响应面法优化菊芋菊糖的提取工艺

李峰 LI Feng；陈帅 CHEN Shuai；晏敏 YAN Min；闫彬 YAN Bin；许程剑 XU Cheng-jian

（石河子大学食品学院，石河子 832000）

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%。

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关键词 ：菊芋；菊糖；热水浸提；响应面法

中图分类号：TS201 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）26-0167-04

作者简介：李峰（1990-），女，河南淮阳人，硕士研究生，研究方向为食品加工与安全；许程剑（通讯作者）（1978-），男，安徽庐江人，副教授，工学博士，从事天然产物制备与功能活性研究。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：

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。

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参考文献：

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