菊芋多糖工業提取和除雜方法的研究

摘 要：該文以新疆菊芋為研究對象，以熱水浸提法對菊芋中的菊糖進行提取，并以Ca（OH）2—CO2法對浸提液進行除雜。在熱水浸提試驗中，以浸提溫度、時間和料水比作為因素進行了單因素實驗并在其基礎上進行了正交試驗，結果分析表明熱水浸提的最佳工藝參數為：浸提溫度90 ℃、時間50 min、料水比1：30，在此條件下菊糖得率為最高達到77.99%。在除雜試驗中，以Ca（OH）2溶液調節的pH值、CO2回調的pH值以及澄清溫度作為因素進行了單因素實驗并在其基礎上進行了正交試驗，結果分析表明除雜的最佳工藝參數為：Ca（OH）2溶液調節pH為10.0，CO2回調pH至6.0，澄清溫度為80 ℃，澄清時間15 min，在此條件下菊糖的得率為71.21%、透光率為87.36%。

關鍵詞：菊芋 菊糖 熱水浸提 除雜

中圖分類號：TQ461 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0019-04

菊芋（Jerusalem artichoke），又名洋姜，是菊科多年生草本植物，耐貧瘠和干旱，對氣候和土壤條件要求不高，適應性很強，廣泛種植于我國很多省區，一次種植收獲，畝產可達3000～5000 kg，是一種急待開發的半野生資源[1]，菊芋塊莖中含多種營養物質，經濟價值很高。鮮菊芋的菊糖含量可占濕重的15%～20%、干重的80%左右， 是加工生產菊糖及其制品的良好原料。目前，菊芋被國內外高度重視并開發其功能性食品添加劑——菊糖、蛋白質、果膠、有機酸、纖維素及其他成分[2]。菊糖（Inulin），又名菊粉、土木香粉，是由D-果糖經β-（1→2）糖苷鍵連接而成的鏈狀多糖， 末端常含有一個葡萄糖基。菊粉的分子式表示為GFn，其中G代表終端葡萄糖單位，F代表果糖分子，n代表果糖的單位數[3]。菊粉的聚合度為2-60，平均分子量在5500左右。

菊芋生長適應性強，宜種植于十年九旱多大風的山區、丘陵地帶和土壤瘠薄，氣候溫涼地域；另外，種植菊芋可固沙、防沙塵暴，改善生態環境[4]。生產菊粉和低聚果糖的過程中，不產生有害氣體和廢酸、廢渣等，對環境不會造成污染。菊芋（洋姜、地姜）是目前的蔬菜中品種優異，具有多種保健功效的重要品種資源，是發展營養、保健、療效食品的理想原料，它的開發利用有著廣闊的前景。

菊芋在我國只有零星種植，多年來加工腌菜食用，附加值低，利用量小。在內蒙古、甘肅、新疆等地雖有幾家菊芋深加工企業，但因技術落后，缺少競爭力，與歐洲同類產品差距很大。盡管國際市場需求旺盛，國內產品卻缺少市場，甚至我國目前食品產業使用的高純度菊粉、高純度低聚果糖相當程度依靠進口，目前年使用量約有10000 t，并有迅速上升的趨勢[5]。現國內有山東奇力公司、青海威德公司、湖北潛江等地也在大力種植加工。但如能實現國產化，切實降低成本，提高技術含量，我國每年對一些高純度原料總需求量在40萬t以上。

目前， 國際上菊芋菊粉及相關產品的生產已經成為很大的一個產業，因為菊粉水解可得到果糖和低聚果糖，它們具有不同的保健功能[6]。我國菊粉純化多采用熱水提取、菊粉微波提取等方法，工藝方法比較粗糙，菊粉含量與品質都不高，且多以菊苣為原料生產，很少對以菊芋作為原料生產的菊粉進行系統深入地研究。

本項目研究菊芋中菊糖的提取分離、純化方法，篩選出可操作性強且產率高、適合工業化生產的工藝方法，旨在為能源植物菊芋的開發利用及實現工業化生產提供科學依據，同時也為菊粉進一步加工生產更高附加值的果糖和低聚果糖奠定了基礎。

1 材料與方法

1.1 主要材料和儀器

主要實驗材料如下：菊芋，由新疆冠農果茸集團股份有限公司提供；其他試劑為國產分析純或色譜純。

主要實驗儀器如下：ENK-PRO型酶標儀，美國Bioteck公司；旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器公司；Ultrospec-5300型紫外分光光度儀，美國Amersham公司；真空冷凍干燥系統，日本SHIMADZU；其余均為實驗室常規儀器。

1.2 實驗方法

1.2.1 菊芋中菊糖含量的測定

由于菊芋極易褐變和霉變，應及時預處理，實際生產中應將鮮菊芋快速凍干保存，使用時再進行熱燙滅酶處理。之后加如適量水，粉碎機粉碎成勻漿，即為菊芋提取液。

（1）總糖標曲曲線的繪制。

量取果糖對照品溶液（濃度1 mg/mL） 0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL。分別置于10 mL具塞試管中，加蒸餾水補充至2.0 mL，加5%苯酚液1.0 mL，混勻，迅速加入濃硫酸5.0 mL，密塞搖勻，室溫放置10 min，40 ℃水浴15 min，迅速冷卻至室溫，在490 nm處測定吸光度值[7]。濃度為橫坐標，吸光度值為縱坐標，繪制標準曲線。

（2）還原糖標曲曲線的繪制。

量取果糖對照品溶液0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mL，加蒸餾水至2.0 mL，各加DNS試液2.0 mL，沸水浴7 min，迅速冷卻至室溫，在540 nm處測吸光度值[7]。濃度為橫坐標，吸光度值為縱坐標，繪制標準曲線。

（3）菊糖含量測定。

以菊芋提取液為樣品，依據（1）和（2）的方法和標準曲線，分別測定和計算出提取液的總糖和還原糖的含量。之后根據下列公式計算出菊芋樣品中的菊糖含量。

菊糖含量%=[（C總-C還）×L×稀釋倍數/W樣]×100

式中：C總為總糖濃度；C還為還原糖濃度；L為溶液體積；W樣菊芋樣品取樣量

1.2.2 菊芋中菊糖的提取

本研究采用熱水浸提法[8]對菊糖進行提取，研究了不同浸提溫度、不同浸提時間和不同料水比的條件下的菊糖的得率。如表1，通過單因素實驗，選取三因素三水平，按L9（33）進行正交實驗，以確定得出菊芋中菊糖提取的最佳工藝參數。

1.2.3 菊芋浸提液的除雜

取菊芋浸提液100 mL，置于60 ℃的水浴鍋中，加入15%的Ca（OH）2溶液調節pH，使蛋白質變性，升溫，在不同溫度下澄清15 min，冷卻至室溫，再向浸提液中加沖入CO2回調pH，在相應的澄清溫度下保溫15min，離心去雜質和沉淀[9]。測定透光率和菊糖得率。（透光率測定：取待測液，蒸餾水作對照，于540nm處測定透光率。）

以加Ca（OH）2溶液調節的pH值、充入CO2回調pH的值和澄清溫度作為因素進行單因素實驗，并在此基礎上進行L9（33）正交實驗如表2，以確定得出菊芋菊糖浸提液除雜的最佳工藝參數。

1.2.4 數據分析

所有實驗一式三份進行，數據值為平均值±標準偏差（SD）。所有數據分析均采用Origin 8.0軟件。

2 結果與討論

2.1 菊糖含量的測定

由圖1得總糖含量的標準曲線為y=8.3375x-0.0068（R2=0.9996），由圖2得還原糖的標準曲線為y=6.8821x-0.0164（R2=0.9986）。如表3，經過測定計算出新鮮菊芋樣品中菊糖的含量為18.74%。

2.2 菊糖熱水浸提工藝優化

2.2.1 提取時間的選擇

在熱浸提溫度80 ℃，料水比1：20的條件下，分別浸提20、30、40、50和60 min。由圖3可知，菊糖得率隨著時間的延長而上升，在50 min時提取率達到最大，60 min時略微減少，經分析應該是長時間高溫使菊糖分解導致的[10]，并且再延長加熱時間提取率也不在增加，因此熱浸提時間選擇50min左右為宜。

2.2.2 提取溫度的選擇

在浸提時間50 min，料液比1：20的條件下，浸提溫度分別為60、70、80、90和100 ℃。由圖4可知，菊糖得率隨著溫度升高而上升，80 ℃之后增加趨勢變緩，考慮到節約能耗，提高效率，因此浸提溫度選擇80℃左右為宜。

2.2.3 水料比的選擇

在浸提溫度80 ℃、時間50 min的條件下，分別按照料水比1：15、1：20、1：25、1：25和1：30進行提取。如圖3所示，菊糖得率隨著料水比的增大呈上升趨勢，料水比越大，菊芋細胞兩側的濃度差越大[11]，對菊糖溶出越有利，料水比1：25到1：30，增幅最大，但是過高的水料比會為后續的提取純化帶了不變，對水需求量也較大，綜合考慮節約能耗，提高效率，選取料水比1：25左右為宜。

2.2.4 提取次數的選擇

在浸提溫度80 ℃、時間50 min、料水比1：25的條件下，重復浸提三次。由圖6可知，提取次數越多，菊糖得率越大，兩次提取之后基本已將絕大部分菊糖提取，因此提取以2次為宜，故在正交設計中不考慮這一因素。企業可根據能耗、生產效率和成本選擇次數。

2.2.5 熱浸提正交試驗結果

由表3和表4可知，以菊糖的得率為指標，浸提溫度90 ℃、時間50 min、最佳料水比1：30，提取次數兩次，菊糖得率在A3B3C2（1：30、90℃、50 min）條件下可達77.99%。根據極差R的大小，不同因素對于得率影響不同，B>A>C。即提取溫度影響最大，影響顯著F0.05

2.3 菊糖除雜工藝優化

2.3.1 澄清溫度對除雜效果的影響

向浸提液中加入Ca（OH）2溶液調節pH至10.0，充入CO2回調pH至7.0，澄清溫度分別50、60、70、80、90 ℃，澄清時間15 min，離心去沉淀雜質，測透光率和菊糖得率。結果如圖7所示，隨著澄清溫度上升，透光率先上升至80 ℃之后時基本不變，菊糖得率在80 ℃時最高之后有所降低，應該是溫度過高使得沉淀降解導致[9]，因此綜合考慮選擇澄清溫度80℃為宜。

2.1.2 Ca（OH）2調節pH值對除雜效果的影響

分別向浸提液中加入Ca（OH）2調節pH至8.0、9.0、10.0、11.0、12.0，CO2回調pH至7.0，澄清溫度80℃，澄清時間15min，離心去沉淀雜質，測透光率和菊糖得率。由圖7可知，隨著Ca（OH）2調節pH值的上升，透光率先上升至pH為11.0時下降，菊糖得率在pH為10.0時最高之后下降較快，經分析應該是菊糖在強堿條件會受到破壞，因此選取Ca（OH）2調節pH至10.0為宜。

2.3.3 CO2回調pH值對除雜效果的影響

向浸提液中加入Ca（OH）2調節pH至10.0，充入CO2回調pH至5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，澄清溫度80℃，澄清時間15min，離心去沉淀雜質，測定計算透光率和菊糖得率。結果如圖9所示，隨著CO2回調pH值的增大，在pH為7.0時透光率和菊糖得率最高，之后開始下降，原因是有多余的Ca（OH）2和雜質沒有沉淀下來，導致透光率和菊糖得率下降，因此CO2回調pH值選取7.0為宜。

2.3.4 Ca（OH）2除雜正交實驗

由表6、7、8可知，Ca（OH）2調節后的pH值對透光率和菊糖得率有顯著影響，其余兩因素則均無顯著影響。同時Ca（OH）2和CO2調節pH值對透光率的影響比對菊糖得率的影響大，說明作用僅是除雜，對菊糖含量影響較小。各因素對透光率影響順序為B>C>A，根據k值確定最佳除雜條件為A3B1C1，即加Ca（OH）2調節pH為10.0，CO2回調pH至6.0，澄清溫度為80 ℃，澄清時間15 min，浸提液透光率為87.36%，菊糖得率為71.21%。

3 結論

在本研究中，以熱水浸提法對菊芋中的菊糖進行提取，并以Ca（OH）2—CO2法對浸提液進行除雜。熱水浸提試驗結果分析表明熱水浸提的最佳工藝參數為：浸提溫度90 ℃、時間50 min、料水比1：30，在此條件下菊糖得率為最高達到77.99%。除雜試驗結果分析表明除雜的最佳工藝參數為：Ca（OH）2溶液調節pH為10.0，CO2回調pH至6.0，澄清溫度為80 ℃，澄清時間15 min，在此條件下菊糖的得率為71.21%、透光率為87.36%。

以上研究一方面對于工業生產菊糖提供了一定的理論依據，另一方面為菊糖產品的開發和利用奠定基礎。而由于菊糖熱水浸提提取方法前期處理步驟較多生產周期較長，水資源和化工原料資源消耗較大，考慮是否可以適當結合多套膜設備或者全膜法，進而提高提取率和節約資源利用率，這些問題還有待進一步研究。

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