全 文 ：基因组学与应用生物学, 2017年, 第 36卷, 第二期, 第 1-7页
Genomics and Applied Biology, 2017, Vol.36, No.2, 1-7
研究报告
Research Report
响应面优化绿穗苋多糖的提取工艺
彭继燕 孙蓉 唐自钟 陈惠 王涛 郑天润 张润敏 王一行 王晓丽*
四川农业大学, 雅安, 625014
*通讯作者, Wangxiaoli288@163.com
摘 要 本研究旨在对热水工艺提取绿穗苋多糖的条件进行优化。在单因素实验基础上，筛选得到三个主要
对绿穗苋多糖提取率相关的因素，其分别为：提取料液比、提取时间和提取温度。采用响应面试验设计软件，
以提取料液比、提取时间和提取温度三因素作为试验的自变量，绿穗苋多糖提取率作为因变量，运用
Box-Behnken 实验设计和响应面分析法，得到了热水提取绿穗苋多糖工艺的最佳条件：料液比 1:42.08 (g/mL)，
提取温度 92.30℃，提取时间 219.01 min有最大多糖提取率。提取率为 16.68%，与试验模型预测提取率为 16.81%
相近。本研究对绿穗苋多糖提取优化的研究为研究绿穗苋多糖生物活性的的研究提供了材料基础。
关键词 绿穗苋, 多糖, 提取率, Box-Behnken 设计, 响应面分析
Optimization of Extraction Process of Polysaccharides from Amaranthus
hybridus L. by Response Surface Methodology
Peng Jiyan Sun Rong Tang Zhizhong Chen Hui Wang Tao Zheng Tianrun Zhang Runmin Wang Yihang
Wang Xiaoli *
College of Life Science, Sichuan Agricultural University, Yaan, 625014
* Corresponding author, Wangxiaoli288@163.com
Abstract This study aims to optimization of extraction process of polysaccharides from Amaranthus hybridus
L. in hot water. On the basis of single-factor experiment, the A. hybridus L. polysaccharide (AHP) extracti
on yield is impacted by three main factors, including extraction liquid ratio, extraction time and extraction te
mperature, Using the response surface methodology (RSM), designed three factors (extraction liquid ratio, ext
raction time and extraction temperature) as independent variables and designed the AHP extraction yield as t
he dependent variable. using the Box-Behnken Design (BBD) and RSM, the results showed that the optimal
estraction parameters were as follows: Solid to liquid ratio of 1:42.08 (g/mL), extraction temperature of 92.
30℃, extraction time of 219.01 min. Under the conditions, the optimum extracting yield of AHP was 16.6
8%, which is well matched the predictive extracting yield 16.81%. This study of optimization of extraction
process of AHP is the material base of the study of AHP’s bioactivity.
Keywords Amaranthus hybridus L., Polysaccharide, Yield, Box-Behnken Design, Response surface analysis
绿 穗 苋 (Amaranthus hybridus L.) 是 苋 科
(Amaranthus)苋属(Amaranthceae)一年生草本植物。广
泛分布于我国西南部及中部地区(张小川, 2011)，是一
种常见的粮饲菜多用籽粒苋作物(牛德奎等, 1999, 江
西农业大学学报, 21(2): 169-174)。其主要功效为清
热，利窍，治赤白痢疾，二便不通。据《本经》记载，
苋主治青盲，名目除邪，利大小便，去寒热(钱勇,
2011)。籽粒苋作物具有抗氧化、降血糖、降血脂等
生理功能(董文彦等, 1996)。且籽粒苋作物中角鲨烯、
类胰岛素等物质具有降糖保健的功效，其多酚具有抗
衰老、抗肿瘤、抗病毒等生物活性(刘世凯等, 2010)。
籽粒苋中含有大量多糖类物质，生命活动的正常运转
离不开糖类，多糖作为一种重要的糖类，对生命活动
的开着有着极其重要的作用。研究表明，多糖类物质
具有免疫调节，降血糖，降血脂(Han et al., 2015)，抗
氧化，抗菌性(Tahmouzi and Ghodsi, 2014)，抗肿瘤(黄
网络出版时间：2016-09-28 14:42:22
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/45.1369.Q.20160928.1442.002.html
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
俞龙等, 2014)，抗衰老等活性(Yang et al., 2014)。目
前多糖在医药，保健，食品等方面有着广泛的应用前
景(Rana et al., 2014)。多糖的提取率也有许多因素控
制，包括料液比，提取时间，提取温度等方面。为提
高多糖的提取率，一般采用响应面分析法进行优化以
得到最大提取率。本研究主要针对一种典型的籽粒苋
作物绿穗苋，采用响应面分析法优化热水提取绿穗苋
多糖的提取工艺条件，对料液比，提取时间，提取温
度进行了研究，得到了热水提取绿穗苋多糖的最佳条
件。
1结果与分析
1.1绿穗苋多糖提取单因素实验结果
绿穗苋多糖的提取率被提取料液比，提取时间和
提取温度所影响。绿穗苋多糖的提取率随料液比的变
化而发生改变(图 1A)，结果表明：在提取时间 180
min，提取温度 80℃的条件下，在料液比 1:20增加到
1:40 时，随着料液比的增大，多糖提取率增加，但随
着料液比的加大，到 1:40 至 1:60 时，随着料液比的
加大，提取率反而降低。得到料液比 1:40 时有最大
提取率。
提取时间对绿穗苋多糖提取率的影响(图 1B)，结
果表明：在提取温度 80℃，料液比 1:40 时，绿穗苋
多糖的提取率随着时间的延长而累积增加，在提取时
间达到 210 min 时，有最大提取率。超过 210 min，
多糖提取率有些微下降。
绿穗苋多糖提取率随提取温度改变情况(图 1C)
的结果表明：在提取时间 210 min，提取料液比 1:40
的条件下，多糖提取率随着温度的升高而增加，在
90℃时有最大提取率，超过 90℃，绿穗苋的多糖提
取率呈下降趋势变化。
1.2绿穗苋多糖提取工艺的响应曲面回归分析法优化
通过二次回归方程拟合设计，对绿穗苋多糖提取
工艺进行响应面分析(Wang et al., 2014)，具体方案(表
1)。
采用 Design-Expert8.0.6 软件对各因素进行回归
拟合，多糖提取率回归方程为：
R1=16.54+0.46A+0.48B+1.26C-0.27AB+0.06AC-0.40
BC-0.94A2-0.56B2-025C2。
图 1 (A)料液比对多糖提取率的影响; (B)提取时间对多糖提取
率的影响; (C)提取温度对多糖提取率的影响
Figure 1 (A) Effect of Solid to liquid ratio on extraction yield of
polysaccharides; (B) Effect of Extraction duration on extraction
yield of polysaccharides; (C) Effect of Extraction temperature on
extraction yield of polysaccharides
本实验所得拟合二次回归方程响应面分析模型P
值具有显著性(表2)，R2=0.9719。表明试验因变量与
自变量间存在多元回归性，且因素间多元回归关系具
有显著性。试验实际值与试验的预测值之间相关性表
明该实验方法具有极高的可靠性，同时也证明该回归
方程具有模拟真实曲面的真实性。由F值大小推断得
响应面优化绿穗苋多糖的提取工艺
Optimization of Extraction Process of Polysaccharides from Amaranthus hybridus L. by Response Surface Methodologyt
3
出，实验选取三因素对多糖提取率的影响排序为C
(提取温度) >B (提取时间) >C (料液比)。
根据相应曲面分析法拟合二次回归方程得到该
实验响应面图及等高线图(图 2)，通过响应曲面所呈
现性状，可分析获得该实验中各自变量即提取料液
比、提取时间以及提取温度三因素间交互作用对试验
中绿穗苋多糖提取率所产生的影响。通过回归方程图
形的变化，确定了试验实际值与模型预测值之间的关
系，也可得到各变量之间的相互作用关联情况。试验
所得 2D等高线图的圆形呈现情况表示变量间交互作
用的显著性高低。图形越圆表明各变量间的相互作用
关系越不显著；图形越不圆及越接近椭圆形，则表明
各变量间的交互作用关系显著(王东等, 2016)。通过三
维图和等高线，可以直观得到响应面的最高点，从而
确定绿穗苋多糖提取的最佳工艺。
提取温度为 80℃时，提取时间和料液比的改变
使绿穗苋多糖提取率发生变化(图 2A; 图 2a)。由分析
可得，较高比率的料液比时，较长时间的提取，绿穗
苋多糖提取率可达到响应面最高值。提取时间为 180
min 时，不同提取温度和料液比影响着多糖提取率(图
表 1多糖提取工艺条件的优化试验设计
Table 1 Optimization of extraction conditions and results of
experimental design
试验号 NO. A B C 提取率 Yield(%)
1 0 -1 -1 11.69
2 -1 1 0 15.65
3 0 0 0 16.58
4 0 -1 1 14.69
5 -1 0 1 13.87
6 -1 0 -1 11.16
7 1 1 0 15.78
8 0 0 0 16.62
9 0 0 0 16.48
10 1 0 1 15.16
11 -1 -1 0 13.77
12 0 1 -1 13.08
13 0 0 0 16.54
14 0 1 1 14.47
15 0 0 0 16.49
16 1 0 -1 12.21
17 1 -1 0 14.97
表 2方差分析
Table 2 ANOVA of regression analysis
参数
Source
平方和
SS
自由度
DF
均方
MS
F值
F value
P值(Pr>F)
p-value
模型 Model 50.7 9 5.63 62.39 < 0.0001
A 1.68 1 1.68 18.65 0.0035
B 1.86 1 1.86 20.63 0.0027
C 12.63 1 12.63 139.84 < 0.0001
AB 0.29 1 0.29 3.17 0.1182
AC 0.014 1 0.014 0.16 0.7015
BC 0.65 1 0.65 7.18 0.0316
AA 3.73 1 3.73 41.29 0.0004
BB 1.31 1 1.31 14.55 0.0066
CC 26.34 1 26.34 291.7 < 0.0001
残差 Residual 0.63 7 0.09
失拟项 Lack of Fit 0.62 3 0.21 58.52 0.0009
纯误项 Pure Error 0.014 4 3.52E-03
总离差 Cor Total 51.33 16
注: P<0.05为显著; P<0.01为极显著
Note: P<0.05 indicates significant difference, P<0.01 indicates extremely significant different
基因组学与应用生物学
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2B; 图 2b)。由分析可得，温度较高时，较大范围的
料液比可以使得响应面达到最大值。料液比为 1:40
时，不同提取时间和提取温度的变化使绿穗苋多糖提
取率发生改变(图 2C; 图 2c)。在较高温度对绿穗苋多
糖进行提取时，较大范围内的提取时间具有响应面有
最大值。
根据图中曲线显示可知，在提取温度及料液比较
低时，多糖提取率低。但是，温度过高，料液比过大
也会降低多糖的提取率。温度升高，分子运动加剧，
分子间无规则碰撞机会增加，多糖提取率增加。但是，
若温度过高，分子间的无规则运动太过激烈，反而会
减少分子间的碰撞机率，多糖的提取率也相应减少。
同时材料中所含杂质会办事温度升高而溶出。较低的
料液比影响多糖的溶出，当溶液中多糖的溶解度达到
饱和或极高值时，多糖的溶出量降低，故而较低的料
液比会影响多糖的提取率。随着料液比的增加，材料
中的多糖和杂质一起被溶出，随着杂质的增加，多糖
的比重反而降低。长时间的提取会加大材料中杂质溶
出的概率，溶剂中杂质比率增加影响了材料中多糖的
提取，多糖的提取率会出现先增加而后逐渐缓慢下降
的趋势。
综合可得(图 2)，提取温度对多糖提取率的影响
最为显著。通过对所选温度范围进行实验所得 3D三
维曲面可知，随着提取温度的改变，绿穗苋多糖的提
取率变化明显，响应曲面较陡。而提取时间和料液比
的曲面变化相对平缓，对多糖的提取率影响较低。
通过利用响应面优化软件程序 Design Expert
8.0.6对工艺条件进行优化，进一步确定最佳条件方
图 2各因素的响应面图及等高线
Figure 2 Response surface and contour plots of protease
production
案为：提取温度为 92.30℃，提取时间 218.98 min，
料液比 1:42.08。在此条件下，通过软件拟合得到多
糖提取率为 16.81。结合实际操作可行性，实际操作
过程中选取条件为提取温度 92℃，提取时间 219 min，
料液比 1:42。实际测得提取率为 16.68%，与预测值
误差约为 0.8%，误差范围可控，因此确定该参数可
靠，具有实际价值。
2讨论
本研究通过单因素试验基础得到绿穗苋多糖提
取影响因素，结合相应曲面法对绿穗苋多糖的提取工
艺进行了优化。通过二次回归方程拟合得到绿穗苋多
糖提取工艺的最佳条件。即在提取温度 92℃，提取
时间 219 min，料液比为 1:42的条件下，绿穗苋多糖
平均提取率为 16.68%。结合回归分析数据所得最高
提取率，确定该多糖提取工艺流程具有实际应用价
值。
本研究中多糖的提取率在提取温度和提取时间
一定的条件下，多糖提取率随着料液比的加大而呈现
出先增加而后减少的趋势。在较低料液比时，多糖溶
解度达到饱和，材料中多糖无法完全溶解，故而多糖
提取率随着料液比的增加而提高。随着料液比的不断
增加，多糖析出增加，但其他杂质也相应析出，杂质
与多糖间在溶液中相互作用、平衡，在溶液中多糖比
值减少之后，利用其他杂质的析出，抑制了多糖的提
取。所以在在料液比的增加超过一定范围后多糖的提
取率反而降低。
在试验提取温度和提取料液比一定的情况下，随
着试验中提取时间的延长，绿穗苋多糖的提取率先增
加而后出现轻微的减少。在达到最适时间之前，提取
率增加趋势稳定，说明多糖的提取率与提取时间呈线
响应面优化绿穗苋多糖的提取工艺
Optimization of Extraction Process of Polysaccharides from Amaranthus hybridus L. by Response Surface Methodologyt
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性关系，在最适时间内，最大化延长提取时间利于多
糖的析出。但随着时间的增加，超过最适时间后，材
料中的其他较难析出物质被提取出来，溶解在溶液
中，降低了溶液中的多糖饱和度值。溶液中的溶质具
有最大溶解度，随着溶液中溶质的增加，达到最大溶
解度之后，溶液中的溶质将会析出。而多糖溶液中随
着其他溶质的溶出，增加了溶液中溶质的比率，使溶
液在较低浓度的多糖含量时已达到饱和，故而随着料
液比的加大，多糖含量减少。继而出现提取时间延长，
多糖的提取率反而降低。所以在多糖的提取过程中，
并非时间越长越有利于有效物质的提取，因此利用响
应面法对绿穗苋多糖的提取进行优化很有必要。
在料液比和提取时间一定的条件下，提取温度对
绿穗苋多糖的提取率具有较大影响。在其他材料的多
糖提取中不难看出，不同材料的多糖提取的最适温度
不同，即使是同种材料的不同部位多糖提取的最适温
度也会有较大差异。主要是因为各种材料多糖含量以
及各组分之间的差异不同，多糖提取的难易程度有很
大不同。在温度较低的情况下，分子间不规则运动缓
慢，不利于材料中的多糖析出，随着温度的增加，溶
液中分子间无规则运动加剧，分子之间碰撞的几率增
加，多糖分子与水分子结合的条件更加有利。因此温
度的增加会提高多糖的提取率。但是随着温度继续增
加，无规则运动过于剧烈，反而减少了有效碰撞的次
数，在一定程度上造成了多糖提取率的减少。同时，
在高温下，一些不易溶于水分子的物质会有缓慢溶解
的趋势，随着杂质的溶解，溶液的饱和度一定，只能
使得溶液中的多糖含量减低。
绿穗苋多糖的提取率受提取料液比，提取时间和
提取温度所影响。提取时间，提取温度以及提取料液
比间密切关联(Zhong et al., 2010)。响应曲面法可以很
好的展示出各实验因素与试验结果间的线性作用，交
互作用和二次作用。通过响应面法优化进行模拟，能
够为绿穗苋多糖的提取提供最佳的工艺条件。
3材料与方法
3.1试验材料
绿穗苋是 2015年 4月于四川农业大学农场播种，
9 月收割。经植物学专家鉴定为绿穗苋。本研究采用
绿穗苋地上部分。
3.2试验试剂
石油醚(60-90; AR)，丙酮(AR)，无水乙醇(AR)，
浓硫酸(AR)，苯酚(AR)，葡萄糖(AR)。
3.3试验仪器
DHG-9070电热鼓风干燥箱，上海精宏实验设备
有限公司；HH-S 恒温水浴锅，江苏国胜实验仪器厂；
SZ-93自动双重纯水蒸馏器，上海振荣科学仪器有限
公司；ISO9001 型电子天秤，赛多利斯科学仪器(北京)
有限公司； Biofuge Stratos D-37520 台式离心机，美
国科峻仪器公司；UV-1100 紫外-可见分光光度计，
上海美谱达仪器有限公司；FW-100高速万能粉碎机，
北京市永光明医疗仪器厂。
3.4试验方法
将葡萄糖标准品于 105℃下干燥至恒重。准确称
取 0.5 g 于 50 mL 容量瓶定容，于 50 mL 容量瓶中准
确吸取 10 mL 于 100 mL 容量瓶中定容至 100 mL。精
密吸取 0.1 mg/mL 的葡萄糖对照溶液 0，0.2，0.4，0.6，
0.8，1.0 mL 置于 10 mL 具塞试管中，依次加入蒸馏
水使终体积为 1 mL，然后分别加入 1 mL6%的苯酚溶
液，加入 5 mL浓硫酸后迅速摇匀，并于沸水中水浴
10 min 后取出冷却至室温。以未加葡萄糖水溶液试管
为对照，于 490 nm波长处测定实验样品的吸光度值
(A)。采用横坐标为标准葡萄糖浓度(C, mg/mL)，纵坐
标为吸光度值(A)，绘制标准曲线(Li et al, 2013)。采
用 最 小 二 乘 法 计 算 得 出 实 验 方 程 ，
A=0.00844C+0.01229 (R2=0.9993)。
取干燥后绿穗苋地上部分用高能粉碎机粉碎后
过 80 目筛，分别用石油醚，丙酮和无水乙醇采用索
氏提取装置回流脱脂脱色至液体无色备用。精确称取
0.5 g 粉末置于 50 mL EP 管中，按照料液比，提取时
间，提取温度的不同进行提取。提取完成后 8 000 rpm
离心 15 min 收集上清液。采用 3.4中硫酸苯酚法测定
样品多糖的吸光度值。通过标准曲线计算公式计算出
样品中多糖的量，结合提取率公式计算绿穗苋多糖的
提取率(刘小攀等, 2015)。绿穗苋多糖的提取率公式
为：
绿穗苋多糖提取率%=(绿穗苋多糖的质量÷绿穗苋粉
末质量)×100%
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
表 3响应面试验因素水平设计表
Table 3 Analytical factors and levels for RSA
因素
Factor
编码
Code
水平 Level
-1 0 1
料液比
Solid to liquid ratio (g/mL)
A 1:30 1:40 1:50
提取时间
Extraction duration (min)
B 180 210 240
提取温度
Extraction temperature (℃)
C 80 90 100
3.5试验设计及数据分析方法
通过单因素实验筛选出对绿穗苋多糖提取率具
有显著影响的因素，对筛选出的因素进行响应面分
析。通过单因素试验分析，得出料液比，提取时间，
提取温度是影响提取率最大的因素。通过三次重复三
因素做单因素试验，考察不同的提取因素对绿穗苋多
糖提取率的影响变化(表 3)。
实验设置提取温度为 80℃，提取时间 180 min 的
条件下，选取料液比梯度分别 1:30，1:40，1:50，1:60
和 1:70 进行考察，分析提取料液比对绿穗苋多糖的
提取率的影响。
在料液比 1:40，提取时间 180 min 的条件下，选
取提取温度梯度为 60℃，70℃，80℃，90℃和 100℃
进行考察，分析提取温度与绿穗苋多糖得率间的相互
关系。
在提取温度设置为 80℃，料液比为 1:40 的条件
下，选取提取时间梯度为 120 min，150 min，180 min，
210 min 和 240 min 进行考察，分析提取温度与绿穗
苋多糖得率之间的关系。
通过对单因素试验结果整理分析，采用 Design
expert 8.0.6软件程序数据处理，结合 Box-Benhnken
中心组合试验设计的原理，选取自变量因素分别为料
液比(A)，提取时间(B)及提取温度(C) 3 个因素，响
应值设计为多糖提取率(R1)，运用响应曲面回归分析
(Response surface analysis, RSA)方法对绿穗苋多糖的提
取工艺进行优化(高丹丹等, 2015; 张乔会等, 2015)。
作者贡献
彭继燕完成实验研究、数据分析及撰写，王一行
参与了部分实验工作，孙蓉、郑天润、王涛和张润敏
参与了该实验的讨论设计，唐自钟和陈惠负责对实验
技术指导和论文的修改，王晓丽全面负责实验指导和
论文的最终定稿。全体作者均已阅读并同意发表。
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