黄秋葵多糖的提取工艺研究

时间：2024-05-31

陈子菁，张振宇，姚宏亮，杨勇胜，李静，冯美琴，颜玉华*

（1.金陵科技学院动物科学与技术学院南京 210038；2.金陵科技学院理学院南京 211169）

黄秋葵（Okra,Hibiscus esculentus L.）又叫羊角豆、补肾草、洋辣椒，属于食药双用的新型蔬菜[1]。其嫩果肉质润滑、营养爽口，具有特殊香气和风味，既可生食，也可煮食、炒食、油炸等。黄秋葵营养价值高，它不但含有丰富的多糖（属于碳水化合物）、膳食纤维，而且各类维生素与矿物元素含量也高于同类蔬菜[2]，对人具有较好的药用保健功能[3]，同时也是良好的动物饲料来源，可提高动物营养[4]。

近年来的一系列研究表明，黄秋葵的多种生物活性与其水提液中的多糖密切相关。黄秋葵分枝嫩果、幼叶、花朵中都富含多糖，其具有补肾、减肥、补钙、增强抵抗力[5]、防癌、防贫血、美容[6]等功效。在动物保健领域，黄秋葵的功能特性也正逐渐被挖掘，刘国道等[7]发现，将黄秋葵粉定量加入肉鸡的复合饲料后，可显著提高肉鸡脂肪和皮肤的着色效果；张海文等[8]研究显示，在日粮中添加黄秋葵粗多糖粉，可有效改善儋州鸡的生长与屠宰性能，提高消化酶活性及鸡肉品质，以及提升儋州鸡的免疫器官指数和增强抗氧化能力[9]。黄秋葵多糖还能显著降低小鼠血糖[10]、抗疲劳[11]、改善胃肠动力[12]，Sabitha 等[13]的研究也有相似的发现。张忠堤[14]利用其自制的黄秋葵汁液（配芝麻油），治疗各类人与动物的烧（烫）伤近100 例，效果显著。

传统工艺条件下，黄秋葵多糖提取得率低下。如何高效地从黄秋葵中提取多糖，促进黄秋葵的综合利用，近年来已成为专业人员研究的热点。本文旨在通过水提温度、水提时间、液料比、水提次数四个不同的单因素，筛选出对热水浸提黄秋葵多糖提取率影响显著的试验因子及其中心点，并通过响应面法优化工艺条件，最后得到优化后的最佳实际工艺，为黄秋葵多糖更广范围内的应用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄秋葵新鲜嫩果：购于南京市栖霞区彩虹广场苏果超市。无水乙醇，以上试剂为分析纯。

1.2 仪器与设备

JA2010 电子天平，上海舜宇科学仪器有限公司；HH-6 数显恒温水浴锅，上海鑫翁科学仪器公司；JM-100 低温高速离心机，BAKEMAN 公司；Laborota-400 型旋转蒸发器，Heidolph 公司；Alpha 1-2 型冷冻干燥机，英国LABCONCO 公司。

1.3 试验方法

1.3.1 黄秋葵多糖提取的工艺流程黄秋葵嫩果，严格剔除腐烂果、老果，粉碎后，恒温干燥制备黄秋葵干粉，并研磨成细粉。准确称取一定量的黄秋葵细干粉，加入适量的水，恒温加热一定的时间，冷却后离心去渣，上清液经旋蒸浓缩去除掉大部分水分，再加入3 倍体积的无水乙醇进行沉淀。通过不断搅拌，其中的黄秋葵多糖陆续沉淀，置于4℃的冰箱中冷藏过夜，隔日进行过滤处理，得到黄秋葵粗多糖，最后再进行冻干处理，备用。

1.3.2 黄秋葵多糖提取率的计算

提取率（%）=（黄秋葵粗多糖重量/黄秋葵干粉重量）× 100%

1.3.3 多糖提取条件的优化以黄秋葵多糖提取率作为评价指标，设计了4 组单因素试验，即水提温度、水提时间、液料比、水提次数。在单因素试验所得结果的基础上，利用RSM（响应曲面法）中的BBD 中心组合设计，采用3 因素3 水平方案，研究各单因素组合对多糖提取得率的影响，并绘出响应面图及对应的等高线图，最终实现提取工艺的优化，从而提高多糖得率。

2 结果和分析

2.1 单因素试验

2.1.1 水提温度对多糖提取率的影响由图1 可知，当水提时间为60min，液料比为70：1（mL/g），提取次数为1 次时，随着水提温度的升高，多糖提取率也在慢慢提升，70℃时达到最大值（27.8%）；当加热温度大于70℃时，多糖的提取得率却有所降低，也许是偏高的提取温度致使部分大分子多糖水解成小分子低聚糖或单糖，且能耗增加。因此，水提温度设定为70℃上下。

2.1.2 水提时间对多糖提取率的影响由图2 可知，当水提温度为70℃，液料比为70：1（mL/g），提取次数为1 次时，水提时间逐渐延长的同时，也伴随着多糖提取得率的缓慢提升，当时间升至约60min 时，多糖提取得率不再继续增加，其达到最大值（约28.4%）。随着水提时间的进一步延长，多糖的提取得率却不增反降，任丹丹等[15]认为如果水提时间过长，必然引起多糖的长分子链产生裂解，形成了小分子的寡糖，甚至单糖。因此，水提时间设定在60min 左右。

2.1.3 液料比对多糖提取率的影响由图3 可知，当水提温度为70℃，水提时间为60min，提取次数为1 次时，随着液料比的一次次增大，多糖的提取得率也在一步步提升，因为水提液粘稠度越低，植物细胞壁中释放出的多糖就越多。当液料比达到并超过70∶1（mL/g）时，所得多糖的增量明显放缓，考虑到后期水提液旋蒸浓缩时能量及时间的消耗，因此，液料比确定为70∶1（mL/g）。

2.1.4 提取次数对多糖提取率的影响由图4 可知，当水提温度为70℃，水提时间为60min，液料比为70∶1（mL/g）时，若提取次数仅为1 次，多糖的提取得率高达25.1%，第二次对离心渣重复水提时，多糖得率仅为3.7%，依次重复操作，单次提取得率显著减少，第五次时几乎为0。为了提高试验效率，降低能源浪费，水提次数只进行1 次。

2.2 响应面分析及黄秋葵多糖提取工艺的优化

2.2.1 模型拟合及统计分析在单因素试验的基础上，筛选出水提温度、水提时间以及液料比这3 个自变量，以多糖得率为因变量，采用响应面法（response surface method,RSM）的Box-Behnken design（BBD）试验，进行3 因素3 水平下的中心组合设计。试验因素与水平见表1。

表1 响应面分析的因素、编码与水平

BBD 试验分组方案及结果见表2，整个模型一共分为17 组，每组各3 个重复试验。多糖得率从27.35%～28.41%不等。

通过Design-Expert V9.1 软件对表2 试验结果进行多元回归分析，得到关于黄秋葵多糖提取率对自变量水提温度（A）、水提时间（B）、液料比（C）的二次多项回归方程：

表2 响应面分析的方案与结果

Y=28.30+0.073A+0.011B+0.034C+0.097AB-0.011AC+0.24BC-0.10A2-0.57B2-0.099C2

Design-Expert V9.1 软件得到的方差分析结果见表3。

从表3 可以看出，该模型F 值（87.10）较高，P 值（＜0.0001）较低，表明模型极显著，该试验方法可靠；决定系数R2=0.9908，表明该模型的试验结果与预测值之间的一致性非常良好；调整系数R2adj=0.9785，表明多糖提取率中高达97.85%的变异由独立变量决定，只有2.15%的总变异不能通过该模型解释；失拟项P 值（0.3286）＞0.05，不显著，说明该模型方程能较好地对多糖的提取得率进行准确、有效的预测，结果可信度高。

表3 方差分析

由表3 可知，B2、BC 都是极显著水平（P＜0.001），说明它们对响应值（多糖提取率）影响极大，其余变量的影响都不显著（P＞0.05）。依据响应面分析的结果，对黄秋葵多糖提取得率的影响依次为：水提温度（A）＞液料比（C）＞水提时间（B）。

2.2.2 响应曲面图与等高线图分析自变量A、B、C 值对应于响应值（多糖提取率）构成的3D 响应曲面图以及在2D 平面上的等高线图，可直观地反映出各因素相互之间的作用。当等高线呈圆形时，表明两因素之间交互作用不显著；而当等高线呈椭圆形时，表明两因素之间交互作用显著。由Design-Expert V9.1 软件处理得到响应面分析结果见图5—7。

由图5—7 可知，只有水提时间与液料比之间的交互作用是显著的（等高线呈椭圆形），其它的两两交互作用都是不明显的（等高线不呈椭圆形），这与表3 的结果是相符合的。

由回归模型可知，黄秋葵多糖提取的最佳工艺如下：水提温度为69.38℃，水提时间为58.37min，液料比为71.21∶1（mL/g），在此条件下，黄秋葵多糖的提取率可达28.26%。结合实际情况综合考虑，将最佳理论工艺条件进行调整：水提温度为70℃，水提时间为58min，液料比为71∶1（mL/g）。条件调整后，通过3 次平行试验，测得黄秋葵多糖最大提取率的均值是27.87%，与理论值比较相近。所以，通过响应曲面法得到的工艺优化条件是可信的，适合对黄秋葵多糖提取率进行预测。