取率的回归分析表Table3 Resultsof regression analysis

模型可信度分析的统计结果见表4。

表4 模型的可信度分析的统计检验结果Table4 Fit statistics for Y

复相关系数的平方为95.41%，说明由这3个因素及其二次项能解释Y变化的95.41%，模型误差的平方根1.132，模型拟合程度较好。

对多糖提取率的响应因子水平的优化见图5、图6、图7。

图5 X1、X2的响应面立体图和等高图Fig.5 Surfacep lotsand contour op tim izer of X1，X2

利用SAS分析可知，回归模型存在稳定点（X 1，X 2，X 3）为（0.5，0，0.5），提取率的最大值为94.30%。根据因素水平，考虑到实际操作，将时间取65min，料液比取1∶30（g/mL），功率取550W，得到5 g蚕蛹样品中含糖量为140.6mg，提取率为94.36%，证实了回归方程对蚕蛹多糖提取优化过程提供了可靠的模型。

图6 X1、X3的响应面立体图和等高图Fig.6 Surface plotsand contour optim izer of X1，X3

图7 X2、X3的响应面立体图和等高图Fig.7 Surface plotsand contour optim izer of X2，X3

3结论

本试验采用超声辅助提取蚕蛹多糖，利用二水平试验和响应面试验对提取工艺进行优化。试验结果显示超声辅助提取蚕蛹多糖的最佳工艺条件为：料液比1∶30（g/mL），功率550W，提取时间65min，在此条件下，提取蚕蛹多糖率达到94.36%。该方法缩短提取时间、对环境无污染，是适合蚕蛹多糖提取的工艺。

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Optim ization of Ultrasonic Extraction of Polysaccharides in De-fatted Silkworm Pupa Powder

WUHai-yan1，2，YUANQiu-mei1
（1.Nantong CollegeofScienceand Technology，Nantong226007，Jiangsu，China2.Nantong Agricultural ProductProcessing Technology Association，Nantong226000，Jiangsu，China）

The extraction technology of polysaccharides from de-fatted silkworm pupa powderwas studied by ultrasonic extractionmethod.The effectsof the extraction percentage of polysaccharide such as time，materialliquid ratio，powerwere studied.The threeextracting factors（time，material-liquid ratio，power）were studied.The optimum conditionwassystematically studied with single factor experimentsand Box-Behnken designs. The resultsshowed that theoptimum conditionswere as follows：extracting time of65min，material-liquid ratio of1∶30 g/mL，extracting powerof550W.In this condition，the extraction percentage of polysaccharides from silkworm pupawas94.36%.This technology issuitable forextraction ofpolysaccharides from silkworm pupa.

polysaccharidesofsilkworm pupa；ultrasonicextraction；theextraction percentageofpolysaccharide；responsesurfaceanalysis；optimization

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.05.013

2016-06-23

南通市农村科技创新及产业化项目（HL2012025）；江苏省教育厅“青蓝工程”项目（201423）

吴海燕（1978—），女（汉），副教授，硕士，研究方向：食品综合利用及食品营养安全检测。