菊芋多糖工業(yè)提取和除雜方法的研究

摘 要：該文以新疆菊芋為研究對象，以熱水浸提法對菊芋中的菊糖進(jìn)行提取，并以Ca（OH）2—CO2法對浸提液進(jìn)行除雜。在熱水浸提試驗(yàn)中，以浸提溫度、時間和料水比作為因素進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了正交試驗(yàn)，結(jié)果分析表明熱水浸提的最佳工藝參數(shù)為：浸提溫度90 ℃、時間50 min、料水比1：30，在此條件下菊糖得率為最高達(dá)到77.99%。在除雜試驗(yàn)中，以Ca（OH）2溶液調(diào)節(jié)的pH值、CO2回調(diào)的pH值以及澄清溫度作為因素進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了正交試驗(yàn)，結(jié)果分析表明除雜的最佳工藝參數(shù)為：Ca（OH）2溶液調(diào)節(jié)pH為10.0，CO2回調(diào)pH至6.0，澄清溫度為80 ℃，澄清時間15 min，在此條件下菊糖的得率為71.21%、透光率為87.36%。

關(guān)鍵詞：菊芋 菊糖 熱水浸提 除雜

中圖分類號：TQ461 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0019-04

菊芋（Jerusalem artichoke），又名洋姜，是菊科多年生草本植物，耐貧瘠和干旱，對氣候和土壤條件要求不高，適應(yīng)性很強(qiáng)，廣泛種植于我國很多省區(qū)，一次種植收獲，畝產(chǎn)可達(dá)3000～5000 kg，是一種急待開發(fā)的半野生資源[1]，菊芋塊莖中含多種營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)濟(jì)價值很高。鮮菊芋的菊糖含量可占濕重的15%～20%、干重的80%左右， 是加工生產(chǎn)菊糖及其制品的良好原料。目前，菊芋被國內(nèi)外高度重視并開發(fā)其功能性食品添加劑——菊糖、蛋白質(zhì)、果膠、有機(jī)酸、纖維素及其他成分[2]。菊糖（Inulin），又名菊粉、土木香粉，是由D-果糖經(jīng)β-（1→2）糖苷鍵連接而成的鏈狀多糖， 末端常含有一個葡萄糖基。菊粉的分子式表示為GFn，其中G代表終端葡萄糖單位，F(xiàn)代表果糖分子，n代表果糖的單位數(shù)[3]。菊粉的聚合度為2-60，平均分子量在5500左右。

菊芋生長適應(yīng)性強(qiáng)，宜種植于十年九旱多大風(fēng)的山區(qū)、丘陵地帶和土壤瘠薄，氣候溫涼地域；另外，種植菊芋可固沙、防沙塵暴，改善生態(tài)環(huán)境[4]。生產(chǎn)菊粉和低聚果糖的過程中，不產(chǎn)生有害氣體和廢酸、廢渣等，對環(huán)境不會造成污染。菊芋（洋姜、地姜）是目前的蔬菜中品種優(yōu)異，具有多種保健功效的重要品種資源，是發(fā)展?fàn)I養(yǎng)、保健、療效食品的理想原料，它的開發(fā)利用有著廣闊的前景。

菊芋在我國只有零星種植，多年來加工腌菜食用，附加值低，利用量小。在內(nèi)蒙古、甘肅、新疆等地雖有幾家菊芋深加工企業(yè)，但因技術(shù)落后，缺少競爭力，與歐洲同類產(chǎn)品差距很大。盡管國際市場需求旺盛，國內(nèi)產(chǎn)品卻缺少市場，甚至我國目前食品產(chǎn)業(yè)使用的高純度菊粉、高純度低聚果糖相當(dāng)程度依靠進(jìn)口，目前年使用量約有10000 t，并有迅速上升的趨勢[5]?，F(xiàn)國內(nèi)有山東奇力公司、青海威德公司、湖北潛江等地也在大力種植加工。但如能實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，切實(shí)降低成本，提高技術(shù)含量，我國每年對一些高純度原料總需求量在40萬t以上。

目前， 國際上菊芋菊粉及相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)已經(jīng)成為很大的一個產(chǎn)業(yè)，因?yàn)榫辗鬯饪傻玫焦呛偷途酃?，它們具有不同的保健功能[6]。我國菊粉純化多采用熱水提取、菊粉微波提取等方法，工藝方法比較粗糙，菊粉含量與品質(zhì)都不高，且多以菊苣為原料生產(chǎn)，很少對以菊芋作為原料生產(chǎn)的菊粉進(jìn)行系統(tǒng)深入地研究。

本項(xiàng)目研究菊芋中菊糖的提取分離、純化方法，篩選出可操作性強(qiáng)且產(chǎn)率高、適合工業(yè)化生產(chǎn)的工藝方法，旨在為能源植物菊芋的開發(fā)利用及實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，同時也為菊粉進(jìn)一步加工生產(chǎn)更高附加值的果糖和低聚果糖奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 主要材料和儀器

主要實(shí)驗(yàn)材料如下：菊芋，由新疆冠農(nóng)果茸集團(tuán)股份有限公司提供；其他試劑為國產(chǎn)分析純或色譜純。

主要實(shí)驗(yàn)儀器如下：ENK-PRO型酶標(biāo)儀，美國Bioteck公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器公司；Ultrospec-5300型紫外分光光度儀，美國Amersham公司；真空冷凍干燥系統(tǒng)，日本SHIMADZU；其余均為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)儀器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 菊芋中菊糖含量的測定

由于菊芋極易褐變和霉變，應(yīng)及時預(yù)處理，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)將鮮菊芋快速凍干保存，使用時再進(jìn)行熱燙滅酶處理。之后加如適量水，粉碎機(jī)粉碎成勻漿，即為菊芋提取液。

（1）總糖標(biāo)曲曲線的繪制。

量取果糖對照品溶液（濃度1 mg/mL） 0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL。分別置于10 mL具塞試管中，加蒸餾水補(bǔ)充至2.0 mL，加5%苯酚液1.0 mL，混勻，迅速加入濃硫酸5.0 mL，密塞搖勻，室溫放置10 min，40 ℃水浴15 min，迅速冷卻至室溫，在490 nm處測定吸光度值[7]。濃度為橫坐標(biāo)，吸光度值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

（2）還原糖標(biāo)曲曲線的繪制。

量取果糖對照品溶液0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mL，加蒸餾水至2.0 mL，各加DNS試液2.0 mL，沸水浴7 min，迅速冷卻至室溫，在540 nm處測吸光度值[7]。濃度為橫坐標(biāo)，吸光度值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

（3）菊糖含量測定。

以菊芋提取液為樣品，依據(jù)（1）和（2）的方法和標(biāo)準(zhǔn)曲線，分別測定和計算出提取液的總糖和還原糖的含量。之后根據(jù)下列公式計算出菊芋樣品中的菊糖含量。

菊糖含量%=[（C總-C還）×L×稀釋倍數(shù)/W樣]×100

式中：C總為總糖濃度；C還為還原糖濃度；L為溶液體積；W樣菊芋樣品取樣量

1.2.2 菊芋中菊糖的提取

本研究采用熱水浸提法[8]對菊糖進(jìn)行提取，研究了不同浸提溫度、不同浸提時間和不同料水比的條件下的菊糖的得率。如表1，通過單因素實(shí)驗(yàn)，選取三因素三水平，按L9（33）進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，以確定得出菊芋中菊糖提取的最佳工藝參數(shù)。

1.2.3 菊芋浸提液的除雜

取菊芋浸提液100 mL，置于60 ℃的水浴鍋中，加入15%的Ca（OH）2溶液調(diào)節(jié)pH，使蛋白質(zhì)變性，升溫，在不同溫度下澄清15 min，冷卻至室溫，再向浸提液中加沖入CO2回調(diào)pH，在相應(yīng)的澄清溫度下保溫15min，離心去雜質(zhì)和沉淀[9]。測定透光率和菊糖得率。（透光率測定：取待測液，蒸餾水作對照，于540nm處測定透光率。）

以加Ca（OH）2溶液調(diào)節(jié)的pH值、充入CO2回調(diào)pH的值和澄清溫度作為因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行L9（33）正交實(shí)驗(yàn)如表2，以確定得出菊芋菊糖浸提液除雜的最佳工藝參數(shù)。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)一式三份進(jìn)行，數(shù)據(jù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）。所有數(shù)據(jù)分析均采用Origin 8.0軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 菊糖含量的測定

由圖1得總糖含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=8.3375x-0.0068（R2=0.9996），由圖2得還原糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=6.8821x-0.0164（R2=0.9986）。如表3，經(jīng)過測定計算出新鮮菊芋樣品中菊糖的含量為18.74%。

2.2 菊糖熱水浸提工藝優(yōu)化

2.2.1 提取時間的選擇

在熱浸提溫度80 ℃，料水比1：20的條件下，分別浸提20、30、40、50和60 min。由圖3可知，菊糖得率隨著時間的延長而上升，在50 min時提取率達(dá)到最大，60 min時略微減少，經(jīng)分析應(yīng)該是長時間高溫使菊糖分解導(dǎo)致的[10]，并且再延長加熱時間提取率也不在增加，因此熱浸提時間選擇50min左右為宜。

2.2.2 提取溫度的選擇

在浸提時間50 min，料液比1：20的條件下，浸提溫度分別為60、70、80、90和100 ℃。由圖4可知，菊糖得率隨著溫度升高而上升，80 ℃之后增加趨勢變緩，考慮到節(jié)約能耗，提高效率，因此浸提溫度選擇80℃左右為宜。

2.2.3 水料比的選擇

在浸提溫度80 ℃、時間50 min的條件下，分別按照料水比1：15、1：20、1：25、1：25和1：30進(jìn)行提取。如圖3所示，菊糖得率隨著料水比的增大呈上升趨勢，料水比越大，菊芋細(xì)胞兩側(cè)的濃度差越大[11]，對菊糖溶出越有利，料水比1：25到1：30，增幅最大，但是過高的水料比會為后續(xù)的提取純化帶了不變，對水需求量也較大，綜合考慮節(jié)約能耗，提高效率，選取料水比1：25左右為宜。

2.2.4 提取次數(shù)的選擇

在浸提溫度80 ℃、時間50 min、料水比1：25的條件下，重復(fù)浸提三次。由圖6可知，提取次數(shù)越多，菊糖得率越大，兩次提取之后基本已將絕大部分菊糖提取，因此提取以2次為宜，故在正交設(shè)計中不考慮這一因素。企業(yè)可根據(jù)能耗、生產(chǎn)效率和成本選擇次數(shù)。

2.2.5 熱浸提正交試驗(yàn)結(jié)果

由表3和表4可知，以菊糖的得率為指標(biāo)，浸提溫度90 ℃、時間50 min、最佳料水比1：30，提取次數(shù)兩次，菊糖得率在A3B3C2（1：30、90℃、50 min）條件下可達(dá)77.99%。根據(jù)極差R的大小，不同因素對于得率影響不同，B>A>C。即提取溫度影響最大，影響顯著F0.05

2.3 菊糖除雜工藝優(yōu)化

2.3.1 澄清溫度對除雜效果的影響

向浸提液中加入Ca（OH）2溶液調(diào)節(jié)pH至10.0，充入CO2回調(diào)pH至7.0，澄清溫度分別50、60、70、80、90 ℃，澄清時間15 min，離心去沉淀雜質(zhì)，測透光率和菊糖得率。結(jié)果如圖7所示，隨著澄清溫度上升，透光率先上升至80 ℃之后時基本不變，菊糖得率在80 ℃時最高之后有所降低，應(yīng)該是溫度過高使得沉淀降解導(dǎo)致[9]，因此綜合考慮選擇澄清溫度80℃為宜。

2.1.2 Ca（OH）2調(diào)節(jié)pH值對除雜效果的影響

分別向浸提液中加入Ca（OH）2調(diào)節(jié)pH至8.0、9.0、10.0、11.0、12.0，CO2回調(diào)pH至7.0，澄清溫度80℃，澄清時間15min，離心去沉淀雜質(zhì)，測透光率和菊糖得率。由圖7可知，隨著Ca（OH）2調(diào)節(jié)pH值的上升，透光率先上升至pH為11.0時下降，菊糖得率在pH為10.0時最高之后下降較快，經(jīng)分析應(yīng)該是菊糖在強(qiáng)堿條件會受到破壞，因此選取Ca（OH）2調(diào)節(jié)pH至10.0為宜。

2.3.3 CO2回調(diào)pH值對除雜效果的影響

向浸提液中加入Ca（OH）2調(diào)節(jié)pH至10.0，充入CO2回調(diào)pH至5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，澄清溫度80℃，澄清時間15min，離心去沉淀雜質(zhì)，測定計算透光率和菊糖得率。結(jié)果如圖9所示，隨著CO2回調(diào)pH值的增大，在pH為7.0時透光率和菊糖得率最高，之后開始下降，原因是有多余的Ca（OH）2和雜質(zhì)沒有沉淀下來，導(dǎo)致透光率和菊糖得率下降，因此CO2回調(diào)pH值選取7.0為宜。

2.3.4 Ca（OH）2除雜正交實(shí)驗(yàn)

由表6、7、8可知，Ca（OH）2調(diào)節(jié)后的pH值對透光率和菊糖得率有顯著影響，其余兩因素則均無顯著影響。同時Ca（OH）2和CO2調(diào)節(jié)pH值對透光率的影響比對菊糖得率的影響大，說明作用僅是除雜，對菊糖含量影響較小。各因素對透光率影響順序?yàn)锽>C>A，根據(jù)k值確定最佳除雜條件為A3B1C1，即加Ca（OH）2調(diào)節(jié)pH為10.0，CO2回調(diào)pH至6.0，澄清溫度為80 ℃，澄清時間15 min，浸提液透光率為87.36%，菊糖得率為71.21%。

3 結(jié)論

在本研究中，以熱水浸提法對菊芋中的菊糖進(jìn)行提取，并以Ca（OH）2—CO2法對浸提液進(jìn)行除雜。熱水浸提試驗(yàn)結(jié)果分析表明熱水浸提的最佳工藝參數(shù)為：浸提溫度90 ℃、時間50 min、料水比1：30，在此條件下菊糖得率為最高達(dá)到77.99%。除雜試驗(yàn)結(jié)果分析表明除雜的最佳工藝參數(shù)為：Ca（OH）2溶液調(diào)節(jié)pH為10.0，CO2回調(diào)pH至6.0，澄清溫度為80 ℃，澄清時間15 min，在此條件下菊糖的得率為71.21%、透光率為87.36%。

以上研究一方面對于工業(yè)生產(chǎn)菊糖提供了一定的理論依據(jù)，另一方面為菊糖產(chǎn)品的開發(fā)和利用奠定基礎(chǔ)。而由于菊糖熱水浸提提取方法前期處理步驟較多生產(chǎn)周期較長，水資源和化工原料資源消耗較大，考慮是否可以適當(dāng)結(jié)合多套膜設(shè)備或者全膜法，進(jìn)而提高提取率和節(jié)約資源利用率，這些問題還有待進(jìn)一步研究。

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