菊芋中菊糖的熱水浸提工藝優(yōu)化及抗氧化活性

喬月芳+馬艷弘+張宏志+李亞輝+侯紅萍+唐伯平

摘要： 研究菊芋菊糖的熱水浸提法提取工藝，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過正交分析法優(yōu)化菊糖的提取工藝，分析料液比、提取溫度、提取時(shí)間對(duì)菊糖提取率的影響，并對(duì)菊糖的抗氧化活性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，菊芋菊糖的最佳提取工藝為：料液比1 g ∶ 30 mL，提取溫度90 ℃，提取時(shí)間120 min，在此條件下菊糖的提取率為89.60%。所提菊糖具有較強(qiáng)的抗氧化活性，0.10 mg/mL濃度的菊糖對(duì)1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基清除能力最高達(dá) 91.30%，抗超氧陰離子自由基能力最高達(dá)205.59 U/L，對(duì)羥自由基的抑制率最高達(dá)96.00%。

關(guān)鍵詞： 菊芋；菊糖；熱水浸提；工藝優(yōu)化；抗氧化活性

中圖分類號(hào)： TS201.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）03-0291-03

菊芋（Helianthus tuberosus）別稱洋姜、鬼子姜或姜不辣，為菊科向日葵屬宿根性草本植物，具有抗旱、耐低溫和鹽堿等生理特性，尤其適合在荒漠、鹽堿灘涂地種植[1]，屬于非耕地型經(jīng)濟(jì)作物。菊芋富含菊糖、多種氨基酸、維生素、果膠、有機(jī)酸、酚類化合物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和開發(fā)應(yīng)用前景[2]。菊芋被美國(guó)防癌協(xié)會(huì)列為30種有防癌作用的蔬菜之一，菊糖是其中最主要的功能成分，其干物質(zhì)含量占菊芋塊莖的70%以上，是由D-果糖經(jīng)β（2→l）糖苷鍵脫水聚合而形成的呈線形直鏈狀結(jié)構(gòu)的天然果聚糖[3]，是超強(qiáng)的雙歧桿菌增殖增效因子，具有降血脂、調(diào)節(jié)血糖、調(diào)節(jié)腸道功能、預(yù)防結(jié)腸癌、促進(jìn)金屬離子吸收、增強(qiáng)免疫功能等營(yíng)養(yǎng)保健功效[4-6]，還具有低熱量、脂質(zhì)感、凝膠性、保濕性、穩(wěn)定性等優(yōu)良的理化特性[7]，已被40多個(gè)國(guó)家批準(zhǔn)為功能食品，被廣泛應(yīng)用于乳制品、面包、糖果、飲料、調(diào)味料等食品加工領(lǐng)域。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的菊糖大多采用菊苣為原料來制備，而以菊芋為原料的菊糖生產(chǎn)尚處于起步發(fā)展階段。盡管有報(bào)道認(rèn)為微波、超聲輔助法提取菊糖技術(shù)具有提取率高、速度快、安全無污染等優(yōu)點(diǎn)[8-10]，但大多不適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。因此，本試驗(yàn)采用熱水浸提法提取菊芋菊糖，采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化菊糖提取工藝，并探討菊糖抗氧化活性，為尋求科學(xué)高效的菊糖提取技術(shù)途徑及解決菊糖生產(chǎn)技術(shù)難題提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菊芋，由江蘇大豐鹽土大地農(nóng)業(yè)科技有限公司提供；1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH），上海源葉生物科技有限公司；羥自由基測(cè)定試劑盒、抗超氧陰離子自由基測(cè)定試劑盒，南京建成生物工程研究所；葡萄糖、3，5-二硝基水楊酸、氫氧化鈉、濃硫酸、苯酚、4水酒石酸鉀鈉、無水亞硫酸鈉等均為分析純?cè)噭?，?gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

FW100高速萬能粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司；DHG-9070電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；HJ-6A多頭磁力攪拌器，常州國(guó)華儀器有限公司；XW-80A型旋渦混合器，海門市其林貝爾儀器制造有限公司；D-B5型紫外可見分光光度計(jì)，上海奧析科學(xué)儀器有限公司；DDL-1kW電子調(diào)溫電爐，常州市偉嘉儀器制造有限公司；JJ-500電子天平，常熟市雙杰測(cè)試儀器廠；TGL-16B臺(tái)式離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；RE6000型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠；ZD-F12真空冷凍干燥機(jī)，南京載智自動(dòng)化設(shè)備有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 菊芋菊糖的提取 將新鮮菊芋清洗干凈，切成約 2 mm 厚的薄片，鋪于鼓風(fēng)干燥箱中，于60 ℃烘干至恒質(zhì)量，經(jīng)高速萬能粉碎機(jī)粉碎后過60目篩。準(zhǔn)確稱取一定量的菊芋干粉于錐形瓶中，在不同料液比、不同提取時(shí)間、不同提取溫度下提取菊糖，離心得菊糖粗提取液，添加新鮮飽和石灰水調(diào)節(jié)pH值為10左右，放入70 ℃恒溫水浴保溫10 min，冷卻至室溫再用磷酸調(diào)pH值為7左右，離心得除雜后的菊糖提取液。在除雜提取液中加入0.4%高溫活化處理過的活性炭粉末，混合均勻后于50 ℃恒溫水浴保溫10 min，冷卻至室溫后抽濾[11-12]，上清液于50 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，最后經(jīng)冷凍干燥即可。

1.3.2 菊芋菊糖提取單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以菊芋菊糖提取率為考察目標(biāo)，考察熱水浸提法提取菊糖時(shí)不同料液比、提取時(shí)間、提取溫度對(duì)菊芋菊糖提取率的影響，提取條件的單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

1.3.3 菊芋菊糖提取正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，以料液比、提取溫度、提取時(shí)間為試驗(yàn)因素，以菊糖提取率為指標(biāo)優(yōu)化工藝條件。試驗(yàn)因素水平見表2。

1.3.4 菊糖提取率的測(cè)定 采用DNS試劑法測(cè)定提取液還原糖含量，苯酚-硫酸法測(cè)定提取液總糖含量，菊糖提取率的計(jì)算方法為：

菊糖提取率=[總糖質(zhì)量（g）-還原糖質(zhì)量（g）]/菊芋質(zhì)量（g）×100%。

1.3.5 菊芋菊糖抗氧化活性檢測(cè)[13-15]

1.3.5.1 DPPH自由基清除能力測(cè)定 配制0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 mg/mL的菊芋菊糖溶液，各取2 mL于具塞試管中，每管加入2 mL 2×10-4 mol/L DPPH溶液，搖勻后避光放置30 min，分別測(cè)定517 nm處的吸光度D517 nm。DPPH自由基清除率計(jì)算公式為：

DPPH清除率=[1-（Di-Dj）/Dc] ×100%。

式中Di為2 mL樣品溶液+2 mL DPPH溶液的吸光度；Dj為2 mL樣品溶液+2 mL蒸餾水的吸光度；Dc為2 mL DPPH溶液+2 mL蒸餾水的吸光度。

1.3.5.2 抗超氧陰離子自由基能力測(cè)定 配制0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 mg/mL的菊芋菊糖溶液，按試劑盒說明書操作。超氧陰離子自由基清除能力計(jì)算公式為：

抗超氧陰離子自由基能力（U/L）=（D550 nm（對(duì)照組）-D550 nm（標(biāo)準(zhǔn)組））/（D550 nm（對(duì)照組） -D550 nm（測(cè)試組））×標(biāo)準(zhǔn)品濃度（mg/mL）×1 000 mL。

1.3.5.3 清除羥自由基能力測(cè)定 配制0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 mg/mL的菊芋菊糖溶液，按試劑盒說明書操作。羥自由基抑制能力計(jì)算公式如下：

羥自由基抑制率=（D550 nm（對(duì)照組）-D550 nm（測(cè)試組））/D550 nm（對(duì)照組）×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 料液比對(duì)菊芋菊糖提取率的影響 如圖1所示，在料液比1 g ∶ 10 mL～1 g ∶ 30 mL范圍內(nèi)，隨料液比逐漸增大，菊糖提取率逐漸增高；當(dāng)料液比達(dá)到1 g ∶ 30 mL后，繼續(xù)增大提取溶劑量，提取率提高極其緩慢。這可能是因?yàn)殡S著提取溶劑量的增大，細(xì)胞內(nèi)部的多糖物質(zhì)向外擴(kuò)散速度提高。溶劑量過大會(huì)加重后續(xù)濃縮負(fù)擔(dān)從而導(dǎo)致成本的增加，因此，綜合考慮確定菊糖提取最佳料液比為1 g ∶ 30 mL。

2.1.2 提取溫度對(duì)菊芋菊糖提取率的影響 如圖2所示，50～90 ℃范圍內(nèi)，隨著提取溫度的提高，提取率逐漸升高；當(dāng)溫度大于90 ℃后，菊糖提取率呈下降趨勢(shì)。表明在一定范圍內(nèi)，溫度越高越有利于菊糖的溶解，但是溫度太高既增加菊糖提取能耗，又可導(dǎo)致菊糖輕微降解。因此，可確定90 ℃為適宜的提取溫度。

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)菊芋菊糖提取率的影響 如圖3所示，在提取時(shí)間30～120 min以內(nèi)，菊糖提取率隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸提高；超過120 min后，提取率逐漸趨于平緩。表明提取時(shí)間越長(zhǎng)，菊糖在溶液中溶解得越多，當(dāng)時(shí)間超過 120 min 后，菊糖溶出基本達(dá)到平衡。因此，120 min為菊糖提取的適宜時(shí)間。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用L9（34）正交試驗(yàn)優(yōu)化菊糖提取工藝，結(jié)果見表3。由極差分析可知，各因素對(duì)菊糖提取率的影響不同，提取溫度對(duì)菊糖提取率影響最大，其次是料液比，提取時(shí)間對(duì)菊糖提取率的影響最小，即：B>A>C。最佳工藝組合為A3B3C2，即料液比為1 g ∶ 30 mL、提取溫度 90 ℃，提取時(shí)間120 min，此條件下菊糖提取率高達(dá)89.60%。

2.3 菊芋菊糖抗氧化活性分析

2.3.1 清除DPPH 自由基能力 檢測(cè)菊糖對(duì)DPPH自由基的清除能力。如圖4所示，隨著菊糖濃度的增加，對(duì)DPPH自由基清除能力不斷增強(qiáng)，在0.10 mg/mL濃度時(shí)，菊糖對(duì) DPPH 自由基清除能力最高，為91.30%。

2.3.2 抗超氧陰離子自由基能力 如圖5所示，隨樣品溶液濃度的增加，抗超氧陰離子自由基能力不斷增強(qiáng)。在0.02～0.10 mg/mL濃度范圍內(nèi)，菊糖抗超氧陰離子自由基能力上升趨勢(shì)明顯，在0.10 mg/mL濃度時(shí)，菊糖抗超氧陰離子自由基能力最高，達(dá) 205.59（U/L）。

2.3.3 抑制羥自由基能力 如圖6所示，隨樣品溶液濃度的增加，菊芋菊糖對(duì)羥自由基抑制率不斷提高，在0.04～0.10 mg/mL 濃度范圍內(nèi)，其抑制率趨于平衡，在0.10 mg/mL濃度時(shí)，抑制率最高，達(dá)96.00%。

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過正交分析法優(yōu)化了菊芋菊糖提取工藝，得到最佳提取條件為：料液比1 g ∶ 30 mL，提取溫度90 ℃，提取時(shí)間120 min，在此條件下菊芋菊糖的提取率為89.60%。通過DPPH自由基清除能力、抗超氧陰離子自由基能力、羥自由基抑制能力發(fā)現(xiàn)，所提取的菊芋菊糖有較強(qiáng)的抗氧化能力，其DPPH自由基清除能力最高達(dá)91.30%，抗超氧陰離子自由基能力最高達(dá)205.59（U/L），羥自由基抑制率最高達(dá)96.00%。

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