牛蒡茶加工工藝優化及其總黃酮體外抗氧化活性

董玉瑋，莊聰林，盛雪云，潘鋮，苗敬芝，李偉

1. 徐州工程學院食品與生物工程學院（徐州 221018）；2. 徐州康匯百年食品有限公司（徐州 221700）

牛蒡（Arctium lappaL.）俗稱惡實、大力子、東洋參，為桔梗目、菊科、牛蒡屬二年生草本植物[1]。牛蒡根是牛蒡的主要食用區域，根中含有黃酮、菊糖、蛋白質、維生素等多種對人體有益的物質[2]，具有抗癌[3]、降血糖血脂[4]、保護肝臟[5]及抗氧化[6]等功效。牛蒡根由于纖維素含量高[7]，采用常規烹飪加工，口感粗糙、苦澀。牛蒡茶是以天然牛蒡根為原料，經加熱烘烤制成，既很好地保留了牛蒡根的營養保健作用，又極大地改善了口感，攜帶方便，因此備受消費者歡迎。

現階段牛蒡茶加工工藝主要有熱風烘干[8]、微波干燥[9]、高溫烘烤[10]，原理是高溫下使原料快速失水，達到提升品質、易于保存的目的。受加工工藝的影響，部分活性物質的含量會發生變化。如克亞·加帕爾等[11]采用烘烤工藝，增加了枸杞總酚含量，增強了其抗氧化活性。黃酮類化合物是牛蒡茶中的重要活性物質，易受溫度、空氣氧化等因素影響而失活，如果加工工藝條件選擇不當，會破壞黃酮類物質結構[12]。

研究以新鮮牛蒡根為原料，探討牛蒡茶加工工藝中預熱時間、加熱溫度和時間因素對黃酮類化合物含量的影響。研究為牛蒡資源有效開發提供了合理的數據，為牛蒡茶的工業化生產提供了具體的工藝參數。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮牛蒡，徐州康匯百年食品有限公司；蘆丁標準品純度91.7%，上海哈靈生物科技有限公司；乙醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁等試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

BGZ-76電熱恒溫鼓風干燥箱烘箱，上海博迅有限公司；FSD-101A電動粉碎機，上海博訊有限公司；牛蒡切片機，常州國華電器有限公司；TU-1810APC紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；ICP-MS電感耦合等離子體質譜儀，美國Thermo公司；ICP-OES電感耦合等離子體-發射光譜，美國Thermo公司；ETHOS A微波消解儀，意大利 Milestone公司；1260液相色譜儀，美國安捷倫科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 牛蒡茶成茶工藝試驗分析

選擇質量好、粗細均勻的牛蒡，洗凈泥土后去皮，牛蒡切片厚度2 mm，切片浸泡在含有0.1%檸檬酸和0.02%二氧化氯的護色液中10 min，瀝干水分后，備用。含水率采用GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》的方法，按式（1）計算。

式中：mt為t時物料質量，g；ms為絕干物料質量，g。

1.3.2 單因素試驗設計

考察預熱時間、加熱時間、加熱溫度對牛蒡茶黃酮含量的影響，每組試驗重復3次取平均值。

1.3.2.1 預熱時間的選擇

牛蒡切片于40 ℃烘箱中分別加熱2.0，3.0，3.5，4.0和4.5 h，取出，將溫度升高至70 ℃加熱3.5 h，取出測定黃酮含量和含水率。冷卻后，粉碎。

1.3.2.2 加熱溫度的選擇

牛蒡切片于40 ℃烘箱中加熱4 h，取出，將溫度分別提升至60，65，70，75和80 ℃加熱3.5 h，取出測定黃酮含量和含水率。冷卻后，粉碎。

1.3.2.3 加熱時間的選擇

牛蒡切片于40 ℃烘箱中加熱4 h，取出，將溫度提升至70 ℃，分別加熱2.5，3.0，3.5，4.0和4.5 h，取出測定黃酮含量和含水率。冷卻后，粉碎。

1.3.3 響應面法試驗設計

根據單因素試驗結果，確定以預熱時間（X1）、加熱溫度（X2）、加熱時間（X3）3個因素為自變量，以黃酮含量為響應值，采用Design Expert 10.0軟件設計試驗，Box-Behnken試驗因素和水平見表1。

表1 Box-Behnken設計因素與水平

1.3.4 總黃酮的提取

取1 g粉碎的牛蒡茶，按料液比1∶60（g/mL）加入70%乙醇，70 ℃水浴90 min。濾液為總黃酮提取液。

1.3.5 總黃酮的檢測

取總黃酮提取液1 mL加入25 mL比色管中，用30%乙醇溶液稀釋到10 mL，加入5%亞硝酸鈉0.7 mL，混勻后靜置6 min，加入10%硝酸鋁0.7 mL，混勻后靜置6 min，加入4%氫氧化鈉5 mL，用30%乙醇定容到25 mL，混勻靜置15 min，于510 nm處測吸光度，根據蘆丁標準品制作的標準曲線，計算總黃酮含量。標準曲線回歸方程為Y=11.435X+0.021 3，R2=0.998 4。

1.3.6 復水比測定

牛蒡茶稱重后在40倍80 ℃蒸餾水中復水40 min，取出后用濾紙吸干表面水分，按式（2）計算復水比。

式中：mr為樣品復水后質量，g；mg為復水前質量，g。

1.3.7 理化指標檢測

1.3.7.1 單糖及氨基酸組分檢測

HPLC檢測氨基酸參考鄧代信等[13]的方法，HPLC檢測單糖組分參考陳樹俊等[14]的方法。

1.3.7.2 總蛋白、總脂肪、總膳食纖維檢測

參照GB 5009.5—2016測定總蛋白質含量，參照GB 5009.6—2016測定總脂肪含量，參照GB 5009.88—2014測定總膳食纖維含量。

1.3.7.3 礦物質元素檢測

面對日新月異的城市交通，《齊魯周刊》以手繪的形式，制作一期特殊的專題，問好濟南：我們描述的是一座生活之城，因此必須在地圖上看到這座看不到的城市。我們從南外環高架橋的兩端看到長清和章丘的大學城，我們從西外環高架橋北端的黃河大橋看到新舊動能轉換綜合試驗區中濟南的“黃河時代”，我們從北園高架橋的兩側看到一個城市的商業史，我們從工業北路高架的東端看到濟南東站，看到飛機場，這是濟南與世界溝通的重要媒介……

采用電感耦合等離子體-發射光譜法測定Na元素含量。Mg、Fe、Ca、Zn等元素含量采用電感耦合等離子體-質譜法[15]。

1.3.8 黃酮抗氧化活性測定

1.3.8.1 清除DPPH·能力的測定

參考Wu等[16]的方法測定，空白對照樣用無水乙醇代替樣品，陰性對照樣用無水乙醇代替DPPH，VC作為陽性對照，采用式（3）計算DPPH·清除率。

式中：A1為樣品吸光度，A0為空白樣吸光度，A2為陰性對照樣吸光度。

1.3.8.2 清除ABTS+·能力的測定

參考He等[17]的方法測定，配制ABTS+工作液，空白對照用蒸餾水代替樣品，陰性對照用蒸餾水代替ABTS+，VC作為陽性對照，采用式（4）計算ABTS+·清除率。

式中：A1為樣品的吸光度，A0為空白樣吸光度，A2為陰性對照樣吸光度。

采用Origin 9.0軟件處理數據并作圖。

2 分析與討論

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 預熱時間的選擇

由圖1可知，在預熱2.5～4.5 h范圍內，黃酮含量先增加后減少，4 h時含量達到最高，為1.20 mg/g；含水率逐漸降低，預熱4～5 h時，已降低至30%以下。

圖1 預熱時間對牛蒡茶黃酮含量、含水率的影響

2.1.2 加熱溫度的選擇

由圖2可知，黃酮含量在加熱溫度60～80 ℃范圍內先增加后減少，75 ℃時達到最高，為1.82 mg/g；含水率逐漸降低，加熱70～80 ℃時，已降低至8%以下。

圖2 加熱溫度對牛蒡茶黃酮含量、含水率的影響

2.1.3 加熱時間的選擇

由圖3可知，黃酮含量在加熱2.5～4.5 h范圍內先增加后減少，4 h時含量達到最高，為1.63 mg/g；含水率逐漸降低，加熱3.5～4.5 h時，已降低至8%以下。

圖3 加熱時間對牛蒡茶黃酮含量、含水率的影響

2.2 響應面試驗設計結果（見表2）

表2 響應面試驗設計與結果

2.3 回歸模型的建立和檢驗

對3個單因素進行回歸擬合，得出黃酮含量（Y）回歸方程：

經響應面軟件分析，模型p＜0.01，擬合程度較好，決定系數R2=0.996 8，失擬項p＞0.05，不顯著，說明該方程與實際情況相符，具有可靠性。預熱時間、加熱溫度、加熱時間的p值都小于0.01，對黃酮含量有極顯著影響。預熱時間和加熱時間兩兩交互作用對黃酮含量的影響不顯著，預熱時間和加熱溫度、加熱時間和加熱溫度兩兩交互作用對黃酮含量影響顯著。

2.4 兩因素間的交互效應分析

由圖4可知，交互作用大小為預熱時間與加熱溫度＞加熱溫度與加熱時間＞預熱時間與加熱時間。

表3 回歸模型方差分析

圖4 響應面分析圖和等高線圖

2.5 最佳條件優化及驗證結果

回歸模型確定的最佳制備工藝為預熱4.055 h、加熱74.661 ℃、加熱3.959 h，預測黃酮含量最高為1.825 mg/g。對此優化條件進行驗證，按實際調整為預熱4 h、加熱溫度75 ℃、加熱時間4 h，提取的牛蒡黃酮平均含量為2.01 mg/g，和預期結果基本相符，回歸模型的預測性能較好，可用于優化牛蒡茶制作工藝。

2.6 理化指標

最佳工藝下制備的牛蒡茶，含水率7.90%，復水比4.85 g/g，說明牛蒡茶接近新鮮狀態，品質好。其他理化指標測定結果見圖5。

從圖5可知，牛蒡茶中Na、Ca、Mg、Fe、Zn等礦物質元素含量，Cys、Val、Ile、Leu、Tyr、Phe、Ala、Pro等氨基酸含量，總蛋白、脂肪、膳食纖維、黃酮、多糖含量均高于原料牛蒡根；Asp和Glu 2種呈鮮味氨基酸含量占21.13%，說明制備的牛蒡茶營養價值高，口感鮮美。

圖5 牛蒡茶和牛蒡根中理化指標測定結果

2.7 體外抗氧化活性分析

2.7.1 清除DPPH·的能力

由圖6可知，當牛蒡茶黃酮質量濃度為5 mg/mL時，清除率已經達到70.07%，在1～5 mg/mL范圍內呈現量效關系，說明牛蒡茶黃酮對DPPH·具有較好的清除能力，但是相對于VC較弱。牛蒡茶黃酮和VC的IC50分別為2.16和0.017 mg/mL。

2.7.2 清除ABTS+·的能力。

由圖7可知，當牛蒡茶黃酮質量濃度為5 mg/mL時，清除率已經達到63.27%，在1～5 mg/mL范圍內呈現量效關系，說明牛蒡茶黃酮對ABTS+·具有較好的清除能力，但是相對于VC較弱。牛蒡茶黃酮和VC的IC50分別為2.61和0.257 mg/mL。

圖6 牛蒡茶黃酮和VC對DPPH·的清除效果

圖7 牛蒡茶黃酮和VC對ABTS+·的清除效果

3 討論與結論

研究表明，長時間加熱或高溫容易破壞黃酮結構，導致其失去功能[18]。通過在預熱和加熱階段，以較低溫度、較短時間作用牛蒡，鈍化了酶的活性，減少了對黃酮結構破壞，保證了牛蒡茶的質量品質。少部分黃酮類物質經酶促氧化后，可能生成色素物質，從而形成牛蒡茶湯色金黃的品質特征。

Tian等[19]發現，牛蒡提取物能夠減少脂質過氧化產物丙二醛（malondialdehyde，MDA）的產生，本研究獲得的牛蒡茶黃酮對DPPH·和ABTS+·都有較好的清除作用，說明其具有一定的還原能力。

牛蒡茶最佳制備工藝為預熱4 h、加熱溫度75 ℃、加熱時間4 h，黃酮平均含量為2.01 mg/g。最佳工藝下獲得的牛蒡茶含水率為7.90%，復水比4.85 g/g。總蛋白、脂肪、膳食纖維、黃酮、多糖含量均高于牛蒡根；黃酮具有較好的體外清除DPPH·和ABTS+·的能力。