响应面法优化菊芋菊糖的提取工艺

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　　摘要：为了提高菊芋菊糖的提取率，本文采用热浸提法对菊芋进行处理，并通过响应面法优化提取条件。在单因素实验的基础上，依据Central Composite 中心组合设计原理，采用Design-Expert.8.05数据分析软件，对菊糖提取进行了三因素三水平的优化分析。确立最佳提取条件：浸提时间50min，浸提温度84℃，液料比35，在此条件下蛋白质的提取理论值达到89.26%。

　　Abstract： The method of heat leaching was used to extract inulin from jerusalem artichoke to improve the utilization rate，in which respones surface analysis was used to optimize extraction conditions. Based on the single factor experiments，the Central Composite design principles and Design-Expert.8.05 data ananlysis software were used to select three parameters of response surface design to optimize extraction process. The result showed the optimize extraction conditions： extraction time 50 min，extraction temperature 84 ℃，liquid to solid ratio 35，the extraction value was 89.26%.
　　关键词：菊芋；菊糖；热水浸提；响应面法
　　Key words： jerusalem artichoke；inulin；heat leaching；response surface methodology
　　中图分类号：TS201 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）26-0167-04
　　0 引言
　　菊芋（Jerusalem artichoke），又名洋姜，属于向日葵属的多年生草本植物，耐贫瘠和干旱，对气候和土壤条件要求不高，适应性很强，广泛种植于我国很多省区，一次种植收获，亩产可达3000-5000kg，是一种急待开发的半野生资源[1]。新鲜的菊芋含有大量的菊糖，特别是块茎中，占干物质的70%以上，是自然界中已知的含菊糖含量最高的植物之一，也是生产菊糖、低聚果糖及高果糖浆的原料。菊糖（Inulin），又名菊粉，土木香粉，是由D-呋喃果糖经1，2-糖苷键聚合而成的一种果聚糖，呈直链结构，其还原性末端连有一分子葡萄糖，每个菊糖分子约含30～50个果糖残基[2]。菊糖是一种功能性食品原料，具有良好的保健作用，被食品界称为“第七营养素”。因此，研究菊芋多糖的最佳提取工艺参数，为工业化生产提供理论依据，使得菊芋资源得到充分利用具有很大的现实意义。
　　本研究以提取时间、提取温度、料液比3个因素，通过Box-Behnken试验设计，利用响应面建立二次多项式模型，来预测不同提取条件下的菊糖提取率。通过响应面分析，研究不同变量的交互关系，优化多糖提取工艺参数。
　　1 材料与方法
　　1.1 主要材料和仪器
　　实验材料：菊芋，新疆石河子市；浓硫酸、苯酚、3，5-二硝基水杨酸（DNS）等，均为国产分析纯。
　　实验仪器：ENK-PRO型酶标仪，美国Bioteck公司；Ultrospec-5300型紫外分光光度仪，美国Amersham公司；BS224S型分析天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司；其他为实验室常规仪器。
　　1.2 实验方法
　　1.2.1 总糖标准曲线的绘制
　　量取果糖对照品溶液（浓度1mg/mL）0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4mL。分别置于10mL具塞试管中，加蒸馏水补充至2.0mL，加入浓硫酸5.0mL，加5%苯酚液1.0mL，密塞摇匀，室温放置10min，40℃水浴15min，迅速冷却至室温，在490nm处测定吸光度值[3]。浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标，绘制标准曲线。
　　1.2.2 还原糖标曲曲线的绘制
　　量取果糖对照品溶液0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2mL，加蒸馏水至2.0mL，各加DNS试液2.0mL，沸水浴7min，迅速冷却至室温，在540nm处测吸光度值[3]。浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标，绘制标准曲线。
　　1.2.3 菊糖含量的测定
　　以菊芋提取液为样品，依据1.2.1和1.2.2的方法和标准曲线，分别测定和计算出提取液的总糖和还原糖的含量。之后根据下列公式计算出菊芋样品中的菊糖含量。
　　菊糖含量%=[（C总-C还）×L×稀释倍数/W样]×100
　　式中：C总为总糖浓度；C还为还原糖浓度；L为溶液体积；W样菊芋样品取样量。
　　1.2.4 菊芋中菊糖的提取工艺流程
　　菊芋→预处理→切碎→打浆→热水浸提→除杂→脱色→纯化→喷雾干燥→菊粉
　　由于菊芋极易褐变和霉变，实验前应及时预处理，将鲜菊芋快速冻干保存。
　　1.2.5 单因素实验
　　选择影响菊糖提取率的因素：浸提时间（20、30、40、50、60）、浸提温度（60、70、80、90、100）、液料比（1：15、1：20、1：25、1：30、1：35）进行单因素实验，分别考察各个单因素对菊糖提取的影响。 　　1.2.6 响应面优化实验
　　在单因素的基础上，选取对菊糖提取效果影响较大的三个因素，采用响应面分析软件Design-Expert.8.05建立三因素三水平的Central Composite模型，通过实验确立最佳提取工艺参数。变量因素编码表及水平见表1。
　　1.2.7 数据分析
　　实验一式三份进行，数据值为平均值±标准偏差（SD）。数据分析采用Origin 8.0以及Design-Expert.8.05软件。
　　2 结果与讨论
　　2.1 菊芋中菊糖含量测定
　　由图1得总糖含量的标准曲线为y=8.3375x-0.0068 （R2=0.9996），由图2得还原糖的标准曲线为y=6.8821x-0.0164 （R2=0.9986）。如表2，经过测定计算出新鲜菊芋样品中菊糖的含量为18.74%。
　　2.2 单因素实验结果
　　2.2.1 提取时间对提取率的影响
　　在热浸提温度80℃，液料比20的条件下，不同提取时间条件下，菊糖提取率随着时间的延长而上升，在50min时提取率达到最大，60min时略微减少，可能是长时间高温使菊糖分解导致[4]，因此热浸提时间选择50min左右为宜。
　　2.2.2 提取温度对提取率的影响
　　在浸提时间50min，液料比20的条件下，不同提取温度的条件下，菊糖提取率随着温度升高而上升，80℃之后增加趋势变缓，考虑到节约能耗，提高效率，因此浸提温度选择80℃左右为宜。
　　2.2.3 液料比对提取率的影响
　　在浸提温度80℃、时间50min的条件下，不同液料比条件下，菊糖提取率随着液料比的增大呈上升趋势，液料比越大，菊芋细胞两侧的浓度差越大[5]，对菊糖溶出越有利，液料比25到30增幅最大，因此，选择30左右为宜。
　　2.3 响应面优化分析
　　根据响应面分析法试验结果，对试验数据进行多元回归拟合分析，得到菊糖提取率与各因素变量的二次方程模型：
　　菊糖提取率=-51.705+2.41375×A+2.19113B-0.010625×AB+0.01045×AC-0.019×A2-0.010625×B2
　　回归方程的相关系数R2=0.9946，说明该方程与实际情况拟合良好。模型的P<0.0001，失拟项的P=0.6869>0.05，不显著，表明建立的该模型可以用来分析和预测菊糖提取的工艺参数。同时由表4中的回归模型显著性分析可知，A、B、AB、AC、A2、B2对菊糖提取率的影响显著，C、BC、C2对菊糖提取率的影响不显著。
　　响应面曲线和等高线图可以直接反映交互关系，等高线的越接近椭圆表示交互作用越显著，而圆形则相反[6-8]。由图3可得，等高线图呈椭圆形，说明时间与温度之间的交互作用显著，由时间与温度的3D图可看出，菊糖提取率随温度变化的坡度较陡，彼此之间的交互作用较显著，与回归模型的方差分析结果相符。由图4可得，时间与液料比的等高线图呈椭圆形，说明两者之间的交互作用较显著，并且由3D图可知，菊糖提取率随时间变化的坡度较陡，时间对其影响较大，两者之间的交互作用较显著，与回归模型的方差分析结果相符。由图5可得，等高线图相比较圆，说明温度和液料比之间的交互作用不显著，3D图可看出，彼此之间的交互作用较不显著。
　　2.4 响应面结果分析及验证实验
　　由模型方程计算可得，菊糖提取率的最优实验方案为时间49.65min、温度84.05℃、液料比35，在此条件下的蛋白提取率的理论值达到89.26%。根据试验的实际情况将实验条件调整为时间50min、温度84℃、液料比35，重复试验3次，最终得到的菊糖提取率的平均值为89.65%，与理论值基本一致。结果表明，该模型可以较好地反映出菊糖提取的条件，从而也证明了响应曲面法优化提取菊糖条件参数的可行性。
　　3 结论
　　在本文中，通过响应面法全面且直观地分析了各因素对菊糖提取率的影响，以及各因素之间对提取过程的交互影响，建立了二次多项式数学模型，经验证该模型合理可靠，表明影响浸提效果的主要因素是温度与料液比。菊芋菊糖最佳提取条件为：浸提时间50min，浸提温度84℃，液料比35，经过验证试验，菊糖提取率为89.65%，工艺参数可供生产应用参考。
　　参考文献：
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