牛蒡中菊糖的提取及抑菌研究

杜云建，謝翠平

（淮海工學院海洋學院，江蘇 連云港 222005）

牛蒡中菊糖的提取及抑菌研究

杜云建，謝翠平

（淮海工學院海洋學院，江蘇 連云港 222005）

牛蒡中富含菊糖。以牛蒡粉為原料，采用熱水浸提法，以菊糖得率為評價指標，選擇時間、溫度、液固比和提取次數進行單因素試驗，確定其條件范圍，并采用響應面分析法優化影響提取工藝的主要參數。確定提取的最優條件為：時間65.11 min，溫度83.14 ℃，液固比10.13∶1（mL/g），提取2次，菊糖得率為14.03%，與響應面模型所預測的菊糖得率14.16%相差不大。探討了菊糖對乳酸菌和大腸桿菌生長的影響，試驗表明：菊糖能促進乳酸菌的生長，而對大腸桿菌有抑制作用。

牛蒡；菊糖；響應面；功能研究

牛蒡別名惡實根、鼠粘根、牛菜等，屬于菊科牛蒡屬兩年生草本植物，根和葉子可作蔬菜，種子和根可入藥。宋人蘇頌曾這樣描寫牛蒡“：葉如芋而長，實似葡萄核而褐色，外殼如栗木棣小而多刺”，“根有極大者，作菜尤益人”[1]。牛蒡營養價值極高，屬菊科中的稀特蔬菜，富含菊糖、纖維素、蛋白質、鈣、磷、鐵等人體所需的多種維生素及礦物質，其中胡蘿卜素含量比胡蘿卜高150倍，蛋白質和鈣的含量為根莖類之首。牛蒡根含有人體必需的各種氨基酸，且含量較高[2]；牛蒡的多酚類物質具有抗癌、抗突變的作用，因而具有很高的營養價值和較廣泛的藥理活性。牛蒡甙有擴張血管、降低血壓、抗菌的作用，能治療熱感冒、咽喉腫痛、流行性腮腺炎等多種疾病及抗老年癡呆作用[3-4]。

牛蒡中含有豐富的菊糖[5]，菊糖又稱菊粉,是?一種自然界廣泛存在的果聚糖，最早從菊芋中提取出來而得名。由于菊糖的眾多生理功能，使其在食品行業得到了廣泛的應用：菊糖溶于水后，可改善食品組織狀態，形成光滑細膩、脂肪似的凝膠，從而賦予食品極佳的脂肪質地和類似脂肪的口感；由菊糖可以制成菊糖-水凝膠、菊糖-水-表面活性劑凝膠、菊糖-水-油乳濁液及菊糖-水-植物膠組合，開發系列脂肪替代物，用于烘焙食品制造；菊糖作為質構改良劑，可以提供飲料的實體感、改善低熱量冰淇淋的質地與口感、改善肉制品的保水性、有助于無脂糖霜的充氣，泡沫穩定，并賦予潤滑性及良好口感、改善醬類食品的黏稠度與口感、控制糕點及甜食面團的黏度、延長焙烤與谷物食品的保質期[6]。

本文探討了從牛蒡中提取菊糖的工藝及菊糖在微生物方面的功能，旨在為牛蒡的開發利用和牛蒡菊糖的工業化生產及應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮牛蒡：購自連云港時代超市；大腸（埃希氏）桿菌（Escherichia coli）：由淮海工學院微生物實驗室提供；玻璃瓶裝酸奶（只含乳酸菌）：購自時代超市。

1.2 主要儀器和設備

DHG—9240A電熱恒溫鼓風干燥箱、DNP-9162電熱恒溫培養箱、高速萬能粉碎機、DK—S24電熱恒溫水浴鍋：上海精宏試驗設備有限公司；722S型紫外可見分光光度計：上海棱光技術有限公司；SW-CJ-IF精密定時攪拌器：國華電器有限公司；R—502B旋轉蒸發器：南京金正教學儀器有限公司；TGL—16M臺式高速冷凍離心機：上海盧湘儀離心機儀器有限公司；YXQ.SG41.280手提式壓力蒸汽滅菌鍋：上海華線醫用核子儀器有限公司；冷凍干燥機。

1.3 方法

1.3.1 原料的預處理

將新鮮的牛蒡洗凈，切成薄片，稱重，60℃下恒溫鼓風干燥箱中烘干，再稱重，經粉碎機粉碎，過60目篩得牛蒡粉，備用。

1.3.2 菊糖的提取

稱取牛蒡粉約5 g，以水為溶劑，采用不同的時間、溫度、液固比和提取次數進行單因素試驗，探討它們對菊糖得率的影響。在單因素試驗的基礎上，選擇時間、溫度和液固比3個影響因素，利用響應面分析法進行三因素三水平設計，進行數據分析，得出最佳浸提條件。

1.3.3 菊糖的制備

1.3.3.1 提取

稱取牛蒡粉5 g，用水浴鍋控制溫度，在精密定時攪拌器的攪拌下，按最佳提取條件提取2次，分次真空抽濾后合并提取液。

1.3.3.2 脫色

采用D301-G大孔弱堿性陰離子交換樹脂吸附脫色。取一定量的樹脂，先用自來水自上而下通過樹脂層，流速為5 m/h～10 m/h，至出水澄清透明，無任何氣味，搖動時不起泡沫為止。再用5%的HCl以2 m/h的流速通過樹脂層，至排出液明顯為酸性時，將交換柱內液面放至樹脂層面以上約0.2 m處，靜置4 h，放掉酸液，用純凈水以10 m/h流速沖洗樹脂至排出水接近中性為止。最后用等于2倍樹脂體積的2%NaOH溶液，浸泡樹脂4 h，放掉堿液，沖洗樹脂至排出水接近中性，然后將提取液以一定的速度流經樹脂層，收集柱下口的流液。

1.3.3.3 濃縮

將脫色后的提取液在旋轉蒸發器中60℃下濃縮至約等于原體積的1/3。

1.3.3.4 脫蛋白

采用TCA法，向濃縮后的提取液中加入1.5倍體積的5%TCA溶液，混和均勻，于冰箱中靜置6 h，再以3500 r/min的轉速離心30 min，除去沉淀，保留上清液，一次脫蛋白。

1.3.3.5 乙醇沉析

向上清液中加入3倍體積的無水乙醇，在4℃冰箱中放置過夜，再以3500 r/min的轉速離心30 min，除去上清液，保留濾餅，并抽濾去除濾餅上的殘留溶劑。

1.3.3.6 預凍及冷凍干燥

先把濾餅放-40℃冰箱中預凍過夜，再在-50℃、真空度0.085 MPa條件下干燥5 h，得牛蒡菊糖粗成品。

1.3.4 菊糖的功能研究

本試驗選取了大腸桿菌和乳酸菌2種細菌，研究菊糖對這2種細菌生長的影響，以初步確定菊糖在微生物方面的功能。

1.3.5 菊糖得率的測定

1）菊糖的測定[3]。

菊糖得率=（總糖量－還原糖量）/鮮牛蒡質量×100%

2）總糖的測定：硫酸-苯酚法[4]。

3）還原糖的測定：DNS法[4]。

2 結果與討論

2.1 提取時間對菊糖得率的影響

提取時間對菊糖得率的影響，見圖1。

由圖1結果表明，隨著時間的增加，菊糖得率隨之增加，但在60 min后菊糖得率的增加已經趨于穩定，因而提取時間以60 min為宜。

2.2 提取溫度對菊糖得率的影響

提取溫度對菊糖得率的影響，見圖2。可知，浸提溫度越高，菊糖的溶解性越好，得率也越高，但80℃后，菊糖得率增幅減小，可能是牛蒡中的菊糖已基本溶出，為減少能耗，浸提溫度以80℃為宜。

2.3 液固比對菊糖得率的影響

液固比對菊糖得率的影響，見圖3。

從圖3可見，隨著液固比的增加，菊糖得率在10∶1時達到最大值，隨后則明顯下降。然而液固比的增加，會給后處理蒸發濃縮增加困難，增加生產成本，因此在保證提取效果的同時，應盡量減少溶劑用量和降低蒸發濃縮負荷，故液固比以10∶1為宜。

2.4 提取次數對菊糖得率的影響

提取次數對菊糖得率的影響，見圖4。

由圖4可知,當浸提次數在2次時，菊糖隨著次數的增加而增加，當次數繼續增加時，菊糖得率曲線趨于平穩，表明牛蒡中的菊糖已基本浸出。因此，浸提次數超過2次就無實際意義了，浸提次數以2次為好。

2.5 響應面分析與結果

本試驗在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken中心組合設計原理[7-8]，以菊糖得率Y為響應值，利用Design Expert7.1.4軟件設計了三因素三水平的響應面法實驗,共有17個試驗點，其中12個為析因點，5個為零點以估計誤差。因素水平見表4；試驗設計和結果見表1。

表 1 Box-Behnken設計方案及響應值結果Table 1 The design of Box-Behnken and the response values

利用Design Expert7.1.4軟件對表1試驗數據進行多元回歸擬合。可得出優化后的設計對結果的影響顯著。采用手動優化的方法對回歸模型進行優化，去掉對結果影響不顯著的AB交互項后得到的二次多項回歸方程為：Y=－69.22375+0.14582A+1.81215B+0.65250C+7.75×10-3AC+0.036BC－1.7225 ×10-3A2－0.01309B2－0.20494C2。

失擬項不顯著（P=0.4615＜0.05），而模型的P值＜0.0001，表明模型高度顯著；同時軟件分析的復相關系數R2是96.38%，校正后的R2Adj為92.75%，這表明該模型擬合程度良好，試驗誤差小，該模型是合適的，可以用此模型對菊糖浸提工藝條件進行分析測定。在所選取的因素水平范圍內，各因素對結果的影響排序為溫度>液固比>時間。

RSM方法的圖形是特定的響應面Y對應的因素A、B、C構成的一個三維空間在二維平面上的等高圖，可以直觀地反映各因素對響應值的影響，從試驗所得的響應面分析圖上可以找到它們在反應過程中的相互作用。對經手動優化后的回歸方程所作的響應曲面圖及其等高線圖見圖5、圖6。

圖5顯示了當提取溫度一定時，提取時間和液固比對菊糖得率的交互影響效應。可知，當提取溫度和液固比不變時，菊糖得率隨著提取時間的延長增加到一定程度后基本上趨于平穩，且隨著時間的增加，菊糖得率增幅很小；當提取溫度和提取時間不變時，菊糖得率隨著液固比的增大，先增加后減小，且減小的幅度比增加的幅度更顯著。

圖6顯示了當提取時間一定時，提取溫度和液固比對菊糖得率的交互影響效應。

由圖6可知，當提取時間和液固比不變時，菊糖得率隨著提取溫度的升高緩慢增加到一定程度后，基本上趨于平穩，且隨著溫度的增加，菊糖得率的變化不明顯；在相同的提取溫度下,菊糖得率隨著液固比的變化而顯著變化，當液固比較低時，菊糖得率隨著液固比的增大而顯著增加，當液固比較高時，菊糖得率隨著液固比的升高反而顯著減小。

通過Design Expert7.1.4軟件對經手動優化后的回歸方程求解,在試驗的因素水平范圍內預測提取的最佳條件為：提取時間65.11 min，提取溫度83.14 ℃，液固比10.13∶1，在此條件下提取2次，菊糖得率可達14.16%。在此條件下進行3次驗證性試驗，測得的菊糖得率均值為14.0323%，與理論預測值14.16%的相對誤差很小，說明經手動優化后的回歸方程與實際情況擬合很好,充分驗證了所建模型的正確性,說明響應面法適用于對牛蒡中菊糖提取工藝進行回歸分析和參數優化。

2.6 菊糖的功能研究

在37℃恒溫培養箱中倒置培養24 h后，菊糖對大腸桿菌和乳酸菌生長的影響見圖7和8。

由圖7可看出，通過培養，在無菌水區域內大腸桿菌能夠正常生長，在蘸有菊糖溶液的區域內，出現了透明圈，即抑菌圈，說明菊糖能有效抑制有害細菌大腸桿菌的生長；而圖8中，在蘸有菊糖溶液的區域內比在蘸無菌水的區域內乳酸菌菌落多，說明菊糖能很好的促進有益菌乳酸菌的生長。

3 結論

本文在研究牛蒡中菊糖提取時各因素對菊糖得率的影響基礎上，用Design-Expert 7.1.4響應面分析軟件，對菊糖的提取工藝進行優化，得出提取工藝參數的回歸方程為：

方差分析結果表明：擬合檢驗顯著，該方程能較好的預測菊糖得率隨各參數變化的規律。優化得到的最佳提取工藝條件為:提取時間65.11 min，提取溫度83.14 ℃，液固比10.13∶1，利用最優條件提取2次，菊糖得率為14.03%，與響應面模型所預測的得率14.16%十分接近，該方程與實際情況擬合很好，說明響應面法能較好地對菊糖水浸提工藝進行回歸分析和參數優化。

利用最佳浸提條件得到的提取液經D301-G樹脂脫色、旋轉蒸發濃縮、TCA法脫蛋白、乙醇沉析、冷凍干燥后得到菊糖粗產品，該產品為白色略顯灰色，無臭，易溶于水。菊糖在微生物方面的功能研究實驗表明：菊糖能抑制大腸桿菌的生長而促進乳酸菌的生長。

[1]秦雨.您吃過牛蒡了嗎[J].中老年保健,2004,25(11):40-41

[2]胡喜蘭,劉存瑞,曾憲佳,等.新疆不同地區牛蒡根中氨基酸和八種元素的含量分析[J].廣西中醫藥,2002,25(2):55-56

[3]屠用利.菊糖的功能與應用[J].食品工業,1997(4):4-46

[4]張惟杰.糖復合物生化研究技術[M].浙江：浙江大學出版社,1999:10-12

[5]蔣淑敏.牛蒡化學成分和藥理作用的研究現狀[J].時珍國醫國藥,2001,12(10):941-942

[6]饒志娟,鄭建仙,賈呈祥.功能性食品基料—菊粉的研究進展[J].中國甜菜業,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（漢），副教授，大學本科，研究方向：食品與發酵工程。

2011-03-07