微波協同酶法提取平菇柄多糖的工藝研究

朱彩平,肖智敏

陜西師范大學食品工程與營養科學學院,西安 710062

微波協同酶法提取平菇柄多糖的工藝研究

朱彩平＊,肖智敏

陜西師范大學食品工程與營養科學學院,西安 710062

為優化微波協同酶法提取平菇柄多糖的工藝條件,在單因素試驗的基礎上,選擇提取時間、微波功率以及液料比為自變量,多糖得率為響應值,采用中心組合設計的方法,研究各自變量及其交互作用對多糖得率的影響。利用響應面分析方法,模擬得到二次多項式回歸方程的預測模型,并確定平菇柄多糖提取工藝的最佳條件為:微波功率 420 W,提取時間 8 min,液料比 55∶1,在此條件下,最大得率達到 6.05%。

平菇柄;多糖;微波協同酶法;響應面分析法

Abstract:To opt imize the microwave-enzyme synergistic extraction process ofPleurotus ostreatusstem polysaccharides,on the base of single factor investigation,effects of extraction t ime,microwave power,and ratio of solvent to material as well as their interactionson yield of the polysaccharideswere studied by central composite design.The predictive polynomial quadratic equationsmodelwas developed by response surface analysis.The optimal extraction conditions of theP.ostreatusstem polysaccharides concluded as follows:extraction time 8 min,microwave power 420W,and ratio ofwater to material 55∶1.Under these conditions,the yield of the polysaccharideswas up to 6.05%.

Key words:Pleurotus ostreatusstem;polysaccharide;microwave-enzyme synergistic method;response surface analysis

多糖是生物體中廣泛存在的物質,是生物體內重要的生物大分子,是維持生命活動正常運轉基本物質之一。糖類在生物體內的功能不限于提供能量和參與結構,同時還具有多種多樣的生物學功能[1]。近年來對多糖的研究逐漸轉向真菌方向,開發與利用真菌多糖作為保健食品和藥品已逐漸為人們所認識,但是現在我國對多糖的研究大部分集中在人參、銀耳、黑木耳、刺參和黃芪等名貴中藥材上。而對平菇的研究并不多見。

平菇 (Pleurotus ostreatus)又名側耳,是一種高蛋白、低脂肪的藥食真菌,可以舒經活絡。平菇多糖(P.ostreatuspolysaccharide,POP)是從平菇中提取出來的一種重要成分,近年來也被證實具有多種生理功效,如抗氧化、抗腫瘤、增強免疫力[2-5]等。

微波輔助萃取技術 (Microwave-Assisted Extraction Technique)具有選擇性高、提取時間短、易為揮發性成分的提取得率高以及不需要特殊的分離步驟等優點[6],現在已被廣泛應用到各種天然活性成分的提取中[7-9]。

平菇易栽培,生產周期短,產量高,價格低廉,已普遍實現大規模人工栽培。目前,平菇主要食用的是菌蓋部分,而平菇柄因口味不佳,基本被丟棄,若能從平菇柄中提取平菇柄多糖,不僅可以廢物利用,還可以增加農產品的附加值。由于多糖通常被包裹在植物細胞壁內,并且多糖往往和蛋白質結合在一起,以蛋白質多糖的形式存在,若能在提取多糖的過程中使用蛋白酶,則可將多糖釋放出來而提高多糖的得率,同時降低多糖中蛋白質含量,提高多糖純度[10]。因此,本文擬將微波和酶法兩種技術同時應用到平菇柄多糖的提取上,以期快速而高效地獲得盡可能多的平菇柄多糖,為平菇柄多糖的工業化生產提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

平菇,購于西安市長安區茅坡村菜市場。將新鮮平菇清洗干凈,取柄,烘干后粉碎,過 60目篩,備用。

1.2 試劑與儀器

木瓜蛋白酶,純度 ＞2000 u/mg,西安沃爾森生物技術有限公司 (Japan原裝);無水乙醇、濃硫酸、葡萄糖、苯酚等均為國產分析純試劑。

電熱恒溫水浴鍋,上海福瑪試驗設備有限公司;RE-52AA型旋轉蒸發儀,上海亞榮生化儀器廠;微型高速萬能試樣粉碎機,中國鹽都華康科學儀器廠;XMTA-7000P數顯鼓風干燥箱,上海銀海試驗儀器有限公司;SHB-Ⅲ型循環水式多用真空泵,鄭州長城科工貿有限公司;AL204電子天平,梅特勒-托利多儀器 (上海)有限公司;WD700型 LG微波爐,天津樂金電子電器有限公司。

1.3 技術路線

平菇柄粉 10 g→木瓜蛋白酶處理→微波提取→過濾→濾液 (濾渣→加入與第一次提取等體積的蒸餾水→微波二次提取→過濾→濾液)→合并→真空濃縮→80%乙醇沉淀→真空抽濾→恒溫干燥→多糖粗品

1.4 平菇柄多糖得率計算

1.5 方法

1.5.1 酶處理

稱取 10 g平菇柄粉末,加入相應量的 1%的木瓜蛋白酶 (pH7.0)溶液,40℃保溫 2 h,升溫到 80℃,保持 30 min滅酶[11,12]。

進行城市發展和建設工作的最終目的實際上是為了造福子孫后代，為他們留下更好的環境，不重視對環境的破壞，浪費、消耗資源，不僅僅會對人們的健康造成影響，還會使得城市的競爭力降低，在多年以后還可能面臨無法生存的問題，所以，通過先進的技術手段節約資源、最大限度的保護環境，實現資源循環利用，建設生態城市，促進城市的可持續性發展，促進我國長期繁榮。

1.5.2 平菇柄多糖的提取單因素試驗

本試驗選取對平菇柄多糖得率有影響的 3個主要因素,即微波處理時間、微波功率、液料比分別進行單因素試驗,考察各單因素對多糖得率的影響。

1.5.3 響應曲面法試驗設計

響應曲面法 (Response surface methodology,RS M)是統計設計試驗技術的合成,采用合理的試驗設計,能以最經濟的方式,用很少的試驗數量和時間對實驗進行全面研究,科學的提供局部與整體的關系,從而取得明顯的、有目的結論,并以回歸方法作為函數估算工具,將多因子試驗由回歸因子與試驗結果的相互關系用多項式近似把因子與試驗結果的關系函數化。具有科學指導性強、適用性廣、預測性好的特點[13]。

本實驗在單因素試驗結果基礎上,采用中心組合試驗 Box-Behnken設計方案,以時間 (min)、功率(W)以及液料比 (mL/g),分別用 X1、X2、X3來表示,并以 +1、0、-1分別代表變量的水平,按方程 Xi=(Xi-X0)/ΔX對自變量進行編碼,其中,Xi為變量的編碼值,Xi為變量的真實值,X0為試驗中心點變量的真實值,ΔX為變量的變化步長,多糖得率 Y為響應值 (如表 1)。

表1 中心組合試驗Box-Behnken實驗設計的因素和水平編碼值表Table 1 Independent variables and levels for central composite rota table design

2 結果與分析

2.1 單因素試驗及其分析

2.1.1 微波處理時間對多糖得率的影響

固定液料比為 50∶1,微波功率為 420W,微波時間在 4～12 min的范圍內變化,按 1.3的技術路線提取,不同提取時間的多糖得率如圖 1所示。

圖1 提取時間對平菇柄多糖得率的影響Fig.1 Effects of extraction time on POSP yield

由圖 1可以看出,隨著微波處理時間的延長,多糖得率有逐漸增大的趨勢,但超過 8 min時得率又有所降低,由于微波加熱升溫極其迅速,當處理時間較長時,會因部分多糖分解而造成損失,處理時間 8 min時多糖得率最高,所以可初步確定最佳提取時間為 8 min。

2.1.2 微波功率對多糖得率的影響

固定液料比為 50∶1,微波處理時間 8 min,微波處理功率在 140～700W的范圍內變化,按 1.3的技術路線提取,不同微波處理功率對多糖得率的影響見圖 2。

圖2 微波功率對平菇柄多糖得率的影響Fig.2 Effects ofmicrowave power on POSP yield

由圖 2可以看出,隨著微波功率的增大,多糖得率也隨之增大,在微波功率 420 W時多糖得率已經達到最大,當微波功率繼續提高時,多糖得率又有所下降,主要是微波功率增大,溶液中水分子振動加劇,溫度急劇升高,導致多糖部分分解造成多糖的損失,從而使得率下降。因此,可初步選取最佳微波處理功率 420 W。

2.1.3 液料比對多糖得率的影響

固定微波處理時間 8 min,微波功率 420 W,液料比在 30∶1～70∶1的范圍內變化,按 1.3的技術路線提取,不同液料比對多糖得率的影響見圖 3。

圖3 液料比對平菇柄多糖得率的影響Fig.3 Effects of ratio of solvent to material on POSP yield

由圖 3可以看出,隨著料液的增加,多糖得率逐步提高,當液料比為 50∶1時其得率最大,但隨著料液的繼續增加,多糖得率變化不大,這是因為料液較少時,多糖溶解不充分,隨著料液的增多,多糖充分溶出,得率便增大,當料液再增多,不僅浪費料液,給濃縮也增加了負擔,因此可初步確定最佳液料比為50∶1。

2.2 響應面試驗結果與分析

2.2.1 試驗結果

如表 2所示,共 17個試驗點,其中 12個為析因點,5個為零點,析因點為自變量取值在 X1、X2、X3所構成的三維頂點;零點為區域的中心點,其中零點試驗重復 5次,用以估算試驗誤差。

表2 Box-Behnken設計方案及平菇柄多糖得率的測定值Table 2 Box-Behnken design matrix and the responses of the dependent variables of POSP yield

2.2.2 模型的建立及其顯著性檢驗

利用 Design-Expert(version7.1.6,Stat-Ease Inc.,MinneapolisN.USA)軟件對表 2試驗數據進行多元回歸擬合,得到平菇柄多糖得率對提取時間(X1)、微波處理功率 (X2)和液料比 (X3)的二次多項回歸模型為:

由表 3方差分析結果可看出,模型和失擬項均達到極顯著水平,說明還存在未知干擾因子,但是方程擬合很好[14]。且模型的復相關系數 R2為97.56%,大于 90%,也說明此模型與實際試驗擬合較好,因此可用該回歸方程代替試驗真實點對實驗結果進行分析。由表 3的 p值可以知道,在所選的各因素水平范圍內,對結果的影響排序為:微波處理功率 ＞液料比 ＞提取時間。回歸方程各項的方差分析結果還表明方程一次項 X2、X3對 Y值的影響極顯著,X1影響顯著,二次項、對得率Y值的影響極顯著,交互項 X1X3對 Y值的影響顯著,表明試驗因素對響應值的影響不是簡單的線性關系。

表3 二次回歸模型的方差分析結果Table 3 Analysis of quadratic regression model from data in Table 2

2.2.3 平菇柄多糖提取工藝的響應面分析與優化

根據回歸模型作出相應的響應面和等高線見圖4-圖 6,比較兩組圖響應面最高點和等高線可知,在所選范圍內存在極值,即響應面最高點,同時也是等高線最小橢圓的中心點。

圖4 提取時間和微波處理功率對多糖得率影響的等高線及響應面Fig.4 Contour and Response surface plot for effects of extraction t ime and microwave power on response value of POSP yield

當液料比固定在 50∶1時,提取時間和微波處理功率對多糖得率的影響見圖 4。由圖 4可知,在提取時間 6～10 min的范圍內,得率變化不太明顯。在微波功率 280～560 W的范圍內,得率不斷增高,之后隨著時間的延長,多糖得率趨于下降。

微波功率固定在 420 W,提取時間和液料比對多糖得率的影響見圖 5。從圖 5可看出,隨著時間的延長、液料比的增大,得率先急劇上升,后又趨于平緩,甚至下降。

當提取時間固定在 8 min時,微波處理功率和液料比對多糖得率的影響見圖 6。由圖 6可知,在液料比 40∶1～60∶1的范圍內,得率的變化不太明顯。在微波處理功率 280～560 W的范圍內,得率先是快速升高,之后隨著料液的增多,微波功率的增大,得率又趨于降低。

通過軟件分析,得到平菇柄多糖微波輔助提取的最佳條件為:提取時間 7.7 min,微波處理功率418 W,液料比 54.7,在此條件下多糖得率的理論值為 6.10%。為檢驗響應曲面法所得結果的可靠性,采用上述優化提取條件進行平菇柄多糖提取,考慮到實際操作的便利,將提取工藝參數修正為:提取時間為 8 min,提取功率 420W,液料比為 55∶1,實際測得的平均得率為 6.05%,其相對誤差不到 1%,因此基于響應曲面法所得的優化提取工藝參數準確可靠,具有實用價值。

3 結論

本研究利用試驗設計軟件 Design-Expert 7.1.6,通過二次回歸設計得到了平菇柄多糖微波協同酶法提取的得率與提取時間、微波處理功率和液料比關系的回歸模型,經檢驗證明該模型合理可靠,能較好地預測平菇柄多糖微波輔助提取的得率。由該模型得到的優化工藝參數為:提取時間 8 min、微波處理功率 420 W、液料比 55∶1(mL/g),平菇柄多糖的實際平均得率為 6.05%。

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Extract Technology of Polysaccharide from Pleurotus ostreatus Stem by Microwave-enzyme Synergistic Method

ZHU Cai-ping＊,X IAO Zhi-min
College of Food Engineering and Nutritional Science,Shaanxi Nor m alUniversity,Xi’an 710062,China

R284.3

A

1001-6880(2011)01-0118-06

2009-08-26 接受日期:2009-11-03

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