猴頭菇多糖擠壓膨化預處理提取工藝優化

楊濱夢，肖志剛，黃丹，劉雪瀾，高育哲，段玉敏

（1.沈陽師范大學糧食學院，遼寧沈陽110000；2.沈陽師范大學化學化工學院，遼寧沈陽110000；3.沈陽師范大學學前與初等教育學院，遼寧沈陽110000）

猴頭菇（學名：Hericium erinaceus），又稱猴頭蘑、猴頭菌、刺猬菌等，是一種大型真菌，屬擔子菌綱、多孔菌目、齒菌科、猴頭屬，因其子實體形狀像猴子頭部而得名[1-2]。猴頭菇是中國傳統的名貴食材，同時也是四大名菜（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]。猴頭菇營養價值豐富，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，活性炭法、大孔樹脂法[9]進行脫色，還可通過纖維素柱色譜、凝膠滲透色譜法等對多糖進行進一步的分級純化，將混合性的多糖分成若干個均一性組分[10-13]。擠壓膨化技術是集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型為一體，能夠實現一系列單元同時并連續操作的新型加工技術，在提高蛋白消化率等方面具有重要作用[12]。擠壓膨化技術可以使產品的質量得到改良和提高，在擠壓過程中由于淀粉、脂肪、蛋白質的降解，使其更有利于人體的消化吸收并且擠壓加工時，能最大限度保存原料的營養[14-15]。本試驗采用擠壓膨化聯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，有助于營養物質更好的溶出，以提高多糖得率，同時也為更好的利用猴頭菇多糖提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

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

1.2 儀器與設備

DS56-III型雙螺桿擠壓機：濟南賽信膨脹機械有限公司；DHG-9146A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司；UV-1200S型紫外可見分光光度計：翱藝儀器上海有限公司；RRHP-200型萬能高速粉碎機：歐凱萊芙（香港）有限公司；TKRE-1000A型旋轉蒸發儀：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）型循環水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責任公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 猴頭菇擠壓膨化預處理

將猴頭菇置于50℃恒溫烘箱中烘干后粉碎，將雙螺桿擠壓機設置好參數，待溫度升高到預設溫度后，從進料口以10 kg/h速度喂料，設定物料含水量、膨化溫度、螺桿轉速等參數進行擠壓膨化預處理，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，再使用旋轉蒸發儀在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 葡萄糖標準曲線的建立

參照文獻方法繪制葡萄糖標準曲線[14]。得回歸方程A=0.005C+0.104 2，R2=0.999 3。葡萄糖標準曲線見圖1。

圖1 葡萄糖標準曲線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為試驗稱取的猴頭菇質量，g；m為粗多糖質量，g。

1.4 膨化預處理工藝優化

1.4.1 擠壓膨化單因素試驗設計

1.4.1.1 螺桿轉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℃，分別設定螺桿轉速梯度為 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%，螺桿轉速為450 r/min，分別設定擠壓溫度參數為 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℃，螺桿轉速為450 r/min，分別設定物料含水量為14%、16%、18%、20%、22%。

1.5 響應面優化試驗

在單因素試驗的基礎上，應用響應面分析軟件Design-Expert8.0.6，以粗多糖提取率為響應值，對試驗數據進行進一步優化，構建三因素三水平的模型，通過試驗最終確定出最佳提取工藝。響應面自變量因素及水平設計見表1。

表1 響應面自變量因素及水平設計Table1 Factor and level design of response surface argument

1.6 試驗結果統計分析

采用SPSS25.0軟件對數據進行方差統計學分析，響應面應用模型采用Design Expert 8.0.6軟件進行顯著性分析，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 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 螺桿轉速對多糖提取率的影響

螺桿轉速對多糖提取率的影響見圖2。

圖2 螺桿轉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，隨著螺桿轉速增加，提取率不斷增加，在螺桿轉速為400 r/min時達到最大，提率可達3.06%，隨后又略微下降。這可能是由于轉速過低時，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；而轉速過快時，物料在擠壓機內停留時間過短，壓力不足，降低了擠壓膨化處理對物料結構的破壁改性效果。

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，提取率達到最大，可達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造成了破壞，導致提取率下降。這可能是由于溫度較低時，水分子與物料不能作用完全，導致膨化程度不高，物料結構無法得到有效破壞。適當高溫可以促進物料與水分子之間的相互作用，可以達到較好的破壁效果，有利于多糖溶出；但當溫度過高時，擠壓作用效果過于劇烈，部分多糖可能會出現降解，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%時達到最大，可達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。所以適當的水分會滲透到物料內部，擠壓膨化時水分迅速蒸發，使其結構疏松，有利于多糖的溶出。

2.2 響應面試驗結果分析

2.2.1 響應面試驗結果

響應面試驗設計及結果見表2。

根據表2的試驗結果，對響應值提取率進行回歸分析，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 響應面試驗設計及結果Table 2 Test design and result of response surface

2.2.2 響應值回歸方程分析

多糖提取率回歸方程的方差分析結果見表3。

表3 多糖提取率回歸方程的方差分析結果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測猴頭菇多糖提取工藝參數，同時也能真實的反應各因素與提取率之間的關系[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 各因素響應面分析圖

多糖提取率與擠壓溫度、螺桿轉速的相互作用等高線圖與響應面圖見圖5。

圖5 多糖提取率與擠壓溫度、螺桿轉速的相互作用等高線圖與響應面圖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、螺桿轉速兩個因素的相互作用，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。隨著螺桿轉速和擠壓溫度的增加，多糖提取率都呈現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速、水分含量的相互作用等高線圖與響應面圖見圖6。

圖6顯示了多糖提取率與水分含量、螺桿轉速兩個因素的相互作用，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面圖見圖7。

圖6 多糖提取率與螺桿轉速、水分含量的相互作用等高線圖與響應面圖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 最優條件驗證分析

根據響應面優化處理最終結果顯示，最佳螺桿轉速為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3.70%。試驗平行測定3次以進行結果驗證，結果如表4所示。

表4 最優提取條件驗證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面圖Fig.7 Contour map and response surface diagram of interaction between polysaccharide extraction rate and extrusion temperature and moisture content

根據表4試驗結果顯示，3次試驗提取率取平均值為3.63%，與分析結果3.70%基本一致，可以確定試驗結果具有可靠性。

2.4 擠壓膨化預處理對猴頭菇多糖提取率的影響

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

圖8 擠壓膨化預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，未經擠壓膨化處理的猴頭菇原料提取率為1.54%，經過擠壓膨化預處理后提取率可達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行雙螺桿擠壓膨化預處理，可顯著提高猴頭菇多糖的得率。

3 結論

在本試驗中，創新的采用擠壓膨化技術對猴頭菇多糖的提取進行預處理，并通過響應面法較全面的分析了螺桿轉速、水分含量、擠壓溫度3個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。通過試驗及二次多項式建模方程計算整合，得出猴頭菇多糖最佳擠壓膨化預處理提取條件為：螺桿轉速400 r/min，水分含量16%，擠壓溫度120℃。經驗證，確定在此條件下提取率達到最高可達3.63%。