响应面法优化湖北麦冬多糖提取工艺及其复合饮料研制
2022-02-15张雪莲刘宇飞赵劲松
张雪莲，刘宇飞，赵劲松
（襄阳职业技术学院农学院，湖北 襄阳 441050）
麦冬（Ophiopogon japonicus）又叫麦门冬，味甘、微苦，性微寒，具有养阴生津、润肺清心、除烦安躁等功效［1］。湖北麦冬（Liriope spicata（Thunb.）Lour.var.proliferaY.T.Ma）又称山麦冬，为百合科山麦冬属植物［2］，经中国卫生部（现为国家卫生健康委员会）认可的既可作药物也可作保健食品的中药品种，属于湖北省的道地药材，主要分布于汉江流域的襄阳市，2008年国家质检总局发布公告（《质检总局2008年第53 号公告》），确定了“襄麦冬”的保护范围以及技术要求，并实施地理标志产品专用标志保护。麦冬中含有多种功能活性成分，其中，麦冬多糖是其主要的药效成分之一，具有提高免疫力、降血压、降血脂等功效［3-5］。菊花作为消费者普遍接受的一种传统药食两用植物，具有清肝明目、清热泄火、抗炎、抗氧化、抗癌等功效，菊花多糖是其主要的药效成分之一，且菊花茶花香浓郁，清甜回甘［6，7］。本试验采用水提醇沉法提取多糖，并尝试将菊花与麦冬多糖组合配置饮料，以期为麦冬产品打造及其特色产品开发提供理论参考及研发思路。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
1.1.1 材料与试剂 湖北麦冬，购于湖北省襄阳市襄城区。
葡萄糖标准品、苯酚、无水乙醇、硫酸、蔗糖、柠檬酸，国药集团化学试剂有限公司，以上均为分析纯。
1.1.2 主要仪器设备 HH-6 型数显恒温水浴锅，常州天瑞仪器有限公司；YP10002 型电子天平，上海佑科仪表有限公司；722 型可见分光光度计，上海光学仪器厂；KQ-100E 型超声清洗器，昆山市超声仪器有限公司；GZX-9076MBE 型电热鼓风干燥箱，上海博迅实业有限公司医疗设备厂；RE-52AA 型旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；TL-150Y 型超声波细胞粉碎机，江苏天翎仪器有限公司；JHG-Q60-P100型均质机，上海融合机械设备有限公司。
1.2 试验方法
1.2.1 葡萄糖标准曲线的绘制 称取0.1 g 干燥至恒重的葡萄糖标准品，在去离子水中溶解并定容至100 mL，制得标准溶液。分别移取2.00、4.00、6.00、8.00 及10.00 mL 的标准溶液于100 mL 容量瓶中定容，配制浓度梯度葡萄糖溶液，依次移取2.00 mL 梯度溶液于带塞试管中，编注为1、2、3、4、5 号，分别加注5%的苯酚溶液1.00 mL，振荡混匀后迅速滴加浓硫酸5.00 mL，再次振荡混匀溶液并静置至室温；另选去离子水作空白对照。于490 nm 处测定吸光度，绘制标准曲线，回归方程为y=12.025x+0.061 9，R2=0.999 1，表明葡萄糖浓度在0.02～0.10 mg/mL 浓度范围内与吸光度可呈良好的线性关系。
1.2.2 麦冬多糖提取工艺优化
1）提取方法及含量测定。选取生长良好的湖北麦冬，洗净，切块，干燥，粉碎，烘干至恒重，迅速过筛（60 目）制得样品干粉。称取5.0 g 麦冬干粉，按一定液料比加入90 ℃去离子水，置于预先加热到设定温度的水浴锅中浸提，浓缩浸提液至10 mL，待冷却后再注入6倍体积85%的乙醇溶液沉淀多糖，静置5 h，抽滤，干燥固形物即为多糖。
去离子水溶解所获得的多糖并定容至100 mL，再准确移取1.00 mL溶液稀释250倍，取溶液2.00 mL加苯酚溶液、浓硫酸，测定吸光度，操作同“1.2.1”，计算麦冬多糖得率。
式中，R表示麦冬多糖得率（%）；C表示葡萄糖浓度（g/mL）；m表示样品重量（g）。
2）单因素试验。考察的因素水平：提取次数1、2、3 次，液料比10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1（mL/mg，下同），提取时间40、70、100、130、160 min，提取温度60、70、80、90、100 ℃。
3）响应面试验。提取工艺优化本着节能、高效原则，采用Box-Behnken 响应面法优化提取试验，因素和水平设计见表1。
表1 Box-Behnken 试验因素和水平
1.2.3 麦冬多糖-菊花复合饮料制备
1）饮料制备方法。麦冬多糖提取液：选取品相优质湖北麦冬，洗净，烘干，切块，粉碎，烘干，过60目筛，按液料比20∶1 加入90 ℃的热水提取135 min（125 min 热水浸提、10 min 超声辅助浸提），过滤收集提取液，备用。
菊花浸提液［8］：采用80 ℃的热水将菊花泡3～5 s，滤去水分，加入0.01%小苏打作为护色剂，后再加注10 倍、90 ℃的热水浸提菊花35 min，用食用级纱布对浸提液过滤，冷却至室温，备用。
取适量的麦冬多糖提取液、菊花浸提液，加入蔗糖、柠檬酸，搅拌均匀，转移至均质机均质15 min，装瓶，90 ℃灭菌20 min，冷却后得成品。
2）饮料评价体系建立。饮料以感官评价为指标，选20 名（10 男10 女）专业人员对其进行感官评价，评价体系见表2。
表2 饮料感官评价内容
3）饮料制备单因素试验。考察的因素水平设定为：多糖提取液添加量10%、15%、20%、25%、30%，菊花浸提液添加量10%、20%、30%、40%、50%，蔗糖添加量1%、2%、3%、4%、5%，柠檬酸添加量0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%。
4）饮料配方优化。采用正交试验L9（34）确定饮料最佳配方，因素和水平设计见表3。
表3 正交试验因素和水平
2 结果与分析
2.1 麦冬多糖提取工艺优化结果与分析
2.1.1 单因素试验结果与分析 由图1 可知，提取次数越多，麦冬多糖得率随之增大，但增幅并不明显，本着降低成本、省时省力考虑，确定提取1 次即可。麦冬多糖得率在其他考察因素所选条件增大时，均呈先升后降的趋势。液料比增大引起多糖得率增加的原因可能是由于细胞内外浓度差会随着去离子水的加注量增加而增大，多糖更易向提取剂中扩散，即麦冬多糖就更易浸出；提取时间增加，浸出的多糖越多；分子扩散速度会随温度升高而加快，多糖得率越高［9，10］。而当液料比、提取时间、提取温度的条件持续增大时，在提取过程中可能会有些许杂质出现或多糖分解的问题，导致得率下降［11，12］。
图1 单因素试验结果
2.1.2 响应面法优化提取工艺结果与分析
1）模型的建立及显著性检验。运用Design-Expert 12 软件对表4 中的多糖得率进行拟合，得到回归方程：
表4 Box-Behnken 响应面法优化试验结果
Y=26.95+0.226 3X1+0.288 8X2+0.207 5X3-0.185 0X1X2-0.167 5X1X3-0.112 5X2X3-0.595 5X12-0.775 5X22-0.628 0X32
针对如上回归方程进行方差分析，结果见表5。由表5 可知，所建立模型的P＜0.000 1，极显著；失拟项P＞0.05，不显著，可以得出模型与实际测定数值能够很好地拟合，判断该模型具有较高的可靠性；信噪比（S/N）=26.955 4＞4、R2=0.991 4，从另一方面也表明此模型是可靠的，回归方程推导结果可用于代替真实值。方差分析所显示，X1、X2、X3、X1X2、X12、X22、X32对响应值影响极显著，X1X3对响应值影响显著，X2X3对响应值影响不显著；因素的影响顺序为X2＞X1＞X3，即提取时间＞液料比＞提取温度。
表5 方差分析结果
2）最优工艺确定。分析图2 可知，当分别固定某一因素时，多糖得率随着其他另外2 个因素所选条件的增大，均呈先增加后降低的变化趋势，响应面呈凸形且等高线为椭圆形，X1与X2因素交互作用最强，在某一固定条件下多糖得率有最大值。
图2 响应面法优化提取试验结果
运用Design-Expert 12 软件进行逐步回归计算，确定最佳提取参数为液料比20.734∶1、提取时间134.789 min、提取温度91.316 ℃。为方便实际操作，将最佳提取参数优化为液料比20∶1、提取时间135 min、提取温度90 ℃。此参数条件下进行的3 组试验平均得率26.93%，与预测值（26.99%）相比，相对误差＜1%，表明优化的条件较合理。
2.2 饮料制备配方确定
2.2.1 单因素试验结果与分析 由图3 可知，麦冬多糖-菊花复合饮料的感官评分均随着配料的增加呈先升高后下降的趋势。访问测评者及分析其原因，主要是因为麦冬多糖-菊花复合饮料应具有独特的风味，酸甜适中，质地澄清，色泽透亮、不浑浊。配料添加不当会影响饮料的综合评价。
图3 饮料制备单因素试验结果
2.2.2 饮料最佳配方确定 正交试验优化饮料配方结果见表6。对比极差（R）判断影响复合饮料品质的顺序为A＞B＞D＞C。通过直观分析得出复合饮料的最佳配方为A2B2C3D1。最优配方为多糖提取液添加量15%，菊花浸提液添加量30%，蔗糖添加量4%，柠檬酸添加量0.10%。
表6 正交试验结果
3 小结
本试验选择水提醇沉法提取麦冬中的多糖，并利用其配制麦冬多糖-菊花复合饮料。经优化确定湖北麦冬多糖最佳提取工艺参数为液料比20∶1（mL/mg）、提取时间135 min、提取温度90 ℃；复合饮料最佳配方为多糖提取液添加量15%，菊花浸提液添加量30%，蔗糖添加量4%，柠檬酸添加量0.10%。通过对湖北麦冬中多糖的提取方法及其复合饮料配方的摸索，为相关产品研发提供了积极有益的参考价值，同时对兼有药用及保健功能中药的产品深度开发奠定了研究基础，为湖北麦冬特别是“襄麦冬”这一区域特色农产品加工产业链延伸、产业发展及乡村振兴提供了科技支撑。
