基于響應面優化的超聲波輔助提取香菇多糖工藝研究*

張沙沙，羅曉莉，何 容，張微思

（中華全國供銷合作總社昆明食用菌研究所，云南 昆明 650223）

香菇（Lentinus edodes），屬于擔子菌綱（Eubasidiomycetes）傘菌目（Agaricales）白蘑科（Trieholomataceae） 香菇屬（Lentinus）[1]，營養豐富，味道鮮美，具有很高的營養價值，享有“菇中之王”等美譽[2]；而且其中含有的香菇多糖具有抗氧化[3]、抗腫瘤[4]、抗病毒[5]、抗輻射[6]等多種藥理活性，因此香菇具有營養、保健等多重功效。

多糖的提取方法有多種，如超聲波輔助提取法、酸堿浸提法、微波輔助提取法、超臨界流體萃取技術、熱水浸提法、酶提輔助提取法等[7-8]，其中熱水浸提法使用最為廣泛，但熱水浸提法、酸堿浸提法等存在耗時久、得率不高等問題[9]。超聲波法提取食用菌多糖是利用超聲波的高頻振蕩、機械剪切效應和空化效應，通過強化固體微粒向液體傳質，促進提取劑向固-液界面擴散，空化作用可破壞食用菌細胞膜等結構，增加細胞內容物穿過細胞膜的能力，提高有效成分析出速度，即可提高多糖得率，縮短提取時間[8]。因此，選擇超聲波輔助熱水浸提法提取香菇多糖，以獲得較高香菇多糖含量。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

干香菇，云南云菌科技（集團）有限公司提供；濃硫酸、苯酚、葡萄糖、三氯乙酸、氫氧化鈉、鹽酸等為分析純，購于天津市祥瑞鑫化工有限公司。

超聲波清洗機，蘇州德瑞姆超聲科技有限公司；恒溫水浴鍋，江蘇金壇市億通電子有限公司；大容量冷凍離心機，上海安亭科學儀器廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 香菇多糖提取工藝流程

香菇多糖提取工藝流程為對干香菇進行挑選→粉碎成粉→稱重→溶解→超聲輔助提取→熱水浸提→離心→香菇多糖溶液。

1.2.2 總糖測定方法

采用硫酸-苯酚法[10]進行香菇總糖測定。

1.2.3 單因素試驗

1） 超聲提取時間對香菇多糖含量的影響

取香菇粉15 g，水450 mL（料液比1∶30），置于錐形瓶中，攪拌均勻直至完全溶解，置于超聲清洗機中（溫度為70℃，時間為15 min、20 min、25 min、30 min、35 min，功率200 W），取出后放入90℃恒溫水浴鍋中熱水浸提2 h，冷卻后轉速4 000 r·min-1離心10 min，后取上清液測定香菇多糖含量。

2） 超聲提取溫度對香菇多糖含量的影響

取香菇粉15 g，水450 mL（料液比1∶30），置于錐形瓶中，攪拌均勻直至完全溶解，置于超聲清洗機中（溫度為40℃、50℃、60℃、70℃、80℃，超聲提取時間為20 min，超聲功率為200 W），取出后放入90℃恒溫水浴鍋熱水浸提2 h，冷卻后轉速4 000 r·min-1離心10 min，后取上清液測定香菇多糖含量。

3） 超聲功率提取對香菇多糖含量的影響

取香菇粉15 g，水450 mL（料液比1∶30），置于錐形瓶中，攪拌均勻直至完全溶解，置于超聲清洗機中（溫度為70℃，時間為20 min，功率100 W、150 W、200 W、250 W、300 W），取出后放入90℃恒溫水浴鍋中熱水浸提2 h，冷卻后轉速為4 000 r·min-1離心10 min，后取上清液測定香菇多糖含量。

4） 熱水浸提溫度對香菇多糖含量的影響

取香菇粉15 g，水450 mL（料液比1∶30），置于錐形瓶中，攪拌均勻直至完全溶解，置于超聲清洗機中（溫度為70℃，時間為20 min，功率200 W），取出后放入恒溫水浴鍋中熱水浸提（溫度為75℃、80℃、85℃、90℃、95℃，時間為 2 h），冷卻后轉速為4 000 r·min-1離心10 min，后取上清液測定香菇多糖含量。

5） 熱水浸提時間對香菇多糖含量的影響

取香菇粉15 g，水450 mL（料液比1∶30），置于錐形瓶中，攪拌均勻直至完全溶解，置于超聲清洗機中（溫度為70℃，時間為20 min，功率200 W），取出后放入恒溫水浴鍋中熱水浸提（溫度為90℃，時間為 1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h），冷卻后4 000 r·min-1離心10 min，后取上清液測定香菇多糖含量。

1.2.4 響應面試驗設計

采用Design-Expert 8.0.5.0軟件進行3因素（超聲功率、超聲溫度、熱水浸提溫度） 3水平試驗，以香菇多糖含量為響應值進行響應面分析。

1.2.5 數據統計與分析

采用Design-Expert 8.0.5.0和WPS處理試驗數據，數值均為3次平行試驗所取平均值。

2 結果分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 超聲提取時間對香菇多糖提取效果影響

超聲提取時間對香菇多糖提取效果的影響見圖1。

由圖1所示，超聲提取時間對香菇多糖提取效果影響不明顯，超聲提取時間超過20 min后，多糖含量未有明顯增加，因此選擇超聲提取時間為20 min，不再進行優化試驗。

2.1.2 超聲提取溫度對香菇多糖提取效果的影響

超聲提取溫度對香菇多糖提取效果影響見圖2。

由圖2所示，超聲提取溫度對香菇多糖的提取影響較為明顯，隨著超聲提取溫度升高，多糖含量逐漸上升，在超聲提取溫度為70℃時多糖含量為最大值，隨后開始下降，即超聲提取溫度在70℃左右時，香菇多糖的提取效果較好。這可能與香菇多糖的溶出溫度及其結構特征相關，70℃比較適合香菇多糖從細胞中溶出，溫度超過70℃又會破壞多糖結構，加速多糖的降解，導致多糖含量降低。因此，選取超聲提取溫度65℃、70℃、85℃進行響應面優化。

2.1.3 超聲提取功率對香菇多糖提取效果的影響

超聲提取功率對香菇多糖提取效果的影響見圖3。

由圖3所示，超聲提取功率對香菇多糖含量的影響較明顯，隨著超聲提取功率的增大，香菇多糖含量先上升后下降，在超聲提取功率為200 W時取得最大值，即超聲提取功率在200 W左右時，香菇多糖含量較高。這可能與超聲提取功率破壞細胞結構使香菇多糖析出，但是超聲提取功率過高會破壞多糖結構，使多糖降解等原因有關。因此，選取超聲提取功率150 W、200 W、250 W進行響應面優化。

2.1.4 熱水浸提溫度對香菇多糖提取效果的影響

熱水浸提溫度對香菇多糖提取效果的影響見圖4。

由圖4所示，熱水浸提溫度對香菇多糖含量影響較明顯，呈先上升后下降的趨勢，在80℃香菇多糖含量達到最大值，即熱水浸提溫度在80℃左右時，香菇多糖含量較高。這可能與熱水浸提溫度低，香菇多糖析出不多，而熱水浸提溫度過高，香菇多糖開始裂解，香菇多糖含量降低等因素有關[11]。因此，選取熱水浸提溫度75℃、80℃、85℃進行響應面優化。

2.1.5 熱水浸提時間對香菇多糖提取效果的影響

熱水浸提時間對香菇多糖提取效果的影響見圖5。

由圖5可以看出，熱水浸提時間對香菇多糖含量的影響不明顯，考慮到能耗問題，固定熱水浸提時間為1 h，不再進行優化。

2.2 響應面試驗結果及分析

2.2.1 響應面試驗結果

在單因素試驗結果的基礎上，對超聲提取功率、超聲提取溫度、熱水浸提溫度進行3因素3水平Box-Behnken中心組合試驗設計，響應值為香菇多糖含量，進行17組試驗，結果如表1所示。

表1 Box-Behnken響應面試驗設計方案及結果Tab.1 Box-Behnken response surface design scheme and results

從表1可以看出，當超聲提取功率200 W、超聲提取溫度70℃、熱水浸提溫度80℃時，香菇多糖含量最高，為0.661 g·100-1g-1，應將此區域作為最佳響應區域。

2.2.2 香菇多糖含量響應面分析

利用Design Expert 8.0.5.0軟件，對表1中的數據進行回歸方程擬合，建立香菇多糖（Y）回歸方程模型，并對香菇多糖含量進行方差分析，結果見表2。

由表2所示，模型F=21.87，P=0.000 3，說明該模型顯著。另外 A2、B2、C2，說明 A2、B2、C2對香菇多糖的提取影響較顯著。通過分析其變異系數，發現標準偏差為0.028，均值為0.52，變異系數為5.52，預測殘差平方和為0.088，決定系數R2=0.965 7，說明該模型擬合程度好，校正決定系數為0.921 5，預測決定系數為0.468 6，且信噪比值為12.65，說明該回歸方程適合用于香菇多糖含量預測和分析。

2.2.3 交互因子效應分析

按照所得回歸方程，利用軟件得到交互因子響應面圖及等高線圖，見圖6～圖8。提取參數的變化對香菇多糖含量的影響表現為響應面的坡度陡峭或平緩、等高線的密集與稀疏稀疏，響應面的坡度越陡峭或者等高線越密集，表示參數變化對香菇多糖含量影響越大，同時等高線的形狀也反映了兩因素交互作用的強弱，圓形則表示較弱，橢圓表示兩因素的交互作用較強[12]。

1）超聲提取功率和超聲提取溫度對香菇多糖含量的影響

超聲提取功率和超聲提取溫度對香菇多糖含量的影響見圖6。

由響應面和等高線圖6所示，固定浸提溫度不變，香菇多糖含量隨著超聲提取功率和超聲提取溫度的升高呈先升高后下降的趨勢；超聲提取溫度對香菇多糖含量的影響大于超聲提取功率。

2） 超聲提取功率和熱水浸提溫度對多糖含量影響

超聲提取功率和熱水浸提溫度對香菇多糖含量的影響見圖7。

由圖7所示，固定超聲提取時間，香菇多糖含量隨著超聲提取功率和熱水浸提溫度的升高呈先升高后下降的趨勢；熱水浸提溫度對香菇多糖含量的影響大于超聲提取功率。

3） 超聲提取溫度和熱水浸提溫度對多糖含量影響

超聲提取溫度和熱水浸提溫度對香菇多糖含量的影響見圖8。

由圖8所示，固定超聲提取功率，香菇多糖含量隨著超聲提取溫度和熱水浸提溫度的升高，呈先上升后下降的趨勢，熱水浸提溫度對香菇多糖含量的影響大于超聲提取功率。

2.2.4 最佳提取工藝驗證

利用Design-Expert 8.0.5.0軟件分析試驗數據，確定最佳提取條件為超聲功率199.24 W、超聲提取溫度70.34℃、熱水浸提溫度79.00℃，料液比1∶30，超聲提取時間20 min，熱水浸提時間1 h，在此條件下香菇含量為0.655 g·100-1g-1。結合實際情況，調整試驗最佳提取條件為超聲功率200 W、超聲提取溫度70℃、熱水浸提溫度為79℃，在此條件下進行3次平行試驗，香菇多糖含量為0.650 g·100-1g-1，與模型的預測值差值僅為0.005 g·100-1g-1，說明吻合性很好，誤差小，說明模型可行。

3 結論

以香菇多糖含量為指標，利用單因素試驗、Box-Behnken試驗設計及響應面分析方法，對香菇多糖提取工藝進行優化，結合實際情況，獲得了最佳提取工藝參數為超聲功率200 W、超聲提取溫度70℃、熱水浸提溫度79℃，料液比1∶30，超聲提取時間20 min，熱水浸提時間1 h。在此條件下，香菇多糖含量為0.650 g·100-1g-1，該結果與建立模型的預測值0.655 g·100-1g-1基本相符，后續將對香菇多糖的應用開展深入研究。