菊糖提取工藝及其應(yīng)用研究進展

王友法，曾斯杰，宋小平，馬瑞佳，陸登俊*

(1.廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004；2.海南師范大學(xué) 熱帶藥用植物化學(xué)教育部重點實驗室，?？?571127)

菊糖又名菊粉，是D-果糖分子以β-1，2-糖苷鍵鏈接成的果聚糖，其末端常含有一個葡萄糖基。德國科學(xué)家Rose于1840年首次將其從菊科植物中分離出來，而后被Thomson命名為菊糖。菊糖廣泛存在于包括菊芋、蘆筍、菊苣以及大麗花(Dahlia)等36000多種植物中，并在其中以果糖聚合物的形式儲存多余的能量。在我國，主要從菊芋中提取菊糖。菊芋屬于向日葵科，能夠抵御霜凍和干旱，可以在貧瘠的土地上茁壯生長。截至目前，菊芋主要分布在北美、中國、澳大利亞、韓國、北歐以及新西蘭等地，其塊莖根中以菊糖的形式積累50～70 g/kg鮮重果聚糖，占所有碳水化合物的80%左右。除此之外，菊芋塊莖根中還包含有脂肪(1.77%)、蛋白質(zhì)(1.58%)、維生素以及礦物質(zhì)等微量元素。近年來,國外有關(guān)菊芋提取物菊糖的研究較多，但我國起步較晚，國際上，日本的研究制備處于領(lǐng)先水平，歐美和韓國的發(fā)展也很快。國內(nèi)外研究表明：菊糖具有非常好的生物相容性、生物活性以及理化性質(zhì)，而且廉價易得。因此，菊糖被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和食品等相關(guān)領(lǐng)域[1,2]。查看近年來的文獻可知，對菊糖的研究多集中在它的生物活性及應(yīng)用等方面，而對其提取方面的研究相對較少。本文通過對菊糖提取工藝及其應(yīng)用方面的研究進行歸納和分析，旨在為其綜合利用提供參考。

1 菊糖的提取工藝

1.1 熱水提取工藝

熱水提取工藝是一種傳統(tǒng)而又基本的菊糖提取工藝，它是利用菊糖在熱水中的溶解性將菊糖提取出來，其主要流程是鮮菊芋經(jīng)過滅酶后粉碎成粉末,然后進行熱水提取得到菊糖的提取液。陳秀枝等[3]在固液比為1∶14、pH值自然的情況下，研究了提取溫度和反應(yīng)時間對菊糖提取率的影響，得出最佳工藝：時間60 min，溫度80 ℃，最高提取率為26.20%。張忠華[4]利用單因素和正交實驗探究了菊芋菊糖的提取溫度和時間、料醇比、固液比以及提取次數(shù)，得出最佳工藝：提取時間60 min，溫度90 ℃，固液比1∶18和料醇比1∶3，在此條件下連續(xù)提取3次，菊糖的提取率為75.26%。胡娟等[5]通過單因素實驗研究了提取溫度、時間、料液比以及提取次數(shù)，確定了提取2次以及其他條件范圍，然后通過正交實驗來優(yōu)化提取條件，得出最佳工藝：溫度70 ℃，提取時間90 min，料液比1∶15，菊糖提取率高達90.76%。劉彬[6]利用相同的實驗研究了提取溫度、時間、料液比、提取次數(shù)以及pH值，得到最優(yōu)提取工藝：提取溫度85 ℃，料液比1∶16，提取時間60 min，pH值6.5，在此條件下連續(xù)提取2次，菊糖的提取率為94.67%。梁磊等[7]通過控制其他因素不變，研究了pH值對菊糖熱水提取工藝的影響，結(jié)果表明：提取液中還原糖含量與pH值呈負相關(guān)，而蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān)，綜合考慮，最終確定提取pH值為7.0最優(yōu)。

綜上，影響菊芋菊糖熱水提取工藝的主要因素包括提取次數(shù)、提取溫度、時間、料液比、pH值以及料醇比等。大量學(xué)者根據(jù)單因素和正交實驗對熱水提取工藝進行了探究，但由于工藝條件的不同，得出的最佳提取工藝也各不相同，其提取率也有較大差別。目前，我國有關(guān)菊糖的熱水提取工藝方法較多，取得了不錯的成果，其具有設(shè)備要求低、操作簡單、產(chǎn)品無毒等優(yōu)點。但由于熱水提取工藝的提取效率較低、時間較長、純度較差等問題。因此，單一的熱水提取菊芋菊糖的工藝有被淘汰的趨勢[8-11]。

1.2 超聲波輔助提取工藝

超聲波輔助提取工藝是利用超聲波能產(chǎn)生強烈、高速的空化效應(yīng)以及攪拌作用，使菊芋細胞壁破裂，而使有效成分溶出。張澤生等[12]利用單因素和正交實驗研究了菊芋菊糖的提取溫度、超聲功率、提取時間以及固液比，得到最佳提取工藝：超聲功率112 W，提取溫度70 ℃，時間20 min，料液比1∶20，菊糖的提取率為57.3%?？诐萚13]研究了運用超聲波輔助提取工藝提取菊芋菊糖的實驗，結(jié)果顯示：在料液比為1∶15，水浴提取溫度為100 ℃，超聲波輸出功率為112 W和超聲波提取時間為25 min的情況下，菊糖的一次提取率高達70.05%。趙琳靜等[14]研究了在常溫下超聲波輔助提取菊芋菊糖的工藝，考察了超聲波提取時間、pH值、料液比對提取率的影響，得到最佳的提取工藝：超聲波提取時間為20 min，pH值為 7.0，料液比為1∶25，在此條件下菊糖的提取率為79.3%。羅登林等[15]采用單因素實驗和響應(yīng)面法研究了超聲對菊芋菊糖提取的影響，得到最優(yōu)工藝：超聲波提取時間為10 min，超聲提取功率為750 W，超聲輻照方式為15 s/6 s，溫度為40 ℃，料液比為1∶29.24，在該條件下菊芋菊糖的提取率為94.23%。

綜上，各研究者在研究菊糖的超聲波輔助提取工藝時，由于考慮的因素水平和提取率的計算公式不同，導(dǎo)致得到的結(jié)果也存在較大的差異。相比于熱水提取工藝，超聲波輔助提取工藝還需要考慮超聲處理功率和時間等因素，且該工藝要明顯優(yōu)于熱水提取工藝，縮短了提取時間，提高了提取效率。但該工藝在一定條件下，會破壞多糖的糖鏈，從而使目標物的理化性質(zhì)受到破壞。

1.3 微波輔助提取工藝

微波輔助提取工藝根據(jù)高頻率的電磁波會使菊芋細胞內(nèi)部的溫度以及壓力升高，當壓力足夠大時，菊芋細胞將會發(fā)生破裂，細胞內(nèi)容物會溢出，因此提高了菊糖的提取率，縮短了提取時間。賈若凌[16]利用鮮菊芋塊莖為原料，通過單因素和正交實驗研究了提取時間、溫度、提取次數(shù)、微波功率以及料液比對提取率的影響，得到最佳工藝處理條件：提取時間為8 min，溫度為95 ℃，提取3次，料液比為1∶20，微波功率為500 W，得到菊糖的提取率為68.1%。胡秀沂等[17]利用正交實驗研究了微波輔助處理的工藝條件，得出最佳的工藝條件：提取時間為40 min，溫度為95 ℃，菊芋與水的料液比為1∶18，功率為400 W，時間為270 s，在該條件下菊糖的提取率高達99%。胡建鋒等[18]通過對比微波輔助提取工藝與傳統(tǒng)熱水提取工藝的實驗表明：微波輔助提取工藝相比于傳統(tǒng)的熱水提取工藝提取率提高了12.3%。

綜上，微波輔助提取工藝相對于熱水提取工藝還需要考慮的工藝條件為微波處理功率和時間，且其提取率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的熱水提取工藝。但微波輔助提取工藝與超聲輔助提取工藝類似，在一定的條件下會破壞菊糖的糖鏈，對其活性產(chǎn)生一定的影響[19]。

1.4 酶法輔助提取工藝

酶法提取工藝是基于酶可以溫和地分解菊芋細胞，從而加速菊芋細胞內(nèi)物質(zhì)溢出，進而提高了提取率。江玉婷等[20]通過研究優(yōu)化復(fù)合酶提取菊芋菊糖的實驗，得出最佳工藝：料液比1∶20 (g/mL)，pH 6.0，酶解溫度54 ℃，復(fù)合酶(m木瓜蛋白酶∶m果膠酶為1∶8)131 μg/g樣品，提取時間 40 min，在此條件下，菊芋菊糖提取率為 73.30%。陸慧玲等[21]通過酶法輔助提取工藝對菊芋菊糖的提取進行了研究，比較了中性蛋白酶濃度、料液比、提取時間和溫度對菊糖提取率的影響，得到最佳工藝條件：料液比1∶15，提取溫度70 ℃，提取時間40 min，中性蛋白酶的作用濃度0.1%，在此工藝條件下菊糖的提取率為74.44%。莊平等[22]采用相同的酶通過單因素和正交實驗研究了酶的濃度、酶解溫度、酶解時間、pH對菊糖提取率的影響，得到最佳工藝條件：酶的濃度3%，酶解溫度45 ℃，酶解時間4 h，pH值 6.5，在此條件下菊糖的提取率高達93.8%。

綜上，酶輔助提取工藝較傳統(tǒng)的熱水提取工藝效率更高且方法簡便安全，相對于超聲波和微波輔助提取工藝，它不會破壞糖鏈，對菊糖的生理活性不會產(chǎn)生影響。然而，目前還沒有掌握菊糖的酶輔助提取工藝，還處在摸索階段。

1.5 電場輔助提取工藝

除了上述工藝外，國外一些學(xué)者還研究了電場輔助提取工藝。電場輔助提取工藝是利用較大的電場強度導(dǎo)致更多可溶性固體被提取到溶液中，從而提高了菊糖的提取率。Termrittikul等[23]通過歐姆加熱輔助工藝提取菊芋菊糖的實驗表明：濕磨菊芋塊莖和干磨菊芋塊莖粉末溶液的電導(dǎo)都很高，較大的電場強度導(dǎo)致更多可溶性固體被提取到溶液中。Zhu等指出脈沖電場技術(shù)可用于取代通常需要高提取溫度(不小于70 ℃)和長提取時間的常規(guī)提取方法，這是因為脈沖電場預(yù)處理的應(yīng)用使萃取溫度和萃取液中雜質(zhì)的含量顯著降低。由于脈沖電場會引起電穿孔現(xiàn)象，從而可以促進細胞內(nèi)的物質(zhì)向溶劑釋放。Zhu等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在菊苣根切片中提取菊糖時，與在沒有脈沖電場預(yù)處理的情況下進行提取相比，600 V/cm脈沖電場預(yù)處理50 ms導(dǎo)致提取溫度降低10～15 ℃，同時提取物中的菊糖濃度顯著提高。

綜上，電場輔助提取工藝較傳統(tǒng)的熱水提取工藝不僅提取效率高，而且純度也高，同時縮短了提取時間，效果較好。而國內(nèi)關(guān)于這方面的研究報道還很少，因此極有必要加大研究力度，創(chuàng)新菊芋菊糖的提取工藝。

2 菊糖的應(yīng)用

2.1 菊糖在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

菊糖能夠提高流變學(xué)性質(zhì)、增強營養(yǎng)特性和改善食品質(zhì)構(gòu)，已逐步成為一種新型的天然食品配料，并成功地應(yīng)用于食品工業(yè)中。趙天天等[25]將菊糖按照不同的比例添加于面包粉中，研究了對面包面團特性及面包品質(zhì)變化的影響。結(jié)果表明：菊糖對面包粉的粉粒和拉伸等流變特性有顯著影響，適量菊糖的添加改變了面包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了面包的硬度和縮短了老化速率，并延長了面包的貨架期。Li等[26]研究了菊糖對酸奶中益生菌的影響，通過確定發(fā)酵時間，測定了益生菌在酸奶中的生長情況，結(jié)果表明：以低濃度菊糖為碳源，培養(yǎng)基的光密度值較大，說明低濃度的菊糖具有較好的益生效果。王文佳等[27]在脫脂牛奶中添加不同量的菊糖，研究了菊糖對脫脂牛奶的影響，結(jié)果表明：菊糖能夠稍微提高脫脂牛奶的白度和pH值，也能提高脫脂牛奶的持水性、粘度、組織狀態(tài)及感官品質(zhì)。目前有研究表明，可以利用菊糖酶將菊糖一步水解生產(chǎn)高果糖漿，并得出菊糖單步水解可產(chǎn)生95%的果糖，比傳統(tǒng)的淀粉水解法高出2倍以上，且操作簡便[28-31]。

菊糖可作為生產(chǎn)高果糖漿的主要原料，其主要有3種工藝方法，分別為：全細胞酶法、游離菊糖酶法和固定化菊糖酶法。關(guān)于全細胞酶法合成高果糖漿的文獻僅有少數(shù)報道，這可能是由于維持操作系統(tǒng)免受污染所需生產(chǎn)成本太高或需要補充營養(yǎng)物來維持系統(tǒng)中用于生產(chǎn)高果糖漿的微生物生長[32]。為了克服全細胞技術(shù)的缺陷，許多研究傾向于將可溶性(游離)菊糖酶用于高果糖漿的制備。從各種微生物源中提取的可溶性菊糖酶已被報道可用于生產(chǎn)較高產(chǎn)量的果糖，但游離酶不能在連續(xù)的批次中重復(fù)使用，因此在間歇系統(tǒng)中使用游離酶水解菊糖并不符合成本效益[33]。近年來，固定化生物催化劑在工業(yè)中的應(yīng)用受到了研究人員的廣泛關(guān)注，這是因為固定化生物催化劑具有易回收，可以循環(huán)利用，提升酶的穩(wěn)定性、選擇性以及降低分解代謝抑制的機會和降低成本等優(yōu)點。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，固定化菊糖酶法在分批系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)中表現(xiàn)出了優(yōu)異的效果。Hua等[34]將來自黑曲霉的菊糖酶固定在藻酸鈣明膠珠中，連續(xù)用于菊糖的水解54批，并通過該系統(tǒng)獲得了良好的果糖生產(chǎn)率(90.2 g/L)。Holyavka等[35]將來自馬克斯克魯維酵母的菊糖酶固定在離子交換纖維VIONKN-1上，并在小型化的管式連續(xù)反應(yīng)器系統(tǒng)中使用4 h，該系統(tǒng)顯示出菊糖的顯著水解?？傊仗堑囊徊矫附庵苽涓吖菨{具有得率高、低復(fù)雜度和降低成本等優(yōu)點。目前，提高高果糖漿生產(chǎn)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，開發(fā)良好的固定化生物催化劑是當務(wù)之急。大多數(shù)關(guān)于高果糖漿生產(chǎn)的報道都是小規(guī)模的，因此應(yīng)嘗試在批量和連續(xù)的系統(tǒng)中擴大生物過程的規(guī)模。

2.2 菊糖在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

菊糖具有調(diào)節(jié)血糖、改善腸道環(huán)境、增強腸道益生菌、促進礦物質(zhì)吸收以及抗腫瘤等多種生理活性，因此菊糖可以作為一些藥物成分，以減少一些藥物的副作用并提高效果。近年來，一些研究者研究了菊糖與阿膠藥物結(jié)合來制備新的藥物，以實現(xiàn)兩者生理功能的相互協(xié)調(diào)補充，從而推動阿膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。阿膠是一種藥食中藥，其廣泛地應(yīng)用于日常生活中，發(fā)展前景廣闊，但服用阿膠藥物存在較多的副作用，如消化不良、便血、口唇生瘡等。史雪潔[36]通過單因素和正交實驗研究了制備以菊糖和阿膠為主要成分的阿膠菊糖咀嚼片藥物，并通過動物實驗評價了該產(chǎn)品，實驗得出將菊糖加入阿膠藥物中，可以有效地促進腸道蠕動，降低血糖。

菊糖還具有良好的生物相容性和可生物降解性等優(yōu)點。國外學(xué)者研究表明，菊糖可以制備藥物載體。Giovanna等[37]研究了利用化學(xué)修飾法制備以菊糖為基質(zhì)的3種菊糖水凝膠，研究了它們作為結(jié)腸部位的給藥緩釋載體的效果，該實驗研究證明了該載體具有對pH值敏感的溶脹性，并在人工胃液中保持穩(wěn)定性，利用菊糖酶和酯酶等易于將其降解，細胞兼容性很好。Licciardi等[38]研究了一種利用菊糖制備新型兩親性的菊糖接枝共聚物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：它能在水中自行組裝成膠束結(jié)構(gòu)從而可以成為抗癌藥物阿霉素的載體物質(zhì)?？傊?，由于菊糖具有良好的生理活性、生物相容性以及可生物降解性，使得菊糖在醫(yī)藥領(lǐng)域中具有較好的發(fā)展前景，但關(guān)于這方面的研究并不完善，還需進行進一步的研究，充分發(fā)掘菊糖在醫(yī)藥領(lǐng)域中更多的潛在價值[39]。

2.3 菊糖在生物能源領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，人類對能源的需求量逐年增加，但化石能源卻日漸減少，以致于能源供給的問題越來越嚴重。因此，尋找可再生清潔能源已經(jīng)成為迫在眉睫的任務(wù)。菊糖來源廣泛且物美價廉，但目前并沒有得到充分利用。因此，科學(xué)家們開始探索利用菊糖為原料經(jīng)過發(fā)酵生產(chǎn)可再生的清潔能源乙醇，從而使制糖工藝更具經(jīng)濟競爭力[40]。

目前，菊糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法主要有3種，傳統(tǒng)上是將菊糖首先通過酸解或酶解法降解成果糖，再利用釀酒酵母來發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，但這種方法會產(chǎn)生抑制劑并污染環(huán)境。因此，科學(xué)家們研究了利用菊糖酶菌株與釀酒酵母混菌培養(yǎng)來實現(xiàn)共發(fā)酵生產(chǎn)乙醇或選擇既能產(chǎn)菊糖酶又具有乙醇發(fā)酵特性的酵母，直接發(fā)酵菊糖并生產(chǎn)乙醇。但從近年來的研究來看，后2種方法由于菊糖酶的活性、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)菊糖酶的微生物乙醇耐性差等問題，因此無法達到工業(yè)生產(chǎn)實際應(yīng)用的要求。目前，研究熱點主要集中于工業(yè)化生產(chǎn)水平的產(chǎn)菊糖酶菌株選育、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的菊糖降解菌的篩選以及菊糖發(fā)酵乙醇工藝流程優(yōu)化上[41]。

3 展望

天然植物菊芋提取得到的菊糖已經(jīng)被美國FDA批準進入美國市場,同時在歐洲和日本等地區(qū)也被認定為是食品和營養(yǎng)的增補劑。在我國，菊糖絕大多數(shù)是通過菊芋提取得到的，由于菊芋對環(huán)境有很強的適應(yīng)性，因此可以將菊芋種植在海岸帶鹽堿地區(qū)的土地上，從而改善海岸帶邊際區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)經(jīng)濟效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)的雙豐收。我國對菊糖的研究開始得較晚，并且在很長的一段時間內(nèi)會處于實驗室研究階段，因此需要進一步研究和探討，充分發(fā)掘其價值。