微波协同酶法提取平菇柄多糖的工艺研究

朱彩平,肖智敏

陕西师范大学食品工程与营养科学学院,西安 710062

微波协同酶法提取平菇柄多糖的工艺研究

朱彩平＊,肖智敏

陕西师范大学食品工程与营养科学学院,西安 710062

为优化微波协同酶法提取平菇柄多糖的工艺条件,在单因素试验的基础上,选择提取时间、微波功率以及液料比为自变量,多糖得率为响应值,采用中心组合设计的方法,研究各自变量及其交互作用对多糖得率的影响。利用响应面分析方法,模拟得到二次多项式回归方程的预测模型,并确定平菇柄多糖提取工艺的最佳条件为:微波功率 420 W,提取时间 8 min,液料比 55∶1,在此条件下,最大得率达到 6.05%。

平菇柄;多糖;微波协同酶法;响应面分析法

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

多糖是生物体中广泛存在的物质,是生物体内重要的生物大分子,是维持生命活动正常运转基本物质之一。糖类在生物体内的功能不限于提供能量和参与结构,同时还具有多种多样的生物学功能[1]。近年来对多糖的研究逐渐转向真菌方向,开发与利用真菌多糖作为保健食品和药品已逐渐为人们所认识,但是现在我国对多糖的研究大部分集中在人参、银耳、黑木耳、刺参和黄芪等名贵中药材上。而对平菇的研究并不多见。

平菇 (Pleurotus ostreatus)又名侧耳,是一种高蛋白、低脂肪的药食真菌,可以舒经活络。平菇多糖(P.ostreatuspolysaccharide,POP)是从平菇中提取出来的一种重要成分,近年来也被证实具有多种生理功效,如抗氧化、抗肿瘤、增强免疫力[2-5]等。

微波辅助萃取技术 (Microwave-Assisted Extraction Technique)具有选择性高、提取时间短、易为挥发性成分的提取得率高以及不需要特殊的分离步骤等优点[6],现在已被广泛应用到各种天然活性成分的提取中[7-9]。

平菇易栽培,生产周期短,产量高,价格低廉,已普遍实现大规模人工栽培。目前,平菇主要食用的是菌盖部分,而平菇柄因口味不佳,基本被丢弃,若能从平菇柄中提取平菇柄多糖,不仅可以废物利用,还可以增加农产品的附加值。由于多糖通常被包裹在植物细胞壁内,并且多糖往往和蛋白质结合在一起,以蛋白质多糖的形式存在,若能在提取多糖的过程中使用蛋白酶,则可将多糖释放出来而提高多糖的得率,同时降低多糖中蛋白质含量,提高多糖纯度[10]。因此,本文拟将微波和酶法两种技术同时应用到平菇柄多糖的提取上,以期快速而高效地获得尽可能多的平菇柄多糖,为平菇柄多糖的工业化生产提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验原料

平菇,购于西安市长安区茅坡村菜市场。将新鲜平菇清洗干净,取柄,烘干后粉碎,过 60目筛,备用。

1.2 试剂与仪器

木瓜蛋白酶,纯度 ＞2000 u/mg,西安沃尔森生物技术有限公司 (Japan原装);无水乙醇、浓硫酸、葡萄糖、苯酚等均为国产分析纯试剂。

电热恒温水浴锅,上海福玛试验设备有限公司;RE-52AA型旋转蒸发仪,上海亚荣生化仪器厂;微型高速万能试样粉碎机,中国盐都华康科学仪器厂;XMTA-7000P数显鼓风干燥箱,上海银海试验仪器有限公司;SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵,郑州长城科工贸有限公司;AL204电子天平,梅特勒-托利多仪器 (上海)有限公司;WD700型 LG微波炉,天津乐金电子电器有限公司。

1.3 技术路线

平菇柄粉 10 g→木瓜蛋白酶处理→微波提取→过滤→滤液 (滤渣→加入与第一次提取等体积的蒸馏水→微波二次提取→过滤→滤液)→合并→真空浓缩→80%乙醇沉淀→真空抽滤→恒温干燥→多糖粗品

1.4 平菇柄多糖得率计算

1.5 方法

1.5.1 酶处理

称取 10 g平菇柄粉末,加入相应量的 1%的木瓜蛋白酶 (pH7.0)溶液,40℃保温 2 h,升温到 80℃,保持 30 min灭酶[11,12]。

进行城市发展和建设工作的最终目的实际上是为了造福子孙后代，为他们留下更好的环境，不重视对环境的破坏，浪费、消耗资源，不仅仅会对人们的健康造成影响，还会使得城市的竞争力降低，在多年以后还可能面临无法生存的问题，所以，通过先进的技术手段节约资源、最大限度的保护环境，实现资源循环利用，建设生态城市，促进城市的可持续性发展，促进我国长期繁荣。

1.5.2 平菇柄多糖的提取单因素试验

本试验选取对平菇柄多糖得率有影响的 3个主要因素,即微波处理时间、微波功率、液料比分别进行单因素试验,考察各单因素对多糖得率的影响。

1.5.3 响应曲面法试验设计

响应曲面法 (Response surface methodology,RS M)是统计设计试验技术的合成,采用合理的试验设计,能以最经济的方式,用很少的试验数量和时间对实验进行全面研究,科学的提供局部与整体的关系,从而取得明显的、有目的结论,并以回归方法作为函数估算工具,将多因子试验由回归因子与试验结果的相互关系用多项式近似把因子与试验结果的关系函数化。具有科学指导性强、适用性广、预测性好的特点[13]。

本实验在单因素试验结果基础上,采用中心组合试验 Box-Behnken设计方案,以时间 (min)、功率(W)以及液料比 (mL/g),分别用 X1、X2、X3来表示,并以 +1、0、-1分别代表变量的水平,按方程 Xi=(Xi-X0)/ΔX对自变量进行编码,其中,Xi为变量的编码值,Xi为变量的真实值,X0为试验中心点变量的真实值,ΔX为变量的变化步长,多糖得率 Y为响应值 (如表 1)。

表1 中心组合试验Box-Behnken实验设计的因素和水平编码值表Table 1 Independent variables and levels for central composite rota table design

2 结果与分析

2.1 单因素试验及其分析

2.1.1 微波处理时间对多糖得率的影响

固定液料比为 50∶1,微波功率为 420W,微波时间在 4～12 min的范围内变化,按 1.3的技术路线提取,不同提取时间的多糖得率如图 1所示。

图1 提取时间对平菇柄多糖得率的影响Fig.1 Effects of extraction time on POSP yield

由图 1可以看出,随着微波处理时间的延长,多糖得率有逐渐增大的趋势,但超过 8 min时得率又有所降低,由于微波加热升温极其迅速,当处理时间较长时,会因部分多糖分解而造成损失,处理时间 8 min时多糖得率最高,所以可初步确定最佳提取时间为 8 min。

2.1.2 微波功率对多糖得率的影响

固定液料比为 50∶1,微波处理时间 8 min,微波处理功率在 140～700W的范围内变化,按 1.3的技术路线提取,不同微波处理功率对多糖得率的影响见图 2。

图2 微波功率对平菇柄多糖得率的影响Fig.2 Effects ofmicrowave power on POSP yield

由图 2可以看出,随着微波功率的增大,多糖得率也随之增大,在微波功率 420 W时多糖得率已经达到最大,当微波功率继续提高时,多糖得率又有所下降,主要是微波功率增大,溶液中水分子振动加剧,温度急剧升高,导致多糖部分分解造成多糖的损失,从而使得率下降。因此,可初步选取最佳微波处理功率 420 W。

2.1.3 液料比对多糖得率的影响

固定微波处理时间 8 min,微波功率 420 W,液料比在 30∶1～70∶1的范围内变化,按 1.3的技术路线提取,不同液料比对多糖得率的影响见图 3。

图3 液料比对平菇柄多糖得率的影响Fig.3 Effects of ratio of solvent to material on POSP yield

由图 3可以看出,随着料液的增加,多糖得率逐步提高,当液料比为 50∶1时其得率最大,但随着料液的继续增加,多糖得率变化不大,这是因为料液较少时,多糖溶解不充分,随着料液的增多,多糖充分溶出,得率便增大,当料液再增多,不仅浪费料液,给浓缩也增加了负担,因此可初步确定最佳液料比为50∶1。

2.2 响应面试验结果与分析

2.2.1 试验结果

如表 2所示,共 17个试验点,其中 12个为析因点,5个为零点,析因点为自变量取值在 X1、X2、X3所构成的三维顶点;零点为区域的中心点,其中零点试验重复 5次,用以估算试验误差。

表2 Box-Behnken设计方案及平菇柄多糖得率的测定值Table 2 Box-Behnken design matrix and the responses of the dependent variables of POSP yield

2.2.2 模型的建立及其显著性检验

利用 Design-Expert(version7.1.6,Stat-Ease Inc.,MinneapolisN.USA)软件对表 2试验数据进行多元回归拟合,得到平菇柄多糖得率对提取时间(X1)、微波处理功率 (X2)和液料比 (X3)的二次多项回归模型为:

由表 3方差分析结果可看出,模型和失拟项均达到极显著水平,说明还存在未知干扰因子,但是方程拟合很好[14]。且模型的复相关系数 R2为97.56%,大于 90%,也说明此模型与实际试验拟合较好,因此可用该回归方程代替试验真实点对实验结果进行分析。由表 3的 p值可以知道,在所选的各因素水平范围内,对结果的影响排序为:微波处理功率 ＞液料比 ＞提取时间。回归方程各项的方差分析结果还表明方程一次项 X2、X3对 Y值的影响极显著,X1影响显著,二次项、对得率Y值的影响极显著,交互项 X1X3对 Y值的影响显著,表明试验因素对响应值的影响不是简单的线性关系。

表3 二次回归模型的方差分析结果Table 3 Analysis of quadratic regression model from data in Table 2

2.2.3 平菇柄多糖提取工艺的响应面分析与优化

根据回归模型作出相应的响应面和等高线见图4-图 6,比较两组图响应面最高点和等高线可知,在所选范围内存在极值,即响应面最高点,同时也是等高线最小椭圆的中心点。

图4 提取时间和微波处理功率对多糖得率影响的等高线及响应面Fig.4 Contour and Response surface plot for effects of extraction t ime and microwave power on response value of POSP yield

当液料比固定在 50∶1时,提取时间和微波处理功率对多糖得率的影响见图 4。由图 4可知,在提取时间 6～10 min的范围内,得率变化不太明显。在微波功率 280～560 W的范围内,得率不断增高,之后随着时间的延长,多糖得率趋于下降。

微波功率固定在 420 W,提取时间和液料比对多糖得率的影响见图 5。从图 5可看出,随着时间的延长、液料比的增大,得率先急剧上升,后又趋于平缓,甚至下降。

当提取时间固定在 8 min时,微波处理功率和液料比对多糖得率的影响见图 6。由图 6可知,在液料比 40∶1～60∶1的范围内,得率的变化不太明显。在微波处理功率 280～560 W的范围内,得率先是快速升高,之后随着料液的增多,微波功率的增大,得率又趋于降低。

通过软件分析,得到平菇柄多糖微波辅助提取的最佳条件为:提取时间 7.7 min,微波处理功率418 W,液料比 54.7,在此条件下多糖得率的理论值为 6.10%。为检验响应曲面法所得结果的可靠性,采用上述优化提取条件进行平菇柄多糖提取,考虑到实际操作的便利,将提取工艺参数修正为:提取时间为 8 min,提取功率 420W,液料比为 55∶1,实际测得的平均得率为 6.05%,其相对误差不到 1%,因此基于响应曲面法所得的优化提取工艺参数准确可靠,具有实用价值。

3 结论

本研究利用试验设计软件 Design-Expert 7.1.6,通过二次回归设计得到了平菇柄多糖微波协同酶法提取的得率与提取时间、微波处理功率和液料比关系的回归模型,经检验证明该模型合理可靠,能较好地预测平菇柄多糖微波辅助提取的得率。由该模型得到的优化工艺参数为:提取时间 8 min、微波处理功率 420 W、液料比 55∶1(mL/g),平菇柄多糖的实际平均得率为 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

中央高校基本科研业务费专项(GK200902044)

＊通讯作者 Tel:86-29-85310517;E-mail:zcaiping@snnu.edu.cn