超声波辅助热浸提甘薯多糖工艺研究

2018-03-12田璐李凌燕王伟青肖海峻杨新建母婷婷

山西农业大学学报（自然科学版） 2018年3期

田璐，李凌燕，王伟青，肖海峻，杨新建，母婷婷

(北京农业职业学院, 北京 102442)

甘薯，旋花科一年生草本植物，原产于美洲，16世纪末引入中国，甘薯中含有糖蛋白、多糖、花色苷、类黄酮等多种生物活性物质，都具有独特的生理保健作用和药用价值。研究发现，甘薯多糖具有抗氧化性、清除自由基作用，增强免疫、抗肿瘤作用，降低血糖、抗衰老作用，降血脂、抗动脉粥硬化作用等多种生理作用[1～4]，甘薯多糖是从甘薯中提取的一类水溶性糖类混合物，白色的固体粉末，可溶于水，但难溶于高浓度的甲醇、乙醇、乙醚等有机溶剂，利用这一性质来提取甘薯多糖。

目前，甘薯多糖的提取方法主要有水提法、超声波提取法、微波提取法、酶解法等[5～10]，其中以水提法最为常见，该方法耗时长，能耗高，提取率也比较低。而超声波辅助热水浸提法具有能够节约时间，消耗能量少的优点，而且甘薯多糖的提取率也非常高，这种方法不仅适用于甘薯多糖的提取，而且近年来已经被广泛的应用到各种植物活性成分的提取中[7,11]。甘薯多糖以国内研究居多，主要集中在多糖提取分离、组分分析和生物活性等方面; 而国外研究较少，侧重于多糖的鉴定和生物活性研究[12]。本研究采用单因素试验法和正交试验法对超声波辅助热水浸提法提取甘薯多糖的工艺条件进行优化，以期得到最佳甘薯多糖的提取工艺，为甘薯资源的进一步开发提供科学依据。

1 材料

1.1 材料

甘薯：来源于北京市大兴区庞各庄镇农业技术推广站。

无水乙醇、95%乙醇、丙酮、无水乙醚、葡萄糖、浓硫酸、三氯甲烷、正丁醇和苯酚均为分析纯。

1.2 仪器

UV型紫外-可见分光光度计(尤尼柯仪器有限公司)；KQ-700VDE型三频数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；TDL-5通用台式离心机(上海安亭科学仪器厂)；ZF-602真空干燥箱(上海申贤恒温设备厂)。

2 方法

2.1 甘薯的预处理

新鲜甘薯洗净，削皮切细丝，放到60 ℃的干燥箱内连续烘干4 h,完全干燥后，使用粉碎机5 min将其完全打碎，过40目筛，装袋备用。

2.2 超声波辅助提取甘薯多糖工艺流程

甘薯→干燥、粉碎→超声浸提→过滤→滤液浓缩→醇沉、离心→沉淀复溶→脱蛋白→水层醇沉→离心、洗涤沉淀→干燥→粗多糖[13～15]；

具体过程：取干燥粉碎好的甘薯粉3 g，按照每次单因素的料液比情况加水复融，超声提取规定次数后，合并滤液，减压浓缩4倍，加入4倍体积的无水乙醇沉淀，4 ℃冰箱静置过夜。8 000 r·min-1离心10 min后，用蒸馏水复溶，用Sevage法进行脱蛋白，水相继续醇沉离心，沉淀依次使用无水乙醇、丙酮和无水乙醚洗涤，以便除去残留的有机溶剂和出去多余的水分，将沉淀干燥即可得到甘薯的粗多糖。

2.3 甘薯多糖含量的测定

2.3.1 标准曲线的绘制

准确称取105 ℃干燥至恒重的葡萄糖标准品1 g，溶解稀释后定容于100 mL容量瓶中，配成10 g·L-1的标准贮备液，再精密量取贮备液1 mL定容至100 mL的容量瓶中，配成0.1 g·L-1的葡萄糖标准液。

精密移取0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL的葡萄糖标准液于25 mL的具塞刻度试管中，加蒸馏水补至2.0 mL，然后加入6%的苯酚溶液1.0 mL，摇匀，并迅速加入浓硫酸溶液5.0 mL，充分振荡，立即将试管放入沸水浴中，加热15 min，取出后冷却至室温，于490 nm波长下测其OD值，以多糖含量为横坐标，光密度值为纵坐标，得出标准曲线方程。

2.3.2 样品测定

吸取2.0 mL适当浓度的甘薯多糖提取液，并以其中的一支试管加入2.0 mL的蒸馏水作为空白对照，接着向各个试管中加入1.0 mL 6%的苯酚溶液混匀后并立即加入5 mL浓硫酸，充分振荡后迅速浸入沸水浴中准确煮沸保温15 min 后取出，并冷却至室温后于490 nm波长下测定吸光度值，平均测定3次，取平均值。

甘薯粗多糖提取率/%=

2.4 单因素试验

以甘薯粉为原料，固定的350 W超声频率，分别以超声时间(15、30、45、60、75 min)、料液比(1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30)、超声温度(30、40、50、60、70 ℃)和提取次数(1、2、3、4、5)作为单因素，分析不同提取条件对甘薯多糖提取率的影响。

2.5 正交试验

根据单因素试验结果，用正交试验对甘薯多糖的提取工艺参数进行优化，具体因素水平表见表1。

3 结果与分析

3.1 葡萄糖标准曲线的绘制

精密移取葡萄糖标准液0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL于25 mL的具塞刻度试管中，加蒸馏水补至2.0 mL，加6%的苯酚溶液1.0 mL，摇匀，并迅速加入浓硫酸溶液5.0 mL，充分振荡，立即将试管放入沸水浴中，加热15 min，取出后冷却至室温，490 nm波长下测其OD值，以多糖含量为横坐标，OD值为纵坐标，得出标准曲线方程(图1)为:

表1 L9(34)正交试验因素水平表

Table1 The factors and levels for the L9(34)orthogonal design

水平Levels因素FactorsA超声温度/℃UltrasonictemperatureB超声时间/minUltrasonictimeC料液比/m∶vMaterialandsolventratioD超声次数/次Ultrasonicextraction150451∶201260601∶252370751∶303

图1 葡萄糖标准曲线Fig.1 Glucose standard curve

y=0.9543x+0.0088，R2=0.9916。

3.2 单因素试验结果

3.2.1 超声时间对甘薯多糖提取率的影响

图2 超声时间对提取率的影响Fig.2 The effect of extraction time on extraction rate

由图2可知，多糖提取率随着超声波处理时间的延长而快速升高。当超声波处理时间为60 min时，提取效果较好。超声处理时间继续增加，多糖提取率逐渐下降。

3.2.2 料液比对甘薯多糖提取率的影响

从图3可知，料液比对甘薯多糖的提取率影响较大，在料液比为1∶10～1∶20范围内，多糖提取率随料液比增加而呈大幅度的增大，而当料液比高于1∶20后，多糖提取率不再升高。

图3 料液比对提取率的影响Fig.3 The effect of liquid ratio on extraction rate

3.2.3 提取温度对甘薯多糖提取率的影响

从图4可知，超声温度对提取率有影响，温度低于60 ℃时，随着温度的升高，提取率增加，当温度超过60 ℃时，提取率略有降低。结果表明，60 ℃是最佳提取温度。温度升高对多糖的影响较大。

图4 超声温度对提取率的影响Fig.4 The effects of extraction temperature on extraction rate

3.2.4 提取次数对甘薯多糖提取率的影响

由图5可知，在提取次数为1～3次时，甘薯多糖的提取率随提取次数的增加而增大，当提取次数超过3次以后，提取率几乎不再增加。

3.3 正交试验结果

在单因素试验的基础上，用正交试验对甘薯多糖的提取工艺进行优化，结果见表2。

根据表2极差分析的R值可看出，对甘薯多糖提取率影响最大的是提取温度，其次是提取时间和料液比，最后是浸提次数，即提取温度>提取时间>料液比>提取次数。由于提取次数(D)对提取率影响最小，在方差分析中其作为误差项，由表3方差分析可知，超声提取温度(A)对多糖提取率的影响极为显著，超声提取时间(B)和料液比(C)对提取率影响显著。

图5 提取次数对提取率的影响Fig.5 The influence of extraction frequency on extraction rate

编号NumberABCD多糖提取率/%Extractionrate1111120.572122223.483133324.294212321.585223128.596231226.787313230.558321332.819332127.14K168.3472.7080.1676.30K276.9584.9472.2080.81K390.5078.2183.4378.68k122.7824.2326.7225.43k225.6528.3124.0726.94k330.1726.0727.8126.23R7.394.083.740.71

表3 方差分析表Table 3 Analysis results of variance

注：**表示差异极显著(P<0.01)，*表示差异显著(P<0.05)。

Note：**show significant diffrernce at the 0.01 level,*show significant difference at the 0.05.

根据表2的提取率比较可知最高的提取率为32.81%，所对应的最佳提取条件是A3B2C1D3,即提取温度70 ℃，提取时间60 min，料液比1∶20，连续提取3次。在此条件下，进行了5次重复试验，结果见表4，重复试验结果稳定，平均甘薯多糖的得率为32.95%。

表4甘薯多糖提取工艺条件验证试验结果

Table4 Test results of extraction process of sweet potato polysaccharide

试验号Testnumber多糖得率/%Polysaccharideyield132.88232.97332.99432.93532.98平均得率/%32.95

4 讨论与结论

甘薯干燥粉末吸收水分，料液比过小，超声探头发出的超声波不能在介质中很好传递，不利于超声波作用的发挥；料液比过高则使处理后浓缩溶剂的步骤变得困难繁琐，而且长时间加热会使多糖分解甚至变性，所以选择最佳的比例来展开试验尤为重要。超声波辅助提取草本植物中有效成分已经被广泛应用，用超声波与热水浸提的方法相结合提取多糖，提取的时间远比传统方法提取多糖时间短，既节省试验成本，也使多糖的提取率大大提高。但超声波产生的噪音过大，处理时间不宜过久。林娟[14]等采用水提法提取甘薯多糖，其优化的工艺条件为:提取温度85 ℃, 料液1∶7, 提取时间2.5 h, 提取率为26.71%；全桂静[16]等采用热水浸提法提取甘薯块根多糖，在浸提温度65 ℃、料液比为1∶20，浸提时间2.5 h，浸提液pH=6.5，粗多糖得率可达31.34%；付宏媛[17]等采用酶法结合热水浸提甘薯多糖, 提取率为5.55%；林茹[11]等采超声波辅助热水浸提方法提取甘薯多糖甘薯多糖提取工艺的最佳条件为:料液比1∶6, 在70 ℃提取45 min, 提取3次后得到的提取率最高为23.68%。李利华[7]采用超声辅助提取甘薯多糖，最佳提取工艺为：浸提温度70 ℃，浸提时间60 min，料液比1∶25，超声功率350 W，在此工艺条件下甘薯多糖提取率为32.22%；本试验采用超声波辅助热水法提取甘薯多糖，在单因素试验基础上，用L9(34)正交试验优化工艺条件，利用硫酸-苯酚法测定多糖含量，Sevage法对粗多糖进行纯化。结果表明，采用固定350 W超声频率，甘薯多糖的最佳提取条件为：浸提温度60 ℃，料液比为1∶20，提取时间为60 min，连续提取3次后合并提取液，甘薯多糖提取率高达32.95%。其中浸提温度对甘薯多糖提取率的影响最为显著，提取时间和料液比影响显著，提取次数对甘薯多糖提取率的影响不显著。

综上所述，采用超声波辅助热水浸提法提取甘薯多糖的方法不仅提高多糖的得率，而且节约时间，本试验得到的最佳提取工艺在实际生产中可行。

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