菊芋多糖提取過程中的pH控制策略研究

梁 磊，李 平，朱明軍，*

（1.廣州甘蔗糖業(yè)研究所，廣東廣州510316；2.華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510006）

菊芋多糖提取過程中的pH控制策略研究

梁 磊1，李 平2，朱明軍2，*

（1.廣州甘蔗糖業(yè)研究所，廣東廣州510316；2.華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510006）

采用未漂洗和漂洗過的菊芋做原料，在pH5.0～9.0，85℃、固液比1∶10下提取，并在60～120min每隔10min取樣分析，得出如下結(jié)論：pH越低，提取液中的還原糖含量越高；pH越高，提取液中的蛋白質(zhì)的含量越高；菊糖含量在100min左右達(dá)到最高值?？紤]還原糖及蛋白質(zhì)等雜質(zhì)、脫色及菊糖的含量，未漂洗的原料最佳提取條件為pH7.0，提取110min，其菊糖含量為88.43g/L，菊糖提取率為76.46%；漂洗過的原料最佳提取條件則是pH7.0，提取100min，其菊糖含量為86.10g/L，菊糖提取率為72.65%。

pH控制策略，菊糖，提取率

菊芋（Helianthus tuberosus）俗稱洋姜、姜不辣，是菊科向日葵屬多年生草本植物[1-3]。菊芋具有耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗風(fēng)沙、適應(yīng)性廣、繁殖性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，畝產(chǎn)塊莖達(dá)2000～4000kg，且菊粉含量高，占其塊莖干重的60%～80%[4]。菊糖是由D果糖經(jīng)（1-2）糖苷鍵聚合成的聚合度為2～60左右的線性多糖。菊粉可作為保健食品防治糖尿病、高血壓、高血脂等，并可作為脂肪替代物用于食品生產(chǎn)中[5-8]。目前菊糖提取大多采用熱水浸提法，工藝簡(jiǎn)單，但其中存在單糖、蛋白質(zhì)等雜質(zhì)，而提取液的pH對(duì)這些雜質(zhì)的含量及提取率的高低影響較大。本文研究了pH對(duì)提取液中雜質(zhì)含量及提取率的影響，旨在為菊糖提取產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菊芋 1號(hào)原料在切片加工過程中未經(jīng)過漂洗，2號(hào)原料在切片加工過程中經(jīng)過漂洗（自來水直接沖洗），二者均為經(jīng)過切片烘干后的成品，來自湖北仙桃；3，5-二硝基水楊酸、蒽酮 購自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；苯酚、硫酸、磷酸 購自廣東光華化學(xué)廠有限公司；葡萄糖、果糖 購自天津市大茂化學(xué)試劑廠；考馬斯亮藍(lán)G250 購自上海伯奧生物科技有限公司；以上試劑 均為分析純。

FW100型粉碎機(jī) 天津泰斯特有限公司；MA35水分測(cè)定儀 德國(guó)賽多利斯集團(tuán)；HH-6型恒溫水浴鍋 金壇市宏華儀器廠；5804R冷凍離心機(jī) 德國(guó)Eppendorf；尤尼柯2802SH型紫外可見分光光度計(jì) 上海儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 粗菊粉的制備及水分測(cè)定 將原料1和原料2用粉碎機(jī)粉碎，過40目篩，立即裝入聚乙烯袋中，放入冰箱中備用。取少量樣品，放入水分測(cè)定儀中，設(shè)定參數(shù)120℃、30min，測(cè)得1號(hào)原料水分含量為8.05%，2號(hào)原料水分含量為6.84%。

1.2.2 菊糖的提取 取500mL三角瓶5個(gè)，每個(gè)加入預(yù)先加熱到85℃的去離子水200mL，再加入20g（按干重計(jì)）的粗菊粉，分別調(diào)節(jié)pH到5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，在85℃恒溫水浴鍋中提取120min。在60、70、80、90、100、110、120min分別取樣10mL，立即放入冰箱，備用。將樣品于4℃，3000×g離心15min即可用于各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.2.3 測(cè)定方法

1.2.3.1 菊芋提取液中還原糖的測(cè)定 采用DNS比色法[9]。

1.2.3.2 菊芋提取液中總糖的檢測(cè) 采用蒽酮比色法[9]。

1.2.3.3 菊芋提取液中蛋白質(zhì)含量的檢測(cè) 采用考馬斯亮藍(lán)法（Bradford）測(cè)定可溶性蛋白的含量[10]。

1.2.4 計(jì)算 菊糖濃度=總糖濃度-還原糖濃度

菊糖得率=（提取液總糖質(zhì)量-提取液還原糖質(zhì)量）/粗菊粉中菊糖質(zhì)量

粗菊粉中的菊糖質(zhì)量=原料1菊粉干重×74.54%或原料2菊粉干重×72.98%（74.54%、72.98%均為多次提取測(cè)得的菊糖含量）

2 結(jié)果與分析

2.1 pH對(duì)提取液中還原糖含量的影響

按1.2.3.1中所述，對(duì)提取液中還原糖的含量進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如圖1所示。從a、b兩圖可以看出兩種原料在pH越低的情況下，提取液中的還原糖含量越高，這是因?yàn)樵谒嵝詶l件下低聚果糖更容易降解成單糖，因此還原糖含量會(huì)越高。在提取過程中，菊芋多糖的水解為可逆過程，還原糖的量從60min開始到120min結(jié)束均變化不大。pH5.0條件下還原糖的量持續(xù)升高，可能是因?yàn)樗嵝暂^強(qiáng)，解聚作用占主要地位。

圖1 不同pH對(duì)提取液中還原糖含量的影響注：a為原料1；b為原料2，圖2、圖3同。Fig.1 Effect of different pH on the concentration of reducing sugars of the extract

pH5.0條件下提取120min原料1，提取液的還原糖含量為4.20g/L，而pH9.0條件下還原糖含量為2.53g/L；pH5.0條件下提取120min原料2，提取液的還原糖含量為3.20g/L，而pH9.0條件下還原糖含量為2.05g/L。原料2的還原糖量較原料1低，可能是因?yàn)槠吹倪^程使得一部分小分子的單糖流失?？傮w說來，還原糖的量從60min開始到120min結(jié)束，還原糖的量變化不大，所以在考慮最佳提取條件時(shí)，還原糖與時(shí)間的變化情況可以作為次要因素。

2.2 pH對(duì)提取液中蛋白質(zhì)含量的影響

按1.2.3.3中所述，對(duì)提取液中蛋白質(zhì)的含量進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出提取液中蛋白質(zhì)的含量隨pH的升高而升高?？赡苁且?yàn)榇蠖鄶?shù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)都為低pH條件，故提取條件的pH越低，越接近蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)而使其沉淀下來。蛋白質(zhì)沉降的作用力主要是熱變性以及接近等電點(diǎn)時(shí)的疏水作用力。多種作用力相互作用導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量隨時(shí)間呈現(xiàn)升高、降低交替變化的情況?？傮w來講，蛋白質(zhì)含量在80min左右達(dá)到最低值。同時(shí)兩種原料的蛋白質(zhì)含量并沒有明顯的區(qū)別，說明漂洗作用對(duì)提取液中蛋白質(zhì)的含量影響不大。

圖2 不同pH對(duì)提取液中蛋白質(zhì)含量的影響Fig.2 Effect of different pH on the concentration of the protein of the extract

2.3 pH對(duì)提取液中菊糖含量的影響

按1.2.3.2中所述，對(duì)提取液中總糖的含量進(jìn)行了測(cè)定，按1.2.4進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示?？偟膩碚f菊糖的量是隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)而增加的。說明提取時(shí)間越長(zhǎng)，提取效果越好，但是提取時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)增加提取液中的雜多糖，同時(shí)提取能耗也相應(yīng)增大。低pH（5.0～6.0）下菊糖濃度的高峰出現(xiàn)在90～100min；高pH（7.0～9.0）下菊糖濃度的高峰出現(xiàn)在100～110min。pH越高，總體上來講菊糖的含量會(huì)稍高一些。

圖3 不同pH對(duì)提取液中菊糖含量的影響Fig.3 Effect of different pH on the concentration of the inulin of the extract

110min，pH7.0條件下時(shí)原料1提取液的菊糖含量達(dá)到最高值為88.43g/L；100min，pH7.0條件下時(shí)原料2提取液的菊糖含量達(dá)到最高值為86.10g/L。

2.4 最佳提取條件的確定

原料1在不同pH條件下，提取液中的還原糖含量從pH7.0～9.0差異并不明顯，同時(shí)在所研究的60min到120min內(nèi)也變化不明顯；在pH7.0，提取110min時(shí)菊糖含量最高，達(dá)到88.43g/L，而此時(shí)蛋白質(zhì)的含量處于居中水平，同時(shí)我們?cè)谘芯恐羞€發(fā)現(xiàn)提取液的顏色隨著提取液pH的升高而明顯變深，這會(huì)對(duì)后續(xù)的脫色等工藝造成較大的困難。若降低提取液的pH，提取液中的菊糖含量明顯下降，還原糖含量明顯升高，且還原糖的脫除較困難；若升高提取液的pH，提取液中的蛋白質(zhì)含量也有較大的提高，蛋白質(zhì)這樣的大分子物質(zhì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，且菊糖含量也有下降，故選定pH7.0，提取110min作為原料1的最佳提取條件。同理可確定pH7.0，提取100min作為原料2的最佳提取條件。

按固液比1∶10，提取溫度85℃及以上最佳pH及時(shí)間分別對(duì)原料1和原料2進(jìn)行提取并收集提取液，按1.2.4進(jìn)行計(jì)算，得到原料1的提取率為76.46%，原料2的提取率為72.65%（具體數(shù)據(jù)未呈現(xiàn)）。這一提取率較楊振等[8]提取的結(jié)果高，可能是提取溫度的提高及提取時(shí)間的延長(zhǎng)所致；但較何新華等[11]的結(jié)果低，可能是因?yàn)楸疚乃玫墓桃罕戎递^高的原因。采用較高的固液比也是考慮到工業(yè)應(yīng)用，若采用較低的固液比，工業(yè)用水會(huì)較大，進(jìn)而增加成本。固液比與提取pH及提取時(shí)間的相互關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

通過對(duì)兩種原料的菊芋進(jìn)行提取及還原糖、蛋白質(zhì)及總糖的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，pH對(duì)提取效果的影響較大。pH越低，提取液中還原糖含量越高；pH越高，提取液中蛋白質(zhì)的含量越高，但二者隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)變化都不大。較低pH條件下，菊糖含量在90～100min達(dá)到高峰；在較高pH條件下，菊糖含量在100～110min達(dá)到高峰。綜合考慮菊糖含量、還原糖含量、蛋白質(zhì)含量及提取液色度等條件，原料1的最佳提取條件為pH7.0，提取110min；原料2則為pH7.0，提取100min。

通過進(jìn)一步的研究表明，超濾系統(tǒng)對(duì)蛋白質(zhì)的脫除作用較明顯；而超濾系統(tǒng)對(duì)還原糖的脫除能達(dá)到100%，這對(duì)于產(chǎn)品的品質(zhì)有較大的提升，但損失較嚴(yán)重。今后的研究應(yīng)著重關(guān)注怎樣采用安全、低成本的方法對(duì)提取液進(jìn)行蛋白質(zhì)等雜質(zhì)的脫除以及脫色問題。

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Study on strategy of pH control on the inulin extraction from Jerusalem artichoke

LIANG Lei1，LI Ping2，ZHU Ming-jun2，*
（1.Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute，Guangzhou 510316，China；2.School of Bioscience and Bioengineering，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Two kinds of Jerusalem artichoke（rinsed and unrinsed）were used for inulin extraction at the condition of 85℃，solid/liquid ratio of 1∶10，and the pH of 5.0～9.0.The reducing sugars concentration of the extraction increased with lower pH；while the protein concentration of the extraction increased with higher pH.The highest inulin concentration was reached at 100min.Considering the inulin concentration，the impurities（reducing sugars and protein）and the color of the extraction，the optimum extraction conditions for the unrinsed material and rinsed material were pH7.0，110min and pH7.0，100min，respectively.The inulin concentration and extraction rate for unrinsed material and rinsed material were 88.43g/L，76.46%and 86.10g/L，72.65%，respectively.

strategy of pH control；inulin；extraction rate

TS201.1

B

1002-0306（2012）01-0220-03

2010－12－03 *通訊聯(lián)系人

梁磊（1980-），男，博士，研究方向：食品生物技術(shù)、生物基材料。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51078147）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2010B031700022，2010A010500005）。