全 文 ：Food and Fermentation Technology
第 52卷（第 3期） Vol.52，No.3
响应曲面法优化超声波提取龙牙楤木芽多糖的工艺研究
张桂娟 1，吴舜 2，吕文博 1
（1.黑龙江生态工程职业学院，黑龙江哈尔滨 150025；2.黑龙江省森工总局环境监测站，黑龙江哈尔滨 150025）
摘 要：采用响应曲面法对超声波辅助水提取龙牙楤木芽多糖工艺进行优化，在单因素实验基础上，采用 Box-Behnken
试验设计原理进行 4 因素 3 水平试验设计，以龙牙楤木芽多糖提取率为响应值，选取超声功率、提取时间、提取温度、
料液比为影响因子，通过响应面分析得到优化组合条件。结果表明，超声波辅助水提取龙牙楤木芽多糖最佳工艺参数
为： 提取温度 70.4℃、 提取时间 67min、 超声功率 213W、 料液比 1∶33.4， 在该工艺条件下龙牙楤木芽多糖提取率达
4.81%。
关键词：响应曲面法；龙牙楤木芽；多糖；超声波提取
中图分类号：TQ281 TQ914.1 文献标识码：A 文章编号：1674-506X（2016）03-0001-0005
Optimization of Ultrasound-assisted Extraction of Aralia Elata Bud
Polysaccharides Using Response Surface Method
ZHANG Gui-juan1， WU Shun2， LV Wen-bo1
（1.Heilongjiang Vocational Institute of Ecological Engineering，Harbin Heilongjiang 150025，China；
2.Monitoring Stations Bureau by Heilongjiang Forest Industry Environmental，Harbin Heilongjiang 150025，China）
Abstract： Optimization by response surface methodology for ultrasonic extraction of polysaccharides buds of Aralia
elata， based on the single factor experiment， the four factors-three levels experiment designed by Box-Behnken ex-
periment design theory， using by polysaccharides extraction rate as the responsive values， extraction temperature，
extraction time， ultrasonic power and solid-liquid ratio was selected as impact factors to receive the optimum com-
bination conditions by response surface analysis. The results showed that the optimum process parameters of ultra-
sonic extraction of polysaccharides buds of Aralia elata is： extraction temperature is 70.4℃ ， extraction time is
67min， ultrasonic power is 213W， solid-liquid ratio is 1∶33.4， and polysaccharide buds of Aralia elata reach up to
4.81% in this process condition.
Key words： response surface method； aralia elata bud； polysaccharide； ultrasonic-assisted extraction
doi：10.3969/j.issn.1674-506X.2016.03-001
龙牙楤木（Aralia elata（Miq.）Seem.)，又名刺嫩
牙，系五加科楤木属植物，野生资源丰富，遍布于黑
龙江省各林区。其嫩芽为进出口优质山野菜，营养
丰富，以食用为主。研究资料表明，嫩芽中多糖含量
与茎皮部相似，含量较高 ［1］，且楤木多糖具有明确的
抗辐射损伤、抗肿瘤及抗氧化作用 ［2-3］。近年来对龙
牙楤木芽中皂苷类成分的研究较多 ［4-5］，而有关多糖
成分的提取方法及工艺等相关研究报道较为少见。
收稿日期：2016-01-29
基金项目：黑龙江省森林工业总局 2013 年科技计划项目（sgzjY2013012）。
作者简介：张桂娟（1981-），女，硕士研究生，副教授。主要从事中药质量标准工作。
2016 年第 3 期
超声波提取法因利用超声波的空化作用、 热效
应等增加溶剂穿透力，大大缩短了提取时间，提高提
取率而广泛应用于各成分的提取操作［6-9］。为优化龙
牙楤木芽多糖成分的提取方法及工艺， 深入系统地
研究龙牙楤木芽多糖类成分， 本实验采用响应曲面
法，以龙牙楤木芽多糖提取率为响应值，在单因素实
验基础上，采用 Box-Behnken 试验设计，对超声波
提取工艺中各影响因素进行优化，以期寻找低成本、
高效率的工艺参数来满足生产实际的需要， 为进一
步开发利用龙牙楤木资源奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
龙牙楤木芽：采自黑龙江省伊春市，春季新发的
嫩芽，经烘箱干燥后粉碎成粗粉备用；石油醚、乙醇
（95%）、浓硫酸、苯酚、葡萄糖均为分析纯。
设备和仪器：UV-2200 紫外可见分光光度计，
北京瑞利分析仪器有限公司；KQ500DE 型数控超
声波发生器，昆山市超声仪器有限公司；R-501 旋
转蒸发器， 河南宇科自动化仪器仪表设备有限公
司；SHZ-DIII 循环水真空泵，上海英化仪器设备有
限公司；ESJ200-4 电子天平，沈阳龙腾电子有限公
司。
1.2 实验方法
1.2.1 龙牙楤木芽多糖的制备
精密称取龙牙楤木芽粗粉，石油醚脱脂后，按一
定料液比加入纯化水放置于超声波发生器中， 设置
超声波功率、超声时间、超声提取温度进行提取，
提取液减压浓缩至一定体积，离心分离（6000r/min，
5min），上清液醇沉，低温静置，得龙牙楤木芽多糖沉
淀。
1.2.2 龙牙楤木芽多糖含量的测定
采用苯酚-浓硫酸法测定 ［10］。精密称取干燥至
恒重的无水葡萄糖 0.1003g于 1000mL 容量瓶中，加
水定容至刻度，分别精密量取 0.2mL、0.4mL、0.6mL、
0.8mL、1.0mL、1.2mL 于具塞试管中 ， 加水补足至
2.0mL，然后加入 5%苯酚 1.0mL，浓硫酸 5.0mL，摇
匀，冷却至室温，于 490nm 测吸光度。以 2.0mL 水为
空白，测吸光度（A），以葡萄糖质量浓度（μg/mL）为
横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线并进行线性
回归 ， 得吸光度与浓度回归方程为 A=0.0085C＋
0.0183，r2=0.9990。
将所得龙牙楤木芽多糖沉淀定容至一定体积制
成供试品溶液。 精密量取供试品溶液 1.0mL， 加水
4.0mL 摇匀后，精密量取 2.0mL 于具塞试管中，平行
3 个样，以空白溶剂为参比，按上述操作测定吸光度
值，按下式计算样品中多糖含量。
多糖提取率（%）=C×V×D/W×100
式中：C——供试品多糖浓度（μg/mL）；
V——供试品溶液定容的体积（mL）；
D——稀释倍数；
W——龙芽楤木嫩芽样品的质量（g）。
1.2.3 单因素实验
1.2.3.1 超声提取温度对龙牙楤木芽多糖提取率的
影响
按龙牙楤木芽多糖制备方法， 设置超声功率为
200W， 加入料液比 1 ∶20 纯化水后分别于 40℃、
50℃、60℃、70℃、80℃水浴条件下提取 60min， 测定
龙牙楤木芽多糖提取率， 观察提取温度对多糖提取
率的影响。
1.2.3.2 提取时间对龙牙楤木芽多糖提取率的影响
按龙牙楤木芽多糖制备方法， 设置超声功率为
200W， 加入料液比 1∶20 纯化水后于 70℃水浴条件
下分别提取 30min、60min、90min、120min、150min、
180min，测定龙牙楤木芽多糖提取率，观察提取时间
对多糖提取率的影响。
1.2.3.3 料液比对龙牙楤木芽多糖提取率的影响
按龙牙楤木芽多糖制备方法， 设置超声功率为
200W， 分别加入料液比 1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、
1∶35、1∶40 纯化水后于 70℃水浴条件下提取 60min，
测定龙牙楤木芽多糖提取率， 观察料液比对多糖提
取率的影响。
1.2.3.4 超声功率对龙牙楤木芽多糖提取率的影响
按龙牙楤木芽多糖制备方法， 分别设置超声功
率为 100W、150W、200W、250W、300W、350W， 加入
料液比 1∶20纯化水后于 70℃水浴条件下提取 60min，
测定龙牙楤木芽多糖提取率， 观察超声功率对多糖
提取率的影响。
1.2.4 响应曲面法实验设计
在单因素实验基础上，根据 Box-Behnken 中心
组合设计原理，选择对响应值（龙牙楤木芽多糖提取
率）有显著影响的料液比、超声提取时间、提取温度、
超声功率四个因素为自变量，设置高低值以 1，0，-1
进行编码，进行 4因素 3水平响应面分析实验。利用
Design Expert 软件进行回归分析，获得多元二次回
归模型， 再通过二次多项方程来拟合自变量与响应
值之间的函数关系。对模型进行方差分析，预测各自
变量的优化值， 从而确定超声波提取龙牙楤木芽多
糖最优工艺条件。实验因素及水平见表 1。
2
第 52 卷（总第 193 期）
2 结果与分析
2.1 单因素实验
2.1.1 提取温度对龙牙楤木芽多糖提取率的影响
在超声波提取过程中，随着提取温度的升高，多
糖提取率呈逐渐上升趋势， 当温度达到 70℃时，多
糖提取率达到最大值，温度继续上升，多糖提取率反
而降低（见图 1），这可能与一定功率下温度升高水
分子剧烈运动破坏了多糖分子结构而使得多糖含量
降低有关，故龙牙楤木芽多糖提取温度选择 70℃作
为中心值。
2.1.2 提取时间对龙牙楤木芽多糖提取率的影响
由图 2可知， 随着超声波提取时间的延长多糖
提取率呈现先上升而后趋于稳定， 多糖提取率无明
显变化的趋势， 当提取时间至 60min时提取率达到
峰值，可见在一定超声波条件下，适当延长提取时间
有利于多糖的溶出，当溶出达到一定值后，继续延长
时间无任何意义。因此，龙牙楤木芽多糖提取时间选
择 60min作为中心值。
2.1.3 料液比对龙牙楤木芽多糖提取率的影响
由图 3可知，随着溶剂用量的不断增大，多糖提
取率也呈逐渐上升的趋势， 当溶剂达 35倍用量时，
多糖提取率达到最高值， 可能是因为随着溶剂用量
的增加多糖溶解的量也增多， 但随着溶剂量继续增
大，多糖提取率反而下降，这与溶剂量过多，增大其
他成分的溶解度有关， 限制了多糖成分的溶出。因
此，提取龙牙楤木芽多糖料液比选择 1∶35 作为中心
值。
2.1.4 超声功率对龙牙楤木芽多糖提取率的影响
如图 4所示，随着超声功率的不断增大，多糖提
编码
因素
X1
提取温度/℃
X2
提取时间/min
X3
超声功率/W
X4料液比
/（g·mL-1）
-1 60 30 150 1∶30
0 70 60 200 1∶35
+1 80 90 250 1∶40
表 1 响应曲面设计实验因素水平及编码
Tab.1 Factors and levels in response surface design
多糖提取率
30 40 50 60 70 80 90
提取温度/℃
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
多
糖
提
取
率
/
%
图1 提取温度对多糖提取率的影响
Fig.1 Influence of extraction temperature on polysaccharide
extraction rate
多糖提取率
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
多
糖
提
取
率
/
%
30 60 90 120 150 180
提取时间/min
图2 提取时间对多糖提取率的影响
Fig.2 Influence of extraction time on polysaccharide
extraction rate
多糖提取率
10 15 20 25 30 35 40 45
料液比
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
多
糖
提
取
率
/
%
图3 料液比对多糖提取率的影响
Fig.3 Influence of solid-liquid ratio on polysaccharide
extraction rate
多糖提取率
50 100 150 200 250 300 350 400
超声功率/W
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
多
糖
提
取
率
/
%
图4 超声功率对多糖提取率的影响
Fig.4 Influence of ultrasonic power on polysaccharide
extraction rate
张桂娟等：响应曲面法优化超声波提取龙牙楤木芽多糖的工艺研究 3
2016 年第 3 期
编号
因素
Y 多糖提
取率/%
X1提取
温度/℃
X2提取
时间/min
X3超声
功率/W
X4料液比
/（m∶V）
1 0 0 -1 -1 4.12
2 1 -1 0 0 4.32
3 0 -1 -1 0 3.87
4 1 0 0 1 4.44
5 0 1 0 1 4.81
6 0 -1 1 0 4.41
7 0 0 1 1 4.22
8 0 0 0 0 4.88
9 0 0 0 0 4.78
10 1 0 1 0 4.23
11 1 0 -1 0 4.73
12 0 -1 0 1 4.20
13 0 1 1 0 4.51
14 0 1 0 -1 4.72
15 0 -1 0 -1 4.45
16 -1 0 -1 0 4.04
17 0 0 0 0 4.76
18 0 0 0 0 4.90
19 0 1 -1 0 4.69
20 -1 -1 0 0 3.76
21 -1 1 0 0 4.45
22 1 0 0 -1 4.60
23 0 0 0 0 4.86
24 -1 0 1 0 4.72
25 0 0 -1 1 4.49
26 -1 0 0 1 4.35
27 1 1 0 0 4.81
28 -1 0 0 -1 4.32
29 0 0 1 -1 4.83
表 2 Box-Behnken 试验设计与结果
Tab.2 Box-Behnken design and test results
取率呈现先升高而后降低的趋势， 当超声功率至
200W 时，多糖提取率达到最大值，当超声功率继续
增大，多糖提取率反而下降，这与随着超声功率的增
大，细胞被破坏的几率增大，非多糖性成分溶出增多
阻碍了多糖成分的溶出有关。因此，提取龙牙楤木芽
多糖超声功率选择 200W作为中心值。
2.2 响应面法对龙牙楤木芽多糖超声波提取工艺
的优化
2.2.1 实验结果及分析
实验设计方案及结果见表 2。表中设计 29 个试
验处理组合， 每个组合设置三个平行样。 利用 De-
sign-Expert8.0.6 软件对实验结果进行多元回归拟
合，得龙牙楤木芽多糖提取率（Y）对自变量提取温
度（X1）、提取时间（X2）、超声功率（X3）、料液比（X4）
的二次多项回归方程：
Y=4.84＋0.12X1＋0.25X2＋0.082X3－0.044X4－0.050X1X2
－0.29X1X3－0.047X1X4－0.18X2X3＋0.085X2X4－0.25X3X4－
0.24X12－0.21X22－0.23X32－0.14X42
方程中各自变量对响应值影响的显著性由 F
检验进行判断，P 值越小，显著性越高。由表 3 回归
分析结果可知，模型的 F 检验结果<0.0001，表明该
回归模型极其显著，且失拟项不显著（P=0.1013>0.05），
相关系数 R2=0.9389，说明模型拟合程度很好。其中，
自变量 X1、X2、X1X3、X2X3、X3X4、X12、X22、X32、X42 对 Y
值的影响极为显著（P<0.01），X3对 Y 值的影响较显
著（P<0.05）。
2.2.2 响应面图与等高线图分析
从响应面图与等高线图（图 5-图 7）可以看出，
响应曲面中多糖提取率存在极高值， 等高线中心均
位于-1 - 1 水平之间， 表明多糖提取最优条件存在
于试验设计的因素水平范围之内。
每个响应面都体现了当 2个自变量保持在 0 水
平时， 其余 2个自变量之间的交互作用对多糖提取
方差
来源
平方和 自由度 均方 F 值 P 值 显著性
模型 2.55 14 0.18 15.36 <0.0001 **
X1 0.19 1 0.19 15.57 0.0015 **
X2 0.74 1 0.74 62.28 <0.0001 **
X3 0.080 1 0.080 6.74 0.0212 *
X4 0.023 1 0.023 1.97 0.1822
X1X2 1.000×10-2 1 1.000×10-2 0.84 0.3745
X1X3 0.35 1 0.35 29.30 <0.0001 **
X1X4 9.025×10-3 1 9.025×10-3 0.76 0.3982
X2X3 0.13 1 0.13 10.91 0.0052 **
X2X4 0.029 1 0.029 2.43 0.1412
X3X4 0.24 1 0.24 20.21 0.0005 **
X12 0.38 1 0.38 32.02 <0.0001 **
X22 0.30 1 0.30 24.86 0.0002 **
X32 0.35 1 0.35 29.11 <0.0001 **
X42 0.14 1 0.14 11.43 0.0045 **
残差 0.17 14 0.012
失拟项 0.15 10 0.015 3.89 0.1013
净误差 0.016 4 3.880×10-3
总离差 2.72 28
R2=0.9389
表 3 回归分析结果
Tab.3 Regression analysis results
注：** 为 P<0.01，差异极显著；* 为 P<0.05，差异显著。
4
第 52 卷（总第 193 期）
图5 超声功率与提取温度对多糖提取率的响应面及等高线图
Fig.5 Polysaccharide ultrasonic power and extraction
temperature on the extraction rate of response
surface and contour plot
60.00 65.00 70.00 75.00 80.00
A：温度/℃
250.00
225.00
多糖提取率/%
200.00
C
：功
率
/
W
175.00
150.00
4.0
4.2
4.4
4.6
5
4.8
4.6
4.4
250.00
225.00
200.00
C：功率/W
175.00
150.00 60.00
65.00
70.00
75.00
80.00
A：温度/℃
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
5.2
多
糖
提
取
率
/
%
250.00
225.00
200.00
175.00C：功率/W 150.00 30.00
42.00
54.00
66.00
78.00
90.00
B：时间/min
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
5.2
多
糖
提
取
率
/
%
多糖提取率/%
4.6
4.8
5
4.6
4.4
4.2
4.0
150.00
30.00 42.00 54.00 66.00 78.00 90.00
B：时间/min
175.00
200.00
C
：功
率
/
W 225.00
250.00
图6 超声功率与提取时间对多糖提取率的响应面
及等高线图
Fig.6 Polysaccharide ultrasonic power and extraction
time the extraction rate of response surface
and contour plot
40.00
38.00
36.00
34.00
32.00
30.00 150.00
175.00
200.00
225.00
250.00
C：功率/WD：料液比
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
5.2
多
糖
提
取
率
/
%
多糖提取率/%
4.4
4.6
4.8
5
4.4
4.6
150.00175.00 200.00 225.00 250.00
C：功率/W
30.00
32.00
34.00
36.00
38.00
40.00
D
：料
液
比
图7 料液比与超声功率对多糖提取率的响应面
及等高线图
Fig.7 Polysaccharide solid-liquid ratio and ultrasonic power the
extraction rate of response surface and contour plot
率的影响。由响应面图与等高线图可以看出，超声温
度、提取时间、超声功率对多糖提取率的影响最为显
著，其响应曲面坡度较料液比曲面坡度陡峭。超声功
率与提取温度、超声功率与提取时间、超声功率与料
液比对多糖提取率的交互效应极为显著， 可由等高
线形状反映出来，等高线图呈长椭圆形，表示交互效
应显著。这与 ANOVA 回归分析一致，表明所得模型
对各实验因素与响应值的关系模拟较为准确， 可以
用于龙牙楤木芽多糖超声波提取工艺的优化［11］。
通过对回归模型方程求解， 得出龙牙楤木芽多
糖最大提取率为 4.89%， 提取最佳工艺条件为提取
温度 70.40℃、提取时间 67.07min、超声功率 212.89W、
料液比 1∶33.42。
2.2.3 验证实验
为检验模型预测准确程度， 在上述优化条件
下，结合操作的可行性，将提取最佳工艺修正为提
取温度70.4℃、提取时间 67min、超声功率 213W、料
液比 1∶33.4，在此条件下，进行三次验证实验，龙牙
楤木芽多糖提取率分别为 4.83%、4.86%、4.75%，平
均提取率为 4.81%，与模型理论预测值相对误差为
1.66%，吻合度较好，表明该模型可用于多糖提取的
工艺优化。 （下转第 10页）
张桂娟等：响应曲面法优化超声波提取龙牙楤木芽多糖的工艺研究 5
2016 年第 3 期
3 结论
通过建立在单因素实验结果之上， 对影响龙牙
楤木芽多糖提取率的主要因素提取温度、提取时间、
超声功率与料液比选取实验中心值， 设置各因素水
平，运用 Box-Behnken 试验设计响应曲面分析法对
超声波提取龙牙楤木芽多糖工艺进行优化， 探讨了
各影响因素之间的交互作用， 并对实验结果进行了
预测， 通过实验验证， 得到了优化后的提取工艺条
件： 提取温度 70.4℃、 提取时间 67min、 超声功率
213W、料液比 1∶33.4，在此条件下龙牙楤木芽多糖
提取率为 4.81%。 该研究结果为进一步研究龙牙楤
木芽多糖及龙牙楤木资源的再开发利用奠定了理
论基础，为超声波提取技术应用于楤木多糖的提取
提供一定的参考， 具有一定的理论价值与实际指导
意义。
参考文献
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江医药科学，2009，32（4）：27-28.
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（上接第 5页）
3 结论
本研究从宁波雪菜中分离得到了 46株菌，测定
各菌在 pH 2.0 人工胃液中 2h 后的生存率，选出 12
株生存率在 0.1%的菌株， 其中 XC-10 株的生存率
达到 1.54%，为所有菌株中最高。其次，对分离出的
菌株进行凝乳能力、感官评定、理化指标、微生物限
量及发酵后乳酸菌数等实验， 确定 XC-6 和 XC-10
株各项指标均符合国家标准， 为较适用于发酵乳生
产的耐酸性菌株， 可作为发酵乳生产新菌种进行进
一步开发利用。最后，对 XC-6 和 XC-10 菌株进行
分子生物学鉴定， 结果表明两株菌均属植物乳杆菌
Lactobacillus plantarum 属。
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