响应曲面法优化山蕗菜根多糖的提取工艺.kdh

2010, Vol. 31, No. 02 食品科学 ※工艺技术46 响应曲面法优化山蕗菜根多糖的提取工艺 王 鸿，邓泽元 *，刘 蓉，范亚苇，李 静 (南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室，高等研究院，江西 南昌 330047) 摘 要：以山蕗菜根提取类黄酮后的残渣为材料，研究山蕗菜根多糖的提取工艺。在单因素试验基础上，选定提 取温度、时间和料液比 3 个因素的 3 个水平进行中心组合试验，建立多糖提取率的二次回归方程，通过响应面分 析得到优化组合条件。结果表明：提取工艺条件为提取温度 70℃、提取时间 2.3h、料液比 1:45(g/mL)、提取 1次 时，多糖提取率达到最大值。该条件下多糖提取率预测值为 35 .04%，验证值为 34 .74%。 关键词：山蕗菜根；多糖；提取工艺；响应曲面法优化 Optimization of Extraction Technology of Polysaccharides from Petasites tricholobus Roots by Response Surface Analysis WANG Hong，DENG Ze-yuan*，LIU Rong，FAN Ya-wei，LI Jing (State Key Laboratory of Food Science and Technology, Institute of Advanced Studies, Nanchang University, Nanchang 330047, China) Abstract：Crude polysaccharides were prepared from the residue of Petasites tricholobus roots after flavonoids extraction. According to single-factor experiments, three levels of the factors including extraction temperature, extraction time and liquid/solid ratio were selected for the central composite design to establish a quadric regression equation for predicting the yield of polysaccharides. By response surface analysis, the optimum extraction conditions were obtained as follows: extraction tempera- ture 70 ℃, extraction time 2.3 h and liquid/solid ratio 45:1, which led to estimated and observed values of maximal yield of polysaccharides of 35.04% and 34.74%, respectively. Key words：Petasites tricholobus roots；polysaccharides；extraction technology；response surface methodology 中图分类号：TS255.36 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2010)02-0046-05 收稿日期：2009-03-23 作者简介：王鸿(1984—)，男，硕士研究生，主要从事天然产物、食品科学等研究。E-mail：287068145@qq.com * 通信作者：邓泽元( 1 9 6 3 —)，男，教授，博士，主要从事脂肪酸及天然产物等研究。 E-mail：dengzy28@yahoo.com.cn 山蕗菜，中文学名掌叶蜂斗菜 ( P e t a s i t e s tricholobus A. Gray)，系菊科蜂斗菜属植物，广泛分 布于我国西北、西南地区。一般于夏、秋季采挖根基， 鲜用或晒干。蜂斗菜“苦辛，凉”，可“解毒祛癖。 治扁桃体炎，痈肿疗毒，毒蛇咬伤”，“消肿止痛， 解毒祛癖，治跌打损伤，毒蛇咬伤”[ 1 ]。到目前为止， 对其多糖的研究尚未见报道。山蕗菜根中除了含有倍半 萜内酯和三萜类化合物[2]、粗纤维、挥发油等以外，还 含有丰富的多糖类化合物。大量药理及临床研究证实， 多糖有抗癌、抗肥胖、控制血糖、降胆固醇、降血 脂等生理功能[3]。但在现实工业化生产中，开发利用植 物资源时其总异黄酮和多糖提取往往相互分离，顾此失 彼，而植物根的采挖必将造成大量的植被破坏和水土流 失，不利于生态环境的保护[ 4 ]。因此，探索山蕗菜黄 酮与多糖等综合开发的道路，提高山蕗菜根资源的综合 利用率和利用价值具有较大的现实意义。 响应面 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 (response surface methodology，RSM) 法系采用多元二次回归方法作为函数估计的工具，将多 因素试验中因素与指标的相互关系用多项式近似拟合， 依此可对函数的响应面和等高线进行分析，研究因素与 响应面之间、因素与因素之间的相互关系。它与过去 广为使用的“正交试验 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 法”不同，具有实验周期 短，求得的回归方程精度高，能研究几种因素间交互 作用等优点[5]，由于其合理的设计和优良的结果，已被 越来越多的食品行业工作者采用[6]。 本实验主要利用山蕗菜根提取黄酮后的残渣提取山 蕗菜根多糖，用蒽酮 -硫酸法绘制 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 曲线，以粗多糖 提取率为依据，利用响应面分析法对山蕗菜根多糖提取 47※工艺技术 食品科学 2010, Vol. 31, No. 02 工艺条件进行优化。旨在为开辟山蕗菜根综合提取工艺 路线提供参考，并为山蕗菜资源的开发利用提供理论基 础，以便于对山蕗菜资源进一步开发利用。 1 材料与方法 1.1 材料与试剂 山蕗菜根采自江西九江地区，将山蕗菜根除杂清洗 后自然风干，粉碎过 6 0 目筛。 无水乙醇、石油醚、硫酸、蒽酮、葡萄糖、无 水甲醇、卤仿、丙酮等(均为分析纯)。 1.2 仪器与设备 手提式高速中药粉碎机 温岭市大德中药机械有限 公司；HG101-5型电热鼓风干燥箱 南京实验仪厂； SP-1900UV系列紫外 -可见分光光度计 上海光谱仪器有 限公司；HH-S11型电热恒温水浴锅 北京医用离心机 厂；TDL-40B型台式离心机 上海安亭科学仪器厂； RE-85Z旋转蒸发仪 巩义市英峪予华仪器厂；ZK-82A 型真空干燥箱 上海市实验仪器总厂。 1.3 方法 1.3.1 工艺流程 山蕗菜根提取黄酮后的滤渣→烘干至恒重→准确称 其质量→热水浸提→抽滤→滤液定容→测定多糖含量 1.3.2 提取方法[4] 取过 60目筛的干燥山蕗菜根粉末 35g置圆底烧瓶 中，加石油醚 150mL，回流提取 1h以脱脂。过滤，滤 渣挥干溶媒后用 80%乙醇 150mL回流 1h，提取黄酮(可 收集此滤液测定或分离黄酮等物质)。取滤渣烘干至恒 重。准确称量 0 .5g，置圆底烧瓶中，加蒸馏水至一定 体积，热水回流提取，趁热过滤，将样液定容于 250mL 容量瓶中待测。 1.3.3 山蕗菜根多糖含量测定[7] 用葡萄糖标准品通过蒽酮 - 硫酸法制备工作曲线， 得回归方程 A=0.0077C－ 0.0048 (C为葡萄糖质量浓度 / (μg/mL)，A为吸光度)，R2=0.9991，线性范围0～80μg/mL。 同法测定样品提取液中多糖的吸光度，通过回归方程计 算山蕗菜根多糖的含量。 1.3.4 多糖提取率的计算 山蕗菜根水溶性多糖含量 多糖提取率 /%＝————————————× 100 山蕗菜根提黄酮后残渣质量 1.3.5 山蕗菜根多糖水提工艺的优化 影响山蕗菜根多糖提取率的因素很多，如液料比、 提取时间、提取温度和提取次数等。根据有关文献报 道[4-5]，称取 0.5g山蕗菜根提取黄酮后滤渣，选用提取 温度 80℃、时间 2h、料液比 1:20(g/mL)为基本参数。改 变其中任一项因素，研究各上述单因素对多糖提取率的 影响。响应面分析法优化山蕗菜根多糖提取工艺条件。 2 结果与分析 2.1 水浸提过程中单因素对多糖提取率的影响 2.1.1 液料比对多糖提取率的影响 由图 1可知，多糖提取率随液料比的增大而呈上升 趋势，这是因为加水量越大则提取出来的多糖越容易溶 解，损失就越少，但料液比到达 1:40(g/mL)时达到最高 点，随后随着液料比的继续增加，提取率不再增加， 稍呈下降趋势。增大液料比虽有利于多糖提取，但会 增大后续浓缩的时间与能耗，所以导致提取率稍呈下降 趋势。单因素试验的结果显示，料液比应在 1:40左右。 2.1.2 提取温度对多糖提取率的影响 由图 2 可知，随着温度的升高，多糖的提取率逐 渐增加，且增幅明显。当高于 70℃时，增幅有所减少， 但仍然缓慢上升。这可能是伴随温度的升高，原料溶 胀度增大，传质强化，从而使得多糖的溶出率增加的 缘故。由于多糖是活性物质，温度过高易破坏其结构， 且温度高能耗也大，故选择提取温度在 70℃左右为宜。 2.1.3 提取时间对多糖提取率的影响 由图 3可知，多糖提取率随着提取时间的增长，呈 现先上升再下降的总体趋势，在 2.5h附近出现最大值。 图1 液料比对多糖提取率的影响 Fig.1 Effect of liquid/solid ratio on yield of polysaccharides 35 34 33 32 31 多 糖 提 取 率 /% 液料比(mL/g) 10:1 20:1 30:1 40:1 50:1 60:1 图2 提取温度对多糖提取率的影响 Fig.2 Effect of extraction temperature on yield of polysaccharides 35 34 33 32 31 30 29 多 糖 提 取 率 /% 提取温度 /℃ 60 70 80 90 100 2010, Vol. 31, No. 02 食品科学 ※工艺技术48 说明目的产物浸出过程与时间密切相关，时间过短，产 物溶解不充分，但时间过长，又会引起产物结构的变 化进而使提取率降低。为了缩短工时减少能耗，提取 时间应在 2～3h 之间。 2.2 响应面分析法优化山蕗菜根多糖提取工艺条件 根据Box-Behnken的中心组合试验设计原理，综合 单因素试验所得结果，确定提取次数为 1次，选取提取 温度、提取时间、液料比 3个对多糖提取率影响显著的 因素，分别以 A、B和 C 为代表，每一个自变量的低、 中、高试验水平分别以－ 1、0、1进行编码(表 1)。以 山蕗菜根多糖提取率为响应值(Y )，在单因素试验基础 上，采用三因素三水平的响应面分析方法，试验因素 与水平设计见表 1。 z分别为试验提取温度、提取时间及液料比)。以 A、B、 C为自变量， 以 3次试验所得多糖提取率的平均值为响 应值(Y )，结果见表 2，其中 1～12 是析因试验，13～ 15 是中心试验，用来估计试验误差。 因素 编码水平 － 1 0 1 A提取温度 /℃ 60 70 80 B提取时间 /h 2 2.5 3 C液料比(mL/g) 30 40 50 表1 响应面分析因素与水平 Table 1 Variables and levels in response surface design 试验号 A B C 多糖提取率 /% 1 － 1 － 1 0 33.24 2 1 － 1 0 32.82 3 － 1 1 0 32.25 4 1 1 0 33.02 5 － 1 0 － 1 31.61 6 1 0 － 1 32.92 7 － 1 0 1 32.80 8 1 0 1 33.01 9 0 － 1 － 1 34.02 10 0 1 － 1 33.75 11 0 － 1 1 34.91 12 0 1 1 34.34 13 0 0 0 35.01 14 0 0 0 34.90 15 0 0 0 34.83 表2 响应面分析 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及结果 Table 2 Process variables and levels in response surface design arrangement and experimental response values 对提取温度A、提取时间B和液料比C作变换如下： A=(T－ 70)/10，B=(t－ 2.5)/0.5，C=(z－ 40)/10(T、t、 采用Design-Expert 7.1软件对响应值与各因素进行回 归拟合后，得到回归方程： Y=34.91+0.23A－0.20B+ 0.34C+0.30AB－0.28AC－ 0.075BC－ 1.88A2－ 0.21B2－0.45C2 图3 提取时间对多糖提取率的影响 Fig.3 Effect of extraction time on yield of polysaccharides 35 34 33 32 31 30 多 糖 提 取 率 /% 提取时间 /h 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 图4 提取次数对多糖提取率的影响 Fig.4 Effect of extraction number on yield of polysaccharides 30 20 10 0 多 糖 提 取 率 /% 提取第次 1 2 3 2.1.4 提取次数对多糖提取率的影响 由图 4 可知，经过 1 次提取，大部分多糖都可以 被提取出来，所以为了简化工艺、节约能源，本试验 选择提取 1 次。 方差来源 自由度 平方和 均方 F值 Prob＞ F 显著性 A 1 0.437112 0.437112 11.33052 0.0200 * B 1 0.332113 0.332113 8.608783 0.0325 * C 1 0.9522 0.9522 24.68225 0.0042 ** AB 1 0.354025 0.354025 9.176783 0.0291 * AC 1 0.3025 0.3025 7.841189 0.0380 * BC 1 0.0225 0.0225 0.583229 0.4795 A2 1 12.98654 12.98654 336.6278 ＜ 0.0001 ** B2 1 0.155801 0.155801 4.038553 0.1007 C2 1 0.757416 0.757416 19.6332 0.0068 ** 模型 9 15.74655 1.749616 45.35231 0.0003 ** 残差 5 0.192892 0.038578 失拟项 3 0.176425 0.058808 7.142713 0.1253 纯误差 2 0.016467 0.008233 总误差 14 15.93944 表3 回归分析结果 Table 3 Analysis of variance for quadric regression model 注：* .差异显著，P ＜ 0 . 0 5；* * .差异极显著，P ＜ 0 . 0 1。 表 3为回归分析结果。该模型回归高度显著，R 2= 0.9879，表明该模型与实际拟合较好，自变量(提取温 度、提取时间和液料比)与响应值(提取率)之间线性关系 显著。回归方程各项的方差分析结果还表明，液料比 的一次项、提取温度的二次项和液料比的二次项均达到 极显著水平(P＜ 0.01)。此外，提取时间和提取温度的 一次项及其交互作用、提取温度和液料比的交互作用也 49※工艺技术 食品科学 2010, Vol. 31, No. 02 RSA等高图直观地反映出各因素交互作用对响应值 的影响。圆形表示二因素交互作用不显著，椭圆表示 二因素交互作用显著[8 ]。从图 5b、6b 可以看出图中的 两因素的交互作用较显著。 对回归方程取一阶偏导数等于零，整理可得如下三式： 0.23－3.76A+0.3B－0.028C=0 (1) －0.2+0.3A－0.42B－0.075C=0 (2) 0.34－0.28A－0.075B－0.9C=0 (3) 式(1)、(2)、(3)联立方程组，解得 A=－ 0.01585，B= － 0.56425，C=0.42973，代入前述的变换公式得到提取 温度 T=69.84℃，液料比 z=44.30，提取时间 t=2.22h， 即山蕗菜根多糖提取工艺最佳工艺条件为采用水为溶 剂、提取温度 69.84℃、提取时间 2.22h、料液比 1:44.30。 但考虑到实际情况将最佳提取工艺条件修正为温度 70℃、时间 2.3h、料液比 1:45。在此修正条件下，实 际测得提取率为 34.74%，回归模型预测提取率理论值可 达 35.04%、实际测定值比理论预测值低 0.3%。因此， 采用 RSA法优化得到的浸提条件参数准确可靠。 3 结 论 本实验主要是利用山蕗菜根提取黄酮后的残渣提取 山蕗菜根多糖并对其提取工艺进行了优化，对提高山蕗 菜根资源的综合利用率和利用价值具有较大的现实意 义。采用响应面分析法优化山蕗菜根多糖的提取工艺， 得最佳工艺条件为提取温度 70℃、提取时间 2.3h、料 较为显著(P＜ 0.05)。由表 3可知，各因素对多糖提取 率的影响次序：温度二次项＞液料比一次项＞液料比二 次项＞温度一次项＞温度和时间交互项＞时间一次项＞ 温度和液料比交互项。 Design-Expert 7.1软件处理得响应面分析结果见图 5～7。 图5 提取时间与提取温度对多糖提取率影响的响应面图 Fig.5 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction time and extraction temperature on yield of polysaccharides 35.10 多 糖 提 取 率 /% B：提取时间 1.0 34.33 33.55 32.77 32.00 0.5 0－ 0.5 － 1.0 －1.0 － 0.5 0 0.5 1 A： 提取 温度 a 1.0 0.5 0 － 0.5 － 1.0 B ： 提 取 时 间 A：提取温度 － 1.0 － 0.5 0 0.5 1.0 32.58 33.05 34.4934.01 33.53 34.49 33.53 34.01 多糖提取率 /%b 图6 液料比与提取温度对多糖提取率影响的响应面图 Fig.6 Response surface and contour plots showing the interactive effects of liquid/solid ratio and extraction temperature on yield of polysaccharides 35.10 多 糖 提 取 率 /% C：液料比 1 0.5 0 － 0.5－1－1－ 0.5 0 0.5 1 A： 提取 温度 a 34.23 33.35 32.48 31.60 C ： 液 料 比 A：提取温度 － 1.0 － 0.5 0 0.5 1.0 33.36 1.0 0.5 0 － 0.5 － 1.0 33.90 32.81 34.44 32.27 33.90 33.36 多糖提取率 /%b 图7 液料比与提取时间对多糖提取率影响的响应面图 Fig.7 Response surface and contour plots showing the interactive effects of liquid/solid ratio and extraction time on yield of polysaccharides 35.10 多 糖 提 取 率 /% C：液料比 1.0 0.5 0 － 0.5 － 1.0 － 1.0 － 0.5 0 0.5 1.0 B： 提取 时间 a 34.75 34.40 34.05 33.70 C ： 液 料 比 B：提取时间 － 1.0 － 0.5 0 0.5 1.0 1.0 0.5 0 － 0.5 － 1.0 34.83 多糖提取率 /%b 34.62 33.9934.20 34.41 2010, Vol. 31, No. 02 食品科学 ※工艺技术50 Antiviral Research, 1999, 44: 43-54. [4] 张永军, 刘晓宇, 黄惠华. 响应面法优化葛根多糖提取工艺的研究 [J]. 现代食品科技, 2008, 24(7): 678-682. [5] 李亚娜, 林永成, 佘志刚. 响应面分析法优化羊栖菜多糖的提取工 艺[J]. 华南理工大学学报: 自然科学版, 2004, 32(11): 29-31. [6] 慕运动. 响应面方法及其在食品工业中的应用[J]. 郑州 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院学 报, 2001, 22(3): 91-94. [7] 李绍平, 黄赵刚, 张平, 等. 蒽酮 -硫酸法测定亮菌糖浆中多糖的含 量[J]. 中草药, 2002, 33(3): 233-235. [8] 王允祥, 吕凤霞, 陆兆新. 杯伞发酵培养基的响应曲面法优化研究 [J]. 南京农业大学学报, 2004, 27(3): 89-94. 液比 1:45、提取 1次，此条件下山蕗菜根多糖实际提取 率达 34.74%。 参考文献： [1] 江苏新医学院. 中药大辞典[M]. 上海: 上海人民出版社, 1985: 2483. [2] XIE W D, ZHANG Q, LI P L, et a1. Two triterpenoids and other constituents from Petasites tricholobus[J]. Phytochemistry, 2005, 66: 2340-2345. [3] XU H X, SPENCER H S L, SONG F L, et al. Isolation and character- ization of an anti-HSV polysaccharides from Prunella vulgaris[J].