星点设计—响应面法优化黄芪多糖超声提取工艺

王 丹，王 娟

（徐州生物工程职业技术学院，江苏徐州221006）

黄芪中有多糖、黄酮和皂苷等成分，利于托毒利尿、补气固表、生肌敛疮，还可以有效增强人体的免疫调节能力，对控制人体血糖、延缓衰老、抑制癌症等有一定的效果，此外还能有效提高人体心肺功能。本文主要研究超声波提取和加温煎煮结合提取黄芪多糖的工艺方法，首先进行单因素试验，之后再运用响应面法来确定黄芪多糖的最佳提取参数，为工业化生产提供研究思路。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

黄芪饮品药材，北京同仁堂药店；D-葡萄糖、无水乙醇、苯酚、浓硫酸等，分析纯。FA2204 电子天平（上海力辰）；UV-9600 型紫外分光光度计；JP-080S 超声波清洗机；RE-5003 旋转蒸发仪。

1.2 多糖提取工艺方法

黄芪饮片处理成粉，准确称取3.000 g，利用超声波并加温辅助提取黄芪多糖,用Sevag 试剂去除提取液中的蛋白，并用无水乙醇沉降，取滤液加水稀释至100 mL，再取0.5 mL 稀释液定容至100 mL。

1.3 多糖提取率的测定方法

对照品用D-葡萄糖，用苯酚-硫酸显色法显色，检测波长488 nm，测定其吸光度。用D-葡萄糖浓度（mg/mL）作横坐标X，吸光度作纵坐标Y，绘制标准曲线，并得到方程式Y＝13.046 X+0.509 1，r＝0.994 0。在0.002 ～0.012 mg/mL 区间范围内呈线性。

2 结果与讨论

2.1 优化单因素试验结论

2.1.1 单因素物料比的优化结果

准确称取3 g 黄芪粗粉,超声时间15 min，超声功率350 W,温度85℃，做五组平行试验取平均值，结果见图1。最初在一定范围内，随物料比的增加黄芪多糖的提取率逐渐升高，但当物料比＞1∶11 g/mL 后，黄芪多糖提取率基本不变。因此综合考查各方面因素，最佳物料比最终选取1∶11 g/mL。

图1 单因素物料比的优化结果

2.1.2 单因素超声时间优化结果

图2 单因素超声时间优化结果

准确称取3 g 黄芪粗粉，超声功率350 W，物料比为1∶11 g/mL，温度为85℃,做五组平行试验，取平均值，结果见图2。

试验初期，黄芪多糖提取率随时间增加而迅速升高，但当超声时间达到15 min 后，黄芪多糖提取率不增反而有所降低，因此最佳超声时间确定为15 min。

2.1.3 提取温度对黄芪多糖提取率的影响

准确称取5 份3 g 黄芪粗粉,考查提取温度对黄芪多糖提取率的影响，在功率为350 W，物液料比1∶11（g/mL），时间15 min 试验条件下，在45℃～85℃进行单因素试验，结果见图3。提取温度逐渐升到75℃，多糖提取率也随之升高，但大于75℃后多糖提取率基本无变化。因此，提取温度75℃为最优试验条件。

图3 不同提取温度对黄芪多糖提取率的影响

2.1.4 超声功率对黄芪多糖提取率的影响

在其他因素确定条件下，设定150 W、250 W、350 W、450 W、550 W 功率下进行5 次平行单因素试验，取5次试验平均值，试验数据见图4。随超声功率逐渐升高，黄芪多糖提取率也逐渐升高。超声功率小于450 W 时黄芪多糖提取率增长速度显著，450 W ～550 W 之间黄芪多糖提取率增加不显著。最终确定最优超声功率为450 W。

图4 超声功率对黄芪多糖提取率的影响

2.2 响应面法优化多糖提取条件

2.2.1 Box-Benhnken 试验设计与结果

根据单因素试验数据设定各因素的范围，用多糖提取率作为评价指标，选取3 因素3 水平共17 组试验，具体因素设计水平数据见表1，结果见表2。

表1 黄芪多糖提取优化试验三因素三水平编码表

表2 黄芪多糖Box-Benhnken 设计与结果

用Design Expert 7.0 软件分析试验所得数据，可以得到模型模拟方程式为Y=-50.097 9+0.528 7A+2.496 4B+0.183 7C-0.011 2AB-0.000 1AC+0.001 4BC-0.010 6A2-0.124 7B2-0.000 2C2，R2=0.987 1，结果见表3。

表3 方差分析结果

分析方差结果可知，F=59.54，P 值＜0.01，说明该模型极显著，R2=0.987 1，RAdj2=0.970 5，失拟项为0.315，差异不显著（P＞0.05），表明试验和模型拟合较好，误差较小，用于预测各因素条件下的响应值是合理的。分析结果可知，对多糖的提取率影响中物料比（B）、超声功率（C）、物料比的平方（B2）、超声功率的平方（C2）影响差异性极为显著（P＜0.01）；AB 两因素和BC 两因素对多糖提取率的影响则不显著（P＞0.05），说明三因素之间的影响作用较小。通过F 值可知，各因素的影响为：超声功率＞物料比＞时间。

2.2.2 响应面及等高线分析

超声时间（A）、物料比（B）、超声功率（C）三因素构成了3D 响应面图。通过3D 响应面图分析可知，在因素相互作用的过程中，多糖提取率均先升高后减缓，3D 曲面的顶点即为多糖提取率的最高值。由3D 曲面图坡度陡峭程度综合分析可知，影响的主要因素为物料比（B）。

由等高线图5 分析可知，A 和B、A 和C 的交互作用较大，两因素交互作用显著；B 与C 交互作用也较显著，但与前两对因素相比，B 与C 交互作用弱一些。

图5 3D 响应面图和等高线图

2.2.3 验证试验

通过软件Design Expert 7.0 分析确定的最优条件预测值为：超声时间16.22 min，物料比1∶11.67（g/mL），超声功率425.12 W，预测多糖提取率为7.81%。根据实际操作方便性考虑，对各因素进行适当调整，调整后最佳条件为：超声时间16 min，物料比1∶11（g/mL），超声功率430 W，进行三次重复提取试验，求出多糖提取率为7.58%，结果与预测值接近，表明响应面分析所得的模型是有效的，得到的方程能反映试验各因素对多糖提取率的影响。

3 结论

本文根据单因素试验结果，运用Box-Benhnken 响应面法对多糖提取影响因素进行优化。优化结果显示，超声时间、物料比和超声功率对多糖提取率影响均显著，两个因素之间均有一定交互作用。最终确定的最佳提取条件为：超声时间16 min，物料比1∶11 g/mL，超声功率430 W，此条件下多糖提取率为7.58%。验证模型可靠，可为优化黄芪多糖的提取工艺提供一定的参考。