牛蒡中菊糖的提取及抑菌研究

杜云建，谢翠平

（淮海工学院海洋学院，江苏 连云港 222005）

牛蒡中菊糖的提取及抑菌研究

杜云建，谢翠平

（淮海工学院海洋学院，江苏 连云港 222005）

牛蒡中富含菊糖。以牛蒡粉为原料，采用热水浸提法，以菊糖得率为评价指标，选择时间、温度、液固比和提取次数进行单因素试验，确定其条件范围，并采用响应面分析法优化影响提取工艺的主要参数。确定提取的最优条件为：时间65.11 min，温度83.14 ℃，液固比10.13∶1（mL/g），提取2次，菊糖得率为14.03%，与响应面模型所预测的菊糖得率14.16%相差不大。探讨了菊糖对乳酸菌和大肠杆菌生长的影响，试验表明：菊糖能促进乳酸菌的生长，而对大肠杆菌有抑制作用。

牛蒡；菊糖；响应面；功能研究

牛蒡别名恶实根、鼠粘根、牛菜等，属于菊科牛蒡属两年生草本植物，根和叶子可作蔬菜，种子和根可入药。宋人苏颂曾这样描写牛蒡“：叶如芋而长，实似葡萄核而褐色，外壳如栗木棣小而多刺”，“根有极大者，作菜尤益人”[1]。牛蒡营养价值极高，属菊科中的稀特蔬菜，富含菊糖、纤维素、蛋白质、钙、磷、铁等人体所需的多种维生素及矿物质，其中胡萝卜素含量比胡萝卜高150倍，蛋白质和钙的含量为根茎类之首。牛蒡根含有人体必需的各种氨基酸，且含量较高[2]；牛蒡的多酚类物质具有抗癌、抗突变的作用，因而具有很高的营养价值和较广泛的药理活性。牛蒡甙有扩张血管、降低血压、抗菌的作用，能治疗热感冒、咽喉肿痛、流行性腮腺炎等多种疾病及抗老年痴呆作用[3-4]。

牛蒡中含有丰富的菊糖[5]，菊糖又称菊粉,是?一种自然界广泛存在的果聚糖，最早从菊芋中提取出来而得名。由于菊糖的众多生理功能，使其在食品行业得到了广泛的应用：菊糖溶于水后，可改善食品组织状态，形成光滑细腻、脂肪似的凝胶，从而赋予食品极佳的脂肪质地和类似脂肪的口感；由菊糖可以制成菊糖-水凝胶、菊糖-水-表面活性剂凝胶、菊糖-水-油乳浊液及菊糖-水-植物胶组合，开发系列脂肪替代物，用于烘焙食品制造；菊糖作为质构改良剂，可以提供饮料的实体感、改善低热量冰淇淋的质地与口感、改善肉制品的保水性、有助于无脂糖霜的充气，泡沫稳定，并赋予润滑性及良好口感、改善酱类食品的黏稠度与口感、控制糕点及甜食面团的黏度、延长焙烤与谷物食品的保质期[6]。

本文探讨了从牛蒡中提取菊糖的工艺及菊糖在微生物方面的功能，旨在为牛蒡的开发利用和牛蒡菊糖的工业化生产及应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜牛蒡：购自连云港时代超市；大肠（埃希氏）杆菌（Escherichia coli）：由淮海工学院微生物实验室提供；玻璃瓶装酸奶（只含乳酸菌）：购自时代超市。

1.2 主要仪器和设备

DHG—9240A电热恒温鼓风干燥箱、DNP-9162电热恒温培养箱、高速万能粉碎机、DK—S24电热恒温水浴锅：上海精宏试验设备有限公司；722S型紫外可见分光光度计：上海棱光技术有限公司；SW-CJ-IF精密定时搅拌器：国华电器有限公司；R—502B旋转蒸发器：南京金正教学仪器有限公司；TGL—16M台式高速冷冻离心机：上海卢湘仪离心机仪器有限公司；YXQ.SG41.280手提式压力蒸汽灭菌锅：上海华线医用核子仪器有限公司；冷冻干燥机。

1.3 方法

1.3.1 原料的预处理

将新鲜的牛蒡洗净，切成薄片，称重，60℃下恒温鼓风干燥箱中烘干，再称重，经粉碎机粉碎，过60目筛得牛蒡粉，备用。

1.3.2 菊糖的提取

称取牛蒡粉约5 g，以水为溶剂，采用不同的时间、温度、液固比和提取次数进行单因素试验，探讨它们对菊糖得率的影响。在单因素试验的基础上，选择时间、温度和液固比3个影响因素，利用响应面分析法进行三因素三水平设计，进行数据分析，得出最佳浸提条件。

1.3.3 菊糖的制备

1.3.3.1 提取

称取牛蒡粉5 g，用水浴锅控制温度，在精密定时搅拌器的搅拌下，按最佳提取条件提取2次，分次真空抽滤后合并提取液。

1.3.3.2 脱色

采用D301-G大孔弱碱性阴离子交换树脂吸附脱色。取一定量的树脂，先用自来水自上而下通过树脂层，流速为5 m/h～10 m/h，至出水澄清透明，无任何气味，摇动时不起泡沫为止。再用5%的HCl以2 m/h的流速通过树脂层，至排出液明显为酸性时，将交换柱内液面放至树脂层面以上约0.2 m处，静置4 h，放掉酸液，用纯净水以10 m/h流速冲洗树脂至排出水接近中性为止。最后用等于2倍树脂体积的2%NaOH溶液，浸泡树脂4 h，放掉碱液，冲洗树脂至排出水接近中性，然后将提取液以一定的速度流经树脂层，收集柱下口的流液。

1.3.3.3 浓缩

将脱色后的提取液在旋转蒸发器中60℃下浓缩至约等于原体积的1/3。

1.3.3.4 脱蛋白

采用TCA法，向浓缩后的提取液中加入1.5倍体积的5%TCA溶液，混和均匀，于冰箱中静置6 h，再以3500 r/min的转速离心30 min，除去沉淀，保留上清液，一次脱蛋白。

1.3.3.5 乙醇沉析

向上清液中加入3倍体积的无水乙醇，在4℃冰箱中放置过夜，再以3500 r/min的转速离心30 min，除去上清液，保留滤饼，并抽滤去除滤饼上的残留溶剂。

1.3.3.6 预冻及冷冻干燥

先把滤饼放-40℃冰箱中预冻过夜，再在-50℃、真空度0.085 MPa条件下干燥5 h，得牛蒡菊糖粗成品。

1.3.4 菊糖的功能研究

本试验选取了大肠杆菌和乳酸菌2种细菌，研究菊糖对这2种细菌生长的影响，以初步确定菊糖在微生物方面的功能。

1.3.5 菊糖得率的测定

1）菊糖的测定[3]。

菊糖得率=（总糖量－还原糖量）/鲜牛蒡质量×100%

2）总糖的测定：硫酸-苯酚法[4]。

3）还原糖的测定：DNS法[4]。

2 结果与讨论

2.1 提取时间对菊糖得率的影响

提取时间对菊糖得率的影响，见图1。

由图1结果表明，随着时间的增加，菊糖得率随之增加，但在60 min后菊糖得率的增加已经趋于稳定，因而提取时间以60 min为宜。

2.2 提取温度对菊糖得率的影响

提取温度对菊糖得率的影响，见图2。可知，浸提温度越高，菊糖的溶解性越好，得率也越高，但80℃后，菊糖得率增幅减小，可能是牛蒡中的菊糖已基本溶出，为减少能耗，浸提温度以80℃为宜。

2.3 液固比对菊糖得率的影响

液固比对菊糖得率的影响，见图3。

从图3可见，随着液固比的增加，菊糖得率在10∶1时达到最大值，随后则明显下降。然而液固比的增加，会给后处理蒸发浓缩增加困难，增加生产成本，因此在保证提取效果的同时，应尽量减少溶剂用量和降低蒸发浓缩负荷，故液固比以10∶1为宜。

2.4 提取次数对菊糖得率的影响

提取次数对菊糖得率的影响，见图4。

由图4可知,当浸提次数在2次时，菊糖随着次数的增加而增加，当次数继续增加时，菊糖得率曲线趋于平稳，表明牛蒡中的菊糖已基本浸出。因此，浸提次数超过2次就无实际意义了，浸提次数以2次为好。

2.5 响应面分析与结果

本试验在单因素试验的基础上，根据Box-Behnken中心组合设计原理[7-8]，以菊糖得率Y为响应值，利用Design Expert7.1.4软件设计了三因素三水平的响应面法实验,共有17个试验点，其中12个为析因点，5个为零点以估计误差。因素水平见表4；试验设计和结果见表1。

表 1 Box-Behnken设计方案及响应值结果Table 1 The design of Box-Behnken and the response values

利用Design Expert7.1.4软件对表1试验数据进行多元回归拟合。可得出优化后的设计对结果的影响显著。采用手动优化的方法对回归模型进行优化，去掉对结果影响不显著的AB交互项后得到的二次多项回归方程为：Y=－69.22375+0.14582A+1.81215B+0.65250C+7.75×10-3AC+0.036BC－1.7225 ×10-3A2－0.01309B2－0.20494C2。

失拟项不显著（P=0.4615＜0.05），而模型的P值＜0.0001，表明模型高度显著；同时软件分析的复相关系数R2是96.38%，校正后的R2Adj为92.75%，这表明该模型拟合程度良好，试验误差小，该模型是合适的，可以用此模型对菊糖浸提工艺条件进行分析测定。在所选取的因素水平范围内，各因素对结果的影响排序为温度>液固比>时间。

RSM方法的图形是特定的响应面Y对应的因素A、B、C构成的一个三维空间在二维平面上的等高图，可以直观地反映各因素对响应值的影响，从试验所得的响应面分析图上可以找到它们在反应过程中的相互作用。对经手动优化后的回归方程所作的响应曲面图及其等高线图见图5、图6。

图5显示了当提取温度一定时，提取时间和液固比对菊糖得率的交互影响效应。可知，当提取温度和液固比不变时，菊糖得率随着提取时间的延长增加到一定程度后基本上趋于平稳，且随着时间的增加，菊糖得率增幅很小；当提取温度和提取时间不变时，菊糖得率随着液固比的增大，先增加后减小，且减小的幅度比增加的幅度更显著。

图6显示了当提取时间一定时，提取温度和液固比对菊糖得率的交互影响效应。

由图6可知，当提取时间和液固比不变时，菊糖得率随着提取温度的升高缓慢增加到一定程度后，基本上趋于平稳，且随着温度的增加，菊糖得率的变化不明显；在相同的提取温度下,菊糖得率随着液固比的变化而显著变化，当液固比较低时，菊糖得率随着液固比的增大而显著增加，当液固比较高时，菊糖得率随着液固比的升高反而显著减小。

通过Design Expert7.1.4软件对经手动优化后的回归方程求解,在试验的因素水平范围内预测提取的最佳条件为：提取时间65.11 min，提取温度83.14 ℃，液固比10.13∶1，在此条件下提取2次，菊糖得率可达14.16%。在此条件下进行3次验证性试验，测得的菊糖得率均值为14.0323%，与理论预测值14.16%的相对误差很小，说明经手动优化后的回归方程与实际情况拟合很好,充分验证了所建模型的正确性,说明响应面法适用于对牛蒡中菊糖提取工艺进行回归分析和参数优化。

2.6 菊糖的功能研究

在37℃恒温培养箱中倒置培养24 h后，菊糖对大肠杆菌和乳酸菌生长的影响见图7和8。

由图7可看出，通过培养，在无菌水区域内大肠杆菌能够正常生长，在蘸有菊糖溶液的区域内，出现了透明圈，即抑菌圈，说明菊糖能有效抑制有害细菌大肠杆菌的生长；而图8中，在蘸有菊糖溶液的区域内比在蘸无菌水的区域内乳酸菌菌落多，说明菊糖能很好的促进有益菌乳酸菌的生长。

3 结论

本文在研究牛蒡中菊糖提取时各因素对菊糖得率的影响基础上，用Design-Expert 7.1.4响应面分析软件，对菊糖的提取工艺进行优化，得出提取工艺参数的回归方程为：

方差分析结果表明：拟合检验显著，该方程能较好的预测菊糖得率随各参数变化的规律。优化得到的最佳提取工艺条件为:提取时间65.11 min，提取温度83.14 ℃，液固比10.13∶1，利用最优条件提取2次，菊糖得率为14.03%，与响应面模型所预测的得率14.16%十分接近，该方程与实际情况拟合很好，说明响应面法能较好地对菊糖水浸提工艺进行回归分析和参数优化。

利用最佳浸提条件得到的提取液经D301-G树脂脱色、旋转蒸发浓缩、TCA法脱蛋白、乙醇沉析、冷冻干燥后得到菊糖粗产品，该产品为白色略显灰色，无臭，易溶于水。菊糖在微生物方面的功能研究实验表明：菊糖能抑制大肠杆菌的生长而促进乳酸菌的生长。

[1]秦雨.您吃过牛蒡了吗[J].中老年保健,2004,25(11):40-41

[2]胡喜兰,刘存瑞,曾宪佳,等.新疆不同地区牛蒡根中氨基酸和八种元素的含量分析[J].广西中医药,2002,25(2):55-56

[3]屠用利.菊糖的功能与应用[J].食品工业,1997(4):4-46

[4]张惟杰.糖复合物生化研究技术[M].浙江：浙江大学出版社,1999:10-12

[5]蒋淑敏.牛蒡化学成分和药理作用的研究现状[J].时珍国医国药,2001,12(10):941-942

[6]饶志娟,郑建仙,贾呈祥.功能性食品基料—菊粉的研究进展[J].中国甜菜业,2002(4):26-30

[7]Vohra A,Satyanarayana T.Statistical optimization of the medium components by response surface methodology to enhance phytase production by Pichia anomala[J].Process biochemistry,2002,37(9):999-1004

[8]Li Quanhong,Fu Caili.Application of response surface methodology for extraction optimization of germinant pumpkin seeds protein[J].Food chemistry,2005,92(4):701-706

The Inulin Extraction from Burdock and Bacteriostasis Research

DU Yun－jian，XIE Cui－ping
（School of Marine Science and Engineering，Huaihai Institute of Technology，lianyungang 222005，Jiangsu，China）

Burdock was rich in inulin.Burdock powder was taken as raw material，inulin was extracted by hot water.The optimal technological conditions of the inulin extraction from Burdock were investigated through single factor test and response surface methodology，the best extraction processing parameter was ascertained as follows：time 65.11 min，temperature 83.14 ℃，ratio of solvent to raw material 10.13∶1（mL/g），extraction times twice，the yield of inulin was 14.03%，which agreed with the predicted value 14.16%with response surface methodology.The effect of inulin on the grow of lactobacillus and Escherichia coil was discussing，experiments indicated that the inulin can promote the lactobacillus，but inhibit Escherichia.

Burdock；inulin；response surface；bacteriostasis research

杜云建（1962—），男（汉），副教授，大学本科，研究方向：食品与发酵工程。

2011-03-07