陳 燕,鐘先鋒,2,黃桂東,2,李超波,常 通,鄧澤元

1＊1南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,南昌 330047;2河南科技大學食品科學和生物工程學院,洛陽 471003

銀條水蘇糖提取條件研究

陳 燕1,鐘先鋒1,2,黃桂東1,2,李超波1,常 通1,鄧澤元

1＊1南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,南昌 330047;2河南科技大學食品科學和生物工程學院,洛陽 471003

唇形科水蘇屬植物銀條,也稱銀苗,藥食兩用,主產于偃師縣 (市),產量約有 95%。本文以偃師產銀條為原料,通過單因素、響應面分析法,研究了乙醇提取銀條中水蘇糖的最佳提取條件。以銀條中水蘇糖提取率為指標,通過單因素實驗確定了銀條水蘇糖提取條件的參數范圍,通過響應面分析法確定了其最佳提取條件。結果表明,最佳提取條件為乙醇濃度 60%,液固比 10∶1,提取溫度 60℃,提取時間 40 min,該條件下銀條水蘇糖提取率為 46.8924%。

銀條;水蘇糖;提取;響應面

Abstract:Stachys floridanaschuttl.ex benth,also named yinmiao,a speciesof genusStachys.And it is a special and traditional Chinese vegetable which can use as food and medicine.Yanshi city is the main origin with production over 95%.In this paper,the optimum extraction conditionsof stachyose from yinmiaowere studied byResponse surfacemethodology(RS M).The results showed that the optimum extraction conditions for stachyose yield from yinmiao were as follows:extraction temperature 60 ℃,extraction time 40 min,ethanol concentration 60%,and ratio of liquid-solid 10∶1.At these conditions,the yield of stachyose was 46.8924%.In conclusion,RS M was successfully applied to deter mine the opt imum extraction conditions for stachyose from yinmiao.

Key words:Stachys floridanaschuttl.Ex benth;stachyose;extraction;response surface methodology

銀條又稱銀苗,系唇形科水蘇屬多年生蓄根草本植物,地下莖圓狀細長,肉質潔白;其中洛陽市偃師縣 (市)是其主要產地,占有 95%的產量,2005年6月 1日,國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布公告:從2005年 4月 15日起,各地質量技術監(jiān)督部門開始對偃師銀條實施“原產地域保護”。

水蘇糖是一種四糖,由兩個半乳糖、一個葡萄糖和一個果糖組成[1]。它是一種典型的棉籽低聚糖家庭成員 (RFOs:棉籽糖、水蘇糖和毛蕊糖)[2]。水蘇糖普遍存在于高等植物,它是水溶性碳水化合物的主要組成部分,在蔬菜組織和許多植物種子中大量存在,且具有多種生理功能[3]。

水蘇糖屬于非還原性糖[4],由于人和其它單胃動物 (豬,家禽)不具有α-半乳糖苷酶,不能分解這些低聚糖[5],因此單胃動物的小腸不能消化水蘇糖,后經產氣細菌在腸道內發(fā)酵,造成脹氣 (這些氣體主要包括二氧化碳,氫氣和甲烷)[3]。然而,由于水蘇糖既不被人體消化也不被人體吸收,故作為糖尿病病人的潛在糖替代品[6,7]。此外它還能刺激人體腸道內的雙歧桿菌增殖,保護組織免受有害物質的侵害[8-10]。因此,在許多國家藥食兩用的低聚糖(如棉籽糖和水蘇糖)被稱為特別健康食物[7]。做為低聚糖的良好來源地,中國銀條對人體營養(yǎng)作出了重大貢獻,且可作為工業(yè)化生產水蘇糖的新型原料,同時成本低廉,經濟效益高。

響應面分析法 (RS M)是一種應用合理設計實驗得出的定量數據來同步解決多元方程,多元回歸分析的經驗統(tǒng)計方法[11]。本研究的目的是研究提取時間、提取溫度、乙醇濃度、以及液固比對水蘇糖提取率的影響和使用響應面分析法優(yōu)化水蘇糖提取的最佳條件。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

1.1.1 原料及試劑

銀條:購于河南省偃師;水蘇糖標準品購于天津一方科技有限公司;乙腈為 HPLC級,購于天冿永大;乙醇等均為國產分析純。

1.1.2 儀器

H-S-G IB-2電熱恒溫水浴鍋 (上海儀表集團供銷公司),MOV202F電熱恒溫鼓風干燥機 (日本SNNYO),PB602-E電子天平 (梅特勒-托利多上海有限公司),Agilent 1200高效液相色譜儀,RE52CS-1旋轉蒸發(fā)儀 (上海亞榮生化儀器廠)等。

1.2 實驗方法

1.2.1 銀條干粉的制備

新鮮銀條經挑揀洗凈后,于 60℃烘 12 h,得黃棕色銀條干燥品,然后經過初次粉碎后再超微粉碎,最終得到銀條干粉。

1.2.2 水蘇糖提取液的制備

稱取銀條干粉 1.0 g,加 10倍體積 60%乙醇溶解,轉入 250 mL圓底燒瓶中 60℃回流 40 min,真空泵抽慮得提取液。所有待測溶液都需經 0.45μm的微孔過濾膜過濾待測。

1.2.3 水蘇糖的測定方法——HPLC方法。

水蘇糖的含量采用 HPLC進行分析測定。

色譜條件:色譜柱:Hypersil-氨基柱,4.6×250 mm;流動相為乙腈 ∶水 (65∶35);柱溫 25℃,流速1.0 mL/min,進樣量 20μL;采用 Agilent 1200系列的G1362 A示差檢測器進行測定。所得結果圖如圖 1.

圖1 糖標準品的圖譜Fig.1 chromatogram of standard mixture of glucose,sucrose,raffinose and stachyose

圖2 樣品圖譜Fig.2 chromatogram of sample

1.2.4 水蘇糖標準曲線的繪制

準確稱取水蘇糖標準品,用雙蒸水溶解,配制成分別為 0.625,1.25,2.5,5.0,10,20 mg/mL的 6個濃度標準液,按上述色譜條件測得其峰面積,以標準溶液濃度為橫坐標,峰面積為縱坐標,繪制水蘇糖標準曲線。如圖 3所示。y=0.8893x– 0.0112,R2=0.9993,其中X為含量 (mg),Y為吸光度,R2=0.9993。說明在 0.625-20 mg范圍內呈良好得線性關系。

圖3 水蘇糖標準曲線Fig.3 The standard curve of stachyose

1.2.5 單因素及響應面試驗設計

在水蘇糖提取過程中,影響提取的因素很多,經初步試驗選定提取溫度提取時間、乙醇濃度及液固比作為主要影響因素,以水蘇糖的提取率為指標,在單因素試驗的基礎上采用四因素三水平響應面試驗設計,對提取條件進行優(yōu)化。

水蘇糖提取率 (%)=提取后水蘇糖總質量/提取前原料質量 ×100%,提取后水蘇糖總質量:通過所測得的峰面積代入標準曲線公式算得水蘇糖質量×體積 ×稀釋倍數

1.2.6 統(tǒng)計分析

采用 Design-Expert 6.0.5軟件進行響應面分析。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果與分析

2.1.1 提取溫度對水蘇糖提取率的影響

在液固比 10∶1,乙醇濃度 60%,提取時間 40 min的條件下,得到不同提取溫度與水蘇糖提取率的關系,如圖 4所示。

圖4 不同溫度對水蘇糖提取率的影響Fig.4 Effects of different temperature on the extraction rate of stachyose

由圖 4可知,當提取溫度低于 60℃時,隨溫度升高水蘇糖提取效率呈上升趨勢,這說明溫度對水蘇糖提取率有影響,且當溫度較高,活性成分溶出較多,與生產實際情況也比較相符,故本實驗選擇 60℃的提取溫度。

2.1.2 提取時間對水蘇糖提取率的影響

在乙醇濃度 60%,提取溫度 60℃,液固比 10∶1的條件下,得到不同提取時間與水蘇糖提取率的關系,如圖 5所示。

圖5 不同提取時間對水蘇糖提取率的影響Fig.5 Effects of different t ime on the extraction rate of stachyose

由圖 5可知,提取時間在前 20～40 min內,水蘇糖提取率隨時間延長而提高;在 40 min提取率達到最大值。這表明水蘇糖的提取過程與時間密切相關,提取時間較短時,產物溶解不充分;時間過長,水蘇糖提取率略趨平緩下降。所以,水蘇糖的最佳提取時間應在 40 min左右,故本實驗選擇提取銀條水蘇糖的提取時間為 40 min。

2.1.3 乙醇濃度對水蘇糖提取率的影響

在液固比 10∶1,提取時間 40 min,提取溫度 60℃的條件下,得到不同乙醇濃度與水蘇糖提取率的關系,如圖 6所示。

圖6 不同乙醇濃度對水蘇糖的影響Fig.6 Effects of the concentraion of ethanol on the extration of stachyose

由圖 6可知,當乙醇濃度在 30%～60%時,水蘇糖提取率有明顯的增長,60%時水蘇糖提取率達到最高,當乙醇濃度為 70%時出現下降,這是由于當醇濃度過高時銀條中的多糖會沉淀,水蘇糖提取率也會相應下降。因此,本實驗選擇乙醇濃度60%。

2.1.4 不用液固比對水蘇糖提取率的影響

在乙醇濃度 60%,提取時間 40 min,提取溫度60 ℃的條件下,比較不同液固比 (8∶1,,10∶1,12∶1,14∶1,16∶1)與水蘇糖提取率的關系,如圖 7所示。

圖7 不同液固比對水蘇糖提取率的影響Fig.7 Effects of different ratio of liquid-solid on the extraction rate of stachyose

由圖 7可知,在各個點中水蘇糖提取率差異不大,在液固比 10∶1時,得率出現最高峰,本試驗在液固比 14∶1后又做了更大液固比的樣本,發(fā)現均沒有10∶1高。雖然 10∶1后的提取率沒有什么太大區(qū)別,為了節(jié)約成本,故本實驗選擇液固比 10∶1。

2.2 響應面法優(yōu)化水蘇糖提取工藝結果及分析

響應面方法 (Response Surface Methodology,簡稱 RS M)是利用合理的試驗設計并通過實驗得到的一定數據,采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數關系,通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數,解決多變量問題的一種統(tǒng)計方法。RS M在優(yōu)化研究中應用頻繁,是降低開發(fā)成本、優(yōu)化加工條件、提高產品質量、解決生產過程中的實際問題的一種有效方法,它已廣泛地應用于農業(yè)、生物、食品、化學、制造等領域[12]。

2.2.1 Box-Behneken實驗設計方案

根據 Box-Behneken的中心組合實驗設計原理[12],結合上述單因素實驗結果,選取水蘇糖提取溫度、提時間取、乙醇濃度和液固比四個因素為影響因素,在單因素實驗的基礎上采用四因素三水平的響應面分析優(yōu)化方法。其實驗因素與因素水平見表1。整個實驗設計共 29個實驗點 (5個中心點),其中析因點共 24個,零點 5個 (零點為區(qū)域的中心點,實驗操作重復 5次,用以估計誤差),整個實驗結果見表 2。

表1 試驗因素水平及編碼Table 1 Levels and factors for response surfaceMethodology

表2 響應面分析試驗安排及結果Table 2 Experimental design and results of Response Surface Analysis for the extraction rate of Stachyose

24 0 1 0 1 37.8120 36.1625 25 0 0 0 0 46.6857 47.4429 26 0 0 0 0 45.1873 47.4429 27 0 0 0 0 45.4351 47.4429 28 0 0 0 0 48.5563 47.4429 29 0 0 0 0 49.1195 47.4429

2.2.2 建立模型及其顯著性分析

實驗采用Design Expert 6.0.5軟件對實驗結果進行多元回歸擬合,經過運算后分別得到水蘇糖提取率對提取溫度 (X1)、提取時間 (X2)、乙醇濃度(X3)和液固比 (X4)的模型,其二次多項回歸模擬方程為:

Y= 46. 99678-0. 56134X1-0. 29633X2-2.14699X3+2.59757X4-6.75242X21-7.63866X22-5.94977X23-4.09086X24-0.0581X1X2+1.99203X1X3+0.21005X1X4-0.9171X2X3-1.4218X2X4+5.7532X3X4。其中 Y值為響應值,即水蘇糖的提取率。

該模型的顯著性檢驗,既方差分析結果見表 3。

表3 方差分析表Table 3 The analysis of variance for the design

表3的方差分析表明,該回歸方程極顯著 (P＜0.0001)。該模型決定系數R2=0.9309,表明響應值水蘇糖提取率 (Y)實際值與預測值之間具有較好的擬合度,因此該模型可用于預測響應值水蘇糖提取率 (Y)的實際情況。

該模型的回歸模型系數顯著性檢驗結果見表4。

表4 回歸方程系數顯著性檢驗Table 4 Regression coefficients and their significance of regression equation

–5.95 0.89 1 ＜0.0001X23–4.09 0.89 1 0.0004X1X2 –0.058 1.14 1 0.9599X1X3 1.99 1.14 1 0.1012X1X4 0.21 1.14 1 0.8559X2X3 –0.92 1.14 1 0.4328X2X4 –1.42 1.14 1 0.2310X3X4 5.75 1.14 1 0.0002X24

從表中可以看出,水蘇糖提取模型中一次項X、X顯著 ,X、X不顯著 ;二次項X2、X2、X極顯3412123著,X24顯著;交互項只有X3X4顯著,其余都不顯著。說明水蘇糖提取模型中各因素對水蘇糖提取模型含量的影響不是簡單的線性關系。同時可以從該表中看出對各個因素的效應進行的評價,其中四個因素的主次關系為:X4＞X3＞X1＞X2,即液固比 ＞乙醇濃度 ＞溫度＞時間。

2.3 水蘇糖提取工藝條件的響應面分析

每個響應面分別代表著兩個獨立變量之間的相互作用,此時其他變量保持在最佳水平。

等高線的形狀和響應面的陡緩程度可以反映出交互效應的強弱,橢圓形表示兩因素交互作用顯著,而圓形則表示交互作用不顯著;響應面比較陡表示兩因素交互作用顯著,響應面比較緩表示交互作用不顯著。

2.3.1 提取溫度和提取時間對水蘇糖提取率影響的響應面結果與分析

當乙醇濃度為 59.6%,液固比為 10.58∶1時,提取溫度和提取時間對水蘇糖提取率的影響如圖 8所示。由圖 8可知,隨著溫度的上升,提取率增加,但當溫度上升到 59.6℃以后,提取率有所下降;隨著時間的延長,提取率增加,但當提取 39.6 min以后,提取率有所下降。而且其等高線的形狀近似圓形,說明二者之間的交互作用不顯著。

圖8 Y=f(x1,x2)的響應值與等高線Fig.8 Response surface plot and contour plot of Y=f(x1,x2)

2.3.2 提取溫度和乙醇濃度對水蘇糖提取率影響的響應面結果與分析

當提取時間為 39.6 min,液固比為 10.58∶1時,提取溫度和乙醇濃度對水蘇糖提取率的影響如圖 9所示。由圖 9可知,隨著溫度的上升,提取率增加,但當溫度上升到 59.6℃以后,提取率有所下降;隨著乙醇濃度的增加,提取率增加,但當乙醇濃度達到59.6%以后,提取率有所下降。而且其等高線的形狀為圓形,說明二者之間的交互作用不顯著。

圖9 Y=f(x1,x3)的響應值與等高線Fig.9 Response surface plot and contour plot of Y=f(x1,x3)

2.3.3 提取溫度和液固比對水蘇糖提取率影響的響應面結果與分析

當提取時間為 39.6 min,乙醇濃度為 59.6%時,提取溫度和液固比對水蘇糖提取率的影響如圖10所示。由圖 10可知,隨著溫度的上升,提取率增加,但當溫度上升到 59.6℃以后,提取率有所下降;隨著液固比的增加,提取率增加,但當液固比達到10.58∶1以后,提取率有所下降。而且其等高線的形狀近似圓形,說明二者之間的交互作用不顯著。

圖10 Y=f(x1,x4)的響應值與等高線Fig.10 Response surface plot and contour plot of Y=f(x1,x4)

2.3.4 提取時間和乙醇濃度對水蘇糖提取率影響的響應面結果與分析

當提取溫度為 59.6℃,液固比為 10.58∶1時,提取時間和乙醇濃度對水蘇糖提取率的影響如圖11所示。由圖 11可知,隨著提取時間的延長,提取率增加,但當提取 39.6 min以后,提取率有所下降;隨著乙醇濃度的增加,提取率增加,但當乙醇濃度達到 59.6%以后,提取率有所下降。而且其等高線的形狀近似圓形,說明二者之間的交互作用不顯著。

圖11 Y=f(x2,x3)的響應值與等高線Fig.11 Response surface plot and contour plot ofY=f(x2,x3)

2.3.5 提取時間和液固比對水蘇糖提取率影響的響應面結果與分析

當提取溫度為 59.6℃,乙醇濃度為 59.6%時,提取時間和液固比對水蘇糖提取率的影響如圖 12所示。由圖 12可知,隨著提取時間的延長,提取率增加,但當提取 39.6 min以后,提取率有所下降;隨著液固比的增加,提取率增加,但當液固比達到 10.58∶1以后,提取率有所下降。而且其等高線的形狀近似圓形,說明二者之間的交互作用不顯著。

2.3.6 乙醇濃度和液固比對水蘇糖提取率影響的響應面結果與分析

圖12 Y=f(x2,x4)的響應值與等高線Fig.12 Response surface plot and contourplotof Y=f(x2,x4)

當提取溫度為 59.6℃,提取時間為 39.6 min時,乙醇濃度和液固比對水蘇糖提取率的影響如圖13所示。由圖 13可知,隨著乙醇濃度的增加,提取率增加,但當乙醇濃度達到 59.6%以后,提取率有所下降;隨著液固比的增加,提取率增加,但當液固比達到 10.58∶1以后,提取率有所下降。而且其等高線的形狀近似橢圓形,說明二者之間的交互作用顯著。

圖13 Y=f(x3,x4)的響應值與等高線Fig.13 Response surface plot and contour plot of Y=f(x3,x4)

由響應面曲線和等高線圖,可知有最大響應值,即水蘇糖提取率,為 47.4429%,其最佳的提取工藝為提取溫度為 59.6℃,提取時間為 39.6 min,乙醇濃度為 59.6%,液固比為 10.58∶1。

2.4 驗證試驗

驗證試驗結果見表 5。

表5 驗證試驗結果Table 5 Resuls of verfication experiments

在上述優(yōu)化的提取條件下 (即當提取溫度為59.6℃,提取時間為 39.6 min,乙醇濃度為 59.6%,液固比為 10.58∶1),響應面模型所得的預測值為47.4429%,與驗證試驗的平均值的誤差為 1.16%,在誤差允許范圍內 (20%),說明該模型能較真實地反映各個因素對水蘇糖提取率的影響,證明該模型較可靠。

但對于實際生產而言,上述條件較為難于控制,而且上述條件與我們設計的中心點試驗非常接近,而且對于實際生產容易控制,且中心點試驗結果與預測值之間的誤差在允許范圍之內,所以從實際生產的角度來看,其最優(yōu)工藝條件可以選為取溫度為60℃,提取時間為 40 min,乙醇濃度為 60%,液固比為 10∶1。

3 結論

銀條銀條種植歷史悠久,在我國偃師市等地種有大量種植,在使用與藥用兩方面的應用歷史悠久,其中水蘇糖是銀條中有效的成分之一。銀條水蘇糖具有顯著改善人體內環(huán)境、調節(jié)微生態(tài)平衡,抑菌抗癌,抗病毒,降血糖等多種作用。本文重點對水蘇糖的提取條件優(yōu)化進行了研究,應用乙醇溶液提取銀條水蘇糖,通過單因素法與響應面分析得到了提取銀條水蘇糖的最佳提取工藝:乙醇濃度 60%,液固比 10∶1,提取溫度 60℃,提取時間 40 min,該條件下銀條水蘇糖提取率為 46.8924%。

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Extraction Conditions of Stachyose fromStachys floridanaSchuttl.ex Benth

CHEN Yan1,ZHONG Xian-feng1,2,HUANG Gui-dong1,2,L IChao-bo1,CHANG Tong1,DENG Ze-yuan

1＊1State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China;2Food B ioengineering College,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China

Q949.777.6;Q535

A

1001-6880(2011)01-0123-08

2009-09-08 接受日期:2010-07-01

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