響應面優化超聲輔助提取雪燕水溶性多糖

王睿哲，周 霞，楊大帥，馬 進，段盛杰，孫芬芳

（青島農業大學海都學院食品系，山東萊陽 265200）

近幾年，隨著人們天然、綠色理念的提升，自然界生物活性成分的研究和精深加工成為頗受關注的熱點。來源廣泛、毒副作業小、藥理功效繁多的天然活性物質植物多糖，在醫藥緩釋劑[1]、功能性保健品[2]、綠色食品添加劑[3]、食品貯藏保鮮[4]等領域都有不俗的表現。多糖含量在80%以上[5-6]、由薔薇科植物桃或山桃等樹皮分泌的膠質半透明物質桃膠，其研究和應用十分普遍。在食品行業，既可以作為食品直接食用，也可以作為食品添加劑，制作成風味獨特、營養豐富的面條[7]、果凍[8]、冰激凌[9]、蜜餞[10]、軟糖[11]等；在醫藥領域，其控制血糖、血脂的功效十分明顯[12-13]，可以用于治療糖尿病[14]，對燒傷創面的愈合也有積極的療效[15-16]，另外基于其優良的成膜性，在中藥桃膠涂膜劑或者作為天然囊材制作藥物微膠囊，以緩釋藥物在體內的吸收方面也有報道[17-19]。

與桃膠類似，美食界的新寵兒雪燕，也是一種以多糖為主要成分的樹膠。與桃膠是樹皮分泌物不同，雪燕是刺萍婆樹的木髓分泌物，主要產自緬甸和我國云南地區。在緬甸，雪燕作為一種珍貴的滋補品被應用已經有1 000多年的歷史了。隨著緬甸雪燕國際化進程的加快[20]，雪燕逐漸走上中國人的餐桌并被人們所喜愛。經試驗前期研究發現，雪燕的多糖含量達85%以上，其余部分主要是水分，蛋白質、灰分等含量極低，且與桃膠的棕色、褐色相比，雪燕以白色為主，少量淡黃色，在提取多糖的過程中無需脫色處理，工藝簡單，是獲取多糖的絕佳自然食材。試驗以超聲波輔助熱水浸提雪燕中的水溶性多糖，并采用響應面法優化提取工藝[21-22]，為雪燕多糖的應用開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

雪燕，云南倍恩健食品有限公司提供；95%乙醇，分析純，萊陽康德化工有限公司提供；水為三級水。

1.2 儀器與設備

Neofuge 18R型臺式高速冷凍離心機，利康生物醫療科技控股有限公司產品；SB25-12DTN型超聲波清洗機，寧波新芝生物科技股份有限公司產品；FW135型中草藥粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司產品；IKA-Ⅱ型旋轉蒸發器，德國伊卡有限公司產品；VFD-2000型真空冷凍干燥機，上海比朗儀器有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 雪燕水溶性多糖的提取方法

將雪燕用中草藥粉碎機粉碎，過20目篩，得雪燕粉末。準確稱取雪燕粉末2.00 g，置于1 L燒杯中，加入532 mL蒸餾水，靜置使其充分溶脹，其間不時用玻璃棒攪拌。待溶脹完全后，將燒瓶置于超聲波清洗機上，加熱至46℃，超聲振蕩提取0.75 h。將提取液用雙層紗布減壓過濾，濾液在旋轉蒸發儀上旋轉蒸發至原體積的1/5，得到黏稠的多糖水溶液。將該溶液轉移至燒杯中，向其中加入4倍體積的95%乙醇，置于冰箱中放置過夜，析出白色絮團狀雪燕水溶性多糖。離心，將沉淀置于冷凍干燥機中，冷凍干燥，得雪燕水溶性多糖成品。

1.3.2 單因素試驗

進行預試驗后，確定單因素試驗各變量的區間范圍。以水為提取劑，提取雪燕中的水溶性多糖，研究提取溫度、超聲時間、料液比對雪燕水溶性多糖提取率的影響。

1.3.3 響應面試驗設計

以單因素試驗結果為參考，水溶性多糖提取率為響應值Y，以提取溫度（A）、超聲時間（B）、料液比（C） 3個影響因素為自變量，利用軟件Design Expert8.0.6中的Box-behnke中心組合試驗設計原理，設計三因素三水平的響應面試驗，根據響應面等高線圖，確定雪燕水溶性多糖的超聲輔助熱水浸提的最佳提取條件。

1.4 水溶性多糖提取率的計算

1.5 數據統計與分析

利用Excel對單因素試驗數據作圖并利用Design Expert 8.0.6進行響應面試驗設計和分析。

2 結果與分析

2.1 雪燕水溶性多糖提取的單因素試驗

2.1.1 提取溫度對雪燕水溶性多糖提取率的影響

以水為提取劑，固定料液比1∶200，超聲時間0.75 h，在充分溶脹的基礎上，考查超聲提取溫度為20，30，40，50，60℃時提取率的變化情況。

提取溫度對水溶性多糖提取率的影響見圖1。

圖1 提取溫度對水溶性多糖提取率的影響

由圖1可知，隨著提取溫度的升高，提取率呈現先升后降的趨勢。究其原因可能是在一定溫度范圍內，多糖分子的運動能力隨溫度升高而增大，更易溶于溶劑中，因此在低溫區隨著溫度的升高，水溶性多糖提取率逐漸增大。隨著溫度繼續升高，多糖分子結構可能發生改變，水溶性變差，提取率反而下降，故固定提取溫度50℃。

2.1.2 超聲時間對雪燕水溶性多糖提取率的影響

在超聲波的空化、振蕩等機械作用下，分子內部的氫鍵等被破壞，物料結構變松散，使水溶性多糖更易溶出。因此，超聲輔助提取對提取率的提高是有利的。

超聲時間對水溶性多糖提取率的影響見圖2。

圖2 超聲時間對水溶性多糖提取率的影響

由圖2可知，當固定料液比1∶200，提取溫度50℃時，多糖提取率隨超聲時間延長而增大，在超聲0.75 h時，提取率達到最大值66.82%。隨著超聲時間的進一步延長，多糖提取率反而有所下降，究其原因，可能是由于長時間的超聲空化效應使物料局部溫度升高，導致多糖分子失活、變性。因此，超聲時間選擇0.75 h較為合適。

2.1.3 料液比對雪燕水溶性多糖提取率的影響

隨著料液比增加，多糖擴散壓增大，從而促使多糖分子向溶液中擴散，提取率隨之提升。但隨著溶劑比例的持續上升，多糖產率增速放緩，同時雪燕中的其他雜質成分也可能隨之溶出，導致產品純度下降，另外也為后續的過濾、減壓濃縮等操作帶來不便，因此將料液比設定為1∶200。

料液比對水溶性多糖提取率的影響見圖3。

圖3 料液比對水溶性多糖提取率的影響

2.2 提取工藝的響應面優化

2.2.1 響應面優化試驗設計與數據分析

基于單因素試驗結果，以雪燕水溶性多糖提取率為響應值，以提取溫度、超聲時間、料液比3個因素為自變量，獲得響應值最大時的各種條件組合。

響應面試驗因素與水平設計見表1。

表1 響應面試驗因素與水平設計

根據Box-behnken試驗設計原理，利用響應面設計三因素三水平優化試驗，實施17個試驗點，其中12個為分析因子，5個為中心試驗以估計誤差。

響應面優化設計及結果見表2。

2.2.2 回歸性方程的方差分析及顯著性檢驗

采用Design Expert 8.0.6對試驗結果進行回歸擬合分析，得到多糖提取率（Y）和超聲溫度（A）、超聲時間（B）、料液比（C） 的三元二次回歸方程：

表2 響應面優化設計及結果

回歸模型的方差分析見表3。

表3 回歸模型的方差分析

模型F值93.88表明模型是具有顯著性的。而由于噪音造成此類較大模型值的概率僅有0.01%，可忽略。決定系數C2=0.991 8，R2adj=0.981 2，R2pred=0.905 7與R2adj=0.981 2接近，證明該模型與實際試驗過程擬合程度較高。由此可知，該回歸模型可行度較高，可以利用該模型對雪燕多糖提取率、單因素水平變化的關系、數據波動進行預測。

對p值進行分析，當p＜0.050 0時，該因素為顯著因素，當p＜0.010 0時，該因素為極顯著因素。失擬項p達到0.163 4，不顯著，說明殘差主要由隨機誤差組成，對優化試驗結果影響不顯著。交互項BC交互作用顯著，而AB，AC的p值均大于0.050 0，交互作用較弱。一次項A和二次項A2，B2達到極顯著水平，對多糖提取率影響極顯著，B，C的p值較大（p＞0.1），代表該因素不顯著，對于響應值的波動起次要作用。因此3個因素提取溫度、超聲時間、料液比對雪燕多糖提取率影響的主次順序為超聲溫度＞料液比＞超聲時間。

2.2.3 交互作用對多糖產率影響的響應面分析圖

利用Design Expert 8.0.6軟件繪制出3個因素中任意兩因素之間的交互作用響應面分析圖。交互作用對于多糖產率影響越顯著意味著相應曲面的陡峭程度越大。

交互作用AB對多糖產率影響的響應面分析圖見圖5，交互作用AC對多糖產率影響的響應面分析圖見圖6，交互作用BC對多糖產率影響的響應面分析圖見圖7。

圖5 交互作用AB對多糖產率影響的響應面分析圖

由圖5～圖7可知，交互作用BC的相應曲面陡峭程度最大，而交互作用AB，AC的曲面相對平滑，陡峭程度小。對圖5～圖7的等高線圖進行分析，交互作用BC的軸向等高線密度明顯大于交互作用AB，BC。響應面圖與等高線圖的分析結果與方差分析結果一致。

2.2.4 提取工藝最佳參數的確定和驗證

利用Design Expert 8.0.6進行分析計算，得出提取工藝的最佳參數超聲溫度46.49℃，超聲時間0.74 h，料液比1∶266.10，理論最高產率為68.914%。為便于實際試驗驗證，將條件簡化為超聲溫度46℃，超聲時間0.74 h，料液比1∶266，嚴格按照該條件平行試驗5次，得到多糖產率為67.39%±0.53%，與理論產率68.91%的相對誤差為1.56%，誤差較小，說明該回歸模型與實際試驗過程擬合度較高，所建模型與采用的優化方法可靠，適用于雪燕水溶性多糖的超聲波輔助提取工藝優化和分析。

圖7 交互作用BC對多糖產率影響的響應面分析圖

3 結論

通過響應面法對雪燕水溶性多糖超聲波輔助提取法進行優化，建立了由超聲提取溫度、超聲時間和料液比為考查因素，水溶性多糖提取率為響應值的回歸模型。在簡化實際生產流程的基礎上得到提取工藝的最佳參數超聲提取溫度46℃，超聲時間0.74 h，料液比1∶266。在該條件下，雪燕多糖提取率為67.39%±0.53%，與預期結果相符。說明用響應面法優化得到的提取條件準確可靠，為雪燕多糖提取研究提供了一定的數據支持。相較于桃膠多糖的廣泛研究和應用，同為樹膠的雪燕水溶性多糖的研究尚未展開。在植物多糖生理活性被廣泛關注的背景下，雪燕水溶性多糖的性質和應用研究是值得深入探討的課題。