蔡錦源，許金蓉，孫 松，熊建文*

（1.廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院 食品與化學(xué)工程系，廣西 柳州 545616；2.廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

0 引言

多糖是機(jī)體內(nèi)的天然大分子之一，由多個(gè)相同或不相同的單糖以糖苷鍵相連而形成，廣泛存在于高等植物、動(dòng)物、真菌等體內(nèi)[1].近年來有關(guān)多糖的提取及抗氧化等研究[2-4]已成為重要研究熱點(diǎn).文獻(xiàn)[5]報(bào)道植物多糖具有提高纖維蛋白溶解酶活性、抗癌、降中性脂肪、降血脂、降低密度脂蛋白膽固醇及總膽固醇的作用，還有降血糖、清除自由基、抗衰老、抗氧化、抗疲勞、抗炎等功能.火龍果含有大量的植物多糖，何聰芬等[6]對(duì)火龍果莖多糖進(jìn)行了提取和結(jié)構(gòu)鑒定，高慧穎等[7]采用熱水浸提法研究了火龍果花多糖的提取工藝，而有關(guān)火龍果果肉多糖的提取未見文獻(xiàn)報(bào)道.本研究以火龍果果肉中的多糖提取率為指標(biāo)，采用單因素試驗(yàn)法和響應(yīng)面法優(yōu)選火龍果果肉多糖的提取工藝條件，以期為火龍果果肉多糖的提取方法提供科學(xué)的理論依據(jù).

1 材料與儀器

1.1 試驗(yàn)材料

火龍果：產(chǎn)地海南，購(gòu)于柳州某超市；苯酚、濃硫酸、乙醇、石油醚、葡萄糖等均為分析純.

1.2 儀器與設(shè)備

UV-1800 紫外可見分光光度計(jì)：日本島津公司；JY1002（0.01 g）電子天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司；FW100 高速萬能粉碎機(jī)：天津市泰斯特儀器有限公司；CW-2000 超聲-微波協(xié)同萃取儀：上海新拓分析儀器科技有限公司.

2 試驗(yàn)方法

2.1 火龍果多糖的提取工藝路線

新鮮火龍果→預(yù)處理（脫色、脫脂）→粉碎→過篩（40 目）→稱量→微波提取→過濾→定容→比色測(cè)量→進(jìn)行單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)→工藝優(yōu)化與驗(yàn)證.

2.2 總糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

采用苯酚-硫酸法[8]繪制總糖標(biāo)準(zhǔn)曲線，以吸光度為縱坐標(biāo)，總糖質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，繪制總糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線，回歸方程為：Y1=45.443X1+0.021 7，R2=0.999 1，線性關(guān)系良好，線性范圍為0.002 5～0.017 5 mg/mL.

2.3 火龍果多糖的含量測(cè)定及其提取率的計(jì)算方法

將火龍果粉末（2.00 g）經(jīng)提取后得到的提取液稀釋至100 mL，精確吸取1 mL 樣品溶液加入到25 mL 容量瓶稀釋定容，再精確移取1 mL 稀釋液置于25 mL 容量瓶中，加入1 mL 蒸餾水，精確加入1.0 mL 6%苯酚溶液，搖勻，迅速加入5.0 mL 濃硫酸，蓋上塞，搖勻，在室溫顯色20 min，以空白校正零點(diǎn)，于490 nm 處測(cè)定其吸光度，根據(jù)總糖標(biāo)準(zhǔn)回歸方程計(jì)算總糖質(zhì)量濃度，按式（1）計(jì)算總糖含量.火龍果多糖提取率按式（2）計(jì)算：

式中：W總糖為總糖質(zhì)量，g；X1為總糖質(zhì)量濃度，mg/mL；E 為火龍果多糖提取率，%；W 為火龍果投料質(zhì)量，g.

2.4 單因素試驗(yàn)

2.4.1 液料比對(duì)多糖提取率的影響

精確稱取2.00 g 火龍果樣品，置于錐形瓶中，在80 ℃熱水中浸泡25 min，在微波功率250 W 條件下，于微波萃取儀中提取4 min，研究不同料液比（10∶1、15∶1、20∶1、25∶1，30∶1，35∶1 mL/g）對(duì)火龍果多糖提取率的影響.

2.4.2 熱水浸泡時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響

精確稱取2.00 g 火龍果樣品，置于錐形瓶中，在液料比20∶1（mL/g）、微波功率250 W、微波時(shí)間4 min 的條件下，于微波萃取儀中提取，研究在80℃下，不同熱水浸泡時(shí)間（20、25、30、35、40 min）對(duì)火龍果多糖提取率的影響.

2.4.3 微波時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響

精確稱取2.00 g 火龍果樣品，放于錐形瓶中，在液料比20∶1（mL/g）、80 ℃熱水浸泡25 min、微波功率250 W 條件下，于微波萃取儀中進(jìn)行提取，研究不同微波時(shí)間（2、4、6、8、10 min）對(duì)火龍果多糖提取率的影響.

2.4.4 微波功率對(duì)多糖提取率的影響

精確稱取2.00 g 火龍果樣品，置于錐形瓶中，在液料比20∶1（mL/g）、80 ℃熱水浸泡25 min、微波時(shí)間4 min 條件下，于微波萃取儀中進(jìn)行提取，研究不同微波功率（100、150、200、250、300 W）對(duì)火龍果多糖提取率的影響.

2.4.5 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果和Box-Behnken 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[9]，選取浸泡時(shí)間、微波時(shí)間、微波功率對(duì)火龍果多糖提取結(jié)果影響明顯的3 個(gè)因素，以火龍果多糖提取率為響應(yīng)值，確定火龍果多糖的最佳提取工藝參數(shù)，試驗(yàn)因素與水平見表1.

表1 試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken design

3 結(jié)果與討論

3.1 火龍果多糖微波輔助提取的單因素試驗(yàn)

3.1.1 液料比對(duì)多糖提取率的影響（圖1）

圖1 液料比對(duì)多糖提取率的影響Fig.1 The effect of liquid to material ratio on the extraction rate

由圖1 可知，當(dāng)液料比從10∶1 逐步增加到20∶1時(shí)，多糖提取率不斷增大，達(dá)到最大值，但繼續(xù)增大液料比，火龍果多糖提取率則有下降趨勢(shì).原因可能是，在其他操作條件相同的情況下，液料比過大，微波的內(nèi)加熱效應(yīng)降低，不利于多糖的溶出，造成多糖提取率下降.考慮到生產(chǎn)成本（主要是后續(xù)的濃縮成本），液料比以20∶1 為宜.

3.1.2 熱水浸泡時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響（圖2）

圖2 浸泡時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響Fig.2 The effect of infusion time on the extraction rate

由圖2 可知，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，多糖提取率顯著增加，當(dāng)熱水浸泡時(shí)間為30 min 時(shí)，多糖提取率達(dá)最大值，但繼續(xù)延長(zhǎng)浸泡時(shí)間，多糖提取率逐漸下降.原因可能是：熱浸泡有利于植物細(xì)胞溶脹，使細(xì)胞壁和細(xì)胞膜在后續(xù)的微波內(nèi)加熱效應(yīng)下破裂，有利于多糖的溶出，多糖提取率不斷提高，但是隨著浸泡時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，火龍果肉的細(xì)胞吸水越來越充分，在微波提取時(shí)從細(xì)胞游離出來的多糖量增多，多糖提取率不斷上升，但是當(dāng)浸泡時(shí)間超過30 min 后，細(xì)胞溶脹達(dá)到最大，此時(shí)增加浸泡時(shí)間也對(duì)后續(xù)操作無增效作用，即對(duì)多糖提取率的提高影響不大，反而增加了操作時(shí)間，故熱水浸泡時(shí)間以30 min 為宜.

3.1.3 微波時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響（圖3）

圖3 微波時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響Fig.3 The effect of microwave time on the extraction rate

由圖3 可見，隨著微波提取時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，多糖提取率也顯著增加，但當(dāng)微波時(shí)間為4 min時(shí)，多糖的提取率達(dá)到最大值14.4%，繼續(xù)延長(zhǎng)微波時(shí)間，多糖得率反而明顯下降.原因可能是，微波提取時(shí)間較短時(shí)，微波輻射對(duì)火龍果果肉細(xì)胞的破壞作用較大，溶解出來的多糖比較多，但是當(dāng)微波提取時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，大量水分蒸發(fā)后，物料被加熱，導(dǎo)致火龍果多糖的水解程度加大，造成物料局部焦糊，多糖碳化[8]，故微波時(shí)間以4 min 為宜.

3.1.4 微波功率對(duì)多糖提取率的影響（圖4）

圖4 微波功率對(duì)多糖提取率的影響Fig.4 The effect of microwave power on the extraction rate

圖4 表明，隨著微波功率的增加，多糖提取率也逐漸增加，當(dāng)微波提取功率為200 W 時(shí)，提取率達(dá)到最大值，但繼續(xù)增大微波提取功率，多糖提取率逐漸下降.原因可能是：微波的內(nèi)加熱效應(yīng)迫使火龍果的細(xì)胞膜破裂，多糖組分迅速離開細(xì)胞溶解于水中，隨著微波功率逐漸增大時(shí)，熱效應(yīng)也不斷增強(qiáng)，多糖提取率逐漸上升，當(dāng)微波功率為200 W 時(shí)多糖提取率達(dá)到最大值.但當(dāng)微波功率較大時(shí)，局部的加熱強(qiáng)度過大，導(dǎo)致物料出現(xiàn)微焦化現(xiàn)象，部分多糖被碳化，降低了火龍果多糖的提取率.另外微波功率的加大可使一些原本溶解度較小的物質(zhì)開始溶解，使得溶液中的雜質(zhì)增多，不利于后期的純化，故微波提取功率以200 W 為宜.

3.2 火龍果多糖微波輔助提取的響應(yīng)面試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果（表2）

表2 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiment

采用Design Expert 軟件對(duì)表2 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元二次回歸擬合分析，構(gòu)建回歸方程為：Y=15.40-0.001 25A+0.020B+0.003 75C-0.56A2-0.77B2-0.47C2+0.005AB-0.052AC+0.005BC.

所得回歸方程的方差分析如表3 所示.由表3可知，二次項(xiàng)A2、B2、C2極顯著，其余項(xiàng)均不顯著，所得模型極顯著（P＜0.000 1），失擬項(xiàng)不顯著（P=0.997 0），相關(guān)系數(shù)R2=0.991 4，模型修正決定系數(shù)R2adj=0.980 2，誤差項(xiàng)不顯著，失擬項(xiàng)P=0.997 0（P＞0.05）不顯著.說明該模型非常顯著，回歸方程的擬合度和可信度較高，可用于預(yù)測(cè)實(shí)際的提取效果.

3.2.2 響應(yīng)面分析

采用Design Expert 軟件繪制AB、AC、BC 的交互作用3D 曲面圖和等高線圖（圖5—圖7），通過響應(yīng)面圖可以直觀預(yù)測(cè)最優(yōu)響應(yīng)值以及確定變量的相互作用關(guān)系，而等高線圖的形狀可反映出交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則與之相反[10].

由圖5 可知，當(dāng)微波功率固定為200 W 時(shí)，浸泡時(shí)間曲面變化幅度低于微波時(shí)間曲面變化幅度，說明微波時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響較大.當(dāng)微波時(shí)間較短時(shí)，要得到較高提取率必須提高浸泡時(shí)間；當(dāng)微波時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，較少的浸泡時(shí)間就能達(dá)到較高的提取率.等高線圖為橢圓形，表明浸泡時(shí)間和微波功率交互作用顯著.

表3 回歸模型方差分析Table 3 ANOVA analysis of regression model

圖5 浸泡時(shí)間和微波時(shí)間對(duì)多糖提取率的響應(yīng)面Fig.5 Response surface plots of immersion time and microwave time on the extraction rate

圖6 浸泡時(shí)間和微波功率對(duì)多糖提取率的響應(yīng)面Fig.6 Response surface plots of immersion time and microwave power on the extraction rate

圖7 微波時(shí)間和微波功率對(duì)多糖提取率的響應(yīng)面Fig.7 Response surface plots of microwave time and microwave power on the extraction rate

由圖6 可知，當(dāng)微波時(shí)間固定為4 min 時(shí)，浸泡時(shí)間曲面變化幅度低于微波功率曲面變化幅度，說明微波功率對(duì)多糖提取率的影響較大.當(dāng)浸泡時(shí)間較短時(shí)，要得到較高提取率必須提高微波功率，但微波功率過大，提取率反而下降，而浸泡時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，較低的微波功率就能達(dá)到較高的提取率.等高線圖為橢圓形，表明浸泡時(shí)間和微波功率交互作用較顯著.

由圖7 可知，當(dāng)浸泡時(shí)間固定為30 min 時(shí)，微波時(shí)間曲面變化幅度低于微波功率曲面變化幅度，說明微波功率對(duì)多糖提取率的影響較大.當(dāng)微波時(shí)間和微波功率較大或較小時(shí)，都會(huì)降低多糖的提取率.等高線圖接近圓形，說明微波時(shí)間和微波功率交互作用不顯著.

3.2.3 提取條件的優(yōu)化和驗(yàn)證

根據(jù)Design-Expert 建立的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行參數(shù)的最優(yōu)化分析，得出火龍果多糖提取的最佳條件為：浸泡時(shí)間29.99 min，微波時(shí)間4.03 min，微波功率200.22 W，此工藝條件下，火龍果多糖提取率可達(dá)15.402 1%.為驗(yàn)證該方法的可行性，采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，考慮到試驗(yàn)的可操作性，將工藝參數(shù)調(diào)整為浸泡時(shí)間30 min，微波時(shí)間4 min，微波功率200 W，進(jìn)行3 組平行試驗(yàn)，火龍果多糖提取率平均值為15.47%，與模型預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差為0.45%，表明該工藝條件可靠，具有一定的可行性和參考價(jià)值.

4 結(jié)論

以火龍果多糖提取率為指標(biāo)，對(duì)液料比、熱水浸泡時(shí)間、微波時(shí)間、微波功率等因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，在液料比為20 ∶1 的條件下，通過Box-Benhnken 中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了微波提取火龍果多糖的模型，優(yōu)選的最佳工藝條件為：浸泡時(shí)間30 min，微波時(shí)間4 min，微波功率200 W，此工藝條件下，火龍果多糖提取率可達(dá)15.47%，與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為0.45%.試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝條件可靠，具有一定的可行性和參考價(jià)值.

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