青稞β-葡聚糖超声辅助提取工艺优化

邓爱华，杨品红，刘也嘉，张 婷，罗惠媚

（湖南文理学院 生命与环境科学学院，湖南 常德 415000）

近年来，公众对全谷物营养健康食品越来越关注，基于美国和欧盟对β-葡聚糖功效的健康研究报告，富含β-葡聚糖的青稞类食品相关研究的深度和广度不断拓展，而β-葡聚糖的结构、物理性质及营养价值影响其在面制品、乳品、饮料、肉制品和休闲食品中的应用，为此，β-葡聚糖的提取工艺及稳定性研究是青稞开发的关键技术[1-2]。β-葡聚糖在高温长时间作用下，淀粉结构发生变性，从而影响其用途[3-4]。超声辅助溶剂提取法相比于微波提取等兼具提取时间短、温度低和效率高的特点，能有效保证产品品质。本研究通过响应面实验设计优化超声波辅助溶剂提取青稞中的β-葡聚糖工艺参数，以期为β-葡聚糖在食品工业中的深度应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黑青稞：西藏自治区隆子县黑青稞种植专业合作社；β-葡聚糖（纯度99.8%）：国药集团化学试剂有限公司；乙醇、氢氧化钠、苯酚、浓硫酸（均为分析纯）：湖南汇虹试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

ZLGJ-10型真空冷冻干燥机：北京四环科学仪器厂；JR-600型高速多功能粉碎机：永康市云达机械设备厂；EL104型电子天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；KQ5200E型超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；TG16-WS型台式高速离心机：常州金坛良友仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1β-葡聚糖标准曲线绘制

参考文献[5—6]方法，进行调整。精确称取β-葡聚糖52 mg用纯净水溶解，用250 mL容量瓶定容。分别吸取0.2、0.4、0.6、0.8、l.0 mL到玻璃试管中，加纯水补至2.0 mL，然后缓慢加入6%苯酚1.0 mL及浓硫酸5.0 mL，混匀后静止20 min，在波长490 nm处测定吸光度值；以纯净水按上述显色操作做空白对照，β-葡聚糖质量浓度（μg/mL）为X轴，吸光度值为Y轴，绘制标准曲线并拟合方程（Y= 0.060 9X- 0.090 2，R2=0.999 8）。

1.3.2 单因素实验设计

取5份脱脂后的青稞粉各10 g，按一定的固液比加入一定pH值的水溶液，固定超声功率240 W，频率40 kHz，考察固液比（1:10、1:15、1:20、1:25、1:30）、pH值（7、8、9、10、11）、超声温度（20、35、50、65、80 ℃）和超声时间（10、20、30、40、50 min）对提取率的影响，然后在4 000 r/min下离心10 min，取上清液检测β-葡聚糖含量。单因素实验时，固定的参数为固液比1:20（g/mL）、pH值9.0、超声温度35 ℃、超声时间20 min。

1.3.3 响应面实验设计

基于单因素实验下各因素的影响规律，在固液比1 : 20（g/mL）和超声功率240 W条件下，以超声温度（A）、超声时间（B）、溶液pH值（C）为自变量，β-葡聚糖提取率（Y）为因变量，根据Box-Behnken中心组合设计原理，设计响应面法实验方案[7]。实验因素与水平设计见表1。

表1 响应面实验设计因素与水平

1.3.4β-葡聚糖提取率计算

将提取液稀释后微孔过滤，参照上述1.3.1方法测吸光度值，根据标准曲线方程计算β-葡聚糖含量，根据式（1）计算β-葡聚糖提取率（Y）。

式中：Y为β-葡聚糖提取率，%；M1为提取的青稞β-葡聚糖质量，g；M为干燥青稞粉质量，g。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 固液比对β-葡聚糖提取率的影响

如图1所示，随着提取溶剂比例的增大，β-葡聚糖提取率不断增加；当固液比达到1 : 20（g/mL）时，趋势明显变缓。增加溶剂比例有利于β-葡聚糖的溶出，提取率增大，但也会导致单位体积的超声功率减弱，从而使提取率增加不明显。因此，合适的固液比在1 : 20（g/mL）左右。

图1 固液比对β-葡聚糖提取率的影响

2.1.2 溶液pH值对β-葡聚糖提取率的影响

如图2所示，β-葡聚糖得率随pH值的增加呈现先升后降的趋势，在溶液pH为10.0时最大值，可能是随碱性的增加，β-葡聚糖溶解度增大，但溶液碱性过强，会破坏多糖的空间结构及活性[8]。因此，合适的pH值为10.0左右。

图2 溶液pH对β-葡聚糖得率的影响

2.1.3 超声时间对β-葡聚糖提取率的影响

如图3所示，超声作用下，β-葡聚糖能够快速溶出，在20 min时得率达到最大；如进一步延长提取时间，一方面会导致β-葡聚糖发生降解，另外一方面会导致杂质溶出。有研究[9]表明，持续超声对多糖的一级结构有一定的影响，大分子链会降解成小分子片段，从而影响提取率。因此，合适的超声时间为20 min左右。

图3 超声时间对β-葡聚糖得率的影响

2.1.4 超声温度对β-葡聚糖提取率的影响

如图4所示，β-葡聚糖得率随超声温度的增加先增加后减小，当超声温度为65 ℃时β-葡聚糖得率最大。这由于温度会影响β-葡聚糖在溶液中的传质效果和稳定性，合适的温度既能提高β-葡聚糖的溶出度，又能保持其结构的稳定性[10]，有利于提取的进行。因此，合适的超声温度为65 ℃左右。

图4 超声温度对β-葡聚糖得率的影响

2.2 响应面实验

2.2.1 响应面实验设计及结果

响应面实验设计及结果见表2。

2.2.2 回归模型的建立与分析

将表2实验数据代入Design Expert 8.0软件进行响应面分析，得β-葡聚糖提取率与各变量的响应面回归数学模型：

表2 响应面实验设计及结果

表3方差分析结果表明，该回归模型极显著（P＜0.01），失拟项不显著（P＞0.05），说明模型可靠；说明模型与实验值拟合较好；由F值可知，各因素对提取率影响大小依次为：溶液pH值（C）＞超声温度（A）＞超声时间（B）；一次项C、交互项AC和二次项A2、B2、C2对提取率的影响非常显著（P＜0.001）；一次项A、交互项AB、BC对提取率的影响极显著（P＜0.01），说明超声温度、超声时间和提取液pH值两两交互作用对β-葡聚糖得率影响极显著。

表3 响应面回归模型方差分析

2.2.3 交互作用分析

各因素两两交互作用对提取率影响的响应面图和等高线图见图5～图7。对比曲面陡峭程度，发现超声温度（A）与pH值（C）之间存在非常显著的交互作用，超声温度（A）与超声时间（B）、超声时间（B）与pH值（C）之间存在显著的交互作用，与方差分析结果一致。

图5 超声温度与超声时间交互作用的响应面与等高线

图7 超声时间与pH值交互作用的响应面和等高线

2.2.4 最佳提取工艺条件确定

利用Design Expert 8.0软件由所建立的数学模型进行参数最优分析，得出最佳萃取工艺条件为超声温度60.68 ℃、超声时间21.32 min、pH 9.37，β-葡聚糖提取率为2.21%。考虑到实际操作的方便，选取调整后的最优参数为超声温度60 ℃、超声时间20 min、pH 9.5，预测提取率为2.11%，在此条件下进行3次验证实验，平均得率为（2.13±0.053）%，与预测值无显著性差异（P＞0.05），说明模型可靠。

3 结 论

超声辅助溶剂法提取青稞中β-葡聚糖最佳工艺参数为固液比1 : 20（g/mL）、超声功率240 W、超声温度60 ℃、超声时间20 min、pH值9.5，提取率为2.13%。为了进一步拓展β-葡聚糖在提高免疫力、抗肿瘤等保健产品和增稠剂、稳定剂等食品添加剂方面的应用，可以开展稳定性及改性方面的研究。

图6 超声温度与pH值交互作用的响应面和等高线