擠壓處理靈芝孢子粉提取靈芝多糖

焦艷麗，溫升南，杜 冰，楊公明,*

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.廣州市美益香料有限公司，廣東 廣州 51 0642)

擠壓處理靈芝孢子粉提取靈芝多糖

焦艷麗1，溫升南2，杜 冰1，楊公明1,*

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.廣州市美益香料有限公司，廣東 廣州 51 0642)

以擠壓噴爆為處理方法，孢子破壁率和靈芝多糖得率為研究對象，分析水分含量、螺桿轉(zhuǎn)速、溫度、進(jìn)料速度對靈芝孢子的破壁率和靈芝多糖得率的影響。采用正交試驗優(yōu)化擠壓工藝條件得出：水分含量15%、螺桿轉(zhuǎn)速223r/min、溫度125℃、進(jìn)料速度155g/min，在此條件下靈芝孢子破壁率為78.6%，多糖得率為2.219%，通過在最佳條件下進(jìn)行二次擠壓，靈芝孢子破壁率提高為83.48%，多糖得率為2.37%。

靈芝孢子粉；雙螺桿擠壓；破壁；靈芝多糖

靈芝孢子粉是靈芝(Ganoderma lucidum)在生長成熟期，從靈芝菌褶中彈射出來的極其微小的卵形生殖細(xì)胞，生物學(xué)上稱作擔(dān)孢子，集中起來呈粉末狀，通稱靈芝孢子粉。靈芝孢子粉含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、多糖、糖肽、三萜、脂肪酸和生物堿等生理活性物質(zhì)[1]，在調(diào)節(jié)免疫功能、抗腫瘤、抗病毒、清除體內(nèi)自由基、降血脂等方面有著極其重要的醫(yī)學(xué)作用[2-5]。隨著近年來對靈芝研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)靈芝多糖是靈芝的主要活性物質(zhì)之一[6]，能促進(jìn)蛋白質(zhì)形成，改善造血功能，具有提高機(jī)體免疫力和消除自由基的能力[2]，在體內(nèi)、體外條件下對四氧嘧啶誘導(dǎo)的胰島損傷均有一定程度的保護(hù)作用[7]，是現(xiàn)代人理想的天然保健食品，它的開發(fā)與應(yīng)用具有廣闊市場空間。研究報告顯示：靈芝多糖已經(jīng)成為衡量靈芝產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣的最重要指標(biāo)之一[8-9]。靈芝孢子粉的細(xì)胞壁由幾丁質(zhì)、葡聚糖和木質(zhì)素組成，有很強(qiáng)的耐腐蝕性，而靈芝多糖主要存在孢子粉的細(xì)胞壁內(nèi)層中，導(dǎo)致靈芝多糖難于提取加工。因此，破壁是孢子粉功能成分有效利用的首要前提。

擠壓技術(shù)是集混合、攪拌、破碎、加熱、噴爆、殺菌、成型為一體的高新技術(shù)[10]。擠壓技術(shù)目前已研究應(yīng)用于蛋白質(zhì)組織化、膳食纖維加工、油脂浸提、休閑食品的加工等方面[11]。擠壓過程中，通過擠壓、摩擦、剪切等作用，加上高溫高壓蒸汽，可以使細(xì)胞間及細(xì)胞壁內(nèi)各層間的木質(zhì)素熔化，部分氫鍵斷裂，木質(zhì)素、纖維素、半纖維素發(fā)生高溫水解，從而使細(xì)胞壁破碎疏松，呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)，功能有效物質(zhì)裸露在外，而且物料擠壓噴爆后呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)，表面積增大。在食品工業(yè)中廣泛用于糧油加工、食品制作、纖維和淀粉降解、谷物和大豆蛋白組織化、谷物細(xì)胞壁破壁等方面[12]。本研究利用擠壓噴爆對靈芝孢子進(jìn)行破壁預(yù)處理研究，提取其中靈芝孢子粉多糖。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

靈芝粉 南方李錦記有限公司，品種為赤芝，干燥后粉碎備用；濃硫酸、苯酚均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

752紫外可見分光光度計 上海精密科學(xué)儀器有限公司；BS110S精密電子天平 北京賽多利斯天平有限公司；光學(xué)顯微鏡 上海滬南科學(xué)儀器有限公司；TDL-5-A型低速臺式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；SPJ-400雙螺桿擠出機(jī) 陜西得愛食品科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 提取工藝流程

1.3.2 靈芝多糖的測定

采用硫酸-苯酚法[13]，以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)品，并按如下公式計算：

1.3.3 靈芝孢子破壁率測定

采用血球計數(shù)板法[14]。

式中：A為靈芝孢子破壁率；Y為破壁前完整孢子數(shù)；n為破壁后完整孢子數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙螺桿擠壓噴爆靈芝孢子破壁效果圖

通過400倍光學(xué)顯微鏡和8000倍掃描電鏡觀察擠壓噴爆破壁前后的靈芝孢子，結(jié)果如圖1～2所示。

從圖1A可看出，未經(jīng)擠壓噴爆處理物料中的靈芝孢子結(jié)構(gòu)完整，顆粒均勻，未見靈芝孢子細(xì)胞壁的殘片；圖1B反映了經(jīng)破壁處理后靈芝孢子的狀態(tài)，除了個別完整孢子顆粒存在之外，有許多結(jié)構(gòu)不完整的孢子細(xì)胞、內(nèi)溶物已經(jīng)溶出的完整細(xì)胞壁殘核以及許多細(xì)胞壁碎片。從圖2A、2B掃描電鏡拍攝照片可以看出，未經(jīng)破壁靈芝孢子微觀結(jié)構(gòu)完整，表面光滑，經(jīng)擠壓噴爆處理后靈芝孢子的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)已被顯著破壞，內(nèi)溶物暴露。上述表明，雙螺桿擠壓噴爆法對靈芝孢子破壁效果明顯，有利于后續(xù)的功能成分提取。

圖1 靈芝孢子物料(A)和擠壓噴爆后孢子(B)顯微鏡照片(×400)Fig.1 Optical microscope photographs of original (A) and extruded (B) Ganoderma lucidum spores (×400)

圖2 靈芝孢子物料(A)和擠壓噴爆后靈芝孢子(B)掃描電鏡照片(×8000)Fig.2 Scanning electron microscopic photographs of original (A) and extruded (B) Ganoderma lucidum spores (×8000)

2.2 單因素試驗結(jié)果

2.2.1 溫度對靈芝孢子破壁率和多糖得率的影響

在物料水分含量18%、螺桿轉(zhuǎn)速223r/min、進(jìn)料速度126g/min條件下，研究擠壓溫度對靈芝孢子粉破壁率和多糖得率的影響，結(jié)果圖3所示。擠壓機(jī)機(jī)筒溫度是保證擠出效果的一個重要因素，溫度升高能夠加快物料的熔融程度，在螺桿的攪拌、剪切作用下物料中的顆粒容易被破壞，機(jī)械強(qiáng)度降低，易被膨化[15]。但是，機(jī)筒溫度過高會使物料“焦化”，還原糖還會與氨基酸作用產(chǎn)生美拉德反應(yīng)[16]，造成營養(yǎng)成分的損失，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此擠壓溫度的最佳選擇范圍在125～135℃。

圖3 溫度對靈芝孢子破壁率和多糖得率的影響Fig.3 Effect of extrusion temperature on cell wall disruption rate of Ganoderma lucidum spore and polysaccharide yield

2.2.2 螺桿轉(zhuǎn)速對靈芝孢子破壁率和多糖得率的影響

在物料水分含量18%、溫度125～130℃、進(jìn)料速度126g/min條件下，改變螺桿轉(zhuǎn)速對靈芝孢子粉進(jìn)行擠壓。螺桿轉(zhuǎn)速較低時，物料所承受的剪切作用低，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，物料與螺桿以及機(jī)筒之間的摩擦和剪切作用增強(qiáng)，加速了物料顆粒的分解和糊化；但是螺桿轉(zhuǎn)速過大，物料在機(jī)筒內(nèi)停留時間變短，物料生化反應(yīng)不徹底[17]。由圖4表明，試驗條件下螺桿轉(zhuǎn)速變化對孢子破壁率和多糖得率的影響，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，孢子破壁率與多糖得率都呈先上升后下降趨勢，破壁率在螺桿轉(zhuǎn)速為179r/min時呈現(xiàn)最大值，多糖得率在螺桿轉(zhuǎn)速為223r/min時最高。因而，螺桿轉(zhuǎn)速的最佳選擇范圍在179～223r/min。

圖4 螺桿轉(zhuǎn)速對靈芝孢子破壁率和多糖得率的影響Fig.4 Effects of screw speed on cell wall disruption rate of Ganoderma lucidum spore and polysaccharide yield

2.2.3 進(jìn)料速度對靈芝孢子破壁率和多糖得率的影響

由圖5可以看出，進(jìn)料速度與靈芝孢子破壁率、多糖得率之間呈拋物線關(guān)系，且有一最大值。進(jìn)料速度決定了物料在擠出機(jī)反應(yīng)腔中停留時間的長短，進(jìn)料速度過快，物料在擠出腔中受到熔融、剪切、摩擦作用時間過短，降解程度低[18]，破壁效果差。進(jìn)料速度過慢則導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，另外會由于局部高溫致使物料被快速干燥，輸送與蒸汽噴爆剪切作用降低甚至停止[19]，破壁率和多糖得率都會相應(yīng)降低。結(jié)果表明，多糖得率曲線以及破壁率曲線在一定速度范圍內(nèi)隨溫度變化趨勢大致相同，都在進(jìn)料速度為155g/min處達(dá)到最大值。

圖5 進(jìn)料速度對靈芝孢子破壁率和多糖得率的影響Fig.5 Effects of feeding rate on cell wall disruption rate of Ganoderma lucidum spore and polysaccharide yield

2.2.4 物料水分含量對靈芝孢子破壁率和多糖得率的影響

在擠壓過程中，適當(dāng)?shù)暮靠梢允刮锪铣浞譂櫇瘛⑴蛩桑兄谖锪现写蠓肿永p繞結(jié)構(gòu)在外力作用下的打開、斷裂與分子重組。物料擠出時，水在擠出機(jī)的反應(yīng)腔內(nèi)受熱急劇汽化，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，對物料分子進(jìn)行切割、混合，可改變物料的化學(xué)成分[16]。含水量過低，擠出過程中擠壓和剪切力較低，物料過于緊密，輸送滯緩，物料在機(jī)筒內(nèi)很難熔融，甚至發(fā)生焦糊現(xiàn)象。含水量過高，使物料在機(jī)筒內(nèi)所受剪切摩擦作用減弱，擠出溫度降低，擠出阻力使模口處壓力降低，大分子物質(zhì)未經(jīng)適當(dāng)降解處理即被擠出機(jī)器模孔[14]，難以達(dá)到處理的目的。用蒸餾水調(diào)整擠壓物料水分含量，然后利用雙螺桿擠壓機(jī)擠出。圖6表明破壁率隨水分含量增加而降低，多糖得率的變化曲線呈先升后降趨勢，多糖得率在水分含量15%～21%間達(dá)到最大。

圖6 水分含量對靈芝孢子破壁率和多糖得率的影響Fig.6 Effects of water content on cell wall disruption rate of Ganoderma lucidum spore and polysaccharide yield

2.3 擠壓噴爆靈芝孢子粉的工藝優(yōu)化

表1 靈芝孢子粉擠壓L9(34)正交試驗結(jié)果Table 1 L9(34) orthogonal array design for optimizing extraction of Ganoderma lucidum polysaccharides and corresponding experimental results

表2 靈芝孢子粉擠壓方差分析表Table 2 Analysis of variance for Ganoderma lucidum spore polysaccharide yield with various extrusion conditions

由表1可知，對破壁率各因素的影響大小順序為C＞B＞A＞D，極差分析結(jié)果得到的最佳組合為A1B3C2D3，即水分含量15%、螺桿轉(zhuǎn)速268r/min、溫度130℃、進(jìn)料速度155g/min。破壁主要是為了營養(yǎng)物質(zhì)更好的提取，本研究以多糖得率為主要的試驗指標(biāo)，進(jìn)行方差分析。由表1、2得出溫度對多糖得率影響顯著，影響最小的是水分含量，各因素的影響大小順序是C＞B＞D＞A，即溫度＞進(jìn)料速度＞螺桿轉(zhuǎn)速＞水分含量，極差分析結(jié)果得到的最佳組合是A1B2C1D3，即水分含量15%、螺桿轉(zhuǎn)速223r/min、溫度125℃、進(jìn)料速度155g/min。選擇此條件為最佳參數(shù)，通過驗證實驗靈芝孢子破壁率可達(dá)78.6%，多糖得率2.22%。為提高靈芝孢子破壁率和多糖得率，對物料在最佳條件下進(jìn)行二次擠壓，擠壓結(jié)果為靈芝孢子破壁率提高為83.48%，多糖得率為2.37%。

3 結(jié) 論

靈芝孢子細(xì)胞壁質(zhì)地堅韌，耐酸堿，極難氧化分解，普遍認(rèn)為，靈芝孢子不經(jīng)過破壁處理很難提取有效成分。本研究以靈芝孢子粉為物料，經(jīng)雙螺桿擠壓破壁后獲得靈芝多糖。雙螺桿擠壓破壁的最佳工藝條件為：水分含量15%，螺桿轉(zhuǎn)速268r/min，溫度130℃，進(jìn)料速度155g/min；以靈芝多糖得率為主要指標(biāo)，通過正交試驗篩選最佳擠出工藝條件：水分含量15%，螺桿轉(zhuǎn)速223r/min，溫度125℃，進(jìn)料速度155g/min。在此條件下通過驗證實驗靈芝孢子破壁率可達(dá)78.6%，多糖得率2.22%，通過在最佳條件下進(jìn)行二次擠壓，靈芝孢子破壁率提高為83.48%，多糖得率為2.37%。結(jié)果表明通過擠壓處理靈芝孢子粉，細(xì)胞破壁明顯，內(nèi)溶物暴露，有利于后續(xù)的功能成分提取。

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Effect of Twin-screw Extrusion Conditions on Polysaccharide Extraction from Ganoderma lucidum Spore Powder

JIAO Yan-li1，WEN Sheng-nan2，DU Bing1，YANG Gong-ming1,*
(1. College of Food Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China；2. Guangzhou Meiyi Flavours and Fragrances Co. Ltd., Guangzhou 510642, China)

Ganoderma lucidum spore powder was subjected to twin-screw extrusion before polysaccharide extraction. The effects of material moisture content, screw rotary speed, temperature and feeding speed on the cell wall disruption rate of Ganoderma lucidum spore and polysaccharide yield were explored. The four process conditions were optimized by orthogonal array design method as follows∶ material moisture content 15%, screw rotary speed 223 r/min, temperature 125 ℃ and feeding speed 155 g/min. The resulting cell wall disruption rate and polysaccharide yield were 78.6% and 2.219%, respectively, which were increased to 83.48% and 2.37% after the second twin-screw extrusion.

Ganoderma lucidum spore；twin-screw extrusion；cell wall disruption；Ganoderma lucidum polysaccharides

R284.2

A

1002-6630(2011)16-0067-04

2010-10-29

焦艷麗(1987—)，女，碩士研究生，研究方向為食品加工。E-mail：jiaoyanli0303@163.com

*通信作者：楊公明(1950—)，男，教授，博士，研究方向為食品及農(nóng)產(chǎn)品安全。E-mail：ygm@scau.edu.cn