閆 征,李雙石,楊國偉,王越鵬,羅忠智,郝利民,*

(1.北京電子科技職業(yè)學院生物工程學院,北京 100176; 2.總后勤部軍需裝備研究所,北京 100010)

擠壓膨化預處理技術對靈芝多糖提取的影響

閆 征1,李雙石1,楊國偉1,王越鵬2,羅忠智2,郝利民2,*

(1.北京電子科技職業(yè)學院生物工程學院,北京 100176; 2.總后勤部軍需裝備研究所,北京 100010)

以靈芝子實體為原料,在熱水浸提前進行雙螺桿擠壓膨化預處理,以提高靈芝多糖的提取得率。分別采用單因素和正交實驗對物料提取前的擠壓膨化預處理條件進行優(yōu)化,然后采用高效凝膠排阻色譜對比了擠壓膨化預處理對水提靈芝多糖分子量分布的影響。在物料粒度60目時,通過優(yōu)化得到了雙螺桿擠壓膨化預處理的最優(yōu)工藝:套筒溫度160 ℃,固液比1∶3,螺桿轉速150 r/min,采用上述條件進行預處理后,靈芝多糖的提取得率為7.92%,較未擠壓膨化靈芝的多糖提取得率提高了92.7%,表明采用雙螺桿擠壓膨化技術對靈芝子實體進行預處理,可顯著提高靈芝多糖的提取得率,同時雙螺桿擠壓膨化預處理會增加靈芝多糖提取物中低分子量多糖的比例。

擠壓膨化,靈芝,多糖,提取,分子量分布

靈芝是擔子菌門(Basidiomycota)、傘菌綱(Agaricomycetes)、多孔菌目(Polyporales)、靈芝菌科(Ganodermataceae)、靈芝屬(Ganoderma)真菌[1-2],作為中國傳統(tǒng)的名貴滋補藥材,它具有藥、食兩用價值?，F(xiàn)代科學研究表明,靈芝中含有多糖、三萜等多種生物活性成分[3];其中,靈芝多糖(Gandermalucidumpolysaccharide,GLP)是靈芝的主要活性成分之一[4-6],與靈芝的多種生理、藥理功能有關,具有抗氧化、調節(jié)免疫力、抑制腫瘤、刺激胰島素分泌、降血糖、降血脂、抗輻射、促進葡萄糖在外周組織的利用、促進核酸和蛋白質的合成、消炎等功效[7]。因此,靈芝受到國內外的廣泛關注,是研究最多的藥食用真菌之一;同時,靈芝多糖成為靈芝研究的熱點之一,其研究與開發(fā)前景廣闊。

靈芝子實體結構緊密、木質化程度高,纖維素、半纖維素和木質素的含量高達70%以上[8-10],這在一定程度上會影響多糖等活性物質的分離與提取。在靈芝多糖的提取過程中,如何高效、快速地破壞子實體緊密的結構一直是制約靈芝多糖提取得率的關鍵因素。隨著科學技術的發(fā)展,超聲波、微波、超高壓、酶技術和超濾等高新技術廣泛應用于天然活性物質提取[11-13],顯著提高了天然活性物質的提取得率。雙螺桿擠壓膨化技術是一種先進的物料擠壓成型技術,集混合、攪拌、加熱、破碎、蒸煮、噴爆等過程為一體,對物料具有高溫、高壓、高剪切力的作用[14-16],在食品加工和飼料加工領域具有廣泛的應用前景。近年,有研究將擠壓膨化技術應用于細胞壁破除[17]。顧回美[18]和劉巧紅[19]分別對銀耳和香菇進行擠壓膨化預處理,顯著提高了真菌多糖提取得率;但擠壓膨化技術在高度木質化原料活性物質提取預處理中的應用還未見報道。本文以靈芝子實體為原料,研究了不同擠壓膨化預處理條件對靈芝多糖提取得率的影響,并對擠壓膨化預處理后靈芝多糖分子量分布的變化進行了分析。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

靈芝子實體 安徽喬康藥業(yè)有限公司提供;無水乙醇、濃硫酸、苯酚、葡萄糖等 均為分析純。

SYSLG32-Ⅱ雙螺桿擠壓膨化機 山東濟南賽百諾科技有限公司;TYS-100高速多功能粉碎機 浙江省永康市紅太陽機電有限公司;PB-10酸度計 德國Sartorius公司;BS200S電子天平 德國Sartorius公司;TGC-16C臺式離心機 上海精密科學儀器有限公司;HH.SY21-NY水浴鍋 北京長風儀器儀表公司;TU-1901紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 靈芝粗多糖提取 工藝流程:靈芝→粉碎過篩→與水混合→擠壓膨化→熱水浸提→分離。

熱水浸提條件:準確稱取一定量經擠壓膨化預處理的靈芝粉,按料液比1∶25與蒸餾水混合,在100 ℃條件下浸提4 h。

靈芝粗多糖分離:提取液8000 r/min下離心10 min后收集上清液,準確度量5 mL粗提物并按1∶4的比例加入無水乙醇,4 ℃醇沉12 h后抽濾收集醇析物,再經冷凍干燥既得粗多糖。

1.2.2 擠壓膨化預處理條件 對靈芝子實體粉末進行擠壓膨化預處理單因素實驗;擠壓膨化機的螺桿直徑為32 mm,長徑比18∶1。

在螺桿轉速為150 r/min,固液比為1∶2 g/mL,套筒溫度為150 ℃的條件下,考察物料粒度(40、60、80、100、120目)對靈芝多糖提取得率的影響。

在螺桿轉速為150 r/min,物料粒度為60目,套筒溫度為150 ℃的條件下,考察固液比(1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5 g/mL,以干物質量計)對靈芝多糖提取得率的影響。

在物料粒度為60目,固液比為1∶2,套筒溫度為150 ℃的條件下,考察螺桿轉速(100、125、150、175、200 r/min)對靈芝多糖提取得率的影響。

在螺桿轉速為150 r/min,物料粒度為60目,固液比為1∶2的條件下,考察套筒溫度(130、140、150、160、170 ℃)對靈芝多糖提取得率的影響。

在單因素方差分析基礎上進行三因素三水平正交實驗,確定最佳工藝條件。正交實驗各因素水平如表1所示。

表1 正交實驗因素及水平表Table 1 Factors and levels table of orthogonal test

1.2.3 靈芝粗多糖含量測定及提取得率計算 取按1.2.1處理獲得的醇析物,加水復容至5 mL,采用苯酚-硫酸法[8]測其多糖濃度,然后按公式(1)計算多糖提取得率。

多糖提取得率(%)=(多糖濃度×樣液體積)/樣品干重×100

式(1)

1.2.4 多糖分子量測定 采用高效凝膠排阻色譜-多角度激光光散射(SEC-MALLS/RID)法[20]。

SEC-MALLS/RID法是將樣品通過SEC進行分離，然后用MALLS和RID分別在線收集樣品的激光散射信號和示差折光信號，通過配套Astra軟件(Version 5.1,Wyatt Technology,Santa Barbara,CA,USA)對光散射數(shù)據(jù)進行采集和分析，直接獲得樣品的重均分子量(weight-average molecular weight,Mw)。其中SEC條件如下：

色譜柱:TSK-GELG-6000PwxL色譜柱(7.8 mm×300 mm)與TSK-GELG-3000PwxL色譜柱(7.8 mm×300 mm)串聯(lián);檢測器:多角度激光光散射、示差檢測器;流動相:0.9% NaCl溶液;流速:0.5 mL/min;柱溫:35 ℃;進樣量:100 μL。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組設三個平行實驗,然后應用統(tǒng)計軟件SPSS 16.0對各因素進行方差分析,p<0.05認為差異顯著,具有統(tǒng)計學意義。

2 結果與分析

2.1 擠壓膨化預處理單因素實驗

2.1.1 物料粒度的影響 用未擠壓膨化預處理的靈芝物料作為對照,考察不同物料粒度對靈芝多糖提取得率的影響,結果如圖1所示。

圖1 物料粒度對多糖提取得率的影響Fig.1 Effects of granularity of material on the yield of soluble polysaccharides

由圖1可知,經擠壓膨化預處理的靈芝物料較相同粒度未膨化的物料,其多糖提取得率提高20%～30%;未膨化和膨化處理的靈芝物料,其多糖提取得率均隨物料粒度的變化而變化,經單因素方差分析,物料粒度對靈芝多糖提取得率的影響不顯著(p>0.05)。靈芝子實體的致密結構會影響提取過程中的傳質,適當粉碎可增加物料的比表面積,保證物料與水充分混合,促進多糖溶出,但物料粒度過大時,會造成物料傳輸困難,影響擠壓膨化效果。結合設備條件和實驗結果,本研究選擇物料粒度為60目,在此條件下,靈芝物料未膨化和膨化處理的多糖提取得率分別為4.11%、5.34%。

2.1.2 固液比的影響 固液比對靈芝多糖提取得率的影響如圖2所示。

圖2 固液比對多糖提取得率的影響Fig.2 Effects of water addition on the yield of soluble polysaccharides

在擠壓膨化過程中,水具有增塑和導熱等作用,會對物料在擠壓機套筒內的混合程度和流動方式產生影響[21]。由圖2可知,隨著固液比增加,靈芝多糖提取率呈先增后減的趨勢;固液比為1∶3時,多糖提取得率為6.12%,達到峰值。固液比較低時,靈芝粉擠出前潤濕度低,擠出過程中產生的蒸汽量過少,無法有效破壞靈芝子實體的致密結構,擠壓膨化的作用效果較差;而固液比過高時,擠壓過程中物料流動性加快,物料與螺桿之間摩擦減小,所收到的壓力、摩擦力和剪切力減小,導致物料未經充分改性處理即被擠出,降低了擠壓膨化的作用效果。經單因素方差分析,固液比對靈芝多糖提取得率的影響顯著(p<0.05)。

2.1.3 螺桿轉速的影響 螺桿轉速對靈芝多糖提取得率的影響如圖3所示。

圖3 螺桿轉速對多糖提取得率的影響Fig.3 Effects of screw speed on the yield of soluble polysaccharides

螺桿轉速會影響物料在套筒內的滯留時間,進而影響擠壓膨化過程中的擠壓和剪切作用[22]。由圖3可知,隨著螺桿轉速增加,靈芝多糖提取得率呈先增后減的趨勢,螺桿轉速為175 r/min時,多糖提取得率為6.81%,達到峰值。在雙螺桿擠壓膨化機腔內,兩根螺桿相互嚙合,物料在螺桿推動作用下沿軸向前曲折前進,物料被分散后又重新組合,轉速過低時,螺桿對靈芝物料的剪切和摩擦力度較小且易返料,熱能轉化少,擠壓膨化效果較差;而轉速過快時,物料在膨化機腔內停留時間過短,不易形成高壓,降低了擠壓膨化處理對物料致密結構的改性效果。經單因素方差分析,螺桿轉速的影響p<0.05,說明其對靈芝多糖提取得率的影響顯著。

2.1.4 套筒溫度的影響 套筒溫度對靈芝多糖提取得率的影響如圖4所示。

圖4 套筒溫度對多糖提取得率的影響Fig.4 Effects of barrel temperature on the yield of soluble polysaccharides

套筒內溫度是物料吸收熱量的來源,直接影響擠壓膨化的作用效果[23]。由圖4可知,隨著套筒溫度增加,靈芝多糖提取得率先逐漸增加,溫度到160 ℃時,多糖提取得率為6.36%,達到峰值。隨著溫度繼續(xù)增加,靈芝多糖提取得率又逐漸減少。套筒溫度較低時,水分子與物料作用不夠充分,物料膨化程度不高,靈芝子實體致密結構無法得到有效破壞。適當高溫可促進水分子與物料相互作用,促進靈芝纖維質超聚結構解體,有利于多糖溶出;但當套筒溫度過高時,擠出程度過于劇烈,水分蒸發(fā)速度過快,部分多糖可能會出現(xiàn)降解,使大分子多糖降解為小分子多糖,甚至寡糖[16],從而降低了多糖提取得率。經單因素方差分析,套筒溫度的影響p<0.05,說明其對靈芝多糖提取得率的影響顯著。

2.2 正交實驗

正交實驗結果如表2所示。

表2 擠壓膨化預處理正交實驗結果Table 2 Results of orthogonal test on extrusion conditions

由表2可知,在物料粒度為60目時,各因素對靈芝多糖提取得率的影響程度由高到低依次為:A>B>C,即套筒溫度>固液比>螺桿轉速;正交實驗優(yōu)化得到雙螺桿擠壓膨化預處理提取靈芝多糖最佳工藝條件為:A2B2C1即套筒溫度160 ℃,固液比1∶3,螺桿轉速150 r/min。在最優(yōu)組合條件下進行提取,實際的靈芝多糖提取得率為7.92%,與同粒度未經擠壓膨化預處理的靈芝多糖提取得率(4.11%)相比,擠壓膨化預處理后靈芝多糖提取得率提高了92.7%。

2.3 粗多糖分子量分布對比

不同靈芝多糖樣品的SEC色譜圖如圖5所示。

圖5 靈芝多糖樣品的SEC圖譜Fig.5 Chromaogram of different GLP by SEC注:GLP-W:未經擠壓膨化預處理的靈芝多糖;GLP-E:擠壓膨化預處理后的靈芝多糖。

由圖5可知,兩種靈芝多糖的SEC色譜圖具有相似的色譜峰。GLP-W峰1的重均分子量為7.813×104,GLP-E峰1的重均分子量為1.321×104;同時,GLP-W和GLP-E峰2的重均分子量均較小(分子量低于5000 Da),無法有效分離和準確測定。結果說明,擠壓膨化預處理會增加靈芝多糖中低分子量多糖的比例,這可能是由于擠壓膨化預處理對靈芝多糖的分子量有一定的降低作用,或是擠壓膨化預處理促進了低分子量靈芝多糖的有效溶出,從而增加了低分子量多糖的比例,結果和原因還有待進一步研究。

3 結論

在物料粒度為60目的條件下,通過對靈芝子實體雙螺桿擠壓膨化預處理條件摸索的單因素實驗和正交實驗,獲得靈芝子實體擠壓膨化預處理的最佳參數(shù)為:套筒溫度160 ℃,固液比1∶3,螺桿轉速150 r/min;擠壓膨化各參數(shù)對靈芝多糖提取得率影響的顯著性次序依次為:套筒溫度>固液比>螺桿轉速。在最佳工藝條件下,靈芝多糖提取得率為7.92%,較同粒度未預處理靈芝物料的多糖提取得率(4.11%)提高了92.7%。這表明,在提取前對靈芝子實體進行雙螺桿擠壓膨化預處理,可顯著提高靈芝多糖的提取得率。通過SEC-MALLS/RID法檢測發(fā)現(xiàn),擠壓膨化預處理會增加靈芝多糖中低分子量多糖的比例,其原因還有待進一步研究。

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Effect of twin-screw extrusion on polysaccharide extraction fromGanodermalucidum

YAN Zheng1,LI Shuang-shi1,YANG Guo-wei1,WANG Yue-peng2,LUO Zhong-zhi2,HAO Li-min2,*

(1.College of Bioengineering,Beijing Polytechnic,Beijing 100176,China;2.Institute of Quartermaster Equipment,General Logistics Department of People’s Liberation Army,Beijing 100010,China)

In order to increase the yield of soluble polysaccharides,the fruit body ofGanodermalucidumwas subjected to twin-screw extrusion before hot-water extraction. The solid-liquid ratio,rotary speed and barrel temperature of screw were optimized through single factor and orthogonal experiment according to the yield of soluble polysaccharides. The comparison between screw effects on polysaccharides molecular weight distribution were carried out using high performance size exclusion chromatography coupled with multiangle laser light scattering(SEC-MALLS/RID).When the particle diameter was 60 mesh,the optimum conditions were as follows,the barrel temperature 160 ℃,solid-liquid ratio 1∶3,rotary speed of screw 150 r/min. Under this condition,the yield of soluble polysaccharides was 92.7% higher than before,reached 7.92%. It means that the yield of solubleGandermalucidumpolysaccharides can be increased by twin-screw extrusion to a great extent,and the ratio of low-molecular weight polysaccharides increased after twin-screw extrusion.

twin-screw extrusion;Ganodermalucidum;polysaccharides;extraction;molecular weight distribution

2016-10-18

閆征(1978-)，男，博士，講師，研究方向：食品生物技術，E-mail:bioyanzheng@163.com。

*通訊作者:郝利民(1969-)，男，博士，教授，研究方向：食品生物技術與軍用功能食品，E-mail:hlm2005@163.com。

軍隊科研項目(AX110C002)；軍需所科研項目(HX-04-13-022)；軍隊科研項目(BX115C007)；北京市屬高等學校人才強教計劃資助項目(PXM2016_014306_000005)。

TS255.1

B

1002-0306(2017)08-0280-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.08.046