松杉靈芝孢子油超聲波輔助提取響應(yīng)面優(yōu)化

楊金鵬，臺雪月，2，李應(yīng)華，鐘 寶

（1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院食品工程學(xué)院，吉林吉林 132101；2.長春大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130022；3.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南漯河 462002）

0 引言

松杉靈芝（Ganoderma tsugaeMurr.），別名鐵杉靈芝，是非褶菌目靈芝科靈芝屬真菌，生長在落葉松的樹干基部，分布于我國長白山地區(qū)，具有一定的藥用價(jià)值?，F(xiàn)代研究表明，松杉靈芝營養(yǎng)成分豐富，含有人體必需的氨基酸、核苷、微量元素、維生素及生物活性多糖、三萜類化合物、生物堿等，是維護(hù)人體健康所必需的膳食纖維的良好來源。醫(yī)學(xué)研究證明，松杉靈芝除了對肝炎、關(guān)節(jié)炎、糖尿病、高血壓、高血脂、神經(jīng)衰弱等疾病有效外，還對人類三大致死性疾病冠心病、癌癥、腦溢血有顯著療效[1-3]。

靈芝孢子油（Ganoderma lucidum spore oil） 是靈芝孢子的脂質(zhì)提取物，富含三萜類靈芝酸、多不飽和脂肪酸，具有抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)、保護(hù)調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)、降血脂、保肝護(hù)肝等生理活性[4-5]。超聲提取是目前揮發(fā)油提取常采用的方法，超聲提取技術(shù)的基本原理主要是利用超聲波的空化作用加速植物有效成分的浸出提取，具有提取時(shí)間短、溫度低、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，目前只有少量關(guān)于超聲波提取靈芝孢子油的報(bào)道[6]。以松杉靈芝孢子粉為原料，利用超聲波輔助提取技術(shù)，以靈芝孢子油得率為評價(jià)指標(biāo)，通過響應(yīng)面法對孢子油的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

松杉靈芝，產(chǎn)自吉林省敦化市；石油醚（沸程60～90 ℃）、無水硫酸鈉，購自吉林市珠光經(jīng)貿(mào)有限責(zé)任公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

博迅BXH-65 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，金博仕（蘇州） 生物技術(shù)有限公司產(chǎn)品；JA1003 型電子天平，上海浦春計(jì)量儀器有限公司產(chǎn)品；KQ-100DE 型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品；HH-4型水浴鍋，鄭州生化儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程原料選擇→烘干→稱質(zhì)量→混合有機(jī)溶劑→超聲→離心→蒸餾→干燥→成品→成分測定。

1.2.2 操作要點(diǎn)

（1） 原料選擇。選用無雜質(zhì)、無腐敗的破壁松杉靈芝孢子粉。

（2） 烘干。將破壁靈芝孢子粉鋪平，2～3 mm厚，于50 ℃條件下烘干2.5 h。

（3） 稱質(zhì)量、混合有機(jī)溶劑。稱取10 g 烘干的靈芝孢子粉，置于具塞三角燒瓶，置于通風(fēng)櫥內(nèi)，按照1∶10 的比例加入石油醚，混勻，蓋緊瓶塞。

（4） 超聲。將三角燒瓶置于超聲波處理器中進(jìn)行超聲處理。

（5） 離心。超聲處理的混合液置于離心試管中，以轉(zhuǎn)速4 000 r/min 離心5 min。

（6） 蒸餾、干燥。取上清液，進(jìn)行減壓蒸餾，濃縮液加入無水Na2SO4干燥20 h，收集樣油。

1.2.3 松杉靈芝孢子油提取的單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)[7-8]

（1） 超聲功率對靈芝孢子油得率的影響。取10 g靈芝孢子粉，加入100 mL石油醚，在超聲時(shí)間25 min，超聲溫度30 ℃的條件下，分別設(shè)置超聲功率為200，250，300，350，400 W，考查不同超聲功率對靈芝孢子油得率的影響。

（2） 超聲時(shí)間對靈芝孢子油得率的影響。取10 g靈芝孢子粉，加入100 mL 石油醚，在超聲功率300 W，超聲溫度30 ℃的條件下，分別設(shè)置超聲時(shí)間為20，25，30，35，40 min，考查不同超聲時(shí)間對靈芝孢子油得率的影響。

（3） 超聲溫度對靈芝孢子油得率的影響。取10 g靈芝孢子粉，加入100 mL 石油醚，在超聲功率300 W，超聲時(shí)間25 min 的條件下，分別設(shè)置超聲溫度為15，20，25，30，35 ℃，考查不同超聲溫度對靈芝孢子油得率的影響。

1.2.4 靈芝孢子油提取的響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取對試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響的3 個(gè)因素，超聲功率（A）、超聲時(shí)間（B）、超聲溫度（C） 為自變量，以靈芝孢子油得率為響應(yīng)值（Y），進(jìn)行響應(yīng)面分析。

響應(yīng)面分析因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平設(shè)計(jì)

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用輔助軟件Design Expert 8.0.6 進(jìn)行隨機(jī)試驗(yàn)。

1.2.6 靈芝孢子油得率計(jì)算[9]

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲功率對靈芝孢子油得率的影響

超聲功率對靈芝孢子油得率的影響見圖1。

由圖1 可知，在提取過程中隨著超聲功率的升高，靈芝孢子油得率出現(xiàn)先升高后下降的趨勢，在超聲功率為300 W 時(shí)得率最高，可能是因?yàn)榭栈饔煤蜋C(jī)械作用隨著超聲功率的增加而增加，從而提高提取率，隨著超聲功率的繼續(xù)升高，靈芝孢子油得率呈現(xiàn)下降趨勢，可能是因?yàn)槌暪β始哟?，空化作用變?qiáng)，伴隨大量空化泡的產(chǎn)生，導(dǎo)致非目標(biāo)產(chǎn)物含量的增加，進(jìn)而影響了提取效果。因此，選擇超聲功率為250～350 W 時(shí)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2 超聲時(shí)間對靈芝孢子油得率的影響

超聲時(shí)間對靈芝孢子油得率的影響見圖2。

圖2 超聲時(shí)間對靈芝孢子油得率的影響

由圖2 可知，在提取過程中隨著超聲時(shí)間的增加，靈芝孢子油得率出現(xiàn)先升高后下降的趨勢，當(dāng)超聲時(shí)間為30 min 時(shí)，靈芝孢子油得率最高，可能是因?yàn)殡S著提取時(shí)間的延長，提取液內(nèi)部的振蕩適中，目標(biāo)物得率較高，但時(shí)間繼續(xù)延長，會導(dǎo)致提取液溫度的上升，有機(jī)溶劑揮發(fā)速度加快，目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變化，進(jìn)而使得率降低。因此，選擇超聲時(shí)間為15～25 min 時(shí)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

2.3 超聲溫度對靈芝孢子油得率的影響

超聲溫度對靈芝孢子油得率的影響見圖3。

圖3 超聲溫度對靈芝孢子油得率的影響

由圖3 可知，在提取過程中隨著超聲溫度的增加，靈芝孢子油得率出現(xiàn)先升高后下降的趨勢，當(dāng)超聲溫度為25 ℃時(shí)，靈芝孢子油得率最高，可能是因?yàn)殡S著溫度的升高，液體分子熱運(yùn)動開始活躍，溶劑與原料反應(yīng)充分，但溫度繼續(xù)升高，會導(dǎo)致溶劑揮發(fā)速度加快，同時(shí)由于溫度過高導(dǎo)致有效成分遭到破壞，進(jìn)而使得率降低。因此，選擇超聲時(shí)間為20～40 ℃時(shí)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

2.4 響應(yīng)面法工藝優(yōu)化結(jié)果

2.4.1 響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，分別考查超聲功率（A）、超聲時(shí)間（B）、超聲溫度（C） 對靈芝孢子油得率（Y） 的影響。

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

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.4.2 回歸模型方差分析及顯著性檢驗(yàn)

采用Design Expert 8.0.6 軟件對多元回歸模型擬合、方差分析及顯著性檢驗(yàn)，得到回歸方程模型為：

回歸方程ANOVA 分析見表3，回歸模型的可信度分析見表4。

表3 回歸方程ANOVA 分析

表4 回歸模型的可信度分析

由表3、表4 可知，模型的p＜0.000 1，說明該模型極顯著，回歸模型設(shè)計(jì)與實(shí)際測定值能夠最大限度擬合，試驗(yàn)誤差較小。因此，可以用該回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)值對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到R2=98.66%，預(yù)測值與實(shí)際值之間存在高度相關(guān)性，說明該方程具有較高的可靠性?；貧w模型中，二次項(xiàng)C，A2，B2，C2表現(xiàn)出極顯著水平（p＜0.01），一次項(xiàng)B表現(xiàn)出顯著水平（p＜0.05）。3 個(gè)因素對靈芝孢子油得率的影響主次順序?yàn)镃＞B＞A，即超聲溫度＞超聲時(shí)間＞超聲功率。

2.4.3 各因素間交互作用對靈芝孢子油得率的影響分析

在回歸模型方差分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用軟件做超聲功率、超聲時(shí)間、超聲溫度對靈芝孢子油得率的等高線圖和響應(yīng)面圖。

超聲功率、超聲時(shí)間交互作用對靈芝孢子油得率的影響見圖4，超聲功率、超聲溫度交互作用對靈芝孢子油得率的影響見圖5，超聲時(shí)間、超聲溫度交互作用對靈芝孢子油得率的影響見圖6。

圖4 超聲功率、超聲時(shí)間交互作用對靈芝孢子油得率的影響

圖5 超聲功率、超聲溫度交互作用對靈芝孢子油得率的影響

圖6 超聲時(shí)間、超聲溫度交互作用對靈芝孢子油得率的影響

通過Design Expert 8.0.6 軟件求解回歸方程得到靈芝孢子油最佳提取條件為超聲功率300 W，超聲時(shí)間30 min，超聲溫度25 ℃，在此工藝條件下靈芝孢子油的得率為28.5%，與理論預(yù)測值比較接近，表明響應(yīng)面得到的數(shù)學(xué)模型是可靠的，具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以超聲功率、超聲時(shí)間、超聲溫度為自變量，以靈芝孢子油得率為響應(yīng)值對松杉靈芝孢子油提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳工藝參數(shù)為超聲功率300 W，超聲時(shí)間30 min，超聲溫度25 ℃，在此工藝條件下靈芝孢子油的得率為28.5%。在試驗(yàn)過程中，超聲功率過大，會使空化作用變強(qiáng)，產(chǎn)生大量空化泡，導(dǎo)致非目標(biāo)產(chǎn)物含量的增加；超聲時(shí)間延長，提取液內(nèi)部振蕩加劇，導(dǎo)致提取液溫度上升和有機(jī)溶劑揮發(fā)速度加快，目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變化；超聲溫度的升高，導(dǎo)致溶劑揮發(fā)速度加快和有效成分遭到破壞，進(jìn)而使松杉靈芝孢子油的得率降低。