周丹丹,周春暉,黃惠華

(1.華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510641;2.廣東太陽神集團有限公司,廣東廣州 510665)

猴頭菇多糖的超聲輔助罐組式動態(tài)逆流提取及純化研究

周丹丹1,2,周春暉2,黃惠華1,*

(1.華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510641;2.廣東太陽神集團有限公司,廣東廣州 510665)

本文研究了超聲輔助罐組式動態(tài)逆流提取及純化猴頭菇多糖的工藝。以正交實驗確定單罐提取猴頭菇多糖最佳工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上建立罐組式多態(tài)逆流提取條件;利用凝膠色譜法分離和鑒別猴頭菇提取物中的干擾物質(zhì),確定最佳純化方式。結(jié)果表明:采用3個組罐連接,以連續(xù)3級(次)超聲輔助罐組式動態(tài)逆流萃取法,在料液比1∶15,提取溫度50 ℃,提取時間2 h后,用超聲功率400 W強化提取25 min的條件下,猴頭菇多糖得率達13.37%,經(jīng)75%乙醇沉淀后多糖含量為66.48%;利用凝膠色譜法確定猴頭菇多糖以33%乙醇、50%乙醇分級沉淀結(jié)合堿性銅試劑選擇性純化的最佳純化方式。猴頭菇多糖采用超聲輔助罐組式動態(tài)逆流提取法比傳統(tǒng)單罐三次提取法得率提高50%以上,提取時間縮短3 h,節(jié)約溶劑40%以上。

猴頭菇多糖,超聲輔助罐組式動態(tài)逆流提取,純化

猴頭菇(Hericiumerinaceus)是我國珍貴的藥食兼用真菌,又稱猴頭菌、猴頭、猴菇、猴蘑[1]。我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)認(rèn)為其性平、味甘、益五臟,具有助消化的作用[2],現(xiàn)代醫(yī)學(xué)還發(fā)現(xiàn)其具有抗腫瘤[3]、降血脂、抗輻射、抗氧化和能夠增強機體的免疫調(diào)節(jié)功能[4-7]。猴頭菇多糖為其主要的功效成分,為水溶性物質(zhì)[5-9],研究表明[10],多糖的純度能影響其生物活性,因此,制備高純度的猴頭菇多糖是將其應(yīng)用于食品、醫(yī)藥及保健食品領(lǐng)域中不可或缺的步驟。

傳統(tǒng)的猴頭菇多糖提取工藝主要采用的是以靜態(tài)多功能提取罐為基礎(chǔ)的間歇型單罐提取工藝,其存在的主要不足是得率和生產(chǎn)效率不夠理想,且提取過程中的能量利用率不高,因此工藝上有改良的必要。目前,人們開始研究其連續(xù)提取的新工藝。罐組式動態(tài)逆流萃取是在常規(guī)靜態(tài)提取的基礎(chǔ)上發(fā)展而來[11-13]。此種工藝近年開始應(yīng)用到白芨多糖堿[14]、丹參素等功效物質(zhì)的提取生產(chǎn)中,它是通過對多個(或多段)提取單元之間物料和溶劑進行濃度梯度的排列和流程的配置進行優(yōu)化,結(jié)合提取單元組數(shù)、提取溫度和提取溶媒用量,循環(huán)地對物料進行提取的一種新技術(shù)。同時,在提取過程中還可以施加超聲波處理,利用超聲波的具有的起泡效果、氣穴空化效應(yīng)、加壓稀薄效應(yīng)等場效應(yīng),強化萃取過程的傳質(zhì)作用,能縮短提取時間,還可明顯提高萃取率,降低了能量消耗[15]。

本研究主要探討利用罐組式動態(tài)逆流萃取技術(shù),結(jié)合超聲處理的強化效應(yīng),進行猴頭菇多糖的提取新工藝研究。為此種技術(shù)在猴頭菇深加工過程中的利用提供新的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

猴頭菇子實體 福建省古田縣恒昌農(nóng)副食品有限公司;葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品(100 mg/支,100%) 中國藥品生物制品檢定所;葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品(1 g/支97%) Sigma公司;其它化學(xué)試劑除特殊要求外,均為分析純。銅貯存液的配制:稱取3.0 g硫酸銅(五水),30.0 g檸檬酸鈉加水溶解至1 L,此溶液可貯存2周,使用時取銅貯存液50 mL,加水 50 mL混勻后加入無水硫酸鈉12.5 g,臨用現(xiàn)配;銅洗滌液的配制:取水50 mL,加入10 mL銅應(yīng)用溶液,10 mL 2.5 mol/L氫氧化鈉溶液,混勻。

TGCXN-2B(2 L)循環(huán)超聲提取機 南京先歐儀器制造公司;HH-4 數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市富華儀器有限公司;RE-5202型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;722型可見分光光度計 上海精密科學(xué)儀器有限公司;高效液相色譜儀1260 Agilent公司;凝膠色譜分析儀及凝膠色譜柱 TSK Gel 3000SWXL;7.8 mm×300 mm,TOSOH公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 猴頭菇多糖提取工藝 將猴頭菇在60 ℃條件下烘干至水分含量6%左右,粉碎,全粉過40目篩。精密稱取猴頭菇粉0.2 kg,加入3 L罐組式動態(tài)逆流集成超聲波提取儀中提取(多個提取罐機組串聯(lián),提取溶媒沿著罐組內(nèi)各罐猴頭菇原料的溶質(zhì)濃度梯度逆向地由低向高順次輸送通過各罐,并與猴頭菇保持一定提取時間并多次套用)→多糖沉淀→多糖純化。

1.2.2 猴頭菇多糖得率測定 采用苯酚-硫酸法檢測猴頭菇多糖含量并計算得率。精確稱取105 ℃干燥至質(zhì)量恒定的無水葡萄糖0.1 g,溶解定容于1000 mL容量瓶中配成質(zhì)量濃度為0.100 mg/mL的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液,分別精確量取0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液并加蒸餾水至總體積為1.0 mL,然后各加質(zhì)量分?jǐn)?shù)6 %苯酚溶液1.0 mL、硫酸5.0 mL,迅速搖勻在40 ℃水浴反應(yīng)30 min,以加蒸餾水的試管為空白,于波長490 nm處測定吸光度。 將測得值以葡萄糖溶液中葡萄糖含量(μg)為橫坐標(biāo)x,以吸光度(A)為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得回歸方程為A=0.0116 x+0.0324(R2=0.9995)。猴頭菇多糖含量及得率分別按如下公式計算:

多糖含量(%)=質(zhì)量濃度(mg/mL)×定容后體積(mL)/粗多糖質(zhì)量(g)×103×100

多糖得率(%)=質(zhì)量濃度(mg/mL)×定容后體積(mL)/猴頭菇粉末質(zhì)量(g)×103×100

1.2.3 多糖分子量測定方法 凝膠色譜柱:TSK Gel 3000SWXL;7.8 mm×300 mm;柱溫:35 ℃;流動相:0.025 mol/L NaH2PO4+0.025 mol/L Na2HPO4(pH=6.7),+0.05% NaN3;流速:0.8 mL/min;檢測器:示差折光檢測器(RID),恒溫35 ℃。稱取分子量分別為 1.0×103、5.0×103、1.20×104、2.50×104、5.00×104、8.00×104、1.50×105、2.70×105的一系列葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品,用流動相配制成每種標(biāo)樣的質(zhì)量濃度約為1.0 mg/mL的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液,將樣品用流動相溶解后,經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后,進行凝膠色譜測定。根據(jù)其凝膠色譜的保留時間和峰形進行定性分析。以多糖標(biāo)樣的保留時間為橫坐標(biāo),多糖相對分子質(zhì)量的對數(shù)為縱坐標(biāo)作 GPC 的普適校正曲線。根據(jù)樣品的出峰時間在校正曲線上求得多糖峰的平均相對分子質(zhì)量及其分布。

1.2.4 單罐單因素實驗及優(yōu)化實驗設(shè)計 本實驗猴頭菇經(jīng)熱水浸提后進行超聲波輔助提取。首先用過預(yù)實驗及實際操作分析確定提取過程中的兩個重要因素,熱水浸提時間(2 h)和提取次數(shù)(3次)。提取過程中涉及到四個關(guān)鍵因素:料液比、熱水浸提溫度、超聲功率、超聲時間。分別設(shè)定四個單因素的水平為:溫度70 ℃,浸提時間2 h,超聲功率400 W,超聲時間15 min,料液比1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25;料液比1∶20,浸提時間2 h,超聲功率400 W,超聲時間15 min,浸提溫度30、50、70、80、90 ℃;溫度70 ℃,浸提時間2 h,料液比1∶20,超聲時間15 min,超聲功率分別為300、400、500、600、700 W;溫度70 ℃,料液比1∶20,浸提時間2 h后,超聲功率400 W,超聲時間為10、15、20、25、30 min。以多糖得率為評價指標(biāo),逐個考察各個提取條件對得率的影響。

1.2.5 正交實驗設(shè)計 以對超聲提取多糖影響效果顯著的4個因素:料液比、浸提時間、超聲時間、超聲功率為變量,以得率為考察指標(biāo),采用L9(34)正交實驗表進行正交實驗優(yōu)化。實驗設(shè)計中的水平及編碼表見表1。

表1 正交實驗因素與水平

1.2.6 超聲輔助罐組式動態(tài)逆流提取猴頭菇多糖方法研究 超聲輔助罐組式動態(tài)逆流提取由真空泵管連接多組提取罐組組成,提取流程及提取設(shè)備設(shè)計如圖1a、圖1b所示:罐A第一次提取后,終提取液進入貯罐;罐A第二次提取后提取液進入罐B進行罐B第一次提取,終提取液進入貯罐;罐A第三次提取后,提取液進入罐B進行罐B第二次提取,提取液再進入罐C進行罐C第一次提取,終提取液進入貯罐依次按照此方式,溶質(zhì)濃度低度由低向高順次循環(huán)提取。

圖1 罐組式動態(tài)逆流提取猴頭菇多糖工藝設(shè)計圖Fig.1 Multi-stage counter-current solvent extractions of Hericium erinaceus polysaccharide process design注：A、B、C-動態(tài)循環(huán)提取單元；1、2、3-進料口；4、5、6-超聲發(fā)生器探頭；7、8、9-溫度、壓力表；10、11、12-提取罐(內(nèi)含加熱管、物料循環(huán)器)；13、14、15-排料口；16、17、18-紗網(wǎng)隔板；19、20、21、22、23、24、25、26、27-多向閥門；29、30、31-真空循環(huán)泵(多向)；32、33、34-貯罐；35-總儲液罐；36-濃縮系統(tǒng)；K-總管；L-水管。

確定罐組數(shù)實驗設(shè)計:分別設(shè)計由2個、3個、4個提取單元組成的提取體系。準(zhǔn)確稱量猴頭菇粉末樣品0.2 kg入每個組罐,采用單罐工藝預(yù)實驗獲得的提取參數(shù),以猴頭菇多糖得率為指標(biāo)探索罐組數(shù),選擇提取體系的最優(yōu)罐組數(shù)。同時與傳統(tǒng)單罐間歇式提取工藝(100 ℃,2 h,提取3次)對比。

1.2.7 猴頭菇多糖沉淀的方法研究 將最佳正交條件下提取的粗多糖提取液,分別用70%、75%、80%乙醇對多糖進行沉淀[16]。并用苯酚-硫酸法測定70%、75%、80%乙醇沉淀得到多糖含量,用凝膠色譜(GPC)TSK Gel 4000 SWXL 柱測定粗多糖的分子量[17-19]。

1.2.8 猴頭菇多糖純化的方法研究 對提取出的猴頭菇多糖采用凝膠色譜法分析,確定提取物主峰和雜峰的保留時間及分子量。根據(jù)猴頭菇多糖提取物中的干擾情況,采用多種方法純化,選擇最優(yōu)純化方式,具體操作如下:

1.2.8.1 乙醇分級沉淀大分子雜質(zhì) 采用30%、55%乙醇分級沉淀后,分析凝膠色譜圖。

1.2.8.2 Sevage法或三氯乙酸(TCA)除蛋白 取猴頭菇粗多糖提取物,用水配制兩份濃度為1%的樣品溶液,分別用三氯乙酸(TCA)法Sevage法沉淀蛋白,分析凝膠色譜圖。

1.2.8.3 透析法除小分子雜質(zhì) 取猴頭菇粗多糖提取物,用水配制成濃度為 1 %的樣品溶液,置于透析袋中透析 72 h,分析凝膠色譜圖。

1.2.8.4 堿性銅試劑沉淀法除雜質(zhì) 取適量猴頭菇粗多糖提取物加水5 mL溶解,加入2.5 mol/L NaOH 5 mL,銅應(yīng)用溶液5 mL,混勻在沸水浴中煮沸2 min,冷卻后以4000 r/min離心5 min,棄上清液,沉淀用銅洗滌液洗滌2次,加5 % HCl乙醇溶液5 mL混合,4000 r/min離心5 min,沉淀分析凝膠色譜圖。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有實驗進行3次重復(fù),取平均值并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差,采用Minitab? 17統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)。顯著性水平p<0.05為差異顯著,p<0.01為差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取單因素實驗結(jié)果與分析

2.1.1 浸提溫度對猴頭菇多糖得率的影響 如圖2所示,猴頭菇多糖得率隨浸提溫度增加而提高,浸提溫度為30、50、70 ℃時,得率有顯著提升,但溫度到70 ℃以后得率并無顯著增加,考慮繼續(xù)進行正交實驗。

圖2 浸提溫度對猴頭菇多糖得率的影響Fig.2 Influence of extracting temperature on Hericium erinaceus polysaccharide extraction rate注：圖2～圖5中相同字母代表示無顯著性差異(p<0.05)。

2.1.2 料液比對猴頭菇多糖得率的影響 如圖3所示,得率隨料液比增加而提高,當(dāng)料液為超過1∶10時,猴頭菇多糖得率顯著增加,但繼續(xù)增加料液比,得率并無顯著變化,選擇1∶10、1∶15、1∶20進行正交實驗。

圖3 料液比對猴頭菇多糖得率的影響Fig.3 Influence of solid-liquid ratios on Hericium erinaceus polysaccharide extraction rate

2.1.3 超聲功率對猴頭菇多糖得率的影響 如圖4所示,300～500 W超聲功率處理,猴頭菇多糖得率顯著增加,500 W達到最大的多糖得率。但繼續(xù)增加超聲功率,得率并無顯著變化,并且呈多糖得率有下降的趨勢,選擇300、400、500 W超聲功率進行正交實驗。

圖4 超聲功率對猴頭菇多糖得率的影響Fig.4 Influence of ultrasonic power on Hericium erinaceus polysaccharide extraction rate

2.1.4 超聲處理時間對猴頭菇多糖得率的影響 如圖5所示,當(dāng)超聲時間增加到15 min時,猴頭菇多糖得率顯著增加,但繼續(xù)增加超聲時間,得率并無顯著變化。綜合工藝條件考慮,選取15、20、25 min繼續(xù)做正交實驗以確定最佳的超聲時間。

圖5 超聲時間對猴頭菇多糖得率的影響Fig.5 Influence of ultrasonic time on Hericium erinaceus polysaccharide extraction rate

2.2 正交實驗結(jié)果與分析

由表2的正交實驗的結(jié)果可知,影響猴頭菇多糖得率的主次因素為:超聲時間﹥超聲功率﹥浸提溫度﹥料液比。最佳提取條件是A2B3C2D2,即料液比1∶15、超聲時間25 min、浸提溫度50 ℃,超聲頻率400 W。由表3方差分析數(shù)據(jù)顯示,超聲時間、超聲功率和浸提溫度對實驗結(jié)果影響顯著,料液比不顯著。

表2 多糖提取L9(34)正交實驗猴頭菇多糖得率結(jié)果

表3 猴頭菇多糖提取L9(34)正交實驗方差分析

對優(yōu)化條件進行驗證實驗,結(jié)果表明:優(yōu)化條件下猴頭菇多糖的得率為7.64%,高于正交實驗的非優(yōu)化組合。

2.3 多組罐逆流提取猴頭菇多糖方法研究結(jié)果與分析

根據(jù)正交實驗結(jié)果,選擇最優(yōu)條件進行提取。由表4可見,猴頭菇多糖得率隨組罐數(shù)增加有上升趨勢,但從工藝耗時、提取成本及產(chǎn)品微生物控制時限考慮,選擇3個組罐串聯(lián)提取比較合理。由表5可見,罐組式動態(tài)逆流提取工藝與現(xiàn)有技術(shù)中的靜態(tài)多功能提取罐為基礎(chǔ)的間歇型單罐提取工藝相比,猴頭菇多糖得率增加80%以上,溶劑使用量和耗能均減少40%以上。

表4 不同組罐數(shù)對猴頭菇得率及耗時的對比

表5 不同工藝提取猴頭菇多糖得率、溶劑及耗能對比

2.4 不同比例乙醇沉淀猴頭菇多糖實驗結(jié)果與分析

分別用70%、75%、80%的乙醇對多糖提取物進行沉淀處理,表6結(jié)果表明,75%乙醇沉淀出的多糖量最多,隨著乙醇比例的增大,多糖沉淀量量減少,同時粗多糖主峰的分子量降低,小分子部分雜質(zhì)增多。故選擇75%乙醇沉淀多糖,經(jīng)驗證實驗后,75%乙醇沉淀后多糖含量為66.48%。

表6 不同比例乙醇沉淀多糖的結(jié)果

2.5 猴頭菇多糖純化方法選擇分析與結(jié)果

2.5.1 分級沉淀除去大分子 對提取出的猴頭菇粗多糖采用凝膠色譜法分析,發(fā)現(xiàn)主峰分子量為3000～20000之間,雜峰較多,干擾較大;另在保留時間為6.8 min左右、分子量為50萬以上有一個較小的峰。從色譜圖中發(fā)現(xiàn),雜質(zhì)峰保留時間在6.8 min左右,多糖主峰的保留時間為11.4 min左右,兩峰干擾性弱。如圖6所示,33%、50%乙醇沉淀均能有效地將雜質(zhì)去除,因此可選擇先用33%乙醇沉淀除去大分子雜質(zhì),再用50%乙醇級沉淀多糖進行純化。

圖6 分級沉淀后猴頭菇多糖的GPC變化Fig.6 GPC change classification of Hericium erinaceus polysaccharide after precipitation

圖7 TCA法和Sevage 法脫蛋白后猴頭菇多糖的GPC變化Fig.7 The change of GPC of Hericium erinaceus polysaccharide after removing protein by TCA and Sevage method

2.5.2 去除蛋白和雜質(zhì)的方法比較 由圖7的GPC可見,用凝膠色譜法比較猴頭菇多糖脫蛋白前后多糖分子量分布基本未發(fā)生變。說明利用 TCA或Sevage法除蛋白對多糖的分子量分布影響均不大。

2.5.3 透析法除小分子雜質(zhì) 透析后樣品溶液顏色變淺。由圖8的GPC可見,經(jīng)透析后可以有效除去小分子雜質(zhì)峰,但多糖的分離效果無明顯改善。

圖8 透析法處理后的猴頭菇多糖色譜圖Fig.8 GPC of the dialysis treated Hericium erinaceus polysaccharide

2.5.4 堿性銅試劑沉淀法除雜質(zhì) 如圖9所示,結(jié)果表明效果良好,雜質(zhì)峰基本去除,多糖色譜峰形對稱,無干擾。

圖9 堿性銅試劑沉淀后的猴頭菇多糖色譜圖Fig.9 GPC of Hericium erinaceus polysaccharide precipitated by alkaline copper reagent

以上結(jié)果表明,去除雜質(zhì)的方法中,雖然TCA法和Sevage法可以有效地去除雜蛋白,透析也可以有效去除小分子雜質(zhì),但是對改善多糖的GPC圖譜效果不大,而選擇堿性銅試劑純化猴頭菇多糖粗提物,既能夠有效地去除雜質(zhì),有能夠有效地改善多糖的圖譜峰,有利于純化、收集和分離。

3 結(jié)論

采用3個串聯(lián)超聲輔助罐組式動態(tài)逆流提取猴頭菇多糖,最佳提取參數(shù)為料液比1∶15,50 ℃水浸泡提取2 h,然后室溫400 W超聲波震蕩提取25 min,每組管循環(huán)提取三次。此工藝的得率可達12.37%,獲得猴頭菇多糖含量達66.48%;濃縮后的猴頭菇多糖采用33%乙醇沉淀除去大分子雜質(zhì),再用50%乙醇級沉淀多糖最后在堿性銅試劑條件下沉淀純化,獲得高純度的猴頭菇多糖。

采用超聲輔助罐組式動態(tài)逆流超聲提取方法,在提取過程中,溶劑始終不會達到飽和狀態(tài),溶劑和物料存在相對運動,多糖浸出速度快,得率較傳統(tǒng)的單罐提取提高80%以上。同時,提取具有連續(xù)性,大大提高了生產(chǎn)效率,節(jié)約溶劑40%以上。但在工業(yè)化生產(chǎn)中仍存在一些缺陷,如需要反復(fù)添加和排出物料與浸出液等問題,在今后的研究中,將進一步對如何做得更加連續(xù)化進行探討。

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Research of extraction of polysaccharide fromHericiumerinaceuswith ultrasonic-assisted and multi-stage dynamic countercurrent method

ZHOU Dan-dan1,2,ZHOU Chun-hui2,HUANG Hui-hua1,*

(1.Department of Food Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China;.Guangdong Apollo Co.,Ltd.,Guangzhou 510665,China)

To determine the polymorphism of countercurrent extraction conditions based on the optimum extraction parameters of single tank Hericium polysaccharide with orthogonal experiment. To determine the optimum purification method through separating and identifying the interfering substance of hericium by the use of gel chromatography. The results showed that an extraction process was assembled by three tanks in continuous dynamic countercurrent mode andHericiumerinaceusmaterials were treated under the conditions of 1∶15 of solid-liquid ratio,and 50 ℃for 2 hours and then the extraction was enhanced by ultrasonic at 400 W for 25 minutes. The results showed that polysaccharide extraction rate reached about 13.37%. After 75% ethanol precipitation,the content of polysaccharide was 66.48%. Gel chromatography showed that using 33%,50% ethanol to pretreat crude extract ofHericiumerinaceuspolysaccharide combined with alkaline copper reagent could effectively purify product ofHericiumerinaceuspolysaccharide. Compared to the traditional method of single tank extraction,the extraction rate ofHericiumerinaceuspolysaccharide was increased by more than 50%,and extraction time and used solvent were decreased by about 30% and 40% respectively.

Hericiumerionaceuspolysaccharide;ultrasonic-assisted multi-stage dynamic countercurrent extraction;purification

2016-08-04

周丹丹(1983-)，女，工程碩士研究生，工程師，研究方向：保健食品、食品研究與開發(fā)，E-mail：haizi_lcj@126.com。

*通訊作者:黃惠華(1959-)，男，博士，教授，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與儲藏，食品科學(xué)與工程，天然活性產(chǎn)物的分離，食品生物技術(shù)，E-mail：401603106@qq.com。

廣東省科技計劃項目(2013B090600008)。

TS202.1

B

1002-0306(2017)05-0279-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.05.044