超声辅助法提取茭白多糖工艺的优化研究

李天一，苏 超，高 婷，戴文娜，何康洁

（芜湖职业技术学院，安徽 芜湖 241006）

茭白是我国仅次于莲藕的第二大水生蔬菜，在安徽多地有广泛种植[1-2]。茭白中富含大量的营养物质，如蛋白质、脂肪、维生素、矿物质等，营养价值较高[3]。茭白不仅营养价值较高，其中含有的多种活性物质也使其具有祛湿气、排毒、促乳、抑制黑色素等药用价值[4]。长期食用可达到软化表皮，令肌肤光滑、细致，达到美容养颜的效果[5]，同样具有抗病毒、抗肿瘤、抗衰老、降血糖和免疫调节等生理功能[6]。多糖就是其中含量丰富的一种活性成分。李吉萍等人[7]采用小鼠试验研究，发现多糖具有抗肿瘤作用，延长了患病小鼠的存活时间。可见活性成分多糖[8]具有较高的营养价值及药用价值，对提取茭白多糖工艺进行优化是研究其价值的基础。

多糖的提取工艺有水提醇沉法[9]、超临界流体萃取法[10]、超声波辅助提取法[11]、酸碱提取法[12]及酶辅助提取法[13]等。水提醇沉法是常见的一种多糖提取方法，操作简单、对设备要求不高，但是提取时间过长，多糖含量较低，成分纯度不高。酸碱提取法所得多糖含量较高，但是选用的酸碱试剂会对多糖的结构产生破坏，所选用的酸碱试剂也很难除去；超临界流体萃取法、酶辅助提取法提取的多糖含量较高，但是该方法对设备的要求较高，提取成本较大，能源消耗较大。综上分析，可选用超声辅助水提醇沉的方式进行多糖的提取，这样可以弥补单纯水提醇沉方法耗时过长的缺点，加快破坏细胞壁的速度，胞内天然成分的释放和扩散速度加快，设备要求不高，成本相对较低。因此，茭白多糖采用超声辅助提取方法进行提取。在单因素试验基础上，利用响应面分析法[14]对多糖提取工艺参数进行优化。以期为后续茭白多糖的纯化、生物活性的研究、功能性产品的开发奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

茭白，购自安徽省芜湖市弋江区大润发超市；苯酚、无水乙醇（分析纯），上海展云化工有限公司提供；浓硫酸（分析纯），上海傅河精细化学品有限公司提供；D(+)-无水葡萄糖标准品，上海源叶生物科技有限公司提供。

1.2 仪器与设备

HH-4 型数显恒温水浴锅，常州亿通分析仪器制造有限公司产品；GZX-9240A 型电热恒温鼓风干燥箱，上海博讯医疗生物仪器股份有限公司产品；UV759CRT 型紫外可见分光光度计，上海佑科仪器公司产品；台式低速离心机，湖南凯达科学仪器有限公司产品；HZK-FA110S 型电子天平，华志电子科技有限公司产品；RE-2010(1 L+500 mL)-IE 型旋转蒸发浓缩仪，济南禾普仪器设备有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 茭白多糖的提取

选择新鲜的茭白进行切块，将其用粉碎机进行粉碎，将粉碎后的茭白放入烘箱中进行烘干备用。称取茭白粉末采用无水乙醇进行提取，提取按照单因素试验和响应面试验中设计的条件进行，将提取的茭白多糖采用旋转蒸发仪进行蒸发浓缩，所制得的浓缩液加入4 倍体积的无水乙醇置于冰箱中沉淀24 h。沉淀完成的溶液以转速5 000 r/min 离心10 min后，对所得到的沉淀物用少量无水乙醇进行洗涤，加水复溶后用旋转蒸发仪将酒精除去，制得茭白多糖，将其进行称重，计算茭白多糖的提取率。茭白多糖提取率的计算公式如下：

1.3.2 制作工艺优化研究

（1） 单因素试验。在多糖提取过程中，考查提取时间、超声功率、液料比对茭白多糖提取率的影响，以茭白多糖的提取率作指标。考查的因素和范围有：提取时间2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 h；超声功率60，70，80，90，100 W；料液比1∶10，1∶20，1∶30，1∶40，1∶50（g∶mL）。

（2） 响应面试验设计。为进一步确定最佳工艺参数，在单因素试验结果基础上进行分析，最终确定以提取时间（A）、超声功率（B）、料液比（C）为自变量，茭白多糖得率作为测定的指标，设计三因素三水平响应面试验，优化最佳多糖提取工艺参数。

响应面试验因素与水平设计见表1。

表1 响应面试验因素与水平设计

1.3.3 茭白多糖含量的测定

（1） 标准曲线的绘制，称取20 mg 葡萄糖标准品将其放入烘箱中烘干至恒质量，然后将葡萄糖标准品放置于容器中用蒸馏水将其进行溶解，并定容置500 mL 容量瓶中，制得葡萄糖标准品溶液，其质量浓度为0.04 mg/mL，使用移液管分别吸取0.40，0.60，0.80，1.00，1.20，1.40，1.60 mL 的葡萄糖标准溶液于具塞试管中，加蒸馏水至2.0 mL，向其中依次加入质量分数为6%的苯酚溶液0.6 mL、浓硫酸2.5 mL，将其进行混匀，冷却20 min 左右，将溶液放置于分光光度计中，在波长490 nm 处进行测定，测定3 次，取其平均值。量取相同体积的蒸馏水在相同的条件下进行吸光度的测定，将其作为空白对照试验。以测定的吸光度作为纵坐标，葡萄糖质量浓度为横坐标，绘制标准曲线[15]，最终得到标准曲线为Y=0.201 4X-0034 5，R2=0.999 6。

（2） 总糖含量的测定。茭白多糖的含量测定方法采用苯酚- 硫酸法。量取制得的茭白多糖溶液1 mL，向其中加入蒸馏水置2 mL，将其进行混匀，将溶液放置于分光光度计中，于波长490 nm 处进行测定，测定3 次，取其平均值，得到吸光度。将吸光度值带入到标准曲线Y=0.201 4X-0034 5 中，可计算出样品中总糖的含量。

1.3.4 数据处理与分析

主要采用SPSS 22.0 对数据进行差异性分析，采用Origin.9 软件作图，利用Design Eexpert 10.0 软件进行响应面试验方差分析。单因素试验均重复3 次，取平均值。

再次，现阶段的高职生大多属于独生子女，且在互联网技术的发展环境中成长，因此他们接受外界信息的来源更加广泛，接收到新思想、新观念也比较多，在这一条件下，他们很难形成系统的、全面的、有效的判断，模糊的是非判断会严重影响他们的思政观念，容易出现跟风的情况，不能够明辨是非，凭借意气用事。

2 结果与分析

2.1 茭白多糖提取工艺的研究

2.1.1 提取时间对茭白多糖得率的影响

在料液比和超声功率保持一致的条件下，以茭白多糖得率为评价指标，研究在不同提取时间对茭白多糖得率的影响。分别以2.5，3.0，3.5，4.0，4.5 h 的提取时间进行提取。

提取时间对茭白多糖得率的影响见图1。

图1 提取时间对茭白多糖得率的影响

由图1 可知，随着提取时间的延长，茭白多糖得率先逐渐升高至最高值后又下降。当提取时间为3.5 h 时，得率达到最大为10.46%。原因可能是随着提取时间的延长，多糖分子被破坏和水解，同时也使一些水溶性杂质溶出，使得茭白多糖得率降低。因此选择提取时间为3.0，3.5，4.0 h 进行响应面优化分析。

2.1.2 超声功率对茭白多糖得率的影响

在料液比和提取时间保持一致的条件下，以茭白多糖得率为评价指标，研究不同超声功率对茭白多糖得率的影响。分别以60，70，80，90，100 W的超声功率进行提取。

超声功率对茭白多糖得率的影响见图2。

图2 超声功率对茭白多糖得率的影响

由图2 可知，随着超声功率的增加，茭白多糖得率先逐渐升高至最高值后又下降。当超声功率为80 W 时，得率达到最大为12.46%。可能原因是部分茭白随着超声功率提高而使多糖降解，因此选择超声功率为70，80，90 W 进行响应面优化分析。

在超声功率与提取时间保持一致的条件下，以茭白多糖得率为评价指标，研究不同料液比对茭白多糖得率的影响。将蒸馏水与茭白粉末按照1∶10，1∶20，1∶30，1∶40，1∶50（g∶mL） 的比例进行提取。

料液比对茭白多糖得率的影响见图3。

图3 料液比对茭白多糖得率的影响

由图3 可知，随着料液比的降低，茭白多糖得率先逐渐升高至最高值后又下降。当料液比为1∶30时，得率达到最大为9.46%，说明多糖已经达到了最大溶解状态。考虑时效、能耗等方面的因素，选择料液比为1∶20，1∶30，1∶40 进行响应面优化分析。

2.2 茭白多糖最佳提取工艺参数确定

2.2.1 响应面数据处理

首先考查了提取时间、超声功率、料液比对茭白多糖得率的影响，选取提取时间为2.5，3.0，3.5 h；超声功率为70，80，90 W；料液比为1∶20，1∶30，1∶40 作为响应面优化的3 个单因素及范围，以测定的茭白多糖得率作为指标，进行响应面优化试验。

响应面优化设计方案及试验结果见表2，方差分析见表3。

表2 响应面优化设计方案及试验结果

表3 方差分析

利用Design Expert 10.0 进行回归拟合分析，得到方差结果。由表3 可知，试验设计范围内总模型p 值＜0.01，表明总模型方程极显著。失拟项p 值＞0.05，不显著，说明预测值和实际值之间的拟合程度较高；校正决定系数R2Adj=0.949 2，决定系数R2=0.977 8，说明该模型拟合程度良好，各因素之间存在着交互作用，其中B、C、AB、BC、AC、A2、B2、C2均呈显著影响。

2.2.2 各因素交互作用分析

提取时间与超声功率对茭白多糖得率的交互影响见图4，提取时间与料液比对茭白多糖得率的交互影响见图5，超声功率与料液比对茭白多糖得率的交互影响见图6。

图4 提取时间与超声功率对茭白多糖得率的交互影响

图5 提取时间与料液比对茭白多糖得率的交互影响

图6 超声功率与料液比对茭白多糖得率的交互影响

若曲面较为平坦，则表示各因素的变化对响应值有较小的影响，反之，则说明各因素的变化对响应值有较大的影响。通过等高线也可以分析2 个因素之间的相互作用强弱，当等高线趋于圆形时，则说明2 个因素之间的相互作用不显著；等高线趋于椭圆时，则说明2 个因素之间的相互作用显著。由图4～图6 可知，提取时间与超声功率、提取时间与料液比、超声功率与液料比之间的交互作用较显著。

2.2.3 验证试验

综合分析响应面试验结果并依据回归模型确定茭白多糖提取的最佳工艺参数为提取时间3.50 h，超声功率81.82 W，蒸馏水与茭白粉末料液比为1∶28.14（g∶mL），在此基础上，茭白多糖提取率为15.67%，总糖含量为81.5%。为了验证试验可靠性，同时综合实际可操作性，将优化工艺参数修改为提取时间3.50 h，超声功率80 W，蒸馏水与茭白粉末的料液比为1∶30（g∶mL），进行3 次平行试验，得到茭白多糖提取率为16.23%，总糖含量为83.5%，相对误差为3.45%。表明试验设计较合理准确，对茭白多糖的提取有一定的参考意义。

3 结论

在考查料液比、提取时间、超声功率单因素试验的基础上，通过响应面软件的设计优化茭白多糖的提取工艺，得到最佳工艺条件为提取时间3.50 h，超声功率81.82 W，蒸馏水与茭白粉末料液比1∶28.14（g∶mL），在此基础上，茭白多糖提取率为15.67%，总糖含量为81.5%。按照实际情况对部分参数进行调整，最终确定茭白多糖提取工艺参数为提取时间3.50 h，超声功率80 W，蒸馏水与茭白粉末的料液比为1∶30（g∶mL），得到茭白多糖提取率为16.23%，总糖含量为83.5%。茭白多糖得率的理论与实际值偏差在3.45%左右，表明该模型的真实性较高，可用于茭白多糖的提取，为后续茭白多糖的纯化、生物活性的研究、功能性产品的开发奠定理论基础。