鄧加聰，徐慧詮，鄭虹，張文森，倪麗丹（福建師范大學(xué)福清分校生物與化學(xué)工程系，福建福清350300）

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微波輔助提取雪蓮果中低聚果糖的工藝優(yōu)化

鄧加聰，徐慧詮，鄭虹，張文森，倪麗丹
（福建師范大學(xué)福清分校生物與化學(xué)工程系，福建福清350300）

摘要：雪蓮果作為試驗(yàn)材料，利用微波輔助提取法對(duì)雪蓮果中的低聚果糖進(jìn)行提取。在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)雪蓮果中低聚果糖的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，獲得其最佳的提取工藝參數(shù)為微波時(shí)間180 s，微波功率700 W，提取溫度90℃，提取時(shí)間80min，液料比40∶1（mL/g）。在此條件下，微波輔助提取低聚果糖的提取率為51.33 %，比未優(yōu)化前38.56%的提取率提高了0.33倍。

關(guān)鍵詞：雪蓮果；低聚果糖；微波輔助提取

雪蓮果原產(chǎn)于南美洲委內(nèi)瑞拉的一種多年生草本植物[1]，雪蓮果全身是寶，植株本身可以是飼料的原料，葉片與花瓣可以用來(lái)泡茶，果實(shí)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，不僅可以生吃、配菜，還可以加工成果脯、果醬、飲料等[2-3]。雪蓮果能夠清涼退火、清熱解毒，具有降低血壓血脂、美容養(yǎng)顏的功效[4]。

低聚果糖是一種很難被人體所消化的水溶性膳食纖維，能夠調(diào)理胃腸道功能、促進(jìn)消化，低聚果糖還具有清熱降火、潤(rùn)腸通便、防治痘痘、提高人體免疫力等多種功效，廣泛應(yīng)用于食品、保健品等行業(yè)。此外，低聚果糖可部分代替抗生素，它在飼料、醫(yī)藥、植保等方面均有較好的發(fā)展前景，將成為一種“綠色”的飼料添加劑[5-7]。

目前在工業(yè)大批量生產(chǎn)中，低聚果糖主要是利用酶法進(jìn)行生產(chǎn)，但是這種方法消耗大，成本較高，因此從低聚果糖含量較高的植物中直接提取成為一種趨勢(shì)。雪蓮果是低聚果糖含量最高的植物[8-9]。雪蓮果中低聚果糖的提取方法主要有水浴提取法、勻漿輔助提取法、超聲波輔助提取法和微波輔助提取法[10-14]。

微波輔助提取法則是一種從里向外加熱的方法，微波通過(guò)偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)和離子遷移兩種方式作用，有選擇性地對(duì)體系中的不同物質(zhì)進(jìn)行加熱，直接從物料中分離出有效成分的方法[15]。微波提取技術(shù)是發(fā)展?jié)摿Υ?，?duì)從天然產(chǎn)物中有效成分進(jìn)行提取有較高選擇性，并具有提取率高、省時(shí)省力、重現(xiàn)性好等特點(diǎn)[16-17]，多種植物成分的提取中應(yīng)用廣泛。

本文首先進(jìn)行微波時(shí)間、微波功率、液料比、提取時(shí)間、提取溫度五個(gè)因素的單因素試驗(yàn)，再根據(jù)其結(jié)果設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，對(duì)利用微波輔助提取法對(duì)雪蓮果中低聚果糖的提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為雪蓮果低聚果糖的大批量生產(chǎn)提供了參考。

1材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮雪蓮果：購(gòu)自福清市沃爾瑪超市；葡萄糖、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、3，5-二硝基水楊酸、苯酚、濃硫酸、亞硫酸氫鈉等試劑均為分析純。

DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；WD800B微波爐：格蘭仕有限公司；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋：江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；722S可見(jiàn)分光光度計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2方法

1.2.1工藝流程

新鮮雪蓮果→清洗，去皮，切碎→烘干（60℃）→粉碎→稱(chēng)量→微波預(yù)處理→恒溫水浴提取→過(guò)濾→定容→測(cè)量

1.2.2微波輔助提取條件的確定

影響微波輔助提取的因素有微波功率、微波時(shí)間、提取溫度、提取時(shí)間、液料比。

1.2.2.1微波功率對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響

以微波功率為變量（100、150、400、550、700 W），控制其他試驗(yàn)條件不變（提取溫度：80℃，提取時(shí)間：60 min，液料比：50∶1 mL/g，微波時(shí)間：180 s）進(jìn)行試驗(yàn)，以確定最優(yōu)微波功率。

1.2.2.2微波時(shí)間對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響

以微波時(shí)間為變量（120、150、180、210、240 s），控制其他試驗(yàn)條件不變（提取溫度：80℃，提取時(shí)間：60 min，液料比：50∶1 mL/g，微波功率：550 W）進(jìn)行試驗(yàn)，以確定最優(yōu)微波時(shí)間。

1.2.2.3提取溫度對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響

以提取溫度為變量（60、70、80、90、100℃），控制其他試驗(yàn)條件不變（提取時(shí)間：60min，液料比：50∶1mL/g，微波功率：550 W，微波時(shí)間：180 s）進(jìn)行試驗(yàn)，以確定最優(yōu)提取溫度。

1.2.2.4提取時(shí)間對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響

以提取時(shí)間為變量（20、40、60、80、100 min），控制其他試驗(yàn)條件不變（提取溫度：80℃，液料比：50∶1，微波功率：550 W，微波時(shí)間：180 s）進(jìn)行試驗(yàn)，以確定最優(yōu)提取時(shí)間。

1.2.2.5液料比對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響

以液料比為變量[30∶1、40∶1、50∶1、60∶1、70∶1（mL/g）]，控制其他試驗(yàn)條件不變（提取溫度：80℃，提取時(shí)間：60 min，微波功率：550 W，微波時(shí)間：180 s）進(jìn)行試驗(yàn)，以確定最優(yōu)液料比。

1.2.3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以微波功率、微波時(shí)間、提取溫度、提取時(shí)間、液料比為試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)五因素三水平的正交試驗(yàn)，選用L18（37）正交表進(jìn)行試驗(yàn)分析，其中F、G兩列為空白列，各因素的水平參照單因素試驗(yàn)結(jié)果，正交表如表1。

表1正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal design experiments

1.2.4雪蓮果還原糖、總糖含量的測(cè)定

還原糖、總糖含量的測(cè)定采用DNS比色法[18]。

雪蓮果中低聚果糖提取率的計(jì)算：

2結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響

2.1.1微波功率對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響

微波功率對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響見(jiàn)圖1。

圖1微波功率對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響Fig.1 Effect of microwave power on extraction of yacon FOS

由圖1可知，微波功率在100 W至550 W之間時(shí)，低聚果糖的提取率隨微波功率提高而明顯增大，微波功率達(dá)到700 W時(shí)，低聚果糖提取率又有所下降。這是由于微波輔助作用通過(guò)偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)和離子遷移兩種方式從內(nèi)向外加熱，選擇性地對(duì)雪蓮果細(xì)胞分子中的不同物質(zhì)進(jìn)行加熱，使低聚果糖直接從細(xì)胞中分離出來(lái)，在一定范圍內(nèi)微波功率越高，提取率越高，之后由于溶液中不同物質(zhì)含量過(guò)高而阻礙了低聚果糖的溶出，導(dǎo)致低聚果糖提取率降低。故微波輔助提取法的最優(yōu)微波功率在400 W至700 W之間。

2.1.2微波時(shí)間對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響

微波時(shí)間對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響見(jiàn)圖2。

圖2微波時(shí)間對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響Fig.2 Effect of microwave time on extraction of yacon FOS

由圖2可知，微波時(shí)間在120 s至180 s之間，隨著時(shí)間的增加，提取率是明顯增大的，這是由于微波對(duì)植物細(xì)胞壁的破壞作用隨著時(shí)間的增加而逐漸增強(qiáng)，因而有助于多糖成分的溶解釋放。180 s后，多糖的提取率卻不再隨時(shí)間增加而增大，幾乎持平，這主要是因?yàn)槲⒉ㄗ饔檬辜?xì)胞中其他物質(zhì)也大量溶出，對(duì)多糖成分向溶劑的擴(kuò)散釋放起到阻礙效果。因此最優(yōu)微波時(shí)間選擇在120 s至180 s之間。

2.1.3提取溫度對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響

提取溫度對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響見(jiàn)圖3。

圖3提取溫度對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction of yacon FOS

由圖3可知，提取溫度逐步提升過(guò)程中，在未達(dá)到80℃之前，隨著溫度的提高，提取率也逐漸增大，但是提取溫度超過(guò)80℃之后，提取率逐漸下降。這是因?yàn)楦邷貢?huì)引起多糖成分化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，使之分解。因此最優(yōu)提取溫度選擇在70℃~90℃之間。

2.1.4提取時(shí)間對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響

提取時(shí)間對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響見(jiàn)圖4。

由圖4可知，提取率隨提取時(shí)間的增加而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。20 min至60 min之間的提取率隨時(shí)間增加而明顯增大，60 min之后提取率的增加趨勢(shì)減緩而不明顯，從節(jié)能角度考慮，最優(yōu)提取時(shí)間在40 min至80 min之間。

圖4提取時(shí)間對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響Fig.4 Effect of extraction time on the extraction of yacon FOS

2.1.5液料比對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響

料液比對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響見(jiàn)圖5。

圖5液料比對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響Fig.5 Effect of ratio of liquid to meterial on extraction of yacon FOS

由圖5可知，隨著液料比的逐漸增大，提取率也隨之增大。但是在液料比大于50∶1（mL/g）之后，提取率的增大幅度明顯變緩，這是由于液料比在50∶1（mL/g）時(shí)，植物細(xì)胞中的多糖已大部分溶出，即液料比在50∶1（mL/g）左右時(shí)提取率已達(dá)到最高值，從經(jīng)濟(jì)方面入手，則最優(yōu)液料比在30∶1至50∶1（mL/g）之間。

2.2微波輔助提取法正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)微波功率、微波時(shí)間、提取溫度、提取時(shí)間、液料比這五個(gè)因素的單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)五因素三水平的正交試驗(yàn)，選用L18（37）正交表進(jìn)行試驗(yàn)分析，其中F、G兩列為空白列，結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental design and results

續(xù)表2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Continue table 2 Orthogonal experimental design and results

表3正交試驗(yàn)的方差分析Table 3 Variance Analysis of orthogonal experiment

由表2可知，根據(jù)R值的差異，五個(gè)因素對(duì)雪蓮果低聚果糖提取率的影響力：B>D>C>A>E，即微波功率B對(duì)雪蓮果低聚果糖的提取率影響力最大，提取時(shí)間D對(duì)其影響次之，而提取溫度C、微波時(shí)間A、液料比E對(duì)提取率的影響則相對(duì)不明顯，而最佳提取的參數(shù)組合為A3B3C3D3E2，即微波時(shí)間選擇180 s，微波功率選擇700 W，提取溫度選擇90℃，提取時(shí)間選擇80min，液料比選擇40∶1（mL/g）。

由表3可知，微波功率B的F值達(dá)到極顯著水平，提取時(shí)間D的F值達(dá)到顯著水平，而提取溫度C、微波時(shí)間A的F值未達(dá)到顯著水平但是接近顯著水平，液料比E的F值未達(dá)到顯著水平。

2.3驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與分析

由正交試驗(yàn)分析可知，利用微波輔助法提取雪蓮果低聚果糖的最優(yōu)組合為：微波時(shí)間180 s，微波功率700 W，提取溫度90℃，提取時(shí)間80 min，液料比40∶1（mL/g）。以此參數(shù)及未優(yōu)化前[微波時(shí)間180 s，微波功率400 W，提取溫度80℃，提取時(shí)間60 min，液料比50∶1（mL/g）]的提取參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較優(yōu)化前后，雪蓮果低聚果糖提取率的變化。結(jié)果見(jiàn)表4。

表4優(yōu)化前后低聚果糖提取率的比較Table 4 Compared to extraction of yacon FOS before and after optimization

由表4可知，優(yōu)化前后，雪蓮果中低聚果糖的提取率提高了0.33倍。同時(shí)發(fā)現(xiàn)采用微波輔助提取的方法進(jìn)行雪蓮果低聚果糖的提取，其提取率明顯高于其他提取方法（水浴提取法3.46 %[8]；勻漿輔助提取法6.25 %[11]；超聲輔助提取法4.257 %[12]）。

3　結(jié)論

以雪蓮果為試驗(yàn)材料，采用微波輔助法提取雪蓮果中的低聚果糖，通過(guò)對(duì)微波時(shí)間、微波功率、液料比、提取時(shí)間、提取溫度5個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)；在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，最終確定試驗(yàn)條件的最優(yōu)組合為：微波時(shí)間180 s，微波功率100 %高火，提取溫度90℃，提取時(shí)間80 min，液料比40∶1（mL/g），在該工藝參數(shù)下的低聚果糖提取率可高達(dá)51.33 %，比未優(yōu)化前38.56 %的提取率提高了0.33倍。該工藝具有提取率高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，為雪蓮果低聚果糖大規(guī)模生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)和參考。

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The Process Optimization on the Extraction of Fructo-oligosaccharides from Yacon by Microwave-assisted Extraction

DENG Jia-cong，XU Hui-quan，ZHENG Hong，ZHANG Wen-sen，NI Li-dan
（Biology and Chemistry Engineering Department，F(xiàn)uqing Branch of Fujian Normal University，F(xiàn)uqing 350300，F(xiàn)ujian，China）

Abstract：The process on the extraction of fructo-oligosaccharides from yacon was studied using microwave assisted extraction method. On the basis of single factor experiment，the extraction of fructo-oligosaccharides from yacon were optimized by the orthogonal experimental design .The results showed that the optimal conditions were microwave time 180 s，microwave power 700 W，extraction temperature 90℃，extraction time 80 min，liquid material ratio 40∶1 mL/g. Under optimization conditions，the extraction rate of microwave assisted extraction of oligosaccharide fructose was 51.33 %，and the extraction rate was 0.33 times more than 38.56 % of before optimization.

Key words：yacon；fructo-oligosaccharides；microwave-assisted extraction

收稿日期：2014-08-04

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.01.023

作者簡(jiǎn)介：鄧加聰（1981—），男（漢），副教授，在職博士生，研究方向：微生物篩選及發(fā)酵優(yōu)化。

基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015J01132）；福建省教育廳中青年教師項(xiàng)目（JA15569）；福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目（JA11285）