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响应面法优化苣荬菜多糖提取工艺的研究
马萍，刘志明，周明芬
(黑龙江八一农垦大学食品学院，大庆 163319)
摘 要:以苣荬菜为原料，优化多糖的最佳提取工艺。通过二次通用旋转试验设计方法，研究提取时间、
温度、料液比 (苣荬菜 ∶ 水)对苣荬菜多糖提取的影响。试验结果表明:温度和料液比对提取率有显著影
响，其中影响最大的因素是温度，其次是料液比，提取时间对提取效果影响最小。得到了最佳提取工艺参数
为:料液比为 1 ∶ 23，提取温度为 92℃，提取时间 1. 81h，在此条件下进行提取，苣荬菜多糖提取率为
1. 19%，多糖含量为 14. 46%。
关键词:苣荬菜;多糖;提取;响应面法
中图分类号:O629. 12 文献标识码:A 文章编号:1006 － 2513(2014)06 － 0077 － 05
Ｒesponse surface methodology for optimizing extraction
of polysaccharides from Sonchus arvensis L．
MA Ping，LIU Zhi-ming，ZHOU Ming-fen
(College of Food Science and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural
University，Daqing 163319)
Abstract:Polysaccharides extraction from Sonchus arvensis L using response surface methodology was studied． Three
influence factors including extraction time，extraction temperature and ratio of material to liquid were selected to investi-
gate the extraction efficiency of Polysaccharides． The quadratic polynomial mathematical model was established by re-
sponse surface methodology (ＲSM) to optimize extraction condition． The results showed that the order of the influence
factors was:extraction temperature ＞ ratio of material to liquid ＞ extraction time． The optimal conditions were as fol-
lows:optimal temperature 92℃，solid － liquid ratio 1 ∶ 23，extraction time 1. 81h． Under the above conditions，the
maximal extraction yield reached to 1. 19% and the purity was 14. 46% ．
Key words:Sonchus arvensis L．;polysaccharides;extraction;response surface methodology
苣荬菜又名荬菜、野苦菜、野苦荬、苦荬
菜、苦葛麻、取麻菜等，属菊科多年生草本植
物［1］。目前作为野菜为很多人使用，苣荬菜营养
成分丰富，含有丰富的钙、镁、锰、钛、硒和锌
等多种无机元素。具有清热解毒、活血化瘀、化
腐生肌等功能，用于治疗常用、疮疖及产后淤
血、血崩、腑痛等症，并具有降血压和降胆固醇
作用、抗菌作用、抗心率失常作用、抗肿瘤作用、
治肝和保肝作用，具有较强的清除自由基和抗氧化
的能力［2 － 4］。目前关于黄花菜、枸杞、灵芝、芦荟
等植物中的多糖提取研究较多，而对于苣荬菜则未
发现相关文献。本实验借鉴其他植物中多糖提取的
方法来提取、测定苣荬菜中多糖含量。
响应面法可以采用二次回归方程拟合多个因
收稿日期:2014 － 02 － 27
作者简介:马萍 (1980 －) ，女，讲师，硕士，现主要从事食品质量与安全方面的研究工作。
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素与多个响应值之间的函数关系，同时可以考察
因素的主次顺序和因素之间的交互作用，通过回
归方程的分析寻求最佳工艺参数［5 － 7］。本实验以
苣荬菜为研究对象，应用响应面法对苣荬菜多糖
的提取条件进行优化，以期得到多糖提取的最佳
工艺参数为这一天然资源的研究开发提供一定的
参考依据。
1 材料与方法
1. 1 材料、试剂与仪器
苣荬菜:当地野外采集。
主要试剂:葡萄糖、苯酚、浓硫酸、乙醚、
无水乙醇为分析纯，蒸馏水。
仪器与设备:TD4A 型台式离心机 (长沙英
泰仪器有限公司) ;722s 可见分光光度计 (上海
精密科学仪器有限公司) ;FA1604N 电子天平
(上海精密科学仪器有限公司) ;数显电热恒温水
浴锅 (苏州威尔实验仪器有限公司)。
1. 2 实验方法
1. 2. 1 苣荬菜多糖提取的工艺流程
苣荬菜洗净烘干→粉碎过筛→热水浸提→离
心→上清液→醇沉→离心→定容至 250mL→测定
多糖含量→计算提取率
1. 2. 2 标准曲线绘制
按文献［8］方法稍加修改，精密秤取干燥至
质量恒定的葡萄糖 30mg，置 250mL 容量瓶中，
加水溶解稀释至刻度，摇匀，配得葡萄糖标准
液。精密吸取葡萄糖标准液 0、0. 2、0. 4、0. 6、
0. 8、1. 0mL至于 10mL容量瓶中，分别加入蒸馏
水补至 2. 0mL，然后分别加入 5%苯酚溶液 1. 0
mL，震荡摇匀，迅速加入浓硫酸 5. 0 mL，显色
20min，然后置冷水浴中冷却，使其冷却至室温，
摇匀，静置 10min，同时用 2. 0mL蒸馏水做空白，
在可见光分光光度计上于 490nm 处测定其吸光度
(A)。用冷水冷却 15min 后测定吸光度。以葡萄
糖标准溶液浓度为横坐标，所测定的吸光度为纵
坐标，所得标准曲线回归方程为 C = 48. 857A +
0. 0016，决定系数 Ｒ2 = 0. 9921。
还原糖含量按照 DNS法测定［9］，其标准曲线
为 A =0. 2977C － 2E －05，决定系数 Ｒ2 = 0. 9903。
1. 2. 3 苣荬菜中多糖含量的测定
多糖提取率的计算公式为:
多糖提取率(%)=粗多糖干品质量
试验样品质量
× 100
多糖含量(%)=总糖含量 －还原糖含量
2 结果与分析
2. 1 单因素试验
2. 1. 1 料液比对苣荬菜多糖提取率的影响
在提取时间为 1h、温度为 80℃的条件下，研
究料液比对苣荬菜多糖提取的影响，图 1 表明随
着加水量的增加，提取率缓慢增加，但到达 1 ∶
20 时基本达到最大，随后随着加水量的增加，多
糖的提取率基本保持不变。
图 1 料液比对苣荬菜多糖的影响
Fig. 1 Effect of ratio of material to water
on extraction rate
2. 1. 2 温度对苣荬菜多糖提取率的影响
固定料液比为 1 ∶ 20，提取时间 2h，分别在
不同温度下提取，由图 2 可知，随温度的升高，
多糖提取率不断增加，温度越高增加的趋势越
强，同时发现随着温度升高，多糖色泽加深，这
可能是因为多糖结构和活性发生了变化所导
致的。
图 2 提取温度对苣荬菜多糖的影响
Fig. 2 Effect of temperature on extraction rate
2. 1. 3 提取时间对苣荬菜多糖提取率的影响
在料液比为 1 ∶ 20，提取温度为 80℃的条件
下，从图 3 可以看出随着时间的延长，多糖提取
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率先增加，提取时间达到 2h 后，多糖提取率开
始下降，这可能是加热时间过长，多糖发生水
解，导致多糖提取率下降。
图 3 时间对苣荬菜多糖的影响
Fig. 3 Effect of time on extraction rate
2. 2 二次回归通用旋转组合试验
为了确定在多因素条件下苣荬菜多糖提取的
最佳工艺，采用二次回归通用旋转组合设计试
验，以料液比 (g /mL，X1)、提取温度 (℃，
X2)、提取时间 (h，X3)为自变量，多糖提取率
为评价指标，优化苣荬菜多糖提取的最佳提取工
艺。试验因素水平编码见表 1。
表 1 二次回归通用旋转组合设计试验因素水平编码表
Tab. 1 Factors and code levels
水平 料液比 (g /mL) 提取温度 (℃) 时间 (h)
－ 1. 682 1 ∶ 15 60 1. 5
－ 1 1 ∶ 18 70 1. 7
0 1 ∶ 23 80 2. 0
1 1 ∶ 27 90 2. 3
1. 682 1 ∶ 30 100 2. 5
苣荬菜多糖提取的二次通用旋转组合设计试
验，试验方案及结果见表 2。
2. 2. 1 苣荬菜多糖提取率回归方程的建立及检验
用 Design Expert 8. 0 软件对表 2 的结果进行
多元回归分析，得到苣荬菜多糖提取率 (Y)与
料液比 (X1) ，提取温度 (X2)、提取时间 (X3)
的编码的二次多项式回归方程如下:
Y = 1. 10 + 0. 081X1 + 0. 11X2 + 0. 003X3 －
0. 063X1X1 － 0. 019X1X3 － 0. 056X2X3 － 0. 13X
2
1 －
0. 015X22 － 0. 043X
2
3
其中模型决定系数 Ｒ2 = 0. 9423，校正的 Ｒ2 =
0. 8904。
表 2 二次通用旋转组合设计试验方案及结果
Table. 2 Experiment structural matrix and results
试验号
料液比
(g /mL)
提取温度
(℃)
时间
(h)
多糖提取率
(%)
1 － 1 － 1 － 1 0. 57
2 1 － 1 － 1 0. 87
3 － 1 1 － 1 0. 98
4 1 1 － 1 1. 10
5 － 1 － 1 1 0. 73
6 1 － 1 1 1. 03
7 － 1 1 1 0. 98
8 1 1 1 0. 96
9 － 1. 682 0 0 0. 62
10 1. 682 0 0 0. 86
11 0 － 1. 682 0 0. 84
12 0 1. 682 0 1. 29
13 0 0 － 1. 682 1. 03
14 0 0 1. 682 0. 95
15 0 0 0 1. 13
16 0 0 0 1. 10
17 0 0 0 1. 11
18 0 0 0 1. 15
19 0 0 0 0. 97
20 0 0 0 1. 12
由表 3 可知，回归模型的概率 ＜ 0. 0001，
远远小于 0. 01，表明模型极显著。同时还可以
看出料液比、提取温度的一次项显著，料液比、
提取时间的二次项是显著的。交互项 X1X2和 X2
X3是显著的。回归方程失拟性检验差异不显著，
模型的校正的决定系数为 0. 8904，说明所选用
的二次回归模型能够解释 89. 04% 响应值的变
化，拟合程度良好，试验误差小，可用此模型
对苣荬菜多糖的提取效果进行分析和预测。在
本实验中提取温度和料液比是影响苣荬菜多糖
提取的最重要的两个因素，在适当温度和料液
80
比的条件下，提取多糖能达到最大值，且温度
＞料液比 ＞ 时间，通过得出的模型，得到最优
条件为料液比为 1 ∶ 23，提取温度为 92℃，提取
时间 1. 81h。
表 3 方差分析
Table. 3 Analysis of Variance (ANOVA)
for the quadratic model
来源 偏平方和 自由度 均方和 F值 Pr ＞ F
模型 0. 588648 9 0. 065405 18. 14892 ＜ 0. 0001
X1 0. 089055 1 0. 089055 24. 71146 0. 0006
X2 0. 179997 1 0. 179997 49. 94621 ＜ 0. 0001
X3 0. 000114 1 0. 000114 0. 031543 0. 8626
X1X2 0. 032178 1 0. 032178 8. 928748 0. 0136
X1X3 0. 002829 1 0. 002829 0. 785071 0. 3964
X2X3 0. 02477 1 0. 02477 6. 873205 0. 0255
X21 0. 246818 1 0. 246818 68. 48798 ＜ 0. 0001
X22 0. 003416 1 0. 003416 0. 9478 0. 3532
X23 0. 026337 1 0. 026337 7. 308086 0. 0222
失拟项 0. 015104 5 0. 003021 0. 721465 0. 6356
纯误差 0. 020935 5 0. 004187
总和 0. 62 19
2. 2. 2 单因子效应分析
采用降维分析法［10］，将得到的优化回归方程
中的三个因素任意两个固定在零水平，得:
Y1 = 1. 10 + 0. 081X1 － 0. 13X
2
1
Y2 = 1. 10 + 0. 11X2 － 0. 015X
2
2
Y3 = 1. 10 + 0. 003X3 － 0. 043X
2
3
把 3 个因子的取值固定在 － 1. 68、 － 1. 34、
－ 1. 0、 － 0. 5、0. 0、0. 5、1. 0、1. 34、1. 68 水
平，根据上述方程，计算出各因子在 9 个不同水
平上多糖提取率，并以此作图，结果见图 1。
有图 1 可见，随着温度的增加，苣荬菜多糖
提取率不断上升，表明温度的升高有利于多糖的
浸出，这是因为温度升高，有利于提高多糖分子
的传质速率，同时增大多糖在水中的溶解度。提
取过程中随着料液比和提取时间的增加，苣荬菜
多糖提取率先增加后减小，在 0 水平之前他们起
图 1 单因子效应分析
Fig. 1 The relationship of single factors
to extraction degree
到正效应，达到最大值后起到负效应。从以上分
析可见，这三种因素不能无限制的增加，超过一
定范围便会使多糖提取降低。
2. 2. 3 响应面分析
选取一个因素固定在零水平，求余下两因素
的交互作用，分别作图可以直观地分析两个因子
间的互作效应。
图 4 反映了料液比与温度的交互作用图，
由图 4 的等高线图可以看出，在料液比一定的
条件下，多糖提取率随着温度的升高而增加。
这与单因素试验的情况吻合。当温度一定时，
随着料液比的增加多糖提取率先增加后减小。
同时从图 4 的等高线图可以看出，温度方向的
等高线密集，所以温度起到的作用大于料液比
所起到的作用。
从图 5 可以看出，随着温度和时间的增加，
苣荬菜多糖的提取率也在增加。当温度在较低水
平时，苣荬菜多糖的提取率随着时间的延长是先
增加后减小，而当温度超过 85 摄氏度时，时间对
苣荬菜多糖的提取率影响较小。虽然延长时间能
够提高苣荬菜多糖的提取率，但增大幅度不是很
大，因此不是提取时间越长，温度越高，苣荬菜
多糖的提取就是越好的。
2. 2. 4 验证试验
在料液比为 1 ∶ 23，提取温度为 92℃，提取
时间 1. 81h条件下理论提取率为 1. 22%。为检验
响应曲面法所得结果的可靠性，采用上述优化提
取条件进行验证，重复试验 3 次得苣荬菜多糖提
取率为 1. 19%，多糖含量为 14. 46%，说明回归
81
模型拟合效果好。
图 4 温度和料液比对苣荬菜多糖提取影响的
响应面及等高线图
Fig. 4 ＲSM and contour line plots between
extraction temperature and liquid /solid
3 结论
本实验通过二次回归通用旋转试验确定了苣
荬菜多糖提取的较优工艺条件为:料液比为 1 ∶
23，提取温度为 92℃，提取时间 1. 81h，在此条
件下进行提取，得到苣荬菜多糖提取率为
1. 19%，多糖含量为 14. 46%，从而为进一步的
试验研究奠定基础。
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Fig. 5 ＲSM and contour line plots between
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