陸敏，馬海樂(lè)*，洪晨

江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院（鎮(zhèn)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(zhì)量的15%～18%，干質(zhì)量的55%～80%，又稱為菊糖或菊粉[1]。菊芋多糖是由呋喃構(gòu)型的D-果糖經(jīng)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(jié)構(gòu)，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(yōu)良的保健功能，如降血糖、降血脂、調(diào)節(jié)腸胃功能、促進(jìn)鈣吸收等，已被FDA批準(zhǔn)引入美國(guó)市場(chǎng)，并被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中[3]。

目前，工業(yè)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(diǎn)，而超聲波已被廣泛應(yīng)用于天然成分的輔助提取，能克服傳統(tǒng)工業(yè)方法存在的不足。近年來(lái)，開(kāi)展了一些關(guān)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(shí)間較長(zhǎng)（30 min），并沒(méi)有對(duì)功率和頻率進(jìn)行篩選；羅登林等[5]使用超聲提取機(jī)對(duì)菊芋多糖進(jìn)行提取，但未對(duì)頻率進(jìn)行篩選，功率也較大；張澤生等[6]使用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行菊芋多糖的提取，設(shè)備工作模式單一，無(wú)法在優(yōu)化超聲工作模式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行超聲參數(shù)的選擇，不能完全發(fā)揮超聲波本身的作用效果，所以難以達(dá)到最佳的提取效果。

此次試驗(yàn)使用自主研發(fā)的六頻狹縫式和五頻柱狀逆流發(fā)散式超聲波設(shè)備提取菊芋多糖。2種設(shè)備具有多種頻率組合，能產(chǎn)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(shè)備屬于對(duì)置發(fā)散式超聲，聲波抵達(dá)邊界發(fā)生漫反射，能有效減弱駐波效應(yīng)，使聲場(chǎng)分布更加均勻。五頻柱狀逆流發(fā)散式超聲波屬于逆流發(fā)散式超聲，由于底部不同的幾何形狀，能在多個(gè)頻率組合下發(fā)生共振，超聲空化效率更高。為充分利用菊芋原料，實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化的目的，以菊芋為原料，對(duì)超聲輔助提取工作模式及其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期得到最優(yōu)工藝參數(shù)，為菊芋多糖的超聲提取的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)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(shè)備

六頻狹縫式超聲波設(shè)備、五頻柱狀逆流發(fā)散式超聲設(shè)備（自主研發(fā)，見(jiàn)圖1和圖2）；BS 124 S型電子天平（賽多利斯科學(xué)儀器有限公司）；HH-S 2數(shù)顯恒溫水浴鍋（金壇市醫(yī)療儀器廠）；BT 600 S型蠕動(dòng)泵（保定雷弗流體科技有限公司）；T6新世紀(jì)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）；DFT-100 A手提式高速萬(wàn)能粉碎機(jī)（浙江溫嶺市林大機(jī)械有限公司）；LD 5-2 A離心機(jī)（北京醫(yī)用離心機(jī)廠）。

圖1 六頻狹縫式超聲波設(shè)備圖

圖2 五頻柱狀逆流發(fā)散式超聲設(shè)備

1.3 試驗(yàn)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(guò)60目篩。向菊芋粉加一定比例的水，進(jìn)行超聲處理，料液經(jīng)離心機(jī)以4 000 r/min離心15 min，上清液抽濾得到超聲粗提液。同時(shí)利用菊芋粉的熱水浸提液作對(duì)照，將菊芋粉與水按同比例混合，恒溫水浴加熱，處理?xiàng)l件與超聲處理相同。

1.3.2 分析方法

總糖含量測(cè)定，采用苯酚硫酸法[7]，以果糖溶液繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。還原糖的測(cè)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(biāo)準(zhǔn)曲線。

以粗提液為樣品進(jìn)行菊芋多糖提取率計(jì)算，如式（1）所示。

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

1.3.3 超聲模式的篩選

試驗(yàn)主要對(duì)六頻狹縫式超聲波設(shè)備和五頻柱狀逆流發(fā)散式超聲設(shè)備進(jìn)行模式的篩選，其工作模式如表1和表2所示。

稱取一定質(zhì)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(shí)間15 min、超聲溫度45 ℃條件下進(jìn)行超聲處理，以菊芋多糖提取率為指標(biāo)，篩選出最優(yōu)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(fā)散式超聲設(shè)備

1.3.4 單因素試驗(yàn)

在最優(yōu)的超聲模式條件下，分別以超聲功率密度、料液比、超聲時(shí)間和超聲溫度為單因素進(jìn)行逐步優(yōu)化試驗(yàn)，考察各因素對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)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(duì)菊芋多糖提取效果的影響。

1.3.4.3 超聲時(shí)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(shí)間（5，10，15，20和25 min）對(duì)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(shí)間15 min條件下，考察超聲溫度（35，40，45，50和55 ℃）對(duì)菊芋多糖提取效果的影響。

1.3.5 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以超聲功率密度、料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度為因素進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以多糖提取率為指標(biāo)，考察各因素對(duì)其提取效果的影響。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表L9(34)

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用ORIGIN 9.1進(jìn)行繪圖和擬合，SPSS 19.0進(jìn)行顯著性分析，數(shù)據(jù)用3次測(cè)定的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差的形式表示，重復(fù)試驗(yàn)3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 六頻狹縫式超聲設(shè)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(shè)備應(yīng)用于菊芋多糖的提取，所有頻率超聲預(yù)處理與對(duì)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%?？赡苁遣煌l率下的超聲波的空化效應(yīng)強(qiáng)弱不同，多頻率超聲作用時(shí)，不同波之間存在交互影響。試驗(yàn)中28/33 kHz雙頻組合對(duì)多糖的提取率最好，這與王珂等[13]的結(jié)論類似，這是因?yàn)?8/33 kHz雙頻組合對(duì)原料菊芋的處理具有協(xié)同作用，雙頻超聲組合輻射提供一個(gè)更寬的頻譜作用范圍，對(duì)聲化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)頻的提高具有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)，故雙頻超聲同時(shí)輻射的合效應(yīng)均大于各頻率超聲單獨(dú)輻射效應(yīng)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(dāng)功率密度一定時(shí)，液體空化效應(yīng)隨著頻率的增加而降低[11]，同時(shí)能量衰減加快[12]，從而影響對(duì)原料處理的效果。

2.2 五頻柱狀逆流發(fā)散式超聲設(shè)備工作模式的篩選

分別試驗(yàn)五頻柱狀逆流發(fā)散式超聲設(shè)備中的單頻、雙頻和三頻超聲處理對(duì)菊芋多糖提取效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖6可知，五頻柱狀逆流發(fā)散式超聲設(shè)備的4種單頻模式作用于菊芋原料，對(duì)菊芋多糖提取率效果顯著高于對(duì)照組，其中28 kHz超聲頻率的效果最明顯（p＜0.05），Y值可達(dá)62.30%。這與六頻狹縫式超聲設(shè)備的結(jié)論一致，表明28 kHz頻率下產(chǎn)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(fā)散式超聲設(shè)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(shí)Y值可達(dá)63.73%，優(yōu)于單頻28 kHz和35 kHz單獨(dú)工作，且與三頻工作模式有顯著性差異（p＜0.05），比對(duì)照組提高了19.60%。

圖3 單頻對(duì)菊芋多糖提取效果的影響

圖4 雙頻對(duì)菊芋多糖提取效果的影響

圖5 三頻對(duì)菊芋多糖提取效果的影響

圖6 單頻對(duì)菊芋多糖提取效果的影響

圖7 雙頻、三頻對(duì)菊芋多糖提取效果的影響

五頻柱狀逆流發(fā)散式超聲設(shè)備與六頻狹縫式超聲設(shè)備相比，由于六頻狹縫式超聲設(shè)備超聲處理腔體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在處理物料時(shí)最后流出階段容易造成物料殘留，會(huì)對(duì)后續(xù)多糖得率有影響。另外，五頻柱狀逆流發(fā)散式超聲設(shè)備最佳超聲模式組合提取率高于六頻狹縫式超聲設(shè)備。綜上，超聲工作模式確定為五頻柱狀逆流發(fā)散式超聲28/35 kHz頻率組合，后續(xù)試驗(yàn)在此模式下進(jìn)行。

由圖8可知，當(dāng)超聲功率密度為80～110 W/L時(shí)，隨著超聲功率密度的增加，菊芋多糖提取率上升；110 W/L時(shí)提取率最高，為65.14%。但當(dāng)超聲功率密度為120 W/L時(shí)，多糖含量在下降。其原因可能是功率越大，超聲聲強(qiáng)越大，空化效應(yīng)產(chǎn)生的能量越大，對(duì)細(xì)胞壁的破碎能力增大，從而釋放出多糖。但是產(chǎn)生功率過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致空化氣泡沒(méi)有足夠時(shí)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(jī)進(jìn)行菊芋多糖的提取，得出功率密度不是越大越好，適當(dāng)?shù)墓β拭芏瓤商岣咦銐蚰芰渴苟嗵侨艹龅慕Y(jié)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(duì)菊芋多糖提取效果的影響

由圖9可知，當(dāng)料液比為1︰20（g/mL）時(shí)，多糖提取率最高。當(dāng)料液比再增大時(shí)，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(xì)胞內(nèi)多糖的溶出量。但是當(dāng)料液比為1︰25（g/mL）時(shí)，多糖的溶出量降低，可能是由于過(guò)多的提取劑增加了其它雜質(zhì)的溶出而抑制了多糖的提取[16]。所以適當(dāng)?shù)奶崛┖统暱栈饔糜诰沼箢w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(duì)菊芋多糖提取效果的影響

由圖10可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，菊芋多糖提取率先增后降，在20 min時(shí)達(dá)到66.00%。這可能是適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)超聲時(shí)間有利于超聲空化作用的產(chǎn)生，使得多糖從溶劑中析出，而隨著時(shí)間延長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間的空化作用使得多糖鏈在高溫長(zhǎng)時(shí)間條件下遭受破壞，從而影響多糖的提出率。另外，時(shí)間的延長(zhǎng)也可能促進(jìn)細(xì)胞間果膠雜質(zhì)過(guò)多滲透到提取液中，影響多糖含量的測(cè)定[17]。因此，超聲時(shí)間選擇20 min為宜。

圖10 超聲時(shí)間對(duì)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(shí)，菊芋多糖提取率達(dá)到最大。原因可能是溫度升高，料液的黏度降低，物料細(xì)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(xì)胞內(nèi)容物的擴(kuò)散速率[18]。由于55 ℃時(shí)的多糖提取率與50 ℃時(shí)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(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，各因素對(duì)菊芋多糖提取效果影響的大小次序?yàn)锳＞C＞D＞B，即超聲功率對(duì)菊芋多糖提取效果影響最大，其次是超聲時(shí)間、超聲溫度和料液比。最優(yōu)超聲組合為A2B1C2D3，因此，應(yīng)用五頻柱狀逆流發(fā)散式超聲設(shè)備對(duì)其菊芋原料進(jìn)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(shí)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(tǒng)的熱水浸提法直接從菊芋干粉中提取菊芋多糖作為對(duì)照，其工藝條件如1.3.1小節(jié)所示。結(jié)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(duì)菊芋多糖提取效果的影響

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

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