Optymalizacja procesu odbarwiania i aktywności przeciwutleniającej ekstraktu polisacharydowego po polisacharydach Cistanche przez metodologię powierzchni odpowiedzi ⅱ
Mar 10, 2025
2 Wyniki i analiza
2.1 Eksperymenty jednoskładnikowe
2.1.1 Wpływ dawkowania węgla aktywnego na odbarwienie ekstraktu polisacharydowego Cistanche
Dekoloryzacja węgla aktywowanego jest rodzajem odbarwiania adsorpcji. Powierzchnia cząstek węgla aktywnego zawiera liczne pory i kanały, które mogą silnie adsorbować cząsteczki pigmentu. Może jednak również adsorbować cząsteczki polisacharydowe w roztworze, powodując utratę polisacharydu [25]. Jak pokazano na rycinie 1a:
Wraz ze wzrostem dawkowania węgla aktywnego szybkość odbarwienia stopniowo rośnie. Jednak gdy dawka przekracza 10%, trend wzrostu wskaźnika odbarwiania spowalnia.
Gdy dawka jest poniżej 20%, wskaźnik odzysku polisacharydu wzrasta, ale gdy przekracza 20%, wskaźnik odzysku zaczyna się zmniejszać.
Gdy dawka wynosi 20%, efekt odbarwiania jest optymalny.
Biorąc pod uwagę czynniki operacyjne i kosztowe w praktycznej produkcji, 10%, 20%i 30%wybrano jako poziomy dawkowania węgla aktywnego dla eksperymentu na powierzchni odpowiedzi.
Ziołowe suplementy Cistanche na wysokim poziomie
2.1.2 Wpływ czasu odbarwiania na ekstrakt polisacharydów Cistanche
Adsorpcja cząsteczek pigmentowych przez węgiel aktywny wymaga pewnego czasu. Jak pokazano na rycinie 1b:
W ciągu 10–50 minut stopniowo wzrasta szybkość odbarwienia. Jednak gdy czas odbarwiania przekracza 50 minut, szybkość odbarwienia zaczyna się zmniejszać. Zjawisko to występuje, ponieważ odbarwienie za pomocą węgla aktywnego obejmuje dynamiczny proces adsorpcji i desorpcji. Gdy desorpcja cząsteczek pigmentowych przyspiesza z przedłużonym czasem interakcji, objętość desorbowanych cząsteczek pigmentu wzrasta, co powoduje spadek szybkości odbarwienia.
Wskaźnik odzysku polisacharydu wykazuje stopniowy trend w dół. Może to wynikać z faktu, że zawartość polisacharydów w roztworze jest znacznie wyższa niż zdolność adsorpcji węgla aktywnego, zmniejszając różnicę między szybkościami adsorpcji i desorpcji [26].
Chociaż szybkość odbarwiania i wskaźnik odzysku w ciągu pierwszych 30 minut są dopuszczalne, trudne jest przetworzenie dużych ilości próbek w tak krótkim czasie w praktycznej produkcji.
Dlatego, biorąc pod uwagę praktyczne warunki produkcyjne, 40, 50 i 60 minut wybrano jako poziomy czasu odbarwiania dla eksperymentu na powierzchni odpowiedzi.
Ryc.
2.1.3 Wpływ temperatury odbarwiania na odbarwienie ekstraktu polisacharydu Cistanche
Jak pokazano na rycinie 1C, w zakresie 20–40 stopni, szybkość odbarwienia Cistanche stopniowo wzrasta wraz ze wzrostem temperatury dekoloryzacji. Gdy temperatura odbarwiania osiągnie 40 stopni, szybkość odbarwiania i wskaźnik odzysku polisacharydu wynosi odpowiednio 64,39% i 84,49%. Jednak gdy temperatura przekracza 40 stopni, szybkość odbarwienia zaczyna spadać. Może to być spowodowane tym, że nadmiernie wysokie temperatury negatywnie wpływają na adsorpcję pigmentów przez węgiel aktywny, osłabiając w ten sposób efekt odbarwiania.
Wraz ze wzrostem temperatury dekoloryzacji szybkość odzysku polisacharydu nieznacznie maleje. Jednak niewielkie zmiany temperatury mają niewielki wpływ na adsorpcję polisacharydów przez węgiel aktywny [11]. W zakresie 30–50 stopni masowy wskaźnik odzysku pozostaje stosunkowo wysoki. Biorąc pod uwagę zużycie energii w praktycznych procesach produkcyjnych, wybrano 30 stopni, 40 stopni i 50 stopni jako poziomy temperatury odbarwiania dla eksperymentu na powierzchni odpowiedzi.
2.1.4 Wpływ pH na odbarwianie ekstraktu polisacharydu Cistanche
Proces odbarwiania adsorpcji z wykorzystaniem węgla aktywnego wymaga udziału jonów H⁺. Odpowiednio zwiększenie stężenia jonów H⁺ w roztworze może poprawić szybkość odbarwiania [27]. Jak pokazano na rycinie 1D, wraz ze wzrostem pH, szybkość odbarwienia cistanche ogólnie wykazuje trend spadkowy, podczas gdy stopień odzyskiwania polisacharydu stopniowo wzrasta. Może to być spowodowane tym, że niskie poziomy pH wpływają na strukturę polisacharydów, zmniejszając szybkość odzysku.
W zakresie pH 4–7 spadek szybkości odbarwienia nie jest znaczący, a wskaźnik odzysku polisacharydu pozostaje stosunkowo wysoki. Biorąc pod uwagę, że zmierzone pH roztworu próbki wynosi 5,03, wybór pH 5,03 jako optymalne pH w produkcji przemysłowej może uniknąć stosowania kwasów i zasad, zmniejszyć koszty i przynieść korzyść ochronę środowiska. Dlatego poziomy pH 4, 5 i 6 wybrano jako poziomy pH dla eksperymentu na powierzchni odpowiedzi.
2.2 Optymalizacja procesu odbarwiania dla ekstraktu polisacharydu Cistanche za pomocą metodologii powierzchni odpowiedzi
2.2.1 Wyniki eksperymentów optymalizacji powierzchni odpowiedzi
Wyniki eksperymentalne pokazano w tabeli 2, a wyniki analizy wariancji pokazano w tabeli 3. Z tabeli 3:
W modelu dopasowania powierzchni odpowiedzi przy użyciu szybkości odbarwiania (Y1) i szybkości odzyskiwania polisacharydu (Y2) jako wartości odpowiedzi, wartości p modeli dla Y1 i Y2 były mniej niż 0. 01, co wskazuje na wysoce istotne różnice. Zatem modele są znaczące.
Wartości p braku dopasowanych terminów były większe niż 0. 05, co wskazuje na brak istotnych różnic. Sugeruje to, że przewidywane wartości modelu dobrze pasują do rzeczywistych wartości, co czyni je odpowiednimi do przewidywania wyników eksperymentalnych i określania optymalnych warunków procesu.
Współczynniki korelacji (R²) dla Y1 i Y2 były 0. 8633 i 0. 9308, co wskazuje, że model może przewidzieć 86. 33% i 93.08% wyników eksperymentalnych, z niewielkimi błędami i dobrymi zdolnością przewidywalną.
Poprzez analizę dopasowania i wariancji wielokrotności, kwadratowe modele regresji wielomianowej dla szybkości odbarwienia (Y1) i szybkości odzysku polisacharydowego (Y2) w odniesieniu do dawki węgla, czas, temperatury i pH czynnościowy:
Szybkość odbarwiania (Y1):
Y {{0}}. 21 + 0. 1 0 a - 0. 22b - 0. 44c - 0. 29d - 0. 03AB {{{11}. + 0. 07BC - 0,07BD - 3.08A² - 1,27B² - 1,09C² - 1.82D²
Szybkość odzysku polisacharydu (Y2):
Y {{0}}. 93 + 0. 12a - 0. 41b - 0. 54C - 0. + 0. 08BC + 0. 04BD + 0. 04CD - 3.78A² - 1.15b² - 1.51c² - 2.10d²
Dodatkowo modele kwadratowe dla obu wartości odpowiedzi wykazały bardzo istotne różnice. Czynniki C, A², B², C² i D² miały znaczący wpływ na szybkość odbarwiania wyciągu z polisacharydów cistanche (p <{{0}}. 0 5 lub p <{6}}. 01). Podobnie czynniki B, C, A², B², C² i D² miały znaczący wpływ na szybkość odzyskiwania polisacharydów (p <0,05 lub p <0,01). Wskazuje to, że relacje między czynnikami a wartościami odpowiedzi nie są prostymi relacjami liniowymi.
2.2.2 Interakcja między dwoma czynnikami w szybkości odbarwiania
UżywającDesign Expert 8. 0. 6Analizowano oprogramowanie, analizowano efekty interakcji między czynnikami i wygenerowano wykresy powierzchni odpowiedzi 3D w celu wizualnej analizy interakcji między parami czynników i ich wpływem na wartości odpowiedzi.
Jak pokazano na rysunkach 2a - f:
Wraz ze wzrostem poziomów współczynników oddziałujących szybkość odbarwienia ekstraktu polisacharydowego Cistanche wykazała trend początkowego wzrostu, a następnie malejący.
Zmiany między aktywowaną dawką węgla a innymi czynnikami były bardziej wyraźne, co wskazuje na silne interakcje między tymi czynnikami.
Natomiast zmiany między temperaturą odbarwiania a czasem odbarwiania, temperaturą pH i odbarwiania oraz czasem pH i odbarwiania były mniej wyraźne, co wskazuje na słabsze interakcje między tymi parami czynników.
2.2.3 Interakcja między dwoma czynnikami w zakresie odzyskiwania polisacharydu
Jak pokazano na rysunkach 3a - f:
Wraz ze wzrostem poziomów współczynników oddziałujących, szybkość odzyskiwania polisacharydu wyciągu polisacharydowego Cistanche również wykazywała tendencję początkowego wzrostu, a następnie zmniejszenia.
Zmiany między aktywowaną dawką węgla a innymi czynnikami były bardziej wyraźne, co wskazuje na silne interakcje między tymi czynnikami.
Natomiast zmiany między temperaturą odbarwiania a czasem odbarwiania, temperaturą pH i odbarwiania oraz czasem pH i odbarwiania były mniej wyraźne, co wskazuje na słabsze interakcje między tymi parami czynników.
| Eksperyment nr | Aktywowana dawka węgla (%) | B Czas odbarwiania (min) | C Temperatura odbarwiania (stopień) | D Ph | Wskaźnik odbarwiania Y₁ (%) | Y₂ wskaźnik odzysku polisacharydu (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 57.66 | 94.60 |
| 2 | 1 | 0 | 0 | 0 | 57.75 | 93.45 |
| 3 | -1 | 0 | 0 | 0 | 57.65 | 93.46 |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 0 | 57.66 | 93.42 |
| 5 | 0 | -1 | 0 | 0 | 57.64 | 93.40 |
| 6 | 0 | 0 | 1 | 0 | 57.65 | 93.31 |
| 7 | 0 | 0 | -1 | 0 | 57.63 | 93.30 |
| 8 | 0 | 0 | 0 | 1 | 57.64 | 93.47 |
| 9 | 0 | 0 | 0 | -1 | 57.62 | 93.46 |
| 10 | 1 | 1 | 0 | 0 | 57.75 | 93.39 |
| 11 | 1 | -1 | 0 | 0 | 57.73 | 93.30 |
| 12 | 1 | 0 | 1 | 0 | 57.74 | 93.25 |
| 13 | 1 | 0 | -1 | 0 | 57.72 | 93.23 |
| 14 | 1 | 0 | 0 | 1 | 57.73 | 93.40 |
| 15 | 1 | 0 | 0 | -1 | 57.71 | 93.39 |
| 16 | -1 | 1 | 0 | 0 | 57.65 | 93.42 |
| 17 | -1 | -1 | 0 | 0 | 57.63 | 93.30 |
| 18 | -1 | 0 | 1 | 0 | 57.64 | 93.25 |
| 19 | -1 | 0 | -1 | 0 | 57.62 | 93.23 |
| 20 | -1 | 0 | 0 | 1 | 57.63 | 93.40 |
| 21 | -1 | 0 | 0 | -1 | 57.61 | 93.39 |
| 22 | 0 | 1 | 1 | 0 | 57.66 | 93.25 |
| 23 | 0 | -1 | -1 | 0 | 57.62 | 93.23 |
| 24 | 0 | 1 | -1 | 0 | 57.64 | 93.23 |
| 25 | 0 | -1 | 1 | 0 | 57.64 | 93.25 |
| 26 | 0 | 1 | 0 | 1 | 57.65 | 93.42 |
| 27 | 0 | -1 | 0 | -1 | 57.63 | 93.39 |
| 28 | 0 | 0 | 0 | 0 | 57.66 | 94.60 |
| 29 | 0 | 0 | 0 | 0 | 57.66 |
| Źródło | Współczynnik | Y₁ | Y₂ | Suma kwadratów | Y₁ | Y₂ | Średni kwadrat | Y₁ | Y₂ | Wartość f | Y₁ | Y₂ | Wartość p | Y₁ | Y₂ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Model | 13.64 | 73.29 | 78.39 | 14.55 | 10.88 | <0.0001 | <0.0001 | ||||||||
| A(Aktywowana dawka węgla) | 0.10 | 0.72 | 0.98 | <0.05 | |||||||||||
| B(Czas) | |||||||||||||||
| Notatka |
2.2.4 Określenie optymalnych warunków procesu i eksperymentów walidacyjnych
Korzystając z konstrukcji pudełka-behnken, opracowano schemat eksperymentalny i analizowano dane eksperymentalne przy użyciu za pomocąDesign Expert 8. 0. 6oprogramowanie. Optymalne warunki procesu dekoloryzacji dla ekstraktu polisacharydu Cistanche z węglem aktywnym określono w następujący sposób:
Aktywowane dawkowanie węgla:20.18%
Temperatura:37,74 stopnia
Czas:48,88 minut
Ph:4.92
W tych warunkach przewidywane wyniki były:
Wskaźnik odbarwiania:61.25%
Szybkość odzysku polisacharydu:98.02%
Biorąc pod uwagę praktyczną wykonalność produkcji, optymalne warunki procesu zostały nieznacznie dostosowane do:
Aktywowane dawkowanie węgla:20%
Temperatura:37 stopni
Czas:49 minut
Ph:5.03
W tych skorygowanych optymalnych warunkach przeprowadzono trzy równoległe eksperymenty walidacji. Wyniki były:
Wskaźnik odbarwiania:62.66%
Szybkość odzysku polisacharydu:96.16%
Zmierzone wartości wykazały odchylenia od teoretycznych wartości modelu regresji w rozsądnym zakresie, co pokazuje, że model jest prawidłowy [28].
2.3 Aktywność przeciwutleniacza polisacharydów cistanche
2.3.1 DPPH radykalne zdolność do usuwania polisacharydów cistanche
Polisacharydy roślinne wykazują znaczną aktywność przeciwutleniającą, ogólnie w zakresie stężenia1. 0 - 1 0. 0 mg/ml. Proces odbarwiania może wpływać na aktywność przeciwutleniającą polisacharydów [16,29].
Jak pokazano na rycinie 4, rodnik DPPH zdolność do usuwania odchwyconych polisacharydów cistanche została znacznie poprawiona. W koncentracji1. 0 mg/ml, wzrosła z radykalnej szybkości wymiatania DPPH14,78% (przed odbarwieniem)Do38,38% (po odbarwieniu).
Wskazuje to, że proces odbarwiania może zwiększyć zdolność do usuwania radykalnego DPPH polisacharydów cistanche. Ulepszenie to można przypisać usuwaniu zanieczyszczeń podczas procesu odbarwiania, co zwiększa czystość polisacharydów, a następnie zwiększa ich aktywność.
2.3.2 Całkowita moc zmniejszająca polisacharydy cistanche
W warunkach kwaśnych przeciwutleniacze mogą zmniejszyć fe³⁺-tptz (żelazowo-trirydylotriazinę) do fe²⁺-tptz, co wytwarza niebieski kolor. Absorbancja przy593 nmMożna użyć do obliczenia całkowitej mocy zmniejszania próbki. Wyższa wartość FRAP wskazuje na silniejszą całkowitą moc zmniejszającą [30].
Jak pokazano na rycinie 5, całkowita moc zmniejszająca1. 0 mg/mlPolisacharydy Cistanche nie wykazywały zauważalnej różnicy przed i po odbarwianiu. Może to wynikać z braku substancji w ekstrakcie zdolnym do reakcji z fe³⁺-tptz lub obecnością substancji, które hamują konwersję fe³⁺-tptz do fe²⁺-tptz.
2.3.3 zdolność do usuwania rodników hydroksylowych polisacharydów cistanche
Jak pokazano na rycinie 6, szybkość zmiatania rodników hydroksylowych1. 0 mg/mlCistanche polisacharydy wzrosły z84,37% (przed odbarwieniem)Do96,18% (po odbarwieniu).
Wskazuje to, że polisacharydy cistanche mają znaczącą zdolność wymiatania rodników hydroksylowych, która została dodatkowo wzmocniona po odbarwieniu. Ulepszenie to można przypisać wzrostowi czystości polisacharydów po procesie odbarwiania, co wzmacnia zdolność usuwania rodników hydroksylowych.
Podobnie Sun Mingli i in. [31] stwierdził, że zdolność do usuwania rodników hydroksylowych polisacharydów scutellaria była znacznie wzmocniona po dekoloryzacji, zgodnie z wynikami uzyskanymi w tym badaniu.
2.3.4 Abts kation radykalne zdolność usuwania polisacharydów cistanche
Badania wykazały, że leczenie dekoloryzacyjne polisacharydów może zmniejszyć ich zdolność do usuwania radykalnego kationu [32]. Jak pokazano na rycinie 7,1. 0 mg/mlPolisacharydy cistanche wykazują znaczącą aktywność radykalnego wymiatania kationów. Jednak po odbarwieniu aktywność znacznie się zmniejszyła, spadając z7,85% (przed odbarwieniem)Do0. 89% (po odbarwieniu).
Wskazuje to, że proces odbarwiania osłabia zdolność do oczyszczania radykalnego kationu ABTS. Ta redukcja może wynikać z usunięcia komponentów w polisacharydach cistanche, które reagują z rodnikami kationowymi ABTS, co prowadzi do spadku zdolności do oczyszczania.
3 Wniosek
W tym badaniu wykorzystano węgiel aktywny jako środek odbarwiający, z szybkością odbarwiania i wskaźnikiem odzysku polisacharydu jako wskaźników oceny. Na podstawie wyników eksperymentalnych jednosektorowych, wyników eksperymentalnych powierzchni odpowiedzi i praktycznej wykonalności produkcji optymalne warunki procesu określono w następujący sposób:
Aktywowane dawkowanie węgla: 20%
Temperatura:37 stopni
Czas:49 minut
Ph: 5.03
W tych warunkach szybkość odbarwiania ekstraktu polisacharydowego Cistanche62.66%, a wskaźnik odzysku polisacharydu był96.16%. Powstałe polisacharydy wykazały znacznie poprawę zdolności wymiatania rodników DPPH i zdolności wymiatania rodników hydroksylowych.
Ten proces odbarwiania wykazał dobrą wydajność odbarwiania i wysoki wskaźnik odzysku polisacharydu, zapewniając odniesienie do przygotowania produktów polisacharydowych cistanche o wysokiej czystości.
