菊糖提取工艺及其应用研究进展

王友法，曾斯杰，宋小平，马瑞佳，陆登俊*

(1.广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004；2.海南师范大学 热带药用植物化学教育部重点实验室，海口 571127)

菊糖又名菊粉，是D-果糖分子以β-1，2-糖苷键链接成的果聚糖，其末端常含有一个葡萄糖基。德国科学家Rose于1840年首次将其从菊科植物中分离出来，而后被Thomson命名为菊糖。菊糖广泛存在于包括菊芋、芦笋、菊苣以及大丽花(Dahlia)等36000多种植物中，并在其中以果糖聚合物的形式储存多余的能量。在我国，主要从菊芋中提取菊糖。菊芋属于向日葵科，能够抵御霜冻和干旱，可以在贫瘠的土地上茁壮生长。截至目前，菊芋主要分布在北美、中国、澳大利亚、韩国、北欧以及新西兰等地，其块茎根中以菊糖的形式积累50～70 g/kg鲜重果聚糖，占所有碳水化合物的80%左右。除此之外，菊芋块茎根中还包含有脂肪(1.77%)、蛋白质(1.58%)、维生素以及矿物质等微量元素。近年来,国外有关菊芋提取物菊糖的研究较多，但我国起步较晚，国际上，日本的研究制备处于领先水平，欧美和韩国的发展也很快。国内外研究表明：菊糖具有非常好的生物相容性、生物活性以及理化性质，而且廉价易得。因此，菊糖被广泛应用于医药和食品等相关领域[1,2]。查看近年来的文献可知，对菊糖的研究多集中在它的生物活性及应用等方面，而对其提取方面的研究相对较少。本文通过对菊糖提取工艺及其应用方面的研究进行归纳和分析，旨在为其综合利用提供参考。

1 菊糖的提取工艺

1.1 热水提取工艺

热水提取工艺是一种传统而又基本的菊糖提取工艺，它是利用菊糖在热水中的溶解性将菊糖提取出来，其主要流程是鲜菊芋经过灭酶后粉碎成粉末,然后进行热水提取得到菊糖的提取液。陈秀枝等[3]在固液比为1∶14、pH值自然的情况下，研究了提取温度和反应时间对菊糖提取率的影响，得出最佳工艺：时间60 min，温度80 ℃，最高提取率为26.20%。张忠华[4]利用单因素和正交实验探究了菊芋菊糖的提取温度和时间、料醇比、固液比以及提取次数，得出最佳工艺：提取时间60 min，温度90 ℃，固液比1∶18和料醇比1∶3，在此条件下连续提取3次，菊糖的提取率为75.26%。胡娟等[5]通过单因素实验研究了提取温度、时间、料液比以及提取次数，确定了提取2次以及其他条件范围，然后通过正交实验来优化提取条件，得出最佳工艺：温度70 ℃，提取时间90 min，料液比1∶15，菊糖提取率高达90.76%。刘彬[6]利用相同的实验研究了提取温度、时间、料液比、提取次数以及pH值，得到最优提取工艺：提取温度85 ℃，料液比1∶16，提取时间60 min，pH值6.5，在此条件下连续提取2次，菊糖的提取率为94.67%。梁磊等[7]通过控制其他因素不变，研究了pH值对菊糖热水提取工艺的影响，结果表明：提取液中还原糖含量与pH值呈负相关，而蛋白质含量呈正相关，综合考虑，最终确定提取pH值为7.0最优。

综上，影响菊芋菊糖热水提取工艺的主要因素包括提取次数、提取温度、时间、料液比、pH值以及料醇比等。大量学者根据单因素和正交实验对热水提取工艺进行了探究，但由于工艺条件的不同，得出的最佳提取工艺也各不相同，其提取率也有较大差别。目前，我国有关菊糖的热水提取工艺方法较多，取得了不错的成果，其具有设备要求低、操作简单、产品无毒等优点。但由于热水提取工艺的提取效率较低、时间较长、纯度较差等问题。因此，单一的热水提取菊芋菊糖的工艺有被淘汰的趋势[8-11]。

1.2 超声波辅助提取工艺

超声波辅助提取工艺是利用超声波能产生强烈、高速的空化效应以及搅拌作用，使菊芋细胞壁破裂，而使有效成分溶出。张泽生等[12]利用单因素和正交实验研究了菊芋菊糖的提取温度、超声功率、提取时间以及固液比，得到最佳提取工艺：超声功率112 W，提取温度70 ℃，时间20 min，料液比1∶20，菊糖的提取率为57.3%。孔涛等[13]研究了运用超声波辅助提取工艺提取菊芋菊糖的实验，结果显示：在料液比为1∶15，水浴提取温度为100 ℃，超声波输出功率为112 W和超声波提取时间为25 min的情况下，菊糖的一次提取率高达70.05%。赵琳静等[14]研究了在常温下超声波辅助提取菊芋菊糖的工艺，考察了超声波提取时间、pH值、料液比对提取率的影响，得到最佳的提取工艺：超声波提取时间为20 min，pH值为 7.0，料液比为1∶25，在此条件下菊糖的提取率为79.3%。罗登林等[15]采用单因素实验和响应面法研究了超声对菊芋菊糖提取的影响，得到最优工艺：超声波提取时间为10 min，超声提取功率为750 W，超声辐照方式为15 s/6 s，温度为40 ℃，料液比为1∶29.24，在该条件下菊芋菊糖的提取率为94.23%。

综上，各研究者在研究菊糖的超声波辅助提取工艺时，由于考虑的因素水平和提取率的计算公式不同，导致得到的结果也存在较大的差异。相比于热水提取工艺，超声波辅助提取工艺还需要考虑超声处理功率和时间等因素，且该工艺要明显优于热水提取工艺，缩短了提取时间，提高了提取效率。但该工艺在一定条件下，会破坏多糖的糖链，从而使目标物的理化性质受到破坏。

1.3 微波辅助提取工艺

微波辅助提取工艺根据高频率的电磁波会使菊芋细胞内部的温度以及压力升高，当压力足够大时，菊芋细胞将会发生破裂，细胞内容物会溢出，因此提高了菊糖的提取率，缩短了提取时间。贾若凌[16]利用鲜菊芋块茎为原料，通过单因素和正交实验研究了提取时间、温度、提取次数、微波功率以及料液比对提取率的影响，得到最佳工艺处理条件：提取时间为8 min，温度为95 ℃，提取3次，料液比为1∶20，微波功率为500 W，得到菊糖的提取率为68.1%。胡秀沂等[17]利用正交实验研究了微波辅助处理的工艺条件，得出最佳的工艺条件：提取时间为40 min，温度为95 ℃，菊芋与水的料液比为1∶18，功率为400 W，时间为270 s，在该条件下菊糖的提取率高达99%。胡建锋等[18]通过对比微波辅助提取工艺与传统热水提取工艺的实验表明：微波辅助提取工艺相比于传统的热水提取工艺提取率提高了12.3%。

综上，微波辅助提取工艺相对于热水提取工艺还需要考虑的工艺条件为微波处理功率和时间，且其提取率明显优于传统的热水提取工艺。但微波辅助提取工艺与超声辅助提取工艺类似，在一定的条件下会破坏菊糖的糖链，对其活性产生一定的影响[19]。

1.4 酶法辅助提取工艺

酶法提取工艺是基于酶可以温和地分解菊芋细胞，从而加速菊芋细胞内物质溢出，进而提高了提取率。江玉婷等[20]通过研究优化复合酶提取菊芋菊糖的实验，得出最佳工艺：料液比1∶20 (g/mL)，pH 6.0，酶解温度54 ℃，复合酶(m木瓜蛋白酶∶m果胶酶为1∶8)131 μg/g样品，提取时间 40 min，在此条件下，菊芋菊糖提取率为 73.30%。陆慧玲等[21]通过酶法辅助提取工艺对菊芋菊糖的提取进行了研究，比较了中性蛋白酶浓度、料液比、提取时间和温度对菊糖提取率的影响，得到最佳工艺条件：料液比1∶15，提取温度70 ℃，提取时间40 min，中性蛋白酶的作用浓度0.1%，在此工艺条件下菊糖的提取率为74.44%。庄平等[22]采用相同的酶通过单因素和正交实验研究了酶的浓度、酶解温度、酶解时间、pH对菊糖提取率的影响，得到最佳工艺条件：酶的浓度3%，酶解温度45 ℃，酶解时间4 h，pH值 6.5，在此条件下菊糖的提取率高达93.8%。

综上，酶辅助提取工艺较传统的热水提取工艺效率更高且方法简便安全，相对于超声波和微波辅助提取工艺，它不会破坏糖链，对菊糖的生理活性不会产生影响。然而，目前还没有掌握菊糖的酶辅助提取工艺，还处在摸索阶段。

1.5 电场辅助提取工艺

除了上述工艺外，国外一些学者还研究了电场辅助提取工艺。电场辅助提取工艺是利用较大的电场强度导致更多可溶性固体被提取到溶液中，从而提高了菊糖的提取率。Termrittikul等[23]通过欧姆加热辅助工艺提取菊芋菊糖的实验表明：湿磨菊芋块茎和干磨菊芋块茎粉末溶液的电导都很高，较大的电场强度导致更多可溶性固体被提取到溶液中。Zhu等指出脉冲电场技术可用于取代通常需要高提取温度(不小于70 ℃)和长提取时间的常规提取方法，这是因为脉冲电场预处理的应用使萃取温度和萃取液中杂质的含量显著降低。由于脉冲电场会引起电穿孔现象，从而可以促进细胞内的物质向溶剂释放。Zhu等[24]研究发现，在菊苣根切片中提取菊糖时，与在没有脉冲电场预处理的情况下进行提取相比，600 V/cm脉冲电场预处理50 ms导致提取温度降低10～15 ℃，同时提取物中的菊糖浓度显著提高。

综上，电场辅助提取工艺较传统的热水提取工艺不仅提取效率高，而且纯度也高，同时缩短了提取时间，效果较好。而国内关于这方面的研究报道还很少，因此极有必要加大研究力度，创新菊芋菊糖的提取工艺。

2 菊糖的应用

2.1 菊糖在食品领域的应用

菊糖能够提高流变学性质、增强营养特性和改善食品质构，已逐步成为一种新型的天然食品配料，并成功地应用于食品工业中。赵天天等[25]将菊糖按照不同的比例添加于面包粉中，研究了对面包面团特性及面包品质变化的影响。结果表明：菊糖对面包粉的粉粒和拉伸等流变特性有显著影响，适量菊糖的添加改变了面包的内部结构，降低了面包的硬度和缩短了老化速率，并延长了面包的货架期。Li等[26]研究了菊糖对酸奶中益生菌的影响，通过确定发酵时间，测定了益生菌在酸奶中的生长情况，结果表明：以低浓度菊糖为碳源，培养基的光密度值较大，说明低浓度的菊糖具有较好的益生效果。王文佳等[27]在脱脂牛奶中添加不同量的菊糖，研究了菊糖对脱脂牛奶的影响，结果表明：菊糖能够稍微提高脱脂牛奶的白度和pH值，也能提高脱脂牛奶的持水性、粘度、组织状态及感官品质。目前有研究表明，可以利用菊糖酶将菊糖一步水解生产高果糖浆，并得出菊糖单步水解可产生95%的果糖，比传统的淀粉水解法高出2倍以上，且操作简便[28-31]。

菊糖可作为生产高果糖浆的主要原料，其主要有3种工艺方法，分别为：全细胞酶法、游离菊糖酶法和固定化菊糖酶法。关于全细胞酶法合成高果糖浆的文献仅有少数报道，这可能是由于维持操作系统免受污染所需生产成本太高或需要补充营养物来维持系统中用于生产高果糖浆的微生物生长[32]。为了克服全细胞技术的缺陷，许多研究倾向于将可溶性(游离)菊糖酶用于高果糖浆的制备。从各种微生物源中提取的可溶性菊糖酶已被报道可用于生产较高产量的果糖，但游离酶不能在连续的批次中重复使用，因此在间歇系统中使用游离酶水解菊糖并不符合成本效益[33]。近年来，固定化生物催化剂在工业中的应用受到了研究人员的广泛关注，这是因为固定化生物催化剂具有易回收，可以循环利用，提升酶的稳定性、选择性以及降低分解代谢抑制的机会和降低成本等优点。经研究发现，固定化菊糖酶法在分批系统和连续系统中表现出了优异的效果。Hua等[34]将来自黑曲霉的菊糖酶固定在藻酸钙明胶珠中，连续用于菊糖的水解54批，并通过该系统获得了良好的果糖生产率(90.2 g/L)。Holyavka等[35]将来自马克斯克鲁维酵母的菊糖酶固定在离子交换纤维VIONKN-1上，并在小型化的管式连续反应器系统中使用4 h，该系统显示出菊糖的显著水解。总之，菊糖的一步酶解制备高果糖浆具有得率高、低复杂度和降低成本等优点。目前，提高高果糖浆生产系统运行的稳定性，开发良好的固定化生物催化剂是当务之急。大多数关于高果糖浆生产的报道都是小规模的，因此应尝试在批量和连续的系统中扩大生物过程的规模。

2.2 菊糖在医药领域的应用

菊糖具有调节血糖、改善肠道环境、增强肠道益生菌、促进矿物质吸收以及抗肿瘤等多种生理活性，因此菊糖可以作为一些药物成分，以减少一些药物的副作用并提高效果。近年来，一些研究者研究了菊糖与阿胶药物结合来制备新的药物，以实现两者生理功能的相互协调补充，从而推动阿胶产业的发展。阿胶是一种药食中药，其广泛地应用于日常生活中，发展前景广阔，但服用阿胶药物存在较多的副作用，如消化不良、便血、口唇生疮等。史雪洁[36]通过单因素和正交实验研究了制备以菊糖和阿胶为主要成分的阿胶菊糖咀嚼片药物，并通过动物实验评价了该产品，实验得出将菊糖加入阿胶药物中，可以有效地促进肠道蠕动，降低血糖。

菊糖还具有良好的生物相容性和可生物降解性等优点。国外学者研究表明，菊糖可以制备药物载体。Giovanna等[37]研究了利用化学修饰法制备以菊糖为基质的3种菊糖水凝胶，研究了它们作为结肠部位的给药缓释载体的效果，该实验研究证明了该载体具有对pH值敏感的溶胀性，并在人工胃液中保持稳定性，利用菊糖酶和酯酶等易于将其降解，细胞兼容性很好。Licciardi等[38]研究了一种利用菊糖制备新型两亲性的菊糖接枝共聚物，结果发现：它能在水中自行组装成胶束结构从而可以成为抗癌药物阿霉素的载体物质。总之，由于菊糖具有良好的生理活性、生物相容性以及可生物降解性，使得菊糖在医药领域中具有较好的发展前景，但关于这方面的研究并不完善，还需进行进一步的研究，充分发掘菊糖在医药领域中更多的潜在价值[39]。

2.3 菊糖在生物能源领域的应用

目前，人类对能源的需求量逐年增加，但化石能源却日渐减少，以致于能源供给的问题越来越严重。因此，寻找可再生清洁能源已经成为迫在眉睫的任务。菊糖来源广泛且物美价廉，但目前并没有得到充分利用。因此，科学家们开始探索利用菊糖为原料经过发酵生产可再生的清洁能源乙醇，从而使制糖工艺更具经济竞争力[40]。

目前，菊糖发酵生产乙醇的方法主要有3种，传统上是将菊糖首先通过酸解或酶解法降解成果糖，再利用酿酒酵母来发酵生产乙醇，但这种方法会产生抑制剂并污染环境。因此，科学家们研究了利用菊糖酶菌株与酿酒酵母混菌培养来实现共发酵生产乙醇或选择既能产菊糖酶又具有乙醇发酵特性的酵母，直接发酵菊糖并生产乙醇。但从近年来的研究来看，后2种方法由于菊糖酶的活性、生产成本和生产菊糖酶的微生物乙醇耐性差等问题，因此无法达到工业生产实际应用的要求。目前，研究热点主要集中于工业化生产水平的产菊糖酶菌株选育、高产优质的菊糖降解菌的筛选以及菊糖发酵乙醇工艺流程优化上[41]。

3 展望

天然植物菊芋提取得到的菊糖已经被美国FDA批准进入美国市场,同时在欧洲和日本等地区也被认定为是食品和营养的增补剂。在我国，菊糖绝大多数是通过菊芋提取得到的，由于菊芋对环境有很强的适应性，因此可以将菊芋种植在海岸带盐碱地区的土地上，从而改善海岸带边际区域的生态环境，实现经济效应和生态效应的双丰收。我国对菊糖的研究开始得较晚，并且在很长的一段时间内会处于实验室研究阶段，因此需要进一步研究和探讨，充分发掘其价值。