超声波微波协同提取超微粉碎落葵中多糖工艺优化

胡晓冰，王振伟，申森，陈西良

（黄河水利职业技术学院环境与化学工程系，河南开封475003）

超声波微波协同提取超微粉碎落葵中多糖工艺优化

胡晓冰，王振伟，申森，陈西良

（黄河水利职业技术学院环境与化学工程系，河南开封475003）

采用微波-超声波协同提取落葵中的多糖，研究超微粉碎与普通粉碎的多糖提取率差别，并对超微粉碎的提取进行条件优化。结果表明：1）在设定的相同条件下，超微粉碎落葵的多糖提取率比普通粉碎提高64.11%；2）通过单因素试验考察了液料比、时间、超声波功率和微波功率对于超微粉碎落葵多糖提取率的影响；3）在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken中心设计对超微粉碎落葵进行微波-超声波协同提取多糖条件优化，确定最佳工艺条件为微波功率331W、超声波功率193W、提取时间18min、液料比50mL/g，在此最佳工艺条件下，落葵多糖提取率的可达到27.39%，相对误差为-2.35%，与理论值基本符合，表示该模型能很好的预测实际提取情况。

落葵多糖；超声波-微波协同作用；超微粉碎；工艺优化

落葵又称木耳菜、胭脂菜、豆腐菜、篱笆菜等，为落葵科落葵属缠绕茎生草本植物，在我国有着悠久的种植历史。落葵含有丰富的营养成分，蛋白质、维生素和无机盐的含量均很高，除此之外还含有皂苷、葡聚糖、黏多糖等多糖药用成分，碳水化合物可占落葵干重的50%以上[1]。落葵多糖具有较高的的抗氧化[2]、抗病毒[3-4]和抗肿瘤[5]作用。目前，植物性多糖的提取有热水、超声、微波、高温高压等方法，落葵多糖主要以热水提取为主[6]，存在时间长、能耗高和提取率低等问题。国内外一些学者为了提高多糖提取效率，使用了超声或者微波助提[7]的方法，但效果有限。

超声波辅助提取因其空化作用而产生高强度机械效应和热效应，具有细胞破碎、增加穿透性与加速质量传递等优势，但由于机械效应和热效应均不强，在辅助提取时往往需要控制物料大小及温度。微波辅助提取通过产生高效内热和电介质热而提高提取效率、减少提取时间并降低料液消耗，但存在着加热不均匀、温度不易控制的缺点。因此，国内外很多学者采用超声波和微波同时协同提取各自原料功能因子，均发现比传统方法（如热回流、水浴振荡或索氏抽提等）或单独采用时提取时间更短、得率更高、效率更好[8-9]。超微粉碎是指利用机械或流体动力方法克服固体内部凝聚力使之破碎，从而将物料颗粒粉碎至10μm～25μm的操作技术。经超微粉碎技术加工后，原料被超微细化，细胞壁大部分被破坏，颗粒的表面积和孔隙率显著增加，产品的分散性、溶解性、功能性明显增强[10]。

目前，鲜有使用3种技术工艺协同提取原料功能因子的研究，因此，本文在实验室前期研究基础上，对协同提取工艺进行优化，为落葵多糖高效提取方法以及该方法将来的工业应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

落葵：黄河水利职业技术学院食品工程实验室种植，偏碱性土壤，未喷洒农药，未施任何化学肥料。落葵收获后，洗净，晾干，60℃条件下干燥，0℃条件下保藏备用。

无水乙醇：购于安徽安特食品股份有限公司；石油醚、苯酚、正丁醇、氯仿：均购于天津市得恩化学试剂有限公司；浓硫酸：购于中国平煤神马集团开封东大化工有限公司。所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

XO-SM50超声波微波联合反应系统：南京先欧仪器制造有限公司（设备运行示意图见图1）；HC-3018R高速冷冻离心机：科大创新股份有限公司中佳分公司；ZRD-5210鼓风干燥箱：上海智城分析仪器制造有限公司；RT-25超微粉碎机：台湾荣聪精密科技有限公司；FW-400A倾斜式高速万能粉碎机：北京中兴伟业仪器有限公司；RE-52AA旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 落葵粉样品的制作与储藏

图1 超声波-微波协同反应设备示意图Fig.1 Schem atic diagram of com binedm icrowave-ultrasonic treatment

将适量干燥落葵加入粉碎机，经过1min粉碎后制得普通粉碎落葵干粉；将普通粉碎落葵干粉加入超微粉碎机，经过1min粉碎后制得超微粉碎落葵干粉。

1.3.2 落葵多糖提取方法

干燥落葵→普通/超微粉碎→落葵粉→加水浸泡→超声波-微波协同提取→过滤→离心→浓缩→一次醇沉→过滤收集多糖→溶解多糖→二次醇沉→过滤收集多糖→溶解多糖→用石油醚脱脂→用sevage法脱蛋白[11]→三次醇沉→过滤，收集多糖→冷冻干燥→粗多糖→溶解多糖→苯酚硫酸法测定多糖[12]→计算提取率

1.3.3 普通粉碎与超微粉碎多糖提取率对比

将超微粉碎和普通粉碎的落葵粉分别进行多糖提取，称取（5.000±0.001）g超微粉碎和普通粉碎的落葵粉各5份，提取条件为超声功率160W、微波功率300W、提取时间15min、液料比50mL/g，取平均值进行对比。其中，液料比是指提取溶剂体积与落葵粉质量的比值。

1.3.4 电镜试验

采用电子热场发射扫描电子显微镜观察普通粉碎和超微粉碎的粉碎状态，取样品固定，喷金，扫描电镜下观察，加速电压5 kV。

1.3.5 单因素试验设计

称取（5.000±0.001）g的超微落葵粉，进行单因素试验。

1.3.5.1 考察微波功率对提取率的影响

在超声功率160W，提取时间15 min，液料比50mL/g的条件下，研究不同的微波功率（0、150、300、450、600W）对落葵多糖提取率的影响。

1.3.5.2 考察超声功率对提取率的影响

在微波功率300W，提取时间15 min，液料比50mL/g的条件下，研究不同的超声功率（0、80、160、240、320W）对落葵多糖提取率的影响。

1.3.5.3 考察提取时间对提取率的影响

在超声功率160 W，微波功率300 W，液料比50mL/g的条件下，研究不同的提取时间（5、10、15、20、25min）对落葵多糖提取率的影响。

1.3.5.4 考察液料比对提取率的影响

在超声功率160W，微波功率300W，提取时间15min的条件下，研究不同的液料比（30、40、50、60、70mL/g）对落葵多糖提取率的影响。

1.3.6 多糖提取优化方案设计

采用响应面法进行试验数据处理，选用Box-Behnken模型对影响超微粉碎-超声波-微波协同技术提取落葵多糖得率的因素进行响应面设计，以落葵多糖得率为响应值进行优化。

表1 中心组合设计因素水平表Table1 Centralcom posite design factorsand levels

2 结果与讨论

2.1 普通粉碎与超微粉碎多糖提取率对比

普通粉碎与超微粉碎对多糖提取率的影响如图2所示。

图2 普通粉碎与超微粉碎对多糖提取率的影响Fig.2 Theeffectof ultram icro grinding and ordinary grinding on extraction rate

由图2可知，普通粉碎的落葵粉5份样品多糖提取率平均值为16.97%；超微粉碎的落葵粉5份样品多糖提取率平均值为27.85%。超微粉碎落葵粉多糖提取率比普通粉碎提高64.11%。

2.2 扫描电镜分析（SEM）

普通粉碎扫描电镜图见图3，落葵超微粉碎扫描电镜图见图4。

图3 普通粉碎扫描电镜图Fig.3 SEM of ordinary grinding

图4 落葵超微粉碎扫描电镜图Fig.4 SEM ofultram icro grinding

如图3所示，未经过超微粉碎处理的普通落葵粉颗粒较大，且呈现出大小不均匀的现象。图4是经过超微粉碎的落葵粉，颗粒明显变小，均一度明显改善，这为落葵多糖的高效提取提供了有力的保障。

2.3 单因素试验结果

2.3.1 液料比的影响

超声波-微波协同提取液料比单因素试验结果如图5所示。

图5 液料比对落葵多糖提取率的影响Fig.5 Effectof liquid-solid ratio on theextraction yield of Basella rubra L.

从图5可以发现，在液料比30mL/g～50mL/g范围内，落葵多糖提取率值随着液料比的增大逐渐增大，在液料比50mL/g～70mL/g范围内，落葵多糖提取率增大逐渐放缓，最后还有下降趋势。考虑到液料比因素条件下，多糖提取率变化趋势不明显以及后期提取工艺操作性和经济性，故不再对该因素进行进一步优化，直接选定液料比50mL/g做后续试验。

2.3.2 时间的影响

超声波-微波协同提取时间单因素试验结果如图6所示。

图6 时间对落葵多糖提取率的影响Fig.6 Effectof tim eon theextraction yield of Basella rubra L.

从图6可以发现，在时间5min～15min范围内，落葵多糖提取率值随着时间的增加逐渐增大，在时间15min～25min范围内，落葵多糖提取率随着时间的延长反而逐渐下降。其原因可能是随着时间的延长，落葵中所含的一些对温度敏感的成分在300W功率微波和150W功率超声波产生的较高局部温度环境中逐渐失去活性的缘故。故选定时间10、15、20min做后续优化试验。

2.3.3 微波功率的影响

超声波-微波协同提取微波功率单因素试验结果如图7所示。

图7 微波功率对落葵多糖提取率的影响Fig.7 Effectofm icrowavepower on theextraction yield of Basella rubra L.

从图7可以发现，在微波功率0～300W范围内，落葵多糖提取率值随着微波功率的增加逐渐增大，在微波功率300W～600W范围内，落葵多糖提取率随着微波功率的增加反而逐渐下降。其原因可能是高微波功率会造成落葵多糖中敏感成分分解的缘故。故选定微波功率150、300、450W做后续优化试验。

2.3.4 超声波功率的影响

超声波-微波协同提取超声波功率单因素试验结果如图8所示。

图8 超声波功率对落葵多糖提取率的影Fig.8 Effectof ultrasonic power on theextraction yield of Basella rubra L.

从图8可以发现，在超声波功率0～160W范围内，落葵多糖提取率值随着超声波功率的增加逐渐增大，在超声波功率160W～320W范围内，落葵多糖提取率随着超声波功率的增加反而逐渐下降。其原因可能是随着超声功率从160W增加到320W，落葵多糖中所含的一些敏感成分在较高功率超声波环境中失去活性的缘故。故选定超声波功率80、160、240W做后续优化试验。

2.4 落葵多糖提取条件优化结果及分析

落葵多糖提取响应面试验设计方案与结果见表2，响应面回归方程方差分析结果见表3。

表2 落葵多糖提取响应面试验设计方案与结果Table2 Box-Behnken design and experimental results for extraction of polysaccharides from Basella rubra L.

表3 响应面回归方程方差分析结果Table3 Resultsof varianceanalysisof response surface regression m odel

利用Design Expert软件，通过表3中试验数据进行多元回归拟合，获得落葵多糖提取率对微波功率、超声波功率和提取时间真实值的回归模型：

落葵多糖提取率Y=27.48+2.57A－0.12B+0.51C－0.15AB－0.59AC－0.26BC－4.90A2－2.02B2－2.70C2。

3个试验因素均以量纲线性编码处理，方程中各项系数绝对值的大小能反映各因素对响应值的影响程度。

回归方程的方差分析采用Design Expert Version软件对表2数据进行方差分析，结果见表3。

由表3可知，模型的P＜0.000 1，表明二次方程拟合极其显著，而且失拟项的F值远大于0.05，表明失拟项不显著，说明方程模拟的比较好，可以很好用于数据的分析。决定系数R2=0.988 9，校正系数为R2= 0.974 5，也说明回归方程的拟合程度很好，失拟较小。综上所述，该回归方程为优化落葵多糖的提取工艺条件提供了一个良好的模型，可以利用该回归方程确定最佳提取工艺条件。

当提取时间编码固定为0时，微波功率与超声波功率对多糖提取率的影响见图9。

由图9可知，在微波功率的编码在-1到0范围内，多糖提取率呈现不断增加的趋势，之后编码增大在0到1范围内，多糖提取率有下降的趋势。超声波功率编码在-1到0的范围内，多糖提取率不断增加，之后编码增大在0到1范围内，多糖提取率有下降的趋势。通过图9及方差分析可知，微波功率要比超声波功率对多糖的提取率影响更大。

图9 微波功率和超声功率对多糖提取率影响的响应面图Fig.9 Responsesurfaceof effectsofm icrowave power and ultrasonic power on polysaccharidesextractyield

当超声波功率编码固定为0时，微波功率与提取时间的对多糖提取率的影响见图10。

图10 微波功率和提取时间对多糖提取率影响的响应面图Fig.10 Response surfaceof effectsofm icrowave power and time on polysaccharidesextract yield

由图10可知，在微波功率的编码在-1到0范围内，多糖提取率呈现不断增加的趋势，之后编码增大在0到1范围内，多糖提取率有下降的趋势。提取时间编码在-1到0.5的范围内，多糖提取率不断增加，之后编码增大到1范围内，多糖提取率有下降的趋势。通过图10及方差分析可知，微波功率要比提取时间对多糖的提取率影响更大。

当微波功率编码固定为0时，超声波功率与提取时间的对多糖提取率的影响见图11。

由图11可知，超声波功率编码在-1到0的范围内，多糖提取率不断增加，之后编码增大在0到1范围内，多糖提取率有下降的趋势。提取时间编码在-1到0的范围内，多糖提取率不断增加，之后编码增大到1范围内，多糖提取率有下降的趋势。通过图11及方差分析可知，超声功率要比提取时间对多糖的提取率影响更大。

图11 超声功率和提取时间对多糖提取率影响的响应面图Fig.11 Response surfaceofeffectsofultrasonic power and timeon polysaccharidesextract yield

2.5 超声波-微波协同法验证试验

通过图9、图10、图11响应面以及回归模型预测的落葵多糖提取最佳工艺条件为：微波功率331.11W，超声波功率192.79W，提取时间18.23min，在此条件下，落葵多糖提取率理论上可达28.05%。考虑到实际操作的可行性，将落葵多糖的最佳提取条件在理论值基础上修正为微波功率331W，超声波功率193W，提取时间18min。采用此工艺条件进行验证试验，平行3组，测得的落葵多糖提取率分别为27.08%、27.32%和27.77%，落葵多糖提取率的平均值为27.39%，相对误差为-2.35%，与理论值基本符合，表示该模型能很好的预测实际提取情况。

3 结论

1）通过普通粉碎和超微粉碎处理干燥落葵，对比粉碎效果对于落葵多糖提取率的影响，在设定的相同条件下，超微粉碎落葵的多糖提取率比普通粉碎提高64.11%。考虑到超微粉碎的破壁效果，落葵多糖提取率的提高有可能是胞壁多糖和胞内多糖更大量析出的原因。

2）通过单因素以及Box-Behnken中心设计对超微粉碎落葵进行微波-超声波协同提取多糖条件优化，确定最佳工艺条件为微波功率331W、超声波功率193W、提取时间18min、液料比50mL/g，在此最佳工艺条件下，落葵多糖提取率可达27.39%，相对误差为-2.35%，与理论值（28.05%）基本符合，表示该响应面模型能很好的预测实际提取情况。本研究为落葵多糖高效提取提供一个思路，为超微粉碎，超声波-微波协同等方法将来的工业应用提供理论依据。

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Optim ization of M icrowave-Ultrasound Assisted Extraction Process of Polysaccharide from Basella rubra L.after Ultram icro Grinding

HU Xiao-bing，WANGZhen-wei，SHENSen，CHENXi-liang
（DepartmentofEnvironmentand Chemistry Engineering，YelloWRiverConservancy Technical Institute，Kaifeng475003，Henan，China）

Polysaccharide was extracted from Basella rubra L.using microwave-ultrasound assisted method. The difference of influence ofultramicro grinding and ordinary grinding on extraction ratewas studied.And the ultramicro extraction conditionswere optimized aswell.The results demonstrated that：（1）therewas64.11% increased in polysaccharide extraction rate for ultramicro grinding than that of the normal grinding technology under the same conditions；（2）The influence of liquidmaterial ratio，time，ultrasonic power andmicrowave power on the polysaccharide extraction ratio from Basella rubra L.were investigated through the single factor experiment；（3）Box-Behnken Center design was used on the basis of single factor test to optimize themicrowave-ultrasonic assisted extracting conditionsofpolysaccharide.The optimum conditionswere determined as themicrowave powerwas331W，ultrasonic powerwas193W，extraction timewas18min，and the liquid-solid ratiowas50mL/g.The extraction rate could reach 27.39%and the relative errorwas-2.35%under the optimum conditions，whichwas consistentwith the theoreticalvalue.So themodelwas proved to be effective to predict theactualextraction rate.

polysaccharide from Basella rubra L.；combined microwave-ultrasonic treatment；ultramicro grinding；processoptimization

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.07.010

2016-07-16

2014年河南省教育厅科学技术重点项目（14B550010）

胡晓冰（1981—），男（汉），讲师，硕士，研究方向：食品生物技术。