响应面优化微波辅助提取海鲜菇废菌棒中多糖工艺

徐兵，尹瑞，王喆，冀宏

（常熟理工学院生物与食品工程学院，江苏常熟215500）

响应面优化微波辅助提取海鲜菇废菌棒中多糖工艺

徐兵，尹瑞，王喆，冀宏*

（常熟理工学院生物与食品工程学院，江苏常熟215500）

采用微波辅助提取工艺从海鲜菇废菌棒中提取多糖，通过控制提取时间、微波功率以及液料比3个提取条件来优化提取工艺。在单因素试验基础上，结合响应面法，得出优化后的提取参数：提取时间10 min，微波功率420 W，液料比31∶1（mL/g）。在此条件下海鲜菇废菌棒多糖的提取效果最佳，提取率为2.01%。

海鲜菇废菌棒；微波辅助提取；响应曲面法

海鲜菇（Hypsizygusmarmoreus（Peck）H.E.Bigelow），又称斑玉蕈或真姬菇，海鲜菇的质地极为爽脆，其味道也极为鲜美[1]。海鲜菇富含十余种氨基酸，其中谷氨酸和天冬氨酸两种呈味氨基酸含量突出，同时其必需氨基酸组成和人体需求相近[2]。郑义等[3]研究表明，海鲜菇多糖具有清除人体自由基的作用。此外，海鲜菇多糖还具有调节机体免疫力、延缓衰老、预防以及抵抗癌症的生理活性的功效[4-5]。工业化生产海鲜菇留下的废菌棒中仍含有大量的海鲜菇菌丝，现有草菇种植只能利用其中的一部分，大部分只能做焚烧处理，这是一种资源浪费[6-7]。通过从海鲜菇废菌棒的菌丝中可以提取海鲜菇多糖，这在香菇废菌棒中已有应用，从而使资源得到更有效的利用[8-9]。微波辅助提取作为高效节能的新兴多糖提取方法应用广泛[10-11]。目前，尚未有海鲜菇废菌棒多糖提取的研究，故利用单因素及响应面优化海鲜菇废菌棒多糖的微波辅助提取工艺，可为其进一步利用和研究提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验原料和试剂

海鲜菇废菌棒：昆山正兴食用菌有限公司；葡萄糖、浓硫酸、乙醚、无水乙醇、重蒸苯酚（均为国产分析纯）：常熟强盛化工有限公司。

1.2 仪器与设备

普渡RF-02蒸发器：上海普渡生化科技有限公司；TD5M台式大容量离心机：上海卢湘仪离心机仪器有限公司；WL 2S-1型微波萃取仪：南京三乐高新技术工程公司微波所；M124A型电子天平：BEL；BL25C33搅拌机：上海知楚仪器有限公司；恒温水浴锅：南京丙林电子；LGJ-10冷冻干燥仪：赛飞（中国）有限责任公司。

1.3 试验方法

1.3.1 海鲜菇废菌棒的预处理

用蒸馏水将海鲜菇废菌棒洗净，在70℃恒温干燥箱内烘干。搅拌机粉碎过60目筛，再用95%乙醇回流两次除去部分脂溶性杂质，得到预处理海鲜菇废菌棒粉[12-13]。

1.3.2 标准曲线的测定[14]

将干燥后的葡萄糖标准品配置成浓度为0.04mg/mL的标准溶液，分别移取 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 mL于试管中，补齐至2 mL。在各管滴加1mL 5%重蒸苯酚溶液，再迅速滴入5 mL浓硫酸摇匀并静置，等待6min后70℃保持15min，冷却至室温。用490nm波长检测不同标样的吸光度。以葡萄糖标液浓度（μg/mL）为自变量，吸光度做因变量，得标准曲线：y=0.013 8x+0.013 6，R2=0.999 3。

1.3.3 海鲜菇废菌棒多糖的微波辅助提取

准确称量海鲜菇废菌棒粉末样品，用蒸馏水提取。在不同提取时间、微波功率和液料比条件下各提取2次。冷却到室温后，经3 000 r/min离心10 min后将上层清液合并，进行减压浓缩。用无水乙醇调整溶液至含醇量85%，放置1 d。最后经5 000 r/min离心15 min，取沉淀。得到的沉淀用无水乙醇洗涤两次，冷冻干燥后得到海鲜菇废菌棒多糖。

1.3.4 海鲜菇废菌棒多糖得率计算

选用苯酚-硫酸法来测定海鲜菇废菌棒多糖含量[15-16]。

1.3.5 单因素试验

试验以蒸馏水作溶剂，探究不同提取时间、液料比以及微波功率对海鲜菇废菌棒多糖得率的影响。再以1.3.3中多糖得率计算方法测出不同条件下海鲜菇废菌棒多糖得率。

1.3.5.1 提取时间对海鲜菇废菌棒多糖得率的影响

试验固定液料比 30∶1（mL/g），微波功率 400 W，按时间将试验分为 6 组：4、6、8、10、12、14 min，做 3 次平行。

1.3.5.2 微波功率对海鲜菇废菌棒多糖得率的影响

设定提取时间 10 min，液料比 30∶1（mL/g），考察海鲜菇废菌棒多糖在微波功率分别为200、300、400、500、600 W时得率的变化。

1.3.5.3 液料比对海鲜菇废菌棒多糖的影响

试验提取10 min，微波功率400 W，按液料比不同，试验划分为 5 组：15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1（mL/g）。

1.3.6 响应面试验设计

响应面法在理化试验、生物工程及食品科学等诸多领域有着深入的应用[17-18]。Box-Behnken Design（BBD）是广泛应用的一种分析最佳工艺参数的设计方法[19-20]。该试验中，设计如表1所示三水平三因素试验方案，探究海鲜菇废菌棒多糖微波辅助提取的优化提取参数。

表1 试验编码和试验参数对照关系Table 1 Therelationship between encode and actual concentration of factor

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果及分析

2.1.1 提取时间对海鲜菇废菌棒多糖提取率的影响

提取时间对海鲜菇废菌棒多糖提取率的影响见图1。

图1 提取时间对海鲜菇废菌棒多糖的得率的影响Fig.1 Effects ofextractiontime on the extraction rateof the waste substrate polysaccharide

从图1可见，随着提取时间的增长多糖得率呈现上升趋势，在4 min～10 min段增长较快，而10 min～14 min段多糖提取率又趋于平缓。这说明试样中的多糖大部分已被提取，故虽提取时间继续延长但多糖得率变化不大。因此，选择较优提取时间为10 min，其多糖提取率为1.81%。

2.1.2 微波功率对海鲜菇废菌棒多糖提取率造成的影响

微波功率对海鲜菇废菌棒多糖提取率造成的影响见图2。

图2 微波功率对海鲜菇废菌棒多糖提取率的影响Fig.2 Influence of microwave power on the extraction rate of the waste substrate polysaccharide

从图2可以看出，在微波功率从200W提至400W时，海鲜菇废菌棒多糖提取得率变化幅度很大，而在400 W后多糖得率逐渐走低。这是由于随微波功率提升，细胞壁加速破坏，但随微波功率继续增大，溶液升温过快反而破坏多糖结构。综上所述，在此条件下较佳微波功率400 W，其多糖得率为1.82%

2.1.3 液料比对海鲜菇废菌棒多糖提取率的影响

液料比对海鲜菇废菌棒多糖提取率的影响见图3。

图3 液料比对海鲜菇废菌棒多糖提取率的影响Fig.3 Influence of material-to-liquid ratio on the extraction rate of the waste substrate polysaccharide

由图 3 可见，液料比从 15∶1（mL/g）提升至 25∶1（mL/g）过程中，海鲜菇废菌棒多糖得率变化显著。这可能是由于液料比过低使海鲜菇废菌棒粉没有充分分散于介质中而降低提取率。在液料比达到25∶1（mL/g）后，多糖得率趋于稳定。因此选择30∶1（mL/g）作为海鲜菇废菌棒多糖提取的最佳液料比，其多糖得率为1.80%。

2.2 响应面试验结果及分析

2.2.1 组合试验结果

试验应用Design-Expert8.06Trial软件进行试验数据处理，进组合试验得到表2的结果。

表2 Box-Behnken试验设计以及海鲜菇废菌棒多糖提取结果Table 2 Design and responses values of Box-Behnken design

在这17组数据中，有12个析因点和5个用于估算误差的零点。

2.2.2 方差分析结果

运用design-expert软件对表2中的数据做出处理，构建提取率的数学模型，计算出海鲜菇废菌棒多糖得率回归方程式：

海鲜菇废菌棒多糖得率的方差分析见表3。

表3 海鲜菇废菌棒多糖得率的方差分析Table 3 The variance analysis result of Hypsizygusmarmoreus waste substratepolysaccharide yield

由表3分析可得，该模型的P值＜0.01，说明本试验模型具有统计学意义；失拟项P值为0.093 1，表明数学模型和实际试验值拟合度很好，从而回归方程可近预测真实试验值。此外，模型中一次项X1、X2、X3，二次项 X12、X22、X32，交互项 X1X2的 P 值都＜0.01，说明本试验的各个因子以及因子间的交叉作用都对多糖得率有显著影响。同时注意到在单因素中，对海鲜菇废菌棒多糖提取率变化贡献大小为微波功率＞液料比＞提取时间。

图4 提取时间和微波功率对海鲜菇废菌棒多糖得率的交互作用响应面图和等高线图Fig.4 Effects of extraction time and microwave power on the response rate of polysaccharide in seafood mushroom sticks of a response surface plot and contour lines

图5 提取时间和液料比对海鲜菇废菌棒多糖提取率交互作用的响应面图和等高线Fig.5 Liquid ratio and extraction treatment time on the interaction polysaccharide yield of a response surface plot and contour lines

2.2.3 海鲜菇废菌棒多糖得率的响应面优化

通过回归模型，可以得到因素及其交叉作用对海鲜菇废菌棒多糖提取率的相应等高线图和响应面图见图 4～图 6。

从图 4 可以看出，在固定液料比 30∶1（mL/g）的情况下，海鲜菇废菌棒多糖得率随微波功率变化显著。在纵坐标方向，随着提取时间的变化多糖得率变化不太明显。同时看到等高线为椭圆形，说明这两个因子之间交互影响作用非常显著。

从图5可以看出，在固定微波功率400 W的情况下，液料比因素与提取时间因素交互作用显著。在液料比 25∶1（mL/g）～35∶1（mL/g）范围内，多糖得率变化比较明显；在提取时间8 min～10 min之间，提取率不断提升。同时注意到随着液料比的增加及提取时间的延长，得率又一个先增大后减小的过程。

从图6观察得出，在固定提取时间10 min时，液料比在 25∶1（mL/g）～35∶1（mL/g）范围内，多糖得率随液料比变化不明显，而随微波功率从300W提升至400W时，得率变化显著；随功率继续提升，得率呈下降态势。

通过design-expert软件分析，可得海鲜菇废菌棒多糖提取工艺的最优解：既提取时间为10.24 min，微波功率 424.03 W，液料比 30.86∶1（mL/g），得率 1.99%。参考实际条件，确定实际操作的最优方案：提取时间10 min，微波功率 420 W，液料比 31∶1（mL/g）。经过3次平行试验，测得实际多糖提取率2.01%，这与理论值的相差在1%以下。由此可见，应用响应面法改进微波辅助提取海鲜菇废菌棒多糖是可行的，具有应用于实际生产的价值。

图6 微波功率和液料比对海鲜菇废菌棒多糖提取率的交叉效应的响应面图和等高线Fig.6 Response surface plot and contour lines of the interaction of liquid-material ratio and temperature on the polysaccharide yield response surface plot and contour lines

3 结论

本文通过响应面法优化微波辅助提取多糖工艺，为食用菌企业处理废菌棒提供一个可行的方案。响应面优化提取海鲜菇废菌棒多糖，有效的减少了试验步骤，同时得到相对精确的结论。试验采用Design expret8.0.5Trial软件设计试验，通过响应面分析得到提取率与提取时间、微波功率及液料比因素的模型方程，得到最优方案：提取时间10 min，微波功率420 W，液料比 31∶1（mL/g），此条件下多糖得率 2.01%，行之有效的提高了海鲜菇废菌棒多糖的得率。与此同时，下一步试验将研究海鲜菇废菌棒多糖的抗氧化活性，使废菌棒的资源再利用呈现多元化以及更具有综合性和全面性。

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Study on the Microwave-assisted Extraction of Polysaccharides from Hypsizygus marmoreus Waste Substrate by Response Surface Methodology

XU Bing，YIN Rui，WANG Zhe，JI Hong*
（College of Biology and Food Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，Jiangsu，China）

The polysaccharides were extracted from the Hypsizygus marmoreus waste substrate by microwaveassisted extraction，and the extraction process was optimized by controlling the extraction time，microwave power and liquid-to-solid ratio.On the basis of single factor test and obtained by the response surface method，we got obtained by the response surface method：the extraction time was 10 min，the microwave power was 420 W，and ratio of liquid to material was 31∶1（mL/g）.Under these conditions，the extraction efficiency of polysaccharide from waste substrate was the best，and the extraction rate was 2.01%.

Hypsizygusmarmoreuswastesubstrate；microwave-assistedextraction；responsesurfacemethodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.17.020

2017-06-10

昆山市科技计划项目（KN1506）

徐兵（1982—），男（汉），实验师，硕士，研究方向：食用菌学。

*通信作者：冀宏（1969—），男（汉），教授，博士，研究方向：食、药用菌工程技术研究及现代农业技术经济与管理。