超聲波輔助提取香菇菌棒纖維素酶工藝優選研究

鄧曉宇，陳華，徐倩倩，劉苗苗

超聲波輔助提取香菇菌棒纖維素酶工藝優選研究

鄧曉宇，*陳華，徐倩倩，劉苗苗

（鞍山師范學院化學與生命科學學院，遼寧鞍山114007）

以遼寧鞍山產的香菇菌棒為原料，采用超聲波輔助提取纖維素酶，采用單因素試驗和正交試驗進行優化，確定最佳提取工藝條件為提取溫度50℃，超聲時間20min，超聲波振幅90%，料液比1∶50，超聲波法浸提液羧甲基纖維素酶酶活為7.25 IU/g，具有用時短、提取率高等優點。

超聲波；纖維素酶；香菇；菌棒

0 引言

鞍山地區大量種植食用菌，其中香菇產量較高，每年會產生大量的菌棒。菌棒中含有豐富營養，但大部分菌棒被丟棄在戶外，不僅造成食用菌生物資源的浪費，還引發害蟲和病菌的滋生，危害自然環境和人類的健康[1-2]。根據報道，香菇菌棒富含有纖維素酶，提取其中的纖維素酶并加以利用，不僅為香菇菌棒資源的綜合利用提供定量分析依據，同時對香菇廢棄物資源再利用有重要意義。試驗采用超聲波輔助提取香菇菌棒纖維素酶，優化最佳提取工藝條件，為香菇菌棒中纖維素酶規模化工業生產及利用，提供一定的理論基礎和技術依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

新鮮香菇（Lentinus edodes）菌棒（采收4茬后），由鞍山市寧遠屯鎮香菇種植農戶提供。香菇品種為沈陽937#，栽培基質為木屑、麥麩、石膏、豐菇素。隨機取30袋香菇菌棒，剝去菌袋，除掉菌渣表面的香菇，由拌料機處理30 min，使菌棒成分混合均勻。

1.2 試驗儀器及試劑

UV-1800型紫外可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司產品；KQ5200B型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產品；羧甲基纖維素鈉（CMCNa），Sigma公司產品。

0.1 mol/L乙酸-乙酸鈉緩沖溶液（pH值5.5）、1mg/mL葡萄糖標準溶液、1%羧甲基纖維素鈉溶液、3,5-二硝基水楊酸（DNS）溶液，其他試劑均為國產分析純。

1.3 試驗方法

1.3.1 纖維素酶提取

待測酶液的制備：采收4茬后香菇菌棒，去除菌棒四周腐爛降解部分，剩余部分經自然風干、攪拌、粉碎后備用。取適量菌糠加10倍蒸餾水，置于勻漿機中充分打碎，于40℃水浴中保溫45 min，經多層紗布過濾，濾液以轉速4 000 r/min離心20 min，得上層清液即為粗酶液。

1.3.2 單因素試驗

以羧甲基纖維素酶（CMC酶）酶活為測定指標，在提取溫度50℃，料液比1∶50，超聲時間25min，超聲波振幅分別為60%，70%，80%，90%，100%的條件下測定酶活；在提取溫度50℃，料液比1∶50，超聲波振幅90%，超聲時間分別為10，15，20，25，30，35 min的條件下測定酶活；在提取溫度50℃，超聲波振幅90%，超聲時間25 min，料液比分別為1∶20，1∶30，1∶40，1∶50，1∶60的條件下測定酶活；在料液比1∶50，超聲時間25 min，超聲波振幅90%，提取溫度分別為40，45，50，55，60，65℃的條件下測定酶活。各條件均做3次平行試驗，計算平均酶活。

1.3.3 正交試驗設計

在單因素試驗條件下，以羧甲基纖維素酶活為考查指標，對單因素中超聲波振幅、提取溫度、超聲時間和料液比進行四因素三水平L9（34）的正交試驗設計，測定羧甲基纖維素酶酶活，經統計分析得出最佳提取條件。

1.3.4 羧甲基纖維素酶酶活測定

（1）葡萄糖標準曲線的確定。分別取1mg/mL葡萄糖標準液0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.6，0.8，1.0mL于8支具塞試管中，用蒸餾水調至1 mL，然后向各試管中加入1.5mL 3,5-二硝基水楊酸溶液，搖勻后沸水浴5 min，取出冷卻后用蒸餾水定容至10 mL，充分混勻。于波長540 nm處測定OD值并記錄結果，以葡萄糖質量濃度為橫坐標、對應的吸光度為縱坐標，繪制葡萄糖標準曲線。

（2）羧甲基纖維素酶酶活測定。將酶液與底物分別于40℃水浴中預熱，然后取0.5 mL酶液加入2.0 mL底物溶液中，混勻，置于40℃條件下反應30 min，加2.5mL 3,5-二硝基水楊酸溶液，沸水浴中5 min后，立即用自來水冷卻。另做1個空白管，以0.5 mL水代替酶液，其他操作相同，在分光光度計上測出于波長540 nm處的吸光度，對照葡萄糖標準曲線，求出酶活。

（3）酶活單位的定義。羧甲基纖維素酶酶活（CMC酶酶活）指1 g香菇菌棒（干質量）在50℃，pH值5.5，1 min內水解纖維素生成1μmol葡萄糖酶的用量設為1個酶活單位，用IU/g表示。

式中：5.56——1mg葡萄糖的μmol數（1 000/180= 5.56）。

1.3.5 驗證試驗

采用正交試驗設計得出最佳提取工藝條件后進行驗證試驗，測定羧甲基纖維素酶酶活。

2 結果與分析

2.1 葡萄糖標準曲線的結果

已知葡萄糖質量濃度為0~0.1 mg/mL，于波長540 nm處測吸光度時，吸光度Y與葡萄糖質量濃度X之間呈現良好的線性關系，可利用標準曲線法對葡萄糖含量進行定量分析。以空白溶液作對照，繪制葡萄糖標準曲線，得線性回歸直線方程Y=36.722X+ 0.005 64，相關系數R2=0.999 7。

葡萄糖的標準曲線見圖1。

圖1 葡萄糖的標準曲線

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 超聲波振幅對羧甲基纖維素酶活的影響

超聲波振幅對羧甲基纖維素酶酶活的影響見圖2。

圖2 超聲波振幅對羧甲基纖維素酶酶活的影響

超聲波振幅在60%~100%時，隨著超聲波振幅增大，超聲波破碎菌棒中菌絲細胞壁的作用加快，適于纖維素酶快速溶出。當超聲波振幅為100%時，CMC酶酶活反而有些下降。在劇烈振蕩過程中，可能部分破壞了纖維素酶結構，使提取量減少。

2.2.2 超聲時間對羧甲基纖維素酶酶活的影響

超聲時間對羧甲基纖維素酶酶活的影響見圖3。

隨著超聲時間增長，菌絲細胞壁破碎程度加劇，溶出的酶量增多，羧甲基纖維素酶酶活增加。當超聲時間超過20 min時，酶活下降，原因可能是超聲時間增長，其他雜質也相繼溶出，降低羧甲基纖維素酶酶活；也可能由于超聲波剪切作用增強，導致酶分子結構遭到破壞。

2.2.3 提取溫度對羧甲基纖維素酶酶活的影響

圖3 超聲時間對羧甲基纖維素酶酶活的影響

提取溫度對羧甲基纖維素酶酶活的影響見圖4。

圖4 提取溫度對羧甲基纖維素酶酶活的影響

隨著提取溫度升高，分子運動加劇，羧甲基纖維素酶溶出量增多，酶活增加。當提取溫度超過50℃時，羧甲基纖維素酶酶活緩慢下降，可能是提取溫度過高，導致其他雜質溶出較多，降低了羧甲基纖維素酶酶活。提取溫度過高會影響酶結構的穩定性，降低酶的活性，對工業生產設備也會有更高的要求。

2.2.4 料液比對羧甲基纖維素酶酶活的影響

料液比對羧甲基纖維素酶酶活的影響見圖5。

圖5 料液比對羧甲基纖維素酶酶活的影響

料液比1∶50的提取效果最好。提取液越多，濃度差越大，擴散推動力越大，越有利于纖維素酶溶出，羧甲基纖維素酶酶活出現增加的趨勢。當料液比1∶60時，提取液過量，消耗更多的時間和能量，阻礙超聲波破碎細胞，其他的物質相繼溶出，酶的濃度下降，導致酶活降低。

2.3 正交試驗設計及結果分析

以羧甲基纖維素酶酶活為考核指標，對超聲波振幅、超聲時間、提取溫度及料液比等單因素條件進行L9（34）正交試驗設計，對試驗結果進行極差和方差分析。結果表明，影響羧甲基纖維素酶酶活提取條件的主次因素為提取溫度>超聲波振幅>料液比>超聲時間。從節約能源和時間等多方面因素綜合考慮，超聲波提取香菇菌棒纖維素酶的最佳條件為超聲波振幅90%，超聲時間20 min，料液比1∶50，提取溫度50℃。

正交試驗及結果分析見表1，方差分析見表2。

表1 正交試驗及結果分析

表2 方差分析

2.4 驗證試驗

在最佳工藝條件下，測定纖維素酶活平均值為7.25 IU/g，優于其他試驗條件下酶活。

3 結論與討論

超聲波輔助提取香菇菌棒中纖維素酶最適工藝條件為提取溫度50℃，超聲波振幅90%，料液比1∶50，超聲時間20min。影響浸提的主次順序為提取溫度>超聲波振幅>料液比>超聲時間，測定纖維素酶活平均值為7.25 IU/g。超聲波提取法具有提取率高、利于細胞破壁、用時短等優點，適于企業工廠化、規模化大量生產使用，試驗也為香菇菌棒中的纖維素酶規模化生產及應用提供了一定的參考依據。

[1]劉瑩瑩，張堅，王紅兵，等．菌棒酶提取與制備方法研究[J]．湖南農業科學，2010（1）：88－89，92．

[2]張國慶，董曉芳，王賀祥，等.8種食用菌菌渣中3種飼用酶活性的測定[J].中國食用菌，2009，28（5）：28-29.◇

Optimization of Ultrasonic-assisted Extracting Conditions of Cellulase from Lentinus Edodes Residue

DENG Xiaoyu，*CHEN Hua，XUQianqian，LIUMiaomiao
（School of Chemistry and Life Science，Anshan NormalUniversity，Anshan，Liaoning 114007，China）

Single factor and orthogonal experiments are employed to optimize the extracting conditions of crude cellulase from residue of Lentinus edodes by ultrasonic wavemethod.Results show that the optimal conditions are as follows：extracting temperatolre is 50℃，extracting time is 20min，ultrasonic wave amplitude is 90%，material-liquid ratio is 1∶50.In comparative experiments on extracting crude cellulase，CMC ase activity of extractapplied ultrasonic wavemethod are 7.25 IU/g.This method is superiorwith short time and high extraction.

ultrasonic wave；cellulase；Lentinus edodes；residue

TS209

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.04.012

1671-9646（2017）04a-0036-03

2017-04-01

鞍山市科學技術局項目（2013SY16）；鞍山師范學院教師科研立項課題（13KYXM32）；鞍山師范學院大學生創新創業訓練計劃資助項目（201410169037）。

鄧曉宇（1993—），女，本科，研究方向為食品生物化學分析。

*通訊作者：陳華（1978—），女，碩士，講師，研究方向為食品生物化學分析。