正交优化双螺杆挤压前处理协同微波辅助提取香菇多糖的工艺研究

发布时间：2022-04-23

　　摘　要：利用正交试验法优化香菇多糖的双螺杆挤压前处理协同微波辅助提取工艺。以香菇多糖提取率为指标，采用单因素试验和正交试验，确定最佳提取工艺参数。结果表明，双螺杆挤压处理的最佳工艺条件为：香菇粉加湿量 18%，喂料量 220 g·min-1 ，挤压机螺杆转速 250 r·min-1 ，挤压温度 150 ℃。在此工艺条件下，香菇多糖的提取率为 6.63%。在双螺杆挤压前处理工艺优化的基础上，进行微波辅助提取，最佳工艺参数为：微波功率 300 W，提取时间 8 min，料液比为 1 ∶ 40(g·mL-1 )，在此工艺条件下，香菇多糖提取率平均值为 9.23%。

　　关键词：香菇多糖;双螺杆挤压;微波;提取

　　香菇(Lentinus edodes)是世界第二大食用菌，也是我国特产之一 [1] ，作为一种具有药食两用价值的营养保健食品 [2] ，其有“菇中之王”“菌中皇后”和“抗癌新兵”之称 [3] 。香菇多糖(Lentinan，LNT)是从香菇中得到一种活性物质，能降血脂、降血糖、抗肿瘤、提高免疫力、抗病毒等 [4-11] ，已广泛用于临床治疗 [12-16] 。

　　LNT 的提取方法目前主要有热水法、酸提法、酶提法、微波辅助法和超声波辅助法等 [17-21] ，这些方法都在一定程度上存在着提取率低、提取时间长、能耗高等的缺点。目前，双螺杆挤压技术是通过双螺杆的高剪切、高压力和高温度使物料在挤压腔体内使细胞破壁。双螺杆挤压前处理协同微波辅助提取 LNT 是一种新的多糖提取方法，该方法具有提取率高、省时、节能、环保等优点。本文采用双螺杆挤压前处理协同微波辅助提取 LNT，通过正交试验对其工艺进行优化，为 LNT 的提取寻找一种新的途径。

　　1　材料与方法

　　1.1　材料与试剂

　　干香菇，购自市内农贸市场;葡萄糖、苯酚、硫酸、无水乙醇，均为分析纯，购自天津市大茂化学试剂厂。

　　1.2　仪器与设备

　　JLP-SLG-5 实验型双螺杆挤压机，济南大彤机械设备有限公司生产;W3001 全自动智能型激光粒度分析仪，济南微纳仪器有限公司生产;WP700TL23-K5 微波炉，格兰仕电器有限公司生产;Cary 60 紫外分光光度计，安捷伦科技(中国)有限公司生产;TDL-50B 台式低速离心机，上海安亭科学仪器厂生产;BSA124S 电子分析天平，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司生产; DFY-200C 高速万能粉碎机，上海红纪仪器有限公司生产;FRE-52A 旋转蒸发仪，南通普瑞生化仪器厂生产; DZF-6090 真空干燥箱，上海善志仪器有限公司生产。

　　1.3　试验方法

　　1.3.1　香菇多糖的提取

　　采用双螺杆挤压前处理协同微波辅助提取 LNT，工艺流程为：干香菇→粗粉碎→双螺杆挤压前处理→ 粉碎(挤压粉)→微波辅助提取→ 5 000 r·min-1 离心 10 min →上清液减压浓缩→加 4 倍体积 95% 乙醇溶液沉淀→ 4 ℃静置 24 h → 5 000 r·min-1 离心 10 min →沉淀经真空干燥→ LNT。 1.3.2　粒度的测定取一定量经双螺杆挤压后再粉碎的香菇挤压粉，置于烧杯中，加入一定量 95% 的乙醇使其分散，然后用激光粒度分析仪测定其粒度 [22] 。

　　1.3.3　香菇多糖含量的测定

　　采用苯酚 - 硫酸比色法 [23] 。

　　1.3.5　数据处理

　　试验数据使用 Office 进行整理和绘图，采用正交设计助手Ⅱ V3.1 专业版进行正交试验数据分析和方差分析。

　　1.4　试验设计

　　1.4.1　双螺杆挤压前处理工艺条件的优化

　　准确称取 10 g 的香菇粗粉样品 5 份，将其置于双螺杆挤压机中，分别设置香菇粉加湿量为 12%、 14%、16%、18% 和 20%，挤压机螺杆转速 200、250、 300、350 r·min-1 和 400 r·min-1 ，喂料量 180、200、220、 240 g·min-1 和 260 g·min-1 ，挤压温度 120、140、160、 180 ℃和 200 ℃，按 1.3.1 方法进行双螺杆挤压处理，测定并计算粒度和 LNT 提取率，分析上述 4 个因素对提取率的影响。

　　1.4.2　双螺杆挤压前处理协同微波辅助提取工艺条件的优化

　　准确称取 10 g 经双螺杆挤压后的挤压粉样品 5 粉，将其放入微波炉中，分别按料液比(g·mL-1 )为 1 ∶ 35、1 ∶ 40、1 ∶ 45、1 ∶ 50 和 1 ∶ 55，微波功率 200、250、300、350 W 和 400 W，提取时间 2、4、6、 8 min 和 10 min，按 1.3.1 方法进行微波辅助提取 LNT，测定并计算 LNT 提取率。

　　2　结果与分析

　　2.1　双螺杆挤压前处理工艺优化试验结果

　　2.1.1　香菇粉加湿量

　　香菇粉加湿量对粉碎粒度和 LNT 提取率的影响如图 1 所示。图 1 表明，随着香菇粉加湿量的增加，粉碎粒度先减小后增大，LNT 提取率先升高后降低。这是因为：香菇粉加湿量过少，物料易堵塞，在挤压机中所受到的剪切力和摩擦力减小，破碎程度减小，粉碎粒度增大，LNT 提取率降低;而香菇粉加湿量过高时，物料在挤压机筒中易打滑，不利于膨化，粉碎粒度增大，LNT 提取率降低。因此，选择 18% 作为最佳香菇粉加湿量。

　　2.1.2　螺杆转速

　　螺杆转速对粉碎粒度和 LNT 提取率的影响如图 2 所示。图 2 表明，随着螺杆转速的增大，粉碎粒度先减小后增大，LNT 提取率先升高后降低。这是因为：转速增大，物料受到的剪切力和摩擦力增大，细胞破壁程度增大，多糖溶出增多，LNT 提取率升高;当转速过大时，物料在挤压机中滞留时间过短，细胞破壁程度过少，粉碎粒度增大，LNT 提取率降低。因此，选择 300 r·min-1 作为最佳螺杆转速。

　　2.1.3　喂料量

　　喂料量对粉碎粒度和 LNT 提取率的影响如图 3 所示。图 3 表明，随着喂料量的增加，粉碎粒度先减小后增大，LNT 提取率先升高后降低。这是因为：当挤压机转速一定时，喂料量过小，物料受到的剪切力和摩擦力变小，细胞破壁程度变小，香菇粉颗粒增大，LNT 提取率降低;喂料量过大，物料在机筒中易堵塞，挤压不畅，造成粉碎粒度变大，LNT 提取率降低。因此，选择 220 g·min-1 作为最佳的喂料量。

　　2.1.4　挤压温度

　　挤压温度对粉碎粒度和 LNT 提取率的影响如图 4 所示。图 4 表明，随着挤压温度的升高，粉碎粒度先减小后增大，LNT 提取率先升高后降低。这是因为：温度升高，挤压机内形成高温、高压、高剪切的环境，细胞破壁程度加大，粉碎粒度变小，LNT 提取率升高;当挤压温度过高时，挤压机内的物料易发生焦化等现象，导致 LNT 提取率降低。因此，选择 160 ℃作为最佳的挤压温度。

　　2.1.5　双螺杆挤压前处理工艺的正交试验设计

　　以上述单因素试验为基础，选取表 1 列出的 4 个因素，进行 L9(3 4 )正交设计，各因素水平见表 1，实验结果见表 2，方差分析结果见表 3。

　　由表 2 结果可知，各因素对 LNT 提取率的影响程度依次为：香菇粉加湿量>喂料量>螺杆转速>挤压温度，由表 3 方差分析可知，香菇粉加湿量对 LNT 提取率影响较大，达到了显著水平，其他不显著。通过对 K 值的分析，双螺杆挤压前处理工艺的最佳工艺参数为 A2B1C2D1，该最优组合与正交试验表 2 中的较优组合 A2B1C2D3 不一致，故需进行验证试验，重复试验 3 次，取其平均值，其结果见表 4。

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　　由表 4 可知，最终双螺杆挤压前处理工艺的最佳工艺参数组合为 A2B1C2D1，即香菇粉加湿量 18%，喂料量 220 g·min-1 ，挤压机螺杆转速 250 r·min-1 ，挤压温度 150 ℃。在此最优组合条件下，得到 LNT 提取率为 6.63%(3 次平均值)。

　　2.2　双螺杆挤压前处理协同微波辅助提取 LNT 工艺优化试验结果

　　2.2.1　料液比

　　料液比对LNT提取率的影响如图5所示。图5表明，当料液比为 1 ∶ 30 ～ 1 ∶ 45 时，LNT 提取率随着溶剂量的增加而逐渐升高，当料液比为1∶45～1∶55时，多糖提取率呈现下降的趋势。这是因为，料液比较小时，溶剂量少，平衡时提取不完全，导致提取率降低;而料液比过大时，大量溶剂吸收了微波的能量，细胞内的功效成分溶出较少，提取率降低。因此，选择 1 ∶ 45(g·mL-1 )作为最佳的料液比。

　　2.2.2　微波功率

　　微波功率对 LNT 提取率的影响如图 6 所示。图 6 表明，随着微波功率的增加，LNT 提取率先升高后降低。这是因为，微波功率在 200 ～ 300 W 时，增加微波功率，料液升温加快，固液传质速率加快，功效成分的渗透、扩散、溶解速度也加快，提取率升高，但功率 300 ～ 400 W 时，产生爆沸现象，导致部分料液溢出和碳化，提取率降低。因此，选择 300 W 作为最佳的微波功率。

　　2.2.3　提取时间

　　提取时间对 LNT 提取率的影响如图 7 所示。图 7 表明，随着提取时间的增加，LNT 提取率先升高后降低。这是因为，增加提取时间，微波辐射加热效率提高，细胞破碎程度加大，LNT 溶出加快，提取率升高，当提取时间≥ 6 min 后，再继续延长提取时间，导致部分 LNT 被破坏和降解，提取率降低。故选择 6 min 作为最佳的提取时间。

　　2.2.4　双螺杆挤压前处理协同微波辅助提取 LNT 正交试验设计

　　以上述单因素试验为基础，选取表 4 列出的 3 个因素，进行 L9(3 3 )正交设计，各因素水平见表 5，实验结果见表 6，方差分析结果见表 7。

　　由表 6 直观分析结果可知，各因素对 LNT 提取率的影响程度依次为 B > C > A，即微波功率>提取时间>料液比。由表 7 方差分析结果可知，微波功率对 LNT 提取率的影响较大，达到显著水平，其他不显著。通过 K 值分析，双螺杆挤压前处理协同微波辅助提取 LNT 最佳工艺参数为 A1B2C3。该最优组合与正交试验表 6 中的较优组合 A2B2C3 不一致，故需进行验证试验，重复试验 3 次，取其平均值，其结果见表 8。

　　由表 8 可知，最终双螺杆挤压前处理协同微波辅助提取 LNT 的最佳工艺参数组合为 A1B2C3，即微波功率 300 W， 提取时间 8 min， 料液比为 1 ∶ 40(g·mL-1 )。在此最优组合条件下，得到 LNT 提取率为 9.23%(3 次平均值)。

　　3　结论

　　本试验采用双螺杆挤压前处理协同微波辅助提取 LNT，并对其工艺条件进行正交优化，得到最佳工艺参数为：香菇粉加湿量 18%，喂料量 220 g·min-1 ，挤压机螺杆转速 250 r·min-1 ，挤压温度 150 ℃;在此条件下协同微波辅助提取，微波功率 300 W，提取时间 8 min，料液比为 1 ∶ 40(g·mL-1 )，该条件下，LNT 提取率为 9.23%。本试验为 LNT 的提取提供一种新的途径。——论文作者：周婧琦 1 ，秦令祥 1,2，张彩芳 1 ，罗双群 1 ，崔胜文 1

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