微波辅助提取雪莲果中低聚果糖的工艺优化

邓加聪，徐慧诠，郑虹，张文森，倪丽丹（福建师范大学福清分校生物与化学工程系，福建福清350300）



微波辅助提取雪莲果中低聚果糖的工艺优化

邓加聪，徐慧诠，郑虹，张文森，倪丽丹
（福建师范大学福清分校生物与化学工程系，福建福清350300）

摘要：雪莲果作为试验材料，利用微波辅助提取法对雪莲果中的低聚果糖进行提取。在单因素试验结果的基础上，采用正交试验设计，对雪莲果中低聚果糖的提取工艺进行优化，获得其最佳的提取工艺参数为微波时间180 s，微波功率700 W，提取温度90℃，提取时间80min，液料比40∶1（mL/g）。在此条件下，微波辅助提取低聚果糖的提取率为51.33 %，比未优化前38.56%的提取率提高了0.33倍。

关键词：雪莲果；低聚果糖；微波辅助提取

雪莲果原产于南美洲委内瑞拉的一种多年生草本植物[1]，雪莲果全身是宝，植株本身可以是饲料的原料，叶片与花瓣可以用来泡茶，果实的营养价值较高，不仅可以生吃、配菜，还可以加工成果脯、果酱、饮料等[2-3]。雪莲果能够清凉退火、清热解毒，具有降低血压血脂、美容养颜的功效[4]。

低聚果糖是一种很难被人体所消化的水溶性膳食纤维，能够调理胃肠道功能、促进消化，低聚果糖还具有清热降火、润肠通便、防治痘痘、提高人体免疫力等多种功效，广泛应用于食品、保健品等行业。此外，低聚果糖可部分代替抗生素，它在饲料、医药、植保等方面均有较好的发展前景，将成为一种“绿色”的饲料添加剂[5-7]。

目前在工业大批量生产中，低聚果糖主要是利用酶法进行生产，但是这种方法消耗大，成本较高，因此从低聚果糖含量较高的植物中直接提取成为一种趋势。雪莲果是低聚果糖含量最高的植物[8-9]。雪莲果中低聚果糖的提取方法主要有水浴提取法、匀浆辅助提取法、超声波辅助提取法和微波辅助提取法[10-14]。

微波辅助提取法则是一种从里向外加热的方法，微波通过偶极子转动和离子迁移两种方式作用，有选择性地对体系中的不同物质进行加热，直接从物料中分离出有效成分的方法[15]。微波提取技术是发展潜力大，对从天然产物中有效成分进行提取有较高选择性，并具有提取率高、省时省力、重现性好等特点[16-17]，多种植物成分的提取中应用广泛。

本文首先进行微波时间、微波功率、液料比、提取时间、提取温度五个因素的单因素试验，再根据其结果设计正交试验，对利用微波辅助提取法对雪莲果中低聚果糖的提取工艺参数进行优化，为雪莲果低聚果糖的大批量生产提供了参考。

1材料与方法

1.1材料与仪器

新鲜雪莲果：购自福清市沃尔玛超市；葡萄糖、酒石酸钾钠、氢氧化钠、3，5-二硝基水杨酸、苯酚、浓硫酸、亚硫酸氢钠等试剂均为分析纯。

DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；WD800B微波炉：格兰仕有限公司；HH-4型数显恒温水浴锅：江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；722S可见分光光度计：上海精密科学仪器有限公司。

1.2方法

1.2.1工艺流程

新鲜雪莲果→清洗，去皮，切碎→烘干（60℃）→粉碎→称量→微波预处理→恒温水浴提取→过滤→定容→测量

1.2.2微波辅助提取条件的确定

影响微波辅助提取的因素有微波功率、微波时间、提取温度、提取时间、液料比。

1.2.2.1微波功率对雪莲果低聚果糖提取率的影响

以微波功率为变量（100、150、400、550、700 W），控制其他试验条件不变（提取温度：80℃，提取时间：60 min，液料比：50∶1 mL/g，微波时间：180 s）进行试验，以确定最优微波功率。

1.2.2.2微波时间对雪莲果低聚果糖提取率的影响

以微波时间为变量（120、150、180、210、240 s），控制其他试验条件不变（提取温度：80℃，提取时间：60 min，液料比：50∶1 mL/g，微波功率：550 W）进行试验，以确定最优微波时间。

1.2.2.3提取温度对雪莲果低聚果糖提取率的影响

以提取温度为变量（60、70、80、90、100℃），控制其他试验条件不变（提取时间：60min，液料比：50∶1mL/g，微波功率：550 W，微波时间：180 s）进行试验，以确定最优提取温度。

1.2.2.4提取时间对雪莲果低聚果糖提取率的影响

以提取时间为变量（20、40、60、80、100 min），控制其他试验条件不变（提取温度：80℃，液料比：50∶1，微波功率：550 W，微波时间：180 s）进行试验，以确定最优提取时间。

1.2.2.5液料比对雪莲果低聚果糖提取率的影响

以液料比为变量[30∶1、40∶1、50∶1、60∶1、70∶1（mL/g）]，控制其他试验条件不变（提取温度：80℃，提取时间：60 min，微波功率：550 W，微波时间：180 s）进行试验，以确定最优液料比。

1.2.3正交试验设计

以微波功率、微波时间、提取温度、提取时间、液料比为试验因素，设计五因素三水平的正交试验，选用L18（37）正交表进行试验分析，其中F、G两列为空白列，各因素的水平参照单因素试验结果，正交表如表1。

表1正交设计试验的因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal design experiments

1.2.4雪莲果还原糖、总糖含量的测定

还原糖、总糖含量的测定采用DNS比色法[18]。

雪莲果中低聚果糖提取率的计算：

2结果与分析

2.1单因素试验对雪莲果低聚果糖提取率的影响

2.1.1微波功率对雪莲果低聚果糖提取率的影响

微波功率对雪莲果低聚果糖提取率的影响见图1。

图1微波功率对雪莲果低聚果糖提取率的影响Fig.1 Effect of microwave power on extraction of yacon FOS

由图1可知，微波功率在100 W至550 W之间时，低聚果糖的提取率随微波功率提高而明显增大，微波功率达到700 W时，低聚果糖提取率又有所下降。这是由于微波辅助作用通过偶极子转动和离子迁移两种方式从内向外加热，选择性地对雪莲果细胞分子中的不同物质进行加热，使低聚果糖直接从细胞中分离出来，在一定范围内微波功率越高，提取率越高，之后由于溶液中不同物质含量过高而阻碍了低聚果糖的溶出，导致低聚果糖提取率降低。故微波辅助提取法的最优微波功率在400 W至700 W之间。

2.1.2微波时间对雪莲果低聚果糖提取率的影响

微波时间对雪莲果低聚果糖提取率的影响见图2。

图2微波时间对雪莲果低聚果糖提取率的影响Fig.2 Effect of microwave time on extraction of yacon FOS

由图2可知，微波时间在120 s至180 s之间，随着时间的增加，提取率是明显增大的，这是由于微波对植物细胞壁的破坏作用随着时间的增加而逐渐增强，因而有助于多糖成分的溶解释放。180 s后，多糖的提取率却不再随时间增加而增大，几乎持平，这主要是因为微波作用使细胞中其他物质也大量溶出，对多糖成分向溶剂的扩散释放起到阻碍效果。因此最优微波时间选择在120 s至180 s之间。

2.1.3提取温度对雪莲果低聚果糖提取率的影响

提取温度对雪莲果低聚果糖提取率的影响见图3。

图3提取温度对雪莲果低聚果糖提取率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction of yacon FOS

由图3可知，提取温度逐步提升过程中，在未达到80℃之前，随着温度的提高，提取率也逐渐增大，但是提取温度超过80℃之后，提取率逐渐下降。这是因为高温会引起多糖成分化学结构的变化，使之分解。因此最优提取温度选择在70℃~90℃之间。

2.1.4提取时间对雪莲果低聚果糖提取率的影响

提取时间对雪莲果低聚果糖提取率的影响见图4。

由图4可知，提取率随提取时间的增加而呈现上升趋势。20 min至60 min之间的提取率随时间增加而明显增大，60 min之后提取率的增加趋势减缓而不明显，从节能角度考虑，最优提取时间在40 min至80 min之间。

图4提取时间对雪莲果低聚果糖提取率的影响Fig.4 Effect of extraction time on the extraction of yacon FOS

2.1.5液料比对雪莲果低聚果糖提取率的影响

料液比对雪莲果低聚果糖提取率的影响见图5。

图5液料比对雪莲果低聚果糖提取率的影响Fig.5 Effect of ratio of liquid to meterial on extraction of yacon FOS

由图5可知，随着液料比的逐渐增大，提取率也随之增大。但是在液料比大于50∶1（mL/g）之后，提取率的增大幅度明显变缓，这是由于液料比在50∶1（mL/g）时，植物细胞中的多糖已大部分溶出，即液料比在50∶1（mL/g）左右时提取率已达到最高值，从经济方面入手，则最优液料比在30∶1至50∶1（mL/g）之间。

2.2微波辅助提取法正交试验结果

根据微波功率、微波时间、提取温度、提取时间、液料比这五个因素的单因素试验结果，设计五因素三水平的正交试验，选用L18（37）正交表进行试验分析，其中F、G两列为空白列，结果见表2、表3。

表2正交试验设计与结果Table 2 Orthogonal experimental design and results

续表2正交试验设计与结果Continue table 2 Orthogonal experimental design and results

表3正交试验的方差分析Table 3 Variance Analysis of orthogonal experiment

由表2可知，根据R值的差异，五个因素对雪莲果低聚果糖提取率的影响力：B>D>C>A>E，即微波功率B对雪莲果低聚果糖的提取率影响力最大，提取时间D对其影响次之，而提取温度C、微波时间A、液料比E对提取率的影响则相对不明显，而最佳提取的参数组合为A3B3C3D3E2，即微波时间选择180 s，微波功率选择700 W，提取温度选择90℃，提取时间选择80min，液料比选择40∶1（mL/g）。

由表3可知，微波功率B的F值达到极显著水平，提取时间D的F值达到显著水平，而提取温度C、微波时间A的F值未达到显著水平但是接近显著水平，液料比E的F值未达到显著水平。

2.3验证试验结果与分析

由正交试验分析可知，利用微波辅助法提取雪莲果低聚果糖的最优组合为：微波时间180 s，微波功率700 W，提取温度90℃，提取时间80 min，液料比40∶1（mL/g）。以此参数及未优化前[微波时间180 s，微波功率400 W，提取温度80℃，提取时间60 min，液料比50∶1（mL/g）]的提取参数进行实验，比较优化前后，雪莲果低聚果糖提取率的变化。结果见表4。

表4优化前后低聚果糖提取率的比较Table 4 Compared to extraction of yacon FOS before and after optimization

由表4可知，优化前后，雪莲果中低聚果糖的提取率提高了0.33倍。同时发现采用微波辅助提取的方法进行雪莲果低聚果糖的提取，其提取率明显高于其他提取方法（水浴提取法3.46 %[8]；匀浆辅助提取法6.25 %[11]；超声辅助提取法4.257 %[12]）。

3　结论

以雪莲果为试验材料，采用微波辅助法提取雪莲果中的低聚果糖，通过对微波时间、微波功率、液料比、提取时间、提取温度5个因素进行单因素试验；在单因素试验的基础上，进行正交设计试验，最终确定试验条件的最优组合为：微波时间180 s，微波功率100 %高火，提取温度90℃，提取时间80 min，液料比40∶1（mL/g），在该工艺参数下的低聚果糖提取率可高达51.33 %，比未优化前38.56 %的提取率提高了0.33倍。该工艺具有提取率高、操作简便等优点，为雪莲果低聚果糖大规模生产提供了科学依据和参考。

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The Process Optimization on the Extraction of Fructo-oligosaccharides from Yacon by Microwave-assisted Extraction

DENG Jia-cong，XU Hui-quan，ZHENG Hong，ZHANG Wen-sen，NI Li-dan
（Biology and Chemistry Engineering Department，Fuqing Branch of Fujian Normal University，Fuqing 350300，Fujian，China）

Abstract：The process on the extraction of fructo-oligosaccharides from yacon was studied using microwave assisted extraction method. On the basis of single factor experiment，the extraction of fructo-oligosaccharides from yacon were optimized by the orthogonal experimental design .The results showed that the optimal conditions were microwave time 180 s，microwave power 700 W，extraction temperature 90℃，extraction time 80 min，liquid material ratio 40∶1 mL/g. Under optimization conditions，the extraction rate of microwave assisted extraction of oligosaccharide fructose was 51.33 %，and the extraction rate was 0.33 times more than 38.56 % of before optimization.

Key words：yacon；fructo-oligosaccharides；microwave-assisted extraction

收稿日期：2014-08-04

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.01.023

作者简介：邓加聪（1981—），男（汉），副教授，在职博士生，研究方向：微生物筛选及发酵优化。

基金项目：福建省自然科学基金项目（2015J01132）；福建省教育厅中青年教师项目（JA15569）；福建省教育厅中青年教师教育科研项目（JA11285）