全 文 ：第 34 卷第 4 期 佳 木 斯 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) Vol． 34 No． 4
2016 年 07 月 Journal of Jiamusi University (Natural Science Edition) July 2016
文章编号:1008 － 1402(2016)04 － 0577 － 04
响应面优化超声波辅助提取刺苋水溶性多糖工艺研究
①
蓝志福， 陈建福*
(1．漳州职业技术学院食品与生物工程系，福建 漳州 363000;2． 农产品深加工及安全福建省高校应用技术工程中心，福建漳州 363000)
摘 要: 在单因素试验基础上，利用响应面法考察了超声时间、液料比、超声温度和超声功率四
个因素及其之间的交互作用对刺苋水溶性多糖提取率的影响。结果表明超声波辅助提取刺苋水
溶性多糖的最佳提取工艺条件为:超声时间 35 min，液料比 42 mL /g，超声温度 73 ℃，超声功率
240 W。在此条件下刺苋水溶性多糖提取率为 67． 81 mg /g，与预测值(68． 23 mg /g)相比，其相对
误差为 0． 616%，说明该方法有效，可靠。
关键词: 刺苋;水溶性多糖;提取;响应面
中图分类号: TS201;S609． 9 文献标识码: A
1 实验部分
1． 1 仪器与材料
高速多功能粉碎机(Q －250B) ，上海冰都电器
有限公司;超声波清洗机(SCQ － 3201E) ，上海声
彦超声波有限公司;电子天平(BSA124S) ，德国赛
多利斯集团;数显恒温水浴锅(HH － 1) ，金坛市天
瑞仪器有限公司;紫外可见分光光度计(UV －
1800PC － DS2) ，上海美谱达仪器有限公司。
刺苋:采摘于漳州职业技术学院后山。无水乙
醇，分析纯，汕头市达濠精细化学品有限公司;葡萄
糖，分析纯，汕头西陇化工股份有限公司;苯酚，分
析纯，天津市大茂化学试剂厂;浓硫酸，分析纯，国
药集团化学试剂有限公司。
1． 2 试验方法
(1)刺苋水溶性多糖含量的测定
采用苯酚—硫酸法［1］，以葡萄糖为标准品，绘
制得标准曲线及回归方程。在 490nm 下测得刺苋
水溶性多糖待测液的吸光度，并按下式计算得刺苋
水溶性多糖的提取率。
刺苋水溶性多糖提取率(mg/g)=刺苋水溶性多糖重量
刺苋原料重量
(2)超声波辅助提取刺苋水溶性多糖工艺
将采摘的刺苋用蒸馏水洗净、自然晾干，冷冻，
后于冷冻干燥机中干燥，粉碎，过筛备用。将刺苋
粉末在无水乙醇中浸泡 1h，过滤，用石油醚将滤渣
进行脱色脱脂，再置于烘箱中干燥。准确称取 1 g
干燥后的刺苋于 100 mL 的烧瓶中，后置于超声波
清洗器中，按照所考察的工艺条件加入蒸馏水，并
设置好超声温度及超声时间，提取完后，利用
Sevage法去除蛋白，并将滤液浓缩，定容，刺苋水溶
性多糖的提取率按(1)中方法测到。
(3)单因素实验
称取 1 g 的刺苋粉末于 100 mL 的圆底烧瓶
中，设定液料比 40 mL /g，超声温度 70℃，超声功率
240W，考察不同的超声时间(10、20、30、40、50、60
min)对刺苋水溶性多糖提取率的影响。→称取 1
g的刺苋粉末于 100 mL 的圆底烧瓶中，设定超声
时间 30 min，超声温度 70 ℃，超声功率 240 W，考
察不同液料比(10、20、30、40、50、60 mL /g)对刺苋
水溶性多糖提取率的影响。→称取 1 g 的刺苋粉
末于 100 mL的圆底烧瓶中，设定超声时间 30 min，
液料比 40 mL /g，超声功率 240 W，考察不同超声
温度(40、50、60、70、80、90 ℃)对刺苋水溶性多糖
提取率的影响。→称取 1 g 的刺苋粉末于 100 mL
的圆底烧瓶中，设定超声时间 30 min，液料比 40
① 收稿日期:2016 － 07 － 08
基金项目:福建省高校杰出青年科研人才培育计划(闽教科［2015］54 号) ;福建省中青年教师教育科研项目计划(JA15688) ;漳
州职业技术学院科技计划项目(ZZY1502)。
作者简介:蓝志福(1978 －) ，男，讲师，园林工程师，硕士，研究方向:园艺植物栽培与应用，通讯作者:陈建福(1982 －) ，男，博士，
讲师，研究方向:天然产物化学工艺。
佳 木 斯 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 2016 年
mL /g，超声温度 70 ℃，考察不同超声功率(200、
220、240、260、280、300 W)对刺苋水溶性多糖提取
率的影响。
1． 3 试验设计
在单因素实验的基础上，以刺苋水溶性多糖提
取率为响应值，超声时间(A)液料比(B)、超声温
度(C)、超声功率(D)四个条件为因素，利用 Box －
Behnken实验进行设计，并进行响应面优化，建立
四元二次预测方程，因素水平表如表 1 所示。
表 1 因素水平表
因素 \水平 A(min) B(mL /g) C(℃) D(W)
－ 1 20 30 60 220
0 30 40 70 240
1 40 50 80 260
图 1 超声时间对刺苋水溶性多糖提取率的影响
图 2 液料比对刺苋水溶性多糖提取率的影响
2 结果与分析
2． 1 单因素试验
(1)超声时间对刺苋水溶性多糖提取率的影响
如图 1 可知，在超声时间小于 30 min 时，刺苋
水溶性多糖提取率随着超声时间的延长而增大，但
当超声时间超过 30 min 时，水溶性多糖提取率反
而又下降。这是因为随着超声时间的延长，溶剂与
刺苋颗粒的作用时间延长，促进了水溶性多糖的溶
出，但超声时间过长，会水溶性多糖降解［2］。因此
超声时间选择为 30 min。
图 3 超声温度对刺苋水溶性多糖提取率的影响
图 4 超声功率对刺苋水溶性多糖提取率的影响
(2)液料比对刺苋水溶性多糖提取率的影响
如图 2 可知，在液料比小于 40 mL /g 时，刺苋
水溶性多糖提取率随着液料比的增加而增大，但当
液料比超过 40 mL /g时，水溶性多糖提取率反而又
下降。这是因为增加了液料比，越多的的溶剂可浸
润的越来越多的刺苋颗粒，提取率越来越大，但当
液料比太大时，超声所产生的能量会部分被溶剂所
消耗［3］。因此液料比选择为 40 mL /g。
(3)超声温度对刺苋水溶性多糖提取率的影响
如图 3 可知，在超声温度小于 70 ℃时，刺苋水
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第 4 期 蓝志福，等:响应面优化超声波辅助提取刺苋水溶性多糖工艺研究
溶性多糖提取率在超声随着超声温度的增加而增
大，但当超声温度超过 70 ℃时，水溶性多糖提取率
反而又下降。这是因为升高了超声温度，一方面增
大了溶剂的粘度，另一方面增强了刺苋颗粒与溶剂
分子的热运动，促进了刺苋颗粒的膨胀，使得刺苋
颗粒中水溶性多糖更容易溶出［4］，多糖提取率增
大，但当超声温度过高时，水溶性多糖会发生降解
与破坏。因此超声温度选择为 70℃。
(4)超声功率对刺苋水溶性多糖提取率的影响
如图 3 可知，在超声功率小于 240 W 时，刺苋
水溶性多糖提取率随着超声功率的增加而增大，但
当超声功率超过 240 W 时，水溶性多糖提取率反
而又下降。这是因为增加超声功率，增大了超声的
机械和空化等作用，促进了刺苋水溶性多糖与溶剂
的交换与扩散，使得提取率增大，但当超声功率过
高时，容易造成溶剂局部瞬时升温而使多糖分子链
氧化与破坏［5］。因此超声功率选择为 240W。
2． 2 响应优化超声辅助提取刺苋水溶性多糖
(1)响应面优化结果
根据单因素实验的结果，选择超声时间(A)、
液料比(B)、超声温度(C)和超声功率(D)4 个因
素，以刺苋水溶性多糖提取率为响应值，进行 Box
－ Benhnken实验设计，并对实验结果进行响应面
分析。
根据 Box － Benhnken 设计及实验结果，利用
Design － Expert 8． 05b软件对表 2 中的数据进行响
应面分析，得到刺苋水溶性多糖提取率(Y)与超声
时间(A)、液料比(B)、超声温度(C)、超声功率
(D)四个因素之间的四元二次回归方程:
Y = 66． 85 + 2． 20A + 1． 24B + 3． 50C + 1． 23D
+ 4． 19AB + 0． 62AC － 1． 24AD － 1． 42BC
－ 1． 09BD + 0． 12CD － 3． 05A2 － 6． 97B2
－ 4． 82C2 － 5． 89D2;
根据表 3 的方差分析可知，该回归模型达到极
显著水平(P ＜ 0． 01) ，失拟项差异不显著(P = 0．
067 ＞ 0． 05) ，说明该提取方程的残差由随机误差
所引起，未知因素对试验结果干扰较小。该模型的
相关系数 Ｒ2 = 0． 9566，说明刺苋水溶性多糖提取
率有 95． 66% 的实验值可用该方程的预测值来代
替，校正系数为Ｒ2adj = 0． 9133，说明有91． 33% 的响
应值变化可以利用该模型来解释。根据表 3的 P值
及 F值可看出，影响刺苋水溶性多糖提取率因子的
主次顺序为:超声温度 ＞ 超声时间 ＞ 液料比 ＞
超声功率。交互项 AC、AD、BD、CD对试验结果影响
不显著(P ＞ 0． 05) ;一次项 B、D 对试验结果影响
显著(P ＜ 0． 05) ;一次项 A、C，交互项 AB，二次项
A2、B2、C2、D2 对试验结果影响极显著(P ＜ 0． 01) ，
说明所考察的四个工艺条件与刺苋水溶性多糖提
取率之间不是简单的线性关系。综上所述，该模型
拟合度高，误差小，可以用该回归模型来对刺苋水
溶性多糖提取率与各工艺条件之间关系进行描述，
因此可以利用该模型对超声波辅助提取刺苋水溶
性多糖提取的工艺条件进行预测与分析。
图 5 超声时间和液料比交互作用对刺苋水溶性多糖提取率的影响
(2)响应面分析
根据响应面所得的四元二次回归方程，利用
Design － Expert 8． 05b 软件进行绘图，得到响应面
及等高线图，如图 5 所示。从图 5 中可以直观地看
出各两因素的交互作用对刺苋水溶性多糖提取率
的影响程度，另外从图中响应面的陡峭度及等高线
的椭圆度可以确定图中各因素对刺苋水溶性多糖
提取率的影响程度，从图中可知超声温度对刺苋水
溶性多糖提取率的影响最为显著，表现出图中曲面
最为陡峭，而超声时间、液料比、超声功率的影响次
之，其曲线较为平缓，响应值变化较小，由图及分析
可知，影响刺苋水溶性多糖提取率的主次因素为超
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佳 木 斯 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 2016 年
声温度 ＞液料比 ＞超声时间 ＞超声功率，这与回归
分析的结果相一致。
(3)验证实验
根据响应面分析所得的四元二次回归方程，通
过 Design Expert 8． 05b软件对分析，得到超声波辅
助提取刺苋水溶性多糖的最佳提取工艺:超声时间
35． 36 min，液料比 42． 11 mL /g，超声温度 73．
67℃，超声功率 240． 63 W，在此工艺条件下，回归
方程预测的刺苋水溶性多糖提取率为 68． 23 mg /
g。考虑到操作便利性，将最佳工艺修正为:超声时
间 35 min，液料比 42 mL /g，超声温度 73 ℃，超声
功率 240 W。将实验条件设置为修正后最佳的工
艺条件，并进行三次平行验证实验，测得刺苋水溶
性多糖的平均值提取率为 67． 81 mg /g，与理论预
测值相比，相对误差为 0． 616%，说明响应面法优
化刺苋水溶性多糖的回归方程拟合度高，回归模型
的可靠性和有效性强。
参考文献:
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Optimization of Ultrasonic － assisted Extraction of Water － soluble
Polysaccharides from Amaranthus Spinosus by Ｒesponse Surface Methodology
LAN Zhi － fu， CHEN Jian － fu
(1． Department of Food and Biology Engineering，Zhangzhou institute of technology，Fujian，Zhangzhou 363000，China2． Applied
Technical Engineering Center of Fujian University for Further Processing and Safety of Agricultural Products，Fujian Zhangzhou 363000，
China)
Abstract: Based on the single － factor experiments，the interactive effects and significance of four varia-
bles including ultrasonic time，liquid － to － material，ultrasonic temperature and ultrasonic power were evaluated
by response surface methodology analysis． The results showed the optimum conditions were ultrasonic time 35
min，the ratio of liquid － to － material 42 mL /g，ultrasonic temperature 73 ℃ and ultrasonic power 240W，under
these optimized conditions the yield of water － soluble polysaccharides from Amaranthus Spinosus could be up to
67． 81 mg /g and the relative error was 0． 616% compare to the predicted value (68． 23 mg /g) ，which proved
that the regression equation of the model was effective and reliable．
Key words: amaranthus spinosus;water － soluble polysaccharides;extraction;response surface method-
ology
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