超聲波法提取柳蒿芽多糖及其工藝優化

宋瑞祥,高亞軍,趙 雪,貢永鵬,崔艷艷,*

1.揚州大學 食品科學與工程學院 (揚州 225127) 2.通化師范學院 食品科學與工程學院 (通化 134000) 3.吉林省長白山食用植物資源開發工程中心 (通化 134000)

柳蒿芽(ArtemisiaintegrifoliaL.),菊科蒿屬植物,有特異香氣,一般生長在地勢較低且潮濕的地方,全球各地均有分布[1]。在我國主要分布在東北、華北和華中地區,其中,以吉林省長白山、內蒙古呼倫貝爾和黑龍江省大興安嶺地區為主[2]。柳蒿芽具有一定的藥用和食用價值?！侗静菥V目》描述柳蒿芽:“利隔開胃,殺河豚毒” 記載了柳蒿芽與河豚同煮具有減輕河豚毒的解毒功效[3]。此外,在傳統草藥學中,柳蒿芽被用作清熱解毒、消腫止痛的草藥,具有健脾去火、降血壓、降血脂、健胃、清熱涼血消炎、瘦身、生毛發、利尿等作用,可用于治療感冒、發熱、鼻竇炎、高血壓、糖尿病等癥狀[4,5]。已有研究表明,柳蒿芽含有多種有效成分,如揮發油、黃酮類化合物、生物堿等,具有抗氧化、抗炎、抗菌等生物活性[6,7],而關于多糖的研究未見報道。

多糖具有廣泛的生物活性和應用價值。超聲波法提取植物多糖是一種有效的提取技術,它利用超聲波的機械效應來破壞植物細胞壁和細胞膜,從而促進多糖的釋放;其次,超聲波的熱效應可以加快多糖與溶劑的反應速率,提高提取效果;此外,超聲波還可以提高溶劑的滲透性和擴散能力,使得多糖更容易被提取[8,9]。與傳統的提取方法相比較,超聲波法能夠顯著提高多糖的得率和純度,縮短提取時間,減少對環境的污染[10]。因此,為了優化柳蒿芽多糖的提取工藝,為今后柳蒿芽多糖的深入研究應用奠定基礎,本研究采用響應面法優化柳蒿芽多糖的超聲波提取工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

柳蒿,采摘于2023年5月7日,吉林通化(東經125°10′～126°44′,北緯40°52′～43°3′),經校內相關專家確認后,挑選清洗,置于50 ℃鼓風干燥箱烘干,粉碎成粉末并過80目篩,冷凍備用;苯酚試劑,分析純,遼寧泉瑞試劑有限公司;濃硫酸,分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司;無水乙醇,分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司;石油醚,分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司;無水葡萄糖,分析純,國藥化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

XFB-100型粉碎機,吉首市中誠制藥機械廠;BILON-650 Y型超聲波細胞破碎機,上海比朗儀器有限公司;ZF-20 L型抽濾機,河南省艾瑞德儀器設備有限公司;SHZ-D III型循環水式真空泵,鞏義市予華儀器設備有限公司;RE-3000 A型旋轉蒸發儀,上海亞榮生化儀器廠;FA 2004型電子天平,上海市安亭電子儀器廠;UV-2600 i型紫外可見分光光度計,島津儀器(蘇州)有限公司。

1.3 方法

1.3.1標準曲線繪制及多糖得率的測定

精確稱取0.1 g葡萄糖標準品,定容于100 mL容量瓶中,制得質量濃度為1 mg/mL的葡萄糖標準品溶液。取8只10 mL試管,依次標記序號并依次加入0 μL、10 μL、30 μL、50 μL、70 μL、90 μL、110 μL、130 μL葡萄糖標準品溶液,加蒸餾水至1 mL,分別加入1 mL 6%苯酚試劑和5 mL濃硫酸溶液,震蕩混勻,使用雙光束紫外可見分光光度計測定其在490 nm波長處的吸光度值。以葡萄糖系列濃度(X,μg/mL)為橫坐標,吸光值Y為縱坐標繪制標準曲線,方程為Y= 0.010 3x-0.071 3,R2=0.993 5。提取樣液稀釋后按照標準曲線繪制方法測定吸光度值,按照公式(1)計算多糖得率。

(1)

式中:m1為實際測定的柳蒿芽總糖含量,mg;m為稱量的柳蒿芽干燥粉末的質量,mg。

1.3.2單因素試驗

以料液比(g/mL)(1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80);提取溫度(55 ℃、65 ℃、75 ℃、85 ℃、95 ℃);提取時間(40 min、50 min、60 min、70 min、80 min);超聲功率(200 W、300 W、400 W、500 W、600 W)進行單因素試驗,測定多糖得率。

1.3.3響應面試驗

以多糖得率為響應指標,通過Design-Expert 8.0.6軟件中的Box-Behnken試驗設計原理對料液比、提取溫度、提取時間、超聲功率進行四因素三水平優化實驗,獲得柳蒿芽多糖的最優提取條件。具體因素及水平如表1。

表1 響應面優化試驗因素水平表

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果

2.1.1料液比對柳蒿芽多糖得率的影響

由圖1可知,料液比對柳蒿芽多糖得率的影響曲線整體呈先迅速上升后緩慢下降趨勢,當料液比(g/mL)從1∶40增加到1∶70時,多糖得率明顯升高,達到最高(24.75% ± 0.42%),可能是由于料液比升高,降低溶液濃度和黏度,有利于多糖成分溶解[11];繼續升高料液比到1∶80時,可能由于溶劑較多導致多糖流失[11]。因此,選擇料液比(g/mL)1∶60、1∶70、1∶80這三水平進行響應面優化試驗。

圖1 不同料液比對柳蒿芽多糖得率的影響

2.1.2提取溫度對柳蒿芽多糖得率的影響

由圖2可知,多糖得率隨提取溫度的升高而逐漸上升,當提取溫度達到75 ℃時,多糖得率最高(22.83% ± 0.54%),產生此現象的原因可能是高溫對多糖的釋放和溶解有利,但溫度過高可能會導致多糖的降解而損失[12-13]。因此,選擇提取溫度65 ℃、75 ℃、85 ℃這三水平進行響應面優化試驗。

圖2 不同提取溫度對柳蒿芽多糖得率的影響

2.1.3提取時間對柳蒿芽多糖得率的影響

由圖3可知,提取時間增加到60 min時,多糖得率最高(24.27% ± 0.95%),說明提取時間增大有利于多糖溶出,提取完全;但提取時間從60 min增加到70 min時,多糖得率逐漸下降,可能是由于在高溫條件下提取時間過長多糖稍有降解[14]。因此,選擇提取時間50 min、60 min、70 min這三水平進行響應面優化試驗。

圖3 不同提取時間對柳蒿芽多糖得率的影響

2.1.4超聲功率對柳蒿芽多糖得率的影響

由圖4可知,超聲功率增加到400 W時,多糖得率最高(15.99% ± 0.74%),之后得率逐漸降低,出現這種趨勢可能是由于超聲功率過大破壞多糖的鏈接鍵[15],導致多糖降解。因此,選擇超聲功率300 W、400 W、500 W這三水平進行響應面優化試驗。

圖4 不同超聲功率對柳蒿芽多糖得率的影響

2.2 響應面試驗結果

響應面優化實驗設計方案及結果見表2。實驗數據經多元回歸擬合得到響應值與檢驗變量的二次多元回歸方程:多糖得率(%)=28.85+1.09×A+1.33×B-0.13×C+0.30×D+1.08×AB+1.65×AC+2.35×AD+2.43×BC-3.33×BD-3.04×CD-0.70×A2-3.42×B2-3.94×C2-5.88×D2

表2 響應面優化試驗設計方案與結果

表3 方差分析結果

2.2 因素交互作用結果

兩因素交互作用結果如圖5～圖10所示,結合回歸方程,分析了各因素對柳蒿芽多糖得率的影響。響應曲面的斜率越陡,等高線圖呈橢圓形,相互作用越顯著[16]。圖中響應表面趨于拋物線,并且表面的斜率陡峭,表明兩因素之間存在相互作用,與表3方差分析的結果一致(P<0.05)。圖5中多糖得率的變化隨提取溫度的變化程度高于隨料液比的變化,表明B提取溫度的主效應強于A料液比。

圖5 料液比與提取溫度對多糖得率交互作用的影響

圖6 料液比與提取時間對多糖得率交互作用的影響

圖7 料液比與超聲功率對多糖得率交互作用的影響

圖8 提取溫度與提取時間對多糖得率交互作用的影響

圖9 提取溫度與超聲功率對多糖得率交互作用的影響

2.3 驗證試驗

經響應面優化確定最優提取工藝參數為料液比(g/mL)77.8,提取溫度77.2 ℃,提取時間61.9 min,超聲功率399.5 W,多糖得率為29.8%。為驗證模型的準確性,結合實際操作選取參數78 g/mL,78 ℃,62 min,400 W條件重復3次實驗,多糖得率為 (28.9±0.6)%,與模型理論值誤差僅為0.9%,表明該模型優化工藝參數可靠。

3 結論

本研究以柳蒿芽多糖得率為考查指標,在單因素實驗的基礎上,采用響應面法優化柳蒿芽多糖的超聲波提取工藝,得到最佳工藝:料液比(g/mL)1∶78,提取溫度78 ℃,提取時間62 min,超聲功率400 W,多糖得率為28.9%。相比傳統的浸提方法,超聲波提取多糖更加高效快速,為今后植物多糖的提取及研究應用提供理論依據。