响应面法优化金花葵籽多糖提取工艺研究

刘剑，罗仓学，*，伍贤密，魏丽娜

（1.陕西科技大学食品与生物工程学院，陕西西安710021；2.紫阳县硒产业发展办公室，陕西安康725300）

响应面法优化金花葵籽多糖提取工艺研究

刘剑1，罗仓学1，*，伍贤密2，魏丽娜1

（1.陕西科技大学食品与生物工程学院，陕西西安710021；2.紫阳县硒产业发展办公室，陕西安康725300）

采用水提法对金花葵籽中多糖成分进行提取，研究不同提取条件对金花葵籽多糖得率的影响。以金花葵籽多糖的得率为考察指标，以提取温度、提取时间、液料比进行单因素实验的基础上，再利用响应面法优化金花葵籽多糖的提取条件。结果表明，金花葵籽多糖的最佳提取工艺条件为提取温度71℃、提取时间3.30 h、液料比31∶1（mL/g），多糖得率为13.58%，与预期值的相对误差为3.74%，试验表明采用响应面法优化提取金花葵籽多糖是合理可行的。

金花葵籽；多糖；提取；响应面法优化

金花葵又名菜芙蓉，一年生草本植物，锦葵科、秋葵属，是中国农业科学院于2003年8月在河北邢台地区发现的濒临绝种的植物[1]，金花葵富含生物黄酮[2]，不饱和脂肪酸[3]，维生素E，植物胶原蛋白和多种微量元素，具有很高的食用、药用和保健价值[4]。金花葵籽中粗脂肪含量18.55%，粗蛋白21.73%，水分5.27%，灰分8.27%；金花葵籽中富含不饱和脂肪酸，维生素E等[5]，具有补脾、健胃、生肌，治消化不良、不思饮食等功效[6]。

植物多糖是植物在生命活动中形成的高分子聚合物或复合体，具有可再生、投入少、成本低、污染小、利用率高等优点，被广泛应用于食品的加工生产中[7]；多糖还具有广泛的药理作用，如抗肿瘤[8-9]、抗辐射[10]、抗氧化[11]、降血糖[12]、抗凝血[13]、增强机体免疫力[14]、保护胃肠功能等[15]，是保健品和药品研发的热点领域之一，目前人们已成功地从近百种植物中提取出了多糖，但是从金花葵籽中提取多糖的研究未见报道，因此对金花葵籽中多糖的提取工艺条件进行优化，可为金花葵籽多糖的进一步深入研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

金花葵籽：陕西紫阳富硒研究所种植；葡萄糖标准样品、石油醚、无水乙醇、浓硫酸、苯酚：分析纯。UV755B紫外可见分光光度计：上海菁华科技仪器有限公司；DK-S28电热恒温水浴锅：上海精宏实验设备有限公司；H1850R湘仪台式高速冷冻离心机：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；101-2型电热鼓风干燥箱：北京科伟永兴仪器有限公司；LT600B型电子天平：常熟市天量仪器有限责任公司；RHP-400型高速多功能粉碎机：浙江永康市荣浩工贸有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 提取工艺

金花葵籽→烘干至恒重→粉碎→过筛→金花葵籽粉末→石油醚脱脂→热水提取→离心→上清液→测多糖含量

1.2.2 多糖得率的测定

采用苯酚-硫酸法[16]进行测定。首先用标准D-葡萄糖配制系列浓度的溶液作标准曲线，线性回归得标准曲线为：y=0.010 8x+0.084 7，式中：y为吸光度；x为多糖质量浓度/（mg/mL），R2=0.9983，在20μg/mL～80μg/mL范围内，葡萄糖的质量浓度（x）和吸光度（y）有良好的线性关系。吸取上清液1mL，用蒸馏水稀释定容至25mL，再取上述稀释液2.5mL至具塞试管，采用苯酚-硫酸法，在490 nm处测定吸光度值，利用标准曲线方程和稀释倍数计算多糖含量。

式中：C为样品溶液中葡萄糖浓度，（μg/mL）；D为样品溶液稀释倍数；m为金花葵籽粉末质量，g。

1.3 单因素试验

以金花葵籽多糖的液料比、提取时间与提取温度为单因素，研究不同单因素对金花葵籽多糖得率的影响。提取基本条件为：液料比30∶1（mL/g）、提取时间1.5 h、提取温度60℃。各因素水平为：液料比10∶1、20 ∶1、30 ∶1、40 ∶1、50 ∶1（mL/g）；提取时间 1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5 h；提取温度 40、50、60、70、80 ℃。

1.4 响应面法优化实验设计

根据提取工艺的单因素试验结果，采用Design Expert 8.0.6的Box-Behnken中心组合设计原理，以提取温度、提取时间、液料比3个因素进行响应面分析试验，确定金花葵籽中多糖的最佳提取工艺条件。实验设计因素水平见表1。

表1 响应面设计试验因素水平表Table 1 Factors levels used in response surface analysis

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 液料比的影响

液料比对多糖得率的影响见图1。

图1 液料比对多糖得率的影响Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on the yield of polysaccharide

由图1可知，在一定范围内，随着水量的增加，金花葵籽多糖的得率不断上升，但增加到30∶1（mL/g）后，多糖得率呈下降的趋势，而且加水量过大会使工业生产中后续工序增加，耗能增加，效率降低，所以选择30∶1（mL/g）做为最优的液料比。

2.1.2 提取时间的影响

提取时间对多糖得率的影响见图2。

由图2可知，随着提取时间的增加，金花葵籽多糖得率明显上升，但是当提取时间超过3 h，多糖得率反而减小。这可能是因为提取时间过短多糖溶解不充分，但时间过长则可能会使产物结构发生变化进而使多糖得率降低，所以确定提取时间为3 h。

图2 提取时间对多糖得率的影响Fig.2 Effect of extraction time on the yield of polysaccharide

2.1.3 提取温度的影响

提取温度对多糖得率的影响见图3。

图3 提取温度对多糖得率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on the yield of polysaccharide

由图3可知，随着提取温度的升高，金花葵籽多糖的得率逐渐增加，但当温度大于70℃时，多糖得率反而减小。探究其原因可能是因为温度较低时，多糖得不到充分的提取，而过高的温度，导致多糖分解，而且温度过高可能对多糖的结构和活性产生影响，所以确定提取温度为70℃。

2.2 响应面法试验结果及分析

2.2.1 响应面法设计及结果

选取提取时间A，提取温度B，液料比C 3个因素，以金花葵籽多糖得率为响应值Y，对提取多糖的工艺条件作三因素三水平的响应面分析试验，一共17个试验点，表2为具体的试验方案和结果。

2.2.2 多元二次响应面回归模型的建立及显著性分析

利用Design-Expert 8.0软件对表2的结果进行多元回归拟合分析，得到拟合全变量二次回归方程：Y=13.58-0.23A-0.13B+0.061C+0.46AB+0.059AC+0.18BC-0.89A2-1.21B2-0.91C2（R2=0.997 4），响应面多元二次模型方差分析结果见表3。

表2 响应面优化的试验方案及结果Table 2 The response surface optimization scheme and test results

表3 响应面二次模型方差分析Table 3 The response surface quadratic model analysis of variance

由表3可以看出，模型的“Pr＞F”值＜0.01，所以该模型是高度显著的。失拟项“Pr＞F”值＞0.05，说明没有失拟因素，可以通过此模型来预测金花葵籽多糖最优提取条件。在回归方程中，A、B、AB、BC、A2、B2、C2对金花葵籽多糖得率影响高度显著，C对多糖得率影响显著。各影响因素对多糖得率影响的大小关系依次为：提取时间（h）＞提取温度（℃）＞液料比（mL/g）。

2.2.3 根据响应面三维图和等高线图分析因素间的相互作用

通过响应曲面图和等高线图可以清晰的看出各因素之间的相互作用对多糖得率的影响作用：响应曲面图曲线越陡则该因素对金花葵籽多糖得率的影响越显著，曲线越平滑说明影响不显著；等高线的形状为圆形表示交互作用不显著，形状为椭圆形则表示交互作用显著。

图4 提取时间和提取温度对多糖得率的响应面图Fig.4 Response surface plot of extraction temperature and time on the yield of polysaccharide

图5 提取时间和液料比对多糖得率的响应面图Fig.5 Response surface plot of extraction time and liquid-solid ratio on the yield of polysaccharide

图6 提取温度和液料比对多糖得率的响应面图Fig.6 Response surface plot of extraction temperature and liquidsolid ratio on the yield of polysaccharide

图4显示，响应曲面坡度陡峭，说明提取时间和提取温度交互作用显著，与表3中交互项值的分析结果一致；图5中曲面较为平缓，说明提取时间和液料比的交互作用对金花葵籽多糖的得率影响不大；由图6可以看出提取温度和液料比交互作用显著，与表3中的交互项值的分析结果一致，根据以上分析可以看出3个试验因素与响应值的关系模拟与试验所得数据吻合，因此响应面法可以用来对金花葵籽多糖的提取工艺进行优化。

2.2.4 验证实验

根据响应面法软件进行参数的最优化分析，得出提取率的优化条件为提取时间3.32h、提取温度70.69℃、液料比30.61∶1（mL/g）。在此工艺条件下，理论上金花葵籽多糖得率为13.09%。为了验证该法的可靠性以及可行性，用最佳的条件进行实验。

在用最佳试验条件进行验证时，考虑到实际操作的可行性和简便性，将金花葵籽多糖的提取条件修正为提取时间 3.30 h、提取温度 71℃、液料比 31∶1（mL/g），结果得出金花葵籽多糖得率的实际值为13.58%，实际值与理论值的相对误差为3.74%，由以上结果可知，利用响应面法优化提取金花葵籽多糖是合理可行的。

3 结论

通过响应面法对金花葵籽多糖的提取工艺进行优化的实验结果显示：1、3个影响因素对多糖得率影响的大小关系依次为：提取时间（h）＞提取温度（℃）＞液料比（mL/g）；2、金花葵籽多糖的最优提取工艺条件为：提取时间 3.30 h、提取温度 71 ℃、液料比 31∶1（mL/g）；3、理论上金花葵籽多糖得率为13.09%，在最优提取条件下金花葵籽多糖得率的实际值为13.58%，与预期值的相对误差为3.74%。此研究给金花葵籽多糖在食品和医药领域中的应用提供实验依据，同时可以充分利用安康紫阳的特色资源，达到产业增值的目的。

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Study on the Extraction Technology of Polysaccharide from the Seed of Hibiscus manihot L.

LIU Jian1，LUO Cang-xue1，*，WU Xian-mi2，WEI Li-na1
（1.School of Food and Biological Engineering，Shaanxi University of Science&Technology，Xi'an 710021，Shaanxi，China；2.Ziyang Selenium Industry Office，Ankang 725300，Shaanxi，China）

The effects of different extraction conditions on the yield of Seed of Hibiscus manihot L.polysaccharide were studied by water extraction method.In this study，the extraction rate of polysaccharide from seed of Hibiscus manihot L.was studied by using response surface methodology on the basis of single factor experiments with extraction temperature，extraction time and ratio of liquid to material.The results showed that the optimum extraction conditions were as follows：extraction temperature 71℃，extraction time 3.30 h，ratio of liquid to material 31 ∶1（mL/g）.The yield of polysaccharide was 13.58%，and the relative error with the expected value was 3.74%.The results showed that it was reasonable to use the response surface method to optimize the extraction of polysaccharide from Hibiscus manihot L..

seed of Hibiscus manihot L.；polysaccharide；extract；response surface methodology

刘剑，罗仓学，伍贤密，等.响应面法优化金花葵籽多糖提取工艺研究[J].食品研究与开发，2018，39（1）：25-29

LIU Jian，LUO Cangxue，WU Xianmi，et al.Study on the Extraction Technology of Polysaccharide from the Seed of Hibiscus manihot L.[J].Food Research and Development，2018，39（1）：25-29

10.3969/j.issn.1005-6521.2018.01.006

2017年陕西省重点研发计划（2017TSCXL-NY-02-03）

刘剑（1991—），男（汉），硕士研究生，研究方向：农产品加工及资源综合利用。

*通信作者：罗仓学（1959—），男（汉），教授，硕士，研究方向：农产品加工及资源综合利用。

2017-05-17