（检测技术与自动化装置专业论文）食用菌多糖超声浸提工艺及控制系统的研究.pdf

摘要 食用菌多糖具有抗肿瘤、抗病毒、延缓衰老、降血脂等作用。我国是一个食用菌生产 大国，而食用菌多糖等精深加工产品却在国际上缺乏竞争力。落后的生产工艺和半机械、 半人工的生产方式严重制约了食用菌多糖产品的质量和产量。因此，将高效率、低能耗的 超声提取工艺引入食用菌多糖的生产，提高多糖提取生产装备的自动化水平，对促进我国 食用菌产业进一步向工业化、现代化方向发展具有重大的现实意义。 本文首先详细介绍了食用菌多糖超声提取原理及其工艺流程。并以香菇为对象进行中 试正交试验，运用极差和方差分析法对试验结果进行分析，最终确定了香菇多糖超声浸提 的生产工艺参数，并为其他品种的食用菌多糖超声提取的生产工艺研究提供了依据。 其次，根据食用菌超声浸提工业化生产的自动控制要求，对控制系统进行总体设计， 提出了i p c p l cd c s 控制方案：以p c 和组态软件m c g s 组成上位机监控系统；p l c 、 文本显示器和各种传感器、执行机构组成下位机控制系统。根据控制方案和现场设备的控 制要求，进行下位机的i o 配置、p l c 选型等硬件设计，并采用顺序控制方法设计了p l c 软件程序。 最后，采用组态软件m c g s 设计了上位机监控系统。通过与下位机p l c 的通讯，上 位机实现超声提取生产流程显示、设备运行监控、实时报警处理、信息查询等功能，并分 别详细阐述了各功能的具体实现方法。上位机监控系统画面操作方便，简单直观，具有良 好的人机交互性。 关键词：食用菌多糖；超声浸提；p l c ；组态 r e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h et e c h n i q u eo ft h ep o l y s a c c h 撕d e e x t r a c t i o n 舶me d i b l ef u n g u sb yu l t r a s o n i c a b s t r a c t p o l y s a c c h a r i d e 仔o me d i b l e 向n g u sh a sp o s i t i v ei m p a c to na n t i c a n c e r ，a n t i v i r a l ，r e t a r d i n g a g i n ga n dr e d u c i i 培c h 0 1 e s t e r 0 1 c m n ai sam a j o re d i b l e 劬g u sp r o d u c e ri 1 1 吐屺w o r l d ，b u t 仕屺 p r o d u c t so f 如r t l l e rp r o c e s s m g l a c ko fn e m a t i o m lc o m p e t i t i o n t h em a i 】u f a c t u r eo f p o l y s a c c h a r i d ee 船a c t i o ni sf a i r l yo u t d a t e d ，a 1 1 dt h eh a l f - m a n u a la n dh a l f - m a c h i l l em o d eh a s a s e r i o u se a e c to np r o d u c tq u a l 蚵a n dp r o d u c t i o ne f n c i e n c y h e n c et l l eu l n - a s o i l i ce x t r a c t i o n t e c l l l l i q u e ，w m c hh a ss u c ha d v 锄_ t a g e s 鹊e n e 晒，s a v i n ga i l dh i 曲e x 讹c t i o n 眦e ，s h o u l db e a p p l i e dt ot h em a n u f a c t u 】r eo fp o l y s a c c h 撕d ee x t m c t i o n 仔o me d i b l em n g u s ，a n di i i l p r o v i n gt l l e a u t o m a t i cl e v e lo ft h ep o l y s a c c l l 暑l r i d ee ) 泔a c t i o np r o c e s s i n ge q u i p m e n t sl l a v ea ni m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g i l i f i c a n c ef o ra c c e l e r a t i i 培t l l ei n d u g t r i a l i z a t i o na j l dm o d e n l i z a t i o no fe d i b l ef u n g u s i n d u s t 巧i i lc h i i l a f i r s t l y ，t h et 1 1 e o 巧o fu l 仃a s o i l i ce ) ( i r a c t i o na 1 1 d i t st e c h i l i c a lp r o c e s sa r ei n t r o d u c e d d e t a i l e d l y a n ds e v e m lo r t l l o g o n a le x p e r i m e n t so fl e n t i n a ne x 仃a c t i o na 爬d e s i g n e df o rp i l o t s t u d y t h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so fi i l d u 嘶a lm a n u f a c t u r ea r ed e t e 皿i n e dt h r o u g h 廿1 er a n g e a n a l y s i sa n dv a r i a n c ea n a l y s i s t h e s ea l s op r o v i d em o r ei n f o m a t i o nf o ru l n a s o i l i ce x t r a c t i o no f p o l y s a c c h a r i d e 仔o mo t h e rk i n d s o fe d i b l e 劬g u s s e c o n d l y ，t l l ec o 腑o ls y s 馏【i lo fu l t r a s o 血ce x t r a c t i o ni sd e s i g n e dt o t a l l ya c c o r d i n gt ot l l e r e q u e s to fa u t o m a t i cm a i l u f a c t u r e ，a n dt l l ed i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dt l l en e wc o n t r o ls c h e m e b a s e do ni p c - p l cd i 矧b u t e dc o 廊o ls y s t e m ：t h es u p e r - o r d i i l a t ec o m p u t e rs u p e n ，i s i l l gs y s t e m w m c hi sc o m p o s e do fp ca n dc o l l f i g w a t i o ns o 胁a r cm c g s ，a n dm eb a s i cc o n t 】的ls y s t e m w l l i c hi sc o m p o s e do fp l c ，t e x td i s p l a y ，a n dv a r i o u ss e n s o r sa n da c n l a t i n gm e c h 砌s m t 1 1 e b a s i cc o m r o ls y s t e md e s i g n e df o rh a r d w a r ea l l ds o f h 啪。eo nt 1 1 eb a s i so fc o n t r o ls c h e m ea n d f i e l d - e q u i p m e mc o 曲lr e q u e s t 1 1 1 ed i s s e 似i o ne x p l a i l l s 吐l ei o a d d r e s sd i s t r i b u t i o n ，t h e s e l e c t i v es t ) r l eo fp l c ，a i l dd e s i g n st l l ep l cp r o g r a j nb yu s i n gt 1 1 eo r d e rc o n t r o l l i n gd e s i g n m e m o d f i r l a l l y ，t h es u p e r - o r d i n a t ec o 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出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ：旅磊。批年莎月f 牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。 ( 请在以上方框内打“一) 学位论文作者( 本人签名) ：办勿埘年月阳 指导教师( 本人签名x 参窿 年月日 致谢 在论文完成之际，我要特别感谢我的导师刘英教授。 本文的研究工作和论文撰写是在刘老师悉心指导下完成的，所取得的研究成果凝聚着 刘老师大量的心血和汗水。不论在学习土、工作上、还是在生活上，恩师都曾给过我辛勤 的教诲和无私的帮助，使我在人生成长的关键道路上受蘸很多。刘老师渊博的知识、严谨 的治学态度、活跃的思维方式、敏锐的学术洞察力和兢兢业业的敬业精神深深地激励着我。 在今后的人生道路上，我将牢记恩师的教诲，勤奋地工作，勇敢的面对一切挑战，积极乐 观地生活。谨此，向导师致以最诚挚的感谢! 感谢机电院冯谦书记、自动化教研宣陈急明教授、陆荣缢讲师及南京食品包装机械研 究所居荣华所长、李忠工程师等各位老师在论文工作中给予的大力支持和无私帮助! 感谢研究生同学蔡杨炜、师弟许杰、李杰及师姝陈利娇、费叶琦，在课题研究过程中 给予的帮助和支持。感谢圊届的同学在三年的求学生活审给予的关心和支持。 最后，我要感谢我的家人给予我无私的关爱和默默的祝福，使我能全身心的投入到学 习和研究申。我所取得的所有成绩都是与他们的关心和支持密不可分的。 作者：张磊 2 0 0 8 年6 月于南京林业大学 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 1 1 1 我国食用菌产业现状 我国是一个食用菌大国，早在公元前2 4 0 年就已经有了有关食用菌的记载和在医疗方 面的应用。目前我国已知的食用菌有7 2 0 种。改革开放后，我国食用菌产业发展十分迅速， 产量已从1 9 7 8 年的约5 万吨猛增至2 0 0 6 的1 4 0 0 万吨，占世界总产量的7 0 以上，产值突破 6 0 0 亿元，以成为世界最大的食用菌生产和出口斟。据农业部统计，在国内种植业中， 食用菌产值仅次于粮、棉、油、菜、果，居第6 位，已逐步发展成为我国现代农业的重要 组成部分。食用菌产业已成为我国农业的三大支柱产业之一。 食用菌产业是农业增效、农民增收的优势产业【2 】，种植食用菌的培养基只需农林副产 品废弃物，如农作物秸秆、果树修剪下的枝条等；而食用菌的经济效益较高，以金针菇为 例，平均一亩金针菇的年收入在3 万元左右，是大棚西红柿产值的4 倍、优质小麦产值的6 6 倍。因此种植食用菌成本低、收益高，是促进农民增收的一条重要渠道。 但是，我国仅是一个食用菌生产大国，而不是生产强国。我国食用菌产品仍以初级产 品( 鲜品、干品、腌制品、罐头) 为主，其产品的附加值不高，在国际上缺乏竞争力。食 用菌精深加工产品，如食用菌多糖等高附加值的产品，产量少、质量低，难以形成一定的 规模。其根本原因在于我国现有的食用菌深加工企业多为中小型企业，其生产技术和装备 落后、能耗高、自动化水平低，不仅产量不高，而且产品质量不稳定。因此，提高我国食 用菌加工企业的加工技术水平和过程装备是进一步发展我国食用菌产业的必要途径。 1 1 2 食用菌多糖市场前景 食用菌作为“绿色”、“环保”和“健康的食品，它的食用和药用价值已得到世界的 公认。食用菌多糖是从食用菌子实体、菌丝体、发酵液中分离出的一种活性多糖，在国际 上被称为“生物反应调节剂 ( b i o l o g i c a lr e s p o n s em o d i f i e r ，简称b r m ) ，是一种生物 非特异性免疫促进剂，具有抗肿瘤、抗病毒、延缓衰老、降血脂、护肝排毒、促进核酸和 蛋白质生物合成等作用，是发展功能性食品及抗癌类药物的重要原料之一【3 j 。研究表明香 菇多糖对胃癌、肺癌化疗有显著的增效作用，对肝癌、结肠癌、乳腺癌有一定的治疗作用； 蘑菇中含有一种p s k 多糖，对乳腺癌、皮肤癌、肺癌均有一定的效果；灵芝、银耳等食 用菌中含有的多糖均对肿瘤具有一定抑制作用h 。 以食用菌多糖为原料的药物是以提高人体免疫力来达到抗癌目的的，且无毒、无副作 用，因而很受癌症患者和医疗机构的欢迎【5 】。因此开发以食用菌多糖为原料的功能食品和 药品具有着广阔的市场前景，对提高全民健康具有重大意义。 鉴于此，我校于2 0 0 5 年l o 月向南京市科技局科技发展计划申请了食( 药) 用菌多 糖提取成套装备与关键技术的研究项目，并于2 0 0 6 年获得批准，项目编号：0 6 s b 2 4 2 0 0 7 。 本项目旨在运用先进的生产技术和自动化的成套装备生产食用菌多糖，大大提高食用菌多 糖的产量和质量，为开发以食用菌多糖为原料的功能性食品和药品提供高质高量的原材 料。 1 2 课题的国内外研究现状 1 2 1 食用菌多糖研究概况 自上世纪六十年代，当人们逐渐发现了糖具有许多方面的生物活性，且多无毒，是 比较理想的药物以来，国际上对糖类的研究日新月异，并且相继多次召开了有关“糖生物 学和糖工程”的专题会议。目前，日本、美国及欧盟十分重视糖类的研究，且在糖的研究 与开发处于领先地位，并且欧盟在1 9 9 4 1 9 9 8 年的研究计划中启动了“欧洲糖研究与开发 平台”旨在协调欧洲的糖研究与开发，强化糖的研究成果转化成商品与美国和日本竞争的 能力【6 】。 对于食用菌多糖的研究始于上世纪6 0 年代，1 9 6 8 年日本千原吴郎首先利用热水从香菇 子实体中浸提出6 种胞外香菇多糖【7 j ，2 0 世纪7 0 年代，日本学者千原羽田率先证实了香菇 多糖的抗肿瘤活性，从此食药用菌多糖引起了生物学、医学、药物学、食品科学等多个领 域的广泛关注。目前在该领域的研究以日本、美国、德国、加拿大处于领先水平。 我国多糖的研究起步较晚，上世纪8 0 年代才开始得到各地的广泛研究，也取得了一定 的进展，目前发现有价值的食( 药) 用菌多糖有2 8 种，其中化学结构较清楚的有1 5 种。食用 菌多糖主要是葡聚糖( g 1 u c a n ) ，甘露糖0 a m a n ) ，杂多糖( h e t e r o p o l y s a c c h a r i d e ) ，糖蛋白 和多糖肽等。 食用菌多糖种类繁多，目前已经开发利用的食用菌多糖品种主要有以下几种【8 1 2 】： 1 ) 香菇多糖，是一种免疫调节剂，能增强宿主免疫系统的反应性，在激活t 淋巴细 胞中具有强烈的宿主介导性，具有对肿瘤显著的抑制作用；防止化学因素引起的致瘤作用； 抑制肿瘤转移；增强机体对细菌、寄生虫和病毒包括h i v 的抵抗力等功效。在临床上主要 用于治疗肿瘤和a i d s 。以香菇多糖为原料制成的香菇多糖粉针剂、肌注射香菇多糖和口 服液囊剂是治疗癌症的有效药物之一。 香菇多糖是研究得较透彻的多糖之一，文献材料最多的一种食用菌多糖之一。在日本， 香菇多糖在临床上应用于治疗各种癌症已经有2 0 多年的时间。 2 ) 云芝多糖，是杂色云干燥菌核子实体或深层发酵物的多糖粗提物，临床上用于治 疗慢性气管炎、慢性活动性肝炎等。 3 ) 猪苓多糖具有明显的免疫调节作用，能保护肝脏。临床上主要用于癌症辅助治疗 以及用以治疗肝炎。 4 ) 银耳多糖，是多糖免疫增强剂，具有增白作用、抗放射损伤和增强机体免疫功能 的作用。对慢性支气管炎有效率达8 0 。 5 ) 裂褶菌多糖，在临床上用于癌症的辅助治疗作用。 6 ) 茯苓多糖，在临床上作为免疫增强剂与放疗化疗联合使用。 7 ) 虫草多糖，具有细胞免疫调节作用，能明显改善肝功能，用于治疗肝炎和肝损伤 恢复。 8 ) 酵母多糖，酵母b ( 1 3 ) d 葡聚糖能增强哺乳动物的免疫活力抗癌、抗细菌、抗 病毒、抗真菌、抗寄生虫、降低胆固醇和血脂、促进伤口愈合等，是一种良好的生物效应 调节剂。 9 ) 桑耳多糖，是有效的抗癌产品，口服桑耳水煎液可使肿瘤体积缩小，并延长晚期 肿瘤患者的存活率。 1 2 2 食用菌多糖提取方法概述 从食用菌中提取多糖在实验工艺上较为成熟，对于食用菌多糖的提取一般采用流程如 图1 1 所示，分为七个工段。 图1 1 食用菌多糖提取流程 其中各工段作用如下： 粉碎：增加提取表面积，提高多糖得率； 提取：利用一定的工艺，将食用菌中的多糖溶解于提取溶媒中，目前在工业生产 中应用的最多的提取方法为热水浸提法； 过滤：通过过滤装置，将食用菌残渣和提取液分离； 离心：利用离心力作用，将提取液中微小的固体从提取液中分离，从而取得澄清 的提取液； 浓缩：增加提取液的浓度，为醇析工段做准备； 醇析：利用多糖溶于水而不溶于酒精的特性，在提取浓缩液中加入一定量的无水 乙醇使多糖从液体中析出，取得固体的絮状多糖； 干燥：将从提取浓缩液中析出的絮状物干燥，即是食用菌粗多糖。 六个工段中，提取是最为关键的步骤，它直接影响着多糖的得率和原料的利用率。目 前国内外对于食用菌多糖提取研究的方法主要有热水浸提法、酶提法、碱提法、酸提法和 目前较为先进的超声提取法。 1 ) 热水浸提法 热水浸提法【1 3 1 6 】，又叫煎煮法，是一种目前较为常见的食用菌多糖提取方法，比较适 合工业化生产，一般企业多采用多功能提取罐，在9 0 1 0 0 温度下浸提搅拌3 6 个小时。 热水浸提工艺比较简单，但是提出的主要为胞外多糖，因而得率较低；且多糖是热敏物质， 长时间在高温下会影响其生物活性。此外，该工艺耗时长，提取溶媒使用量大，给后面的 浓缩工段造成了负担。 2 ) 酶提取法 酶提法的原理是利用酶( 常使用纤维素酶、果胶酶和蛋白酶) 除去食用菌细胞壁和膜 上的纤维素、果胶及蛋白质等成分，有利于细胞壁内多糖的溶出，而使多糖提出率提高【 】。 但是也给产物的分离带来困难。 在工业应用中，常采用酶提法和热水浸提法相结合的复合酶提法，酶解作用与热水浸 提相结合，可以使可溶性多糖的提取率大大增加，并且反应条件温和，能保持天然产物的 化学结构，较好地保持了多糖的药用价值。 3 ) 碱提取法 对于含有较多酸性多糖的食用菌( 例如金针菇子实体) ，碱有利于酸性多糖的浸出。碱 对细胞具有破坏作用，会使细胞壁降解，有利于多糖的浸出，然而碱对多糖同样也具有降 解的作用。不过由于碱提法的提取效率高，所以碱提法还是一种较理想的方法【1 8 】，但是 碱的浓度要求比较严格，浓度太高，会使多糖变性从而失去生物活性；浓度太低则会影响 多糖的得率。 4 ) 酸提取法 一般酸提取比水提法的效率高，酸对食用菌实体的细胞有一定的破坏作用，会使细胞 壁因水解而变得酥松而有利于糖分的浸出，但是同时酸对于多糖具有水解作用，用酸处理 香菇后，酸会破坏多糖的糖苷键而形成较多的单糖，如会使葡萄糖( 单糖) 的含量增加，因 此与碱提取法相同，酸提取法也对多糖的生物活性具有一定的破坏作用，在提取过程中控 制酸或碱的浓度是提取的关键所在【1 9 】。 5 ) 超声提取法 超声波具有“空化现象”、“机械振动”以及“热效应等特性，“空化现象”可产生 瞬间几千帕压力，使提取介质中的微小气泡压缩、爆裂，破碎被提取原料和细胞壁，加速 目标提取物的溶出，“机械振动”和“热效应”进一步强化了溶出成份的扩散，整个过程 在瞬间完成，从而提高了破碎速度，缩短了破碎时间，极大地提高提取效率，可大大缩短 提取成本，提高产品质量，是当前浸出提取中最具前途的提取技术【2 眦3 1 。 实验室研究表明超声提取对于食用菌多糖的提取相对于传统的提取方法具有显著的 提高得率的作用，将超声提取技术应用于工业生产不仅是可行的，而且具有明显的经济效 益。 4 1 2 3 食用菌多糖提取设备的研究 食用菌多糖国内外均已进入工业化生产，在发达国家，食用菌多糖的提取从投料开始， 整个操作过程在连续封闭环境下进行，自动化程度高，经粉碎后的食用菌子实体定时投入 提取设备，提取液连续从提取罐中排出，提取液和食用菌残渣均在封闭的管道中运行，保 持了环境的整洁，提高了原料的利用率，整个生产过程采用计算机控制，避免了人为因素 造成的产品质量不稳定，因而产品具有国际竞争力【2 4 j 。 目前我国在食用菌深加工方面与发达国家相比主要存在加工水平低，工艺技术装备落 后、自动化程度低等问题，特别是一些关键设备的自主研究与开发能力低。 一方面国内部分制药企业用于食用菌多糖提取的生产装备多是引进国外进口设备，价 格十分昂贵，而其它大部分企业的食用菌多糖提取制备过程还是半手工、半机械化生产状 况，人工辅助作业，人为调整工艺参数；过多的人工干预使得工艺参数不稳定，直接造成 了产品质量不稳定，生产效率低等问题。 另一方面，国内大部分生产食用菌多糖的厂家，大都采用热水浸提的工艺，例如江苏 颐海药业有限公司和盐城神农保健食品有限公司，主要设备有多功能提取罐、储罐、外加 热式双效蒸发器、沉淀罐、烘干机等。其中仅热水浸提过程就需要3 小时。该工艺提取时 间长、效率低、能耗高，且食用菌多糖为热敏性物质，采用多功能提取罐加热提取，会改 变多糖的生物活性，降低了多糖的质量。 由此可见超声提取等先进的技术和自动化的生产装备尚未应用于我国食用菌多糖的 实际生产中，不利于提高我国食用菌多糖行业的国际竞争力。而且，近年来由于国际贸易 壁垒的不断增加，我国以初级产品为主的食用菌产业面临着严峻的挑战。而我国落后的食 用菌加工水平使得我国的食用菌深加工产品在国际上没有优势。因此采用现代设计方法和 先进制造和控制技术，设计开发具有自主知识产权的多糖提取自动化生产装备己迫在眉 睫。高度自动化、工业化的过程装备，不仅能大大提高生产效率和产品的质量，还能有效 的节约生产成本，生产成本的节约使其在国际竞争中具有很大的价格优势。 1 3 课题研究的意义 本论文研究的内容作为食( 药) 用菌多糖提取成套装备与关键技术的研究项目的一 个子项目，旨在研究食用菌多糖超声浸提的自动控制系统，进行多糖超声浸提自动控制系 统的集成开发，在生产过程中采用组态软件技术进行数据采集与过程控制，实现自动控制 系统的监控功能，提高设备的自动化水平。 本课题的研究对于我国的食用菌产业及多糖市场具有如下意义： 1 ) 将先进的超声提取技术应用于食用菌多糖的生产，开发自动控制系统，有助于提 高多糖产量和稳定质量，从而能降低食( 药) 用菌多糖类产品的价格。以香菇多糖为例，进 口的香菇多糖针剂一支在6 0 7 0 美元左右，而国产价格在1 0 0 元左右，昂贵的价格使得很 多肿瘤患者望而却步。本课题研究成功并实施后，能有效的降低成本、提高产量，每支香 菇多糖针剂的价格在1 0 元左右，从而能使广大的患者受益。 2 ) 由于我国食用菌产量大，但是深加工水平低导致香菇大量上市时价格降低，广大 菇农的利益得不到保证。本课题的实施能有效推动食用菌产业的发展，带动食用菌需求量， 不仅可以解决鲜销品大量上市时的产大于销、“菇贱伤农”等问题，而且可以提高和保证农 民收入，而且可以极大的开拓国内外市场实现产品的转化，增值增效。以食用菌为原料开 发多糖产品是食用菌深加工的重要发展方向之一。 3 ) 本课题的研究，能提高我国食用菌多糖提取的整体装备的自动化水平，从而达到 提高产量、稳定质量的目的。高质量的产品可以提高我国食用菌多糖生产企业在国际上的 核心竞争力。 1 4 课题研究的内容 课题研究的主要内容包括以下几个方面： 1 、通过中试实验分析和确定食用菌多糖超声浸提生产工艺参数，为工业化连续生 产提供依据； 2 、完成对食用菌多糖超声提取工段控制系统体系结构设计； 3 、完成下位机的软硬件设计，分析系统i o 配置并为p l c 和各传感器、执行器选型。 完成提取工段三个子工段的软件设计； 4 、上下位机系统的通讯方案设计和编程，利用p l c 的p p i 通信方式，通过计算机 串口实现上下位及系统的数据传输。 5 、利用工控组态软件m c g s 编制具有良好人机交互性的自动化生产监控系统，完 成组态程序控制界面设计、实时数据库的建立、报警系统、自动控制程序脚本开发等 工作，实现上位计算机对p l c 所连接设备工作状态的实时监控。 6 第2 章食用茵多糖超声提取工艺研究 2 1 食用菌多糖超声提取原理 从食用菌中提取多糖在实验室工艺已较为成熟，国内外也均已进入工业化生产，但是 国内食用菌多糖生产多采用热水浸提工艺，效率低、耗时长。随着超声提取技术的兴起， 其快速、高效的特点正越来越引起人们的关注，该技术已成功地应用于枸杞多糖、白芍等 有效成分的提取。近几年对于食用菌多糖超声提取的研究表明利用超声提取食用菌多糖不 仅可以大幅度地提高有效成分的提取率，还可简化提取操作步骤，节省溶剂。随着超声循 环提取设备的发展，将先进的超声技术应用于食用菌多糖的工业化生产中，是我国食用菌 多糖生产领域亟待解决的问题。 2 1 1 超声循环提取原理 为了保证多糖的提取效率和提取质量，现代提取方式多采用超声提取、薄膜蒸发、真空 冷冻干燥的技术，整个提取过程均是物理过程，被浸提的化学成分的结构和性质不会发生变 化，能保持被提取物的生物活性。其中超声提取工段是食用菌多糖提取效率最为关键的一个 工段，它直接影响了多糖的得率。 超声波提取( u l 仃a s o l l i ce x t r a c t i o n ) 是利用超声波具有的空化效应、热效应及机械效应， 通过增大介质分子的运动速度，增强介质的穿透力以提取有效成分【2 5 】。 空化效应( c a v i t a t i o ne 位c t ) 空化效应是超声波对各种成分提取分离的主动力，是指介质中的气泡在超声波正负周 期的作用下，瞬时的振荡、生长、压缩及爆裂等一系列动力学过程【2 州。气泡的爆裂会产生 的巨大压力并伴生强烈的冲击波和时速达4 0 0 h 汕的微射流，使被破碎物细胞壁和细胞膜 结构在瞬间破裂完成，极大的缩短了破碎时间，加强了胞内物质的释放、扩散及溶解。 热效应( t h e r 锄a le 腩c t ) 超声波在介质中的传播过程也是一个能量的传播和扩散过程，其振动能量不断地被媒 质吸收转变为热能而使其自身温度升高，瞬态空化绝热收缩至崩溃时，极短时间在空化泡 周围的极小空间内可产生5 0 0 0 k 以上的高温和约5 1 0 7 p a 的高压，温度变化率高达1 0 9 列s ，加速了胞内物质的溶解。 机械效应( m a c h a i l i c a le 虢c t ) 超声波在介质中的传播使介质质点在其传播空间内产生震动，从而强化介质的扩散、 传播，这就是超声波的机械效应。超声波的机械效应相当于机械搅拌作用，它使介质和悬 浮体以不同的加速度互相摩擦，这种摩擦力可使生物分子解聚，使细胞壁内的有效成分更 快地溶解于溶剂之中。 7 2 1 2 超声提取的特点 超声提取技术，相对于传统的提取技术，具有以下六个特点： 提取时间短，常规的热水浸提和酶提法等都需要二个小时以上，而超声波提取则可 将提取时间缩短为几十分钟； 提取温度低，适用于对热敏性物质的提取。超声波提取时不需要高温环境，甚至可 在常温下进行，避免了常规热水浸提法长时间加热对有效成分生物活性的破坏； 超声波提取能提高目标提取物的提取效率，节省原材料，有利于降低生产成本； 溶剂用量少，节约溶剂。传统的热水浸提一般需要1 ：2 0 的料液比，而超声提取技术 只需1 ：1 0 1 5 左右的料液比，不仅减少了溶剂的用量，同时也为浓缩工段节约了时间； 超声波提取是一个物理过程，在整个浸提过程中无化学反应发生，被浸提的化学成 分的结构和性质不会发生变化，能保持被提取物的生物活性； 提取物有效成分高，有利于进一步精制。 2 2 食用菌多糖提取工艺研究 2 2 1 提取设备简介 食用菌多糖超声提取的实验室工艺已经相当成熟了，近年来的相关研究报告也非常之 多，但是目前制约超声工艺工业化生产的主要因素是其工程放大问题。本课题选用的济宁 金百特电子有限公司的g d c t q 5 c 5 n l 连续化管道式超声波提取机组，是应用于工业化提 取的设备，很好的解决了超声装置的工业放大问题。 管道式超声波提取机组是以进料器、提取管段排渣管和排液装置为主体设备，配备有 提取溶媒储罐、换热器、溶媒输送泵、软水循环泵、药液储罐、过滤泵、过滤器、搅拌泵 等辅助设备，且符合g 脚标准的过程装备。 管道式超声提取机组配有5 节超声提取管和l 节浸提管段，总长1 4 6 m ，其中超声提取 管总长为7 5 m ，总提取容积达2 7 5 8 l 。超声提取管段如图2 1 所示，具有两组超声振子， 由于超声波只能在提取溶剂中传播才能达到提取的效果，因此提取管对提取液位具有一定 要求，当下部超声振子开启时，提取容积必须等于大于半管，即液位超过下组超声振子； 只有当提取容积为全管时，才能开启上组超声振子。超声振子具有超声双频( 7 0 h z 、2 6 h z ) 、 强( 1 4 4 k w ) 弱( o 7 2 k w ) 双档超声功率输出，能适应对于不同品种食用菌的工艺需要。同时配 的辅助搅拌器，能使食用菌与提取溶媒的充分混合，保证提取过程的均一性。 图2 1 超声提取管 1 紧同螺栓m 1 22 可视窗口3 连通管4 出气口5 电动机连接轴 6 搅拌叶片7 超声振子盒8 加热盘管9 1 7 支架 提取管外壳是一个夹套，通过循环泵向其注入加热的软化水( 防止结垢) 来达到调节提取 管内温度的作用，也可通过向夹套中加入冷却水来达到降温的目的。 2 2 2 食用菌多糖提取流程 食用菌多糖提取工艺流程如图2 2 所示，主要分为投料加溶媒、超声浸提、过滤除杂三 个子工序。 1 、投料加溶媒 投料部分序主要设备为：喂料斗、输送器和进料器。经过粉碎的食用菌原料从喂料斗 中加入，经输送器向进料器输送。输送器根据提取的料液比工艺以一定速度向进料器投料， 调料速度由变频器控制。 食用菌多糖提取的溶媒为去离子水，加溶媒主要设备为：提取溶媒储罐、溶媒输送泵、 流量计、换热器。提取溶媒存储在提取溶媒储罐中，当提取开始时，提取溶媒输送泵根据 料液比工艺以一定流量向提取管中输送提取溶媒。换热器通过调节蒸汽阀来控制温度变化， 使提取溶媒进入提取管之前对其加热。 2 、超声浸提 超声浸提的过程实质上是控制提取温度、超声时间、功率强弱、超声频率的过程，其中 超声功率和频率可以通过控制两组超声振子来实现；通过循环泵向夹套注入冷却水或热水来 实现温度的保持和调节；在连续生产中，超声时间是通过物料在提取管内停留的时间来控制， 即通过控制物料流速来达到控制超声时间的目的。排渣管在超声提取管的末端，提取液和食 9 用菌渣一起进入排渣管口，食用菌渣被排渣管中的虑网捞起，送到残渣挤干设备中。同时提 取液由排液管进入提取液暂存罐中。 3 、过滤除杂 经过除渣的提取液中还是存在着很多细小的食用菌残渣，粗过滤的作用就是进一步去 除提取液中的杂质。粗过滤的主要设备为过滤器、过滤泵，经过过虑的提取液存入提取液 储罐。过滤器中内设有一个3 0 目的过滤袋，通过过滤袋，能将大部分食用菌渣过滤掉。经 初步过滤的提取液被存储在提取液储液罐中。 提取液经粗过滤后还会有一些细小的固体悬浮物，此时需要通过高速离心机，利用高 速旋转产生的离心力将固体沉淀，达到固液彻底分离的目的。经高速分离的提取液是澄清 的液体，方可进入下一浓缩工段。 2 3 食用菌多糖超声提取中试研究 2 3 1 试验材料 干香菇( 市售) 、9 5 乙醇 2 3 2 试验设备 本论文中试实验中采用设备如下： g d c t q 中试型多功能超声波提取机组( 济宁金百特电子有限公司) 、g q 7 5 型管式离心 机、真空薄膜干燥机、l g j 2 5 型冷冻干燥机( 北京四环科学仪器厂) 等。 2 3 3 食用菌多糖超声提取正交试验设计 1 实验目的 以香菇为试验对象，进行提取香菇多糖的中试试验，确定实验因素水平的最优组合， 为工业化连续生产提供依据。试验以最终粗多糖得率为衡量因素水平最优组合的依据。 香菇粗多糖得率= 彳毒凳1 。 ( 2 1 ) 2 确定实验因素与水平 影响香菇多糖得率的因素很多，如香菇品种、超声时间、料液比、提取温度、超声频率、 香菇颗粒粒度、超声功率、浓缩率、醇析浓度等。在设计正交实验时，结合实验室工艺确定 正交试验分两个阶段分别对几个重要的因素进行试验，第一阶段选择超声时间、提取温度、 料液比、颗粒粒度四个因素进行中试实验( 见表2 1 ) ，待上述四个因素确定后，再对超声频 率、超声功率因素进行考察( 见2 2 5 节) 。 1 0 l l 照嚣褥瓣一签黎敝瓣心h霞 表2 1 食用菌多糖超声提取正交实验冈素水平表 注： 料液比为干香菇与提取溶媒的重量比；超声频率为7 0 h z ；超声功率o 7 2 k w 。 3 正交表头设计 因本实验有四个四水平因素，再加上一个误差空列，可选用l 1 6 ( 4 5 ) 或l 3 2 ( 4 9 ) ；且本 试验仅考察四个因素对粗多糖得率的影响效果，不考察因素间的交互作用，故宜选用 l 1 6 ( 4 5 ) 正交表，将a ( 超声时间) 、b ( 温度) 、c ( 提取次数) 、d ( 香菇颗粒粒度) ，依次安排 在l 1 6 ( 4 5 ) 的第1 、2 、3 、4 列上，见表2 2 所示。 2 3 4 食用菌多糖超声提取正交实验结果分析 1 极差分析法 极差分析法因其计算简便，直观，简单易懂，是正交试验结果分析最常用方法。它是 通过计算各列因素水平的，与极差马，来判断因素水平对实验的影响，选出最优因素 水平组合。 ( 1 ) 髟。， 岛为第，列因素聊水平所对应的试验指标和，为岛平均值。由大小可以判断第 j 列因素优水平。 ( 2 ) 马 马为第i 列因素的极差，即 砖2 聊似f ，瓦) 聊切f ，瓦j ( 2 - 2 ) 它反映了第，列因素水平波动时，试验指标的变动幅度。马越大，说明该因素对试验 指标的影响越大。根据母大小，可以判断因素对试验指标的影响的主次顺序。详见本实 验的极差分析表2 2 。 ( 3 ) 绘制因素与指标趋势图 由极差分析表数据，以各因素水平为横坐标，试验指标的平均值( ) 为纵坐标， 绘制因素与指标趋势图( 见图2 3 ) ，可以直观地看出试验指标随着各因素水平的变化而 变化的趋势。 表2 2l 1 6 ( 4 5 ) 正交表头及试验结果极差分析表 1 2 因素超声时盒( 晌) 提取鑫度料鑫比粒翕m ) 误量列然 实验l1 ( 1 0 )l ( 2 0 ) l ( 1 ：5 ) 1 ( 0 6 1 3 ) 实验2 1 ( 1 0 )2 ( 4 0 ) 2 ( 1 ：1 0 ) 2 ( 0 8 5 ) 实验3 1 ( 1 0 )3 ( 6 0 ) 3 ( 1 ：1 5 ) 3 ( 4 8 ) 实验4 1 ( 1 0 )4 ( 8 0 ) 4 ( 1 ：2 0 )4 ( 8 1 2 ) 实验52 ( 2 0 )1 ( 2 0 )2 ( 1 ：1 0 )3 ( 4 8 ) 实验6 2 ( 2 0 )2 ( 4 0 ) 1 ( 1 ：5 ) 4 ( 8 1 2 ) 实验7 2 ( 2 0 )3 ( 6 0 ) 4 ( 1 ：2 0 ) l ( 0 6 1 3 ) 实验8 2 ( 2 0 )4 ( 8 0 ) 3 ( 1 ：1 5 )2 ( o 8 5 ) 实验93 ( 3 0 ) 1 ( 2 0 ) 3 ( 1 ：1 5 ) 4 ( 8 1 2 ) 实验1 03 ( 3 0 )2 ( 4 0 ) 4 ( 1 ：2 0 ) 3 ( 4 8 ) 实验l l 3 ( 3 0 )3 ( 6 0 ) l ( 1 ：5 ) 2 ( o 8 5 ) 实验1 2 3 ( 3 0 )4 ( 8 0 ) 2 ( 1 ：1 0 ) l ( 0 6 1 3 ) 实验1 3 4 ( 4 0 )1 ( 2 0 ) 4 ( 1 ：2 0 )2 ( 0 8 5 ) 实验1 44 ( 4 0 )2 ( 4 0 ) 3 ( 1 ：1 5 ) 1 ( o 6 1 3 ) 实验1 5 4 ( 4 0 )3 ( 6 0 ) 2 ( 1 ：1 0 ) 4 ( 8 1 2 ) 5 8 6 6 1 2 4 5 6 3 3 l 4 9 5 4 3 9 6 7 2 6 7 6 4 2 2 4 5 5 6 6 4 6 8 9 6 0 9 6 4 9 4 4 5 实验1 6 4 ( 4 0 )4 ( 8 0 ) 1 ( 1 ：5 ) 3 ( 4 8 )2 4 8 8 ， 斥l 4 9 6 25 2 8 05 4 4 26 4 9 05 4 0 5 庀2 5 7 0 55 3 8 75 6 0 3 6 4 0 25 4 8 5 彤3 5 5 7 55 5 9 25 5 0 84 7 3 55 4 8 2 ， 托4 5 4 7 85 4 6 05 1 6 74 0 9 25 3 4 8 尺o 7 4 3o 3 1 2o 4 3 62 3 9 80 1 3 7 由超声时间与粗多糖得率的关系趋势图可知，超声时间在2 0 m i n 最佳，时间过短多 糖没有完全溶出；超声时间过长多糖又被机械剪切成小分子而影响得率。 由提取温度与粗多糖得率的关系趋势图可知，最佳提取温度在6 0 。可见温度过低 不利于多糖的溶出，然而多糖是一种热敏物质，过高的温度也会加速多糖的降解，从而影 响得率。 由料液比与粗多糖得率关系趋势图可知，最佳料液比为1 ：1 0 。溶剂比例过小，会因为 多糖提取液很快达到饱和，更多的多糖无法溶出，提取容量有限。溶剂比例过大会对后续 浓缩处理带来负担，更会因为加长浓缩工段的处理时间而导致多糖的损失，从而影响得率。 由香菇颗粒粒度与得率关系趋势图可知，香菇颗粒粒度越小越有利于多糖的提取，较 小的香菇颗粒有利于增大香菇与提取溶剂接触的表面积，有助于多糖的溶出，因此在超声 提取时应将香菇子实体粉碎为3 0 目大小的颗粒。 1 3 1 2 3 4 4 3 2 1 2 l 4 3 3 4 l 超声时