猴頭菇多糖擠壓膨化預(yù)處理提取工藝優(yōu)化

楊濱夢，肖志剛，黃丹，劉雪瀾，高育哲，段玉敏

（1.沈陽師范大學(xué)糧食學(xué)院，遼寧沈陽110000；2.沈陽師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，遼寧沈陽110000；3.沈陽師范大學(xué)學(xué)前與初等教育學(xué)院，遼寧沈陽110000）

猴頭菇（學(xué)名：Hericium erinaceus），又稱猴頭蘑、猴頭菌、刺猬菌等，是一種大型真菌，屬擔(dān)子菌綱、多孔菌目、齒菌科、猴頭屬，因其子實(shí)體形狀像猴子頭部而得名[1-2]。猴頭菇是中國傳統(tǒng)的名貴食材，同時(shí)也是四大名菜（猴頭、熊掌、燕窩、魚翅）之一，正因如此使其有“山珍猴頭、海味魚翅”之稱[3]。猴頭菇營養(yǎng)價(jià)值豐富，具有多種生物活性成分，如多糖、萜類、酚類化合物。其中多糖是一類高分子碳水化合物，具有抗腫瘤、抗衰老、降血糖等生理功能[4-5]。目前多糖的提取方法大多為水提醇沉法、酶提取法、稀堿浸提法、超聲輔助法、微波輔助法[6-7]。多糖的純化大多包括sevage法[8]、三氯乙酸法除蛋白，透析法、超濾法除鹽等小分子雜質(zhì)，活性炭法、大孔樹脂法[9]進(jìn)行脫色，還可通過纖維素柱色譜、凝膠滲透色譜法等對多糖進(jìn)行進(jìn)一步的分級純化，將混合性的多糖分成若干個(gè)均一性組分[10-13]。擠壓膨化技術(shù)是集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型為一體，能夠?qū)崿F(xiàn)一系列單元同時(shí)并連續(xù)操作的新型加工技術(shù)，在提高蛋白消化率等方面具有重要作用[12]。擠壓膨化技術(shù)可以使產(chǎn)品的質(zhì)量得到改良和提高，在擠壓過程中由于淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)的降解，使其更有利于人體的消化吸收并且擠壓加工時(shí)，能最大限度保存原料的營養(yǎng)[14-15]。本試驗(yàn)采用擠壓膨化聯(lián)合水提醇沉法提取猴頭菇多糖，通過擠壓膨化使物料粉碎破壁更充分，有助于營養(yǎng)物質(zhì)更好的溶出，以提高多糖得率，同時(shí)也為更好的利用猴頭菇多糖提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

猴頭菇：怡晴干調(diào)商行；葡萄糖、蒽酮、硫酸、乙醇（均為分析純）：天津大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

DS56-III型雙螺桿擠壓機(jī)：濟(jì)南賽信膨脹機(jī)械有限公司；DHG-9146A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；UV-1200S型紫外可見分光光度計(jì)：翱藝儀器上海有限公司；RRHP-200型萬能高速粉碎機(jī)：歐凱萊芙（香港）有限公司；TKRE-1000A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：天津市天科玻璃儀器制造有限公司；AP-01P真空泵：天津奧特賽恩斯儀器有限公司；SHZ-D（III）型循環(huán)水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 猴頭菇擠壓膨化預(yù)處理

將猴頭菇置于50℃恒溫烘箱中烘干后粉碎，將雙螺桿擠壓機(jī)設(shè)置好參數(shù)，待溫度升高到預(yù)設(shè)溫度后，從進(jìn)料口以10 kg/h速度喂料，設(shè)定物料含水量、膨化溫度、螺桿轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行擠壓膨化預(yù)處理，而后置于烘箱烘干，再粉碎過80目篩，備用。

1.3.2 猴頭菇多糖的提取

精密稱取5g經(jīng)擠壓膨化處理后的猴頭菇粉末，以1∶20（g/mL）的料液比加入蒸餾水，置于80℃水浴鍋中水浴2 h，抽濾得到浸提液，再使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在60℃條件下將浸提液濃縮至原液的1/5，隨后加入3倍量無水乙醇置于4℃冰箱內(nèi)沉淀過夜，離心去除上清液，將沉淀冷凍干燥即得到猴頭菇的粗多糖[16-17]。

1.3.3 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

參照文獻(xiàn)方法繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線[14]。得回歸方程A=0.005C+0.104 2，R2=0.999 3。葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Glucose standard curve

1.3.4 多糖含量的測定

采用蒽酮硫酸法測定猴頭菇多糖含量，多糖得率由以下公式得出：

式中：C為粗提物中的多糖含量，%；M為試驗(yàn)稱取的猴頭菇質(zhì)量，g；m為粗多糖質(zhì)量，g。

1.4 膨化預(yù)處理工藝優(yōu)化

1.4.1 擠壓膨化單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1.1 螺桿轉(zhuǎn)速對猴頭菇多糖提取率的影響

固定物料水分含量為14%，擠壓溫度為100℃，分別設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速梯度為 250、300、350、400、450 r/min。

1.4.1.2 擠壓溫度對猴頭菇多糖提取率的影響

固定物料水分含量為14%，螺桿轉(zhuǎn)速為450 r/min，分別設(shè)定擠壓溫度參數(shù)為 100、120、140、160、180 ℃。

1.4.1.3 水分含量對猴頭菇多糖提取率的影響

固定擠壓溫度為100℃，螺桿轉(zhuǎn)速為450 r/min，分別設(shè)定物料含水量為14%、16%、18%、20%、22%。

1.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用響應(yīng)面分析軟件Design-Expert8.0.6，以粗多糖提取率為響應(yīng)值，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，構(gòu)建三因素三水平的模型，通過試驗(yàn)最終確定出最佳提取工藝。響應(yīng)面自變量因素及水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面自變量因素及水平設(shè)計(jì)Table1 Factor and level design of response surface argument

1.6 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS25.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，響應(yīng)面應(yīng)用模型采用Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行顯著性分析，以P＜0.05表示具有顯著性差異，P＜0.01表示具有極顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 螺桿轉(zhuǎn)速對多糖提取率的影響

螺桿轉(zhuǎn)速對多糖提取率的影響見圖2。

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速對多糖提取率的影響Fig.2 Effect of screw speed on extraction rate of polysaccharide

由圖2可知，隨著螺桿轉(zhuǎn)速增加，提取率不斷增加，在螺桿轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)達(dá)到最大，提率可達(dá)3.06%，隨后又略微下降。這可能是由于轉(zhuǎn)速過低時(shí)，螺桿對于物料的剪切力和摩擦力度較小且容易返料，以至于擠壓膨化效果不理想；而轉(zhuǎn)速過快時(shí)，物料在擠壓機(jī)內(nèi)停留時(shí)間過短，壓力不足，降低了擠壓膨化處理對物料結(jié)構(gòu)的破壁改性效果。

2.1.2 擠壓溫度對多糖提取率的影響

擠壓溫度對多糖提取率的影響見圖3。

圖3 擠壓溫度對多糖提取率的影響Fig.3 Effect of extrusion temperature on extraction rate of polysaccharide

由圖3可看出，在擠壓溫度為120℃時(shí)，提取率達(dá)到最大，可達(dá)3.05%，隨后逐漸降低。這可能是由于溫度過高對物料中活性物質(zhì)造成了破壞，導(dǎo)致提取率下降。這可能是由于溫度較低時(shí)，水分子與物料不能作用完全，導(dǎo)致膨化程度不高，物料結(jié)構(gòu)無法得到有效破壞。適當(dāng)高溫可以促進(jìn)物料與水分子之間的相互作用，可以達(dá)到較好的破壁效果，有利于多糖溶出；但當(dāng)溫度過高時(shí)，擠壓作用效果過于劇烈，部分多糖可能會出現(xiàn)降解，以至于提取率下降。

2.1.3 物料含水量對多糖提取率的影響

物料含水量對多糖提取率的影響見圖4。

圖4 物料含水量對多糖提取率的影響Fig.4 Effect of water content on the extraction rate of polysaccharides

由圖4可看出，多糖提取率在物料含水量為16%時(shí)達(dá)到最大，可達(dá)2.64%，但從圖中趨勢可看出，物料含水量對多糖提取率影響并不大，趨勢較平緩。所以適當(dāng)?shù)乃謺B透到物料內(nèi)部，擠壓膨化時(shí)水分迅速蒸發(fā)，使其結(jié)構(gòu)疏松，有利于多糖的溶出。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

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

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果，對響應(yīng)值提取率進(jìn)行回歸分析，可得到如下回歸方程：多糖提取率=3.62+0.16×A+0.21×B-0.011×C-0.078×AB-0.36×AC+0.077×BC-0.84×A2-0.40×B2-0.12×C2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Test design and result of response surface

2.2.2 響應(yīng)值回歸方程分析

多糖提取率回歸方程的方差分析結(jié)果見表3。

表3 多糖提取率回歸方程的方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance analysis of regression equation of polysaccharide extraction rate

由表3可知，其R2=0.990 4，且回歸模型P＜0.05，表明模型顯著性為顯著，失擬項(xiàng)的P＞0.05，不顯著，即該方程擬合效果較好，這表明建立的該模型可以用來分析及預(yù)測猴頭菇多糖提取工藝參數(shù)，同時(shí)也能真實(shí)的反應(yīng)各因素與提取率之間的關(guān)系[18-19]。由此分析表可以看出，A、B、AC、A2、B2、C2對多糖提取率影響顯著

2.2.3 各因素響應(yīng)面分析圖

多糖提取率與擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速的相互作用等高線圖與響應(yīng)面圖見圖5。

圖5 多糖提取率與擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速的相互作用等高線圖與響應(yīng)面圖Fig.5 Contour map and response surface diagram of interaction between polysaccharide extraction rate and extrusion temperature and screw speed

圖5顯示了多糖提取率與擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速兩個(gè)因素的相互作用，且二者交互作用顯著。在3D建模中可看到，模型呈凸起狀，且曲面有一定弧度。隨著螺桿轉(zhuǎn)速和擠壓溫度的增加，多糖提取率都呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且增加趨勢及圖像弧度都較為明顯[20]。多糖提取率與螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量的相互作用等高線圖與響應(yīng)面圖見圖6。

圖6顯示了多糖提取率與水分含量、螺桿轉(zhuǎn)速兩個(gè)因素的相互作用，且二者交互作用顯著。在3D建模中可看到螺桿轉(zhuǎn)速的增加趨勢及圖像弧度較為明顯，而水分含量的變化則相對較緩，可知螺桿轉(zhuǎn)速對多糖提取率的影響比較顯著。多糖提取率與擠壓溫度、水分含量的相互作用等高線圖與響應(yīng)面圖見圖7。

圖6 多糖提取率與螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量的相互作用等高線圖與響應(yīng)面圖Fig.6 Contour map and response surface diagram of interaction between polysaccharide extraction rate and screw rotation speed and moisture content

圖7顯示了多糖提取率與擠壓溫度、水分含量兩個(gè)因素的相互作用，且二者交互作用顯著。在3D建模中可看到，模型呈凸起狀，且曲面有一定弧度。隨著水分含量和擠壓溫度的增加，多糖提取率都呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，擠壓溫度的增加趨勢及圖像弧度更為明顯，而水分含量的變化則相對較緩，可知擠壓溫度對多糖提取率的影響比較顯著。

2.3 最優(yōu)條件驗(yàn)證分析

根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化處理最終結(jié)果顯示，最佳螺桿轉(zhuǎn)速為400 r/min、擠壓溫度為120℃、水分含量為16%，在此條件下提取率可達(dá)3.70%。試驗(yàn)平行測定3次以進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，結(jié)果如表4所示。

表4 最優(yōu)提取條件驗(yàn)證Table 4 The verification of optimal extraction condition

圖7 多糖提取率與擠壓溫度、水分含量的相互作用等高線圖與響應(yīng)面圖Fig.7 Contour map and response surface diagram of interaction between polysaccharide extraction rate and extrusion temperature and moisture content

根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果顯示，3次試驗(yàn)提取率取平均值為3.63%，與分析結(jié)果3.70%基本一致，可以確定試驗(yàn)結(jié)果具有可靠性。

2.4 擠壓膨化預(yù)處理對猴頭菇多糖提取率的影響

以未經(jīng)擠壓膨化處理的猴頭菇原料作為對照組，考察經(jīng)最優(yōu)擠壓膨化條件處理后多糖提取率的變化情況。擠壓膨化預(yù)處理對猴頭菇多糖提取率的影響見圖8。

圖8 擠壓膨化預(yù)處理對猴頭菇多糖提取率的影響Fig.8 Effect of extrusion pretreatment on the extraction rate of polysaccharides from Hericium erinaceus

由圖8可知，未經(jīng)擠壓膨化處理的猴頭菇原料提取率為1.54%，經(jīng)過擠壓膨化預(yù)處理后提取率可達(dá)3.63%，較未處理前提高1倍之多，這表明，在提取前對猴頭菇進(jìn)行雙螺桿擠壓膨化預(yù)處理，可顯著提高猴頭菇多糖的得率。

3 結(jié)論

在本試驗(yàn)中，創(chuàng)新的采用擠壓膨化技術(shù)對猴頭菇多糖的提取進(jìn)行預(yù)處理，并通過響應(yīng)面法較全面的分析了螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量、擠壓溫度3個(gè)因素對猴頭菇中多糖提取率的影響及各因素之間的交互作用。通過試驗(yàn)及二次多項(xiàng)式建模方程計(jì)算整合，得出猴頭菇多糖最佳擠壓膨化預(yù)處理提取條件為：螺桿轉(zhuǎn)速400 r/min，水分含量16%，擠壓溫度120℃。經(jīng)驗(yàn)證，確定在此條件下提取率達(dá)到最高可達(dá)3.63%。