摘要：为优化宽叶独行菜(Lepidium latifolium L.)多糖的提取工艺，在单因素试验的基础上，选取粒度、液料比、微波功率和微波时间作为优化因素，根据Box-Behnken试验设计原理，进行4因素3水平试验。利用响应面分析方法，建立了宽叶独行菜多糖提取得率的多元二次回归方程，并得到最佳提取工艺条件。试验结果表明，粒度、液料比和微波时间对宽叶独行菜多糖提取得率的影响均为极显著，微波功率表现为显著。当工艺条件为粒度120目、液料比35∶1 mL/g、微波功率400 W、微波时间150 s时，宽叶独行菜多糖的理论最高提取得率为0.434%，验证值为0.429%。
关键词：农业工程论文,宽叶独行菜(Lepidium latifolium L.),微波辅助,多糖,响应面法
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.05.038
Abstract： The technology of extracting polysaccharide from Lepidium latifolium L. was optimized using the extraction yield as the evaluation index. On the basis of single-factor experiments， four factors including particle size， liquid-to-solid ratio， microwaving power and microwaving time were selected as the independent variables. With response surface analysis， a quadratic regression model was established by the Box-Behnken design experiments. The results showed that microwaving power was significant to polysaccharides yield. The other factors were extremely significant. The optimal extraction conditions were particle size of 120 mesh， liquid-to-solid ratio of 35∶1 mL/g， 400 W and 150 s. Under these conditions， the expected and observed values of polysaccharide yield from Lepidium latifolium L. were 0.434% and 0.429%， respectively.
Key words：Lepidium latifolium L.; microwave-assisted; polysaccharide; response surface methodology
宽叶独行菜(Lepidium latifolium L.)为十字花科独行菜属多年生草本植物，又名羊辣辣或大辣辣，植株高30～150 cm，广泛分布于我国北方的滨海及内陆的盐碱土上。宽叶独行菜抗逆性强，生长旺盛，常在滨海和内陆的盐碱土上形成大面积的单纯群落。其干燥全草可入药，主治肠胃炎、菌痢等疾病，是传统中草药葶苈子的药源之一[1，2]。宽叶独行菜的蛋白质含量较高，可作为青饲料饲喂猪、羊等家畜[2]。也有部分地区将其作为野菜食用[3]。其种子中含有丰富的棕榈酸，含量占总油分的50%以上[4]。宽叶独行菜与油菜同属十字花科，通过远缘杂交，可以将其高棕榈酸特性转入油菜。同时，该种所具有的抗盐碱特性也为油菜的抗逆育种提供了宝贵的遗传资源，所以宽叶独行菜是一种极具开发前景的资源植物。
植物多糖具有多种生物活性，如提高免疫力、抗肿瘤、调节血糖等，从而在肿瘤和糖尿病的治疗中有很好的应用价值[5-7]。作为一种优良的食品添加剂，多糖可以有效改善食品的外观以及加工和食用品质，同时还有良好的保健功效，在食品中被广泛应用[8-10]。本研究在单因素试验基础上，采用响应面分析法对宽叶独行菜多糖的微波辅助提取工艺进行优化，以期为宽叶独行菜的进一步加工利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
宽叶独行菜，采自唐山地区。
葡萄糖、苯酚、硫酸、95%乙醇、氯仿和正丁醇均为分析纯试剂，购于天津大茂化学试剂厂。
1.2 仪器与设备
WG700SL23-K6微波炉，佛山市格兰仕电器有限公司;FCC-2000恒温水浴锅，上海比朗仪器有限公司;DNP-902电热鼓风干燥箱，上海精宏仪器设备有限公司;722S可见分光光度计，上海佑科仪器仪表有限公司;FA1204B电子天平，上海精科天美科学仪器有限公司;不锈钢分选筛，浙江上虞市华丰五金仪器有限公司;TDL-80-2B台式离心机，上海安亭科学仪器厂;RE-52AA旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂。
1.3 试验方法
1.3.1 宽叶独行菜多糖的提取工艺 宽叶独行菜洗净→60 ℃烘干→粉碎、过筛→微波处理→Sevag法去蛋白→醇沉→定容→测定。
1.3.2 多糖提取得率的测定 采用葡萄糖为标准品，以硫酸-苯酚法测定多糖含量。
式中：吸光度测定浓度为多糖质量浓度(mg/mL);样品稀释倍数为1;样品溶液体积为100 mL;试验样品质量为1.0 g。 1.3.3 试验设计 试验选取4个对多糖提取得率起主要作用的因素，即粒度、液料比、微波功率和微波时间，首先进行了单因素试验。在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken试验设计方案，并利用响应面分析方法对微波辅助提取宽叶独行菜多糖的工艺条件进行了优化。
2 结果与分析
2.1 单因素试验
2.1.1 粒度对多糖提取得率的影响 微波功率400 W，粒度40、 60、 80、 100、 120目，液料比30∶1 (mL/g)，后同，微波时间60 s，考察材料粒度对多糖提取得率的影响，结果如图1所示。
由图1可知，粒度为100目时，具有最高的多糖提取得率。目数过小时，材料颗粒较大，细胞不易破碎，从而多糖不易溶出。而目数过大，材料具有较强的表面吸附作用，限制了多糖的进一步溶出，在过滤时也会吸附部分多糖。因此，最佳的提取粒度为100目。
2.1.2 液料比对多糖提取得率的影响 微波功率400 W，粒度100目，液料比20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1，微波时间60 s，考察液料比对多糖提取得率的影响，结果如图2所示。
由图2可知，液料比为30∶1 mL/g时，具有最佳的多糖提取效果;液料比过大或过小均影响多糖的提取。故液料比选择30∶1为宜。
2.1.3 微波功率对多糖提取得率的影响 微波功率200、400、600、800、1 000 W，粒度100目，液料比30∶1，微波时间60 s，考察微波功率对宽叶独行菜多糖提取得率的影响，结果如图3所示。
由图3可知，微波功率为600 W时，多糖提取得率最高;当微波功率超过600 W时，随着功率的递增，多糖提取得率呈现递减的趋势。原因可能是功率过高时所产生的高温破坏了多糖的结构，从而降低了多糖的提取得率。故微波功率以600 W为宜。
2.1.4 微波时间对多糖提取得率的影响 微波功率600 W，粒度100目，液料比30∶1，微波时间30、60、90、120、150 s，考察微波时间对多糖提取得率的影响，结果如图4所示。
由图4可知，微波时间为120 s时，具有最佳的多糖提取效果，此时多糖提取得率为0.285%。提取时间少于120 s时，则提取不够彻底;提取时间过长，则多糖的结构被破坏。所以选择提取时间为120 s。
2.2 宽叶独行菜多糖提取工艺的响应面优化
由表3可知，该回归模型P<0.000 1，表现为极显著。r=0.988 1，调整后r=0.976 3;失拟项(即回归拟合失效情况)P=0.662 7，为不显著，均说明该回归模型拟合情况较好，可以用该回归模型来分析并预测宽叶独行菜多糖的最佳提取工艺条件。影响宽叶独行菜多糖提取得率的一次项因素中，除微波功率表现为显著外，其他3项均表现为极显著。按影响大小排序依次为，粒度(A)>微波时间(D)>液料比(B)>微波功率(C)。各个二次项中，除B2表现为显著外，其余3项均表现为极显著，特别是A2最为显著。回归模型中的交互项，即AB项、AC项、AD项、BC项、BD项和CD项，只有BD项表现为显著，其他几项均表现为极显著，说明各个一次项之间存在明显的相互作用。
2.2.2 响应面分析 根据拟合回归方程，作出了交互项的响应面图，以考察其对提取得率的影响。
由图5可以看出，在液料比为35∶1时，随着目数的增加，多糖提取得率逐步提高;随着液料比变小，多糖提取得率会小幅度地降低。液料比和粒度这两个因素交互影响，使响应面呈斜坡状，多糖提取得率的最大值出现在斜坡的最高处。
由图6可以看出，粒度和微波功率二者的交互作用使响应面呈马鞍形。微波功率对多糖提取得率的影响整体呈现为“U”字形，即两头高、中间低的形态。随着粒度的增加，多糖的提取得率基本上均表现为增加。多糖提取得率的最大值出现在最低功率和最大目数的交点处。
粒度与微波时间交互作用所呈现的响应面(图7)与图5相似，也是斜坡状。在微波时间较长时，目数的增加会明显提高多糖的提取得率;而随着微波时间变短，这种趋势会变得不明显，并逐步呈现为倒“U”字形的趋势;微波时间的增加，整体上会提高多糖的提取得率。多糖提取得率的最高值出现在斜坡面的最高处。
图8所示为液料比和微波功率交互作用所呈现的响应面图，整体呈现为倾斜的马鞍形。随着液料比的增加，多糖提取得率表现为增加;而微波功率对多糖提取得率的影响呈现为“U”字形。可以发现多糖提取得率的最大值出现在马鞍形的一个端点上。
图9所示为液料比和微波时间交互影响的响应面图，整体呈现为斜坡状。在各种液料比条件下，微波时间的增加均会提高多糖的提取得率。在微波时间较短时，液料比的增加会显著提高多糖的提取得率;而在微波时间较长时，这种趋势变得不明显。多糖提取得率的最大值出现在斜坡的顶点。
微波时间和微波功率间的交互影响情况如图10所示，呈现为倾斜的马鞍形。在微波时间较短时，微波功率的增大会显著提高多糖的提取得率;而在微波时间较长时，则表现为相反的趋势。在低微波功率和长微波时间的情况下，会得到最大的多糖提取得率。
通过软件的优化分析，可以得到宽叶独行菜多糖提取的最佳工艺条件为粒度119.99目、液料比35.00∶1、微波功率400.08 W和微波时间150.00 s。在此条件下，宽叶独行菜多糖的最高提取得率为0.434 213%。考虑实际可操作性，将上述最佳条件更改为粒度120目、液料比35∶1 mL/g、微波功率400 W、提取时间150 s，并进行试验验证。经3次随机重复试验，宽叶独行菜多糖提取得率的均值为0.429%，与预测值相符。
3 结论
本研究采用微波辅助法提取宽叶独行菜多糖，通过单因素试验考察了粒度、液料比、微波功率和微波时间对多糖提取得率的影响。并通过响应面分析法得到了最佳提取条件：粒度120目、液料比35∶1、微波功率400 W、微波时间150 s。在此条件下，多糖的提取得率为0.429%。经响应面分析优化后的多糖提取得率比单因素试验的最高值0.285%提高了50.53%，优化效果极明显。造成单因素试验结果与响应面分析试验结果差异大的原因，应该是影响宽叶独行菜多糖提取得率的这几个单因素之间存在明显的交互作用，单因素试验选点较少，从而造成试验的最优值漏选。
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