响应面优化超声辅助提取扫帚菜多糖工艺及其抗氧化性能

陈文娟,陈建福,吴丽敏,庄远红

(1.漳州城市职业学院食品工程系,福建漳州 363000;2.漳州职业技术学院食品与生物工程系,福建漳州 363000;3.福建省精细化工应用技术协同创新中心,福建漳州 363000；4.闽南师范大学 生物科学与技术学院,福建漳州 363000)



响应面优化超声辅助提取扫帚菜多糖工艺及其抗氧化性能

陈文娟1,陈建福2,3,*,吴丽敏4,庄远红4

(1.漳州城市职业学院食品工程系,福建漳州 363000;2.漳州职业技术学院食品与生物工程系,福建漳州 363000;3.福建省精细化工应用技术协同创新中心,福建漳州 363000；4.闽南师范大学 生物科学与技术学院,福建漳州 363000)

以扫帚菜为原料,对影响超声波辅助提取扫帚菜多糖工艺进行单因素实验,并对各影响因素进行Box-Behnken实验设计和响应面优化,得到了二次多项式回归方程,确定了最佳的提取工艺。并分析比较了扫帚菜多糖、抗坏血酸(VC)和特丁基对苯二酚(TBHQ)对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基的清除作用。结果表明,最佳提取工艺为液料比21 mL/g,超声功率76 W,超声温度72 ℃和超声时间24 min,在该条件下扫帚菜多糖得率为58.45 mg/g,与预测值相比,其相对误差为1.15%,说明该模型有效。扫帚菜多糖对DPPH自由基有较好的清除作用,具有一定的抗氧化能力,扫帚菜多糖,VC和TBHQ的抗氧化能力顺序为VC>扫帚菜多糖>TBHQ。

扫帚菜,多糖,超声辅助,优化,抗氧化

扫帚菜(Kochiascoparia(linn.)Schrad)又名孔雀松、地肤、落帚、地麦,藜科,一年生草本植物。广泛分布于我国各处的荒地、路旁、田边、村落及庭院内,资源十分丰富[1]。扫帚菜含有大量的维生素、黄酮、多糖、蛋白质、胡萝卜素等多种天然有效成分,具有清热解毒、安神养心等药理性功效,是一种营养价值很高的“药食同源”的保健性野菜[2]。多糖是一种广泛存在于自然界生物体的天然功能性高分子化合物,具有抗氧化、抗病毒、抗辐射、抗衰老、抗疲劳等多种生理活性,因此研究扫帚菜多糖对其资源的开发与利用意义重大。超声波辅助提取是利用超声波的空化、剪切和热效应等作用力来增加溶剂与提取物之间的渗透,来提高提取效率的一种方法[3-4]。本文以扫帚菜为原料,在单因素实验基础上,对影响超声波辅助提取扫帚菜多糖工艺的各影响因素进行Box-Behnken实验设计和响应面优化,并利用DPPH自由基清除法来考察扫帚菜多糖的抗氧化能力,以期为扫帚菜多糖的开发与利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

扫帚菜 2016年6月中旬早晨采于漳州市马鞍山,采集新鲜嫩叶;苯酚 分析纯,国药集团化学试剂有限公司;浓硫酸 分析纯,西陇化工股份有限公司;无水乙醇 分析纯,汕头市达濠精细化学品有限公司;抗坏血酸(VC) 分析纯,天津市北辰方正试剂厂;特丁基对苯二酚(TBHQ) 食品级,广东省食品工业研究所。

KQ-100DE型超声波提取装置 昆山市超声仪器有限公司;LGJ10-C型冷冻干燥机 北京四环科学仪器厂;UV-1800PC-DS2型紫外可见分光光度计 上海美谱达仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 扫帚菜多糖的提取工艺 扫帚菜→洗净→晾干→冷冻干燥→粉碎→无水乙醇浸泡→滤渣→脱色脱脂→超声回流提取→除蛋白→抽滤→定容→含量测定

用蒸馏水将采摘的新鲜扫帚菜嫩叶洗净,自然晾干,并于冰箱中速冻,冷冻后进行干燥,粉碎,备用。在无水乙醇中加入一定量备用的扫帚菜进行浸泡,过滤,滤渣用石油醚进行脱脂脱色并干燥。后置于烧瓶中,按所设定工艺条件的超声装置中进行加热回流,回流结束后,加入一定体积的氯仿和正丁醇进行震荡,后离心静置除去有机层,并抽滤,得滤液,转移定容,备用。含量测完后,进行醇沉,烘干,得扫帚菜多糖。

1.2.2 多糖含量的测定 扫帚菜多糖含量按文献[5]方法进行测定,多糖的得率由下式计算:

其中,扫帚菜原料重量指干燥粉碎后备用扫帚菜重量。

1.2.3 抗氧化性能测试 分别用蒸馏水将扫帚菜多糖和VC配制成200 mg/L的母液,另用无水乙醇将TBHQ配制成200 mg/L的母液,抗氧化性能按文献[6]中的DPPH自由基的清除法来评价,测试时将母液稀释到所用浓度。

1.2.4 单因素实验 固定基本条件为:液料比20 mL/g,超声功率80 W,超声温度70 ℃,超声时间25 min。分别考察液料比(10、15、20、25、30和35 mL/g)、超声功率(50、60、70、80、90和100 W)、超声温度(55、60、65、70、75和80 ℃)、超声时间(10、15、20、25、30和35 min)等单因素对扫帚菜多糖得率的影响,每个实验取三水平,取平均值。

1.2.5 响应面实验设计 在1.2.4中单因素工艺的基础上,以扫帚菜多糖得率为响应值,根据Box-Behnken实验设计原理,设计了液料比(A)、超声功率(B)、超声温度(C)、超声时间(D)四因素三水平实验,因子编码及水平如表1所示。

表1 因素与水平编码表Table 1 Code table of factors and levels

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 液料比对扫帚菜多糖得率的影响 由图1可知,在液料比为20 mL/g时,扫帚菜多糖得率达到最大,这是由于液料比的增大,增加了提取体系的溶剂量,增大了扫帚菜颗粒与多糖间的浓度梯度,促进了多糖的溶出,而当溶剂量过大时,会有更多的杂质从扫帚菜溶出与多糖竞争[7],使得多糖得率下降,因此液料比选择为20 mL/g。

图1 液料比对多糖得率的影响Fig.1 Effect of liquid-material ratio on extraction yield of polysaccharides

2.1.2 超声功率对扫帚菜多糖得率的影响 由图2可知,在超声功率为80 W时,扫帚菜多糖得率达到最大。这是由于超声功率的增加,增大了提取体系的空化与剪切作用,使得多糖得率增大,而当超声功率过大时,会造成提取体系部分区域的瞬间升温,造成了部分多糖分子链在高温下的断裂[8],因此超声功率选择为80 W。

图2 超声功率对多糖得率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic power on extraction yield of polysaccharides

2.1.3 超声温度对扫帚菜多糖得率的影响 由图3可知,在超声温度为70 ℃时,扫帚菜多糖得率达到最大。这是由于温度的升高能加快溶剂与扫帚菜颗粒的碰撞与破坏,促进了多糖的溶出,而温度太高时,部分耐热性差的多糖会发生分解[9-10],使得多糖得率下降,因此超声温度选择为70 ℃。

图3 超声温度对多糖得率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on extraction yield of polysaccharides

2.1.4 超声时间对扫帚菜多糖得率的影响 由图4可知,在超声时间为25 min时,扫帚菜多糖得率达到最大。这是由于超声时间的增加,扫帚菜颗粒与溶剂的作用时间长,多糖溶出更充分,而超声时间过长时,部分多糖分子链会受到破坏而断裂[11],使得多糖得率下降。因此超声时间选择为25 min。

图4 超声时间对多糖得率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic time on extraction yield of polysaccharides

2.2 超声辅助提取扫帚菜多糖工艺

2.2.1 回归模型 在单因素的基础上,以扫帚菜多糖得率为响应值,根据Box-Benhnken实验设计进行实验,得到实验结果如表2,并对表2数据进行响应面分析得表3。

表2 Box-Benhnken实验设计及结果Table 2 Box-Benhnken design and result

根据表2的实验结果,进行分析,得到扫帚菜多糖得率(Y)与液料比(A)、超声功率(B)、超声温度(C)、超声时间(D)四因素的四元二次回归方程:

Y=57.68+1.99A-1.80B+3.66C-0.93D-2.82AB+0.44AC-0.30AD+2.40BC-2.22BD+0.21CD-4.09A2-5.19B2-3.57C2-6.56D2

方差分析(表3)显示,该回归方程F=9.11,p<0.0001,回归方程极显著;回归模型的相关系数R2=0.9011,说明有90%以上的数据可以用该模型来描述响应值的变化。而失拟项F=4.13,p=0.0919>0.05,失拟项不显著,说明该回归方程对实验的真实值有较好的拟合情况,综上分析,利用该模型方程来对实验真实点进行分析与预测是可靠的。

表3 回归模型的分析结果Table 3 Analysis results of regression

注:p<0.05显著,*;p<0.01极显著,**。

回归方程中一次项C,二次项A2、B2、C2、D2对扫帚菜多糖得率影响极显著;一次项A、B,交互项AB对扫帚菜多糖得率影响显著;一次项D,交互项AC、AD、BC、BD、CD对扫帚菜多糖得率影响不显著,说明液料比、超声功率、超声温度和超声时间等工艺与扫帚菜多糖得率之间不是简单的线性关系。方差分析表中的F值及p值可知,超声波辅助提取扫帚菜多糖的因素中,主次顺序为:C>A>B>D,即超声温度>液料比>超声功率>超声时间。

2.2.2 响应面分析 利用Design-Expert 8.05b软件对实验数据进行分析,并进行响应面图和等高线图的绘制,如图5所示。图中反映了所考察的四个因素(液料比、超声功率、超声温度和超声时间)中,任意两个因素取零水平时,其它两因素交互作用对扫帚菜多糖得率的影响程度。

由图5(a)可知,液料比和超声功率交互作用显著,特别是当液料比较小时,超声功率对得率的影响较大,最初随着液料比的增加,多糖得率迅速增大,而后随着液料比的增加反而又开始下降。由图5(b)可知,液料比和超声温度交互作用不显著,多糖得率随着液料比的增加和超声温度的升高均出现先增大后减小的趋势。由图5(c)可知,液料比和超声时间的交互作用不显著,多糖得率随着液料比的增加和超声时间的延长均出现先增加后减小的趋势。由图5(d)可知,超声功率和超声温度交互作用不显著,多糖得率随着超声功率的增大和超声温度的升高均出现先增加后减小的趋势。由图5(e)可知,超声功率和超声时间交互作用不显著,多糖得率随着超声功率的增大和超声时间的延长均出现先增加后减小的趋势。由图5(f)可知,超声温度和超声时间交互作用不显著,多糖得率随着超声温度的增大和超声时间的延长均出现先增加后减小的趋势。

2.2.3 最佳工艺及验证实验 通过响应面分析得到的方程进行分析,得到超声辅助提取扫帚菜多糖的最佳工艺条件为:液料比21.60 mL/g,超声功率76.62 W,超声温度72.42 ℃和超声时间24.77 min,在此工艺条件下,多糖得率的理论预测值为59.03 mg/g。考虑到实际实验操作的可行性与便利性,将工艺条件修正为:液料比21 mL/g,超声功率76 W,超声温度72 ℃和超声时间24 min,在修正后的工艺条件下,进行3次平行实验进行验证,并取平均值,得到扫帚菜多糖的得率为58.45 mg/g,与预测值相比,其相对误差为1.15%,说明该模型有效。因此利用响应面对扫帚菜多糖的提取工艺进行预测与分析具有一定的应用意义。

2.3 扫帚菜多糖对DPPH自由基的清除作用

图6 多糖、VC和TBHQ的抗氧化能力Fig.6 Antioxidant activities of polysaccharide,VC and TBHQ

图5 各因素交互作用对多糖得率的影响 Fig.5 Effects of the factors interaction on extraction yield of polysaccharides

由图6可知,随着扫帚菜多糖浓度的增加,对DPPH自由基的清除作用也逐渐增大,当扫帚菜多糖浓度大于80 mg/L时,DPPH自由基清除速率变得缓慢,从图6中可知,DPPH自由基清除率为50%时,扫帚菜多糖的浓度为50.36 mg/L,即IC50为50.36 mg/L,说明扫帚菜多糖对DPPH自由基有较好的清除作用,具有一定的抗氧化能力。另从图中也可以得到VC和TBHQ的IC50值分别为43.75 mg/L和53.64 mg/L,由此可知,扫帚菜多糖,VC和TBHQ的抗氧化能力顺序为VC>扫帚菜多糖>TBHQ。

3 结论

以扫帚菜为原料,对影响超声波辅助提取扫帚菜多糖工艺进行单因素实验,并对各影响因素进行Box-Behnken实验设计和响应面优化,建立了扫帚菜多糖提取的四元二次方程,得到了扫帚菜多糖的最佳提取工艺为:液料比21 mL/g,超声功率76 W,超声温度72 ℃和超声时间24 min。在该条件下,扫帚菜多糖的得率为58.45 mg/g,与预测值的相对误差为1.15%,说明该模型有效。扫帚菜多糖对DPPH自由基有较好的清除作用,具有一定的抗氧化能力,扫帚菜多糖,VC和TBHQ的抗氧化能力顺序为VC>扫帚菜多糖>TBHQ。

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Optimization of ultrasonic-assisted extracting technology of polysaccharides fromKochiaScoparia(Linn.)Schradby response surface methodology and its antioxidant properties

CHEN Wen-juan1,CHEN Jian-fu2,3,*,WU Li-min4,ZHUANG Yuan-hong4

(1.Department of Food Engineering,Zhangzhou City University,Zhangzhou 363000,China; 2.Department of Food and Biology Engineering,Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000,China; 3.Collaborative Innovation Center of Fine Chemicals,Fujian Province,Zhangzhou 363000,China; 4.Department of Biological Science and Technology,Minnan Normal University,Zhangzhou 363000,China)

The ultrasonic-assisted extracting technology of polysaccharides fromKochiaScoparia(Linn.)Schradwas optimized by response surface methodology. Based on the single factor experiment,a quadratic polynomial regression model and the optimal extraction conditions was established about the dependent variable(extraction yield of polysaccharide)and independent variables(liquid-material ratio,ultrasonic power,ultrasonic temperature and ultrasonic time)through a four factors-three levels Box-Benhnken design and response surface methodology. The scavenging effect of polysaccharides on 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl(DPPH)free radical was also studied and comparing with ascorbic acid(VC)and tertiary butylhydroquinone(TBHQ). The results showed that the optimum conditions of ultrasonic-assisted extraction of polysaccharides fromKochiaScoparia(Linn.)Schradwere as follow:liquid-material ratio 21 mL/g,ultrasonic power 76 W,ultrasonic temperature 72 ℃ and ultrasonic time 24 min and yield of polysaccharide could reach up to 58.45 mg/g,the relative error was 1.15% compared to the predictive value,which indicated the feasible model fitted well with the experimental data. TheKochiaScoparia(Linn.)Schradpolysaccharides could effectively eliminate the DPPH free radical,indicating that the polysaccharides had a certain antioxidant capacity. The antioxidant capacity followed the order,VC>polysaccharides>TBHQ.

KochiaScoparia(Linn.)Schrad;polysaccharides;ultrasonic-assisted;optimization;antioxidant properties

2016-11-11

陈文娟(1984-)，女，硕士，讲师，研究方向：食品加工技术，E-mail:chenwenjuan8491@126.com。

*通讯作者:陈建福(1982- )，男，博士，讲师，研究方向：天然产物化学工艺，E-mail:qjf1996@163.com。

福建省中青年教师教育科研项目(JAT160915)；福建省高校杰出青年科研人才培育计划(闽教科[2015]54号)。

TS202

B

1002-0306(2017)11-0219-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.033