壺瓶棗干燥預處理及提取工藝對其多糖得率的影響

張耀雷，黃立新，2*，張彩虹，謝普軍，游 鳳

1 中國林業科學研究院林產化學工業研究所;生物質化學利用國家工程實驗室;國家林業局林產化學工程重點開放性實驗室;江蘇省生物質能源與材料重點實驗室，南京 210042;2 中國林業科學院林業新技術研究所，北京 100091

壺瓶棗(Ziziphus jujube Mill.cv.Hupingzao)是鼠李科棗屬植物棗樹的果實，為中國十大名棗之一，主要產地為山西太谷等地，有2000 多年的栽培歷史，是一種提取紅棗多糖的較好原料。我國紅棗總量占世界資源的90%以上［1］，其富含糖類、維生素、氨基酸、礦物質、粗纖維等營養成分，鮮棗和干棗含糖量分別為20%、60%～80%［2］，既可以食用也可以入藥，研究發現多糖為紅棗的主要功能性成分［3］。為了延長紅棗的貨架期，需對其進行干燥處理。干燥方式有很多，如噴霧干燥、冷凍干燥、真空干燥、微波干燥、熱泵干燥等［4］，不同的干燥方式會對紅棗中生物活性物質產生影響，因而有必要對其干燥方式進行研究。目前，國內外關于紅棗多糖提取方法的報道主要集中于超聲提取法、微波提取法、傳統熱浸提法和堿液提取法等，而暫無減壓內部沸騰法提取紅棗多糖的相關報道。與傳統工藝相比，減壓內部沸騰法具有低溫、低壓等特點，更有利于壺瓶棗中生物活性物質的保存。多糖中難分離的雜質主要是蛋白質［5］，其所帶電荷可吸附大量其它雜質，給多糖的分離純化帶來很大困難，且蛋白質會影響多糖的活性［6］，因此有必要監控提取過程中蛋白質的得率。

本文研究了減壓內部沸騰法提取壺瓶棗多糖的工藝參數，在優化工藝的基礎上，研究比較了真空冷凍干燥和烘箱干燥兩種干燥方式對壺瓶棗多糖得率的影響，以期為紅棗多糖的工業化生產提供幫助。

1 材料與儀器

1.1 材料

壺瓶棗，產地為山西太谷，購于南京市鎖金村農貿市場。

1.2 試劑

葡萄糖、濃硫酸、蒽酮、牛血清白蛋白(BSA)、考馬斯亮藍G-250、磷酸、氫氧化鈉、乙醇、3，5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、結晶鈉、蘆丁，均為分析純。

1.3 儀器設備

JM 型膠體磨，溫州市康而達實業有限公司;DHG-9070A 型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海索譜儀器有限公司;Wizard 2.0 型真空冷凍干燥機，美國Vir-Tis 公司;WSC-S 測色色差計，上海精密科學儀器有限公司物理光學儀器廠;MB45 型鹵素水分測定儀及分析天平，美國奧豪斯公司;SHZ-D(III)循環水式真空泵和RE-5299 型旋轉蒸發儀，上海東璽制冷儀器有限公司;HH-4 數顯恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;UV-2102PC 紫外可見分光光度儀，上海尤尼科光譜設備有限公司

2 實驗方法

2.1 壺瓶棗的干燥預處理

圖1 真空冷凍干燥在線監控曲線Fig.1 On-line monitoring curve of vacuum freeze drying process

壺瓶棗經脫皮、去核后，用膠體磨將其制漿，分別采用烘箱干燥和真空冷凍干燥對其干燥處理。烘箱干燥工藝參數為溫度60 ℃，干燥時間為100 h。真空冷凍干燥工藝參數為-40 ℃下預凍4 h 后，在真空度320 mtorr、冷凝溫度-55 ℃下干燥100 h，冷凍溫度設置如圖1 所示。

2.2 壺瓶棗多糖的提取

準確稱量2.0 g 棗粉于250 mL 三口燒瓶中，加入適量的沸石及一定體積的蒸餾水，放置于一定溫度的水浴鍋中，從冷凝管抽真空至提取液沸騰，通過放氣閥調節防止爆沸，回流提取一定時間。提取液趁熱抽濾，濾液定容至250 mL，得溶液A，測總糖、還原糖和蛋白質含量。將溶液A 濃縮至50 mL，加200 mL 無水乙醇冷藏靜置過夜，過濾所得沉淀用一定量無水乙醇洗滌，復溶后定容至250 mL，得溶液B，測多糖含量。根據單因素實驗設計，研究不同真空度、冷凝管長度、溫度、液料比和時間對壺瓶棗多糖及蛋白質得率的影響。

2.3 測定方法

2.3.1 壺瓶棗粉含水量及色差的測定

采用鹵素水分測定儀測定干燥粉末的含水量，每個樣品都測量3 次，每次測量取1 g，測量溫度設定為100 ℃，測量時間為20 min，取3 個值的平均值為最終含水量;采用測色色差計測量壺瓶棗粉的L*、a*、b* 值，每個樣品測量值取3 次的平均值。

2.3.2 壺瓶棗中各成分含量的測定

以葡萄糖為標準品，總糖及多糖含量測定采用蒽酮-硫酸法［7］，標準曲線為c=0.0901A-0.0014(R2=0.9959);以葡萄糖為標準品，還原糖含量測定采用DNS 法［8］，標準曲線為c=1.069A +0.0118(R2=0.9996);以牛血清白蛋白(BSA)為標準品，可溶性蛋白質含量測定采用考馬斯亮藍法［9］，標準曲線為c=0.1232A-0.0065(R2=0.9862)。

式中:n 為稀釋倍數;VA為溶液A 體積，mL;VB為溶液B 體積，mL;M 為棗粉質量，g;c 為溶液中各物質濃度，mg/mL。

3 結果與分析

3.1 干燥預處理結果分析

3.1.1 干燥預處理對壺瓶棗含水量的影響

含水量是檢驗紅棗干燥效果的重要指標，關系到紅棗的儲存條件和保質期限，含水量過高會增加紅棗保存的難度。在本實驗條件下，烘箱干燥和真空冷凍干燥所得壺瓶棗含水量分別為4.00% 和6.87%。結果表明在100 h 的干燥時間下，烘箱干燥的干燥能力較強。

3.1.2 干燥預處理對壺瓶棗色差的影響

不同干燥方式所得壺瓶棗粉末的顏色不同，而色澤是考察干燥方式優劣的重要指標，因此需對其進行分析比較。采用色差計進行測量，參照物為白板，其明度L 為92.92，偏紅a 為-0.90，偏黃b 為0.54，其色差△E 為0。在本實驗條件下，烘箱干燥和真空冷凍干燥所得壺瓶棗粉末的色差分別為65.26 和53.18，表明低溫真空環境能夠更好的保持物料的色澤。這是因為壺瓶棗中發生了美拉德反應［10］，導致烘箱干燥的壺瓶棗粉末色差較大，這也使所得多糖色素含量過高。

由于烘箱干燥的壺瓶棗粉色差較大，色素含量高，而兩種干燥預處理的棗粉含水量無顯著區別，因此本文選用真空冷凍干燥的壺瓶棗粉研究提取工藝。

3.2 提取條件對壺瓶棗多糖得率的影響

3.2.1 真空度的選擇

將提取工藝設定為體系內溫度50 ℃，液料比40∶1(mL∶g)，提取時間30 min，考察不同真空度對壺瓶棗多糖和蛋白質得率的影響，結果見圖2。由圖2 可知，當真空度小于87 kPa 時(體系未沸騰)，不同真空度對蛋白質和多糖得率影響較小;當真空度達到87 kPa 時(體系沸騰)，多糖和蛋白質得率均有顯著提高。這是由于沸騰時的翻騰效應可加速壺瓶棗多糖和蛋白質在水中擴散，提高了得率［11］。因此，沸騰時蛋白質和多糖的得率才能得到顯著提高。沸騰時，水蒸氣不斷冷凝回流至體系中導致體系內外溫度相差較大，實驗中體系內外溫度與真空度的關系見圖3。由圖3 可知，沸騰時，體系內外溫度差為10 ℃，并可將溫度與真空度整合為一個因素。由于體系內溫度為實際提取溫度，因此本文確定以該溫度為實驗因素。

圖2 真空度對蛋白質及多糖得率的影響Fig.2 Effect of vacuum degree on the protein and polysaccharides yields

圖3 體系內外溫度與真空度的關系Fig.3 Relationship between temperature and vacuum degree

3.2.2 溫度的選擇

將提取工藝設定為液料比40∶1(mL∶g)，提取時間30 min，考察不同溫度對壺瓶棗多糖和蛋白質得率的影響，結果見圖4。由圖4 可知，當溫度達到60 ℃時，壺瓶棗多糖得率達到最大值;當溫度小于60 ℃時，多糖得率呈增大趨勢;當溫度大于60 ℃時，多糖得率呈減少趨勢，這是因為多糖的熱穩定性較差，高溫條件容易導致其降解。由于溫度達到60℃時多糖得率最高且蛋白質得率隨溫度的增高而增大，因此溫度選擇60 ℃較為合適。

圖4 溫度對蛋白質及多糖得率的影響Fig.4 Effect of temperature on the protein and polysaccharides yields

3.2.3 液料比的選擇

將提取工藝設定為溫度60 ℃，提取時間30 min，考察不同液料比對壺瓶棗多糖及蛋白質得率的影響，結果見圖5。由圖5 可知，當液料比值達到50時，壺瓶棗多糖得率達到最大值，當達到60 時，蛋白質得率達到最大值;當液料比值繼續增大時，多糖及蛋白質得率均呈減小趨勢。綜合考慮，液料比選擇50∶1(mL∶g)較為合適。

圖5 液料比對蛋白質及多糖得率的影響Fig.5 Effect of water/solid ratio on the protein and polysaccharides yields

3.2.4 提取時間的選擇

將提取工藝設定為溫度60 ℃，液料比50∶1(mL∶g)，考察不同提取時間對壺瓶棗多糖及蛋白質得率的影響，結果見圖6。由圖6 可知，當提取時間達到30 min 時，多糖及蛋白質得率達到最大值;當提取時間大于30 min 時，延長提取時間對多糖及蛋白質得率無顯著影響。從節能方面考慮，提取時間選擇30 min 較為合適。

圖6 提取時間對蛋白質及多糖得率的影響Fig.6 Effect of extraction time on the protein and polysaccharides yields

3.2.5 冷凝管長度的選擇

提取過程中揮發的水蒸氣若不能及時冷凝回流會導致體系中液料比的改變，繼而影響多糖及蛋白質的得率。冷凝管過短必然會導致水蒸氣冷凝不充分，因此有必要對冷凝管的長度進行選擇。將提取工藝設定為溫度60 ℃，液料比50∶1(mL∶g)，提取時間30 min，分別比較單個冷凝管(40 cm)和兩個串聯冷凝管(80 cm)對得率的影響，結果見表1。由表1 可知，實驗所選冷凝管長度對得率影響較小，說明40 cm 冷凝管即可以達到充分冷凝，從裝置的簡易性考慮，選擇40 cm 較好。

表1 冷凝管長度對蛋白質及多糖得率的影響Table 1 Effect of condenser tube length on the protein and polysaccharides yields

3.3 驗證實驗

單因素優化后工藝參數為溫度60 ℃，液料比50∶1(mL∶g)，提取時間30 min，此時外界溫度為71℃，真空度為80 kPa，按工藝重復3 組實驗，結果見表2，蛋白質得率為2.14 mg/g，RSD=1.43%，多糖得率為26.05 mg/g，RSD=0.21%，說明本工藝重復穩定性較好。

表2 驗證實驗Table 2 Confirmatory experiment

3.4 不同提取方法的比較

將單因素優化后的減壓內部沸騰法與傳統熱浸提比較，后者工藝參數設定為溫度60 ℃，液料比50∶1(mL∶g)，提取時間30 min，按步驟2.2 測蛋白質與多糖得率分別為1.57 和22.33 mg/g，減壓內部沸騰法分別提高了36.31%和16.66%。

3.5 干燥預處理對壺瓶棗多糖提取得率的影響

采用經優化后的減壓內部沸騰法提取壺瓶棗中各成分，此條件下各成分含量見表3。由表3 可知，真空冷凍干燥的棗粉中總糖及多糖含量較高，說明真空冷凍干燥能夠更好保存壺瓶棗中原有的糖類物質，而烘箱干燥的高溫環境容易導致多糖的降解。還原糖會與氨基酸發生美拉德反應，導致產品變質，縮短貨架期［12］，因此需對其含量進行測定，結果表明烘箱干燥的棗粉中還原糖含量較高，可能原因是壺瓶棗中淀粉等多糖發生降解后生成了還原糖。真空冷凍干燥所得壺瓶棗中蛋白質含量較低，這是由于真空冷凍干燥過程的凍結、凍融、干燥等過程使蛋白質發生了變性［13］，這也是反復凍融法脫蛋白的原理。綜合考慮，真空冷凍干燥是壺瓶棗干燥的一種較佳方式。

表3 干燥預處理對得率的影響(以干重計)Table 3 Effect of drying pretreatments on the yields (by dry weight meter)

4 結論與討論

在100 h 的干燥時間下，烘箱干燥的干燥能力較強;美拉德反應造成烘箱干燥的壺瓶棗粉色差較大，導致其多糖色素含量偏高，會給多糖的后續分離純化工作帶來很大困難。真空冷凍干燥所得壺瓶棗粉的多糖含量高于烘箱干燥，且蛋白質含量較低，說明低溫真空的環境可以更好的保存紅棗多糖且多糖純度更高。綜合考慮，真空冷凍干燥技術的干燥效果較佳，是壺瓶棗干燥預處理的較佳選擇。

以真空冷凍干燥的壺瓶棗粉為原料，采用減壓內部沸騰法提取壺瓶棗多糖，研究不同真空度、冷凝管長度、溫度、液料比和提取時間對壺瓶棗多糖得率的影響。真空度與溫度存在著對應關系，故將兩者整合為一個因素考察。單因素結果表明溫度、液料比和提取時間對多糖及蛋白質的得率有較大影響，冷凝管長度對其影響較小，優化后的工藝參數為體系內溫度60 ℃，液料比50∶1(mL∶g)，提取時間30 min，此時外界溫度為71 ℃，真空度為80 kPa，此條件下蛋白質及多糖得率分別為2.14 mg/g 和26.05 mg/g。與傳統熱浸提相比，蛋白質和多糖得率分別提高了36.31%和16.66%。

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