菊芋多糖多模式超聲輔助提取技術

陸敏，馬海樂*，洪晨

江蘇大學食品與生物工程學院（鎮江 212013）

菊芋是菊科向日葵屬中能形成地下塊莖的栽培植物，俗稱洋姜、鬼子姜。菊芋塊莖含有豐富的多糖，其含量為菊芋濕質量的15%～18%，干質量的55%～80%，又稱為菊糖或菊粉[1]。菊芋多糖是由呋喃構型的D-果糖經β-(2, 1)糖苷鍵脫水聚合而形成的果聚糖混合物，其還原端接一葡萄糖基，呈直鏈結構，聚合度一般在2～60之間，分子量為3 500～5 500 Da[2]。菊芋多糖具有優良的保健功能，如降血糖、降血脂、調節腸胃功能、促進鈣吸收等，已被FDA批準引入美國市場，并被廣泛應用于食品工業中[3]。

目前，工業提取菊芋多糖主要采用熱水浸提法，但存在一定的能耗高、效率低等缺點，而超聲波已被廣泛應用于天然成分的輔助提取，能克服傳統工業方法存在的不足。近年來，開展了一些關于超聲波輔助提取菊芋多糖的研究，但還比較初步。黃亮等[4]使用KQ-50B型超聲波器提取菊芋多糖，提取溫度較高（90 ℃）、提取時間較長（30 min），并沒有對功率和頻率進行篩選；羅登林等[5]使用超聲提取機對菊芋多糖進行提取，但未對頻率進行篩選，功率也較大；張澤生等[6]使用超聲波清洗機進行菊芋多糖的提取，設備工作模式單一，無法在優化超聲工作模式的基礎上進一步進行超聲參數的選擇，不能完全發揮超聲波本身的作用效果，所以難以達到最佳的提取效果。

此次試驗使用自主研發的六頻狹縫式和五頻柱狀逆流發散式超聲波設備提取菊芋多糖。2種設備具有多種頻率組合，能產生范圍更寬的頻率譜，工作模式有利于提高提取液與超聲波的接觸頻次。六頻狹縫式超聲波設備屬于對置發散式超聲，聲波抵達邊界發生漫反射，能有效減弱駐波效應，使聲場分布更加均勻。五頻柱狀逆流發散式超聲波屬于逆流發散式超聲，由于底部不同的幾何形狀，能在多個頻率組合下發生共振，超聲空化效率更高。為充分利用菊芋原料，實現價值最大化的目的，以菊芋為原料，對超聲輔助提取工作模式及其參數進行優化，以期得到最優工藝參數，為菊芋多糖的超聲提取的工業化生產提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 原料

菊芋干片（江蘇徐州康芝源有限公司）。

1.2 主要儀器設備

六頻狹縫式超聲波設備、五頻柱狀逆流發散式超聲設備（自主研發，見圖1和圖2）；BS 124 S型電子天平（賽多利斯科學儀器有限公司）；HH-S 2數顯恒溫水浴鍋（金壇市醫療儀器廠）；BT 600 S型蠕動泵（保定雷弗流體科技有限公司）；T6新世紀紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；DFT-100 A手提式高速萬能粉碎機（浙江溫嶺市林大機械有限公司）；LD 5-2 A離心機（北京醫用離心機廠）。

圖1 六頻狹縫式超聲波設備圖

圖2 五頻柱狀逆流發散式超聲設備

1.3 試驗方法

1.3.1 菊芋多糖的提取工藝

菊芋干片烘干（55 ℃烘箱處理48 h），粉碎后過60目篩。向菊芋粉加一定比例的水，進行超聲處理，料液經離心機以4 000 r/min離心15 min，上清液抽濾得到超聲粗提液。同時利用菊芋粉的熱水浸提液作對照，將菊芋粉與水按同比例混合，恒溫水浴加熱，處理條件與超聲處理相同。

1.3.2 分析方法

總糖含量測定，采用苯酚硫酸法[7]，以果糖溶液繪制標準曲線。還原糖的測定方法，采用3, 5-二硝基水楊酸法（DNS）法[8]，以果糖溶液繪制標準曲線。

以粗提液為樣品進行菊芋多糖提取率計算，如式（1）所示。

式中：Y表示菊芋多糖提取率，%；C1表示待測液中總糖質量濃度，mg/mL；C2表示待測液中還原糖質量濃度，mg/mL；N表示稀釋倍數；V表示樣液體積，mL；m表示菊芋粉質量，mg。

1.3.3 超聲模式的篩選

試驗主要對六頻狹縫式超聲波設備和五頻柱狀逆流發散式超聲設備進行模式的篩選，其工作模式如表1和表2所示。

稱取一定質量的菊芋粉，按料液比1︰15（g/mL）配制懸濁液，在維持單位體積超聲功率100 W/L、超聲時間15 min、超聲溫度45 ℃條件下進行超聲處理，以菊芋多糖提取率為指標，篩選出最優的超聲工作模式。

表1 六頻狹縫式超聲工作模式

表2 五頻柱狀逆流發散式超聲設備

1.3.4 單因素試驗

在最優的超聲模式條件下，分別以超聲功率密度、料液比、超聲時間和超聲溫度為單因素進行逐步優化試驗，考察各因素對其提取效果的影響。

1.3.4.1 超聲功率密度

在料液比1︰15（g/mL）、超聲時間15 min和超聲溫度45 ℃條件下，考察超聲功率密度（80，90，100，110和120 W/L）對菊芋多糖提取效果的影響。

1.3.4.2 料液比

在超聲功率密度100 W/L、料液比1︰15（g/mL）、超聲時間15 min和超聲溫度45 ℃條件下，考察料液比（1︰5，1︰10，1︰15，1︰20和1︰25 g/mL）對菊芋多糖提取效果的影響。

1.3.4.3 超聲時間

在超聲功率密度100 W/L、料液比1︰15（g/mL）、超聲溫度45 ℃條件下，考察超聲時間（5，10，15，20和25 min）對菊芋多糖提取效果的影響。

1.3.4.4 超聲溫度

在超聲功率密度100 W/L、料液比1︰15（g/mL）、超聲時間15 min條件下，考察超聲溫度（35，40，45，50和55 ℃）對菊芋多糖提取效果的影響。

1.3.5 正交試驗

在單因素試驗基礎上，以超聲功率密度、料液比、超聲時間、超聲溫度為因素進行四因素三水平正交試驗設計，以多糖提取率為指標，考察各因素對其提取效果的影響。正交試驗設計見表3。

表3 正交試驗設計表L9(34)

1.3.6 數據處理

數據處理采用ORIGIN 9.1進行繪圖和擬合，SPSS 19.0進行顯著性分析，數據用3次測定的平均值和標準誤差的形式表示，重復試驗3次。

2 結果與討論

2.1 六頻狹縫式超聲設備工作模式的篩選

從圖3～圖5中可以看出，將六頻狹縫式超聲設備應用于菊芋多糖的提取，所有頻率超聲預處理與對照組相比均可以顯著提高菊芋多糖的含量（p＜0.05）。其中，單頻28 kHz的提取效果最顯著（p＜0.05），Y值為62.54%，其他頻率未顯著提高（p＞0.05）；雙頻中28/33 kHz超聲頻率組合的提取效果最顯著（p＜0.05），Y值為63.26%；三頻組合28/33/40 kHz效果最佳，菊芋多糖提取率值為61.77%。可能是不同頻率下的超聲波的空化效應強弱不同，多頻率超聲作用時，不同波之間存在交互影響。試驗中28/33 kHz雙頻組合對多糖的提取率最好，這與王珂等[13]的結論類似，這是因為28/33 kHz雙頻組合對原料菊芋的處理具有協同作用，雙頻超聲組合輻射提供一個更寬的頻譜作用范圍，對聲化學反應產頻的提高具有明顯的增強效應，故雙頻超聲同時輻射的合效應均大于各頻率超聲單獨輻射效應之和[9-10]。但是三頻28/33/40 kHz工作模式作用效果差于單頻、雙頻模式工作，所以并不是超聲頻率組合越多越好。有研究表明當功率密度一定時，液體空化效應隨著頻率的增加而降低[11]，同時能量衰減加快[12]，從而影響對原料處理的效果。

2.2 五頻柱狀逆流發散式超聲設備工作模式的篩選

分別試驗五頻柱狀逆流發散式超聲設備中的單頻、雙頻和三頻超聲處理對菊芋多糖提取效果的影響，試驗結果如圖6和圖7所示。從圖6可知，五頻柱狀逆流發散式超聲設備的4種單頻模式作用于菊芋原料，對菊芋多糖提取率效果顯著高于對照組，其中28 kHz超聲頻率的效果最明顯（p＜0.05），Y值可達62.30%。這與六頻狹縫式超聲設備的結論一致，表明28 kHz頻率下產生的空化作用最有利于菊芋多糖的溶出。由圖7可知，五頻柱狀逆流發散式超聲設備雙頻模式、三頻模式作用于菊芋原料，其中28/35 kHz超聲頻率可顯著提高菊芋多糖含量（p＜0.05），此時Y值可達63.73%，優于單頻28 kHz和35 kHz單獨工作，且與三頻工作模式有顯著性差異（p＜0.05），比對照組提高了19.60%。

圖3 單頻對菊芋多糖提取效果的影響

圖4 雙頻對菊芋多糖提取效果的影響

圖5 三頻對菊芋多糖提取效果的影響

圖6 單頻對菊芋多糖提取效果的影響

圖7 雙頻、三頻對菊芋多糖提取效果的影響

五頻柱狀逆流發散式超聲設備與六頻狹縫式超聲設備相比，由于六頻狹縫式超聲設備超聲處理腔體結構的設計，在處理物料時最后流出階段容易造成物料殘留，會對后續多糖得率有影響。另外，五頻柱狀逆流發散式超聲設備最佳超聲模式組合提取率高于六頻狹縫式超聲設備。綜上，超聲工作模式確定為五頻柱狀逆流發散式超聲28/35 kHz頻率組合，后續試驗在此模式下進行。

由圖8可知，當超聲功率密度為80～110 W/L時，隨著超聲功率密度的增加，菊芋多糖提取率上升；110 W/L時提取率最高，為65.14%。但當超聲功率密度為120 W/L時，多糖含量在下降。其原因可能是功率越大，超聲聲強越大，空化效應產生的能量越大，對細胞壁的破碎能力增大，從而釋放出多糖。但是產生功率過大，會導致空化氣泡沒有足夠時間潰陷，從而空化作用降低，影響多糖含量的提取[14-15]。羅登林等[5]采用恒溫超聲提取機進行菊芋多糖的提取，得出功率密度不是越大越好，適當的功率密度可提高足夠能量使多糖溶出的結論。因此，超聲功率密度選取110 W/L為宜。

圖8 超聲功率密度對菊芋多糖提取效果的影響

由圖9可知，當料液比為1︰20（g/mL）時，多糖提取率最高。當料液比再增大時，多糖含量有一定程度的降低。原因可能是料液比越大，提取劑與物料之間的接觸越充分，在超聲波空化作用于物料的情況下，可以增加菊芋顆粒細胞內多糖的溶出量。但是當料液比為1︰25（g/mL）時，多糖的溶出量降低，可能是由于過多的提取劑增加了其它雜質的溶出而抑制了多糖的提取[16]。所以適當的提取劑和超聲空化作用于菊芋顆粒，可提高多糖的溶出量。綜合考慮，料液比選擇1︰20（g/mL）為宜。

圖9 料液比對菊芋多糖提取效果的影響

由圖10可知，隨著時間的延長，菊芋多糖提取率先增后降，在20 min時達到66.00%。這可能是適當地延長超聲時間有利于超聲空化作用的產生，使得多糖從溶劑中析出，而隨著時間延長，長時間的空化作用使得多糖鏈在高溫長時間條件下遭受破壞，從而影響多糖的提出率。另外，時間的延長也可能促進細胞間果膠雜質過多滲透到提取液中，影響多糖含量的測定[17]。因此，超聲時間選擇20 min為宜。

圖10 超聲時間對菊芋多糖提取效果的影響

由圖11可知，隨著溫度的升高，菊芋多糖含量在增加。50 ℃時，菊芋多糖提取率達到最大。原因可能是溫度升高，料液的黏度降低，物料細胞壁變得疏松，因而更容易被超聲的空化作用所擊破，使得多糖溶出，且溫度升高，更容易加快細胞內容物的擴散速率[18]。由于55 ℃時的多糖提取率與50 ℃時不存在顯著性差異，綜合考慮超聲效果和能耗，超聲溫度選擇50 ℃為宜。

2.3 超聲波輔助提取菊芋多糖的正交試驗結果

從表4可以看出，各因素對菊芋多糖提取效果影響的大小次序為A＞C＞D＞B，即超聲功率對菊芋多糖提取效果影響最大，其次是超聲時間、超聲溫度和料液比。最優超聲組合為A2B1C2D3，因此，應用五頻柱狀逆流發散式超聲設備對其菊芋原料進行處理，在頻率28/35 kHz、超聲功率110 W/L、料液比1︰15（g/mL）、超聲時間20 min和超聲溫度55 ℃條件下菊芋多糖提取率最高，為67.55%。

采用傳統的熱水浸提法直接從菊芋干粉中提取菊芋多糖作為對照，其工藝條件如1.3.1小節所示。結果顯示，多糖提取率為49.24%，低于超聲波輔助熱水浸提法的18.31%。

圖11 超聲溫度對菊芋多糖提取效果的影響

表4 正交試驗結果

3 結論

超聲波工作模式為28/35 kHz（五頻柱狀逆流發散式超聲設備），能顯著提高菊芋多糖含量。其最佳超聲參數為：超聲功率密度110 W/L、料液比1︰15（g/mL）、超聲時間20 min、超聲溫度55 ℃。此時菊芋多糖提取率達到67.55%。因此，五頻柱狀逆流發散式超聲設備提取菊芋多糖效果好，超聲功率密度低、時間短、溫度低，為新技術的工業化提供理論基礎。