全 文 :北方园艺2014(13):133~136 ·贮藏保鲜加工·
第一作者简介:谭启明(1982-),男,河南郑州人,硕士研究生,现主
要从事植物产品开发和应用等研究工作。
责任作者:李景原(1963-),男,河南新乡人,博士,教授,博士生导
师,现主要从事植物产品开发和应用等研究工作。
基金项目:国家“十一五”科技支撑计划子课题资助项目
(2006BRI06R12-06);河南省重点科技攻关资助项目(122102310283)。
收稿日期:2014-03-13
响应面法优化微波辅助提取芦荟凝胶多糖工艺
谭 启 明1,付 瑞 敏2,李 景 原1,王 太 霞1
(1.河南师范大学 生命科学学院,河南 新乡453007;2.河南教育学院,河南 郑州450046)
摘 要:以库拉索芦荟为试材,在单因素试验的基础上,选择微波时间、微波功率、液料比3个
因素,利用Box-Benhnken中心组合试验和响应面分析法,对数据进行回归分析,优化微波辅助提
取库拉索芦荟中的多糖提取工艺。结果表明:芦荟多糖微波辅助提取的优化工艺条件为微波时
间2min,微波功率800W,液料比39∶1mL/g,在此工艺条件下,芦荟多糖的提取率可以达
到6.03%。
关键词:库拉索芦荟;多糖;微波辅助提取;响应面法
中图分类号:S 567.9 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2014)13-0133-04
芦荟属百合科芦荟属多年生常绿肉质草本植物。
食用品种主要是库拉索芦荟,其主要活性成分是多糖,
芦荟多糖具有免疫调节、抗病毒、抗氧化、抗菌等多种功
效[1]。传统提取多糖的方法是热水提取法,但是该方法
得率较低,耗时长且较为耗能。采用微波法辅助提取芦
荟多糖,具有操作步骤简单、节省溶剂、产物收率高、处
理时间短等优点。当前,已有文献报道应用微波辅助方
法提取植物多糖[2-4]。
响应面法是数学方法与统计方法相结合的产物,它
采用多元二次回归方法,进行函数估计,并用多项式模
拟多因子试验中各个因素与相应指标间的相互关系。
[10]辛建刚,芮汉明.酶法澄清西蕃莲果汁的工艺研究[J].饮料工业,
2005,8(4):22-40.
[11]姜守军,周广麒.果胶酶澄清葡萄汁的工艺研究[J].安徽农业科学,
2007,35(4):1109-1110.
[12]钦传光,丹娃伦亭娜,丁诺,等.果胶酶高产菌种的筛选[J].中国酿
造,2000,3(4):32-34.
[13]Paul K B,Christopher D,Simon P R.Analysis of the expression of
anthocyanin pathway genes in developing Vitis vinifera L.cv Shiraz grape
berries and the-implications for pathway regdation[J].Plant Physiol,1996,
111:1059-1066.
[14]赵权.脱落酸对长白忍冬果实和叶绿原酸含量的影响[J].北方园艺,
2011(22):22-24.
[15]赵权.山葡萄生长过程中不同组织部位白藜芦醇含量的变化[J].北
方园艺,2012(2):17-18.
[16]徐渊金,杜琪珍.花色苷分离鉴定方法及其生物活性[J].食品与发酵
工业,2006,32(3):67-72.
Effect of Enzyme on the Phenolic Substances Leaching Rate in
Vitis amurensis Brewing Process
ZHAO Quan
(Traditional Chinese Medicine Department,Jilin Agricultural Science and Technology Colege,Jilin,Jilin 132101)
Abstract:Taking Vitis amurensis‘Zuoyouhong’as experimental material,by means of HPLC techniques,the efect of
snail enzyme,celulase enzyme and pectinase enzyme on the phenolic substances leaching rate in Vitis amurensis brewing
process was studied.The results showed that the efect of enzyme on the leaching rate of total anthocyanins of Vitis
amurensis was not significant;celulase treatment on the leaching rate of chlorogenic acid had the best efect,increased by
7.8percentage point than CK;the leaching of resveratrol of snail enzyme treatment was the best,increased by 4.3
percentage point than CK.
Key words:Vitis amurensis wine;snail enzyme;celulase;pectinase;phenolic substances
331
·贮藏保鲜加工· 北方园艺2014(13):133~136
在此基础上,通过分析函数响应面,研究响应面和因子
及因子相互之间的关系,该设计极其合理,结果相当优
良,所以被广大生物、食品行业人员所采用[5]。因此,该
试验将响应面法应用于芦荟多糖的微波辅助提取工艺
优化,采用Box-Behnken设计方案,对影响微波辅助提取
芦荟多糖的因素-微波时间、微波功率和液料比做进一步
探索,旨在为芦荟多糖的提取工艺提供有益参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试芦荟品种为“库拉索芦荟”。
供试试剂:无水乙醇、蒽酮、浓硫酸、丙酮、乙醚、
D-甘露糖等,均为国产分析纯试剂。
供试仪器:UV-2000紫外分光光度计(上海尤尼柯
仪器有限公司);H2050R-1高速冷冻离心机(长沙湘仪
离心机仪器有限公司);DZF-6020B真空干燥箱(上海齐
欣科学仪器有限公司);PL203电子天平(梅特勒-托利多
仪器(上海)有限公司);SENCO R系列旋转蒸发仪(上
海申生科技有限公司);微波炉(佛山市顺德区格兰仕微
波炉有限公司)。
1.2 试验方法
1.2.1 芦荟的前处理及多糖提取工艺 取新鲜芦荟叶
洗净去刺,剥皮,刮下叶内胶体部分,将芦荟凝胶打浆,
称取20g凝胶原液微波辅助提取,真空抽滤,取滤液,旋
转蒸发仪浓缩至10mL,加入4倍体积的无水乙醇,置于
4℃冰箱中过夜,再依次用无水乙醇、丙酮和乙醚洗涤沉
淀,于2 500r/min低温离心10min,真空冷冻干燥至白
色粉末,将粉末定容于100mL的容量瓶中待测定。
1.2.2 芦荟多糖含量的测定 芦荟多糖含量的测定采
用蒽酮-硫酸法[6],库拉索芦荟凝胶中多糖的提取率η=
M多糖/M凝胶。
1.2.3 单因素试验 液料比对芦荟凝胶多糖提取率的
影响:称取1.0g芦荟干粉6份,在微波时间2min,微波
功率700W,液料比分别为10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、
50∶1、60∶1mL/g的条件下,考察液料比对芦荟凝胶多
糖提取率的影响。微波时间对芦荟多糖提取率的影响:
称取1.0g芦荟干粉6份,在液料比为30∶1mL/g,微
波功率700W,微波时间分别为1、2、3、4、5、6min的条件
下,考察微波时间对芦荟凝胶多糖提取率的影响。微波
功率对芦荟多糖提取率的影响:称取1.0g芦荟干粉6
份,在液料比为30∶1mL/g,微波处理时间2min,微波
功率分别为400、500、600、700、800、900W的条件下,考
察微波功率对芦荟凝胶多糖提取率的影响。
1.2.4 响应面试验 基于单因素试验结果,采用Box-
Behnken设计方案,利用Design-Expert软件,以液料比、
微波时间和微波功率为自变量,以芦荟多糖的提取率为
响应值,进行3因素3水平响应面分析试验,优化其提取
表1 响应面试验因素与水平
Table 1 Factors and levels of experiment of
response surface analysis
因素Factor
水平Level
-1 0 1
A液料比Ratio of liquid to material/mL·g-1 20 30 40
B微波时间 Microwave time/min 1 2 3
C微波功率 Microwave power/W 600 700 800
工艺条件。
2 结果与分析
2.1 单因素对芦荟多糖提取的影响
2.1.1 液料比对芦荟凝胶多糖提取率的影响 由图1
可知,随着液料比增加,芦荟多糖提取率也随之增大,其
原因是液料比增加可提高多糖的溶出率。其中,当液料
比低于30∶1mL/g时,各处理提取率差异显著,当液料
比高于30∶1mL/g时,液料比的调整对多糖提取率的
影响相对较小,考虑到液料比过高会增加后期浓缩成本
及时间,因此将液料比定在30∶1mL/g。
图1 液料比对芦荟多糖提取率的影响
注:ABMP为“库拉索芦荟”多糖。
Fig.1 Efect of ratio of liquid to material on
the extraction rate of ABMP
Note:ABMP was Aloe barbadensis Miler polysaccharides.
2.1.2 微波时间对芦荟多糖提取率的影响 由图2可
知,微波时间在3min内,芦荟多糖的提取率随着微波时
间的延长而显著增大,这可能是因为通过微波的作用,
可使芦荟叶的腺胞系统中的水分吸收微波而产生气化,
气化产生的压力迫使细胞膜破裂、收缩,从而使提取溶
剂更容易进入细胞内;此外,微波产生的电磁场也可加
速多糖扩散的速率,使提取过程缩短,当微波时间超过
3min,多糖提取率开始下降,考虑可能是水分子在微波
产生的电磁场作用下高速转动导致液体温度过度上升,
温度过高导致多糖结构遭到了破坏,活性丧失,故将微
波时间定在2min左右。
2.1.3 微波功率对芦荟多糖提取率的影响 由图3可
知,微波功率低于700W时,芦荟多糖的提取率随着微
波功率的增加而显著增大,微波功率高于700W时,芦
荟多糖提取率增加幅度较为微小,为节省能耗,考虑将
微波功率定在700W。
431
北方园艺2014(13):133~136 ·贮藏保鲜加工·
图2 微波时间对芦荟多糖提取率的影响
Fig.2 Efect of microwave time on
the extraction rate of ABMP
图3 微波功率对芦荟多糖提取率的影响
Fig.3 Efect of microwave power on
the extraction rate of ABMP
2.2 响应面试验结果
以液料比、微波时间和微波功率为自变量,以芦荟
多糖提取率为响应值进行响应面试验。由表2可知,液
料比为40∶1mL/g,微波时间为2min,微波功率为
800W时,多糖得率最高,为6.01%。
表2 响应面分析方案及试验结果
Table 2 Program and experimental results of
response surface analysis
试验号
No.
A液料比
Ratio of liquid to
material/mL·g-1
B微波时间
Microwave
time/min
C微波功率
Microwave
power/W
多糖提取率
Polysaccharides
extraction rate/%
1 20∶1 1 700 4.09
2 40∶1 1 700 4.81
3 20∶1 3 700 4.92
4 40∶1 3 700 4.60
5 20∶1 2 600 2.99
6 40∶1 2 600 4.04
7 20∶1 2 800 5.48
8 40∶1 2 800 6.01
9 30∶1 1 600 3.51
10 30∶1 3 600 3.87
11 30∶1 1 800 3.99
12 30∶1 3 800 5.51
13 30∶1 2 700 5.94
14 30∶1 2 700 5.89
15 30∶1 2 700 5.78
2.3 回归分析
运用Design expert 8.0软件对试验点的响应值(表
2)进行二次回归响应面分析,建立多元二次响应面回归
模型:Y=5.87+0.025A+0.31B+0.82C-0.26AB-
0.13AC+0.29BC-0.43A2-0.84B2-0.81C2。
从表3可以看出,模型的P值为0.0301,小于0.05,
说明该模型回归显著,可用于微波辅助提取芦荟多糖的
试验设计。回归模型的决定系数为A(液料比)、B(微波
时间)、C(微波功率)、AB(液料比与微波时间的交互作
用)、AC(液料比与微波功率的交互作用)、BC(微波时间
与微波功率的交互作用),P值分别为0.1907、0.1143、
0.0040、0.3121、0.5984、0.2654。这表明回归方程模型的
拟合度较好,失拟小,可用该模型对微波辅助提取芦荟
多糖的工艺进行准确的预测和分析。
表3 回归分析结果
Table 3 Analyze of regression analysis
方差来源
Sources of
variance
平方和
Sum of
squares
自由度
Degrees of
freedom
均方
Mean
squares
F值
Fvalue
P
Model 12.38 9 1.38 6.43 0.0271
A-A 0.49 1 0.49 2.29 0.1907
B-B 0.78 1 0.78 3.65 0.1143
C-C 5.41 1 5.41 25.28 0.0040
AB 0.27 1 0.27 1.26 0.3121
AC 0.068 1 0.068 0.32 0.5984
BC 0.34 1 0.34 1.57 0.2654
A2 0.67 1 0.67 3.15 0.1360
B2 2.59 1 2.59 12.10 0.0177
C2 2.44 1 2.44 11.39 0.0198
残差Residual 1.07 5 0.21
失拟项Loss of quasi item 1.06 3 0.35 52.58 0.0187
纯误差Pure error 0.013 2 6.700E-003
总离差Total deviation 13.45 14
图4 微波功率与微波时间交互作用对
芦荟多糖提取率影响响应面
Fig.4 Response surface of interrelated influence of
microwave power and microwave time on extraction rate of ABMP
根据回归方程,获得液料比,微波时间与微波功率两两
交互对芦荟多糖提取率的影响,图4~6为相应的响应
面曲面图,其中,微波功率(C)对响应值的影响最为显
著,表现为响应面曲线较陡,而微波时间(B)和液料比
(A)对芦荟多糖提取率的影响相对较弱,表现为曲线较
为平缓。
531
·贮藏保鲜加工· 北方园艺2014(13):133~136
图5 液料比与微波功率交互作用对
芦荟多糖提取率影响响应面
Fig.5 Response surface of interrelated influence of
ratio of liquid to material and microwave power on
extraction rate of ABMP
图6 液料比与微波时间交互作用对
芦荟多糖提取率影响响应面
Fig.6 Response surface of interrelated influence of
ratio of liquid to material and microwave time on
extraction rate of ABMP
2.4 模型的验证性试验
通过对芦荟多糖提取率的二次多项数学模型解逆
矩阵,得出微波辅助提取芦荟多糖的最佳工艺为:微波
功率(C)在799.52W,液料比(A)为38.57∶1mL/g,微
波时间(B)为1.96min时,芦荟多糖提取率预测值为
6.04%,为便于操作,将最优条件适度调整为微波功率
800W,操作时间为2min,液料比为39∶1mL/g时,测
得的实际值为6.03%,与理论预测值接近,故采用响应
面法优化提取参数准确可靠,具有实际应用价值。
3 结论
微波辅助芦荟多糖的提取可缩短提取时间,提高提
取率,采用响应面法分析提取工艺,既可以优化工艺参
数,也可预测响应值,从而获得最优的工艺参数。该试
验采用响应面法分析优化芦荟多糖的提取工艺,得到最
佳工艺参数为液料比为39∶1mL/g,微波功率为
800W,操作时间为2min,该工艺条件下,芦荟多糖提取
率达到6.03%.
参考文献
[1] Liu C H,Wang C H,Xu Z L,et al.Isolation chemical characterization
and antioxidant activities of two polysaccharides from the gel and the skin of
Aloe barbadensis Miller irrigated with sea water[J].Process Biochemistry,
2007,42(6):961-970.
[2] 杨宇博,夏红梅,袁恒翼,等.植物多糖及其提取方法[J].中国甜菜糖
业,2008,6(2):34-37.
[3] 王莉,陈正行,张潇艳.微波辅助提取米糠多糖的工艺[J].江苏大学
学报(自然科学版),2007,8(3):193-196.
[4] 许晓氰,闻建平.微波协助萃取技术在现代化中草药生产中的应用
[J].中草药,2002,33(12):1141-1143.
[5] 付瑞敏,韩鸿鹏,郑珂,等.响应面分析法优化野木瓜多糖的提取工
艺[J].北方园艺,2013(18):121-124.
[6] 陈伟,林新华,黄丽英,等.蒽酮-硫酸法测定库拉索芦荟多糖含量
[J].中国医院药学杂志,2004,24(8):460-462.
Optimization of Microwave-assisted Extraction Process of Aloe barbadensis Miler
Polysaccharies by Response Surface Method
TAN Qi-ming1,FU Rui-min2,LI Jing-yuan1,WANG Tai-xia1
(1.School of Life Science,Henan Normal University,Xinxiang,Henan 453007;2.Henan Institute of Education,Zhengzhou,Henan 450046)
Abstract:Based on the single factor experiment,with Aloe barbadensis Miler as test material,microwave time,microwave
power and ratio of liquid to material were selected,by using Box-Benhnken central composite and response surface
method,the date was regression-analyzed to optimize the microwave-assisted extraction conditions of Aloe barbadensis
Miler polysaccharides(ABMP).The results showed that the optimum extraction conditions of the ABMP were
microwave time 2min,microwave power 800W,ratio of liquid to material 39∶1mL/g.Under these condtions,extraction
rate reached 6.03%.
Key words:Aloe barbadensis Miler;polysaccharides;microwave-assisted extraction;response surface method
631