全 文 ：第 30卷
2008年 6月
第 3期
249-252页
世界科技研究与发展
WORLDSCI-TECHR＆D
Vol.30
Jun.2008
No.3
pp.249-252
www.globesci.com 第 249 页
＊通讯作者:彭光华
雪灵芝水溶性多糖提取工艺优化及其数学模型的建立
朱 影 1 旺 梅2 马荣池1 许倩兮 1 吕 静 1 彭光华 1＊
(1.华中农业大学食品科学技术学院 ,武汉 430070;2.西藏自治区质量技术监督局 , 拉萨 850000)
摘 要:目的优化雪灵芝水溶性多糖的提取工艺 ,并建立数学模型。方法 采用水提醇沉法提取雪灵芝水溶性多糖;运用苯酚 -硫
酸法测定多糖含量;通过单因素实验研究浸提时间 、加水比 、浸提温度及乙醇浓度对多糖提取率的影响;采用响应面分析法优化提
取条件 ,运用 sas软件分析实验数据 ,建立回归模型。结果得到雪灵芝水溶性多糖提取的优化工艺参数的最佳取值范围为:浸提
温度(94.5～ 97.5℃);浸提时间(2～ 2.5h);加水比(43～ 51v/w)。结论为雪灵芝水溶性多糖提取工艺的优化提供了一定的技术
依据 ,也为其后续研究奠定了基础。
关键词:水溶性多糖;提取工艺;响应面分析
中图分类号:TS201.2+2 文献标识码:B
OptimizationoftheExtractionProcessofWater-solublePolysaccharidesofArenaria
KansuensisMaximandtheEstablishmentofItsMathematicalModel
ZHUYing1 WANGMei2 MARongchi1 XUQianxi1 L Jing1 PENGGuanghua1＊
(1.ColegeofFoodScienceandTechnology, HuazhongAgriculturalUniversity, Wuhan430070;
2.TheTibetAutonomousRegionofQualityandTechnicalSupervision, Lassa850000)
Abstract:ObjectiveTooptimizetheextractionprocessofwater-solublepolysaccharidesofArenariakansuensisMaxim, andestablishmath-
ematicalmodels.MethodsThepolysaccharideswereextractedwithhotwater, thenisolatedbyethanol;Usingphenol-sulfatemethoddeter-
minatepolysaccharidescontent;Theefectofextractiontime, extractionproportionofsolventandstuf, extractiontemperatureandthecon-
centrationofethanolontheextractionratewasstudiedbysinglefactorexperiment;ExtractionconditionswereoptimizedbyResponseSurface
Analysis;ExperimentaldataanalysesandtheestablishmentoftheregressionmodelswascariedoutbySas-software.ResultsThebestvalue
rangesoftheparametersintheOptimizedextractionprocesare:extractiontemperature(94.5～ 97.5℃);extractiontime(2 ～ 2.5h);ex-
tractionproportionofsolventandstuf(43 ～ 51v/w).ConclusionProvideacertaintechnicalbasisforoptimizingtheextractionprocessof
water-solublepolysaccharidesofArenariakansuensisMaxim, alsolaidafoundationforthefolow-upstudy.
Keywords:water-solublepolysaccharides;extractionprocess;responsesurfaceanalysis
1 引言
雪灵芝(ArenariakansuensisMaxim), 属石竹科 (Caryo-
phyllaceae),蚤缀属植物 , 学名卵瓣蚤缀(Areneriakensuensis
varovatipetalatsui),藏语叫 “阿仲尕得”, 为多年生垫状草本 ,
分布于昆仑山 、巴颜喀拉山及祁连山 、大坂山 , 是多种藏成药
的主要原料之一。雪灵芝最早的药用记载可追溯到公元 7
世纪 , 宇妥·元旦贡布所著《四部医典》和公元 17世纪第司
·桑结加措所著《秘诀遗补 》对雪灵芝的药用价值就有了详
尽的文字记载 [ 1] 。药理学和毒理学实验表明 , 雪灵芝具有多
种药理作用且毒性较小 ,可治疗胃肠溃疡 、膨胀 、癌症 、瘰疬;
健胃助消 、止咳 、降血压 、滋补;防肺炎 、淋病 、淋巴结核 、子宫
病;亦可治疗感冒 、肺炎 、黄疸 、风湿病 、淋巴结核 、肾结石 、子
宫病等 , 还可增乳 、通乳 [ 2] 。雪灵芝作为一种重要的药 、食兼
用植物 , 正在受到越来越多研究者的关注。
雪灵芝的医疗功效与它所含有的皂甙 、生物碱 、香豆素 、
多糖 、氨基酸等多种功能性成分有关。近年来 ,文献报道了
对雪灵芝的种群分布 、化学成分 、药理以及应用开发等方面
进行的深入研究。 中国科学院成都生物研究所研究员吴凤
锷与日本东邦大学药学部学者小池一男等从雪灵芝中分离
出包括三萜 、甾体和黄酮等 11个化合物 ,并对它们作了结构
鉴定 [ 1];鲍敏等对雪灵芝不同提取物的抑菌活性进行了研
究 [ 3] 。但目前对雪灵芝多糖进行研究的文献报道还比较少。
多糖类物质是一类广泛存在于植物 、微生物细胞中的重
要大分子物质 , 它与免疫功能的调节 、细胞与细胞的识别 、细
胞间物质的运输 、癌症的诊断与治疗等都有着密切的关系。
因此 , 多糖及其衍生物已成为近年来天然药物的研究热点之
一。本文采用响应面分析(ResponseSurfaceAnalysis, RSA)
方法 , 优化雪灵芝水溶性多糖的提取工艺 ,建立数学模型 , 通
过计算机模拟寻优得到雪灵芝多糖提取的最优工艺参数 , 为
雪灵芝多糖提取工艺的优化提供了一定的技术依据 , 也为雪
灵芝多糖活性的研究奠定了基础。
2 材料与方法
2.1 材料
雪灵芝:产自西藏 ,由西藏自治区质量技术监督局提供。
2.2 主要化学试剂与仪器设备
主要试剂:右旋葡萄糖;95%乙醇;无水乙醇;浓硫酸;苯
酚(均为分析纯)。
主要仪器设备:722可见分光光度计;8002型电子恒温
水浴锅;EYELAN-1000旋转蒸发仪;日立高速离心机;SHB
-Ⅲ循环水式多用真空泵;OLSB低温冷却液循环泵。
2.3 提取工艺
雪灵芝※粉碎 , 过 40目筛※热水浸提 3次※过滤※合
并滤液真空浓缩※加入 3倍体积乙醇※ 4℃静置 4 h, 8000 r/
min离心 15 min※收集沉淀※无水乙醇洗涤※雪灵芝粗多
糖。
2.4 多糖测定
改良的苯酚 -硫酸法 [ 4] 。
DOI :10.16507/j.issn.1006-6055.2008.03.005
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2.5 雪灵芝总糖含量的测定
2.5.1 标准溶液的制备
精确称取 105 ℃干燥恒重后的葡萄糖标准样品 20 mg,
加水溶解并定容至 100 mL, 葡萄糖标液浓度为 0.2000 mg/
ml。
2.5.2 绘制标准曲线
准确吸取葡萄糖标准溶液(0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5)mL
分别置于具塞刻度试管中 , 依次补水至 2.0 mL,再加 5%苯
酚溶液 1.0 mL摇匀 , 迅速递加浓硫酸 5.0 mL, 摇匀后放置 5
min,于 40 ℃水浴 15 min,取出冷却至室温。另外以蒸馏水 2
mL同上操作为空白对照 , 于 490 nm处测定吸光度值 , 绘制
标准曲线 [ 5] 。
根据结果用最小二乘法做线性回归 , 得多糖浓度 c与吸
光度 A的关系曲线的回归方程式:y=12.62x-0.0076, 相关
系数 r=0.9991。
2.5.3 雪灵芝总多糖含量的测定
将雪灵芝粗多糖用水复溶并稀释到适当浓度 , 取该糖液
2 mL,按 2.5.2中方法进行显色反应。于 490 nm处测定吸
光度值。由标准曲线的回归方程计算出多糖溶液的浓度并
计算原料中的总多糖含量。计算公式如下:
P=c＊a＊10-3 /W
式中 c———由标准曲线计算得出糖液的质量浓度 , mg/mL;
a———稀释倍数;
W———提取用雪灵芝的质量 , g。
2.6 雪灵芝水溶性多糖单因素浸提条件研究
精确称取雪灵芝粉 1.0 g, 采用热水浸提法提取水溶性
多糖 , 分别研究不同浸提温度(75、 80、85、 90、 95)℃、加水比
(20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、 60∶1)v/w、浸提时间(0.5、1.0、1.5、
2.0、2.5)h及乙醇浓度(75%、80%、 85%、 90%、95%)v/v对
多糖提取率的影响。
2.7 响应面分析实验设计 [ 6]
根据单因素实验结果选取对多糖提取率影响较大的三
个因素浸提温度(X1)、浸提时间(X2)和加水比(X3)为自变
量 , 提取率(Y)为响应值 ,采用响应面分析法在三因素二水平
上对雪灵芝多糖的提取条件进行优化 ,实验因素选择见表 1。
表 1 响应面分析因素及水平
Table1 Factorsandlevelsofexperiment
因素 水平-2 -1 0 1 2
提取温度 X1 /℃ 80 85 90 95 100
提取时间 X2 /h 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
加水比 X3 /(v/w) 20∶1 30∶1 40∶1 50∶1 60∶1
2.8 数据处理
采用 sas软件进行分析。
3 结果与分析
3.1 雪灵芝水溶性多糖浸提条件研究结果与分析
3.1.1 不同浸提时间对水溶性雪灵芝多糖提取率的影响
以 30∶1的加水比在 90 ℃分别浸提 0.5 h、 1.0 h、1.5 h、
2.0h及 2.5h,加 3倍体积 95%的乙醇于浸提液中对多糖进
行沉淀 , 检测并计算提取率 ,结果见图 1。
图 1 不同浸提时间对多糖提取率的影响
Fig.1 Theinfluenceofextractiontimeontheextractionrateofpoly-
saccharide
从图 1可知 , 浸提时间达到 2 h以前多糖的提取率随提
取时间的增加逐渐增高 ,之后有所下降 , 可见提取 2h即可将
多糖提取较完全。
3.1.2 不同加水比对水溶性雪灵芝多糖提取率的影响
在加水比分别为 20∶1v/w、30∶1v/w、 40∶1 v/w、 50∶1 v/
w及 60∶1 v/w的条件下 , 于 90 ℃浸提 2 h,用 3倍体积 95%
的乙醇对多糖进行沉淀 ,多糖提取率见图 2。
图 2 不同加水比对多糖提取率的影响
Fig.2 Theinfluenceofliquid-solidrateontheextractionrateof
polysaccharide
从图 2中看出 ,加水比从 20∶1增至 60∶1时多糖提取率持
续增大 , 且在 40∶1以前增幅较大 , 之后多糖提取率增长幅度
减小 , 趋于水平。
3.1.3 不同浸提温度对水溶性雪灵芝多糖提取率的影响
以 40∶1的加水比分别于 75 ℃、 80 ℃、85 ℃、90 ℃及 95
℃浸提 2 h, 加 3倍体积 95%的乙醇于浸提液沉淀多糖 ,检测
并计算得到多糖提取率见图 3。
图 3 不同乙醇浓度对多糖提取率的影响
Fig.3 Theinfluenceofextractiontemperatureontheextractionrate
ofpolysaccharide
从图 3可看出 , 随温度升高多糖的提取率持续升高 , 90
℃浸提下的多糖提取率比 75℃浸提时高约 50%。
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3.1.4 不同乙醇浓度对水溶性雪灵芝多糖提取率的影响
以 40∶1的加水比在 90℃浸提 2 h, 选择浓度分别为 75%
v/v、80% v/v、 85%v/v、90% v/v及 95%v/v的乙醇 , 以 3倍
体积对多糖进行沉淀 ,所得结果见图 4。
从图 4可看出 , 随乙醇浓度的升高多糖提取率逐渐增
加 , 用 95%的乙醇沉淀多糖 ,沉淀较完全。
图 4 不同乙醇浓度对多糖提取率的影响
Fig.4 Theinfluenceofethanolconcentrationontheextractionrate
ofpolysaccharide
3.2 响应面分析实验设计方案及结果分析
采用响应面分析法优化雪灵芝多糖提取工艺实验设计
方案及结果见表 2 ～ 5。
3.2.1 回归方程的建立与检验
以雪灵芝多糖提取率为响应值 , 经回归拟合后 , 实验因
子对响应值的影响可用回归方程表示为(回归系数及其显著
性检验见表 5):
Y=8.169492+1.1985＊X1 +0.55475＊X2 +0.69725＊
X3 -0.264944＊X1＊X1 -0.12675＊X2＊X1 -0.136194＊X2
＊X2 -0.095＊X3＊X1 -0.0715＊X3＊X2 -0.175819＊X3＊
X3
表 2 响应面实验矩阵结构及实验结果
Table2 Thestructuredmatricesandexperimentresultsofresponsesur-
faceregression
实验号 X1 X2 X3 多糖提取率(mg/g) 实验号 X1 X2 X3 多糖提取率(mg/g)
1 1 1 1 9.72 13 0 0 2 8.69
2 1 1 -1 8.83 14 0 0 -2 5.92
3 1 -1 1 9.47 15 0 0 0 8.12
4 1 -1 -1 7.93 16 0 0 0 7.85
5 -1 1 1 7.87 17 0 0 0 8.01
6 -1 1 -1 6.23 18 0 0 0 7.85
7 -1 -1 1 6.75 19 0 0 0 7.97
8 -1 -1 -1 5.19 20 0 0 0 8.39
9 2 0 0 9.27 21 0 0 0 8.17
10 -2 0 0 4.64 22 0 0 0 8.31
11 0 2 0 8.85 23 0 0 0 8.52
12 0 -2 0 6.08
表 3 回归方程方差分析
Table3 Varianceanalysesofregressionequation
方差来源 自由度 平方和 F值 P值
回归模型 9 38.71350 45.98 <0.0001
误差 13 1.21626
总 22 39.92976
F0.01(9, 13)=4.10
表 4 回归方程各项方差分析
Table4 Analysisofeveryitemvarianceofregressionequation
回归方差来源 自由度 平方和 F值 P值
一次项 3 35.684918 127.14 <0.0001
二次项 3 2.786955 9.93 0.0011
交互项 3 0.241623 0.86 0.4858
失拟项 5 0.766313 2.72 0.1001
纯误差 8 0.449948
F0.01(3, 8)=7.59;F0.05(5, 8)=3.69
表 5 二次回归模型参数
Table5 Theparameterofregressionmodel
参数 非标准化系数 P值 参数 非标准化系数 P值
常数项 8.169492 <0.0001 X2＊X1 -0.126750 0.2622X
1 1.198500 <0.0001 X2＊X2 -0.136294 0.0345X2 0.554750 <0.0001 X3＊X1 -0.095000 0.3956X3 0.697250 <0.0001 X3＊X2 -0.107150 0.5201X1＊X1 -0.264944 0.005 X3＊X3 -0.175819 0.0093
由表 3,表 4可知二次回归模型的 F值为 45.98, 大于在
0.01水平上的 F值(F
0.01(9, 13)=4.10), P值 <0.0001;失
拟项的 F值为 2.72小于在 0.05水平的 F值(F0.05(5, 8)=
3.69)说明该模型拟和结果良好。一次项 , 二次项的 F值均
大于 0.01水平的 F值(F0.01(3, 8)=7.59)说明一次项 , 二次
项都对多糖得率有极其显著的影响 [ 7] 。
3.2.2 回归模型的解析与分析
(1)由表 5中二次回归方程系数的显著性检验可知浸提
温度 , 浸提时间及加水比对多糖提取率的影响都是极显著
的。通过 “降维法”对回归模型进行主效应因素分析可知各
主要因素对提取率影响的大小顺序为:浸提温度 X1>料液比X
3
>浸提时间 X
2
。
(2)因素间交互效应分析。固定该回归模型任何因素为
0水平时可得另 2因素交互效应模型如下(图 5 ～ 7), 将其与
sas软件所得数据结合分析可知各因素间的交互关系如下:
图 5 温度 X1与时间 X2的交互作用
Fig.5 Theinterplayoftemperature(X1)andtime(X2)
图 6 温度 X1与加水比 X3的交互作用
Fig.6 Theinterplayoftemperature(X
1
)andliquid-solidrate(X
3
)
化学化工 世界科技研究与发展 2008年 6月
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图 7 时间 X2与加水比 X3的交互作用
Fig.7 Theinterplayoftime(X2)andliquid-solidrate(X3)
浸提时间在 -2到 2范围内变化时 ,多糖提取率随温度
的升高持续增加 , 在浸提时间达到 0水平以前温度对多糖提
取率的影响较大。 在浸提低温段随提取时间的延长多糖提
取率持续增加;但在浸提高温段多糖提取率在提取时间达到
1水平以后有很小幅度的下降。
加水比从 -2到 2变化时 , 雪灵芝多糖提取率随浸提温
度的升高持续增加 , 且增加幅度较大。在温度的变化范围内
多糖提取率随加水比的升高持续增加 ,且在加水比达到 1水
平以前增长幅度较大 ,此后增长幅度减小 , 趋于水平。
当浸提时间在 -2到 2范围内变化时雪灵芝多糖的取提
率 , 随加水比的增加而增加 , 且在加水比达到 1水平以前变
化幅度明显。在加水比从 -2到 2变化时 , 随浸提时间的增
加多糖提取率先升高后降低 ,但降低幅度很小。
3.2.3 回归方程模拟寻优
根据取得的回归方程 , 通过计算机模拟寻优得到雪灵芝
多糖提取的最优参数区间为:X1(94.5 ～ 97.5 ℃);X2(2 ～
2.5h);X3(43 ～ 51 v/w)。
考虑到实际工艺控制的方便 , 最适浸提温度为 95 ℃,
最适浸提时间 2.0 h, 最适加水比 45 v/w。
4 讨论
(1)植物多糖的提取多采用水 、稀酸或稀碱做提取剂 ,但
由于酸和碱易引起糖苷键的断裂 , 造成多糖提取率的降低 ,
故本文采用水做提取剂。多糖是一种极性大分子 , 不溶于乙
醇 、乙醚 、丙酮等有机溶剂 , 所以可以用这些有机溶剂做沉淀
剂 , 将提取液中的多糖沉淀下来。在提取工艺过程中用热水
浸提 3次的主要目的是为了保证原料中的水溶性多糖被提
取完全;真空浓缩提取液可以减少多糖沉淀时乙醇的用量 ,
节约成本。
(2)浸提时间 、加水比 、浸提温度以及乙醇浓度都对雪灵
芝水溶性多糖的提取率都有较大的影响。浸提时间超过 2 h
多糖的提取率下降 , 可能是由于长时间浸提引起多糖结构的
变化和破坏 , 甚至使其中的五碳环或六碳环裂解而转变为可
溶于乙醇的单糖 、寡糖或低聚糖 , 在醇沉过程中有所损失。
从加水比对多糖提取率影响的结果可见加水量越大 , 多糖溶
出就越容易 , 相应提取效果也会更好。但加水比加大 , 料液
浓缩困难 , 为后续工作的开展增加难度 , 且随料液浓缩时间
延长 , 对多糖结构会产生不利影响 [ 8]。 随着温度的升高 , 分
子运动的速度加快 , 越易于多糖在水中溶出。但温度过高 ,
有可能破坏多糖的结构 , 造成多糖水解;另外多糖一般与蛋
白结合在一起 , 糖蛋白高温条件下会发生变性 , 影响多糖的
溶出 [ 9] 。
(3)响应面实验设计将数学与统计学相结合 , 以较少的
实验对影响雪灵芝多糖提取率的几个因素进行分析 , 建立数
学模型 , 并通过计算机模拟寻优获得雪灵芝多糖提取工艺优
化参数的最佳取值范围 , 该方法取得的数据较精确 , 并且考
虑了实验设计中所涉及的几个因素间交互关系对提取率的
影响 , 更适合实际工业生产的需求。
(4)根据国内外对蚤缀属植物化学成份的研究结果表明
由于生长环境的差别 , 不同区域的雪灵芝其化学成份含量差
异较大。
5 结论
本文通过单因素实验得出影响雪灵芝多糖提取率的几
个因素的最佳工艺参数分别为:浸提温度 90 ℃, 加水比 40∶1
v/w, 浸提时间 2 h,乙醇浓度 95% v/v。通过响应面分析实
验确定出雪灵芝多糖提取的优化工艺参数最佳取值范围:浸
提温度 94.5 ～ 97.5℃,浸提时间 2 ～ 2.5 h, 加水比 43～ 51 v/
w。
参考文献
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作者简介
朱 影(ZHUYing, 1983-),女 ,硕士研究生 ,研究方向为天然产物化
学。
彭光华(PENGGuanghua),男 ,博士 , 副教授 ,主要从事天然活性成分
化学与食品化学的教学研究工作。
(责任编辑:房俊民)