微波輔助提取雪蓮果中低聚果糖的工藝優(yōu)化

鄧加聰，徐慧詮，鄭虹，張文森，倪麗丹（福建師范大學(xué)福清分校生物與化學(xué)工程系，福建福清350300）

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微波輔助提取雪蓮果中低聚果糖的工藝優(yōu)化

鄧加聰，徐慧詮，鄭虹，張文森，倪麗丹
（福建師范大學(xué)福清分校生物與化學(xué)工程系，福建福清350300）

摘要：雪蓮果作為試驗材料，利用微波輔助提取法對雪蓮果中的低聚果糖進行提取。在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用正交試驗設(shè)計，對雪蓮果中低聚果糖的提取工藝進行優(yōu)化，獲得其最佳的提取工藝參數(shù)為微波時間180 s，微波功率700 W，提取溫度90℃，提取時間80min，液料比40∶1（mL/g）。在此條件下，微波輔助提取低聚果糖的提取率為51.33 %，比未優(yōu)化前38.56%的提取率提高了0.33倍。

關(guān)鍵詞：雪蓮果；低聚果糖；微波輔助提取

雪蓮果原產(chǎn)于南美洲委內(nèi)瑞拉的一種多年生草本植物[1]，雪蓮果全身是寶，植株本身可以是飼料的原料，葉片與花瓣可以用來泡茶，果實的營養(yǎng)價值較高，不僅可以生吃、配菜，還可以加工成果脯、果醬、飲料等[2-3]。雪蓮果能夠清涼退火、清熱解毒，具有降低血壓血脂、美容養(yǎng)顏的功效[4]。

低聚果糖是一種很難被人體所消化的水溶性膳食纖維，能夠調(diào)理胃腸道功能、促進消化，低聚果糖還具有清熱降火、潤腸通便、防治痘痘、提高人體免疫力等多種功效，廣泛應(yīng)用于食品、保健品等行業(yè)。此外，低聚果糖可部分代替抗生素，它在飼料、醫(yī)藥、植保等方面均有較好的發(fā)展前景，將成為一種“綠色”的飼料添加劑[5-7]。

目前在工業(yè)大批量生產(chǎn)中，低聚果糖主要是利用酶法進行生產(chǎn)，但是這種方法消耗大，成本較高，因此從低聚果糖含量較高的植物中直接提取成為一種趨勢。雪蓮果是低聚果糖含量最高的植物[8-9]。雪蓮果中低聚果糖的提取方法主要有水浴提取法、勻漿輔助提取法、超聲波輔助提取法和微波輔助提取法[10-14]。

微波輔助提取法則是一種從里向外加熱的方法，微波通過偶極子轉(zhuǎn)動和離子遷移兩種方式作用，有選擇性地對體系中的不同物質(zhì)進行加熱，直接從物料中分離出有效成分的方法[15]。微波提取技術(shù)是發(fā)展?jié)摿Υ螅瑢奶烊划a(chǎn)物中有效成分進行提取有較高選擇性，并具有提取率高、省時省力、重現(xiàn)性好等特點[16-17]，多種植物成分的提取中應(yīng)用廣泛。

本文首先進行微波時間、微波功率、液料比、提取時間、提取溫度五個因素的單因素試驗，再根據(jù)其結(jié)果設(shè)計正交試驗，對利用微波輔助提取法對雪蓮果中低聚果糖的提取工藝參數(shù)進行優(yōu)化，為雪蓮果低聚果糖的大批量生產(chǎn)提供了參考。

1材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮雪蓮果：購自福清市沃爾瑪超市；葡萄糖、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、3，5-二硝基水楊酸、苯酚、濃硫酸、亞硫酸氫鈉等試劑均為分析純。

DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實驗設(shè)備有限公司；WD800B微波爐：格蘭仕有限公司；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋：江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；722S可見分光光度計：上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2方法

1.2.1工藝流程

新鮮雪蓮果→清洗，去皮，切碎→烘干（60℃）→粉碎→稱量→微波預(yù)處理→恒溫水浴提取→過濾→定容→測量

1.2.2微波輔助提取條件的確定

影響微波輔助提取的因素有微波功率、微波時間、提取溫度、提取時間、液料比。

1.2.2.1微波功率對雪蓮果低聚果糖提取率的影響

以微波功率為變量（100、150、400、550、700 W），控制其他試驗條件不變（提取溫度：80℃，提取時間：60 min，液料比：50∶1 mL/g，微波時間：180 s）進行試驗，以確定最優(yōu)微波功率。

1.2.2.2微波時間對雪蓮果低聚果糖提取率的影響

以微波時間為變量（120、150、180、210、240 s），控制其他試驗條件不變（提取溫度：80℃，提取時間：60 min，液料比：50∶1 mL/g，微波功率：550 W）進行試驗，以確定最優(yōu)微波時間。

1.2.2.3提取溫度對雪蓮果低聚果糖提取率的影響

以提取溫度為變量（60、70、80、90、100℃），控制其他試驗條件不變（提取時間：60min，液料比：50∶1mL/g，微波功率：550 W，微波時間：180 s）進行試驗，以確定最優(yōu)提取溫度。

1.2.2.4提取時間對雪蓮果低聚果糖提取率的影響

以提取時間為變量（20、40、60、80、100 min），控制其他試驗條件不變（提取溫度：80℃，液料比：50∶1，微波功率：550 W，微波時間：180 s）進行試驗，以確定最優(yōu)提取時間。

1.2.2.5液料比對雪蓮果低聚果糖提取率的影響

以液料比為變量[30∶1、40∶1、50∶1、60∶1、70∶1（mL/g）]，控制其他試驗條件不變（提取溫度：80℃，提取時間：60 min，微波功率：550 W，微波時間：180 s）進行試驗，以確定最優(yōu)液料比。

1.2.3正交試驗設(shè)計

以微波功率、微波時間、提取溫度、提取時間、液料比為試驗因素，設(shè)計五因素三水平的正交試驗，選用L18（37）正交表進行試驗分析，其中F、G兩列為空白列，各因素的水平參照單因素試驗結(jié)果，正交表如表1。

表1正交設(shè)計試驗的因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal design experiments

1.2.4雪蓮果還原糖、總糖含量的測定

還原糖、總糖含量的測定采用DNS比色法[18]。

雪蓮果中低聚果糖提取率的計算：

2結(jié)果與分析

2.1單因素試驗對雪蓮果低聚果糖提取率的影響

2.1.1微波功率對雪蓮果低聚果糖提取率的影響

微波功率對雪蓮果低聚果糖提取率的影響見圖1。

圖1微波功率對雪蓮果低聚果糖提取率的影響Fig.1 Effect of microwave power on extraction of yacon FOS

由圖1可知，微波功率在100 W至550 W之間時，低聚果糖的提取率隨微波功率提高而明顯增大，微波功率達到700 W時，低聚果糖提取率又有所下降。這是由于微波輔助作用通過偶極子轉(zhuǎn)動和離子遷移兩種方式從內(nèi)向外加熱，選擇性地對雪蓮果細胞分子中的不同物質(zhì)進行加熱，使低聚果糖直接從細胞中分離出來，在一定范圍內(nèi)微波功率越高，提取率越高，之后由于溶液中不同物質(zhì)含量過高而阻礙了低聚果糖的溶出，導(dǎo)致低聚果糖提取率降低。故微波輔助提取法的最優(yōu)微波功率在400 W至700 W之間。

2.1.2微波時間對雪蓮果低聚果糖提取率的影響

微波時間對雪蓮果低聚果糖提取率的影響見圖2。

圖2微波時間對雪蓮果低聚果糖提取率的影響Fig.2 Effect of microwave time on extraction of yacon FOS

由圖2可知，微波時間在120 s至180 s之間，隨著時間的增加，提取率是明顯增大的，這是由于微波對植物細胞壁的破壞作用隨著時間的增加而逐漸增強，因而有助于多糖成分的溶解釋放。180 s后，多糖的提取率卻不再隨時間增加而增大，幾乎持平，這主要是因為微波作用使細胞中其他物質(zhì)也大量溶出，對多糖成分向溶劑的擴散釋放起到阻礙效果。因此最優(yōu)微波時間選擇在120 s至180 s之間。

2.1.3提取溫度對雪蓮果低聚果糖提取率的影響

提取溫度對雪蓮果低聚果糖提取率的影響見圖3。

圖3提取溫度對雪蓮果低聚果糖提取率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction of yacon FOS

由圖3可知，提取溫度逐步提升過程中，在未達到80℃之前，隨著溫度的提高，提取率也逐漸增大，但是提取溫度超過80℃之后，提取率逐漸下降。這是因為高溫會引起多糖成分化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，使之分解。因此最優(yōu)提取溫度選擇在70℃~90℃之間。

2.1.4提取時間對雪蓮果低聚果糖提取率的影響

提取時間對雪蓮果低聚果糖提取率的影響見圖4。

由圖4可知，提取率隨提取時間的增加而呈現(xiàn)上升趨勢。20 min至60 min之間的提取率隨時間增加而明顯增大，60 min之后提取率的增加趨勢減緩而不明顯，從節(jié)能角度考慮，最優(yōu)提取時間在40 min至80 min之間。

圖4提取時間對雪蓮果低聚果糖提取率的影響Fig.4 Effect of extraction time on the extraction of yacon FOS

2.1.5液料比對雪蓮果低聚果糖提取率的影響

料液比對雪蓮果低聚果糖提取率的影響見圖5。

圖5液料比對雪蓮果低聚果糖提取率的影響Fig.5 Effect of ratio of liquid to meterial on extraction of yacon FOS

由圖5可知，隨著液料比的逐漸增大，提取率也隨之增大。但是在液料比大于50∶1（mL/g）之后，提取率的增大幅度明顯變緩，這是由于液料比在50∶1（mL/g）時，植物細胞中的多糖已大部分溶出，即液料比在50∶1（mL/g）左右時提取率已達到最高值，從經(jīng)濟方面入手，則最優(yōu)液料比在30∶1至50∶1（mL/g）之間。

2.2微波輔助提取法正交試驗結(jié)果

根據(jù)微波功率、微波時間、提取溫度、提取時間、液料比這五個因素的單因素試驗結(jié)果，設(shè)計五因素三水平的正交試驗，選用L18（37）正交表進行試驗分析，其中F、G兩列為空白列，結(jié)果見表2、表3。

表2正交試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental design and results

續(xù)表2正交試驗設(shè)計與結(jié)果Continue table 2 Orthogonal experimental design and results

表3正交試驗的方差分析Table 3 Variance Analysis of orthogonal experiment

由表2可知，根據(jù)R值的差異，五個因素對雪蓮果低聚果糖提取率的影響力：B>D>C>A>E，即微波功率B對雪蓮果低聚果糖的提取率影響力最大，提取時間D對其影響次之，而提取溫度C、微波時間A、液料比E對提取率的影響則相對不明顯，而最佳提取的參數(shù)組合為A3B3C3D3E2，即微波時間選擇180 s，微波功率選擇700 W，提取溫度選擇90℃，提取時間選擇80min，液料比選擇40∶1（mL/g）。

由表3可知，微波功率B的F值達到極顯著水平，提取時間D的F值達到顯著水平，而提取溫度C、微波時間A的F值未達到顯著水平但是接近顯著水平，液料比E的F值未達到顯著水平。

2.3驗證試驗結(jié)果與分析

由正交試驗分析可知，利用微波輔助法提取雪蓮果低聚果糖的最優(yōu)組合為：微波時間180 s，微波功率700 W，提取溫度90℃，提取時間80 min，液料比40∶1（mL/g）。以此參數(shù)及未優(yōu)化前[微波時間180 s，微波功率400 W，提取溫度80℃，提取時間60 min，液料比50∶1（mL/g）]的提取參數(shù)進行實驗，比較優(yōu)化前后，雪蓮果低聚果糖提取率的變化。結(jié)果見表4。

表4優(yōu)化前后低聚果糖提取率的比較Table 4 Compared to extraction of yacon FOS before and after optimization

由表4可知，優(yōu)化前后，雪蓮果中低聚果糖的提取率提高了0.33倍。同時發(fā)現(xiàn)采用微波輔助提取的方法進行雪蓮果低聚果糖的提取，其提取率明顯高于其他提取方法（水浴提取法3.46 %[8]；勻漿輔助提取法6.25 %[11]；超聲輔助提取法4.257 %[12]）。

3　結(jié)論

以雪蓮果為試驗材料，采用微波輔助法提取雪蓮果中的低聚果糖，通過對微波時間、微波功率、液料比、提取時間、提取溫度5個因素進行單因素試驗；在單因素試驗的基礎(chǔ)上，進行正交設(shè)計試驗，最終確定試驗條件的最優(yōu)組合為：微波時間180 s，微波功率100 %高火，提取溫度90℃，提取時間80 min，液料比40∶1（mL/g），在該工藝參數(shù)下的低聚果糖提取率可高達51.33 %，比未優(yōu)化前38.56 %的提取率提高了0.33倍。該工藝具有提取率高、操作簡便等優(yōu)點，為雪蓮果低聚果糖大規(guī)模生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)和參考。

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The Process Optimization on the Extraction of Fructo-oligosaccharides from Yacon by Microwave-assisted Extraction

DENG Jia-cong，XU Hui-quan，ZHENG Hong，ZHANG Wen-sen，NI Li-dan
（Biology and Chemistry Engineering Department，F(xiàn)uqing Branch of Fujian Normal University，F(xiàn)uqing 350300，F(xiàn)ujian，China）

Abstract：The process on the extraction of fructo-oligosaccharides from yacon was studied using microwave assisted extraction method. On the basis of single factor experiment，the extraction of fructo-oligosaccharides from yacon were optimized by the orthogonal experimental design .The results showed that the optimal conditions were microwave time 180 s，microwave power 700 W，extraction temperature 90℃，extraction time 80 min，liquid material ratio 40∶1 mL/g. Under optimization conditions，the extraction rate of microwave assisted extraction of oligosaccharide fructose was 51.33 %，and the extraction rate was 0.33 times more than 38.56 % of before optimization.

Key words：yacon；fructo-oligosaccharides；microwave-assisted extraction

收稿日期：2014-08-04

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.01.023

作者簡介：鄧加聰（1981—），男（漢），副教授，在職博士生，研究方向：微生物篩選及發(fā)酵優(yōu)化。

基金項目：福建省自然科學(xué)基金項目（2015J01132）；福建省教育廳中青年教師項目（JA15569）；福建省教育廳中青年教師教育科研項目（JA11285）