間歇式超聲輔助金針菇菇根多糖提取工藝研究

張明，李新勝，馬超，王朝川，孟曉峰

（中華全國供銷合作總社濟(jì)南果品研究院，山東濟(jì)南250014）

間歇式超聲輔助金針菇菇根多糖提取工藝研究

張明，李新勝*，馬超，王朝川，孟曉峰

（中華全國供銷合作總社濟(jì)南果品研究院，山東濟(jì)南250014）

采用間歇式超聲輔助提取金針菇菇根多糖，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化金針菇菇根多糖提取工藝條件。結(jié)果表明，影響金針菇菇根多糖得率的工藝因素按主次順序排列為后段超聲時(shí)間（C）＞恒溫提取時(shí)間（B）＞前段超聲時(shí)間（A）。確定金針菇菇根多糖最佳提取工藝條件為提取液pH5，料液比1∶30（g/mL），提取溫度90℃，超聲功率400 W，前段超聲時(shí)間20 min，恒溫提取時(shí)間130 min，后段超聲時(shí)間23 min，在此最佳條件下，多糖得率為7.24%。在超聲時(shí)間和恒溫提取時(shí)間相同條件下，該方式多糖得率比“前超聲輔提+恒溫提取”方式和“恒溫提取+后超聲輔提”方式分別提高6.3%和5.6%，比直接恒溫水浴提取提高12.76%。

金針菇菇根；多糖；間歇式超聲輔提；響應(yīng)面

金針菇（Flammulina velutipes）又名冬菇、樸菇、構(gòu)菌、青杠菌、毛柄金錢菌，隸屬擔(dān)子菌亞門，層菌綱，傘菌目，口蘑科，金錢菌屬[1]。金針菇菇根是工廠化金針菇生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，約占原料的30%～40%[2]。金針菇菇根營養(yǎng)豐富，據(jù)測定，每100 g干金針菇菇根中含蛋白質(zhì)16.99 g，總糖11.4 g，干物質(zhì)46.7 g，并含有豐富的維生素和礦物質(zhì)[3]。多糖是金針菇菇根中主要的生物活性成分，具有增強(qiáng)免疫力、降低膽固醇、抗衰老、抑制腫瘤等多種功效[4-7]。由于缺乏相關(guān)加工技術(shù)，這些副產(chǎn)物資源通常被作為肥料、飼料或被直接丟棄，不僅造成了資源的極大浪費(fèi)，同時(shí)污染環(huán)境[8]。目前常用的多糖提取方法有熱水浸提法、酸浸提法、堿浸提法、微波輔助提取法以及酶輔助提取法等[9]，尤以熱水浸提法應(yīng)用最為普遍，在水提多糖過程中，溶劑滲入和多糖溶出效率緩慢，提取效率低。因此，本文從提高多糖提取效率、增加多糖提取得率的角度出發(fā)，采用超聲波輔助提取金針菇菇根多糖，區(qū)別于傳統(tǒng)連續(xù)式超聲輔提工藝，創(chuàng)新性采用“前段超聲+恒溫浸提+后段超聲”模式的間歇式超聲輔提工藝，充分結(jié)合熱水浸提和超聲波提取技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化了金針菇菇根多糖的間歇式超聲輔助提取工藝，確定了最佳工藝參數(shù)，旨在為金針菇菇根多糖提取及金針菇菇根資源的高效利用提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

金針菇菇根粉，將干金針菇菇根（由高密市惠德農(nóng)產(chǎn)品有限公司提供）粉碎，過100目篩。UV-1800型紫外可見分光光度計(jì)：上海美譜達(dá)儀器有限公司；pHS-3C雷磁pH計(jì)：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；KQ-250B超聲波設(shè)備：昆山市超聲儀器有限公司；HH-4恒溫水浴鍋：江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司。

1.2 方法

1.2.1 多糖含量的測定

按照NY/T 1676-2008《食用菌中粗多糖含量的測定》所述方法進(jìn)行多糖含量測定。

多糖提取得率/%=提取液中多糖總質(zhì)量（g）/樣品質(zhì)量（g）×100

1.2.2 金針菇菇根多糖直接水提工藝的單因素試驗(yàn)

1.2.2.1 料液比對(duì)多糖得率的影響

準(zhǔn)確稱取5 g金針菇菇根粉數(shù)份，分別按料液比1 ∶20、1 ∶30、1 ∶40、1 ∶50（g/mL）加入蒸餾水，置于恒溫水浴鍋中，在60℃恒溫條件下靜置90 min，取出冷卻，測定多糖提取得率。

1.2.2.2 提取溫度對(duì)多糖得率的影響

準(zhǔn)確稱取5 g金針菇菇根粉數(shù)份，分別按料液比1∶30（g/mL）加入蒸餾水，置于恒溫水浴鍋，恒溫提取60 min，提取溫度分別為 60、70、80、90、100 ℃，取出冷卻，測定多糖提取得率。

1.2.2.3 料液pH對(duì)多糖得率的影響

準(zhǔn)確稱取5 g金針菇菇根粉數(shù)份，分別按料液比1 ∶30（g/mL）加入蒸餾水，將 pH 分別調(diào)至 3、4、5、6、7，置于恒溫水浴鍋中，在60℃恒溫條件下靜置90 min，取出冷卻，測定多糖提取得率。

1.2.3 間歇式超聲輔助金針菇菇根多糖提取單因素試驗(yàn)

1.2.3.1 前段超聲時(shí)間對(duì)多糖得率的影響

準(zhǔn)確稱取5 g金針菇菇根粉數(shù)份，分別按料液比1∶30（g/mL）加入蒸餾水，置于超聲提取設(shè)備中，提取溫度90℃，超聲功率400 W，前段超聲時(shí)間分別為5、10、15、20、25、30 min，取出后置于恒溫水浴鍋中，90℃條件下恒溫提取60 min，然后置于超聲提取設(shè)備中，與前超聲相同條件下提取10 min，取出冷卻，測定多糖提取得率。

1.2.3.2 恒溫時(shí)間對(duì)多糖得率的影響

準(zhǔn)確稱取5 g金針菇菇根粉數(shù)份，分別按料液比1∶30（g/mL）加入蒸餾水，置于超聲提取設(shè)備中，提取溫度90℃，超聲功率400 W，前段超聲時(shí)間10 min，取出后置于恒溫水浴鍋中，90℃條件下分別恒溫提取60、80、100、120、140、160、180、200 min，然后置于超聲提取設(shè)備中，與前超聲相同條件下提取10 min，取出冷卻，測定多糖提取得率。

1.2.3.3 后段超聲時(shí)間對(duì)多糖得率的影響

準(zhǔn)確稱取5 g金針菇菇根粉數(shù)份，分別按料液比1∶30（g/mL）加入蒸餾水，置于超聲提取設(shè)備中，提取溫度90℃，超聲功率400 W，前段超聲時(shí)間10 min，取出后置于恒溫水浴鍋中，90℃條件下恒溫提取60 min，然后置于超聲提取設(shè)備中，與前超聲相同條件下分別提取 5、10、15、20、25、30 min，取出冷卻，測定多糖提取得率。

1.2.4 間歇式超聲輔助金針菇菇根多糖提取的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取前段超聲時(shí)間、恒溫提取時(shí)間、后段超聲時(shí)間3個(gè)變量，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面因素水平編碼表Table 1 Factors and levers of response surface test

1.2.5 回歸模型驗(yàn)證和對(duì)比試驗(yàn)

按照Design Expert 8.0給出的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，重復(fù)3次。對(duì)總超聲提取時(shí)間和恒溫提取時(shí)間進(jìn)行合理組合，并結(jié)合最優(yōu)參數(shù)結(jié)果設(shè)置3組對(duì)照試驗(yàn)①先進(jìn)行超聲提取，再進(jìn)行恒溫提取，提取時(shí)間依據(jù)最優(yōu)參數(shù)。②先進(jìn)行恒溫提取，再進(jìn)行超聲提取，提取時(shí)間依據(jù)最優(yōu)參數(shù)。③無超聲波輔助，只進(jìn)行恒溫提取，提取時(shí)間依據(jù)最優(yōu)參數(shù)。

1.3 處理與分析

響應(yīng)曲面模型設(shè)計(jì)和顯著性等分析通過Design Expert軟件進(jìn)行，系數(shù)的顯著性通過Student t檢驗(yàn)和P值進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 金針菇菇根直接水提工藝研究

2.1.1 料液比對(duì)多糖得率的影響

不同料液比對(duì)多糖得率的影響見圖1。

圖1 不同料液比對(duì)多糖得率的影響Fig.1 Effect of different solid-liquid ratio on the yield of polysaccharides

如圖 1 所示，在 1 ∶20（g/mL）至 1 ∶50（g/mL）范圍內(nèi)，隨著加水量的增加，多糖得率先上升后逐漸趨于平穩(wěn)，當(dāng)料液比1∶30（g/mL）時(shí)多糖得率最高。由擴(kuò)散定律可知，隨著溶劑添加量的增加，多糖溶出量也相應(yīng)增加；而隨著原料中多糖含量的減少，導(dǎo)致體系濃度差減小，擴(kuò)散速率降低，并逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)[10]。因此，本試驗(yàn)選取料液比為1∶30（g/mL）。

2.1.2 提取溫度對(duì)多糖得率的影響

不同提取溫度對(duì)多糖得率的影響見圖2。

圖2 不同提取溫度對(duì)多糖得率的影響Fig.2 Effect of different extraction temperature on the yield of polysaccharides

如圖2所示，在60℃～100℃范圍內(nèi)，隨著提取溫度的增加，多糖得率逐漸上升，90℃時(shí)達(dá)到最大值，隨后趨于平穩(wěn)。因此，本試驗(yàn)選取提取溫度為90℃。

2.1.3 料液pH值對(duì)多糖得率的影響

不同pH值對(duì)多糖提取得率的影響見圖3。

圖3 不同pH值對(duì)多糖得率的影響Fig.3 Effect of different pH on the yield of polysaccharides

如圖3所示，pH值對(duì)金針菇菇根多糖的提取得率影響顯著，在pH2～8范圍內(nèi)，多糖提取得率呈現(xiàn)先緩慢上升，后迅速下降，并逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢。當(dāng)pH值為5時(shí)多糖得率最高。因此，本試驗(yàn)選擇提取pH值為5。

2.2 間歇式超聲輔助提取金針菇菇根多糖工藝研究

2.2.1 前段超聲時(shí)間對(duì)多糖得率的影響

前段超聲時(shí)間對(duì)多糖得率的影響見圖4。

圖4 不同前段超聲時(shí)間對(duì)多糖得率的影響Fig.4 Effects of different front ultrasonic time on the yield of polysaccharides

由圖4可知，在恒溫提取和后超聲處理相同條件下，隨著前段超聲時(shí)間的延長，多糖得率呈先上升后緩慢下降并逐漸平穩(wěn)的趨勢，當(dāng)前段超聲時(shí)間為20 min時(shí)，多糖得率最高。因此，初步選擇最佳前段超聲時(shí)間為20 min。

2.2.2 恒溫提取時(shí)間對(duì)多糖得率的影響

不同恒溫提取時(shí)間對(duì)多糖得率的影響結(jié)果見圖5。

圖5 不同恒溫提取時(shí)間對(duì)多糖得率的影響Fig.5 Effects of different thermostat extraction time on the yield of polysaccharides

由圖5可以看出，在前超聲和后超聲處理相同條件下，在0～120 min內(nèi)，隨著恒溫提取時(shí)間的延長，多糖提取得率逐漸升高，120 min后逐漸趨于平穩(wěn)，并略有下降。這主要是由于長時(shí)間的高溫處理，使某些多糖結(jié)構(gòu)遭到破壞。因此，初步確定最佳恒溫提取時(shí)間為120 min。

2.2.3 后段超聲時(shí)間對(duì)多糖得率的影響

不同后段超聲時(shí)間對(duì)多糖得率的影響見圖6。

由圖6可知，在前超聲和恒溫提取處理相同條件下，隨著后段超聲時(shí)間的延長，多糖得率呈先上升后緩慢下降的趨勢，當(dāng)后段超聲時(shí)間為20 min時(shí)，多糖得率最高。因此，初步選擇最佳后段超聲時(shí)間為20 min。

2.3 Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)

2.3.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

圖6 不同后段超聲時(shí)間對(duì)多糖得率的影響Fig.6 Effects of different after ultrasonic time on the yield of polysaccharides

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Response surface and results

2.3.2 擬合模型的建立

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，獲得二元多次回歸方程：Y=7.21+0.043A+0.055B+0.15C-0.058AB+0.007 5AC-0.018BC-0.12A2-0.046B2-0.15C2

式中：Y為多糖得率；A為前段超聲時(shí)間，min；B為恒溫提取時(shí)間，min；C為后段超聲時(shí)間，min。

2.3.3 擬合方程方差分析

對(duì)模型的方差分析結(jié)果見表3。

分析結(jié)果表明，對(duì)金針菇菇根多糖得率所建立的二次多項(xiàng)式模型具有高度顯著性（P＜0.000 3），方程負(fù)相關(guān)系數(shù)的平方（R2）為0.964 0，失擬項(xiàng)不顯著（P=0.5800），R2adj=0.9177，說明建立的模型能夠解釋91.77%響應(yīng)值的變化，能很好的描述間歇式超聲輔助金針菇菇根多糖提取過程中多糖得率隨提取條件的變化規(guī)律，可以用此模型對(duì)多糖得率進(jìn)行分析和預(yù)測。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

由表3可知，間歇式超聲輔助提取金針菇菇根多糖的工藝參數(shù)中，影響多糖得率的因素按主次順序排列為后段超聲時(shí)間（min）＞恒溫提取時(shí)間（min）＞前段超聲時(shí)間（min）。在所選各因素水平范圍內(nèi)，A、B、C、AB、A2、B2、C2對(duì) Y 的影響顯著。由此可見，試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響不呈簡單的線性關(guān)系，交互項(xiàng)和二次項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值也有較大的影響作用。

前段超聲時(shí)間與恒溫提取時(shí)間的響應(yīng)面圖見圖7。

圖7 前段超聲時(shí)間與恒溫提取時(shí)間的響應(yīng)面圖Fig.7 The response surface plot of front ultrasonic extraction time and thermostat extraction time

圖7顯示后段超聲時(shí)間最佳為22.44 min時(shí)，前段超聲時(shí)間與恒溫提取時(shí)間對(duì)多糖得率的影響。當(dāng)把恒溫提取時(shí)間固定在120 min，隨前段超聲時(shí)間的增加，在試驗(yàn)范圍內(nèi)多糖得率先增加后減少，在20 min～25 min附近達(dá)到峰值。當(dāng)把前段超聲時(shí)間固定在20 min，隨恒溫提取時(shí)間的升高在試驗(yàn)范圍內(nèi)多糖得率持續(xù)增加，在120 min～140 min附近達(dá)到峰值。

前段超聲時(shí)間與后段超聲時(shí)間的響應(yīng)面圖見圖8。

圖8 前段超聲時(shí)間與后段超聲時(shí)間的響應(yīng)面圖Fig.8 The response surface plot of front ultrasonic extraction time and after ultrasonic extraction time

圖8顯示恒溫提取時(shí)間最佳為128.92 min時(shí)，前段超聲時(shí)間與后段超聲時(shí)間對(duì)多糖得率的影響。當(dāng)把前段超聲時(shí)間固定在20 min，隨前段超聲時(shí)間的增加，在試驗(yàn)范圍內(nèi)多糖得率先增加后減少，在20 min～25 min附近達(dá)到峰值。當(dāng)把后段超聲時(shí)間固定在23 min，隨恒溫提取時(shí)間的升高在試驗(yàn)范圍內(nèi)多糖得率先升高后降低，在20 min～25 min附近達(dá)到峰值。

恒溫提取時(shí)間與后段超聲時(shí)間的響應(yīng)面圖見圖9。

圖9 恒溫提取時(shí)間與后段超聲時(shí)間的響應(yīng)面圖Fig.9 The response surface plot of thermostat extraction time and after ultrasonic extraction time

圖9顯示前段超聲時(shí)間最佳值為20.44 min時(shí)，恒溫提取時(shí)間與后段超聲時(shí)間對(duì)多糖得率的影響。當(dāng)把恒溫提取時(shí)間固定在120 min，隨后段超聲時(shí)間的增加，在試驗(yàn)范圍內(nèi)多糖得率先增加后減少，在20 min～25 min附近達(dá)到峰值。當(dāng)把后段超聲時(shí)間固定在20 min，隨恒溫提取時(shí)間的升高在試驗(yàn)范圍內(nèi)多糖得率持續(xù)增加，在120 min～140 min附近達(dá)到峰值。

2.3.4 驗(yàn)證與對(duì)比試驗(yàn)

通過Design Expert 8.0.6分析得到間歇式超聲輔助金針菇菇根多糖最佳提取條件為前段超聲時(shí)間20.44 min、恒溫提取時(shí)間128.92 min、后段超聲時(shí)間22.44 min，在此條件下多糖得率的預(yù)測值為7.262%。為檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，根據(jù)最優(yōu)條件進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，為方便實(shí)際操作，選取前段超聲時(shí)間20 min、恒溫提取時(shí)間130 min、后段超聲時(shí)間23 min，在此條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，實(shí)際測得多糖得率為7.240%，與模型預(yù)測值基本一致，充分說明了該模型能夠較好地模擬和預(yù)測金針菇菇根多糖的間歇式超聲輔助提取條件與多糖得率之間的關(guān)系，同時(shí)也說明了間歇式超聲輔助工藝參數(shù)的可行性。不同提取方式對(duì)多糖得率的影響見表4。

表4 不同提取方式對(duì)多糖得率的影響Table 4 Effect of different extraction methods on polysaccharide yield

由表4可知，在超聲時(shí)間和恒溫提取時(shí)間相同條件下，間歇式超聲輔提工藝的多糖得率比“超聲輔提+恒溫提取”和“恒溫提取+超聲輔提”分別提高6.3%和5.6%，比直接恒溫水浴提取提高12.76%。

3 結(jié)論

本研究針對(duì)傳統(tǒng)真菌多糖提取方式存在的提取效率低、固液擴(kuò)散差、提取時(shí)間長、能耗大等突出問題，采用間歇式超聲輔助提取金針菇菇根多糖，通過單因素試驗(yàn)和Box-Benhnken的中心組合設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，得到影響金針菇菇根多糖得率的工藝因素按主次順序排列為后段超聲時(shí)間（C）＞恒溫提取時(shí)間（B）＞前段超聲時(shí)間（A）。最終確定最佳提取工藝條件為提取溫度 90 ℃、提取液 pH5，料液比 1 ∶30（g/mL），超聲功率400 W，前段超聲時(shí)間20 min，恒溫提取時(shí)間130 min，后段超聲時(shí)間23 min，在此最佳條件下，多糖得率為7.24%。在超聲時(shí)間和恒溫提取時(shí)間相同條件下，比“前超聲輔提+恒溫提取”方式和“恒溫提取+后超聲輔提”方式分別提高6.3%和5.6%，比直接恒溫水浴提取提高12.76%。

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Study on Optimization of Intermittent Ultrasonic Assisted Extraction of Polysaccharide from Base of Flammulina velutipes Root

ZHANG Ming，LI Xin-sheng*，MA Chao，WANG Chao-chuan，MENG Xiao-feng
（Jinan Fruit Research Institute，China Supply and Marketing Cooperatives，Jinan 250014，Shandong，China）

Polysaccharide in base of Flammulina velutipes root was extracted with the assistance of intermittent ultrasonic.By single factor experiment and response surface design in optimizing the Flammulina velutipes root polysaccharides extraction conditions.The results showed，polysaccharide yield was most significantly affected by extraction after ultrasonic time，followed by thermostat extraction time and front ultrasonic time.An optimum polysaccharide yield of 7.24%（on the basis of Flammulina velutipes root powder）were obtained when Flammulina velutipes root was treated with pH5，solid-liquid ratio 1∶30（g/mL），extraction temperature 90℃，ultrasonic power 400 W，front ultrasonic time 20 min，thermostat extraction time 130 min，after ultrasonic time 23 min.In the ultrasonic extraction time and thermostat extraction time under the same conditions，the polysac charide yield of the mode respectively 6.3%，5.6%，12.76%than the"front ultrasound+thermostat extraction"mode，the"thermostat extraction+after ultrasound"mode，the"direct thermostatic water bath extraction"mode.

Flammulina velutipes root；polysaccharide；intermittent ultrasonic assisted extraction；response surface

2016-09-21

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.11.009

泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（LJNY2015004）

張明（1988—），男（漢），實(shí)習(xí)研究員，碩士，研究方向：天然產(chǎn)物提取及功能食品研發(fā)。

*通信作者：李新勝（1957—），男，研究員，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工。