菊芋多糖多模式超声辅助提取技术

陆敏，马海乐*，洪晨

江苏大学食品与生物工程学院（镇江 212013）

菊芋是菊科向日葵属中能形成地下块茎的栽培植物，俗称洋姜、鬼子姜。菊芋块茎含有丰富的多糖，其含量为菊芋湿质量的15%～18%，干质量的55%～80%，又称为菊糖或菊粉[1]。菊芋多糖是由呋喃构型的D-果糖经β-(2, 1)糖苷键脱水聚合而形成的果聚糖混合物，其还原端接一葡萄糖基，呈直链结构，聚合度一般在2～60之间，分子量为3 500～5 500 Da[2]。菊芋多糖具有优良的保健功能，如降血糖、降血脂、调节肠胃功能、促进钙吸收等，已被FDA批准引入美国市场，并被广泛应用于食品工业中[3]。

目前，工业提取菊芋多糖主要采用热水浸提法，但存在一定的能耗高、效率低等缺点，而超声波已被广泛应用于天然成分的辅助提取，能克服传统工业方法存在的不足。近年来，开展了一些关于超声波辅助提取菊芋多糖的研究，但还比较初步。黄亮等[4]使用KQ-50B型超声波器提取菊芋多糖，提取温度较高（90 ℃）、提取时间较长（30 min），并没有对功率和频率进行筛选；罗登林等[5]使用超声提取机对菊芋多糖进行提取，但未对频率进行筛选，功率也较大；张泽生等[6]使用超声波清洗机进行菊芋多糖的提取，设备工作模式单一，无法在优化超声工作模式的基础上进一步进行超声参数的选择，不能完全发挥超声波本身的作用效果，所以难以达到最佳的提取效果。

此次试验使用自主研发的六频狭缝式和五频柱状逆流发散式超声波设备提取菊芋多糖。2种设备具有多种频率组合，能产生范围更宽的频率谱，工作模式有利于提高提取液与超声波的接触频次。六频狭缝式超声波设备属于对置发散式超声，声波抵达边界发生漫反射，能有效减弱驻波效应，使声场分布更加均匀。五频柱状逆流发散式超声波属于逆流发散式超声，由于底部不同的几何形状，能在多个频率组合下发生共振，超声空化效率更高。为充分利用菊芋原料，实现价值最大化的目的，以菊芋为原料，对超声辅助提取工作模式及其参数进行优化，以期得到最优工艺参数，为菊芋多糖的超声提取的工业化生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 原料

菊芋干片（江苏徐州康芝源有限公司）。

1.2 主要仪器设备

六频狭缝式超声波设备、五频柱状逆流发散式超声设备（自主研发，见图1和图2）；BS 124 S型电子天平（赛多利斯科学仪器有限公司）；HH-S 2数显恒温水浴锅（金坛市医疗仪器厂）；BT 600 S型蠕动泵（保定雷弗流体科技有限公司）；T6新世纪紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）；DFT-100 A手提式高速万能粉碎机（浙江温岭市林大机械有限公司）；LD 5-2 A离心机（北京医用离心机厂）。

图1 六频狭缝式超声波设备图

图2 五频柱状逆流发散式超声设备

1.3 试验方法

1.3.1 菊芋多糖的提取工艺

菊芋干片烘干（55 ℃烘箱处理48 h），粉碎后过60目筛。向菊芋粉加一定比例的水，进行超声处理，料液经离心机以4 000 r/min离心15 min，上清液抽滤得到超声粗提液。同时利用菊芋粉的热水浸提液作对照，将菊芋粉与水按同比例混合，恒温水浴加热，处理条件与超声处理相同。

1.3.2 分析方法

总糖含量测定，采用苯酚硫酸法[7]，以果糖溶液绘制标准曲线。还原糖的测定方法，采用3, 5-二硝基水杨酸法（DNS）法[8]，以果糖溶液绘制标准曲线。

以粗提液为样品进行菊芋多糖提取率计算，如式（1）所示。

式中：Y表示菊芋多糖提取率，%；C1表示待测液中总糖质量浓度，mg/mL；C2表示待测液中还原糖质量浓度，mg/mL；N表示稀释倍数；V表示样液体积，mL；m表示菊芋粉质量，mg。

1.3.3 超声模式的筛选

试验主要对六频狭缝式超声波设备和五频柱状逆流发散式超声设备进行模式的筛选，其工作模式如表1和表2所示。

称取一定质量的菊芋粉，按料液比1︰15（g/mL）配制悬浊液，在维持单位体积超声功率100 W/L、超声时间15 min、超声温度45 ℃条件下进行超声处理，以菊芋多糖提取率为指标，筛选出最优的超声工作模式。

表1 六频狭缝式超声工作模式

表2 五频柱状逆流发散式超声设备

1.3.4 单因素试验

在最优的超声模式条件下，分别以超声功率密度、料液比、超声时间和超声温度为单因素进行逐步优化试验，考察各因素对其提取效果的影响。

1.3.4.1 超声功率密度

在料液比1︰15（g/mL）、超声时间15 min和超声温度45 ℃条件下，考察超声功率密度（80，90，100，110和120 W/L）对菊芋多糖提取效果的影响。

1.3.4.2 料液比

在超声功率密度100 W/L、料液比1︰15（g/mL）、超声时间15 min和超声温度45 ℃条件下，考察料液比（1︰5，1︰10，1︰15，1︰20和1︰25 g/mL）对菊芋多糖提取效果的影响。

1.3.4.3 超声时间

在超声功率密度100 W/L、料液比1︰15（g/mL）、超声温度45 ℃条件下，考察超声时间（5，10，15，20和25 min）对菊芋多糖提取效果的影响。

1.3.4.4 超声温度

在超声功率密度100 W/L、料液比1︰15（g/mL）、超声时间15 min条件下，考察超声温度（35，40，45，50和55 ℃）对菊芋多糖提取效果的影响。

1.3.5 正交试验

在单因素试验基础上，以超声功率密度、料液比、超声时间、超声温度为因素进行四因素三水平正交试验设计，以多糖提取率为指标，考察各因素对其提取效果的影响。正交试验设计见表3。

表3 正交试验设计表L9(34)

1.3.6 数据处理

数据处理采用ORIGIN 9.1进行绘图和拟合，SPSS 19.0进行显著性分析，数据用3次测定的平均值和标准误差的形式表示，重复试验3次。

2 结果与讨论

2.1 六频狭缝式超声设备工作模式的筛选

从图3～图5中可以看出，将六频狭缝式超声设备应用于菊芋多糖的提取，所有频率超声预处理与对照组相比均可以显著提高菊芋多糖的含量（p＜0.05）。其中，单频28 kHz的提取效果最显著（p＜0.05），Y值为62.54%，其他频率未显著提高（p＞0.05）；双频中28/33 kHz超声频率组合的提取效果最显著（p＜0.05），Y值为63.26%；三频组合28/33/40 kHz效果最佳，菊芋多糖提取率值为61.77%。可能是不同频率下的超声波的空化效应强弱不同，多频率超声作用时，不同波之间存在交互影响。试验中28/33 kHz双频组合对多糖的提取率最好，这与王珂等[13]的结论类似，这是因为28/33 kHz双频组合对原料菊芋的处理具有协同作用，双频超声组合辐射提供一个更宽的频谱作用范围，对声化学反应产频的提高具有明显的增强效应，故双频超声同时辐射的合效应均大于各频率超声单独辐射效应之和[9-10]。但是三频28/33/40 kHz工作模式作用效果差于单频、双频模式工作，所以并不是超声频率组合越多越好。有研究表明当功率密度一定时，液体空化效应随着频率的增加而降低[11]，同时能量衰减加快[12]，从而影响对原料处理的效果。

2.2 五频柱状逆流发散式超声设备工作模式的筛选

分别试验五频柱状逆流发散式超声设备中的单频、双频和三频超声处理对菊芋多糖提取效果的影响，试验结果如图6和图7所示。从图6可知，五频柱状逆流发散式超声设备的4种单频模式作用于菊芋原料，对菊芋多糖提取率效果显著高于对照组，其中28 kHz超声频率的效果最明显（p＜0.05），Y值可达62.30%。这与六频狭缝式超声设备的结论一致，表明28 kHz频率下产生的空化作用最有利于菊芋多糖的溶出。由图7可知，五频柱状逆流发散式超声设备双频模式、三频模式作用于菊芋原料，其中28/35 kHz超声频率可显著提高菊芋多糖含量（p＜0.05），此时Y值可达63.73%，优于单频28 kHz和35 kHz单独工作，且与三频工作模式有显著性差异（p＜0.05），比对照组提高了19.60%。

图3 单频对菊芋多糖提取效果的影响

图4 双频对菊芋多糖提取效果的影响

图5 三频对菊芋多糖提取效果的影响

图6 单频对菊芋多糖提取效果的影响

图7 双频、三频对菊芋多糖提取效果的影响

五频柱状逆流发散式超声设备与六频狭缝式超声设备相比，由于六频狭缝式超声设备超声处理腔体结构的设计，在处理物料时最后流出阶段容易造成物料残留，会对后续多糖得率有影响。另外，五频柱状逆流发散式超声设备最佳超声模式组合提取率高于六频狭缝式超声设备。综上，超声工作模式确定为五频柱状逆流发散式超声28/35 kHz频率组合，后续试验在此模式下进行。

由图8可知，当超声功率密度为80～110 W/L时，随着超声功率密度的增加，菊芋多糖提取率上升；110 W/L时提取率最高，为65.14%。但当超声功率密度为120 W/L时，多糖含量在下降。其原因可能是功率越大，超声声强越大，空化效应产生的能量越大，对细胞壁的破碎能力增大，从而释放出多糖。但是产生功率过大，会导致空化气泡没有足够时间溃陷，从而空化作用降低，影响多糖含量的提取[14-15]。罗登林等[5]采用恒温超声提取机进行菊芋多糖的提取，得出功率密度不是越大越好，适当的功率密度可提高足够能量使多糖溶出的结论。因此，超声功率密度选取110 W/L为宜。

图8 超声功率密度对菊芋多糖提取效果的影响

由图9可知，当料液比为1︰20（g/mL）时，多糖提取率最高。当料液比再增大时，多糖含量有一定程度的降低。原因可能是料液比越大，提取剂与物料之间的接触越充分，在超声波空化作用于物料的情况下，可以增加菊芋颗粒细胞内多糖的溶出量。但是当料液比为1︰25（g/mL）时，多糖的溶出量降低，可能是由于过多的提取剂增加了其它杂质的溶出而抑制了多糖的提取[16]。所以适当的提取剂和超声空化作用于菊芋颗粒，可提高多糖的溶出量。综合考虑，料液比选择1︰20（g/mL）为宜。

图9 料液比对菊芋多糖提取效果的影响

由图10可知，随着时间的延长，菊芋多糖提取率先增后降，在20 min时达到66.00%。这可能是适当地延长超声时间有利于超声空化作用的产生，使得多糖从溶剂中析出，而随着时间延长，长时间的空化作用使得多糖链在高温长时间条件下遭受破坏，从而影响多糖的提出率。另外，时间的延长也可能促进细胞间果胶杂质过多渗透到提取液中，影响多糖含量的测定[17]。因此，超声时间选择20 min为宜。

图10 超声时间对菊芋多糖提取效果的影响

由图11可知，随着温度的升高，菊芋多糖含量在增加。50 ℃时，菊芋多糖提取率达到最大。原因可能是温度升高，料液的黏度降低，物料细胞壁变得疏松，因而更容易被超声的空化作用所击破，使得多糖溶出，且温度升高，更容易加快细胞内容物的扩散速率[18]。由于55 ℃时的多糖提取率与50 ℃时不存在显著性差异，综合考虑超声效果和能耗，超声温度选择50 ℃为宜。

2.3 超声波辅助提取菊芋多糖的正交试验结果

从表4可以看出，各因素对菊芋多糖提取效果影响的大小次序为A＞C＞D＞B，即超声功率对菊芋多糖提取效果影响最大，其次是超声时间、超声温度和料液比。最优超声组合为A2B1C2D3，因此，应用五频柱状逆流发散式超声设备对其菊芋原料进行处理，在频率28/35 kHz、超声功率110 W/L、料液比1︰15（g/mL）、超声时间20 min和超声温度55 ℃条件下菊芋多糖提取率最高，为67.55%。

采用传统的热水浸提法直接从菊芋干粉中提取菊芋多糖作为对照，其工艺条件如1.3.1小节所示。结果显示，多糖提取率为49.24%，低于超声波辅助热水浸提法的18.31%。

图11 超声温度对菊芋多糖提取效果的影响

表4 正交试验结果

3 结论

超声波工作模式为28/35 kHz（五频柱状逆流发散式超声设备），能显著提高菊芋多糖含量。其最佳超声参数为：超声功率密度110 W/L、料液比1︰15（g/mL）、超声时间20 min、超声温度55 ℃。此时菊芋多糖提取率达到67.55%。因此，五频柱状逆流发散式超声设备提取菊芋多糖效果好，超声功率密度低、时间短、温度低，为新技术的工业化提供理论基础。