响应面法优化青稞β-葡聚糖提取条件的研究

马 栋，邹 妍，龚倩云，王 菀，赵国华，2，*

（1.西南大学食品科学学院，重庆400716；2.重庆市农产品加工技术重点实验室，重庆400716）

响应面法优化青稞β-葡聚糖提取条件的研究

马 栋1，邹 妍1，龚倩云1，王 菀1，赵国华1，2，*

（1.西南大学食品科学学院，重庆400716；2.重庆市农产品加工技术重点实验室，重庆400716）

在青稞β－葡聚糖的提取体系中，利用响应面法对在单因素实验基础上选取的乙醇回流时间、水提时间、水提温度、醇析体积比四个主要因素，以青稞β－葡聚糖得率为响应值，利用Box－Behnken中心组合实验和设计相应面分析法对其工艺进行了优化。青稞β－葡聚糖最优提取条件为乙醇回流时间3h，水提时间2.5h，水提温度85℃，醇析体积5倍于提取液。此工艺条件下提取青稞β－葡聚糖得率为7.75%，回归模型的预测值7.81%。

青稞，β－葡聚糖，提取，响应面法

β－葡聚糖是广泛存在于细菌、酵母、真菌和高等植物（燕麦、黑麦和大麦等）中的大分子多糖，主要以细胞结构成分（如细胞壁）的形式存在[1]。β－葡聚糖含量因品种和栽培地不同而差异很大，一般说来，裸大麦的β－葡聚糖含量高于皮大麦，根据实际化验结果并与国内外有关研究比较，迄今为止，国内外按标准方法测定的不同类型大麦品种中，西藏青稞β－葡聚糖的平均含量是最高的，约为3.66%～8.62%，在西藏青稞中，其含量超过6%以上的品种多达16个[2]。β－葡聚糖的提取是其应用的关键环节，本实验通过响应面优化，研究了乙醇回流时间、水提时间、水提温度、醇析体积比等对青稞β－葡聚糖提取的影响，以期为工业化生产青稞β－葡聚糖提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

青稞 产自西藏，由西藏龙湖工贸公司提供；淀粉酶 北京奥博星生物技术有限责任公司；胰蛋白酶、纤维素酶 北京拜耳迪公司；β－葡聚糖、β－葡萄糖苷酶 sigma公司；乙醇、苯酚、硫酸等 分析纯。

HR1707粉碎机 飞利浦公司；RE－5298旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂；DHG－9740电热恒温鼓风干燥箱、HWS－26电热恒温水浴锅 上海齐欣科学仪器有限公司；TDL－5离心机 上海安亭科学仪器厂；SARTORIUS－BS21S电子天平 德国赛多利斯集团；722－P可见光分光光度计 上海现科仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 预处理 将青稞样品除杂后用HR1707型号家用粉碎机粉碎，过60目筛。

1.2.2 提取工艺[5－6]样品→乙醇回流（95%，95℃）除脂肪→干燥（75℃，1h）→水提（30g/100mL）→离心取上清液（3000r/min，4min）→真空浓缩至1/3体积→淀粉酶水解（1%， 40℃，3h）→胰蛋白酶水解（0.5%，70℃，2h）→冷乙醇沉淀→离心取沉淀（3000r/min，5min）→干燥（75℃，30min）→成品。

1.2.3 β－葡聚糖的含量和得率的测定 采用酶法测定β－葡聚糖含量[7]。以β－葡聚糖标准品做标准曲线，依次分别用纤维素酶，β－葡聚糖苷酶水解待测样，经苯酚硫酸处理显色，通过可见光分光光度计在490nm处测吸光值，绘制标准曲线，得回归方程为：Y= 61.043x－204.78，R2=0.9749。β－葡聚糖得率（R%）按照下式计算：β－葡聚糖得率（%）=（β－葡聚糖质量/青稞粉质量）×100%。

1.2.4 实验设计 先通过单因素实验确定乙醇回流时间、水提时间、水提温度、醇析体积比4个因素的影响，在此基础上，采用Box－Behnken响应面设计原理[8]，以β－葡聚糖得率为指标，采用Design Expert 7.1分析软件设计4因素3水平响应面组合设计，实验因素水平设计见表1。

表1 因素水平及其编码表Table 1 Codes of the factors and levels

2 结果与分析

2.1 单因素结果

影响β－葡聚糖得率的因素有很多，影响较大的因素是乙醇回流时间、水提时间、水提温度、醇析体积比。由图1a、图1b可以看出β－葡聚糖得率在乙醇回流时间和水提时间皆为2.5h时达到最大，并随着时间延长而下降。由图1c可以看出随着水提温度的升高，β－葡聚糖得率呈上升趋势，在温度为80℃时得率最大，继续升温，得率呈下降趋势。由图1d可以看出乙醇提取体积比对β－葡聚糖得率有很大影响，乙醇与水体积比为1∶5时，β－葡聚糖得率最大。

图1 不同因素对β－葡聚糖提取率的影响Fig.1 Effect of different factors on extraction rate of β－glucan

2.2 响应曲面实验结果

表2 Box－Behnken设计实验及结果Table 2 Central composite experimental design and results

2.3 青稞β-葡聚糖得率回归模型的建立及显著性检验

表3 响应面模型的方差分析Table 3 Analysis of variance and significance of the response surface quadratic regression model

研究了各因素对青稞β－葡聚糖得率的影响，利用Design Expert 7.1对表2的结果进行分析，得到4个因素与β－葡聚糖得率的回归方程如下：

Y=0.74+0.039A－0.031B+0.011C+0.024D+0.090AB－0.020AC－0.035AD+0.015BC+0.022BD－0.017CD+0.028A2－4.725×10－3B2+0.019C2－0.026D2

对响应面模型进行方差分析，结果见表3。从表3可以看出，回归模型达到显著水平（P＜0.01），失拟值和纯误差值小，说明方程与实际情况拟合得较好，实验误差小，因此可以用该方程代替实验真实点对实验结果进行分析。方差分析还表明，一次项和二次项都有较显著影响，各个实验因素对响应值的影响不是简单的线性关系。结果表明，影响青稞β－葡聚糖得率的各因素按大小排序依次为：乙醇回流时间（A）＞水提时间（B）＞醇析体积比（D）＞水提温度（C）。

图2为拟合模型的β－葡聚糖得率的残差分布情况，从中可以看出，其残差各点的分布几乎在一条直线上，模型拟合效果较好。

图2 β－葡聚糖得率残差分布Fig.2 The residual error distribution of extraction rate of β－glucan

2.4 因素间交互作用对青稞β-葡聚糖得率的响应面分析

图3 乙醇回流时间和醇析体积比的响应面分析图Fig.3 The response surface of ethanol reflux time and ratio of ethanol volume

图4 水提时间和醇析体积比的响应面分析图Fig.4 The response surface of water extraction time and ratio of ethanol volume

通过Design Expert 7.1软件分析，得出图3～图5所示的响应面图，可直观地看到各因素间的交互情况。比较三组图可知：乙醇回流时间（A），水提时间（B）和醇析体积比（D）对β－葡聚糖得率影响较为显著，表现为曲线较陡；而水提时间（C）较不显著，表现为曲线较为平滑，响应值变化较小，与方差分析结果相同。

图5 水提温度和醇析体积比的响应面分析图Fig.5 The response surface of water extraction temperature and ratio of ethanol volume

2.5 青稞β-葡聚糖最佳提取条件的确定和实验验证

为确定各因素的最佳取值，用Design Expert 7.1软件进行分析，可得到青稞β－葡聚糖的最佳提取工艺参数为：乙醇回流时间3h，水提时间2.5h，水提温度85℃，醇析体积5倍于提取液。用此最优提取条件进行验证，得到青稞β－葡聚糖得率为7.75%，与理论值7.81%较为接近，表明采用响应面法优化得到的提取条件可靠。

3 结论

本研究在单因素实验的基础上，将响应面法应用到青稞β－葡聚糖的提取工艺，研究了乙醇回流时间、水提时间、水提温度、醇析体积比对青稞β－葡聚糖得率的影响。结果发现，青稞β－葡聚糖提取条件的回归方程为：

Y=0.74+0.039A－0.031B+0.011C+0.024D+0.090AB－0.020AC－0.035AD+0.015BC+0.022BD－0.017CD+0.028A2－4.725×10－3B2+0.019C2－0.026D2

方差分析结果表明拟合检验显著，该方程能较好地预测青稞β－葡聚糖提取得率随各参数变化的规律。经实验优化后提取青稞β－葡聚糖的最佳工艺条件为：乙醇回流时间3h，水提时间2.5h，水提温度85℃，醇析体积5倍于提取液。在此条件下青稞β－葡聚糖得率为7.75%。该模型对优化青稞β－葡聚糖提取工艺可行。

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Optimization of extraction technology of β-glucan from barely by response surface methodology

MA Dong1，ZOU Yan1，GONG Qian-yun1，WANG Yu1，ZHAO Guo-hua1，2，*
（1.Food Science College of Southwest University，Chongqing 400716，China；2.Chongqing Key Laboratory of Processing Technology of Agricultural Products，Chongqing 400716，China）

On the basis of single-factor tests，ethanol reflux time，water extraction time，water extraction temperature，ratio of ethanol volume effect extraction rate of β-glucan from barely were optimized using Box-Behnken center composite design and response surface methodology（RSM）.The results showed that the optimum ethanol reflux time，water extraction time，water extraction temperature，ratio of ethanol volume were 3 hours，2.5 hours，85℃ and 5 in respectively.Under these conditions，the extraction rate was 7.75%while the predicted one was 7.81%.

barely；β-glucan；extraction；response surface methodology

TS210.1

B

1002－0306（2012）01－0204－04

2010－05－12 *通讯联系人

马栋（1987－），男，研究生，研究方向：食品化学与营养学。

国家863项目（2011AA100805－3）；国家自然科学基金项目（31171654）。