不同提取工藝對生姜渣中多糖結構的影響及其抗氧化活性分析

李淑敏,何瑞娟,任寶旗,石賢勇,楊國靜,施展

(1.濮陽醫學高等專科學校,河南 濮陽 457001;2.新鄉學院,河南 新鄉 453003)

姜屬于多年生草本植物,是一種香辛類調味品,在食品、醫藥和化妝品方面被廣泛使用,是一種非常重要的天然調味原料[1-2]。生姜在中國的種植歷史已經超過2 000年[3],有超過20個省份種植,其中種植面積最廣的省份包括山東、云南、湖南和貴州等,全國的生姜年產量超過1 000萬噸[4-5]。

生姜中含有豐富的生姜油、姜辣素、膳食纖維和礦物質元素等,這些物質主要包括干物質、總脂類、多糖、纖維素、粗蛋白、淀粉和維生素,由于生姜品種的差異,這些物質在含量上也存在一定程度的差異[6-7]。生姜中的化學成分復雜,目前發現的化學成分已經超過100種,主要包括揮發油類(α-蒎烯、α-姜烯和β-倍半萜)、烷烴類(二苯基烷烴類和二苯基庚烷類)和姜辣素類(二酮類、二醇類、烯酚類和姜酚類等)[8-9],另外,生姜中還富含多種氨基酸、維生素和微量元素[10]。

發達國家生姜深加工產品較多,目前主要通過分子蒸餾和超聲萃取生姜中的成分,將其制作成各種各樣的產品供消費者使用[11]。我國的生姜目前主要作為調味品使用,初加工產品少,綜合利用效率低[12]。隨著我國食品加工技術的發展,近些年我國生姜油的產量也得到了明顯提高,但是生產生姜油后的生姜渣未得到有效合理的應用[13],不僅對環境造成了污染,而且浪費了資源。

隨著生姜被劃為食藥用資源,其在食品、保健品和化妝品方面作為原材料被廣泛應用,在生產加工產品的過程中,產生大量的生姜渣。一些研究結果表明[14],生姜副產物姜渣含有較高的生物活性物質,所以研究姜渣多糖生物活性結構也具有重要意義。

本研究對比了兩種加工方式對生姜渣中多糖結構以及抗氧化活性的影響,以期為生姜渣的開發利用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

生姜:購于農貿市場。

無水乙醇、過氧化氫、乙酸、磷酸二氫鉀、水楊酸、鹽酸、硫酸銅溶液、三氯乙酸、鄰苯三酚、溴化鉀、硫酸亞鐵和維生素C等。

1.2 試驗儀器

電子天平 北京賽多利斯天平有限公司;精密天平、pH計 梅特勒-托利多儀器有限公司;高效液相色譜儀 Agilent 公司;烘箱 上海一恒科技有限公司;紫外分光光度計 昆明通用儀器有限公司;核磁共振儀、紅外光譜儀 德國Bruker公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 生姜渣多糖提取工藝

稱取5 g生姜粉,在生姜粉中加入300 mL濃度為75%的乙醇,室溫條件下浸泡 3 h,之后在離心機轉速為5 000 r/min的條件下離心15 min,移除上清液,在超聲波功率為500 W、料液比例為1∶20、超聲波時間為20 min和提取溫度為60 ℃的條件下進行萃取,萃取后用0.45 μm的微孔膜過濾,風干,獲得生姜渣多糖。

1.3.2 生姜渣中多糖純度和相對分子質量測定

生姜渣中多糖濃度和相對分子質量的測定參考文獻[15]。

1.3.3 生姜渣中多糖組分單糖分析

利用衍生高效液相色譜法,參考文獻[16]的研究方法對生姜渣中的多糖組分單糖進行分析。

1.3.4 生姜渣中體外抗氧化活性研究

DPPH自由基清除率和羥基自由基清除率是目前檢測食品抗氧化活性最常見的方法,分別將采用超聲波輔助法和熱水浸提法獲得的6組生姜渣多糖A-1、A-2、A-3、B-1、B-2和B-3以及維生素C,按照濃度200,400,600,800,1 000,2 000 μg/mL進行自由基清除能力測定[17-18]。

式中:As為生姜渣多糖樣品對照組的吸光度值;A0為生姜渣多糖樣品溶液自身干擾測定的吸光度值;A1為去離子水的吸光度值。

式中:A1為生姜渣樣品的吸光度值;A0為生姜渣多糖樣品對照組的吸光度值;A2為去離子水的吸光度值。

1.3.5 不同方法提取的生姜渣多糖編號

為了試驗操作方便,分別將超聲波輔助法和熱水浸提法獲得的生姜渣多糖進行編號,見表1。

表1 不同提取方法生姜渣多糖編號

2 結果和討論

2.1 不同方法提取的生姜渣多糖紫外光譜對比分析

由圖1可知,超聲波輔助法提取的生姜渣多糖A-1、A-2和A-3組分分析和熱水浸提法提取的生姜渣多糖B-1、B-2和B-3組分分析。A-1、A-2、A-3、B-1、B-2和B-3這6種生姜渣中的多糖在波長為260 nm和280 nm處均沒有明顯的吸收峰,說明6種生姜渣多糖中蛋白質和雜質含量相對較低。

圖1 生姜渣中的多糖紫外線光譜特征

2.2 不同方法提取的生姜渣多糖相對分子質量對比分析

由表2可知,不同提取方式生姜渣中的多糖相對分子質量存在一定程度的差異,其中各個小組中多糖保留時間分別為A-1(11.231 min)、A-2(7.544 min)、A-3(7.312 min)、B-1(10.682 min)、B-2(7.56 min)和B-3(7.518 min);得到各個組分中多糖的相對分子質量分別為A-1(50.231 kDa)、A-2(824.22 kDa)、A-3(973.31 kDa)、B-1(67.351 kDa)、B-2(915.231 kDa)和B-3(981.381 kDa)。使用超聲波輔助法獲得的生姜渣多糖的相對分子質量比采用熱水浸提法獲得的少。經過超聲波處理后的生姜渣多糖相對分子質量低,這是由于超聲波的機械作用使得多糖化學鍵斷裂,導致生姜渣中的多糖相對分子質量低[19]。

表2 不同提取方式生姜渣中的多糖相對分子質量

2.3 不同方法提取的生姜渣多糖純化后的單糖對比分析

通過高效液相色譜法對生姜渣中多糖的單糖成分進行研究和分析,此方法具有操作簡單、準確度高等優點[20]。

由表3可知,6組生姜渣中的多糖純化組分主要由葡萄糖構成,所有提取方式的生姜渣多糖純化后含量最高的均為葡萄糖,葡萄糖的含量均超過50%。超聲波輔助法提取的A-2多糖組分和熱水浸提法提取的B-2多糖組分相同,均為葡萄糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖和鼠李糖,其中A-2多糖中的單糖組分含量分別為61.23%、8.67%、12.33%、5.21%和9.12%;B-2多糖中的單糖組分含量分別為55.32%、11.23%、11.96%、8.17%和9.57%。超聲波輔助法提取的A-3多糖組分單糖和熱水浸提法提取的B-3多糖組分單糖相同,均為葡萄糖、半乳糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖和鼠李糖,其中A-3多糖組分的單糖含量分別為51.29%、4.25%、11.28%、7.38%、6.77%和9.05%;B-2多糖組分的單糖含量分別為51.29%、10.23%、5.23%、11.56%、9.22%和14.25%。超聲波輔助法提取的A-1多糖組分中的單糖為葡萄糖、甘露糖和鼠李糖,含量分別為71.24%、15.28%和7.16%;熱水浸提法提取的B-1多糖組分為葡萄糖、甘露糖和鼠李糖,含量分別為66.23%、10.35%和11.23%。

表3 不同方法提取的生姜渣中多糖的單糖組分含量對比

兩種方式提取的生姜渣中的多糖純化組分單糖成分相同,說明超聲波提取法和熱水浸提法對生姜渣中的多糖組成成分單糖沒有影響,但兩種提取方法獲得的單糖組分含量存在差異,這是由于超聲波提取法會使生姜渣中的細胞壁和細胞膜破裂,使得更多的多糖溶解;此外,超聲波輔助法也會使生姜渣多糖鏈斷裂和重組,從而影響生姜多糖中的單糖組分含量。

2.4 不同方法提取的生姜渣多糖抗氧化活性對比分析

2.4.1 不同方法提取的生姜渣多糖對DPPH自由基清除能力的對比

DPPH自由基是一種相對穩定的自由基,其溶液在紫外波長為517 nm處具有吸光值,當溶液中存在自由基清除劑時,DPPH的吸光值會慢慢降低,其降低的比例和加入的自由基清除劑呈現一定的比例關系,所以采用DPPH自由基清除率對生姜渣中的多糖含量進行定量測定。維生素C(Vc)是公認最具有抗氧化活性的物質,將Vc加入到試驗組中對生姜渣中的多糖含量進行比較分析。不同提取方法生姜渣中的多糖對DPPH自由基的清除能力見圖2。

圖2 不同方法提取的生姜渣多糖對DPPH自由基清除能力的對比

由圖2可知,隨著生姜渣多糖濃度的逐漸增加,對DPPH自由基的清除能力也逐漸增強,生姜渣中多糖濃度和清除能力呈正比關系。從幾種生姜渣多糖的清除能力可以看出,A-3生姜渣多糖對DPPH自由基的清除能力最強;B-1生姜渣多糖對DPPH自由基的清除能力最弱。6組生姜渣多糖和維生素C對DPPH自由基的清除能力強弱依次為Vc>A-3>B-3>A-2=B-2>A-1>B-1,清除率最高時依次為90%、45%、40%、40%、35%和30%。說明生姜渣多糖具有一定程度的抗氧化活性,可以作為一種潛在的抗氧化活性物質進行開發,另外,采用超聲波輔助法提取的多糖DPPH自由基清除率相比熱水浸提法效果更加明顯。

2.4.2 不同方法提取的生姜渣多糖對羥基自由基清除能力的對比

羥基自由基具有較強的氧化活性,能夠氧化機體內很多大分子物質。6組生姜渣多糖和Vc對羥基自由基的清除率見圖3。

圖3 不同方法提取的生姜渣多糖對羥基自由基清除能力的對比

由圖3可知,生姜渣多糖對羥基自由基具有一定程度的清除能力,當生姜渣多糖濃度小于1 000 μg/mL時,對羥基自由基的清除能力與生姜渣多糖濃度呈正比,當生姜渣多糖濃度大于1 000 μg/mL時,生姜渣多糖濃度對羥基自由基的清除能力影響變小。當生姜渣多糖濃度為1 000 μg/mL時,6組生姜渣多糖和維生素C對羥基自由基的清除能力最高,其強弱依次為Vc>B-3>B-2>A-3>A-2>B-1>A-1,清除率依次為90%、35%、32%、30%、28%、27%和25%。

3 小結

通過分光光度法對比超聲波輔助法和熱水浸提法提取的生姜渣中的多糖組分差異,在260 nm和280 nm的條件下,生姜渣中的多糖組分純化效果較理想,蛋白質和其他雜質含量較低;通過凝膠過濾色譜技術對6組生姜渣的多糖進行研究分析,6組生姜渣多糖的分子質量分別為A-1(50.231 kDa)、A-2(824.22 kDa)、A-3(973.31 kDa)、B-1(67.351 kDa)、B-2(915.231 kDa)和B-3(981.381 kDa),超聲波輔助法提取的生姜渣多糖分子質量低于熱水浸提法獲得的生姜渣多糖;采用高效液相色譜法對生姜渣中的多糖組分進行分析,生姜渣多糖組分中單糖含量最高的是葡萄糖,均超過50%;抗氧化結果表明,生姜渣具有一定程度的抗氧化活性,且超聲波輔助法提取的生姜渣多糖的抗氧化活性強于熱水浸提法提取的生姜渣多糖。