蒸汽爆破预处理辅助提取芦笋老茎多糖工艺研究

王崇队，张明，杨立风，范祺，张博华，孟晓峰，马超

（中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南 250014）

芦笋（Asparagus officinalisL.）又名石刁柏，为百合科天门冬属的草本植物，含有大量的膳食纤维、蛋白质和多种氨基酸、维生素和微量元素等营养成分及多糖、皂苷、黄酮等药用成分，具有较高的营养价值和药用价值[1]。药理学研究表明芦笋提取物对高脂血症[2]、糖尿病[3]、癌症[4]等均有一定疗效。我国芦笋种植面积约1.5万hm2，年产量约180万t，占世界总量的60%。芦笋老茎是指芦笋速冻罐头加工后的剩下的部分，约占鲜样的40%。目前，芦笋老茎多被当作废弃物料丢弃，这样既浪费资源，又对环境造成污染[5-6]。

多糖是芦笋的重要活性成分，多糖提取目前已引起人们极大的关注。蒸汽爆破（简称汽爆）处理是指在高压密闭环境中，用过热蒸汽将物料加热到一定温度，在一定压力下保持数秒或数分钟后瞬间泄压，随着压力骤降、水分汽化，物料产生爆破效应的一种物理处理方法[7]。芦笋在高温高压下细胞壁结构发生断裂和分解，细胞器内物质降解和转化，大分子聚合物被瞬时压力爆破为小分子，使糖类物质溶出，得率提高[8]。本文以芦笋老茎为原料，采用蒸汽爆破预处理，超声辅助提取的方法提取多糖，优化工艺，以期为芦笋老茎的综合利用及芦笋产业的可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

芦笋老茎，山东恒宝食品集团有限公司提供。

1.1.2 仪器与设备

QBS-80型蒸汽爆破设备，鹤壁政道启宝实业有限公司提供；SHA-B双功能水浴恒温振荡器，江苏杰瑞尔电器有限公司提供；ME104电子天平，梅特勒-托利多仪器有限公司提供；T050002电子天平，天津天马衡基仪器有限公司提供；KQ-250B型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司提供；LXJ-11B低速大容量多管离心机，上海安亭科学仪器厂提供；UV1000单光束紫外/可见分光光度计，上海天美科学仪器有限公司提供；pHS-3C型pH计，上海仪电科学仪器有限公司提供。

1.2 芦笋老茎提取的工艺流程

芦笋老茎→预处理→蒸汽爆破→加60 ℃水→调pH→60 ℃超声提取→90 ℃水浴振荡提取→离心→芦笋老茎提取液。

1.3 蒸汽爆破单因素试验

1.3.1 蒸汽爆破压力对多糖得率的影响

分别采取压力0.5、1.0、1.5、2.0 MPa对100 g鲜料进行蒸汽爆破试验，爆破时间为90 s，收集汽爆样品，加60℃水至500 g，调pH至5，超声功率400 W、60 ℃提取20 min[9]，90 ℃水浴振荡提取2 h[10]。过滤后，滤液以5 000 r/min离心10 min，上清液作为供试液，测定多糖得率。

1.3.2 蒸汽爆破时间对多糖得率的影响

蒸汽爆破时间分别采取30、90、150、210、270 s，压力1.5 MPa，对100 g鲜料进行蒸汽爆破试验。收集汽爆样品，加60 ℃水至500 g，调pH至5，超声功率400 W、60 ℃提取20 min[9]，90 ℃水浴振荡提取2 h[10]。过滤后，滤液以5 000 r/min离心10 min，上清液作为供试液，测定多糖得率。

1.3.3 物料粒径大小对多糖得率的影响

分别用0.4、0.8、1.2、1.6 cm的芦笋块茎各100 g鲜料，压力1.5 MPa，时间90 s进行蒸汽爆破试验。收集汽爆样品，加60 ℃水至500 g，调pH至5，超声功率400 W、60 ℃提取20 min[9]，90 ℃水浴振荡提取2 h[10]。过滤后，滤液以5 000 r/min离心10 min，上清液作为供试液，测定多糖得率。

1.4 正交优化试验

在单因素试验的基础上，选择蒸汽爆破压力、蒸汽爆破时间、物料粒径大小三个因素，进行L9(33)正交试验，试验设计见表1。

表1 正交试验设计Table 1 Orthogonal experimental design

1.5 测量指标与方法

多糖含量按照NY/T 1676-2008《食用菌中粗多糖含量的测定》方法进行测定。多糖提取率计算公式见式（1）。

水分含量采用直接干燥法，按照GB/T 5009.3-2016《食品中水分的测定》的方法。

1.6 数据处理

采用Microcal Origin 8.0软件作图，SPSS进行分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 蒸汽爆破压力对多糖得率的影响

图1显示了蒸汽爆破压力对多糖得率的影响。由图可以看出，在一定范围内，随着蒸汽爆破压力的增加，多糖得率呈先升后降趋势。蒸汽爆破压力在1.5 MPa时，多糖得率达最大值，随后压力增大，多糖得率减少。这可能是因为细胞结构在高温高压条件下纤维素聚合度下降，半纤维素部分降解，木素软化，细胞横向连接强度下降，当骤然减压时，芦笋空隙中的蒸汽急剧膨胀产生的“爆破”效果剥离木质素，并将芦笋老茎细胞组织撕裂为细小纤维，有利于提取[8]。而压力高时则易出现碳化现象，因此得率降低。考虑到继续增加汽爆压力会对芦笋组分变化产生不利影响，本试验选择汽爆压力为1.0 MPa。

图1 蒸汽爆破压力对多糖得率的影响Fig.1 Effect of explosion pressure on polysaccharide yield

2.1.2 蒸汽爆破时间对多糖得率的影响

图2 蒸汽爆破时间对多糖得率的影响Fig.2 Effect of steam explosion time on polysaccharide yield

蒸汽爆破时间对多糖得率的影响如图2所示。由图可知，随着汽爆时间的增加，多糖得率不断提高；汽爆时间为210 s时，多糖得率达最大值，随后时间增加，得率逐渐减小。这可能是因为蒸汽爆破过程中，随着时间的延长水蒸气渗透到物料中越多，突然减压时水蒸气的膨胀力充分作用于物料中，使膳食纤维发生一定程度的机械断裂[11]。但蒸汽爆破时间不是越长越好，随着蒸汽爆破时间的延长，物料中的大分子碳水化合物会降解生成甲酸、乙酸等酸类、糠醛、芳香类化合物、脂肪酸类化合物和呋喃化合物等[12]，所以多糖得率降低。本试验的数据趋势与贺永慧等[12]报道的蒸汽爆破提高小麦麸皮中水溶性戊聚糖含量的变化趋势相似。因此，汽爆时间选择210 s。

2.1.3 物料粒径大小对多糖得率的影响

图3 物料粒径对多糖得率的影响Fig.3 Effect of material size on polysaccharide yield

由图3可以看出，随着物料粒径大小的增加，多糖得率先升高后降低。这可能是因为本试验所用物料仓呈圆柱形，物料直径约为6 cm，物料粒径过小，物料之间贴合度比较紧密，不适应蒸汽的溶胀，从而减弱蒸汽的作用[13]；物料粒径过大时，可能会造成蒸汽爆破不彻底，使糖类物质溶出不彻底，多糖得率低。物料粒径为0.8 cm时，刚好使水蒸气的膨胀力作用于物料当中。所以物料粒径为0.8 cm时，多糖得率最高，为9.27%。

2.2 正交试验

根据单因素试验的结果设计正交试验，结果见表2（下页）。根据表2的结果，可知，试验因素对多糖得率影响的主次顺序为B＞C＞A，即蒸汽爆破时间＞物料粒径大小＞蒸汽爆破压力。由k值大小可知，优化组合为A3B3C3，即蒸汽爆破压力1.2 MPa，蒸汽爆破时间230 s，物料粒径大小1.2cm，在此条件下，芦笋老茎多糖的提取得率为10.63%。

表2 蒸汽爆破正交试验结果Table 2 Orthogonal test results of steam explosion