响应面法优化提取竹屑多糖的工艺研究

许子竞，舒群威，罗树常

（贵州工程应用技术学院天然产物中心，贵州毕节551700）

响应面法优化提取竹屑多糖的工艺研究

许子竞，舒群威，罗树常

（贵州工程应用技术学院天然产物中心，贵州毕节551700）

以竹屑为原料，利用响应面法对竹屑多糖的提取工艺条件进行优化。在单因素试验的基础上，选取提取温度、提取时间、液料比为影响因子，以多糖得率为响应值，根据Box-Behnken中心组合试验设计原理，采用三因素三水平的响应面分析法，建立二次回归模型，研究各变量交互作用及其对竹屑多糖得率的影响。结果表明，通过方差分析可知各因素对竹屑多糖提取率影响的大小依次为提取温度、时间、料液比。竹屑提取多糖的最佳工艺条件为：浸提温度78℃、浸提时间21min、料液比1∶16（g/mL），在此条件下竹屑多糖提取率可达3.1809%，与模型预测值3.1812%高度相符。

竹屑多糖；响应面分析法；提取；优化

我国毛竹资源十分丰富，素有竹子“王国”的美称。毛竹在我国具有悠久的药用和食用历史，如竹茹，其味甘，性微寒，具有清热化痰、除烦止呕的功效；竹子除药用之外，竹材加工业也得到迅速的发展。毛竹是竹制品生产加工的主要原料，如加工竹筷、竹凉席、竹地板等，但在加工过程中，产生了大量的诸如竹屑状的废弃物，据统计，全国竹加工业每年产生这样的废弃物多达4千多万t，而这种废弃物大部分作为废物丢掉[1-2]。研究表明，竹材细胞壁中含有大量的水溶和不水溶性膳食纤维，多糖是水溶性纤维组成的主要成分[3-4]，而目前对竹材水溶性纤维—多糖的提取工艺和活性研究鲜有报道。因此，本文采用响应面优化法（Response Surface Methodology，RSM），对竹屑多糖（Bamboo Chip Polysaccharides，BCP）提取工艺进行研究，对竹材加工产生的废弃物，再度开发利用，探索竹资源的新用途，具有十分重要的意义[5]。

本试验采用超声波辅助纯化水提取BCP，此工艺具有方便、快速、低耗等优点，同时利用响应面分析法对BCP提取工艺条件进行优化[6]。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

竹屑：贵州赤水竹凉席加工公司；纯化水：贵州工程应用技术学院天然产物中心实验室制备。

丙酮、无水乙醇、甲醇、葡萄糖、苯酚、浓硫酸等：分析纯。

1.2 主要仪器

TDL-5C台式离心机：上海安亭科学仪器厂；2102PCS紫外-可见分光光度计：尤尼科（上海）仪器有限公司；AL204电子天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；BSZ-100B旋转蒸发仪：上海亚荣生化有限公司。

2 试验方法

2.1 竹屑多糖提取工艺流程

毛竹竹屑→阴干恒重→粉碎→称重→无水乙醇脱除色素→超声波辅助水提取3次→合并提取液→定容体积→苯酚-硫酸显色→紫外光下检测→计算提BCP的提取得率

2.2 工作曲线和回归方程

精密称取标准葡萄糖白色粉末0.050 0 g至500 mL容量瓶中，加入蒸馏水定容，摇匀待用。分别吸取上述葡萄糖标准液（100 μg/mL）1、2、3、4、5、6、7 mL到10 mL容量瓶中，加水定容，然后分别移取1 mL于7支试管中，各加入5%苯酚溶液1mL和4mL浓硫酸，充分摇匀，静置30 min，冷却至室温。以蒸馏水为参比，在UV（紫外）490 nm波长处测各管的Abs（吸收峰）值，以葡萄糖浓度C为横坐标，以吸光度值A为纵坐标绘制标准曲线，回归方程为A=0.010 6C＋0.147 2，R2=0.999 5。

2.3 样品中多糖化合物含量的测定

准确称取样品2.000 g于250 mL三角瓶中，超声提取3次，抽滤，合并滤液，定容至100 mL容量瓶中，摇匀。移取25 mL于50 mL的容量瓶中进行稀释2倍，竹屑多糖类化合物的产率计算为：

式中：C为供试液中葡萄糖浓度，mg/mL；D为多糖的稀释因素，mL；f为换算因子，1.312；W为供试竹屑样品的重量，mg。

3 结果与讨论

3.1 BCP提取的单因素试验

影响BCP提取的因素很多，本试验主要讨论提取温度、时间和料液比三因素对BCP提取率的影响。

3.1.1 时间的影响

固定提取温度75℃、料液比1∶15（g/mL），研究时间对BCP提取的影响，见图1。

图1 时间对BCP提取率的影响Fig.1Effect of time on BCP yield

从图1可知，时间对BCP的提取率有明显的影响，从6 min～16 min，BCP的提取得率几乎线性上升，而从16 min后提取率略有下降，说明提取16 min比较适宜。

3.1.2 温度的影响

固定提取时间16 min、料液比1∶15（g/mL），研究温度对BCP提取的影响，见图2。

图2 温度对BCP提取率的影响Fig.2Effect of different temperature on BCP yield

从图2可知，温度对BCP的提取率的影响比较显著，从45℃～75℃，BCP的提取得率达到最大，而从75℃后提取率开始略有下降，说明75℃提取较适宜。

3.1.3 料液比的影响

固定提取温度75℃、提取时间16 min，研究料液比对BCP提取的影响，见图3。

从图3可知，料液比从1∶5（g/mL）提高到1∶15（g/mL），BCP的提取率逐渐升高，而随着料液比增加，BCP的提取率略有下降，说明料液比在1∶15（g/ mL）时，BCP的提取较适宜。

3.1.4 提取次数的影响

批次料以提取温度75℃、时间16 min，第1次提取料液比1∶6（g/mL），后3次提取料液比1∶4（g/mL），提取3批次，每批次提取率如表1。

图3 料液比对BCP提取率的影响Fig.3Effect of radio of solid to liquid on BCP yield

表1 提取次数对BCP提取率的影响Table 1Effect of extraction times on BCP yield

由表1可知，批次试验中，提取率随提取次数增加，提取率逐渐减少，第4次提取率占批次总提取率＜2%，说明每批次料提取3次比较合适。

3.2 响应面分析法对BCP提取工艺的优化

3.2.1 响应面分析因素的选择

运用SAS 8.1软件程序，根据Box-Behnken的中心组合试验设计原理[7-8]，综合上面单因素的试验结果，以提取温度、提取时间和料液比为三影响因素，采用三因素三水平的响应面分析方法，试验因素与水平设计见表2。

表2 响应面分析因素与水平Table 2Analytical factors and levels for RSM

3.2.2 响应面分析

分别对提取时间（X1）、提取温度（X2）和料液比（X3）作变换：设X1=（Z1-20）/4，X2=（Z2-75）/10，X3=（Z3-15）/5，以X1、X2、X3为自变量，BCP的提取率为响应值（Y），试验方案及结果如表3，回归模型方差分析及模型系数显著性检验表4。

表3中，1～12是析因试验，13～15是中心试验。15个试验点分为析因点和零点，其中析因点为自变量取值在所构成的三维顶点，零点为区域的中心点，零点重复3次，用以估计试验的误差。用SAS RSREG程序对所得数据进行回归分析，分析结果见表4，响应面和等高线图见4～6图。各因素经回归拟合，得回归方程：

表3 Box-Behnken中心组合设计方案及试验结果Table 3Box-Behnken experiment design and the results of the experiments

表4 回归模型方差分析及模型系数显著性检验Table 4Analysis of variances and significance test of coefficients for the created regression model

图4 Y=f（X1、X2）的响应面与等值线图Fig.4Responsive surfaces and contours of Y=f（X1，X2）

图5 Y=f（X1、X3）的响应面与等值线图Fig.5Responsive surfaces and contours of Y=f（X1，X3）

图6 Y=f（X2、X3）的响应面与等值线图Fig.6Responsive surfaces and contours of Y=f（X2，X3）

从表4回归分析可以看出，模型回归异极显著。一次项X1、X2、X3对BCP提取率的影响极显著，三因素影响顺序为X2＞X1＞X3（以P值及F值的大小判断），二次项X1X1、X2X2、X3X3对BCP提取率的影响极显著，交互项对BCP提取率的影响极显著。回归方程的F值为805.43，P＜0.001，且失拟误差的P值为0.000 1，极显著，这说明，利用响应面法拟合得到的试验模型极显著，按照拟合模型得到的回归方程，考察其因变量与自变量之间的线性相关系数，r=99.81%/99.93%=0.998 8，表明用该数学模型来评估各相关因素对BCP提取率的影响可信度较高。

图4～图6直观地反映了各因素对响应值Y的影响，给出了各个因子交互作用的响应面的3D和等值线分析图。从响应面的最高点和等值线可以看出，在所选的范围内存在极值，既是响应面的最高点，同时也是等值线最小椭圆的中心点。

为了进一步确定最佳点的值，对回归方程取一阶偏导数得：

解方程组得：X1=0.239 4，X2=0.341 3，X3=0.188 0代入方程（1）得：Z1=20.957 6，Z2=78.413，Z3=15.94，即BCP的最佳提取时间：20.957 6 min，提取温度：78.413℃，料液比：1∶15.94（g/mL），在此条件下，BCP的理论值可达3.181 2%。

考虑到实际情况，将最佳条件修正为提取时间21 min，提取温度78℃，料液比1∶16（g/mL），BCP的提取率为：3.180 9%。

4 结论

本试验以水为溶剂，超声波辅助提取竹屑多糖，探索了提取温度、提取时间、液料比对竹屑多糖提取率的影响，经单因素和响应面试验，得出竹屑多糖的最佳工艺为：提取温度78℃、提取时间21 min、液料比1∶16（g/mL），竹屑多糖的提取率为3.180 9%，与预测值3.181 2%高度相符，并得到竹屑多糖得率与提取各因素变量的二次方程模型，该模型回归极显著，对试验拟合较好，说明模型方程能很好地反应真实的试验值，有一定应用价值。

[1]周建钟,冯炎龙,刘力,等.竹青竹黄的化学成分及综合利用[J].林产化工通讯,2003(2)：8-10

[2]潘天林.毛竹的开发利用[J].现代农业科技,2013(4)：187

[3]张雪,李焱,陶文亮,等.毛竹竹屑多糖的抗氧化活性研究[J].食品科技,2015,40(2)：243-245

[4]黄曹兴,何娟,闵斗勇,等.毛竹竹青和竹黄半纤维素的提取与结构表征[J].林产化学与工业,2015,35(5)：29-33

[5]黄曹兴,何娟,闵斗勇,等.毛竹竹青和竹黄细胞壁中阿魏酸和对香豆素定量分析[J].林产化学与工业,2016,36(3)：16-22

[6]赵志刚,宣丽英,李志英,等.响应面法优化超声辅助提取夏枯草多糖工艺[J].食品研究与开发,2016,37(12)：91-95

[7]WU C F J,HAMADA M.试验设计与分析及参数优化[M].北京：中国统计出版社,2002：341-382

[8]Box G E P,Hunter W G.Statistics for Experiments：An Introduction to Design,Data Analysis and Model Building[M].New York：Wiley, 1978

Optimization of the Extraction Technique of Bamboo Chip Polysaccharide by Response Surface Methodology

XU Zi-jing，SHU Qun-wei，LUO Shu-chang
（Center of Natural Products，Guizhou University of Engineering Science，Bijie 551700，Guizhou，China）

In order to optimize the conditions of extraction method of polysaccharides from bamboo chip，based on the experiment of single factor，a three-factor-three-level test was employed for the analysis of variance of the factorial parameters（extraction temperature，extraction time and ratio of solid to liquid）and their interaction on extraction rate.The mathematical regression model was established by employing Box-Behnken Design（BBD）of response surface methodology（RSM）.The polysaccharides yield was taken as the response of the designed experiments.The results indicated the importance of three process parameters affecting extraction yield of polysaccharides order were extraction temperature，extraction time and ratio of solid to liquid.The optimum extraction conditions of polysaccharides from bamboo chip were as follows：extraction temperature 78℃，extraction time 21 min and ratio of solid to liquid 1∶16（g/mL）.The extraction yield of polysaccharides of bamboo chip could be up to 3.180 9%，exhibiting a good agreement with the predicted values 3.181 2%.

bamboochippolysaccharides（BCP）；responsesurfacemethodology（RSM）；extraction；optimization

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.09.016

2016-08-12

贵州省科技厅、市科技局学校联合基金LH[2016]7059号；贵州省毕节市2016年科学发展计划基金[2016]32号

许子竞（1970—），男（汉），副教授，博士，研究方向：天然产物提取分离。