党参多糖提取工艺优化 及其保健醋饮料的研制

秦 楠,崔 政,刘丽君,张芹仙

(山西中医药大学 制药与食品工程学院,山西太原 030619)

党参(Codonopsispilosula)始见于清代本草,继山西上党产的人参资源逐渐枯竭时被作为上党人参上市而著名[1-2]。党参主要成分包括萜类、糖、糖苷类、甾体类、黄酮类、木脂素苷、氨基酸等,具有补中益气、生津止渴、活血化瘀、调理脾胃、健脾益肺等作用,其中,党参多糖具有增强免疫能力、抗缺氧、抗肿瘤、抗衰老、抗辐射、增强记忆和提高学习能力等药理活性[3]。张雅君等研究表明,党参多糖可促进小鼠B淋巴细胞的增殖,提高巨噬细胞的吞噬功能,是一种新的免疫调节剂[4]。廖威等以芦荟、党参为原料研制出具有调节新陈代谢、增强免疫力、消炎杀菌等功能的中药复合保健饮料[5]。杨鲜以党参为主要原料,采用加热回流提取有效成分,复配制得党参复合保健饮料,具有抗辐射、抗疲劳功能[6]。

醋饮料相比传统食醋在口感、营养、风味方面更易于消费者接受,而且还具有一定的保健功能。目前,研发的醋饮料品种丰富,如苹果醋饮料[9]、姜醋饮料[10]、小白杏醋饮料[11]、芦笋醋饮料[12]、蜂蜜醋饮料[13]等。近些年,对党参成分研究的报道较多,主要集中在多糖,党参甙Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,党参碱等[14-16]。荞麦醋主要以其促进食欲、抗氧化、减肥、降血脂等功能性研究为趋势[17-18]。有关党参荞麦醋饮料的研究尚未见报道。本研究以党参多糖提取物、荞麦醋为主要原料,生产复合饮料,确定饮料的最佳配方为实际生产提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

TRT党参 同仁堂药店;荞麦醋(批号YA20170405) 吴起醋业有限公司;蜂蜜(批号114931W3) 上海冠生园蜂制品有限公司;无水乙醇、氢氧化钠、亚硝酸钠、硝酸铝、苯酚、硫酸、葡萄糖对照品 天津市光复精细化工研究所;FK-BZ0080芦丁 上海樊克生物科技有限公司。

KQ-100E超声波清洗器昆山舒 美超声仪器有限公司;RRHP-100万能高速粉碎机 欧凯莱芙(香港)宝业公司;TGL-20B离心机 上海安亭科学仪器厂;UItra-3660紫外分光光度仪 北京普源精电科技有限公司;VORTEX-KB3漩涡混合器 杭州大卫科教仪器有限公司;GZ10WY015R折光仪 北京西化仪科技有限公司;GZX-9140MBE电热鼓风干燥箱 上海博迅实业有限公司医疗设备厂;HH-2数显恒温水浴锅 金坛市杰瑞尔电器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 操作要点 精选无霉变党参,置于烧杯中,用流动水快速冲洗,将党参拣出放在阳光下晒干(含水量15%～20%)。用粉碎机中粉碎成粉末,过80目筛,装在洁净的封口袋中备用,确保其粉末质地均匀,利用超声波辅助萃取,蒸发浓缩至6 mL。加无水乙醇9 mL使醇沉浓度调整为60%,醇沉过夜12 h,离心弃去上清液,挥干乙醇,即得到党参多糖,采用苯酚硫酸法测多糖含量。加入党参多糖水溶液、蜂蜜、荞麦醋进行饮料口感的调配,玻璃瓶灌装后,采用巴氏杀菌,70 ℃灭菌15 min,冷却即为成品[19]。

1.2.2 多糖含量及提取率的测定

1.2.2.1 葡萄糖标准曲线的绘制 配制浓度0.5 mg/mL葡萄糖溶液和6%苯酚溶液。精确量取标准液0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL在100 mL容量瓶中用蒸馏水进行定容,然后从各容量瓶中移取1.0 mL葡萄糖稀释溶液于7支不同试管中,再取1 mL蒸馏水为空白参比液,分别往8支试管中加入6%苯酚1.0 mL,迅速用移液管移取浓硫酸5 mL,振荡混匀。经沸水浴中加热15 min,再在冷水浴中冷却15 min,在其最大吸收波长490 nm处测吸光度值,以葡萄糖浓度C为横坐标,吸光度A为纵坐标,绘制标准曲线[20-21]。

1.2.2.2 党参多糖提取率的测定 将离心后的沉淀溶解于30 mL蒸馏水中,然后在100 mL容量瓶中溶解定容,摇匀,精确移取0.2 mL稀释溶液在另一个100 mL容量瓶中用蒸馏水再次定容稀释,然后按照1.2.2.1的方法取1 mL二次稀释液,通过苯酚硫酸进行显色测定,在490 nm波长下测定其吸光度A。

1.2.3 单因素实验 采用超声波辅助提取党参多糖:固定超声温度50 ℃、超声时间40 min、醇沉浓度60%,改变料液比(1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50 g/mL)进行单因素实验;固定超声温度50 ℃、料液比1∶30 (g/mL)、醇沉浓度60%,改变超声时间(20、40、60、80、100 min)进行单因素实验;固定超声时间40 min、料液比1∶30 (g/mL)、醇沉浓度60%,改变超声温度(40、50、60、70、80 ℃)进行单因素实验;固定超声时间40 min、料液比1∶30 (g/mL)、超声温度50 ℃,改变醇沉浓度(50%、60%、70%、80%、90%)进行单因素实验。

1.2.4 响应面实验设计 基于单因素实验结果,采用Box-Behnken设计方案[22-23],以料液比(g/mL)、超声时间(min)、醇沉浓度(%)作为考察因素进行响应面实验,分别用X1、X2、X3来表示,并以+1、0、-1分别代表变量的水平,按方程xi=(Xi-X0)/ΔX对自变量进行编码,其中,xi表示变量的编码值,Xi表示变量的真实值,X0表示实验中心点变量的真实值,ΔX表示变量的步长变化,党参多糖提取率Y表示响应值,见表1。

表1 中心组合实验Box-Behnken设计因素和水平编码值Table 1 Independent variables and levels in Box-Behnken CCD

1.2.5 党参荞麦醋饮料最佳工艺的确定

1.2.5.1 党参荞麦醋饮料配方的优化 为了赋予饮料柔和的口感,突出党参多糖、荞麦醋的功能成分,在前期预实验的基础上,分别选取党参多糖水溶液、荞麦醋、蜂蜜为考察因素,选取3个水平,以党参荞麦醋饮料的感官品质评分为评价指标,采用L9(3)3正交实验确定最佳配方。正交实验因素水平设计见表2。

表2 正交实验因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal analysis

1.2.5.2 产品感官评价 随机选择10名经过培训的人员组成评定小组,依照感官评价标准对产品品质进行评分,取平均值分析评定。感官评价标准见表3。

表3 感官评价标准Table 3 Sensory evaluation standard of flavor

1.2.6 理化检验

1.2.6.1 党参荞麦醋饮料的感官检验 按照GB/T 30884-2014规定的方法检查,取约50 mL混合均匀的党参荞麦醋饮料样品于无色透明的容器中,在明亮处观察其组织状态和色泽,并在室温下,分别嗅其气味,品尝其滋味。

1.2.6.2 理化指标检查 固形物:按照GB/T 30884-2014检验。

总酸:依据国标GB/T 5009.41-2003以及GB/T 5009.39-2003测定。

可溶性固形物:按照GB10792-89标准,测得可溶性固形物。

总糖:用苯酚-硫酸法测定[4]。

总黄酮:采用《中国药典》2015版通则0401“紫外-可见分光光度法”对三批党参荞麦醋饮料饮料总黄酮含量进行测定。

1.2.6.3 微生物检验菌落总数、大肠菌群、致病菌 按GB/T 4789.21检验。

1.3 数据分析

所有实验数据均采用Excel 2003、SAS 8.0和Design-Expert(version8.0.6)统计软件进行处理分析,应用最小差异显著法(LSD)进行差异显著性检验。在最适条件下进行3次重复实验。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 料液比对党参多糖提取率的影响 由1可知,随着料液比的增加,党参多糖提取率呈现先上升再下降的趋势,当料液比为1∶30 (g/mL)时,提取率最高。料液比在1∶10～1∶20 (g/mL)时,党参多糖提取率逐渐增大,可能是由于增大料液比能够使细胞内和溶剂之间的浓度差更大,利于使多糖更快、更多的溶出[24]。当料液比在1∶40～1∶50 (g/mL)时多糖提取率逐渐下降,这是由于随着溶剂用量的增加,多糖溶出量逐渐增加直至到达饱和溶出度,继续增大溶剂用量会造成其它组分(如蛋白质)或其他杂质的溶出,导致多糖提取率逐渐降低[24-25]。因此,选取最适料液比1∶30。

图1 料液比对提取率的影响Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on extraction rate

2.1.2 超声时间对党参多糖提取率的影响 由图2可知,当超声提取时间为60 min时,党参多糖提取率最高。在20～60 min的提取时间范围内提取率缓慢上升,之后随着时间的增加而下降。这是因为随着超声时间的延长,提取液充分地渗入物料,有助于多糖从溶液中溶出。但是超声时间过长导致多糖结构破坏,致使提取率降低。因此,选取最适超声时间60 min。

图2 超声时间对提取率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic time on extraction rate

2.1.3 超声温度对提取率的影响 由图3可知,随温度升高,多糖提取率呈先升后降的变化,当超声温度为60 ℃时,党参多糖提取率最高。当温度大于60 ℃时,提取率下降,这是由于过高的温度会引起表面张力的降低,造成超声波阻尼,同时造成多糖结构破坏,导致提取率下降[26]。因此,选取最适超声温度60 ℃。

图3 超声温度对提取率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on extraction rate

2.1.4 醇沉浓度对提取率的影响 醇沉浓度是影响多糖提取的最主要因素。由图4可知,醇沉浓度60%时,党参多糖提取率最高,说明多糖沉淀量最大。随醇沉浓度增加,提取率下降。因此,选取最适醇沉浓度60%。

图4 醇沉浓度对提取率的影响Fig.4 Effect of alcohol concentration on extraction rate

2.2 响应面对提取工艺的优化

2.2.1 响应面实验设计与结果

2.2.2 模型的建立及其显著性检验 利用Design-Expert(version 8.0.6,Stat-EaseInc.,MinneapolisN. USA)软件对表4实验数据通过多元回归拟合,获得提取率(Y)对料液比(X1)、超声时间(X2)和醇沉浓度(X3)的二次多项回归模型为:

表4 Box-Behnken实验设计及结果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 回归模型方差分析Table 5 Variance Analysis of regression model

2.2.3 响应面两因素交互作用的分析 由回归方程得到的料液比,超声时间和醇沉浓度3个因素间的交互作用对党参多糖提取率影响的响应面图以及等高线图,如图5～图7所示。

图5 料液比与超声时间的响应面及等高线图Fig.5 Three-dimensional response surface garphs and the contour plots of solid-liquid ratio and ultrasonic time

图6 料液比与醇沉浓度的响应面及等高线图Fig.6 Three-dimensional response surface garphs and the contour plots solid-liquid ratio and alcohol concentration

图7 超声时间与醇沉浓度的响应面图Fig.7 Three-dimensional response surface garphs and the contour plots of Ultrasonic time and alcohol concentration

由图5可知,随料液比增加响应值增大后降低,超声时间延长响应值增大,图中等高线图呈椭圆形,两者的交互作用极显著;图6随着料液比增加响应值逐渐降低,醇沉浓度增加响应值先上升后越于平缓,两者交互作用显著。图7随超声时间和醇沉浓度的增加,响应值先上升后趋于平缓,两者交互作用显著。通过Design-Expert(version8.0.6)软件分析,料液比为1∶26.09 (g/mL),超声时间为63.6 min,醇沉浓度为63.31%时,提取率最高。考虑到实际操作方便性,将条件修正为:料液比1∶30 (g/mL),超声时间 60 min,醇沉浓度60%。在最适条件下进行了3次重复实验,平均提取率为18.03%±0.45%,与预测值18.92%拟合度良好,无显著性差异(p>0.05),表明实验确定的模型条件可以用于预测实际值,此方程有效可靠。

2.3 饮料最佳风味复配的确定

按照表2设计的实验因素及水平,对党参荞麦醋保健饮料的配方工艺进行正交设计优化实验,以表3为评价指标,实验方案及结果分析见表6。

表6 党参荞麦醋饮料正交实验设计与结果Table 6 Orthogonal array results and analysis of Codonopsis buckwheat vinegar beverage

由表6、表7直观分析和方差分析可知,各因素对结果的影响大小为A>B>C,最佳配方为A1B2C3,即荞麦醋1 mL、蜂蜜12 g,党参多糖溶液100 mL。按照此条件进行验证实验,重复3次,平均感官评分84.2,保健饮料色泽明亮,酸甜柔和、可口。

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

2.4 产品质量评价

2.4.1 感官指标 色泽:呈淡黄,明亮;香气:清新醋香;组织形态:均匀一致,无肉眼可见沉淀及悬浮物;滋味:酸甜、柔和、无异味。

2.4.2 理化指标 总黄酮:0.16 g/L;总酸:0.015 g/100 mL;总糖: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%;均符合国家醋饮料国标(GB/T 30884-2014)的相关规定。

2.4.3 微生物指标 菌落总数:<100 cfu/mL;大肠菌群数:<3 MPN/100 mL;致病菌:未检出。

3 结论

本实验通过超声水提醇沉方法,以党参多糖提取率为指标,优化从党参多糖的提取工艺,采用党参多糖水溶液与蜂蜜、荞麦醋复配制成党参荞麦保健醋饮料。以单因素和响应面法确定最佳提取工艺:料液比1∶30 (g/mL),超声时间60 min,醇沉浓度60%,提取率为18.03±0.45%。党参荞麦醋保健饮料配方:党参多糖水溶液100 mL,荞麦醋为1 mL,蜂蜜12 g,感官得分为84.2分。应用此配方加工的饮料口感酸甜柔和,风味独特,总黄酮0.16 g/L,总酸0.015 g/100 mL,总糖98.5 g/mL,固形物0.5467 g/L,可溶性固形物8.4%。