超聲波輔助熱水浸提黑木耳多糖工藝的優(yōu)化研究

包鴻慧，于婷婷，盛倩，劉方媛，周睿，楊宏志

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，大慶 163319）

黑木耳（Auricularia auricular）是我國重要的傳統(tǒng)藥食兼用保健型食用菌，其主要生物活性組分——黑木耳多糖，具有調(diào)節(jié)免疫力、降血脂、降血糖、抗?jié)?、抗凝血、抗腫瘤、抗衰老、抗肝炎、抗突變、抗輻射、抗氧化、增強腸胃功能、促進(jìn)血清蛋白生物合成和促進(jìn)淋巴細(xì)胞核酸生物合成等生理功效，備受國內(nèi)外廣泛關(guān)注[1-5]。

傳統(tǒng)黑木耳多糖浸提工藝的研究方法主要集中在熱水浸提法、酸浸提法、堿浸提法等方面。其中酸浸提法和堿浸提法易導(dǎo)致多糖水解、分子糖苷鍵斷裂、活性結(jié)構(gòu)破壞、多糖得率降低；熱水浸提法是一種經(jīng)典工藝，提取方法簡捷環(huán)保、成本低廉，多糖活性較高，但浸提次數(shù)多、收率低、周期較長[5-7]。新興工藝技術(shù)主要涉及到酶法、超微粉碎法、超聲波輔助法以及微波輔助浸提法等工藝技術(shù)[4-9]。但酶法生產(chǎn)成本相對較高，反應(yīng)條件相對苛刻；超微粉碎法耗能相對較高；微波輔助法周期短，但植物細(xì)胞組織破碎劇烈，體系反應(yīng)溫度無法控制，易導(dǎo)致多糖分子裂解；而超聲技術(shù)可產(chǎn)生空化效應(yīng)、熱效應(yīng)、機械效應(yīng)以及化學(xué)效應(yīng)等超聲協(xié)同效應(yīng)，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，加快溶質(zhì)擴散溶解滲透，具有簡便快捷、能耗低、效率高、時間短、提取率高、多糖活性較高等優(yōu)點，在植物活性成分提取方面已得到廣泛的應(yīng)用[10-11]。

因此，實驗以黑龍江省特色脫脂黑木耳微細(xì)粉為原料，通過超聲波輔助熱水浸提工藝技術(shù)，采用3 因素3 水平中心組合試驗設(shè)計及響應(yīng)面分析法，優(yōu)化制備了高得率黑木耳多糖，得出了超聲波輔助熱水浸提工藝效果的非線性回歸模型，旨在為黑木耳多糖新的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)和實際參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗原料和試劑

黑木耳：市售，產(chǎn)于黑龍江省伊春市，購于2012年9 月28 日。

葡萄糖、乙醇、正丁醇、三氯甲烷、苯酚、濃硫酸均為分析純 天津市大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)。

1.1.2 實驗儀器

FW100 型高速萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；JD1003B-3B 型電子分析天平 沈陽龍騰電子有限公司；DGG-9070A 型電熱鼓風(fēng)干燥機 上海森信實驗儀器有限公司；TDL80- 2B 型離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠；SHZW2C 型循環(huán)水式多用真空泵 河南鞏義市英峪儀器廠；RE-52A 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海精密科學(xué)儀器有限公司；2102PCS 型紫外-可見分光光度計 尤尼科（上海）儀器有限公司；JY92-Ⅱ型超聲波細(xì)胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司；冷凍真空干燥器 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 黑木耳多糖提取工藝

參考多糖提取相關(guān)文獻(xiàn)[4]，并進(jìn)行適當(dāng)修改。將黑木耳子實體依次清理去雜、55 ℃烘干、高速微細(xì)粉碎、脫脂等處理后，過150 目篩，制成黑木耳微細(xì)干粉。準(zhǔn)確稱取一定量的黑木耳細(xì)干粉，按照料液比為1∶36 比例加入一定量的蒸餾水，置于超聲波反應(yīng)槽中，調(diào)整超聲波功率、超聲提取時間和反應(yīng)槽水浴溫度進(jìn)行超聲提取。反應(yīng)結(jié)束后取出真空抽濾，濾渣用熱蒸餾水洗滌2 次，合并濾液。然后采用4 000 r·min-1離心分離10 min，取上清液測定多糖含量。合并上清液，減壓濃縮至1/4 體積，加入95%濃度乙醇，低溫（4 ℃）靜置過夜。然后將醇沉液離心分離（4 000 r·min-1，10 min），去上清液，沉淀中加50 mL 蒸餾水使其重新溶解，按1∶1 加入sevag 試劑[12]脫蛋白，然后在5 000 r·min-1下離心5 min，將上清液減壓濃縮至1/2體積后，冷凍干燥，制得黑木耳粗多糖。

1.2.2 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的的繪制

參考相關(guān)文獻(xiàn)[4，13]葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備方法。將葡萄糖配成不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在490 nm 波長下用分光光度計測定其吸光值，并繪出濃度-吸光值標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，得出葡萄糖含量（x）與吸光值（y）的關(guān)系式為：y=0.015 4x +0.002 4，方程擬合度R2= 0.999 4，n=7，線性關(guān)系良好。

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve of glucose

1.2.3 黑木耳多糖含量的測定[14]

采用苯酚-硫酸法測定黑木耳多糖的含量。

1.2.4 黑木耳多糖提取率的測定

多糖提取率（%）= 多糖質(zhì)量/子實體干重×100%。

1.2.5 中心組合試驗設(shè)計與響應(yīng)面分析

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Benhnken 的中心組合試驗設(shè)計原理[15]，固定料液比為1∶36，自然體系pH 條件下，選取浸提時間（Z1）、浸提溫度（Z2）以及超聲波功率（Z3）三個因素作為試驗因素，以黑木耳多糖提取率作為超聲波輔助強化黑木耳多糖熱水浸提效果的響應(yīng)值，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面分析試驗。確定三因素水平上限和下限，并對每一個因素的水平編碼，得到編碼表1，試驗方案及結(jié)果見表2。數(shù)據(jù)處理采用SAS8.2 統(tǒng)計軟件分析。

表1 中心組合試驗因素水平編碼表Table 1 Code of factors and levels

2 結(jié)果與分析

2.1 黑木耳多糖提取的結(jié)果分析

采用Box-Benhnken 的中心組合試驗設(shè)計，試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 中心組合試驗方案及結(jié)果Table 2 Results of experiments

以黑木耳多糖提取率為Y 值，得出浸提溫度、浸提時間以及超聲波功率的編碼值為自變量的三元二次回歸方程為：

Y =14.976 7 +0.13X1+1.327 5X2+0.252 5X3-0.755 8X12+0.33X1X2-1.301X22+0.45X1X3-0.18X3X2-0.560 8X32

對表2 數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3 所示：

表3 F 檢驗方差分析表Table 3 Results of F-test variance analysis

對回歸方程失擬性檢驗：F2＝3.49＜F0.05（3，2）＝19.16，差異不顯著。對回歸方程顯著性檢驗：F1＝89.77＞F0.01（9，5）＝10.16，差異極顯著。相關(guān)系數(shù)R2=S回/S總=0.993 8。由以上計算可知：該方程的顯著性水平為0.01，回歸方程與實際情況擬合較好。將中心處理公式及各因素編碼公式代入，得到欲求的回歸方程為：

從回歸方程各項方差檢驗可看出，方程的一次項、二次項和交互項的影響均達(dá)極顯著水平（p<0.01）。各因素對取代度影響的重要性依次為浸提溫度＞浸提時間＞超聲波功率。

2.2 交互效應(yīng)及響應(yīng)面分析

固定其中一個因素為0 水平（即編碼水平為xi=xj=0），通過降維分析，得到另外兩個因素對黑木耳多糖提取率的影響關(guān)系。以圖2 為例，令X2=0，得到浸提時間和超聲波功率交互效應(yīng)方程為：

采用相同的方法，可建立黑木耳多糖提取率與其他任意兩個因素間的交互效應(yīng)關(guān)系，其結(jié)果如圖2 所示：

圖2 浸提時間與超聲波功率對取代度影響的響應(yīng)面圖與等高線圖Fig. 2 Response surface graph and contour map of extraction time and ultrasound power on extraction yield

由圖2 可知，當(dāng)浸提時間處于編碼范圍值（-1，0.17），超聲波功率的編碼范圍值（-1，0.29）時，兩者存在顯著增效作用。當(dāng)浸提時間在編碼值為0.17，超聲波功率在編碼值為0.29 時，兩者協(xié)同作用達(dá)到最佳。當(dāng)提取溫度處于編碼范圍值（0.17，1），反應(yīng)時間的編碼范圍值（0.29，1）時，兩者對黑木耳多糖提取率有明顯的拮抗作用。

通過等高線的形狀可反映出兩者間交互效應(yīng)的強弱關(guān)系。等高線表明在同一橢圓性的區(qū)域里面，多糖提取率相同。在圖形中間的橢圓型區(qū)域里面，黑木耳多糖提取率最高；黑木耳多糖提取率由中心向兩邊逐漸降低。這主要是由于當(dāng)浸提溫度一定時，隨著超聲波功率的增加以及浸提時間的延長，高頻聲波可產(chǎn)生一系列空化效應(yīng)、熱效應(yīng)、機械效應(yīng)以及化學(xué)效應(yīng)等超聲協(xié)同效應(yīng)，加大體系物料運動速度，加劇界面分子間碰撞機率，促進(jìn)植物細(xì)胞壁破裂，加速目標(biāo)有效成分?jǐn)U散、溶解和釋放，生產(chǎn)周期縮短，浸提率提高[4]。但若體系長時間處于高頻電磁波輻照條件下，過高聲強易導(dǎo)致體系無用氣泡增加，散射衰減和非線性衰減程度上升，破壁作用減弱。同時超聲效益引起的過強機械攪拌剪切作用，可導(dǎo)致多糖大分子結(jié)構(gòu)破壞分子糖苷鍵斷裂[5，9-10]，非糖雜質(zhì)溶出，提取液色深粘稠，產(chǎn)物生物活性大大減弱，體系多糖浸出率反而大大降低。

2.3 提取工藝參數(shù)的優(yōu)化與驗證

采用3 因素2 次旋轉(zhuǎn)回歸設(shè)計，SAS8.2 統(tǒng)計分析軟件分析，試驗結(jié)果見表4：

表4 提取工藝參數(shù)優(yōu)化值及驗證結(jié)果Table 4 Result and optimal value of extraction technological parameter

由表4 可見：黑木耳多糖提取的最佳工藝條件為浸提時間21.4 min，浸提溫度75.3 ℃，超聲波功率325 W，黑木耳多糖理論提取率最大為15.38%，實測取代度最大值為15.28%，實測均值與理論預(yù)測值誤差率為0.8%＜1%，說明回歸模型擬和性較好。

2.4 不同實驗結(jié)果比較分析

將本實驗結(jié)果數(shù)據(jù)與相關(guān)文獻(xiàn)實驗報道數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如表5 可見：

表5 黑木耳多糖提取工藝方法實驗結(jié)果對比表Table 5 Comparison on extraction technology of auricular polysaccharide

由表5 可見，采用超聲波輔助熱水浸提黑木耳多糖工藝方法，其多糖提取率（15.28%）高于傳統(tǒng)水提醇沉工藝方法（5.12%～14.06%），與超微粉碎技術(shù)結(jié)合酸法工藝多糖提取率相當(dāng)（15.78%），略低于先超聲處理后沸水浴長時浸提法以及超微粉碎技術(shù)結(jié)合超聲波協(xié)同纖維素酶提取工藝多糖提取率（16.59%和16.98%），但考慮到提取工藝周期、生態(tài)保護、能耗、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品活性以及工藝繁簡等因素，本實驗方法具有破碎效果好、提取生產(chǎn)周期短、不破壞分子結(jié)構(gòu)、無環(huán)境污染、成本低廉、高效、工藝簡捷以及有利于大規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)等優(yōu)點而更具優(yōu)勢。

3 結(jié)論

3.1 超聲波輔助熱水浸提黑木耳多糖工藝過程中，各因素對黑木耳多糖提取率影響的重要性依次為浸提溫度＞浸提時間＞超聲波功率。

3.2 采用Box-Benhnken 的中心組合試驗設(shè)計及響應(yīng)面分析法，超聲波輔助熱水浸提黑木耳多糖的最佳提取工藝條件為浸提時間21.4 min，浸提溫度75.3 ℃，超聲波功率325 W，黑木耳多糖提取率最大值為15.28 %。

3.3 得出了浸提溫度、浸提時間和超聲波功率三因素對黑木耳多糖提取率影響的回歸模型為：

Y=-65.555+0.500 3Z1+1.875 9Z2+0.030 6Z3-0.030 2Z12+0.006 6Z1Z2-0.013Z22+0.000 9Z1Z3-0.000 2Z3Z2-0.000 1Z32

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