菊芋中菊糖的熱水浸提工藝優化及抗氧化活性

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，在單因素試驗基礎上，通過正交分析法優化菊糖的提取工藝，分析料液比、提取溫度、提取時間對菊糖提取率的影響，并對菊糖的抗氧化活性進行分析。結果表明，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%。所提菊糖具有較強的抗氧化活性，0.10 mg/mL濃度的菊糖對1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基清除能力最高達 91.30%，抗超氧陰離子自由基能力最高達205.59 U/L，對羥自由基的抑制率最高達96.00%。

關鍵詞： 菊芋；菊糖；熱水浸提；工藝優化；抗氧化活性

中圖分類號： TS201.1 文獻標志碼： A 文章編號：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]，屬于非耕地型經濟作物。菊芋富含菊糖、多種氨基酸、維生素、果膠、有機酸、酚類化合物等營養物質，具有極高的營養價值、經濟價值和開發應用前景[2]。菊芋被美國防癌協會列為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，其干物質含量占菊芋塊莖的70%以上，是由D-果糖經β（2→l）糖苷鍵脫水聚合而形成的呈線形直鏈狀結構的天然果聚糖[3]，是超強的雙歧桿菌增殖增效因子，具有降血脂、調節血糖、調節腸道功能、預防結腸癌、促進金屬離子吸收、增強免疫功能等營養保健功效[4-6]，還具有低熱量、脂質感、凝膠性、保濕性、穩定性等優良的理化特性[7]，已被40多個國家批準為功能食品，被廣泛應用于乳制品、面包、糖果、飲料、調味料等食品加工領域。

目前國內市場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尚處于起步發展階段。盡管有報道認為微波、超聲輔助法提取菊糖技術具有提取率高、速度快、安全無污染等優點[8-10]，但大多不適合產業化生產。因此，本試驗采用熱水浸提法提取菊芋菊糖，采用正交試驗法優化菊糖提取工藝，并探討菊糖抗氧化活性，為尋求科學高效的菊糖提取技術途徑及解決菊糖生產技術難題提供科學依據。

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業科技有限公司提供；1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH），上海源葉生物科技有限公司；羥自由基測定試劑盒、抗超氧陰離子自由基測定試劑盒，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試劑，購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 試驗儀器

FW100高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；DHG-9070電熱鼓風干燥箱，上海齊欣科學儀器有限公司；HJ-6A多頭磁力攪拌器，常州國華儀器有限公司；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，上海奧析科學儀器有限公司；DDL-1kW電子調溫電爐，常州市偉嘉儀器制造有限公司；JJ-500電子天平，常熟市雙杰測試儀器廠；TGL-16B臺式離心機，上海安亭科學儀器廠；RE6000型旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器廠；ZD-F12真空冷凍干燥機，南京載智自動化設備有限公司。

1.3 試驗方法

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，鋪于鼓風干燥箱中，于60 ℃烘干至恒質量，經高速萬能粉碎機粉碎后過60目篩。準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節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 ℃旋轉蒸發濃縮，最后經冷凍干燥即可。

1.3.2 菊芋菊糖提取單因素試驗設計 以菊芋菊糖提取率為考察目標，考察熱水浸提法提取菊糖時不同料液比、提取時間、提取溫度對菊芋菊糖提取率的影響，提取條件的單因素試驗設計見表1。

1.3.3 菊芋菊糖提取正交試驗設計 根據單因素試驗結果，采用L9（34）正交試驗設計方案，以料液比、提取溫度、提取時間為試驗因素，以菊糖提取率為指標優化工藝條件。試驗因素水平見表2。

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

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

1.3.5 菊芋菊糖抗氧化活性檢測[13-15]

1.3.5.1 DPPH自由基清除能力測定 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，分別測定517 nm處的吸光度D517 nm。DPPH自由基清除率計算公式為：

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算公式為：

抗超氧陰離子自由基能力（U/L）=（D550 nm（對照組）-D550 nm（標準組））/（D550 nm（對照組） -D550 nm（測試組））×標準品濃度（mg/mL）×1 000 mL。

1.3.5.3 清除羥自由基能力測定 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算公式如下：

羥自由基抑制率=（D550 nm（對照組）-D550 nm（測試組））/D550 nm（對照組）×100%。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 料液比對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，隨料液比逐漸增大，菊糖提取率逐漸增高；當料液比達到1 g ∶ 30 mL后，繼續增大提取溶劑量，提取率提高極其緩慢。這可能是因為隨著提取溶劑量的增大，細胞內部的多糖物質向外擴散速度提高。溶劑量過大會加重后續濃縮負擔從而導致成本的增加，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 提取溫度對菊芋菊糖提取率的影響 如圖2所示，50～90 ℃范圍內，隨著提取溫度的提高，提取率逐漸升高；當溫度大于90 ℃后，菊糖提取率呈下降趨勢。表明在一定范圍內，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 提取時間對菊芋菊糖提取率的影響 如圖3所示，在提取時間30～120 min以內，菊糖提取率隨著提取時間的延長而逐漸提高；超過120 min后，提取率逐漸趨于平緩。表明提取時間越長，菊糖在溶液中溶解得越多，當時間超過 120 min 后，菊糖溶出基本達到平衡。因此，120 min為菊糖提取的適宜時間。

2.2 正交試驗結果

在單因素試驗基礎上，采用L9（34）正交試驗優化菊糖提取工藝，結果見表3。由極差分析可知，各因素對菊糖提取率的影響不同，提取溫度對菊糖提取率影響最大，其次是料液比，提取時間對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 ℃，提取時間120 min，此條件下菊糖提取率高達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 檢測菊糖對DPPH自由基的清除能力。如圖4所示，隨著菊糖濃度的增加，對DPPH自由基清除能力不斷增強，在0.10 mg/mL濃度時，菊糖對 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。在0.02～0.10 mg/mL濃度范圍內，菊糖抗超氧陰離子自由基能力上升趨勢明顯，在0.10 mg/mL濃度時，菊糖抗超氧陰離子自由基能力最高，達 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，菊芋菊糖對羥自由基抑制率不斷提高，在0.04～0.10 mg/mL 濃度范圍內，其抑制率趨于平衡，在0.10 mg/mL濃度時，抑制率最高，達96.00%。

3 結論

在單因素試驗基礎上，通過正交分析法優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現，所提取的菊芋菊糖有較強的抗氧化能力，其DPPH自由基清除能力最高達91.30%，抗超氧陰離子自由基能力最高達205.59（U/L），羥自由基抑制率最高達96.00%。

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