微波輔助提取香菇多糖工藝的響應面優(yōu)化

蘇晨曦，陳文強,2，彭 浩,2，鄧百萬,2，解修超,2，錢雪婷，蘭阿峰,2

(1 陜西理工學院 生物科學與工程學院，陜西 漢中 723000；2 陜西省食藥用菌工程技術(shù)研究中心，陜西 漢中 723000)

微波輔助提取香菇多糖工藝的響應面優(yōu)化

蘇晨曦1，陳文強1,2，彭 浩1,2，鄧百萬1,2，解修超1,2，錢雪婷1，蘭阿峰1,2

(1 陜西理工學院 生物科學與工程學院，陜西 漢中 723000；2 陜西省食藥用菌工程技術(shù)研究中心，陜西 漢中 723000)

【目的】 優(yōu)化香菇多糖的微波提取工藝，為香菇多糖的工業(yè)化生產(chǎn)和綜合利用提供理論依據(jù)?！痉椒ā?以香菇多糖提取率為響應值，以液(mL)料(g)比(15∶1，20∶1，25∶1，30∶1，35∶1)、微波功率(500，600，700，800，900 W)及微波時間(2，4，6，8，10 min)為因素進行單因素試驗。在單因素試驗基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken響應面設(shè)計法，建立數(shù)學模型，篩選最佳提取工藝條件?！窘Y(jié)果】 通過二次回歸模型響應面分析，獲得香菇多糖的最佳提取工藝條件為，液料比35∶1、微波功率900 W、微波時間8.5 min；在此條件下，多糖提取率達6.49%，與最大理論預測值(6.63%)相對誤差小于5%?！窘Y(jié)論】 利用Box-Behnken響應面設(shè)計法得到了香菇多糖微波提取優(yōu)化工藝，該工藝方便可行。

香菇；微波輔助提??；香菇多糖；Box-Behnken設(shè)計；響應面法

香菇(Lentinusedodes)，是世界第二大食用菌，也是我國的特產(chǎn)之一[1]。早在1 000多年前就開始采集利用，《本草綱目》中有記載：香菇“甘、平、無毒”；《醫(yī)林纂要》記載：香菇“甘、寒”，“可脫痘毒”；《本經(jīng)逢原》認為香菇“為補償維生素D的要劑，預防佝僂病,并治貧血”。香菇含有多種有效藥用成分，所含麥角甾醇(維生素D原，其含量比一般食物高)被人體吸收后，在光照下能轉(zhuǎn)變?yōu)榫S生素D，可增強人體的抵抗力，并能促進兒童骨骼和牙齒的生長，預防佝僂病[2]。香菇多糖(Lentinan)是從香菇中提取的一種重要的生物活性成分，現(xiàn)代研究表明，其具有提高免疫功能、抑制腫瘤、抗病毒和抗氧化等多方面的藥理活性，且無任何毒副作用[3-6]，是一種很好的免疫反應調(diào)節(jié)劑[7]。

近年來，真菌多糖的提取技術(shù)已由傳統(tǒng)的溶劑提取法逐漸轉(zhuǎn)向運用超聲波[8-9]和微波輔助提取[10-11]新技術(shù)。與傳統(tǒng)方法相比，微波輔助提取真菌多糖具有速度快、選擇性高、提取率高、溶劑消耗少、操作簡便等特點[12-14]，同時還可以防止提取物在長時間、高溫條件下發(fā)生降解和褪色。響應面法(Response Surface Methodology，RSM)可通過回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，能解決多變量問題，具有周期短、精度高、實用價值高等特點，已廣泛應用于化學工業(yè)、生物學、食品學、工程學等領(lǐng)域，在真菌多糖微波輔助提取條件優(yōu)化研究中也取得了良好效果[15]。2009年，朱磊等[16]采用響應面法優(yōu)化微波輔助提取黑木耳多糖，提取率可達28.94%；謝建華等[17]采用響應面法優(yōu)化微波輔助提取發(fā)酵蟲草菌絲體多糖，提取率達到6.41%。2013年，楊開等[18]用響應面法優(yōu)化了微波輔助提取松木層孔菌多糖，提取率為3.88%。2014年，岳春等[19]用響應面法優(yōu)化了微波輔助提取蟲草多糖，提取率達到12.1%。

目前，將響應面法用于優(yōu)化微波輔助提取香菇多糖工藝尚未見研究報道。本研究采用微波輔助提取香菇多糖，以液料比、微波功率和微波時間為考察因素進行單因素試驗，并在此基礎(chǔ)上通過響應面分析法優(yōu)化提取工藝，借助Design Expert 8.06軟件，分析各因素之間的單一及交互作用，旨在為香菇多糖的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)以及多糖化合物的綜合利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 試驗材料 香菇子實體由陜西天美綠色產(chǎn)業(yè)有限公司提供。

1.1.2 主要試劑 無水乙醇、葡萄糖、苯酚、硫酸、氯仿等均為分析純，試驗用水為純化水。

1.1.3 主要儀器 723N型可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司；FW177高速萬能粉碎機，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；101A-1鼓風干燥箱，上海試驗儀器總廠；RV10基本V型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，廣州儀科試驗室技術(shù)有限公司；WD700微波爐，樂金電子電器有限公司；WF-2000微波快速反應系統(tǒng)，上海屹堯分析儀器有限公司；BSA8201電子天平，賽多利斯科學儀器有限公司。

1.2 方 法

1.2.1 材料預處理 將新鮮香菇子實體除雜后于60 ℃烘干至恒質(zhì)量，24 000 r/min粉碎1 min后過孔徑0.425 mm(40目)篩，備用。

1.2.2 微波提取方法 精確稱取香菇粉末3.0 g，按照一定的液料比加入純化水，自然pH，在一定的微波功率下提取一定時間后抽濾，按照此法提取若干次，合并濾液真空濃縮，室溫下定容至200 mL。

1.2.3 多糖的測定方法 1)標準曲線的制作。精確稱取標準葡萄糖20.0 mg于500 mL容量瓶中，用純化水定容。分別取0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6，1.8 mL，各加蒸餾水補至2.0 mL，然后加入質(zhì)量分數(shù)5%苯酚1.0 mL及濃硫酸5.0 mL搖勻冷卻，以2.0 mL水按同樣顯色操作為空白對照，室溫放置20 min后于490 nm測光密度值，以葡萄糖濃度為橫坐標，光密度值為縱坐標進行回歸分析，得標準曲線方程[20]。

2)供試品中香菇多糖的測定。精密吸取抽濾液1 mL，加水補至2.0 mL，加入質(zhì)量分數(shù)5%苯酚1.0 mL，進行冰水浴，同時加入濃硫酸5.0 mL，室溫放置20 min，于490 nm測光密度值。將其代入標準曲線方程，計算香菇多糖的質(zhì)量濃度，并按下式計算抽濾液中香菇多糖的提取率(Y，%)：

式中：c為抽濾液中香菇多糖的質(zhì)量濃度，mg/mL，由回歸方程計算；a為測定時抽濾液的稀釋倍數(shù)，V為抽濾液的總體積，mL；m為香菇粉末質(zhì)量，g。

1.2.4 香菇多糖提取的單因素試驗 按照1.2.2節(jié)的提取步驟，研究純化水/香菇粉末(即液(mL)料(g)比)、微波功率、微波時間3個因素對香菇多糖提取率的影響。

1)液料比的影響。精確稱取香菇粉末3.0 g，固定微波功率700 W、微波時間6 min，考察不同液料比(15∶1，20∶1，25∶1，30∶1，35∶1)對香菇多糖提取率的影響。

2)微波功率的影響。精確稱取香菇粉末3.0 g，固定液料比30∶1、微波時間6 min，考察不同微波功率(500，600，700，800，900 W)對香菇多糖提取率的影響。

3)微波時間的影響。精確稱取香菇粉末3.0 g，固定液料比30∶1、微波功率800 W，考察不同微波時間(2，4，6，8，10 min)對香菇多糖提取率的影響。

1.2.5 香菇多糖提取最佳工藝的響應面優(yōu)化 在單因素試驗基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗設(shè)計原理，選取液料比(X1)、微波功率(X2)、微波時間(X3)為考察對象，以香菇多糖提取率(Y)為響應值，采取3因素3水平試驗，確定最佳提取工藝條件。試驗因素水平編碼見表1。

表1 香菇多糖提取的中心組合試驗設(shè)計方案Table 1 Central composite design for the extraction of lentinan

2 結(jié)果與分析

2.1 微波輔助提取香菇多糖的單因素試驗結(jié)果

2.1.1 液料比對香菇多糖提取率的影響 圖1結(jié)果表明，香菇多糖提取率隨著液料比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在液料比為30∶1 時達到最大，提取率為5.62%。因此，選擇微波輔助提取香菇多糖的液料比為30∶1。

2.1.2 微波功率對香菇多糖提取率的影響 圖2結(jié)果表明，香菇多糖提取率隨著微波功率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在微波功率為800 W時達到最大，提取率為6.41%。因此，選擇微波輔助提取香菇多糖的微波功率為800 W。

圖1 液(mL)料(g)比對香菇多糖提取率的影響
Fig.1 Effect of the ratio of liquid to solid on lentinan extracting rate

2.1.3 微波時間對香菇多糖提取率的影響 微波時間對香菇多糖提取率的影響見圖3。

圖2 微波功率對香菇多糖提取率的影響
Fig.2 Effect of microwave power on lentinan extracting rate

圖3 微波時間對香菇多糖提取率的影響
Fig.3 Effect of microwave time on lentinan extracting rate

圖3結(jié)果表明，香菇多糖提取率隨著微波時間的延長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在提取時間為6 min時達到最大，提取率為5.25%。因此，選擇微波輔助提取香菇多糖的微波時間為6 min。

2.2 香菇多糖提取工藝的優(yōu)化

采用3因素3水平響應面分析法進行研究，考慮各因素間的交互作用以及各因素對香菇多糖提取率的影響。試驗結(jié)果見表2。

表2 香菇多糖提取的中心組合試驗結(jié)果Table 2 Results of central composite design for the extraction of lentinan

經(jīng)Design Expert 8.06軟件對表2中17個試驗點的香菇多糖提取率進行回歸統(tǒng)計分析，得到回歸方程如下：

對回歸方程的分析結(jié)果見表3。

表3 香菇多糖提取回歸方程的分析結(jié)果Table 3 Results of regression analysis on the extraction of lentinan

注：*(Note)：**(P<0.001)，*(P<0.05).

2.3 香菇多糖提取工藝的響應面優(yōu)化

依據(jù)各因素對其響應值所構(gòu)成的三維立體曲面圖，可反映各因素對其響應值的影響。本試驗固定一個因素為中間值，研究另2個因素間的交互作用，根據(jù)所做的三維空間曲面圖，分析液料比、微波功率和微波時間3個因素對香菇多糖提取率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 兩兩因素交互作用對香菇多糖提取率影響的等高線圖(左)和響應面圖(右)

由圖4可知，液料比與微波功率之間的交互作用不顯著；在一定的微波功率條件下，隨著液料比的增大，香菇多糖提取率基本穩(wěn)定在5%～6%；在液料比為15∶1時，微波功率幾乎對香菇多糖提取率無影響；在液料比為35∶1時，香菇多糖提取率隨著微波功率增大略有增加，到達740W基本趨于穩(wěn)定。

由圖4還可知，液料比與微波時間的交互作用不顯著；在微波時間為2～6min時，液料比對香菇多糖提取率影響不顯著；在一定液料比條件下，隨著微波時間的延長，香菇多糖提取率均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。

由圖4可見，微波時間與微波功率的交互作用顯著；在低微波功率下，多糖提取率會隨著微波時間的延長先升高后下降；在高微波功率下，多糖提取率隨著時間的延長，起初升高較快，然后略有下降。說明提取時間過長，溶液溫度過高，會導致香菇多糖降解，提取率反而下降。

綜上所述，由回歸模型得到影響香菇多糖提取率的各因素最優(yōu)值為：液料比35∶1、微波功率900W、微波時間8.36min，最大預測值為 6.63%?？紤]操作方便性，將提取工藝參數(shù)修正為液料比35∶1、微波功率900W、微波時間8.5min。為了檢驗該最佳提取工藝的可靠性，采用上述最優(yōu)條件進行驗證試驗，得到多糖提取率的驗證值為6.49%，與理論最大預測值(6.63%)相對誤差僅為2.11%，小于5%，因此，采用Box-Behnken響應面法優(yōu)化微波輔助提取香菇多糖工藝是有效可行的。

3 討 論

香菇多糖是水溶性多糖，利用微波從香菇子實體粉末中提取多糖時，只有選擇合適的液料比才能促進多糖從香菇細胞內(nèi)溶出，并達到飽和狀態(tài)。另外，微波功率和微波時間對香菇多糖提取率的影響較大，功率過大或時間過長均會導致多糖的結(jié)構(gòu)破壞。合理地選擇微波功率和微波時間可以適當減少電量消耗，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。利用微波輔助提取香菇多糖的研究報道較少。2012年，聶小寶等[21]用微波法輔助提取香菇多糖，提取率僅為5.47%。

本研究在單因素試驗基礎(chǔ)上，通過Box-Behnken響應面試驗，得到微波輔助提取香菇多糖的最佳工藝條件為：液料比35∶1、微波功率900W、微波時間8.5min。在此工藝條件下，香菇多糖的提取率為6.49%，顯著高于文獻[21]報道的結(jié)果，且與預測值(6.63%)相對誤差僅為2.11%。這是由于采用苯酚-硫酸法檢測多糖具有較好的穩(wěn)定性和準確性[20]，且響應面法可在更廣泛的范圍內(nèi)考慮因素的組合、預測響應值，比其他分析方法更為高效[15]。因此，本研究得到的微波輔助提取香菇多糖工藝可為香菇多糖的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)以及多糖化合物的綜合利用提供理論依據(jù)。

[1] 李月梅.香菇的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 [J].微生物學報,2005,32(4):149-152.

LiYM.ResearchstatusandprospectofLentinula edous [J].JournalofMicrobiology,2005,32(4):149-152.(inChinese)

[2] 徐錦堂.中國藥用真菌學 [M].北京:北京醫(yī)科大學·中國協(xié)和醫(yī)科大學聯(lián)合出版社,1997:625-644.

XuJT.Chinesemycologymedical[M].Beijing:BeijingMedicalUniversity.ChinaXieheMedicalUniversityJointPublishingHouse,1997:625-644.(inChinese)

[3]JongSC,SmithJM.Birmingham,medicinalandtherapeuticvalueofthemushroom[J].AdvancesinAppliedMicrobiology,1993,39:152.

[4]FuneboT,OhlessonT.Microwave-assistedairdehydrationofappleandmushroom[J].JournalofFoodEngineering,1998,38(3):353-367.

[5] 王 玢,任 清,李 奇,等.香菇多糖的提取及其抗氧化性和保濕性評價 [J].食用菌,2008,30(5):58-60.

WangF,RenQ,LiQ,etal.Extractionoflentinanandevaluationofitsoxidationresistanceandmoisturizing[J].EdibleMushroom,2008,30(5):58-60.(inChinese)

[6]MaCQ,XiaR,PengY,etal.Studiesofextractionmethodoflentinanandinacids[J].MedicalHerald,2003,22(6):372-374.

[7] 丁 丁.香菇多糖及衍生物抑制AFB_1合成及其抑制機理研究 [D].陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學,2013.

DingD.Inhibitoryeffectsandmechanismsoflentinananditsderivativesagainstaflatoxinproductionbyaspergillusflavus[D].Yangling，Shaanxi:NorthwestA&FUniversity,2013.(inChinese)

[8] 陳文強,鄧百萬,劉開輝,等.豬苓多糖超聲提取工藝條件優(yōu)化 [J].食品與生物技術(shù)學報,2008,27(4):53-57.

ChenWQ,DengBW,LiuKH,etal.StudyontheoptimizationofultrasonicextractiontechniqueofpolysaccharidefromPolyporus umbellatus [J].JournalofFoodandBiotechnology,2008,27(4):53-57.(inChinese)

[9] 楊潤亞,李維煥,呂芳芳.秀珍菇子實體多糖的提取工藝優(yōu)化及體外抗氧化性 [J].食品與生物技術(shù)學報,2012,31(10):1093-1099.

YangRY,LiWH,LüFF.OptimizationofextractiontechniqueandtheantioxidantactivityofpolysaccharidesfromPleurotus geesteranus [J].JournalofFoodandBiotechnology,2012,31(10):1093-1099.(inChinese)

[10]HangSQ,NingZX.ExtractionofpolysaccharidefromGanoderma lucidumanditsimmuneenhancementactivity[J].InternationalJournalofBiologicalMacromolecules,2010,47:336-341.

[11] 賴譜富,沈恒勝,陳君琛,等.大杯蕈菇柄多糖微波提取工藝優(yōu)化 [J].福建農(nóng)業(yè)學報,2014,29(3):271-275.

LaiPF,ShenHS,ChenJC,etal.OptimizationofmicrowaveextractionofpolysaccharidesfromClitocybe maximastem[J].FujianJournalofAgriculturalScience,2014,29(3):271-275.(inChinese)

[12] 史碧波.微波輔助提取雞油菌多糖的工藝研究 [J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2011,39(30):18533-18535.

ShiBB.StudyonmicrowaveassistedextractionofpolysaccharidesfromCantharelles cibarius [J].JournalofAnhuiAgriculturalSciences,2011,39(30):18533-18535.(inChinese)

[13] 郭永月,陶明煊,趙云霞,等.白玉菇多糖提取方法的比較和優(yōu)化 [J].南京大學學報,2013,36(3):87-92.

GuoYY,TaoMX,ZhaoYX,etal.ComparisonandoptimizationamongextractiontechnologiesofpolysaccharidefromPleurotus nebrodensis [J].JournalofNanjingNormalUniversity,2013,36(3):87-92.(inChinese)

[14] 張 穎.對茯苓多糖提取方法的比較研究 [J].中國實用醫(yī)藥,2012,7(4):249-250.

ZhangY.ComparisonamongextractiontechnologiesofpolysaccharidefromPoria cocos [J].ChinaPracticalMedical,2012,7(4):249-250.(inChinese)

[15] 慕運動.響應面方法及其在食品工業(yè)中的應用 [J].鄭州工程學院學報,2001,22(3):91-94.

MuYD.Responsesurfacemethodologyanditsapplicationinfoodindustry[J].JournalofZhengzhouInstituteofTechnology,2001,22(3):91-94.(inChinese)

[16] 朱 磊,王振宇,周 芳.響應面法優(yōu)化微波輔助提取黑木耳多糖工藝研究 [J].中國食品學報,2009,9(2):53-60.

ZhuL,WangZY,ZhouF.Studyonoptimizationofmicrowave-assistantextractionofpolyaccharidesfromAuricularia auricularbyresposesurfacemethod[J].JournalofChineseFood,2009,9(2):53-60.(inChinese)

[17] 謝建華,單 斌,張衛(wèi)國.響應面法優(yōu)化微波輔助提取發(fā)酵蟲草菌絲體多糖工藝研究 [J].生物加工過程,2009,7(3):34-38.

XieJH,ShanB,ZhangWG.Mirowave-assistedextractionofpolyaccharidesfromfermentedCordyceos sinensismyceliumoptimizedbyresponsesurfaceanalysis[J].ChineseJournalofBioprocessEngineering,2009,7(3):34-38.(inChinese)

[18] 楊 開,薛介豐,金月忠,等.松木層孔菌多糖的微波提取和體外活性研究 [J].食藥用菌,2013(2):45-49.

YangK,XueJF,JinYZ,etal.Studyonmicrowaveextractionandevaluationin vitroofPhellinus pinipolysaccharides[J].EdibleandMedicinalMushrooms,2013(2):45-49.(inChinese)

[19] 岳 春,李靖靖,方永遠.蟲草多糖微波輔助提取工藝的優(yōu)化 [J].食品與機械,2014,30(1):192-195.

YueC,LiJJ,FangYY.Optimizationofmicrowave-assistedextractiononpolysaccharidesfromCordyceps militaris [J].Food&Machinery,2014,30(1):192-195.(inChinese)

[20] 姜 瓊,謝 妤.苯酚-硫酸法測定多糖的改進 [J].江蘇農(nóng)業(yè)科學,2013,41(12):316-318.

JiangQ,XieY.Improvementofphenol-sulfuricacidmethodfordeterminationofpolysaccharides[J].JiangsuAgriculturalSciences,2013,41(12):316-318.(inChinese)

[21] 聶小寶,張長峰,侯成杰.微波輔助法提取香菇多糖工藝的研究 [J].食品工藝,2012,33(9):37-39.

NieXB,ZhangCF,HouCJ.Studyontheextractiontechnicaloflentinanwithmicrowave[J].FoodTechnology,2012,33(9):37-39.(inChinese)

Response surface optimization of microwave-assisted extraction of polysaccharides fromLentinusedodes

SU Chen-xi1,CHEN Wen-qiang1,2,PENG Hao1,2,DENG Bai-wan1,2,XIE Xiu-chao1,2,QIAN Xue-ting1,LAN A-feng1,2

(1SchoolofBiologicalScienceandEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong,Shaanxi723000,China；2ShaanxiEngineeringResearchCenterofEdibleandMedicatedFungi,Hanzhong，Shaanxi723000,China)

【Objective】 The microwave-assisted extraction technique for polysaccharide fromLentinusedodeswas optimized to provide theoretical basis for the industrial production and comprehensive utilization of polysaccharide fromLentinusedodes.【Method】 The Box-Behnken response surface method (RSM) based on mathematical model was established using polysaccharides extraction rate as response value and using the ratio of liquid (mL) to solid (g) (15∶1,20∶1,25∶1,30∶1,and 35∶1),microwave power (500,600,700,800,and 900 W) and microwave time (2,4,6,8,and 10 min) as factors to screen optimum extraction conditions for polysaccharide fromLentinusedodes.【Result】 The optimal conditions obtained by RSM were:ratio of liquid to solid 35∶1,microwave power 900 W,and microwave time 8.5 min.Under these conditions,the extraction yield of polysaccharide was 6.49%,<5% less than the maximum theoretical extraction rate of 6.63%.【Conclusion】 The microwave-assisted polysaccharide extraction fromLentinusedodeswas optimized by Box-Behnken RSM and the process was convenient and feasible.

Lentinusedodes;microwave-assisted extraction;lentinan;Box-Behnken design;response surface methodology

時間:2015-10-13 08:46

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.11.030

2015-04-24

陜西省“13115”科技創(chuàng)新工程計劃項目(2008ZDGC-04)

蘇晨曦(1990-)，女，陜西洋縣人，在讀碩士，主要從事微生物資源利用研究。E-mail:suxiaoxi26@sina.com

陳文強(1956-)，男，陜西洋縣人，教授，碩士生導師，主要從事微生物資源保護與利用研究。 E-mail:wenqiangc@126.com

Q53

A

1671-9387(2015)11-0200-07

網(wǎng)絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20151013.0846.060.html