全 文 ：第 11卷 第 6期 北华大学学报(自然科学版) Vol.11 No.6
2010年 12月 JOURNALOFBEIHUAUNIVERSITY(NaturalScience) Dec.2010
文章编号:1009-4822(2010)06-0553-06
响应面法优化长白山
东北细叶羊角芹根多糖提取工艺
朱楠楠 1 ,侯淑丰2 ,孙广仁 1 ,郭　丽1
(1.北华大学 林学院 ,吉林 吉林　132013;2.辽宁省调兵山市铁煤集团 林业总场 , 辽宁 铁岭　112700)
摘要:以东北细叶羊角芹(AegopodiumalpestreLedeb.F.tenuisectumKitag)根为原料 ,在单因素试验的基础上 , 选
取对东北细叶羊角芹根多糖提取影响显著的提取温度 、料水比和提取时间作为响应面分析的因素.通过中心组
合试验设计 , 得到最佳提取工艺参数:m(料)∶m(水)为 1∶32.48,温度为 71.38℃, 时间为 2.05 h, 经过调整后设
定提取温度 71℃,提取时间 2.0h, m(料)∶m(水)为 1∶32.由回归方程预测在此条件下的多糖提取率的理论值
为 19.20%.
关键词:东北细叶羊角芹;多糖提取;响应面法
中图分类号:S636.3;O636.1 文献标志码:A
收稿日期:2010-06-21
基金项目:吉林市科技发展计划项目(吉市科农 200716);北华大学大学生创新项目(081020143).
作者简介:朱楠楠(1986-),男 ,助教 ,主要从事功能食品研究;
通信作者:孙广仁(1964-),男 ,教授 ,硕士 ,主要从事绿色食品加工与检验研究.
OptimizationofPolysaccharideExtractionfromRootof
AegopodiumalpestreinChangbaiMountainwith
ResponseSurfaceMethod
ZHUNan-nan1 , HOUShu-feng2 , SUNGuang-ren1 , GUOLi1
(1.ForestryCollegeofBeihuaUniversity, Jilin132013 , China;
2.ForestryCenterofTiemeiGroupinDiaobingshanCityofLiaoningProvince, Tieling112700 , China)
Abstract:TherootofAegopodiumalpestreasrawmaterial, thefactorsofextractedtemperature, watertomaterial
ratioandextractiontimearechosenonthebasisofsinglefactorexperiments.Theoptimum conditionsof
extractingparameterswereasfolows:watertomaterialratio1 32.48, extractiontemperatureof71.38 ℃, and
extractiontimeof2.05h, therearedeterminedafteradjustmentasfolows:theratioofmaterialtowater1 32,
extractiontemperatureof71℃, andextractiontimeof2.0h, thetheoryvalueofextractionrateforecastedby
regressionequationcouldbeupto19.20% underthiscondition.
Keywords:Aegopodiumalpestre;polysaccharideextraction;responsesurfacemethod
东北细叶羊角芹(AegopodiumalpestreLedeb.F.tenuisectumKitag)为多年生草本 ,高达 60cm,根状茎短而
横卧 ,具地下长匍匐枝 ,茎稍柔弱 ,单一 ,中空 ,具细槽 ,无毛 ,茎生叶有长柄 ,叶片外形三角形 ,二至三回三出
羽状全裂或二回羽状全裂 ,终裂片羽状深裂 ,小裂片线形至披针状线形 ,宽达 2mm,下部者常有齿 ,复伞形花
序径 4 ～ 6cm,伞梗 10 ～ 16,无总苞片及小总苞片;小伞形花序径 1cm余 ,具 15 ～ 20花 ,部分不结实 ,萼齿不
显 [ 1] .花瓣白色.双悬果卵长圆形 ,长 3 ～ 4mm.花柱茎短圆锥形 ,花柱长而下弯;分生果横切面略带五角状的
半圆形 ,果棱丝状 ,油管不显 ,生林下 、林缘 、林间 、山坡路旁及山顶草地 ,产于黑 、吉 、辽 、内蒙古 [ 2] .
长白山区春季 4 ～ 6月间采食幼苗 ,可做菜团 、菜饼及面食馅子 ,亦可炒食 、蘸酱或做汤食用 ,腌制咸菜
亦佳[ 3] ,根 、全草可入药 ,根有镇痛功效 ,主治风湿骨痛 ,全草主治眩晕[ 4] .
目前 ,已有学者对山芹菜籽 [ 5]及东北细叶羊角芹籽 [ 6]的挥发油成分进行了研究 ,但还没有关于长白
山东北细叶羊角芹多糖提取的相关报道.本项研究采用响应面分析法(ResponseSurfaceMethod)对东北细
叶羊角芹根多糖提取工艺进行了优化 ,以期为深入研究东北细叶羊角芹多糖的保健功效提供理论依据.
1　材料与方法
1.1　材　　料
1.1.1　原　　料
长白山细叶羊角芹根(采自集安 ,经北华大学林学院杜凤国教授鉴定).
1.1.2　试　　剂
无水乙醇 、浓硫酸 、苯酚 、葡萄糖等 ,所有试剂均为分析纯.
1.1.3　仪器与设备
722N可见分光光度计:上海佑科仪器仪表有限公司;HH-2数显恒温水浴锅:金坛市科技仪器有限公
司;FA2004A电子分析天平:上海精天电子仪器有限公司;DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱:上海一恒
科学仪器有限公司;LG10-24A高速离心机:北京医用离心机厂;RE5220旋转蒸发器:上海亚荣生化仪器
厂;SHB-B95型循环水式真空泵:郑州长城科工贸有限公司;星火牌玻璃仪器气流烘干器:郑州长城科工贸
有限公司;S2F-06B粗脂肪测定仪:杭州托普仪器有限公司.
1.2　方　　法
1.2.1　标准曲线的绘制
精确称取 105℃下干燥至恒重的葡萄糖标准品 0.100 0g,定容至 1 000mL(标准葡萄糖溶液为 1mg/mL),精
密吸取 0.1g/L的葡萄糖对照品溶液 0.2 , 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 , 1.2mL,分别置于 25mL比色管中 ,依次加蒸
馏水使最终体积为 2mL,同时吸取 2mL蒸馏水于 25mL比色管中作空白对照 ,给试管编号.分别加入 5%
的苯酚 1mL,迅速加入浓硫酸 5mL,静置 10min,混匀放入 30℃水浴加热 20min,取出在流动水下迅速冷
至室温 ,于 490nm波长处测吸光度(A),以浓度(C)为横坐标 ,吸光度为纵坐标 ,绘制标准曲线 [ 7] .
1.2.2　多糖的提取
称取一定质量的东北细叶羊角芹根干粉 ,按 1 8的比例加入 80%的乙醇 , 80℃条件下提取 1h,过滤 ,
在鼓风干燥箱中 60℃干燥 2h,干燥后用自封袋装好备用.精确称取经乙醇提取后的东北细叶羊角芹根干
粉 1.0g置于 250mL圆底烧瓶中 ,加入一定量的蒸馏水 ,在一定温度下回流一定时间 ,滤液于 250mL容量
瓶中定容后取 5mL试液定容在 100mL容量瓶中.精密移取 1.0mL按上述方法测定样品吸光度 ,计算多
糖含量 [ 8] .
1.2.3　多糖含量的测定
多糖含量的测定采用苯酚-硫酸法.高速离心机离心完毕 ,转移上清液到 250mL容量瓶 ,然后精密吸
取 5.0mL上述溶液至 100mL容量瓶中 ,并加水稀释定容.精密量取 1mL于 25mL比色管中 ,加蒸馏水补
至 2mL,再加入 5%的苯酚溶液 1.0mL,迅速加入浓硫酸 5.0mL,静置 10min,摇匀后置 30℃水浴中加热
20min,取出置冷水中冷却 10min,同时用 2.0mL蒸馏水做空白 ,用分光光度计在波长 490nm处测定吸
光度.
多糖提取率计算公式:
多糖提取率 =比色液密度 ×稀释体积 ×定容体积供试样品体积 ×试验样品质量 ×106 ×100%,
式中:比色液密度单位为 μg/mL;稀释体积为 20mL;定容体积为 250mL;供试样品体积为 1mL;实验样品
质量为 1g左右.
554 北华大学学报(自然科学版) 第 11卷
2　结果与分析
2.1　热水浸提的单因素分析
影响东北细叶羊角芹根多糖提取率的因素很多 ,如提取温度 、提取时间 、水料比 、浸提次数等.在进行
响应面分析之前 ,先通过单因素试验来选取试验因素与水平 [ 9] ,找出影响东北细叶羊角芹根多糖提取率
的关键因素.
2.1.1　提取温度对多糖提取率的影响
以温度为变量做单因素试验 ,试验条件:m(料)m(水)为 1 20,提取 1h,提取 1次 ,试验结果如图 1
所示.从图 1可以看出:在 40 ～ 70℃内随着温度的升高多糖提取率逐渐上升 , 70℃之后 ,随着温度的上升
多糖提取率略有下降 ,可能是高温浸提导致多糖降解 ,从而引起提取率下降 ,所以浸提温度不宜过高 ,在
70℃左右为宜.
2.1.2　提取时间对根多糖提取率的影响
以提取时间为变量做单因素试验 ,试验条件:温度为 80℃, m(料)m(水)为 1 20,提取 1次 ,试验结果
见图 2.
图 1 温度对多糖提取率的影响
Fig.1 Effectoftemperatureonpolysaccharide
extractionrate
图 2 提取时间对多糖提取率的影响
Fig.2 Effectoftimeonpolysaccharide
extractionrate
图 3 料水比对多糖提取率的影响
Fig.3 Effectofradioofwatertomaterialon
polysaccharideextractionrate
　　从图 2可以看出:随着浸提时间的延长 ,多糖提取
率不断增加 ,在 2.5h之前增加较为明显 , 2.5h之后呈
下降趋势.时间过短 ,多糖溶解不充分;时间过长 ,可能
引起多糖的分解 ,从而导致得率下降.因此 ,浸提时间
在 2.5h左右为宜.
2.1.3　料水比对多糖提取率的影响
以料水比为变量做单因素试验 ,试验条件:提取温度
80℃,提取时间 1h,提取 1次 ,试验结果见图 3.
从图 3可以看出:东北细叶羊角芹根多糖料水比
图 4 提取次数对多糖提取率的影响
Fig.4 Effectoftimesonpolysaccharide
extractionrate
在 1 5 ～ 1 20时 ,随着用水量的增多其多糖提取率逐
渐增大 ,当料水比大于 1 20时多糖提取率有下降趋
势.东北细叶羊角芹根多糖需要吸收较多水分 ,才能充
分溶出 ,但当料水比达到 1 20时 ,多糖溶出达到饱和 ,
所以再增加溶剂对多糖提取率影响不是很显著.单因
素试验结果表明 ,料水比应在 1 20 ～ 1 30.
2.1.4　提取次数对多糖提取率的影响
以提取次数为变量做单因素试验 ,试验条件为提
取温度 80℃, m(料)m(水)为 1 20,提取时间为 1h,
对滤渣进行再次提取 ,试验结果见图 4.
从图 4可以看出:第 1次提取得率为 17.92%,复提之后 ,两次累计为 18.01%,相对 1次提取的结果
增长不显著 ,而提取 3次累计的得率仅为 18.20%,二者之间并无显著差异.如果过度增加提取次数 ,会使
555第 6期 朱楠楠 ,等:响应面法优化长白山东北细叶羊角芹根多糖提取工艺
生产效率下降 ,考虑到经济因素 ,选择提取 1次为宜.
2.2　提取工艺的优化
2.2.1　响应面分析因素与水平
在东北细叶羊角芹根多糖提取的单因素试验基础上 ,确定提取次数为 1次 ,根据 Box-Behnken的中心
组合试验设计原理 ,选取提取温度 、提取时间 、料水比 3个对多糖提取率影响显著的因素 ,分别以 A, B, C
表示 ,并以 +1, 0, -1分别代表自变量的高 、中 、低水平.以东北细叶羊角芹根多糖提取得率为响应值(Y),
采用 3因素 3水平的响应面分析方法进行分析 ,其试验因素及水平设计见表 1.
表 1　Box-Behnken设计因素与水平
Tab.1　Box-Behnkendesignfactorsandlevels
因　素 编码水平-1 0 1
A∶θ/℃ 60 70 80
B∶t/h 1 2 3
C∶m(水)∶m(料) 20 30 40
对提取温度 A、提取时间 B和料水比 C做变换:A=(θ-70)/10, B=(t-2)/1.0 , C=(z-30)/10(θ,
t, z分别为试验提取温度 、提取时间及料水比).以 A, B, C为自变量 ,以 3次平行试验所得多糖提取率的平
均值为响应值做响应面分析 ,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.
2.2.2　提取工艺条件的优化试验设计
提取工艺条件的优化试验设计及结果见表 2.
表 2　提取工艺条件的优化试验设计及结果
Tab.2　Optimizationofextractionconditionsandresultsofexperimentaldesign
编号 响应面设计A B C θ/℃ m(料)∶m(水) t/h 提取率 /%
1 -1 -1 0 70 20 2 13.48
2 1 -1 0 90 20 2 12.94
3 -1 1 0 70 40 2 11.83
4 1 1 0 90 40 2 12.47
5 -1 0 -1 70 30 1 13.15
6 1 0 -1 90 30 1 14.58
7 -1 0 1 70 30 3 12.79
8 1 0 1 90 30 3 16.69
9 0 -1 -1 80 20 1 11.47
10 0 1 -1 80 40 1 14.47
11 0 -1 1 80 20 3 14.11
12 0 1 1 80 40 3 16.19
13 0 0 0 80 30 2 18.99
14 0 0 0 80 30 2 19.05
15 0 0 0 80 30 2 19.11
采用 Design-Expert8.0软件对响应值与各因素进行回归拟合后 ,得到回归方程
　Y=19.050 0+0.678 750A+0.370 000B+0.763 750C-3.063 75A2 -3.306 25B2 -1.683 75C2 +
0.295 000AB+0.617 500AC-0.230 000BC.
模型系数显著性检验结果见表 3,模型的方差分析结果见表 4(＊差异显著 , P<0.05;＊＊差异极显
著 , P<0.01).
556 北华大学学报(自然科学版) 第 11卷
表 3　模型回归系数显著性检验结果
Tab.3　Significancetestandresultsforregressioncoefficientofmodel
系数项 自由度 n 回归系数 p 标准差 SD t Pt> t 显著性
A 1 0.678 8 0.518 6 1.309 0.248
B 1 0.370 0 0.518 6 0.713 0.507
C 1 0.763 8 0.518 6 1.473 0.201
A2 1 -3.063 8 0.763 4 -4.014 0.010 ＊
B2 1 -3.306 3 0.763 4 -4.331 0.007 ＊＊
C2 1 -1.683 7 0.763 4 -2.206 0.079
AB 1 0.295 0 0.733 4 0.402 0.704
AC 1 0.617 5 0.733 4 0.842 0.438
BC 1 -0.230 0 0.733 4 -0.314 0.766
表 4　模型方程检验结果方差分析
Tab.4　Varianceanalysisforverifiedresultsofthemodelequation
残　差 自由度 n 平方和 SS 均方 MS F t
回　归 9 86.846 9 9.649 7 4.48 0.057
失拟项 3 10.750 6 3.583 5 995.43 0.001
纯误差 2 0.007 2 0.003 6
总　和 14
r=0.996 2 r2 =0.992 4 Adj(4)=0.973 7
从表 3、表 4中可以看出:显著性检验表明该模型回归高度显著 , r2 =0.992 4,表明该模型与实际拟合
较好 ,符合度为 99.24%.自变量(提取温度 、提取时间和料水比)与响应值(提取率)之间线性关系显著 ,
可以用于东北细叶羊角芹根多糖热水浸提试验的理论预测.回归方程各项的方差分析结果还表明:提取温
度的二次项较为显著 、提取时间的二次项极为显著(P<0.01).
图 5 Y=f(A, B)的响应面和等高线
Fig.5 Responsivesurfacesandcontour
plotofY=f(A, B)
图 6 Y=f(A, C)的响应面和等高线
Fig.6 Responsivesurfacesandcontour
plotofY=f(A, C)
图 7 Y=f(B, C)的响应面和等高线
Fig.7 ResponsivesurfacesandcontourplotofY=f(B, C)
　　图 5 ～图 7是各因素与响应值之间的响应面及
等高线 ,各因素及其相互作用对响应值的影响结果
可以通过以上各图直观地反映出来.从图 5 ～图 7中
可以看出:提取时间对多糖提取率的影响最为显著 ,
随着提取时间的不断延长 ,多糖的提取率也随之增
大 ,表现为曲面较陡 ,而温度和料水比的影响次之 ,
曲面较平缓.
对回归方程取一阶偏导数等于零 ,即得最佳工
艺参数:
557第 6期 朱楠楠 ,等:响应面法优化长白山东北细叶羊角芹根多糖提取工艺
0.678 750-6.127 50A+0.295 000B+0.617 500C=0,
0.370 000-6.612 50B+0.295 000A-0.230 000C=0,
0.763 750-3.367 50C+0.617 500A-0.230 000B=0,
解得 A=0.138 391, B=0.053 484, C=0.248 524.代入变换公式即得 m(料)m(水)为 1 32.48,温度为
71.38℃,时间为 2.05h,经过调整后设定提取温度为 71℃,提取时间 2.0h, m(料)m(水)为 1 32.由回
归方程预测在此条件下多糖提取率的理论值为 19.20%,实测值为 19.78%,比理论预测值高 3.02%,说明
该数学模型能很好地预测各因素同提取率之间的关系.
3　结　　论
本试验通过单因素的筛选 ,利用响应面试验进行优化设计 ,得出结论:m(料)m(水)为 1 32,温度为
71℃,时间为 2h,由回归方程预测在此条件下的多糖提取率的理论值为 19.20%.采用此优化条件进行试
验 ,实际提取率为 19.78%,与理论预测值基本吻合 ,说明采用响应面法优化得到的最佳提取工艺参数是
可靠的.
参考文献:
[ 1] 傅沛云.东北植物检索表 [ M] .北京:科学出版社 , 1995:460.
[ 2] 辽宁省林业土壤研究所.东北草本植物志:第六卷 [ M] .北京:科学出版社 , 1977:213.
[ 3] 王圣玉.中国植物库:辽宁卷 [ M] .沈阳:沈阳出版社 , 2007:227.
[ 4] 孙明学.大兴安岭森林植物 [ M] .哈尔滨:东北林业大学出版社 , 2006:646.
[ 5] 孙广仁 ,徐澎 , 常凯.东北羊角芹籽挥发性成分的 GC/MS分析 [ J] .安徽农业科学 , 2009, 37(1):18-19.
[ 6] 孙广仁 ,刁绍起 , 姚大地.山芹菜籽精油化学组成的 GC-MS分析 [ J] .东北林业大学学报 , 2009, 37(7):102-103.
[ 7] 刘军海 ,黄宝旭 , 蒋德超.响应面分析法优化艾叶多糖提取工艺研究 [ J] .食品科学 , 2009, 30(2):114-118.
[ 8] 高愿军 ,张家泉 , 司俊娜 ,等.响应面法优化桦褐孔菌多糖提取工艺 [ J] .食品研究与开发 , 2009, 30(6):7-10.
[ 9] 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.
【责任编辑:郭　伟】
558 北华大学学报(自然科学版) 第 11卷