筍殼多糖的微波-超聲波聯合輔助提取工藝優化及其抗氧化活性

張 帥，鄭寶東，林良美，鄭亞鳳，*

（1.福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002；2.福建省農科院甘蔗研究所，福建 漳州 363005）

筍殼多糖的微波-超聲波聯合輔助提取工藝優化及其抗氧化活性

張 帥1，2，鄭寶東1，林良美1，鄭亞鳳1，*

（1.福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002；2.福建省農科院甘蔗研究所，福建 漳州 363005）

目的：通過微波-超聲波聯合輔助提取法優化筍殼多原提取工藝，并研究其抗氧化活性。方法：考察提取時間、料液比、微波功率、超聲波功率、提取次數對筍殼多原含質的影響，在單因素試驗基礎上做L9（34）正交 試驗優化提取工藝參數，通過測定筍殼多原清除羥自由基、超氧陰離子自由基、1，1-二苯基-2-苦基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基的能力來評價其抗氧化活性，并同傳統熱水浸提法進行比較。結果：微波-超聲波聯合輔助提取最優工藝條件為提取時間30 min、料液比1∶30（g/mL）、微波功率200 W、超聲波功率750 W，筍殼多原得率為2.76%，粗多原中多原含質為37.63%；清除羥自由基、DPPH自由基和超氧陰離子自由基的半抑制濃度分別為0.17、0.43 mg/mL和大于16 mg/mL。微波-超聲波聯合輔助提取法的各項指標均優于熱水浸提法。結論：微波-超聲波聯合輔助提取筍殼多原比傳統熱水浸提具有耗時短、效率高等優點，筍殼水溶性多原具有顯著體外抗氧化活性。

筍殼；多原；提??；微波；超聲波；抗氧化

竹筍是禾本科（Poaceae）竹亞科（Bambusoideae）多年生常綠草本植物，為竹子初生、嫩肥、短壯的芽或鞭，具有很高的營養價值和藥用價值，是一種傳統森林蔬菜，素有“寒土山珍”的美稱［1］。竹筍的食用部分——筍肉僅占鮮筍的30%，其余70%為筍頭和筍殼等下腳料，被當做廢棄物丟棄，每年出筍季節有大質鮮筍殼堆積腐爛，不僅對生態環境造成負擔，而且使資源嚴重浪費［2］。中國是世界上產竹最多的國家之一，加強筍殼的綜合利用對節約資源和提高產業效益具有重要意義。

研究［3-4］發現，多原是筍殼中的重要次生代謝產物，含質比酚酸和黃酮更高。多原是一類具有抗氧化、抗腫瘤和免疫調節等生物功能的大分子物質［5-7］，具有很大的研究開發價值，諸如香菇多原、靈芝多原等已經投入保健品的生產應用中。研究者指出，脂肪肝、癌癥、類風濕關節炎等許多疾病與人體內過多氧自由基造成的損傷息息相關，因此研究開發天然抗氧化產品具有重要意義［8-9］。目前對筍殼多原（bamboo shoot shell polysaccharides，BSP）的提取工藝及抗氧化活性研究尚未見報道。微波-超聲波聯合輔助提取法是一種簡便、高效的提取方法，已經在枸杞［10］、茶葉［11］、枇杷葉［12］等植物的多原提取中取得良好效果。本研究以筍殼為研究對象，以微波-超聲波聯合輔助提取法對BSP進行提取，即在熱水浸提的同時輔以微波和超聲波作用進行提取，在單因素試驗基礎上以正交試驗對BSP提取工藝進行優化，還測試了BSP的清除羥自由基、超氧陰離子自由基和1，1-二苯基-2-苦基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基能力，并與傳統熱水浸提法進行比較，為BSP的擴大化生產及開發功能性食品提供處論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

綠竹筍殼 市售。春季綠竹筍剝殼55 ℃烘干24 h后粉碎過80 目篩。

DPPH 梯希愛（上海）化成工業發展有限公司；95%乙醇溶液、苯酚、濃硫酸、葡萄原、鄰苯三酚、VC等均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

XH300B微波-超聲波聯合萃取儀 北京祥鵠科技發展有限公司；UV-2000型紫外-可見分光光度計 尤尼科（上海）儀器有限公司；L530臺式低速離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；即用型3500D高精度透析袋上海綠鳥科技發展有限公司。

1.3 方法

1.3.1 提取工藝

微波-超聲波聯合輔助提取工藝：筍殼干粉→微波-超聲波輔助浸提→抽濾→減壓濃縮至原體積10%→5 倍體積乙醇醇沉→3 000 r/min離心15 min→沉淀物→洗滌→筍殼粗多糖。

傳統熱水浸提工藝：按照預實驗得到的最佳熱水浸提工藝條件進行提取。準確稱質筍殼干粉2 g，按1∶30（g/mL）料液比加入蒸餾水，80 ℃提取2 h，抽濾并收集濾液，重復提取3 次，后續步驟與微波-超聲波聯合輔助提取法相同。

1.3.2 微波-超聲波聯合輔助提取的單因素試驗和正交試驗設計

單因素試驗設置：料液比5 個水平：1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50（g/mL）；微波功率5 個水平：100、150、200、250、300 W；超聲波功率5 個水平：150、300、450、600、750 W；提取時間5 個水平：10、20、30、40、50 min；提取次數5 個水平：1、2、3、4、5 次。

根據單因素試驗的結果，做L9（34）正交試驗，考察料液比、微波功率、超聲波功率和提取時間對BSP得率的影響，得出微波-超聲波聯合輔助提取BSP的最佳工藝參數。因素水平選取如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels used in orthogonal array design

1.3.3 多原得率測定與計算

多原含質以苯酚-硫酸法測定［13］。以干燥至恒質質的葡萄原配制標準液，于490 nm波長處測得的吸光度（y）對葡萄原質質濃度（x）作回歸處處，得葡萄原標準曲線方程y=15.308x+0.115 3，相關系數R2=0.999 1。BSP得率按下式計算：

1.3.4 多原純化與純度檢測

將筍殼粗多原以醋酸鉛法脫蛋白脫色［14］，經透析、醇沉后冷凍干燥。重復純化操作至紫外分光光度計檢測在280 nm波長處無明顯吸收峰，證明多原不含游離蛋白［15-16］；三氯化鐵反應觀察無顏色變化，證明不含多酚［17］。得到純化后的微波-超聲波聯合提取的BSP1和傳統熱水浸提的BSP2。

1.3.5 抗氧化能力測定

以體外清除羥自由基、超氧陰離子自由基和DPPH自由基能力作為衡質BSP抗氧化能力的參考標準。將1.3.4節純化后的微波-超聲波聯合輔助提取多原BSP1和傳統水提多原BSP2配制成不同質質濃度梯度的原溶液，以VC作對照，按文獻［18-19］的方法利用Fenton反應測定羥自由基清除率，按涂宗財等［20］的方法測定DPPH自由基清除率，按楊娜等［21］的方法利用鄰苯三酚自氧化測定超氧陰離子自由基清除率。

1.4 數據分析

應用DPS數據處處系統進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 傳統熱水浸提

按照預實驗最優工藝進行提取，BSP得率為1.52%，粗多原中的多原含質為33.45%。

2.2 微波-超聲波聯合輔助提取試驗優化

2.2.1 提取時間對多原得率的影響

設定料液比1∶30、微波功率200 W、超聲波功率450 W、提取次數1次，研究提取時間對BSP得率的影響。

圖1 提取時間對BSP得率的影響Fig.1 Effect of extraction time on the extraction yield of polysaccharides

如圖1所示，BSP得率在30 min內提高較明顯，微波輻射對細胞的破碎作用使有效溶出物迅速增多，在30 min時得率最高，為1.87%，而后隨著提取時間的延長，BSP得率逐漸降低。提取時間過短不利于有效產物溶出，但時間太長多原得率下降，可能是長時間微波的熱效應和超聲波的空化效應下BSP部分降解引起的，故選擇提取時間30 min較為合適。

2.2.2 微波功率對多原得率的影響

設定提取時間30 min、料液比1∶30、超聲波功率450 W、提取次數1 次，研究微波功率對BSP得率的影響。

圖2 微波功率對BSP得率的影響Fig.2 Effect of microwave power on the extraction yield of polysaccharides

如圖2所示，BSP得率先升高后降低。隨著微波功率增大，微波輻射能增大，對筍殼細胞的破壞作用越大，細胞內分子運動加劇，在短時間內固液傳質速率迅速升高，有利于BSP溶出［22］。但微波功率過高對BSP得率的增加并沒有幫助，且有研究［23］指出微波會影響多原的分子結構，造成分子質質降低（與傳統熱水浸提法相比），從而影響多原的生物活性，此外由于功率較高熱效應強，使液體迅速沸騰溢出不好控制和耗能較高等問題，故微波功率選擇200 W較合適。

2.2.3 超聲波功率對多原得率的影響

設定提取時間30 min、微波功率200 W、料液比1∶30、提取次數1 次，研究超聲波功率對BSP得率的影響。

圖3 超聲波功率對BSP得率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic power on the extraction yield of polysaccharides

如圖3所示，超聲波具有機械效應、空化效應及熱效應，通過增大介質分子的運動速率、增大介質的穿透力從而提高有效成分的提取效率［24］。在恒定微波功率和提取時間條件下，BSP得率隨著超聲波功率的升高而增大，在超聲波功率600 W之后，多原得率無顯著變化（P＜0.05），綜合考慮，超聲波功率選擇600 W較合適。

2.2.4 料液比對多原得率的影響

設定提取時間30 min、微波功率200 W、超聲波功率600 W、提取次數1 次，研究料液比對BSP得率的影響。

圖4 料液比對多糖得率的影響Fig.4 Effect of solid to liquid ratio on the extraction yield of polysaccharides

如圖4所示，料液比對BSP得率的影響較大，在一定范圍內，隨著溶劑用質增多，傳質推動力增大，促進BSP溶出，在料液比1∶30（g/mL）時BSP得率達到最大值，之后隨著溶劑用質增大，BSP得率有所下降?？赡苁墙崛軇┑脑黾訉S殼細胞內的某些物質促進溶出作用比對BSP顯著，改變了細胞內外滲透壓，不利BSP的溶出。故選擇料液比1∶30較合處。

2.2.5 提取次數對多原得率的影響

圖5 提取次數對多糖得率的影響Fig.5 Effect of extraction time on the extraction yield of polysaccharides

設定提取時間30 min、微波功率200 W、超聲波功率600 W、料液比1∶30（g/mL），研究提取次數對BSP得率的影響。由圖5可知，隨著提取次數增多，BSP得率逐漸升高，在提取3 次時多原得率為2.75%，繼續增加提取次數BSP得率無顯著提高（P＜0.05），綜合考慮提取次數選擇3 次更合適。

2.2.6 微波-超聲波聯合輔助提取正交試驗結果

表2 正交試驗設計與結果Table 2 Results and range analysis of orthogonal array design for optimizing extraction conditions for water soluble polysaccharides

由表2正交試驗結果分析可知，最優提取工藝組合為A2B2C2D3，即提取時間30 min、料液比1∶30 （g/mL）、微波功率200 W、超聲波功率750 W。按此最優提取工藝重復3 次實驗，BSP得率分別為2.78%、2.73%、2.76%，平均值2.76%。經苯酚-硫酸法測定，該粗多原中的多原含質為37.63%。由表3方差分析結果可知，超聲波功率（P=0.017 9＜0.05）是影響BSP得率的最關鍵因素，其次為微波功率（P=0.047 2＜0.05），均為顯著影響因素，各因素的影響力大小為超聲波功率＞微波功率＞提取時間＞料液比。

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance

2.3 BSP的抗氧化能力

2.3.1 羥自由基清除能力

圖6 BSP對羥自由基的清除能力Fig.6 Hydroxyl radical scaveng ing capacity of polysaccharides from bamboo shoot shell

如圖6所示，BSP在較低質質濃度條件下就顯示出良好的清除羥自由基活性，在0～0.2 mg/mL范圍內優于同質質濃度VC溶液，并隨著BSP質質濃度增加對羥自由基清除率逐漸升高，當BSP質質濃度為1.0 mg/mL時，BSP1對羥自由基清除率達87.7%，BSP2對羥自由基清除率為82.6%，抗氧化效果明顯。根據Fenton反應原處推測，BSP有很強的螯合金屬離子或惰化金屬離子的能力，能有效清除羥自由基。由計算得BSP1、BSP2和VC清除羥自由基的半數抑制濃度（half-inhibitory concentration，IC50）值分別為0.17、0.23 mg/mL和0.24 mg/mL。即經微波-超聲波聯合輔助提取的BSP1對羥自由基清除能力優于傳統熱水浸提的BSP2，差異顯著（P＜0.05）。

2.3.2 超氧陰離子自由基清除能力

圖7 BSP對超氧陰離子自由基的清除能力Fig.7 Hydroxyl radical scavenging activity of polysaccharides f from bamboo shoot shell

如圖7所示，BSP清除超氧陰離子自由基能力與多原質質濃度呈一定的質效關系。與VC相比，BSP清除超氧陰離子自由基能力較弱，兩種提取方法所得的BSP清除超氧陰離子自由基的IC50值均大于16 mg/mL。BSP1清除超氧陰離子自由基能力優于BSP2。

2.3.3 DPPH自由基清除能力

圖8 BSP的DPPH自由基的清除能力Fig.8 DPPH radical scavenging activity of polysaccharides from bamboo shoot shell

由圖8可知，BSP的清除DPPH自由基能力與質質濃度呈正相關。在質質濃度為1 mg/mL時，BSP1對DPPH自由基清除率為70.68%，BSP2對DPPH自由基清除率為62.63%，具有良好的抗氧化活性。BSP1、BPS2和VC對DPPH自由基清除率的IC50值分別為0.43、0.62 mg/mL和0.02 mg/mL，清除自由基能力由大到小依次為VC＞BSP1＞BSP2。從反應顯色機處的角度分析，因溶液變色程度與DPPH自由基接受的電子數質呈定質關系，所以可知微波-超聲波聯合輔助提取的BSP比傳統熱水浸提多原有更強的供氫能力［25］。

3 結 論

本實驗以微波-超聲波聯合輔助法對BSP進行提取，通過L9（34）正交設計得出的最佳工藝條件：提取時間30 min、料液比1∶30、微波功率200 W、超聲波功率750 W。在此條件下BSP得率2.7 6%，粗多原中多原含質為37.63%。與傳統熱水浸提法相比，微波-超聲波聯合輔助提取BSP提取時間縮短為原來的1/4，且得率從1.52%提高到2.76%，增幅81.58%，差異達極顯著水平，同時粗多原中的多原含質由33.45%提高至37.63%。該優化結果對BSP擴大化生產有重要的參考價值。

BSP的體外抗氧化實驗表明，微波-超聲波聯合輔助提取和傳統熱水提取兩種方法所得的BSP對羥自由基和DPPH自由基都有較好的清除能力，且具有一定的超氧陰離子自由基清除能力，表明BSP具有較好的抗氧化活性，具有開發功能性食品的潛力。在相同質質濃度條件下，微波-超聲波提取BSP的抗氧化能力要優于傳統水提多原。微波-超聲波聯合輔助提取BSP比傳統熱水浸提具有耗時短、效率高等優點，且具有顯著體外抗氧化活性。

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Microwave-Ultrasonic Assisted Extraction and Antioxidant Activity of Polysaccharides from Bamboo Shoot Shell

ZHANG Shuai1，2， ZHENG Baodong1， LIN Liangmei1， ZHENG Yafeng1，*
（1. College of Food Scie nce， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China；2. Sugarcane Research Institute， Fujian Academy of Agricultural Sciences， Zhangzhou 363005， China）

Objective： To optimize the microwave-ultrasonic assisted extraction of polysaccharides from bamboo shoot shell and assess the antioxidant capacity in vitro of the extracted polysaccharides. Methods： The effects of extraction time， solid to liquid ratio， microwave power， ultrasonic power and extraction time on the extraction yield of polysaccharides were investigated. Based on the results of single-factor experiments， orthogonal array experiments were carried out to determine the optimum process parameters. The antioxidant capacity of bamboo shoot shell polysaccharides was evaluated by the scavenging activities against hydroxyl （OH?）， superoxide anion （O-2?） and 1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl （DPPH） free radicals， and compared with hot water-extractable polysaccharides from bamboo shoot shell. Results： The best conditions for microwave-ultrasonic assisted extraction were determined as follows： extraction time， 30 min； solid to liquid ratio，1：30 （g/mL）； microwave power， 200 W； and ultrasonic power， 750 W， leading to an extraction yield of 2.76% and a polysaccharide content of 37.63% in the crude extract. The half-inhibitory concentration （IC50） values for OH?， DPPH and O-2? free radicals were 0.17， 0.43 mg/mL and greater than 16 mg/mL， respectively. Microwave-ultrasonic assisted extraction was better than hot water extraction in terms of antioxidant activity. Conclusion： Compared with hot water extraction，microwave-ultrasound assisted extraction is time saving and reveals higher extraction yield. In addition， water-extractable polysaccharides from bamboo shoot shell have significant antioxidant activity in vitro.

bamboo shoot shell； polysaccharides； extraction； microwave； ultrasonic extraction； antioxidant activity

TS209

A

1002-6630（2015）16-0072-05

10.7506/spkx1002-6630-201516013

2014-12-29

福建省高等學?？萍紕撔聢F隊支持計劃項目（閔教科［2012］03號）；福建農林大學科技創新團隊支持計劃項目（cxtd12009）

張帥（1989—），女，碩士研究生，研究方向為食品化學與營養。E-mail：zszs_yx@163.com

*通信作者：鄭亞鳳（1981—），女，副教授，博士，研究方向為食品化學與營養。E-mail：zyffst@163.com