牛蒡中菊糖的提取及抑菌研究

杜云建，謝翠平

（淮海工學(xué)院海洋學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

牛蒡中菊糖的提取及抑菌研究

杜云建，謝翠平

（淮海工學(xué)院海洋學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

牛蒡中富含菊糖。以牛蒡粉為原料，采用熱水浸提法，以菊糖得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇時(shí)間、溫度、液固比和提取次數(shù)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定其條件范圍，并采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化影響提取工藝的主要參數(shù)。確定提取的最優(yōu)條件為：時(shí)間65.11 min，溫度83.14 ℃，液固比10.13∶1（mL/g），提取2次，菊糖得率為14.03%，與響應(yīng)面模型所預(yù)測(cè)的菊糖得率14.16%相差不大。探討了菊糖對(duì)乳酸菌和大腸桿菌生長(zhǎng)的影響，試驗(yàn)表明：菊糖能促進(jìn)乳酸菌的生長(zhǎng)，而對(duì)大腸桿菌有抑制作用。

牛蒡；菊糖；響應(yīng)面；功能研究

牛蒡別名惡實(shí)根、鼠粘根、牛菜等，屬于菊科牛蒡?qū)賰赡晟荼局参?，根和葉子可作蔬菜，種子和根可入藥。宋人蘇頌曾這樣描寫(xiě)牛蒡“：葉如芋而長(zhǎng)，實(shí)似葡萄核而褐色，外殼如栗木棣小而多刺”，“根有極大者，作菜尤益人”[1]。牛蒡營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高，屬菊科中的稀特蔬菜，富含菊糖、纖維素、蛋白質(zhì)、鈣、磷、鐵等人體所需的多種維生素及礦物質(zhì)，其中胡蘿卜素含量比胡蘿卜高150倍，蛋白質(zhì)和鈣的含量為根莖類之首。牛蒡根含有人體必需的各種氨基酸，且含量較高[2]；牛蒡的多酚類物質(zhì)具有抗癌、抗突變的作用，因而具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和較廣泛的藥理活性。牛蒡甙有擴(kuò)張血管、降低血壓、抗菌的作用，能治療熱感冒、咽喉腫痛、流行性腮腺炎等多種疾病及抗老年癡呆作用[3-4]。

牛蒡中含有豐富的菊糖[5]，菊糖又稱菊粉,是?一種自然界廣泛存在的果聚糖，最早從菊芋中提取出來(lái)而得名。由于菊糖的眾多生理功能，使其在食品行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用：菊糖溶于水后，可改善食品組織狀態(tài)，形成光滑細(xì)膩、脂肪似的凝膠，從而賦予食品極佳的脂肪質(zhì)地和類似脂肪的口感；由菊糖可以制成菊糖-水凝膠、菊糖-水-表面活性劑凝膠、菊糖-水-油乳濁液及菊糖-水-植物膠組合，開(kāi)發(fā)系列脂肪替代物，用于烘焙食品制造；菊糖作為質(zhì)構(gòu)改良劑，可以提供飲料的實(shí)體感、改善低熱量冰淇淋的質(zhì)地與口感、改善肉制品的保水性、有助于無(wú)脂糖霜的充氣，泡沫穩(wěn)定，并賦予潤(rùn)滑性及良好口感、改善醬類食品的黏稠度與口感、控制糕點(diǎn)及甜食面團(tuán)的黏度、延長(zhǎng)焙烤與谷物食品的保質(zhì)期[6]。

本文探討了從牛蒡中提取菊糖的工藝及菊糖在微生物方面的功能，旨在為牛蒡的開(kāi)發(fā)利用和牛蒡菊糖的工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮牛蒡：購(gòu)自連云港時(shí)代超市；大腸（埃希氏）桿菌（Escherichia coli）：由淮海工學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室提供；玻璃瓶裝酸奶（只含乳酸菌）：購(gòu)自時(shí)代超市。

1.2 主要儀器和設(shè)備

DHG—9240A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、DNP-9162電熱恒溫培養(yǎng)箱、高速萬(wàn)能粉碎機(jī)、DK—S24電熱恒溫水浴鍋：上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司；722S型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：上海棱光技術(shù)有限公司；SW-CJ-IF精密定時(shí)攪拌器：國(guó)華電器有限公司；R—502B旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：南京金正教學(xué)儀器有限公司；TGL—16M臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)：上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司；YXQ.SG41.280手提式壓力蒸汽滅菌鍋：上海華線醫(yī)用核子儀器有限公司；冷凍干燥機(jī)。

1.3 方法

1.3.1 原料的預(yù)處理

將新鮮的牛蒡洗凈，切成薄片，稱重，60℃下恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干，再稱重，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，過(guò)60目篩得牛蒡粉，備用。

1.3.2 菊糖的提取

稱取牛蒡粉約5 g，以水為溶劑，采用不同的時(shí)間、溫度、液固比和提取次數(shù)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，探討它們對(duì)菊糖得率的影響。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇時(shí)間、溫度和液固比3個(gè)影響因素，利用響應(yīng)面分析法進(jìn)行三因素三水平設(shè)計(jì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出最佳浸提條件。

1.3.3 菊糖的制備

1.3.3.1 提取

稱取牛蒡粉5 g，用水浴鍋控制溫度，在精密定時(shí)攪拌器的攪拌下，按最佳提取條件提取2次，分次真空抽濾后合并提取液。

1.3.3.2 脫色

采用D301-G大孔弱堿性陰離子交換樹(shù)脂吸附脫色。取一定量的樹(shù)脂，先用自來(lái)水自上而下通過(guò)樹(shù)脂層，流速為5 m/h～10 m/h，至出水澄清透明，無(wú)任何氣味，搖動(dòng)時(shí)不起泡沫為止。再用5%的HCl以2 m/h的流速通過(guò)樹(shù)脂層，至排出液明顯為酸性時(shí)，將交換柱內(nèi)液面放至樹(shù)脂層面以上約0.2 m處，靜置4 h，放掉酸液，用純凈水以10 m/h流速?zèng)_洗樹(shù)脂至排出水接近中性為止。最后用等于2倍樹(shù)脂體積的2%NaOH溶液，浸泡樹(shù)脂4 h，放掉堿液，沖洗樹(shù)脂至排出水接近中性，然后將提取液以一定的速度流經(jīng)樹(shù)脂層，收集柱下口的流液。

1.3.3.3 濃縮

將脫色后的提取液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中60℃下濃縮至約等于原體積的1/3。

1.3.3.4 脫蛋白

采用TCA法，向濃縮后的提取液中加入1.5倍體積的5%TCA溶液，混和均勻，于冰箱中靜置6 h，再以3500 r/min的轉(zhuǎn)速離心30 min，除去沉淀，保留上清液，一次脫蛋白。

1.3.3.5 乙醇沉析

向上清液中加入3倍體積的無(wú)水乙醇，在4℃冰箱中放置過(guò)夜，再以3500 r/min的轉(zhuǎn)速離心30 min，除去上清液，保留濾餅，并抽濾去除濾餅上的殘留溶劑。

1.3.3.6 預(yù)凍及冷凍干燥

先把濾餅放-40℃冰箱中預(yù)凍過(guò)夜，再在-50℃、真空度0.085 MPa條件下干燥5 h，得牛蒡菊糖粗成品。

1.3.4 菊糖的功能研究

本試驗(yàn)選取了大腸桿菌和乳酸菌2種細(xì)菌，研究菊糖對(duì)這2種細(xì)菌生長(zhǎng)的影響，以初步確定菊糖在微生物方面的功能。

1.3.5 菊糖得率的測(cè)定

1）菊糖的測(cè)定[3]。

菊糖得率=（總糖量－還原糖量）/鮮牛蒡質(zhì)量×100%

2）總糖的測(cè)定：硫酸-苯酚法[4]。

3）還原糖的測(cè)定：DNS法[4]。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取時(shí)間對(duì)菊糖得率的影響

提取時(shí)間對(duì)菊糖得率的影響，見(jiàn)圖1。

由圖1結(jié)果表明，隨著時(shí)間的增加，菊糖得率隨之增加，但在60 min后菊糖得率的增加已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因而提取時(shí)間以60 min為宜。

2.2 提取溫度對(duì)菊糖得率的影響

提取溫度對(duì)菊糖得率的影響，見(jiàn)圖2?？芍釡囟仍礁?，菊糖的溶解性越好，得率也越高，但80℃后，菊糖得率增幅減小，可能是牛蒡中的菊糖已基本溶出，為減少能耗，浸提溫度以80℃為宜。

2.3 液固比對(duì)菊糖得率的影響

液固比對(duì)菊糖得率的影響，見(jiàn)圖3。

從圖3可見(jiàn)，隨著液固比的增加，菊糖得率在10∶1時(shí)達(dá)到最大值，隨后則明顯下降。然而液固比的增加，會(huì)給后處理蒸發(fā)濃縮增加困難，增加生產(chǎn)成本，因此在保證提取效果的同時(shí)，應(yīng)盡量減少溶劑用量和降低蒸發(fā)濃縮負(fù)荷，故液固比以10∶1為宜。

2.4 提取次數(shù)對(duì)菊糖得率的影響

提取次數(shù)對(duì)菊糖得率的影響，見(jiàn)圖4。

由圖4可知,當(dāng)浸提次數(shù)在2次時(shí)，菊糖隨著次數(shù)的增加而增加，當(dāng)次數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，菊糖得率曲線趨于平穩(wěn)，表明牛蒡中的菊糖已基本浸出。因此，浸提次數(shù)超過(guò)2次就無(wú)實(shí)際意義了，浸提次數(shù)以2次為好。

2.5 響應(yīng)面分析與結(jié)果

本試驗(yàn)在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理[7-8]，以菊糖得率Y為響應(yīng)值，利用Design Expert7.1.4軟件設(shè)計(jì)了三因素三水平的響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn),共有17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中12個(gè)為析因點(diǎn)，5個(gè)為零點(diǎn)以估計(jì)誤差。因素水平見(jiàn)表4；試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見(jiàn)表1。

表 1 Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值結(jié)果Table 1 The design of Box-Behnken and the response values

利用Design Expert7.1.4軟件對(duì)表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合?？傻贸鰞?yōu)化后的設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)果的影響顯著。采用手動(dòng)優(yōu)化的方法對(duì)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化，去掉對(duì)結(jié)果影響不顯著的AB交互項(xiàng)后得到的二次多項(xiàng)回歸方程為：Y=－69.22375+0.14582A+1.81215B+0.65250C+7.75×10-3AC+0.036BC－1.7225 ×10-3A2－0.01309B2－0.20494C2。

失擬項(xiàng)不顯著（P=0.4615＜0.05），而模型的P值＜0.0001，表明模型高度顯著；同時(shí)軟件分析的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2是96.38%，校正后的R2Adj為92.75%，這表明該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，該模型是合適的，可以用此模型對(duì)菊糖浸提工藝條件進(jìn)行分析測(cè)定。在所選取的因素水平范圍內(nèi)，各因素對(duì)結(jié)果的影響排序?yàn)闇囟?液固比>時(shí)間。

RSM方法的圖形是特定的響應(yīng)面Y對(duì)應(yīng)的因素A、B、C構(gòu)成的一個(gè)三維空間在二維平面上的等高圖，可以直觀地反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，從試驗(yàn)所得的響應(yīng)面分析圖上可以找到它們?cè)诜磻?yīng)過(guò)程中的相互作用。對(duì)經(jīng)手動(dòng)優(yōu)化后的回歸方程所作的響應(yīng)曲面圖及其等高線圖見(jiàn)圖5、圖6。

圖5顯示了當(dāng)提取溫度一定時(shí)，提取時(shí)間和液固比對(duì)菊糖得率的交互影響效應(yīng)?？芍?，當(dāng)提取溫度和液固比不變時(shí)，菊糖得率隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)增加到一定程度后基本上趨于平穩(wěn)，且隨著時(shí)間的增加，菊糖得率增幅很??；當(dāng)提取溫度和提取時(shí)間不變時(shí)，菊糖得率隨著液固比的增大，先增加后減小，且減小的幅度比增加的幅度更顯著。

圖6顯示了當(dāng)提取時(shí)間一定時(shí)，提取溫度和液固比對(duì)菊糖得率的交互影響效應(yīng)。

由圖6可知，當(dāng)提取時(shí)間和液固比不變時(shí)，菊糖得率隨著提取溫度的升高緩慢增加到一定程度后，基本上趨于平穩(wěn)，且隨著溫度的增加，菊糖得率的變化不明顯；在相同的提取溫度下,菊糖得率隨著液固比的變化而顯著變化，當(dāng)液固比較低時(shí)，菊糖得率隨著液固比的增大而顯著增加，當(dāng)液固比較高時(shí)，菊糖得率隨著液固比的升高反而顯著減小。

通過(guò)Design Expert7.1.4軟件對(duì)經(jīng)手動(dòng)優(yōu)化后的回歸方程求解,在試驗(yàn)的因素水平范圍內(nèi)預(yù)測(cè)提取的最佳條件為：提取時(shí)間65.11 min，提取溫度83.14 ℃，液固比10.13∶1，在此條件下提取2次，菊糖得率可達(dá)14.16%。在此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證性試驗(yàn)，測(cè)得的菊糖得率均值為14.0323%，與理論預(yù)測(cè)值14.16%的相對(duì)誤差很小，說(shuō)明經(jīng)手動(dòng)優(yōu)化后的回歸方程與實(shí)際情況擬合很好,充分驗(yàn)證了所建模型的正確性,說(shuō)明響應(yīng)面法適用于對(duì)牛蒡中菊糖提取工藝進(jìn)行回歸分析和參數(shù)優(yōu)化。

2.6 菊糖的功能研究

在37℃恒溫培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)24 h后，菊糖對(duì)大腸桿菌和乳酸菌生長(zhǎng)的影響見(jiàn)圖7和8。

由圖7可看出，通過(guò)培養(yǎng)，在無(wú)菌水區(qū)域內(nèi)大腸桿菌能夠正常生長(zhǎng)，在蘸有菊糖溶液的區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)了透明圈，即抑菌圈，說(shuō)明菊糖能有效抑制有害細(xì)菌大腸桿菌的生長(zhǎng)；而圖8中，在蘸有菊糖溶液的區(qū)域內(nèi)比在蘸無(wú)菌水的區(qū)域內(nèi)乳酸菌菌落多，說(shuō)明菊糖能很好的促進(jìn)有益菌乳酸菌的生長(zhǎng)。

3 結(jié)論

本文在研究牛蒡中菊糖提取時(shí)各因素對(duì)菊糖得率的影響基礎(chǔ)上，用Design-Expert 7.1.4響應(yīng)面分析軟件，對(duì)菊糖的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，得出提取工藝參數(shù)的回歸方程為：

方差分析結(jié)果表明：擬合檢驗(yàn)顯著，該方程能較好的預(yù)測(cè)菊糖得率隨各參數(shù)變化的規(guī)律。優(yōu)化得到的最佳提取工藝條件為:提取時(shí)間65.11 min，提取溫度83.14 ℃，液固比10.13∶1，利用最優(yōu)條件提取2次，菊糖得率為14.03%，與響應(yīng)面模型所預(yù)測(cè)的得率14.16%十分接近，該方程與實(shí)際情況擬合很好，說(shuō)明響應(yīng)面法能較好地對(duì)菊糖水浸提工藝進(jìn)行回歸分析和參數(shù)優(yōu)化。

利用最佳浸提條件得到的提取液經(jīng)D301-G樹(shù)脂脫色、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮、TCA法脫蛋白、乙醇沉析、冷凍干燥后得到菊糖粗產(chǎn)品，該產(chǎn)品為白色略顯灰色，無(wú)臭，易溶于水。菊糖在微生物方面的功能研究實(shí)驗(yàn)表明：菊糖能抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)而促進(jìn)乳酸菌的生長(zhǎng)。

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The Inulin Extraction from Burdock and Bacteriostasis Research

DU Yun－jian，XIE Cui－ping
（School of Marine Science and Engineering，Huaihai Institute of Technology，lianyungang 222005，Jiangsu，China）

Burdock was rich in inulin.Burdock powder was taken as raw material，inulin was extracted by hot water.The optimal technological conditions of the inulin extraction from Burdock were investigated through single factor test and response surface methodology，the best extraction processing parameter was ascertained as follows：time 65.11 min，temperature 83.14 ℃，ratio of solvent to raw material 10.13∶1（mL/g），extraction times twice，the yield of inulin was 14.03%，which agreed with the predicted value 14.16%with response surface methodology.The effect of inulin on the grow of lactobacillus and Escherichia coil was discussing，experiments indicated that the inulin can promote the lactobacillus，but inhibit Escherichia.

Burdock；inulin；response surface；bacteriostasis research

杜云建（1962—），男（漢），副教授，大學(xué)本科，研究方向：食品與發(fā)酵工程。

2011-03-07