响应曲面法优化超声—辅助提取玉米须多糖的工艺研究
对照品，以多糖得率为响应值，应用中心组合设计实验方法，研究各自变量及其交互作用对多糖得率的影响，建立二次多项回归方程的数学模型。结果：实验研究表明，超声时间对玉米须多糖提取率的影响比较显著。结论：最终优选的超声波提取玉米须多糖工艺为：超声时间32.94 min，超声温度60.17 ℃，料液比1∶24.79，在此条件下，玉米须多糖提取率的理论值为5.5318%。
关键词 玉米须；多糖；提取；响应曲面法
Optimization of Ultrasonic Assisted Extraction of Polysaccharides from Corn Silk by Response Surface Methodology
Hou Minna， Li Yongmei， Xin Xin
（Shaanxi Institute of International Trade & Commerce， Xianyang 712046， China）
Abstract Objective：To optimize the processing conditions of corn silk polysaccharide by ultrasonic assisted surface methodology.Methods：To build a mathematical model of two multinomial regression equation on the basis of single factor experiment.While taking ultrasonic time， ultrasonic temperature， material to liquid ratio as independent variables， and glucose as control and the yield of polysaccharide response value， to study the effects of variables on each other and their effect on the extraction of polysaccharide.Results：Ultrasonic time has strong effect on the extraction rate of corn silk polysaccharides.Conclusion：The final optimization of ultrasonic extraction of corn silk polysaccharide processing is set to be：ultrasonic time 32.94 min， ultrasonic temperature 60.17 ℃， the ratio of material to liquid 1：24.79， and under this condition， the theoretical extraction rate of the theoretical value is 5.5318%.
Key Words Corn silk； Polysaccharide； Extraction； Response Surface Methodology
中图分类号：R284.2文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2017.08.050
玉米须（Corn Silk，SM）是禾本科作物玉米（Zea mays L）的花柱和柱頭，来源北、中、南美洲。植被高壮，茎粗大，挺直。玉米须是我国传统的中药材，在全国各地都有生产，其性平，味甘、淡。对于许多的疾病具有治疗作用，据临床研究证明玉米须多糖具有解热利胆[1]、抗菌作用[2]、抗痛风、抗肿瘤[3]、调节血脂、调节免疫[4-6]等方面的药理作用。我国玉米玉米须中多糖含量较高，有广阔的研究与开发前景，将会产生巨大的经济效益和社会效益。超声波对细胞膜进行破坏是使用了超声的空化作用，在超声波的不断摇晃中使溶质进行扩散，并且超声波会使水温升高并对原料有水浴作用。超声波提取速度快，时间短，收益高。
响应曲面法（Response Surface Methodology，简称RSM）又称回归设计，可以运用函数的面进行分析，讨论因子与因子之间，响应值与因子之间的相互关系，并进行优化。最后能给出响应值与因素之间的回归方程以及因素的最佳组合。响应曲面法与正交设计法和均匀设计法比较，既保留了正交设计和均匀设计实验次数少的优点，又具有直观、高效、方便以及可在短时间内对所选试验参数进行全面的研究等特点。所以该方法的实验结果具有一定的使用价值和参考价值。
本文是采用了响应曲面法对超声波提取玉米须多糖的工艺进行优化，提高玉米须多糖的得率。
1 仪器与试药
1.1 仪器 KQ5200DE超声波（昆山市超声仪器有限公司）、粉碎机（天津鑫博得仪器有限公司）、TGL-15B离心机（上海安平科学仪器厂）、TU-1810紫外分光光度计（上海长城制造有限公司）、YP20002电子天平（上海越平科学仪器有限公司）、HH-2电热恒温水浴锅（北京科伟永兴仪器有限公司）等。
1.2 试剂 葡萄糖标准品（中国药品生物制品鉴定所，批号：2014041）、浓硫酸（天津化学试剂研究所）、苯酚（郑州化学试剂生产厂）、无水乙醇（上海红岩试剂厂）等，试剂均为分析纯。
1.3 分析样品 玉米须（购于陕西盛兴饮片厂，经我院生药教研室雷国莲教授鉴定为Zea mays L）。
2 方法与结果
2.1 供试品溶液制备 精确称取经干燥、粉碎后过60目筛的玉米须粉2.00 g，置于锥形瓶中，加入50 mL中性纯水浸泡1 h，超声30 min，过滤、离心，取上清液进行醇化处理，将醇化过后的物质吸取3.5 mL放于100 mL容量瓶中，稀释至刻度，摇匀，即为供试品溶液。
2.2 葡萄糖标准曲线的绘制 精密移取0.1 mg/mL葡萄糖标准溶液0.02 mL、0.04 mL、0.06 mL、0.08 mL、0.1 mL、0.12 mL，分别置具塞试管中，加蒸馏水，使体积至1.0 mL，再加5%苯酚溶液1.0 mL，摇匀，迅速滴加浓硫酸5.0 mL，置沸水中水浴30 min；另以蒸馏水为空白，制备空白对照液。取出后冰水浴至室温后于490 nm处检测其吸光度（A）。以浓度（C）对A进行线性回归。得到回归方程为：C=7.594A-0.049，R2=0.9950。其结果如图1。
2.3 单因素考察[7] 超声波提取玉米须多糖的影响因素主要包括超声时间、超声温度、超声功率、料液比、乙醇浓度、pH值等。而本文的考察超声时间、超声温度和料液比这3个因素。
2.3.1 超声时间的影响 精确称取经干燥、粉碎后过60目筛的玉米须粉5份，各2.00 g，置于10 mL的具塞锥形瓶中，分别加水50 mL浸泡，之后放于超声波中进行超声，超声温度为60 ℃，超声功率为70 W，超声时间分别为20 min、25 min、30 min、35 min、40 min，考察超声时间对其提取率的影响。见图2。
由图2可知，在20～30 min中内，随着时间的增加，提取率也增加，但随着时间继续增加，提取率开始降低，这是因为随着时间的增加，部分多糖发生了降解。则表明玉米须多糖提取率并不会随着时间的增加而无限增加，而是在30 min时到达了最高值。
2.3.2 料液比对玉米须多糖提取的影响 精确称取经干燥、粉碎后过60目筛的玉米须粉5份，各2.00 g，置于10 mL的具塞锥形瓶中，分别加水30 mL、40 mL、50 mL、60 mL、70 mL后浸泡，之后放于超声波中进行超声，超声温度为60 ℃，超声时间为30 min，超声功率70 W。考察料液比对玉米须多糖提取率的影响。见图3。
由图3可知，玉米须提取率随着料液比的增加呈上升趋势之后有个最高点既是1∶25，当料液比超过这个点时提取率开始随着料液比的增加而降低。这是由于料液比增大，玉米须细胞内外的多糖浓度差增大，多糖侵出量增加，则提取率就变大，但因为玉米须本身干燥易吸水，料液比过高会影响多糖的提取。
2.3.3 超声温度对玉米須多糖提取的影响 精确称取经干燥、粉碎后过60目筛的玉米须粉5份，各2.00 g，置于10 mL的具塞锥形瓶中，分别加水50 mL浸泡，之后放于超声波中进行超声，超声时间为30 min，超声功率为70 W，超声温度分别为50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃。考察超声时间对玉米须多糖提取率的影响。见图4。
由图4可知，在温度为60 ℃时，玉米须提取率达到最大值，在50～60 ℃时随着温度的升高而逐渐增大，当温度超过60 ℃后再不断的增加时，提取率开始下降了，这是因为温度过低时多糖的溶解度不大，而在温度过高时可能会有多糖发生水解则这时的提取率也不高，所以超声提取温度并不是越高就越好。
2.4 响应曲面优化[8-10]
2.4.1 响应曲面优选分析 在单因素的实验基础上，根据Box-Behnken的设计原理，选择超声时间、超声温度以及料液比为实验的影响因素，以玉米须多糖提取率为响应值，采用三因素三水平进行实验结果分析。
在单因素的实验基础上，根据因素水平表1，按照响应曲面Box-Behnken的设计原理，共有17组实验，其实验结果如下表2、表3。
通过Design-Expert7.1.3软件对所得数据进行多元回归拟合，得到玉米须多糖提取率对超声温度（X1），超声时间（X2），料液比（X3）的二次多元回归方程是：
Y=-173.899 26+4.560 31X1+1.545 88X2+1.360 68X3-9.522 00E-003X1X2+7.051 00E-003X1X3-0.0133 05X2X3-0.036 740X12-9.762 40EX22-0.0271 63X32
由表3可知，回归方程的R2=0.941 2，表明实验值与预测值有很好的拟合度。且失拟项不显著，表明方程的模拟比较好，可以采用这种方法对玉米须多糖提取工艺进行预测和分析。从回归方程显著性检查结果显示：回归方程的一次项中，时间（X2）对玉米须多糖提取率的影响显著，而温度以及料液比的一次项均不显著；在交互项中，只有时间和料液比（X2X3）的交互项具有显著性，其他无显著性；二次项中，温度（X12）具有极其显著性，料液比（X32）具有高度显著性，时间的二次项无显著性。在各个因素的水平中，对玉米须多糖提取率影响结果由大到小的顺序为超声时间（X2）>超声温度（X1）>料液比（X3）。
2.4.2 响应曲面图谱与分析 图5为超声时间和超声温度对玉米须多糖提取率的响应曲面图，由图可以看出时间的坡面比温度的陡，则是表示超声时间的二次项对玉米须多糖提取率具有明显的影响，而超声温度对其的影响较小。等高线图趋于椭圆，但不明显，说明两者的交互项对提取率的影响不显著。据图5可以确定两因素最佳参数范围：超声时间30～35 min，超声温度为58～62 ℃。在此范围内玉米须多糖的提取率最大。
图6是料液比和超声温度对玉米须多糖提取率的响应曲面图，由图可以得出当超声时间一定时，玉米须多糖提取率都是随着料液比和超声温度的增加都是呈现先增加后降低的趋势。且温度的坡面较料液比的陡，则是其提取率受温度二次项的影响较料液比的大。等高线图为圆形，说明提取温度和料液比的交互项对提取率无影响。由图6可以确定最佳参数范围：温度58～62 ℃，料液比1∶23～1∶27。在此范围内的玉米须多糖提取率最大，当超过则降低。
图7为超声时间和料液比对玉米须多糖提取率的响应曲面图，由图可是看出超声时间和料液比的坡面都较陡，则说明他们的二次项对玉米须多糖得率的
影响都比较显著。等高线趋于椭圆，说明提取时间与料液比的交互项对玉米须多糖提取率的影响具有显著性。据图7可以确定两因素的最佳参数范围：料液比1∶23～1∶27，时间31～34 min。
根据实验设计所得出的结果以及二次回归模型的数学分析结果，使用Design-Expert 7.1.3软件计算可得到超声波提取玉米须多糖的最优工艺为：时间32.94 min，超声温度60.17 ℃，料液比1∶24.79，在此条件下，玉米须多糖提取率的理论值为5.625 3%。
为了验证响应曲面法所得结果以及其可实施性，通过实验对优化后最佳工艺的提取条件进行确定。需要修改提取工艺的参数而达到方便的操作：最终工艺条件调整为：时间33 min，超声温度60 ℃，料液比1∶25。在此条件做3次平行实验，得到玉米须多糖的平均提取率为5.531 8%。本次实验研究为进一步有效、合理利用玉米须资源提供参考依据，同时也为当地农民的收入产生了一定的附加值。
参考文献
[1]胡瑛瑛，楼肖成，郭勇，等.玉米须多糖的研究进展[J].安徽农学通报，2009，15（8）：36-37.
[2]张育光.玉米须化学成分、药理作用及其应用研究进展[J].中国中医药现代远程教育，2007，5（2）：34-35.
[3]周鸿立，张艳，金海甲，等.玉米须多糖药理作用及提取纯化研究进展[J].吉林化工学院学报，2009，26（1）：23-26.
[4]鲁彦，吴绍宇，姚嵩坡，等.玉米须对老年小鼠细胞免疫功能的影响[J].中国老年学杂志，2005，25（11）：1387-1388.
[5]祝丽玲，鲁彦，陈光，等.玉米须对老年小鼠脾脏免疫细胞功能影响的实验研究[J].中国老年学杂志，2005，25（6）：704-706.
[6]郑鸿雁，闵伟红，昌有权，等.玉米须多糖调节免疫功能研究[J].食品科学，2004，25（10）：291-293.
[7]应奇才，华启洪.玉米须多糖提取工艺条件优化[J].中国生化药物杂志，2004，27（4）：233-236.
[8]孟憲军，李冬男，汪艳群，等.响应曲面法优选五味子多糖的提取工艺[J].食品科学，2010，13（4）：111-115.
[9]徐卫东，王佩香，欧阳臻，等.响应曲面法优化桑枝多糖提取工艺[J].中国药房，2011，22（43）：4064-4067.
[10]彭雪萍，李星科，马路遥，等.响应曲面法优化灰枣多糖的提取工艺[J].食品研究与开发，2013，34（8）：44-47.