響應(yīng)面優(yōu)化微波輔助提取海鮮菇廢菌棒中多糖工藝

徐兵，尹瑞，王喆，冀宏

（常熟理工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，江蘇常熟215500）

響應(yīng)面優(yōu)化微波輔助提取海鮮菇廢菌棒中多糖工藝

徐兵，尹瑞，王喆，冀宏*

（常熟理工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，江蘇常熟215500）

采用微波輔助提取工藝從海鮮菇廢菌棒中提取多糖，通過(guò)控制提取時(shí)間、微波功率以及液料比3個(gè)提取條件來(lái)優(yōu)化提取工藝。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合響應(yīng)面法，得出優(yōu)化后的提取參數(shù)：提取時(shí)間10 min，微波功率420 W，液料比31∶1（mL/g）。在此條件下海鮮菇廢菌棒多糖的提取效果最佳，提取率為2.01%。

海鮮菇廢菌棒；微波輔助提取；響應(yīng)曲面法

海鮮菇（Hypsizygusmarmoreus（Peck）H.E.Bigelow），又稱斑玉蕈或真姬菇，海鮮菇的質(zhì)地極為爽脆，其味道也極為鮮美[1]。海鮮菇富含十余種氨基酸，其中谷氨酸和天冬氨酸兩種呈味氨基酸含量突出，同時(shí)其必需氨基酸組成和人體需求相近[2]。鄭義等[3]研究表明，海鮮菇多糖具有清除人體自由基的作用。此外，海鮮菇多糖還具有調(diào)節(jié)機(jī)體免疫力、延緩衰老、預(yù)防以及抵抗癌癥的生理活性的功效[4-5]。工業(yè)化生產(chǎn)海鮮菇留下的廢菌棒中仍含有大量的海鮮菇菌絲，現(xiàn)有草菇種植只能利用其中的一部分，大部分只能做焚燒處理，這是一種資源浪費(fèi)[6-7]。通過(guò)從海鮮菇廢菌棒的菌絲中可以提取海鮮菇多糖，這在香菇廢菌棒中已有應(yīng)用，從而使資源得到更有效的利用[8-9]。微波輔助提取作為高效節(jié)能的新興多糖提取方法應(yīng)用廣泛[10-11]。目前，尚未有海鮮菇廢菌棒多糖提取的研究，故利用單因素及響應(yīng)面優(yōu)化海鮮菇廢菌棒多糖的微波輔助提取工藝，可為其進(jìn)一步利用和研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料和試劑

海鮮菇廢菌棒：昆山正興食用菌有限公司；葡萄糖、濃硫酸、乙醚、無(wú)水乙醇、重蒸苯酚（均為國(guó)產(chǎn)分析純）：常熟強(qiáng)盛化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

普渡RF-02蒸發(fā)器：上海普渡生化科技有限公司；TD5M臺(tái)式大容量離心機(jī)：上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司；WL 2S-1型微波萃取儀：南京三樂(lè)高新技術(shù)工程公司微波所；M124A型電子天平：BEL；BL25C33攪拌機(jī)：上海知楚儀器有限公司；恒溫水浴鍋：南京丙林電子；LGJ-10冷凍干燥儀：賽飛（中國(guó)）有限責(zé)任公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 海鮮菇廢菌棒的預(yù)處理

用蒸餾水將海鮮菇廢菌棒洗凈，在70℃恒溫干燥箱內(nèi)烘干。攪拌機(jī)粉碎過(guò)60目篩，再用95%乙醇回流兩次除去部分脂溶性雜質(zhì)，得到預(yù)處理海鮮菇廢菌棒粉[12-13]。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)定[14]

將干燥后的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品配置成濃度為0.04mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別移取 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 mL于試管中，補(bǔ)齊至2 mL。在各管滴加1mL 5%重蒸苯酚溶液，再迅速滴入5 mL濃硫酸搖勻并靜置，等待6min后70℃保持15min，冷卻至室溫。用490nm波長(zhǎng)檢測(cè)不同標(biāo)樣的吸光度。以葡萄糖標(biāo)液濃度（μg/mL）為自變量，吸光度做因變量，得標(biāo)準(zhǔn)曲線：y=0.013 8x+0.013 6，R2=0.999 3。

1.3.3 海鮮菇廢菌棒多糖的微波輔助提取

準(zhǔn)確稱量海鮮菇廢菌棒粉末樣品，用蒸餾水提取。在不同提取時(shí)間、微波功率和液料比條件下各提取2次。冷卻到室溫后，經(jīng)3 000 r/min離心10 min后將上層清液合并，進(jìn)行減壓濃縮。用無(wú)水乙醇調(diào)整溶液至含醇量85%，放置1 d。最后經(jīng)5 000 r/min離心15 min，取沉淀。得到的沉淀用無(wú)水乙醇洗滌兩次，冷凍干燥后得到海鮮菇廢菌棒多糖。

1.3.4 海鮮菇廢菌棒多糖得率計(jì)算

選用苯酚-硫酸法來(lái)測(cè)定海鮮菇廢菌棒多糖含量[15-16]。

1.3.5 單因素試驗(yàn)

試驗(yàn)以蒸餾水作溶劑，探究不同提取時(shí)間、液料比以及微波功率對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖得率的影響。再以1.3.3中多糖得率計(jì)算方法測(cè)出不同條件下海鮮菇廢菌棒多糖得率。

1.3.5.1 提取時(shí)間對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖得率的影響

試驗(yàn)固定液料比 30∶1（mL/g），微波功率 400 W，按時(shí)間將試驗(yàn)分為 6 組：4、6、8、10、12、14 min，做 3 次平行。

1.3.5.2 微波功率對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖得率的影響

設(shè)定提取時(shí)間 10 min，液料比 30∶1（mL/g），考察海鮮菇廢菌棒多糖在微波功率分別為200、300、400、500、600 W時(shí)得率的變化。

1.3.5.3 液料比對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖的影響

試驗(yàn)提取10 min，微波功率400 W，按液料比不同，試驗(yàn)劃分為 5 組：15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1（mL/g）。

1.3.6 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

響應(yīng)面法在理化試驗(yàn)、生物工程及食品科學(xué)等諸多領(lǐng)域有著深入的應(yīng)用[17-18]。Box-Behnken Design（BBD）是廣泛應(yīng)用的一種分析最佳工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)方法[19-20]。該試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)如表1所示三水平三因素試驗(yàn)方案，探究海鮮菇廢菌棒多糖微波輔助提取的優(yōu)化提取參數(shù)。

表1 試驗(yàn)編碼和試驗(yàn)參數(shù)對(duì)照關(guān)系Table 1 Therelationship between encode and actual concentration of factor

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1.1 提取時(shí)間對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖提取率的影響

提取時(shí)間對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖提取率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 提取時(shí)間對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖的得率的影響Fig.1 Effects ofextractiontime on the extraction rateof the waste substrate polysaccharide

從圖1可見(jiàn)，隨著提取時(shí)間的增長(zhǎng)多糖得率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在4 min～10 min段增長(zhǎng)較快，而10 min～14 min段多糖提取率又趨于平緩。這說(shuō)明試樣中的多糖大部分已被提取，故雖提取時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)但多糖得率變化不大。因此，選擇較優(yōu)提取時(shí)間為10 min，其多糖提取率為1.81%。

2.1.2 微波功率對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖提取率造成的影響

微波功率對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖提取率造成的影響見(jiàn)圖2。

圖2 微波功率對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖提取率的影響Fig.2 Influence of microwave power on the extraction rate of the waste substrate polysaccharide

從圖2可以看出，在微波功率從200W提至400W時(shí)，海鮮菇廢菌棒多糖提取得率變化幅度很大，而在400 W后多糖得率逐漸走低。這是由于隨微波功率提升，細(xì)胞壁加速破壞，但隨微波功率繼續(xù)增大，溶液升溫過(guò)快反而破壞多糖結(jié)構(gòu)。綜上所述，在此條件下較佳微波功率400 W，其多糖得率為1.82%

2.1.3 液料比對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖提取率的影響

液料比對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖提取率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 液料比對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖提取率的影響Fig.3 Influence of material-to-liquid ratio on the extraction rate of the waste substrate polysaccharide

由圖 3 可見(jiàn)，液料比從 15∶1（mL/g）提升至 25∶1（mL/g）過(guò)程中，海鮮菇廢菌棒多糖得率變化顯著。這可能是由于液料比過(guò)低使海鮮菇廢菌棒粉沒(méi)有充分分散于介質(zhì)中而降低提取率。在液料比達(dá)到25∶1（mL/g）后，多糖得率趨于穩(wěn)定。因此選擇30∶1（mL/g）作為海鮮菇廢菌棒多糖提取的最佳液料比，其多糖得率為1.80%。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 組合試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)應(yīng)用Design-Expert8.06Trial軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，進(jìn)組合試驗(yàn)得到表2的結(jié)果。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及海鮮菇廢菌棒多糖提取結(jié)果Table 2 Design and responses values of Box-Behnken design

在這17組數(shù)據(jù)中，有12個(gè)析因點(diǎn)和5個(gè)用于估算誤差的零點(diǎn)。

2.2.2 方差分析結(jié)果

運(yùn)用design-expert軟件對(duì)表2中的數(shù)據(jù)做出處理，構(gòu)建提取率的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出海鮮菇廢菌棒多糖得率回歸方程式：

海鮮菇廢菌棒多糖得率的方差分析見(jiàn)表3。

表3 海鮮菇廢菌棒多糖得率的方差分析Table 3 The variance analysis result of Hypsizygusmarmoreus waste substratepolysaccharide yield

由表3分析可得，該模型的P值＜0.01，說(shuō)明本試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂薪y(tǒng)計(jì)學(xué)意義；失擬項(xiàng)P值為0.093 1，表明數(shù)學(xué)模型和實(shí)際試驗(yàn)值擬合度很好，從而回歸方程可近預(yù)測(cè)真實(shí)試驗(yàn)值。此外，模型中一次項(xiàng)X1、X2、X3，二次項(xiàng) X12、X22、X32，交互項(xiàng) X1X2的 P 值都＜0.01，說(shuō)明本試驗(yàn)的各個(gè)因子以及因子間的交叉作用都對(duì)多糖得率有顯著影響。同時(shí)注意到在單因素中，對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖提取率變化貢獻(xiàn)大小為微波功率＞液料比＞提取時(shí)間。

圖4 提取時(shí)間和微波功率對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖得率的交互作用響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.4 Effects of extraction time and microwave power on the response rate of polysaccharide in seafood mushroom sticks of a response surface plot and contour lines

圖5 提取時(shí)間和液料比對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖提取率交互作用的響應(yīng)面圖和等高線Fig.5 Liquid ratio and extraction treatment time on the interaction polysaccharide yield of a response surface plot and contour lines

2.2.3 海鮮菇廢菌棒多糖得率的響應(yīng)面優(yōu)化

通過(guò)回歸模型，可以得到因素及其交叉作用對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖提取率的相應(yīng)等高線圖和響應(yīng)面圖見(jiàn)圖 4～圖 6。

從圖 4 可以看出，在固定液料比 30∶1（mL/g）的情況下，海鮮菇廢菌棒多糖得率隨微波功率變化顯著。在縱坐標(biāo)方向，隨著提取時(shí)間的變化多糖得率變化不太明顯。同時(shí)看到等高線為橢圓形，說(shuō)明這兩個(gè)因子之間交互影響作用非常顯著。

從圖5可以看出，在固定微波功率400 W的情況下，液料比因素與提取時(shí)間因素交互作用顯著。在液料比 25∶1（mL/g）～35∶1（mL/g）范圍內(nèi)，多糖得率變化比較明顯；在提取時(shí)間8 min～10 min之間，提取率不斷提升。同時(shí)注意到隨著液料比的增加及提取時(shí)間的延長(zhǎng)，得率又一個(gè)先增大后減小的過(guò)程。

從圖6觀察得出，在固定提取時(shí)間10 min時(shí)，液料比在 25∶1（mL/g）～35∶1（mL/g）范圍內(nèi)，多糖得率隨液料比變化不明顯，而隨微波功率從300W提升至400W時(shí)，得率變化顯著；隨功率繼續(xù)提升，得率呈下降態(tài)勢(shì)。

通過(guò)design-expert軟件分析，可得海鮮菇廢菌棒多糖提取工藝的最優(yōu)解：既提取時(shí)間為10.24 min，微波功率 424.03 W，液料比 30.86∶1（mL/g），得率 1.99%。參考實(shí)際條件，確定實(shí)際操作的最優(yōu)方案：提取時(shí)間10 min，微波功率 420 W，液料比 31∶1（mL/g）。經(jīng)過(guò)3次平行試驗(yàn)，測(cè)得實(shí)際多糖提取率2.01%，這與理論值的相差在1%以下。由此可見(jiàn)，應(yīng)用響應(yīng)面法改進(jìn)微波輔助提取海鮮菇廢菌棒多糖是可行的，具有應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的價(jià)值。

圖6 微波功率和液料比對(duì)海鮮菇廢菌棒多糖提取率的交叉效應(yīng)的響應(yīng)面圖和等高線Fig.6 Response surface plot and contour lines of the interaction of liquid-material ratio and temperature on the polysaccharide yield response surface plot and contour lines

3 結(jié)論

本文通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取多糖工藝，為食用菌企業(yè)處理廢菌棒提供一個(gè)可行的方案。響應(yīng)面優(yōu)化提取海鮮菇廢菌棒多糖，有效的減少了試驗(yàn)步驟，同時(shí)得到相對(duì)精確的結(jié)論。試驗(yàn)采用Design expret8.0.5Trial軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)，通過(guò)響應(yīng)面分析得到提取率與提取時(shí)間、微波功率及液料比因素的模型方程，得到最優(yōu)方案：提取時(shí)間10 min，微波功率420 W，液料比 31∶1（mL/g），此條件下多糖得率 2.01%，行之有效的提高了海鮮菇廢菌棒多糖的得率。與此同時(shí)，下一步試驗(yàn)將研究海鮮菇廢菌棒多糖的抗氧化活性，使廢菌棒的資源再利用呈現(xiàn)多元化以及更具有綜合性和全面性。

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Study on the Microwave-assisted Extraction of Polysaccharides from Hypsizygus marmoreus Waste Substrate by Response Surface Methodology

XU Bing，YIN Rui，WANG Zhe，JI Hong*
（College of Biology and Food Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，Jiangsu，China）

The polysaccharides were extracted from the Hypsizygus marmoreus waste substrate by microwaveassisted extraction，and the extraction process was optimized by controlling the extraction time，microwave power and liquid-to-solid ratio.On the basis of single factor test and obtained by the response surface method，we got obtained by the response surface method：the extraction time was 10 min，the microwave power was 420 W，and ratio of liquid to material was 31∶1（mL/g）.Under these conditions，the extraction efficiency of polysaccharide from waste substrate was the best，and the extraction rate was 2.01%.

Hypsizygusmarmoreuswastesubstrate；microwave-assistedextraction；responsesurfacemethodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.17.020

2017-06-10

昆山市科技計(jì)劃項(xiàng)目（KN1506）

徐兵（1982—），男（漢），實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：食用菌學(xué)。

*通信作者：冀宏（1969—），男（漢），教授，博士，研究方向：食、藥用菌工程技術(shù)研究及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)與管理。