喬艷明,陳文強*,2,鄧百萬,2,彭浩,2,解修超,2,張輝,潘嘉偉
(1.陜西理工學院生物科學與工程學院,陜西漢中723000;2.陜西省食藥用菌工程技術研究中心,陜西漢中723000;3.陜西省南鄭中學,陜西南鄭723100)
Box-Behnken響應面設計法優(yōu)化微波輔助提取豬苓多糖工藝
喬艷明1,陳文強*1,2,鄧百萬1,2,彭浩1,2,解修超1,2,張輝3,潘嘉偉3
(1.陜西理工學院生物科學與工程學院,陜西漢中723000;2.陜西省食藥用菌工程技術研究中心,陜西漢中723000;3.陜西省南鄭中學,陜西南鄭723100)
為了優(yōu)化豬苓多糖的微波提取工藝,采用Box-Behnken響應面設計法,研究液料比、pH、微波功率、提取時間、提取次數(shù)及其交互作用對多糖提取率的影響。應用Design Expert和響應面分析相結合的方法,模擬得到回歸方程的預測模型和可信度,分析得到最佳提取工藝條件為:液料比30∶1(mL/g),pH 6.6,微波功率614 W,提取時間2.5 min,提取次數(shù)2次。在此條件下,多糖提取率達到6.75%。利用Box-Behnken響應面設計法優(yōu)化得到的豬苓多糖提取條件參數(shù),為豬苓多糖工業(yè)化生產(chǎn)提供技術支持。
豬苓;微波輔助提?。欢嗵?;Box-Behnken設計;響應面分析
豬苓(Polyporus umbellatus),俗稱豬屎苓、野豬糞等。屬真菌門、擔子菌綱、多孔菌目、多孔菌科、豬苓(地花)屬。豬苓主要分布于河北、陜西、四川等地[1],其菌核含麥角甾醇、粗蛋白質、可溶性糖分、多糖及X-羥基二十四碳酸等成分[2-3]。現(xiàn)代藥理學研究表明,豬苓提取物中多糖成分具有抗氧化[4]、增強免疫功能[5]和保護肝臟[6]等作用,臨床應用也取得了較好療效。
近年來,真菌多糖的提取技術已由傳統(tǒng)的溶劑提取法逐漸轉向運用超聲波[7-8]和微波輔助提取[9-10]新技術。與傳統(tǒng)方法相比,微波輔助提取真菌多糖具有速度快、選擇性高、提取率高、溶劑消耗少、操作簡便等特點[11-13],同時可以防止提取物在長時間、高溫條件下發(fā)生降解和褪色。響應面法(Response Surface Methodology,RSM)是可通過回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù),解決多變量問題,具有周期短、精度高、實用價值高等特點,已廣泛應用于化學工業(yè)、生物學、食品學、工程學等領域,在真菌多糖微波輔助提取條件優(yōu)化研究中也取得了良好效果[14]。2011年,曾維才[15]等采用響應面法優(yōu)化微波輔助提取黑木耳多糖工藝,黑木耳多糖提取率可達16.53%;2012年,Zhao[16]等用響應面分析法優(yōu)化微波輔助提取梭柄松苞菇多糖,梭柄松苞菇多糖提取率為(7.83±0.19)%;2012年,Chen[17]等用響應面法優(yōu)化微波輔助提取銀耳多糖,銀耳多糖提取率為(65.07±0.99)%;2013年,楊開[18]等用響應面法優(yōu)化了微波輔助提取松木層孔菌多糖,松木層孔菌多糖提取率為3.88%;2014年,岳春[19]等用響應面法優(yōu)化了微波輔助提取蟲草多糖,蟲草多糖提取率為12.1%。
目前,響應面法用于優(yōu)化微波輔助提取豬苓多糖的工藝尚未見研究報道,本研究中采用微波輔助提取豬苓多糖,并通過響應面分析法優(yōu)化提取工藝,借助Design Expert軟件,采用Box-Behnken模式對各主要影響因素之間的單一和交互作用等進行了研究,得出最佳提取工藝參數(shù),為從豬苓菌核中提取多糖的工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。
1.1材料
1.1.1試驗材料豬苓菌核由陜西天美綠色產(chǎn)業(yè)有限公司提供。
1.1.2主要試劑無水乙醇、葡萄糖、苯酚、硫酸、氯仿等均為分析純,試驗用水為純化水。
1.1.3主要儀器723N型可見分光光度計,上海精密科學儀器有限公司制造;FW177型高速萬能粉碎機,北京市永光明醫(yī)療儀器廠制造;101A-1型鼓風干燥箱,上海試驗儀器總廠制造;RV10基本型V旋轉蒸發(fā)儀,廣州儀科試驗室技術有限公司制造;WD700型微波爐,樂金電子電器有限公司制造;WF-2000型微波快速反應系統(tǒng),上海屹堯分析儀器有限公司制造;BSA8201型電子天平,賽多利斯科學儀器有限公司制造;PHS-3C型精密酸度計,上海大普儀器有限公司制造。
1.2方法
1.2.1材料預處理將新鮮豬苓菌核除雜,60℃烘干至恒質量,24 000 r/min粉碎1 min,40目過篩,備用。
1.2.2微波提取方法精確稱取豬苓粉末5.0 g,按照一定的液料比加入純化水,調節(jié)pH,在一定的微波功率下提取一定時間,抽濾,按照此法提取若干次,合并濾液真空濃縮,室溫下定容至200 mL。
1.2.3多糖的測定方法苯酚-硫酸法[20]。
1.2.4單因素試驗按照1.2.2提取步驟,研究提取次數(shù)、液料比、pH、微波功率、提取時間5個因素對豬苓多糖提取率的影響。
1)提取次數(shù)試驗:準確稱取豬苓粉末5.0 g,分別選擇不同提取次數(shù),其他條件不變,進行單因素試驗。
2)液料比試驗:準確稱取豬苓粉末5.0 g,分別選擇不同液料比,其他條件不變,進行單因素試驗。
3)pH試驗:準確稱取豬苓粉末5.0 g,分別選擇不同pH,其他條件不變,進行單因素試驗。
4)微波功率試驗:準確稱取豬苓粉末5.0 g,分別選擇不同微波功率,其他條件不變,進行單因素試驗。
5)提取時間試驗:準確稱取豬苓粉末5.0 g,分別選擇不同提取時間,其他條件不變,進行單因素試驗。
1.2.5微波提取最佳工藝的響應面法優(yōu)化在單因素試驗的基礎上,根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗設計原理,選取液料比(X1)、pH(X2)、微波功率(X3)、提取時間(X4)、提取次數(shù)(X5)為考察對象,以豬苓多糖提取率(Y)為響應值,采用5因素3水平響應面分析法確定最佳提取工藝條件。試驗因素水平編碼見表1。
表1 5因素3水平試驗設計Table 1 Experiment design of 5 factors and 3 levels
2.1微波輔助提取豬苓多糖的單因素試驗
2.1.1提取次數(shù)對多糖提取率的影響準確稱取豬苓粉末5.0 g,在液料比25∶1(mL/g)、pH 6.5、微波功率420 W、提取時間3 min的條件下,研究不同提取次數(shù)(1,2,3,4次)對多糖提取率的影響,結果見圖1。
圖1 提取次數(shù)對多糖提取率的影響Fig.1 Effect of extraction number on extraction rate of polysaccharide
圖1結果表明,隨著提取次數(shù)的增加,多糖提取率也逐漸增大。當提取2次時,提取率為5.06%。當提取次數(shù)大于2次時,多糖提取率增加緩慢,基本趨于穩(wěn)定。增加提取次數(shù),會增加提取成本,同時會造成溶劑和能源的浪費。綜合考慮提取效果和經(jīng)濟節(jié)約等因素,因此,選擇微波提取豬苓多糖的提取次數(shù)為2次。
2.1.2液料比對多糖提取率的影響準確稱取豬苓粉末5.0 g,在pH 6.5、微波功率420 W、提取時間3 min、提取次數(shù)2次的條件下,研究不同液料比15∶1,20∶1,25∶1,30∶1,35∶1(mL/g)對多糖提取率的影響,結果見圖2。
圖2 液料比對多糖提取率的影響Fig.2 Effect of the ratio of liquid to solid on extraction rate of polysaccharide
圖2結果表明,豬苓多糖提取率隨著液料比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在液料比為30∶1(mL/g)時達到最大,提取率為5.08%。因此,選擇微波提取豬苓多糖的液料比為30∶1(mL/g)。
2.1.3pH對多糖提取率的影響準確稱取豬苓粉末5.0 g,在液料比30∶1(mL/g)、微波功率420 W、提取時間3 min、提取次數(shù)2次的條件下,研究不同pH(5.5,6.0,6.5,7.0,7.5)對多糖提取率的影響,結果見圖3。
圖3 pH對多糖提取率的影響Fig.3 Effect of pH on extraction rate of polysaccharide
圖3結果表明,多糖提取率在pH為6.5時達到最大,提取率為5.81%,增大或減小pH均會導致多糖提取率降低。因此,選擇微波提取豬苓多糖的pH為6.5。
2.1.4微波功率對多糖提取率的影響準確稱取豬苓粉末5.0 g,在液料比30∶1(mL/g)、pH 6.5、提取時間3 min、提取次數(shù)2次的條件下,研究不同微波功率(140,280,420,560,700 W)對多糖提取率的影響,結果見圖4。
圖4 微波功率對多糖提取率的影響Fig.4 Effect of microwave power on extraction rate of polysaccharide
圖4結果表明,多糖提取率隨著微波功率的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,在微波功率為560 W時達到最大,提取率為6.39%。因此,選擇微波提取豬苓多糖的微波功率為560 W。
2.1.5提取時間對多糖提取率的影響準確稱取豬苓粉末5.0 g,在液料比30∶1(mL/g)、pH 6.5、微波功率560 W、提取次數(shù)2次的條件下,研究不同提取時間(1、2、3、4、5 min)對多糖提取率的影響,結果見圖5。
圖5 提取時間對多糖提取率的影響Fig.5 Effect of extraction time on extraction rate of polysaccharide
圖5結果表明,多糖提取率隨著提取時間的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,在提取時間為2 min時達到最大,提取率為6.48%。因此,選擇微波提取豬苓多糖的提取時間為2 min。
2.2Box-Behnken設計優(yōu)化主要影響因素水平
采用5因素3水平響應面分析法進行研究,考慮各因素間的交互作用以及各因素對多糖提取率的影響。試驗結果見表2。
表2 Box-Behnken設計和試驗結果Table 2 Box-Behnken design and experimental result
續(xù)表2
經(jīng)Design Expert軟件對46個試驗點的多糖提取率進行回歸統(tǒng)計分析,得出二次模型回歸統(tǒng)計分析表(表3)。
多糖提取率的回歸方程如下:
表3 回歸分析結果Table 3 Result of regression analysis
表3結果表明,X2、X2X4、X3X4、X3X54項顯著;X1、X3、X4、X5、X2X3、X12、X22、X32、X42、X5210項極顯著,其他X1X2、X1X3、X1X4、X1X5、X2X5、X4X5不顯著。模型P值小于0.000 1,可信度水平大于99.99%,說明該模型有意義?;貧w模型的R2=0.983 4,R2Adj=0.970 2,說明多糖提取率的試驗值和預測值之間具有良好的擬合度。該模型失擬項P值為0.610 3>0.05,失擬項差異不顯著,說明試驗操作可信,試驗理論可使用。另外從F值可看出單因素對多糖提取率的影響順序:X4>X5>X3>X1>X2,即影響順序依次為:提取時間>提取次數(shù)>微波功率>液料比>pH。
2.3響應面及最佳優(yōu)化條件的驗證
根據(jù)回歸方程繪制多糖提取率隨各因素變化的響應曲面圖。由響應曲面圖可知,液料比、pH、微波功率、提取時間、提取次數(shù)5個因素對多糖提取率的影響(圖6—15)。每個響應曲面分別代表著兩個獨立因素間的相互作用,其余兩個因素保持在編碼水平的0水平。
由圖6—9可知,液料比與其它各因素之間的交互作用對多糖提取率的影響均不顯著。
圖6 Y=f(X1,X2)響應曲面Fig.6 Response surface of Y=f(X1,X2)
圖7 Y=f(X1,X3)響應曲面Fig.7 Response surface of Y=f(X1,X3)
圖8 Y=f(X1,X4)響應曲面Fig.8 Response surface of Y=f(X1,X4)
圖9 Y=f(X1,X5)響應曲面Fig.9 Response surface of Y=f(X1,X5)
由圖10可知,微波功率和pH的交互作用十分顯著;在低微波功率條件下隨著pH的增大,多糖提取率會逐漸升高,最后趨于平穩(wěn);而在高微波功率條件下,隨著pH的增大,多糖提取率會先緩慢升高然后迅速下降。
圖10 Y=f(X2,X3)響應曲面Fig.10 Response surface of Y=f(X2,X3)
由圖11可知,pH和提取時間的交互作用顯著;在一定pH條件下,隨著提取時間的增加,多糖提取率會迅速升高至平穩(wěn),然后略有下降。
圖11 Y=f(X2,X4)響應曲面Fig.11 Response surface of Y=f(X2,X4)
由圖12可知,提取次數(shù)和pH的交互作用不顯著。
圖12 Y=f(X2,X5)響應曲面Fig.12 Response surface of Y=f(X2,X5)
由圖13可知,微波功率和提取時間的交互作用顯著;在低微波功率條件下,多糖提取率會隨著提取時間的延長,先升高至平穩(wěn),后略有下降;在高微波功率條件下,隨著提取時間的延長,起初升高較快,后來比較緩慢,逐漸趨于平穩(wěn)。
圖13 Y=f(X3,X4)響應曲面Fig.13 Response surface of Y=f(X3,X4)
由圖14可知,微波功率和提取次數(shù)的交互作用顯著;在一定的微波功率條件下,隨著提取次數(shù)增加和微波功率的增大,多糖提取率都是起始升高較快,最后趨于平穩(wěn)。
圖14 Y=f(X3,X5)響應曲面Fig.14 Response surface of Y=f(X3,X5)
由圖15可知,提取時間和提取次數(shù)的交互作用不顯著;按照一定的提取次數(shù),隨著提取時間的增加,多糖提取率起始升高較快,最后趨于平穩(wěn)。
圖15 Y=f(X4,X5)響應曲面Fig.15 Response surface of Y=f(X4,X5)
綜上所述,由回歸模型得到影響豬苓多糖提取率的各因素最優(yōu)值為液料比30∶1(mL/g),pH 6.6,微波功率614 W,提取時間2.5 min,提取次數(shù)2次,此時豬苓多糖提取率的最大預測值為6.68%。為了檢驗該最佳提取工藝的可靠性,采用上述最優(yōu)提取條件進行驗證試驗,得到多糖提取率的驗證值為6.75%。由于多糖提取率的驗證值與最大估計預測值非常接近,因此,利用Box-Behnken響應面法優(yōu)化微波輔助提取豬苓多糖的工藝是有效可行的。
通過單因素和Box-Behnken響應面試驗得到微波輔助提取豬苓多糖的最佳工藝條件為:液料比30∶1(mL/g),pH 6.6,微波功率614 W,提取時間2.5 min,提取次數(shù)2次。在此工藝條件下,獲得豬苓多糖的提取率為6.75%。
近年來,利用微波輔助提取豬苓多糖的研究報道甚少。2012年,李志洲[21]用二次回歸正交試驗優(yōu)化微波輔助提取豬苓多糖工藝,提取率僅2.86%;2012年,孫纓[22]等用正交試驗優(yōu)化微波輔助提取豬苓多糖工藝,提取率為3.663%。
與李、孫的研究相比,本研究中采用Box-Behnken響應面法優(yōu)化微波輔助提取豬苓多糖的工藝,其提取率顯著高于現(xiàn)有文獻報道。一方面由于多糖檢測方法(苯酚-硫酸法)的穩(wěn)定性和準確性較好[23];另一方面是基于響應面法可在更廣泛的范圍內(nèi)考慮因素的組合,預測響應值,比其他分析方法更為高效[14]。利用Box-Behnken響應面法優(yōu)化得到的豬苓多糖提取工藝參數(shù)準確可靠,可為豬苓多糖的工業(yè)化生產(chǎn)提供必要的技術支持。
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Microwave-Assisted Extraction of Polysaccharides from Polyporus umbellatus Optimized by Box-Behnken Design-Response Surface Methodology
QIAO Yanming1,CHEN Wenqiang1,2,DENG Baiwan1,2,PENG Hao1,2,XIE Xiuchao1,2,ZHANG Hui3,PAN Jiawei3
(1.School of Biological Science and Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,China;2. Shaanxi Engineering Research Center of Edible and Medicated Fungi,Hanzhong 723000,China;3.Nanzheng Middle School of Shaanxi,Nanzheng 723100,China)
To optimize the microwave-assisted extraction technique of polysaccharide from Polyporus umbellatus,the effects of the liquid to solid ratio,pH,microwave power,extraction time,extraction number and their interaction on extaction were studied by Box-Behnken design.The predictive model and reliability were developed by Design Expert software and response surface analysis(RSM).The optimal extraction conditions were achieved and listed as follows:liquid-to-solid ratio 30∶1 mL/g,pH 6.6,microwave power 614 W,extraction time 2.5 mins,extraction number 3 times.Under these conditions,the extraction yield of polysaccharide was up to 6.75%.The extraction conditions achieved by RSM provided technical support for the industrialproduction of polysaccharide from Polyporus umbellatus.
Polyporusumbellatus,microwave-assisted extraction,polysaccharides,Box-Behnken design,response surface analysis
Q 949.329.7
A
1673—1689(2015)09—0986—09
2014-10-07
陜西省“春筍計劃”研究項目(2014-2015)。
陳文強(1956—),男,陜西洋縣人,教授,碩士研究生導師,主要從事微生物資源的保護與利用研究。E-mail:wenqiangc@126.com