黨參多糖提取工藝優化 及其保健醋飲料的研制

秦 楠,崔 政,劉麗君,張芹仙

(山西中醫藥大學 制藥與食品工程學院,山西太原 030619)

黨參(Codonopsispilosula)始見于清代本草,繼山西上黨產的人參資源逐漸枯竭時被作為上黨人參上市而著名[1-2]。黨參主要成分包括萜類、糖、糖苷類、甾體類、黃酮類、木脂素苷、氨基酸等,具有補中益氣、生津止渴、活血化瘀、調理脾胃、健脾益肺等作用,其中,黨參多糖具有增強免疫能力、抗缺氧、抗腫瘤、抗衰老、抗輻射、增強記憶和提高學習能力等藥理活性[3]。張雅君等研究表明,黨參多糖可促進小鼠B淋巴細胞的增殖,提高巨噬細胞的吞噬功能,是一種新的免疫調節劑[4]。廖威等以蘆薈、黨參為原料研制出具有調節新陳代謝、增強免疫力、消炎殺菌等功能的中藥復合保健飲料[5]。楊鮮以黨參為主要原料,采用加熱回流提取有效成分,復配制得黨參復合保健飲料,具有抗輻射、抗疲勞功能[6]。

醋飲料相比傳統食醋在口感、營養、風味方面更易于消費者接受,而且還具有一定的保健功能。目前,研發的醋飲料品種豐富,如蘋果醋飲料[9]、姜醋飲料[10]、小白杏醋飲料[11]、蘆筍醋飲料[12]、蜂蜜醋飲料[13]等。近些年,對黨參成分研究的報道較多,主要集中在多糖,黨參甙Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,黨參堿等[14-16]。蕎麥醋主要以其促進食欲、抗氧化、減肥、降血脂等功能性研究為趨勢[17-18]。有關黨參蕎麥醋飲料的研究尚未見報道。本研究以黨參多糖提取物、蕎麥醋為主要原料,生產復合飲料,確定飲料的最佳配方為實際生產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

TRT黨參 同仁堂藥店;蕎麥醋(批號YA20170405) 吳起醋業有限公司;蜂蜜(批號114931W3) 上海冠生園蜂制品有限公司;無水乙醇、氫氧化鈉、亞硝酸鈉、硝酸鋁、苯酚、硫酸、葡萄糖對照品 天津市光復精細化工研究所;FK-BZ0080蘆丁 上海樊克生物科技有限公司。

KQ-100E超聲波清洗器昆山舒 美超聲儀器有限公司;RRHP-100萬能高速粉碎機 歐凱萊芙(香港)寶業公司;TGL-20B離心機 上海安亭科學儀器廠;UItra-3660紫外分光光度儀 北京普源精電科技有限公司;VORTEX-KB3漩渦混合器 杭州大衛科教儀器有限公司;GZ10WY015R折光儀 北京西化儀科技有限公司;GZX-9140MBE電熱鼓風干燥箱 上海博迅實業有限公司醫療設備廠;HH-2數顯恒溫水浴鍋 金壇市杰瑞爾電器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 操作要點 精選無霉變黨參,置于燒杯中,用流動水快速沖洗,將黨參揀出放在陽光下曬干(含水量15%～20%)。用粉碎機中粉碎成粉末,過80目篩,裝在潔凈的封口袋中備用,確保其粉末質地均勻,利用超聲波輔助萃取,蒸發濃縮至6 mL。加無水乙醇9 mL使醇沉濃度調整為60%,醇沉過夜12 h,離心棄去上清液,揮干乙醇,即得到黨參多糖,采用苯酚硫酸法測多糖含量。加入黨參多糖水溶液、蜂蜜、蕎麥醋進行飲料口感的調配,玻璃瓶灌裝后,采用巴氏殺菌,70 ℃滅菌15 min,冷卻即為成品[19]。

1.2.2 多糖含量及提取率的測定

1.2.2.1 葡萄糖標準曲線的繪制 配制濃度0.5 mg/mL葡萄糖溶液和6%苯酚溶液。精確量取標準液0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL在100 mL容量瓶中用蒸餾水進行定容,然后從各容量瓶中移取1.0 mL葡萄糖稀釋溶液于7支不同試管中,再取1 mL蒸餾水為空白參比液,分別往8支試管中加入6%苯酚1.0 mL,迅速用移液管移取濃硫酸5 mL,振蕩混勻。經沸水浴中加熱15 min,再在冷水浴中冷卻15 min,在其最大吸收波長490 nm處測吸光度值,以葡萄糖濃度C為橫坐標,吸光度A為縱坐標,繪制標準曲線[20-21]。

1.2.2.2 黨參多糖提取率的測定 將離心后的沉淀溶解于30 mL蒸餾水中,然后在100 mL容量瓶中溶解定容,搖勻,精確移取0.2 mL稀釋溶液在另一個100 mL容量瓶中用蒸餾水再次定容稀釋,然后按照1.2.2.1的方法取1 mL二次稀釋液,通過苯酚硫酸進行顯色測定,在490 nm波長下測定其吸光度A。

1.2.3 單因素實驗 采用超聲波輔助提取黨參多糖:固定超聲溫度50 ℃、超聲時間40 min、醇沉濃度60%,改變料液比(1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50 g/mL)進行單因素實驗;固定超聲溫度50 ℃、料液比1∶30 (g/mL)、醇沉濃度60%,改變超聲時間(20、40、60、80、100 min)進行單因素實驗;固定超聲時間40 min、料液比1∶30 (g/mL)、醇沉濃度60%,改變超聲溫度(40、50、60、70、80 ℃)進行單因素實驗;固定超聲時間40 min、料液比1∶30 (g/mL)、超聲溫度50 ℃,改變醇沉濃度(50%、60%、70%、80%、90%)進行單因素實驗。

1.2.4 響應面實驗設計 基于單因素實驗結果,采用Box-Behnken設計方案[22-23],以料液比(g/mL)、超聲時間(min)、醇沉濃度(%)作為考察因素進行響應面實驗,分別用X1、X2、X3來表示,并以+1、0、-1分別代表變量的水平,按方程xi=(Xi-X0)/ΔX對自變量進行編碼,其中,xi表示變量的編碼值,Xi表示變量的真實值,X0表示實驗中心點變量的真實值,ΔX表示變量的步長變化,黨參多糖提取率Y表示響應值,見表1。

表1 中心組合實驗Box-Behnken設計因素和水平編碼值Table 1 Independent variables and levels in Box-Behnken CCD

1.2.5 黨參蕎麥醋飲料最佳工藝的確定

1.2.5.1 黨參蕎麥醋飲料配方的優化 為了賦予飲料柔和的口感,突出黨參多糖、蕎麥醋的功能成分,在前期預實驗的基礎上,分別選取黨參多糖水溶液、蕎麥醋、蜂蜜為考察因素,選取3個水平,以黨參蕎麥醋飲料的感官品質評分為評價指標,采用L9(3)3正交實驗確定最佳配方。正交實驗因素水平設計見表2。

表2 正交實驗因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal analysis

1.2.5.2 產品感官評價 隨機選擇10名經過培訓的人員組成評定小組,依照感官評價標準對產品品質進行評分,取平均值分析評定。感官評價標準見表3。

表3 感官評價標準Table 3 Sensory evaluation standard of flavor

1.2.6 理化檢驗

1.2.6.1 黨參蕎麥醋飲料的感官檢驗 按照GB/T 30884-2014規定的方法檢查,取約50 mL混合均勻的黨參蕎麥醋飲料樣品于無色透明的容器中,在明亮處觀察其組織狀態和色澤,并在室溫下,分別嗅其氣味,品嘗其滋味。

1.2.6.2 理化指標檢查 固形物:按照GB/T 30884-2014檢驗。

總酸:依據國標GB/T 5009.41-2003以及GB/T 5009.39-2003測定。

可溶性固形物:按照GB10792-89標準,測得可溶性固形物。

總糖:用苯酚-硫酸法測定[4]。

總黃酮:采用《中國藥典》2015版通則0401“紫外-可見分光光度法”對三批黨參蕎麥醋飲料飲料總黃酮含量進行測定。

1.2.6.3 微生物檢驗菌落總數、大腸菌群、致病菌 按GB/T 4789.21檢驗。

1.3 數據分析

所有實驗數據均采用Excel 2003、SAS 8.0和Design-Expert(version8.0.6)統計軟件進行處理分析,應用最小差異顯著法(LSD)進行差異顯著性檢驗。在最適條件下進行3次重復實驗。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 料液比對黨參多糖提取率的影響 由1可知,隨著料液比的增加,黨參多糖提取率呈現先上升再下降的趨勢,當料液比為1∶30 (g/mL)時,提取率最高。料液比在1∶10～1∶20 (g/mL)時,黨參多糖提取率逐漸增大,可能是由于增大料液比能夠使細胞內和溶劑之間的濃度差更大,利于使多糖更快、更多的溶出[24]。當料液比在1∶40～1∶50 (g/mL)時多糖提取率逐漸下降,這是由于隨著溶劑用量的增加,多糖溶出量逐漸增加直至到達飽和溶出度,繼續增大溶劑用量會造成其它組分(如蛋白質)或其他雜質的溶出,導致多糖提取率逐漸降低[24-25]。因此,選取最適料液比1∶30。

圖1 料液比對提取率的影響Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on extraction rate

2.1.2 超聲時間對黨參多糖提取率的影響 由圖2可知,當超聲提取時間為60 min時,黨參多糖提取率最高。在20～60 min的提取時間范圍內提取率緩慢上升,之后隨著時間的增加而下降。這是因為隨著超聲時間的延長,提取液充分地滲入物料,有助于多糖從溶液中溶出。但是超聲時間過長導致多糖結構破壞,致使提取率降低。因此,選取最適超聲時間60 min。

圖2 超聲時間對提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on extraction rate

2.1.3 超聲溫度對提取率的影響 由圖3可知,隨溫度升高,多糖提取率呈先升后降的變化,當超聲溫度為60 ℃時,黨參多糖提取率最高。當溫度大于60 ℃時,提取率下降,這是由于過高的溫度會引起表面張力的降低,造成超聲波阻尼,同時造成多糖結構破壞,導致提取率下降[26]。因此,選取最適超聲溫度60 ℃。

圖3 超聲溫度對提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on extraction rate

2.1.4 醇沉濃度對提取率的影響 醇沉濃度是影響多糖提取的最主要因素。由圖4可知,醇沉濃度60%時,黨參多糖提取率最高,說明多糖沉淀量最大。隨醇沉濃度增加,提取率下降。因此,選取最適醇沉濃度60%。

圖4 醇沉濃度對提取率的影響Fig.4 Effect of alcohol concentration on extraction rate

2.2 響應面對提取工藝的優化

2.2.1 響應面實驗設計與結果

2.2.2 模型的建立及其顯著性檢驗 利用Design-Expert(version 8.0.6,Stat-EaseInc.,MinneapolisN. USA)軟件對表4實驗數據通過多元回歸擬合,獲得提取率(Y)對料液比(X1)、超聲時間(X2)和醇沉濃度(X3)的二次多項回歸模型為:

表4 Box-Behnken實驗設計及結果Table 4 experimental design and results of Box-Behnken

y=1804-0.83A+0.11B+1.39C-0.89AB-0.57AC+0.56BC-1.72A2-0.38B2-0.69C2

表5 回歸模型方差分析Table 5 Variance Analysis of regression model

2.2.3 響應面兩因素交互作用的分析 由回歸方程得到的料液比,超聲時間和醇沉濃度3個因素間的交互作用對黨參多糖提取率影響的響應面圖以及等高線圖,如圖5～圖7所示。

圖5 料液比與超聲時間的響應面及等高線圖Fig.5 Three-dimensional response surface garphs and the contour plots of solid-liquid ratio and ultrasonic time

圖6 料液比與醇沉濃度的響應面及等高線圖Fig.6 Three-dimensional response surface garphs and the contour plots solid-liquid ratio and alcohol concentration

圖7 超聲時間與醇沉濃度的響應面圖Fig.7 Three-dimensional response surface garphs and the contour plots of Ultrasonic time and alcohol concentration

由圖5可知,隨料液比增加響應值增大后降低,超聲時間延長響應值增大,圖中等高線圖呈橢圓形,兩者的交互作用極顯著;圖6隨著料液比增加響應值逐漸降低,醇沉濃度增加響應值先上升后越于平緩,兩者交互作用顯著。圖7隨超聲時間和醇沉濃度的增加,響應值先上升后趨于平緩,兩者交互作用顯著。通過Design-Expert(version8.0.6)軟件分析,料液比為1∶26.09 (g/mL),超聲時間為63.6 min,醇沉濃度為63.31%時,提取率最高。考慮到實際操作方便性,將條件修正為:料液比1∶30 (g/mL),超聲時間 60 min,醇沉濃度60%。在最適條件下進行了3次重復實驗,平均提取率為18.03%±0.45%,與預測值18.92%擬合度良好,無顯著性差異(p>0.05),表明實驗確定的模型條件可以用于預測實際值,此方程有效可靠。

2.3 飲料最佳風味復配的確定

按照表2設計的實驗因素及水平,對黨參蕎麥醋保健飲料的配方工藝進行正交設計優化實驗,以表3為評價指標,實驗方案及結果分析見表6。

表6 黨參蕎麥醋飲料正交實驗設計與結果Table 6 Orthogonal array results and analysis of Codonopsis buckwheat vinegar beverage

由表6、表7直觀分析和方差分析可知,各因素對結果的影響大小為A>B>C,最佳配方為A1B2C3,即蕎麥醋1 mL、蜂蜜12 g,黨參多糖溶液100 mL。按照此條件進行驗證實驗,重復3次,平均感官評分84.2,保健飲料色澤明亮,酸甜柔和、可口。

表7 正交表方差分析Table 7 Variance analysis of orthogonalTable

2.4 產品質量評價

2.4.1 感官指標 色澤:呈淡黃,明亮;香氣:清新醋香;組織形態:均勻一致,無肉眼可見沉淀及懸浮物;滋味:酸甜、柔和、無異味。

2.4.2 理化指標 總黃酮:0.16 g/L;總酸:0.015 g/100 mL;總糖:98.5 g/L;固形物:0.5467 g/L≥0.5 g/L;可溶性固形物:8.4±0.6%;均符合國家醋飲料國標(GB/T 30884-2014)的相關規定。

2.4.3 微生物指標 菌落總數:<100 cfu/mL;大腸菌群數:<3 MPN/100 mL;致病菌:未檢出。

3 結論

本實驗通過超聲水提醇沉方法,以黨參多糖提取率為指標,優化從黨參多糖的提取工藝,采用黨參多糖水溶液與蜂蜜、蕎麥醋復配制成黨參蕎麥保健醋飲料。以單因素和響應面法確定最佳提取工藝:料液比1∶30 (g/mL),超聲時間60 min,醇沉濃度60%,提取率為18.03±0.45%。黨參蕎麥醋保健飲料配方:黨參多糖水溶液100 mL,蕎麥醋為1 mL,蜂蜜12 g,感官得分為84.2分。應用此配方加工的飲料口感酸甜柔和,風味獨特,總黃酮0.16 g/L,總酸0.015 g/100 mL,總糖98.5 g/mL,固形物0.5467 g/L,可溶性固形物8.4%。