基于响应面优化的超声波辅助提取香菇多糖工艺研究*

张沙沙，罗晓莉，何 容，张微思

（中华全国供销合作总社昆明食用菌研究所，云南 昆明 650223）

香菇（Lentinus edodes），属于担子菌纲（Eubasidiomycetes）伞菌目（Agaricales）白蘑科（Trieholomataceae） 香菇属（Lentinus）[1]，营养丰富，味道鲜美，具有很高的营养价值，享有“菇中之王”等美誉[2]；而且其中含有的香菇多糖具有抗氧化[3]、抗肿瘤[4]、抗病毒[5]、抗辐射[6]等多种药理活性，因此香菇具有营养、保健等多重功效。

多糖的提取方法有多种，如超声波辅助提取法、酸碱浸提法、微波辅助提取法、超临界流体萃取技术、热水浸提法、酶提辅助提取法等[7-8]，其中热水浸提法使用最为广泛，但热水浸提法、酸碱浸提法等存在耗时久、得率不高等问题[9]。超声波法提取食用菌多糖是利用超声波的高频振荡、机械剪切效应和空化效应，通过强化固体微粒向液体传质，促进提取剂向固-液界面扩散，空化作用可破坏食用菌细胞膜等结构，增加细胞内容物穿过细胞膜的能力，提高有效成分析出速度，即可提高多糖得率，缩短提取时间[8]。因此，选择超声波辅助热水浸提法提取香菇多糖，以获得较高香菇多糖含量。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

干香菇，云南云菌科技（集团）有限公司提供；浓硫酸、苯酚、葡萄糖、三氯乙酸、氢氧化钠、盐酸等为分析纯，购于天津市祥瑞鑫化工有限公司。

超声波清洗机，苏州德瑞姆超声科技有限公司；恒温水浴锅，江苏金坛市亿通电子有限公司；大容量冷冻离心机，上海安亭科学仪器厂。

1.2 试验方法

1.2.1 香菇多糖提取工艺流程

香菇多糖提取工艺流程为对干香菇进行挑选→粉碎成粉→称重→溶解→超声辅助提取→热水浸提→离心→香菇多糖溶液。

1.2.2 总糖测定方法

采用硫酸-苯酚法[10]进行香菇总糖测定。

1.2.3 单因素试验

1） 超声提取时间对香菇多糖含量的影响

取香菇粉15 g，水450 mL（料液比1∶30），置于锥形瓶中，搅拌均匀直至完全溶解，置于超声清洗机中（温度为70℃，时间为15 min、20 min、25 min、30 min、35 min，功率200 W），取出后放入90℃恒温水浴锅中热水浸提2 h，冷却后转速4 000 r·min-1离心10 min，后取上清液测定香菇多糖含量。

2） 超声提取温度对香菇多糖含量的影响

取香菇粉15 g，水450 mL（料液比1∶30），置于锥形瓶中，搅拌均匀直至完全溶解，置于超声清洗机中（温度为40℃、50℃、60℃、70℃、80℃，超声提取时间为20 min，超声功率为200 W），取出后放入90℃恒温水浴锅热水浸提2 h，冷却后转速4 000 r·min-1离心10 min，后取上清液测定香菇多糖含量。

3） 超声功率提取对香菇多糖含量的影响

取香菇粉15 g，水450 mL（料液比1∶30），置于锥形瓶中，搅拌均匀直至完全溶解，置于超声清洗机中（温度为70℃，时间为20 min，功率100 W、150 W、200 W、250 W、300 W），取出后放入90℃恒温水浴锅中热水浸提2 h，冷却后转速为4 000 r·min-1离心10 min，后取上清液测定香菇多糖含量。

4） 热水浸提温度对香菇多糖含量的影响

取香菇粉15 g，水450 mL（料液比1∶30），置于锥形瓶中，搅拌均匀直至完全溶解，置于超声清洗机中（温度为70℃，时间为20 min，功率200 W），取出后放入恒温水浴锅中热水浸提（温度为75℃、80℃、85℃、90℃、95℃，时间为 2 h），冷却后转速为4 000 r·min-1离心10 min，后取上清液测定香菇多糖含量。

5） 热水浸提时间对香菇多糖含量的影响

取香菇粉15 g，水450 mL（料液比1∶30），置于锥形瓶中，搅拌均匀直至完全溶解，置于超声清洗机中（温度为70℃，时间为20 min，功率200 W），取出后放入恒温水浴锅中热水浸提（温度为90℃，时间为 1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h），冷却后4 000 r·min-1离心10 min，后取上清液测定香菇多糖含量。

1.2.4 响应面试验设计

采用Design-Expert 8.0.5.0软件进行3因素（超声功率、超声温度、热水浸提温度） 3水平试验，以香菇多糖含量为响应值进行响应面分析。

1.2.5 数据统计与分析

采用Design-Expert 8.0.5.0和WPS处理试验数据，数值均为3次平行试验所取平均值。

2 结果分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 超声提取时间对香菇多糖提取效果影响

超声提取时间对香菇多糖提取效果的影响见图1。

由图1所示，超声提取时间对香菇多糖提取效果影响不明显，超声提取时间超过20 min后，多糖含量未有明显增加，因此选择超声提取时间为20 min，不再进行优化试验。

2.1.2 超声提取温度对香菇多糖提取效果的影响

超声提取温度对香菇多糖提取效果影响见图2。

由图2所示，超声提取温度对香菇多糖的提取影响较为明显，随着超声提取温度升高，多糖含量逐渐上升，在超声提取温度为70℃时多糖含量为最大值，随后开始下降，即超声提取温度在70℃左右时，香菇多糖的提取效果较好。这可能与香菇多糖的溶出温度及其结构特征相关，70℃比较适合香菇多糖从细胞中溶出，温度超过70℃又会破坏多糖结构，加速多糖的降解，导致多糖含量降低。因此，选取超声提取温度65℃、70℃、85℃进行响应面优化。

2.1.3 超声提取功率对香菇多糖提取效果的影响

超声提取功率对香菇多糖提取效果的影响见图3。

由图3所示，超声提取功率对香菇多糖含量的影响较明显，随着超声提取功率的增大，香菇多糖含量先上升后下降，在超声提取功率为200 W时取得最大值，即超声提取功率在200 W左右时，香菇多糖含量较高。这可能与超声提取功率破坏细胞结构使香菇多糖析出，但是超声提取功率过高会破坏多糖结构，使多糖降解等原因有关。因此，选取超声提取功率150 W、200 W、250 W进行响应面优化。

2.1.4 热水浸提温度对香菇多糖提取效果的影响

热水浸提温度对香菇多糖提取效果的影响见图4。

由图4所示，热水浸提温度对香菇多糖含量影响较明显，呈先上升后下降的趋势，在80℃香菇多糖含量达到最大值，即热水浸提温度在80℃左右时，香菇多糖含量较高。这可能与热水浸提温度低，香菇多糖析出不多，而热水浸提温度过高，香菇多糖开始裂解，香菇多糖含量降低等因素有关[11]。因此，选取热水浸提温度75℃、80℃、85℃进行响应面优化。

2.1.5 热水浸提时间对香菇多糖提取效果的影响

热水浸提时间对香菇多糖提取效果的影响见图5。

由图5可以看出，热水浸提时间对香菇多糖含量的影响不明显，考虑到能耗问题，固定热水浸提时间为1 h，不再进行优化。

2.2 响应面试验结果及分析

2.2.1 响应面试验结果

在单因素试验结果的基础上，对超声提取功率、超声提取温度、热水浸提温度进行3因素3水平Box-Behnken中心组合试验设计，响应值为香菇多糖含量，进行17组试验，结果如表1所示。

表1 Box-Behnken响应面试验设计方案及结果Tab.1 Box-Behnken response surface design scheme and results

从表1可以看出，当超声提取功率200 W、超声提取温度70℃、热水浸提温度80℃时，香菇多糖含量最高，为0.661 g·100-1g-1，应将此区域作为最佳响应区域。

2.2.2 香菇多糖含量响应面分析

利用Design Expert 8.0.5.0软件，对表1中的数据进行回归方程拟合，建立香菇多糖（Y）回归方程模型，并对香菇多糖含量进行方差分析，结果见表2。

由表2所示，模型F=21.87，P=0.000 3，说明该模型显著。另外 A2、B2、C2，说明 A2、B2、C2对香菇多糖的提取影响较显著。通过分析其变异系数，发现标准偏差为0.028，均值为0.52，变异系数为5.52，预测残差平方和为0.088，决定系数R2=0.965 7，说明该模型拟合程度好，校正决定系数为0.921 5，预测决定系数为0.468 6，且信噪比值为12.65，说明该回归方程适合用于香菇多糖含量预测和分析。

2.2.3 交互因子效应分析

按照所得回归方程，利用软件得到交互因子响应面图及等高线图，见图6～图8。提取参数的变化对香菇多糖含量的影响表现为响应面的坡度陡峭或平缓、等高线的密集与稀疏稀疏，响应面的坡度越陡峭或者等高线越密集，表示参数变化对香菇多糖含量影响越大，同时等高线的形状也反映了两因素交互作用的强弱，圆形则表示较弱，椭圆表示两因素的交互作用较强[12]。

1）超声提取功率和超声提取温度对香菇多糖含量的影响

超声提取功率和超声提取温度对香菇多糖含量的影响见图6。

由响应面和等高线图6所示，固定浸提温度不变，香菇多糖含量随着超声提取功率和超声提取温度的升高呈先升高后下降的趋势；超声提取温度对香菇多糖含量的影响大于超声提取功率。

2） 超声提取功率和热水浸提温度对多糖含量影响

超声提取功率和热水浸提温度对香菇多糖含量的影响见图7。

由图7所示，固定超声提取时间，香菇多糖含量随着超声提取功率和热水浸提温度的升高呈先升高后下降的趋势；热水浸提温度对香菇多糖含量的影响大于超声提取功率。

3） 超声提取温度和热水浸提温度对多糖含量影响

超声提取温度和热水浸提温度对香菇多糖含量的影响见图8。

由图8所示，固定超声提取功率，香菇多糖含量随着超声提取温度和热水浸提温度的升高，呈先上升后下降的趋势，热水浸提温度对香菇多糖含量的影响大于超声提取功率。

2.2.4 最佳提取工艺验证

利用Design-Expert 8.0.5.0软件分析试验数据，确定最佳提取条件为超声功率199.24 W、超声提取温度70.34℃、热水浸提温度79.00℃，料液比1∶30，超声提取时间20 min，热水浸提时间1 h，在此条件下香菇含量为0.655 g·100-1g-1。结合实际情况，调整试验最佳提取条件为超声功率200 W、超声提取温度70℃、热水浸提温度为79℃，在此条件下进行3次平行试验，香菇多糖含量为0.650 g·100-1g-1，与模型的预测值差值仅为0.005 g·100-1g-1，说明吻合性很好，误差小，说明模型可行。

3 结论

以香菇多糖含量为指标，利用单因素试验、Box-Behnken试验设计及响应面分析方法，对香菇多糖提取工艺进行优化，结合实际情况，获得了最佳提取工艺参数为超声功率200 W、超声提取温度70℃、热水浸提温度79℃，料液比1∶30，超声提取时间20 min，热水浸提时间1 h。在此条件下，香菇多糖含量为0.650 g·100-1g-1，该结果与建立模型的预测值0.655 g·100-1g-1基本相符，后续将对香菇多糖的应用开展深入研究。