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.廣州甘蔗糖業研究所，廣東廣州510316；2.華南理工大學生物科學與工程學院，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.廣州甘蔗糖業研究所，廣東廣州510316；2.華南理工大學生物科學與工程學院，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，提取液中的蛋白質的含量越高；菊糖含量在100min左右達到最高值。考慮還原糖及蛋白質等雜質、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、抗風沙、適應性廣、繁殖性強等優點，畝產塊莖達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（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中[5-8]。目前菊糖提取大多采用熱水浸提法，工藝簡單，但其中存在單糖、蛋白質等雜質，而提取液的pH對這些雜質的含量及提取率的高低影響較大。本文研究了pH對提取液中雜質含量及提取率的影響，旨在為菊糖提取產業化提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菊芋 1號原料在切片加工過程中未經過漂洗，2號原料在切片加工過程中經過漂洗（自來水直接沖洗），二者均為經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 購自國藥集團化學試劑有限公司；苯酚、硫酸、磷酸 購自廣東光華化學廠有限公司；葡萄糖、果糖 購自天津市大茂化學試劑廠；考馬斯亮藍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 天津泰斯特有限公司；MA35水分測定儀 德國賽多利斯集團；HH-6型恒溫水浴鍋 金壇市宏華儀器廠；5804R冷凍離心機 德國Eppendorf；尤尼柯2802SH型紫外可見分光光度計 上海儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 粗菊粉的制備及水分測定 將原料1和原料2用粉碎機粉碎，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，放入水分測定儀中，設定參數120℃、30min，測得1號原料水分含量為8.05%，2號原料水分含量為6.84%。

1.2.2 菊糖的提取 取500mL三角瓶5個，每個加入預先加熱到85℃的去離子水200mL，再加入20g（按干重計）的粗菊粉，分別調節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即可用于各項指標的測定。

1.2.3 測定方法

1.2.3.1 菊芋提取液中還原糖的測定 采用DNS比色法[9]。

1.2.3.2 菊芋提取液中總糖的檢測 采用蒽酮比色法[9]。

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

1.2.4 計算 菊糖濃度=總糖濃度-還原糖濃度

菊糖得率=（提取液總糖質量-提取液還原糖質量）/粗菊粉中菊糖質量

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

2 結果與分析

2.1 pH對提取液中還原糖含量的影響

按1.2.3.1中所述，對提取液中還原糖的含量進行了測定，結果如圖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，這是因為在酸性條件下低聚果糖更容易降解成單糖，因此還原糖含量會越高。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結束均變化不大。pH5.0條件下還原糖的量持續升高，可能是因為酸性較強，解聚作用占主要地位。

圖1 不同pH對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，可能是因為漂洗的過程使得一部分小分子的單糖流失。總體說來，還原糖的量從60min開始到120min結束，還原糖的量變化不大，所以在考慮最佳提取條件時，還原糖與時間的變化情況可以作為次要因素。

2.2 pH對提取液中蛋白質含量的影響

按1.2.3.3中所述，對提取液中蛋白質的含量進行了測定，結果如圖2所示。從圖2可以看出提取液中蛋白質的含量隨pH的升高而升高。可能是因為大多數蛋白質的等電點都為低pH條件，故提取條件的pH越低，越接近蛋白質的等電點而使其沉淀下來。蛋白質沉降的作用力主要是熱變性以及接近等電點時的疏水作用力。多種作用力相互作用導致蛋白質含量隨時間呈現升高、降低交替變化的情況。總體來講，蛋白質含量在80min左右達到最低值。同時兩種原料的蛋白質含量并沒有明顯的區別，說明漂洗作用對提取液中蛋白質的含量影響不大。

圖2 不同pH對提取液中蛋白質含量的影響Fig.2 Effect of different pH on the concentration of the protein of the extract

2.3 pH對提取液中菊糖含量的影響

按1.2.3.2中所述，對提取液中總糖的含量進行了測定，按1.2.4進行計算，結果如圖3所示。總的來說菊糖的量是隨著提取時間的延長而增加的。說明提取時間越長，提取效果越好，但是提取時間延長會增加提取液中的雜多糖，同時提取能耗也相應增大。低pH（5.0～6.0）下菊糖濃度的高峰出現在90～100min；高pH（7.0～9.0）下菊糖濃度的高峰出現在100～110min。pH越高，總體上來講菊糖的含量會稍高一些。

圖3 不同pH對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條件下時原料1提取液的菊糖含量達到最高值為88.43g/L；100min，pH7.0條件下時原料2提取液的菊糖含量達到最高值為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，同時在所研究的60min到120min內也變化不明顯；在pH7.0，提取110min時菊糖含量最高，達到88.43g/L，而此時蛋白質的含量處于居中水平，同時我們在研究中還發現提取液的顏色隨著提取液pH的升高而明顯變深，這會對后續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，提取液中的蛋白質含量也有較大的提高，蛋白質這樣的大分子物質對產品質量影響較大，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及時間分別對原料1和原料2進行提取并收集提取液，按1.2.4進行計算，得到原料1的提取率為76.46%，原料2的提取率為72.65%（具體數據未呈現）。這一提取率較楊振等[8]提取的結果高，可能是提取溫度的提高及提取時間的延長所致；但較何新華等[11]的結果低，可能是因為本文所用的固液比值較高的原因。采用較高的固液比也是考慮到工業應用，若采用較低的固液比，工業用水會較大，進而增加成本。固液比與提取pH及提取時間的相互關系尚需進一步研究。

3 結論

通過對兩種原料的菊芋進行提取及還原糖、蛋白質及總糖的測定發現，pH對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，提取液中蛋白質的含量越高，但二者隨提取時間的延長變化都不大。較低pH條件下，菊糖含量在90～100min達到高峰；在較高pH條件下，菊糖含量在100～110min達到高峰。綜合考慮菊糖含量、還原糖含量、蛋白質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。

通過進一步的研究表明，超濾系統對蛋白質的脫除作用較明顯；而超濾系統對還原糖的脫除能達到100%，這對于產品的品質有較大的提升，但損失較嚴重。今后的研究應著重關注怎樣采用安全、低成本的方法對提取液進行蛋白質等雜質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 *通訊聯系人

梁磊（1980-），男，博士，研究方向：食品生物技術、生物基材料。

國家自然科學基金（51078147）；廣東省科技計劃項目（2010B031700022，2010A010500005）。