响应面优化微波辅助提取魔芋多糖的工艺

朱丹*，麻秀萍，杨菁，郭江涛

贵州中医药大学药学院（贵阳 550025）

魔芋（Amorphophallus konjac），别名天南星、蛇头草、花莲杆，是天南星科的多年生草本植物魔芋的球状块茎[1]。魔芋中含量最多的是以葡甘露聚糖为代表的多糖类物质。魔芋多糖是一种复合型糖，是已知植物多糖中黏度最大的天然高分子多糖[2]。研究表明，魔芋多糖具有降血脂、降血糖[3-4]、抗衰老[5]、抗癌[6]、抗炎[7]等多种生物学功能，还具有独特的水溶性、成膜性、增稠性和凝胶性[8]，近年来越来越受到食品保健、运动医学、医疗环保等领域的广泛关注。因此，如何高效提取魔芋多糖，成为魔芋产品开发及提高产业竞争力的关键问题。微波辅助提取具有提取效率高、提取速度快、操作简便等优点[9]，在食品及中药提取方面具有较高的应用前景。试验采用微波辅助提取结合响应面优化法对魔芋多糖的提取工艺进行考察，为魔芋多糖的进一步开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

食用魔芋（市售）；娃哈哈饮用水；无水乙醇、浓硫酸、苯酚（分析纯，川东化工）；D-无水葡萄糖对照品（200098-190602，江苏永健医药科技有限公司）。

1.2 仪器与设备

UV-5900型紫外分光光度计（上海元析仪器有限公司）；PJ21C-AN微波炉（美的公司）；DRHH-1型数显恒温水浴锅（上海双捷实验设备有限公司）；H11650-W型离心机（湘仪离心机有限公司）；FA2204N型电子天平（上海箐海仪器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 对照品溶液的制备

精密称取102.75 mg葡萄糖对照品，置于500 mL容量瓶中，加蒸馏水溶解，定容至刻度，摇匀，即得

0.205 5 mg/mL的葡萄糖对照品溶液。

1.3.2 魔芋中还原糖的去除

由于还原糖会干扰多糖的含量测定，因此需将魔芋中的还原糖去除。取干燥至恒重的魔芋粉末，称取1 g置250 mL圆底烧瓶中，加入200 mL 65%乙醇[10]于微波中回流提取20 min，过滤，将滤渣挥干至恒重，除去还原糖。

1.3.3 魔芋多糖的提取工艺

将1.3.2的方法干燥至恒重的魔芋粉末，精密称定1 g，置于500 mL圆底烧瓶中，加入250 mL蒸馏水于微波炉中420 W功率下回流提取35 min，冷却至室温，转移至离心管中，离心20 min（2 000 r/min），合并上清液，即得魔芋多糖提取液样品。

1.3.4 魔芋多糖含量的测定

1.3.4.1 标准曲线的绘制

精密移取0.20，0.30，0.40，0.50和0.60 mL对照品溶液置于具塞试管中，用蒸馏水补足2 mL，加1.00 mL 5%苯酚溶液，在室温水浴中缓缓加入5 mL浓硫酸，振摇，冷却至室温，放入沸水浴35 min，取出流水冷却至室温，以蒸馏水为空白对照，于490 nm测定吸光度，以葡萄糖浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。

1.3.4.2 样品中多糖的含量测定

精密移取0.5 mL 1.3.3小节的魔芋多糖提取液样品置于25 mL容量瓶中，加蒸馏水定容至刻度，精密移取2 mL，加1.00 mL 5%苯酚溶液，在室温水浴中缓缓加入5 mL浓硫酸，振摇，冷却至室温，放入沸水浴35 min，取出流水冷却至室温，以蒸馏水为空白对照，于490 nm测定吸光度。根据标准曲线计算出样品中多糖提取率，按式（1）计算多糖提取率。

式中：C为由标准曲线计算出的多糖浓度，μg/mL；V为提取液体积，mL；F为稀释倍数；M为魔芋质量，g。

1.3.5 提取条件单因素试验

以魔芋中总多糖的提取率为指标，研究微波功率、提取时间、料液比3个因素对魔芋多糖提取率的影响。

1.3.5.1 微波功率对魔芋多糖提取率的影响

在固定料液比1∶150（g/mL）、提取时间30 min条件下，考察不同微波功率（140，280，42，560和700 W）对魔芋多糖提取率的影响。

1.3.5.2 提取时间对魔芋多糖提取率的影响

在固定微波功率420 W、料液比1∶150（g/mL）的条件下，考察不同提取时间（5，15，30，45和60 min）对魔芋多糖提取率的影响。

1.3.5.3 料液比对魔芋多糖提取率的影响

在固定微波功率420 W、提取时间30 min的条件下，考察不同料液比（1∶150，1∶175，1∶200，1∶225和1∶250 g/mL）对魔芋多糖提取率的影响。

1.3.6 响应面法优化提取条件

根据单因素试验的结果，通过Design Expert 8.0软件中的Box-Behnken设计，对提取条件进行优化，分析魔芋多糖的最佳提取条件[11-12]。

2 结果与分析

2.1 标准曲线的绘制

葡萄糖标准曲线见图1，回归方程为A=0.035 27C+0.145 4（R2=0.996 0），结果表明葡萄糖质量浓度与吸光度在5.138~15.413 μg/mL内线性关系良好。

图1 葡萄糖标准曲线

2.2 魔芋多糖提取条件单因素试验

2.2.1 微波功率对魔芋多糖提取率的影响

由图2可知，魔芋多糖提取率先随微波功率升高而升高，微波功率达到420 W时，提取率最高。随后微波功率继续升高，提取率反而降低。这是由于微波功率较低时，小分子的物质先被浸提出来，而大分子的多糖类物质浸出较少，且速度较慢，随着微波功率增大，多糖类物质的浸出速度加快，浸出量增多；微波功率继续增大，多糖的水解速度也增大，从而使得魔芋多糖的提取率降低。而且微波功率过大，易使溶液爆沸，增加操作难度[13]。所以，微波功率选择420 W。

图2 微波功率对提取率的影响

2.2.2 提取时间对魔芋多糖提取率的影响

由图3可知，魔芋多糖提取率随着提取时间呈现先上升后下降趋势，提取时间30 min时，提取率最高。微波提取时间较短，多糖无法完全溶出，因而提取率较低，在30 min时提取率最高，继续延长微波提取时间，提取率降低，可能是由于魔芋多糖在提取30 min后，已基本溶出，继续延长微波提取时间反而加剧多糖分解[14]，使得提取率降低。所以，提取时间选择30 min。

图3 提取时间对提取率的影响

2.2.3 料液比对魔芋多糖提取率的影响

由图4可知，料液比1∶225（g/mL）时，提取率最大，继续提高料液比，提取率略有下降。料液比较低时，由于魔芋多糖是可溶性多糖，导致溶液黏度较大，分子溶出的阻力较大，提取不完全，因此提取率较低。随着料液比增加，提取率显著上升。料液比继续增加，而提取时间保持不变，相当于增加微波能耗，因此提取率略有降低。所以，料液比选择1∶225（g/mL）。

图4 料液比对提取率的影响

2.3 响应面优化魔芋多糖的提取工艺

2.3.1 因素水平的设计

基于单因素试验的结果，选择微波功率、提取时间、料液比为自变量，魔芋多糖的提取率为响应值进行试验设计，因素水平设计表见表1。

表1 响应面因素水平设计表

2.3.2 响应面试验结果及分析

根据表1中响应面试验方案，设计试验及结果见表2，回归方程方差分析见表3。

表3 回归方程方差分析

从响应面结果分析来看，该模型的p值小于0.000 1，说明该回归模型具有显著差异，失拟项p值大于0.05，表示该回归模型影响极显著，与试验拟合良好，可用于魔芋多糖的提取优化[15]。在该模型中，自变量B、C、B2对魔芋多糖提取率的影响极显著，说明提取时间和料液比对魔芋多糖的提取率影响大；自变量AC、BC、A2、C2对魔芋多糖提取率的影响显著，说明微波功率和料液比的交互作用及提取时间和料液比的交互作用对魔芋多糖的提取率影响较大。魔芋多糖的提取率符合二次回归方程为Y=15.38-0.15A+2.32B+2.26C-0.34AB-1.10AC+0.91BC-1.49A2-2.23B2-1.52C2（R2=0.990 3）。

2.3.3 响应面各因素交互作用分析

用Design Expert 8.0软件对试验结果进行响应曲面的分析，得出2个因素之间对魔芋多糖提取率的响应曲面图和等高线图，如图5~图7所示。

响应曲面和等高线图反映2个因素交互作用对魔芋多糖提取率的影响，响应曲面越弯曲，表明影响越显著；等高线图形状越接近椭圆形，表明影响越显著。从图5~图7可以看出，AC与BC交互作用对魔芋多糖的提取率影响较为显著，响应曲面坡度较大，等高线呈椭圆形，与回归方程方差分析结果一致。从魔芋多糖提取率的二次回归方程可以看出，在A、B、C这3项中，对魔芋多糖提取率影响顺序为B＞C＞A。说明提取时间的影响最大，料液比次之，微波功率的影响最小。

图5 微波功率和提取时间交互作用对提取率的影响

图7 提取时间和料液比交互作用对提取率的影响

图6 微波功率和料液比交互作用对提取率的影响

2.4 最佳提取条件验证

通过响应面分析优化，使用Design Expert 8.0软件对回归方程进行计算，得到微波辅助提取魔芋多糖的最佳工艺：微波功率350 W、提取时间34.2 min，料液比1∶250（g/mL）。在此条件下模型预测的提取率为17.66%。在此基础上，考虑到实际工作中的可操作性，确定最后的提取工艺为微波功率420 W、提取时间35 min、料液比1∶250（g/mL）。在此条件下进行3次平行试验进行验证，验证试验测得魔芋多糖的提取率为17.35%，与模型预测值接近，无显著差异，表明响应面分析方法的模型选择合适，可用于确定最佳提取试验条件。

3 结论

魔芋多糖具有多种生物学活性及独特性能，在食品、医药等各领域都有较大的开发应用价值。试验选用提取效率高、提取速度快的微波辅助提取法提取魔芋中的多糖，在单因素试验的基础上，利用响应面分析对其提取条件进行优化，并依据试验结果对提取率进行回归拟合，分析得出的最佳提取条件为微波功率420 W、提取时间35 min、料液比1∶250（g/mL）。在此试验条件下测得提取率为17.35%。试验为魔芋多糖的提取开发与利用提供一定理论基础。