全 文 :第33卷第5期
2014年10月
中 国 海 洋 药 物
CHINESE JOURNAL OF MARINE DRUGS
Vol.33 No.5
October,2014
响应面法优化孔石莼多糖提取工艺△
*
徐翠翠1,孔浩1,郭庆梅1*,周凤琴1,王中华1,张百霞3,王长云2
(1.山东中医药大学药学院,山东 济南250355;2.中国海洋大学医药学院,山东 青岛266100;
3.北京中医药大学中药学院,北京100029)
摘 要:目的 以响应面分析法优化孔石莼水溶性多糖提取工艺。方法 以多糖得率为响应值,考察提取温度、
提取时间、料液比对孔石莼多糖提取率的影响。在单因素试验的基础上,利用Box-Behnken中心组合试验和
响应面分析法,对孔石莼多糖提取工艺参数进行优化分析。结果 孔石莼多糖提取的最优工艺条件为:提取温
度91℃,提取时间1.1h,料液比1∶21。提取3次后,多糖得率为10.19%。结论 实测值与响应曲面法回归
模型的预测值接近,与模型高度拟合,该工艺简洁,得率较高,可用于孔石莼多糖的提取。
关键词:孔石莼;多糖;响应曲面法;提取工艺
中图分类号:R931 文献标志码:A 文章编号:1002-3461(2014)05-037-06
Optimization of the polysaccharide extraction conditions fromUlva pertusa
Kjelm.using response surface methodology
XU Cui-cui 1,KONG Hao1,GUO Qing-mei 1*,ZHOU Feng-qin1,WANG Zhong-hua1,
ZHANG Bai-xia3,WANG Chang-yun2
1.Shandong University of Traditional Chinese Medicine,Jinan250355,China
2.Ocean University of China,Qingdao 266100,China;
3.Beijing University of Chinese Medicine,Beijing100029,China)
Abstract:Objective To optimize the condition of extracting polysaccharide fromUlva pertusa Kjelm..
Methods Taking the extraction rate of polysaccharide fromUlva pertusa Kjelm.as the response value,
the single-factor experimental method was adopted to study the influence of extraction temperature,ex-
traction time and ratio of material to water,and then Box-Behnken center composite design and re-
sponse surface methodology were used to optimize the extraction technique.Results The optimum ex-
traction conditions were as folows:extraction temperature 90.7℃,extraction time 5.14h,material to
water ratio 1∶21(g/mL).Under this condition,the yield of polysaccharide fromUlva pertusa kjellm
was up to 11.12%with three-time extraction.Conclusion Measured value is closed to predicted value of
response surface regression model,which indicates that the model has good fitting degree.The process
is simple,fast and high yield,so it can be used to extract polysaccharides fromUlva pertusa Kjelm..
Key words:Ulva pertusa Kjelm.;polysaccharide;response surface methodology;extraction
* △基金项目:国家高技术研究发展计划 (2013AA093001)资助
作者简介:徐翠翠(1987-),女,硕士研究生,研究方向为中药质量控制与资源研究。Tel:18765311639E-mail:xutouer@163.com
*通讯作者:郭庆梅,女,博士生导师,从事中药质量控制与资源研究方面的工作。E-mail:qmguo@sina.com
收稿日期:2014-03-13
DOI:10.13400/j.cnki.cjmd.2014.05.006
38 中 国 海 洋 药 物 33卷
孔石莼(Ulva pertusa Kjelm.)为渤海和黄海
最为常见的1种野生绿藻,广泛分布在辽宁、河
北、山东和江苏等沿海[1]。孔石莼化学组分主要
有多糖、脂类、蛋白质等,其中多糖含量较高,具有
降血脂[2]、抗氧化[3]、抗病毒[4]、抗肿瘤[5]、增强免
疫力[6]等作用。据《中国海洋药物辞典》记载,孔
石莼具有软坚散结、利水消肿之功效,可用于治疗
甲状腺肿大、水肿、高血压等症状。目前,孔石莼
多糖的热水提取工艺研究多采用正交试验法[7],
响应曲面法与以往采用的正交试验方法不同,它
能在给出的整个区域内找到因素和响应值之间的
1个明确的函数表达式即回归方程,从而找到整个
区域内因素的最佳组合和响应值的最优值。本实
验旨在用响应曲面法探讨孔石莼水溶性多糖最佳
提取工艺,为孔石莼多糖的工业化生产及资源合
理开发利用提供依据和参考。
1 材料与试剂
1.1 材料
孔石莼2013年12月采于青岛灵山岛海边,
经山东中医药大学周凤琴教授鉴定,为石莼科植
物孔石莼Ulva pertusa Kjelm.的藻体。晒干,粉
碎,备用。
1.2 仪器与试剂
UV-3010Spectrophotometer紫外可见分光
光度计(HI-TACHI),101-(1)A数显式电热恒温
干燥箱(上海阳光实验仪器有限公司),FA1104型
电子天平(上海天平仪器厂),DEKW-4型恒温水
浴锅(河北黄骅综合电器厂),SHD-III型循环水式
真空泵(上海汗诺仪器有限公司)。苯酚、硫酸等
试剂为国产分析纯。
2 方法
2.1 多糖的提取
精密称取干燥孔石莼粉末1.0g(40目筛),置
于恒温水浴锅中,按实验方案提取,抽滤,定容至
100mL。取2mL加6mL无水乙醇进行醇沉,
4℃过夜,3 000r/min离心30min,沉淀挥至无醇
味,加热水溶解,定容至25mL容量瓶中,得多糖
提取液。
2.2 标准曲线的制备
将葡萄糖于105 ℃干燥至恒重,精密称取
0.250 0g至500mL容量瓶中,用蒸馏水溶解并
定容至刻度,得质量分数0.5mg·mL-1的标准品
母液。分别精密量取对照品溶液0、1.0、2.0、3.0、
4.0、5.0mL置25mL容量瓶中,用蒸馏水稀释并
定容至刻度,得浓度为0、0.02、0.04、0.06、0.08、
0.10mg·mL-1的标准品溶液,分别精密吸取上
述各浓度的标准品溶液1mL,分别加入6%苯酚
溶液1mL、浓硫酸5mL,混匀,显色20min;以蒸
馏水作为空白对照,于490nm处测定吸光度值,
以葡萄糖的浓度为横坐标,吸光度为纵坐标,绘制
标准曲线。
2.3 单因素试验
以多糖得率为考察指标,按照2.1项下方法
提取后按2.2项下方法进行显色测定。分别以不
同提取温度(A)、料液比(B)、提取时间(C)考察对
多糖得率的影响。
2.4 响应面优化试验设计
根据响应面分析软件 Design Expert 8.0.5
所提供的Box-Behnken模型,设提取温度(A)、提
取时间(B)、料液比(C)为自变量,多糖得率为响应
值,设计三因素三水平的试验,共17个试验点的
响应面分析试验,并利用软件对试验数据进行回
归分析。
表1 响应面因素水平编码表
Table 1 Variables and levels in the three-factor and three-level response surface design
因素
Factors
代码
code
编码水平Levels
-1 0 1
提取温度/℃
extraction temperature
A 80 90 100
提取时间/h
extraction time
B 0.5 1 1.5
料液比/(g/mL)
ratio of material to water
C 1∶15 1∶20 1∶25
5期 徐翠翠,等:响应面法优化孔石莼多糖提取工艺 39
3 结果
3.1 标准曲线的绘制
根据测定吸光度值结果得线性回归方程:y=
7.065 7x+0.001,R2=0.999 7,线性关系良好。
结果见图1。
图1 葡萄糖对照品标准曲线
Fig.1 standard curve of Glucose
3.2 单因素试验结果
单因素试验结果见图2(A)、(B)、(C)。
图2 单因素试验结果
Fig.2 Single-factor test results
由图2(A)可知,固定提取时间1h,料液比
1∶20,考察提取温度对孔石莼多糖得率的影响,
提取3次后,90℃时提取率最高,随温度升高,多
糖得率有下降趋势,推测原因可能是在90℃时藻
体组织被彻底破坏,多糖溶出最多;温度过高可能
会导致孔石莼细胞多种成分产生性质变化,从而
造成多糖难以溶出,也可能是多糖与其他物质结
合导致难以溶出,如糖蛋白的产生[8];由图2(B)可
知,提取1h时,多糖得率最高,且随时间延长,得
率变化不大;由图2(C)可知,液料比为20∶1时,
多糖得率最高,且随着提取溶剂的增加,提取率增
加不大。综合考虑生产效益,优选出单因素试验结
果为:提取温度90℃,提取时间1h,液料比20∶1。
3.3 响应面试验结果与分析
3.3.1 模型的建立与方差分析
利用Design Expert软件对实验数据进行二
次多元回归拟合,得到以孔石莼多糖得率为响应
值,提取温度(A)、提取时间(B)和料液比(C)为自
变量的二次多元回归模型:多糖得率(%)=10.13
+0.30A+0.24B+0.16C+0.042AB+0.057AC
+0.070BC-1.17A2-0.72B2-0.43C2。表2为
实验结果。对该模型进行方差分析,结果见表3。
40 中 国 海 洋 药 物 33卷
表2 响应面分析试验设计及结果
Table 2 Experimental design and results of the response surface analysis
试验编号
Test number
编码水平
Levels
X1 X2 X3
实测值/%
Actual value
预测值/%
Predicted value
1 0 1 -1 9.03 8.99
2 0 -1 1 8.79 8.83
3 1 0 -1 8.58 8.62
4 -1 1 0 8.16 8.14
5 0 0 0 10.09 10.13
6 0 -1 -1 8.71 8.65
7 1 1 0 8.81 8.82
8 0 0 0 10.15 10.13
9 1 -1 0 8.24 8.26
10 0 1 1 9.39 9.45
11 0 0 0 10.16 10.13
12 -1 0 -1 8.08 8.14
13 1 0 1 9.11 9.05
14 -1 -1 0 7.76 7.75
15 -1 0 1 8.38 8.34
16 0 0 0 10.18 10.13
17 0 0 0 10.08 10.13
表3 响应面回归方程的方差分析
Table 3 ANOVA for response surface quadratic model
Source Sum of squares df Mean square F Value Prob>F
Model
A
B
C
AB
AC
BC
A2
B2
C2
Residual
Lack of fit
Pure error
Cor total
10.92
0.70
0.45
0.20
7.225E-003
0.013
0.020
5.72
2.20
0.77
0.028
0.021
7.880E-003
10.94
9
1
1
1
1
1
1
1
1
1
7
3
4
16
1.21
0.70
0.45
0.20
7.225E-003
0.013
0.020
5.72
2.20
0.77
4.065E-003
6.858E-003
1.970E-003
298.35
171.27
109.84
49.60
1.78
3.25
4.82
1408.235
42.19
190.19
3.48
<0.0001(significant)
<0.0001
<0.0001
0.0002
0.2242
0.1143
0.0641
<0.0001
<0.0001
<0.0001
0.1297(not significant)
可以看出,F回归 =298.35>F0.01(9,4)=
14.66,P<0.000 1,表明二次多元回归模型极其
显著;F失拟=3.48<F0.05(9,3)=8.81,失拟项P=
0.129 7>0.05,模拟失拟度不显著;模拟一次项
ABC均具有显著性差异,从F值可知单因素的影
响顺序为A>B>C,即提取温度>时间>料液比。
利用软件计算得率回归模型的调整系数 R2=
0.994 1,说明该模型能解释99.41%响应值的变
化。因而该模型的拟合程度比较好,可用此模型
进行分析和预测。
3.3.2 响应曲面分析
利用Design Expert分析软件得到二次回归
方程的等高线及响应面见图,根据二次模型所得
到的等高线及响应曲面可以评价试验因素之间的
交互作用强度,以确定各因素的最佳水平范围。
5期 徐翠翠,等:响应面法优化孔石莼多糖提取工艺 41
图3 响应面法(提取时间、提取温度)曲面图和相应等高线图
Fig.3 Response surface methodology(extraction time,extraction temperature)3Dsurface plot
and corresponding contour plots
图4 响应面法(料液比、提取温度)曲面图和相应等高线图
Fig.4 Response surface methodology(ratio of material to water,extraction temperature)
3Dsurface plot and corresponding contour plots
图5 响应面法(提取时间、料液比)曲面图和相应等高线图
Fig.5 Response surface methodology(extraction time,ratio of material to water)3Dsurface plot
and corresponding contour plots
由图3可知,当料液比为1∶20,提取时间固
定的条件下,提取温度在80~90℃时,提取3次
后孔石莼多糖得率急剧增加,并于90℃附近达到
极大值后缓慢降低;图4可知,当提取时间为1h,
料液比固定的情况下,随提取温度的升高,孔石莼
多糖得率先增加而后缓慢减小,90℃附近存在极
42 中 国 海 洋 药 物 33卷
大值;图5可知,当提取温度为90℃,提取时间固
定的条件下,料液比在由1∶15变化到1∶20时,
多糖得率显著增加,并在1:20附近存在极大值,
而后缓慢降低。
以上3组图均与单因素试验结果吻合。二次
回归方程模拟得到孔石莼多糖最佳提取工艺:提
取温度为91.34℃,提取时间为1.09h,料液比为
1∶21.04,多糖得率为10.19%。实际操作中,修
正结果:提取温度为91℃,提取时间为1.1h,料
液比为1∶21。为检验该方法的可靠性及稳定性,
精密称取3份药材粉末按上述修正后工艺进行验
证,实测值分别为10.15%、10.19%和10.16%平
均为10.17%,结果与预测值10.19%基本一致,
采用该方法得到的提取条件参数准确可靠,具有
使用价值。
4 结论
本试验通过响应曲面法考察了提取温度、提
取时间及料液比对孔石莼多糖得率的影响。二次
回归方程的模型存在极显著差异,二次方差分析
后的失拟项不显著,说明本试验所建立的二次回
归方程正确反映了所考察因素与响应值之间的关
系,试验设计科学合理。通过优化得到孔石莼多
糖的最佳提取工艺条件:提取温度91℃,提取时
间1.1h,料液比1:21。在此条件下,多糖得率为
10.19%,验证试验实测得率为10.17%,基本接
近,具有参考价值。
响应曲面法虽然试验次数相对较多,但它能
把因素与响应值之间的关系函数化,建立连续变
量曲面模型,考察的因素不仅仅局限于所限制的
水平,比传统正交试验方法更直观、更精确。因
此,该优化提取方法可在孔石莼多糖提取工艺研
究及生产中推广应用。
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