黑菊芋加工前后营养成分分析

姬妍茹，杨庆丽，魏连会，董 艳，石 杰，张 旭，张正海

（黑龙江省科学院 大庆分院，黑龙江大庆 163319）

菊芋（Jerusalem artichoke）又名洋姜、鬼子姜，是一种菊科向日葵属宿根性多年生草本植物，原产自北美洲[1]，具有耐寒、抗贫瘠、抗病虫害、繁殖能力强等优点，因而被用于沙漠化土地治理和盐碱地改良[2]。目前，在我国种植面积较大的省份有江苏、山东、辽宁等。随着菊芋产量逐年增大，如何对其进行深度开发利用成为亟需解决的问题。

菊芋性甘、凉，具有清热凉血、利水祛湿的功效，块茎富含菊糖，具有降血脂、双向调控血糖、改善肠道、防治便秘等功能[3]，中医和蒙医以其块茎和茎叶入药，用于治疗热病、肠热下血、跌打骨伤，也用于消渴。民间通常用来腌制酱菜，也可直接生食或烹调食用。近年来，为了增加菊芋的经济附加值，科研人员不断开展深加工方面的研究，例如以菊芋为原料制成茶包[4]，加工饮料[5]或者酿酒[6]。目前，比较常见的加工方式是利用其块茎生产菊粉、果糖和低聚果糖[7]。课题组依据美拉德反应原理，利用独特的齿变式加热工艺将新鲜菊芋块茎加工成为黑菊芋，为菊芋的深加工开辟了一条新途径。该产品色泽黝黑，富有光泽，口感酸甜软Q，类似果脯，也称之为“黑菊芋脯”[8]。以菊芋块茎为原料生产黑菊芋国内外未见报道，试验对鲜菊芋和黑菊芋进行营养成分对比分析，明确黑菊芋的主要营养成分构成，为新产品的推广奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

菊芋：参试品种为白菊芋，江苏省沛县晨玉特种蔬菜营销公司提供。

硫酸铜、硫酸钾、硫酸、硼酸、甲基红、溴甲酚绿、亚甲基蓝、无水碳酸钠、没食子酸、石油醚、氢氧化钠、95%乙醇、盐酸、1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮（PMP）、三氟乙酸、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、三氯甲烷、正丁醇、苯酚、3,5-二硝基水杨酸、三氯乙酸、双氧水、甲醇等，均为国产分析纯；葡萄糖、果糖、鼠李糖、D-木糖、甘露糖、半乳糖、D-阿拉伯糖、乙酸铵、乙腈，均为国产色谱纯；实验用水，为超纯水。

1.2 仪器与设备

黑菊芋生产设备，黑龙江省科学院大庆分院机电研究所产品；DHG-9070A型鼓风干燥箱，上海飞跃实验仪器有限公司产品；FW型高速粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司产品；ME204E型分析天平，梅特勒－托利多仪器（上海）有限公司产品；HH-1型恒温水浴锅，金坛市盛蓝仪器制造有限公司产品；VFD-4500型冻干机，北京博医康实验仪器有限公司产品；BBI HC-2518R型冷冻高速离心机，郑州南北仪器设备有限公司产品；UV-759型紫外分光光度计，上海精密科学仪器有限公司产品；SPD50型自动凯氏定氮仪，北京三品科创仪器有限公司产品；日立L8900型全自动氨基酸分析仪，天美科学仪器有限公司产品；LC-15C型液相色谱仪、RID-10A型示差折光显示器，日本岛津公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 黑菊芋的制作

将鲜菊芋块茎洗净吹干后，装入密封耐高温塑料袋，放入加工设备中，按照设定程序运行16 d，颜色变为黑褐色，再经烘干降低水分至30%左右，得到成品黑菊芋，于4℃左右保存备用。

1.3.2 鲜菊芋和黑菊芋干粉的制备

将鲜菊芋洗净，用滤纸吸干表面后切片。黑菊芋直接切片，放入冻干机冷冻干燥脱水；然后经粉碎过筛得到鲜菊芋或黑菊芋干粉，备用。

1.3.3 营养成分对比分析

（1）多糖的提取及含量测定。称取菊芋干粉10 g左右于50 mL离心管中，加入50 mL石油醚脱脂90 min，10℃下离心，去除石油醚。将样品转入200 mL烧杯中，按照1∶15料液比加入超纯水，80℃下水浴提取5 h，得到粗菊糖提取液。将粗菊糖提取液用4层纱布过滤，以转速8 000 r/min离心，300目纱网过滤，真空过滤（滤纸过滤），然后加入100 mL氯仿∶正丁醇（4∶1）混合液去除蛋白质，15%双氧水脱色6 h，水浴浓缩至50 mL，加入95%乙醇至乙醇浓度为体系的80%，过夜后离心取上清液，用蒸发皿蒸干即得。

菊糖含量的测定采用总糖含量减去还原糖含量的方法。总糖测定采用苯酚硫酸法[9]，以果糖为标准品，在波长490 nm处测定吸光度，制作标准曲线，根据标准曲线计算样品中的总糖含量；还原糖测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法（DNS法）[10]，以果糖为标准品，于波长540 nm处测定吸光度，制作标准曲线，根据标准曲线计算样品中的还原糖含量；然后用总糖含量减去还原糖含量，即可得到样品的菊糖含量。

（2）多糖的水解。称取10 mg左右的多糖样品，置于安瓿中，加入2.0 mL的2 mol/L TFA溶液，封口，于110℃下水解5 h，离心取上清液，减压蒸干，得到水解产物，备用。

（3）PMP衍生化处理。取上述水解产物，加水溶解，定容至2.0 mL，准确移取0.2 mL于具塞玻璃离心管中，分别加入0.5 mol/L的PMP甲醇溶液0.2 mL和0.3 mol/L的NaOH溶液0.2 mL，于70℃水浴加热60 min，冷却后加入0.3 mol/L的盐酸溶液0.2 mL中和，再加入氯仿1.0 mL萃取，离心取上清液，重复操作3次，用水定容至5.0 mL备用[11]。

分别称取鼠李糖、D-半乳糖、蔗糖、果糖、无水葡萄糖、甘露糖、D-阿拉伯糖、D-核糖标准品适量，配置浓度为1.0 mol/L的糖标准品溶液。取各个标准品溶液10.0μL混匀并稀释定容至2.0 mL，按照样品衍生化方法处理，得到糖衍生化标准液。

（4）HPLC分析。将上述PMP衍生化后的样品处理液及糖衍生化标准液，通过0.22μm微孔滤膜，按下述HPLC条件分析：色谱柱为Agilent Venusil XBP-C18型（250 mm×4.60 mm，5μm），流动相为乙腈-0.05 mol/L乙酸铵缓冲液（pH值5.5）（20∶80），流速1.0 mL/min，柱温30℃，紫外检测波长250 nm，进样量10μL。

（5）粗蛋白含量的测定。参照食品安全国家标准食品中蛋白质的测定中的第一法凯氏定氮法[12]。

（6）总氨基酸和游离氨基酸种类的测定。称量干粉样品20 mg，3 mL水溶解，50℃下超声30 min，以转速14 000 r/min离心10 min，取上清液，加入3 mL浓盐酸，用氮吹仪吹30 min，105℃干燥箱中酸水解24 h，蒸发皿水浴蒸干，0.02 mol/L盐酸溶解并定容至10 mL，4℃冰箱中保存。用孔径为0.22μm的滤膜过滤获得处理液。吸取1 mL处理液置于全自动氨基酸分析仪样品瓶中进行总氨基酸含量检测，上样量20μL[13]。

（7）总多酚含量的测定。称量干粉样品3.0 g左右，80%乙醇30 mL超声提取20 min提取3次，合并滤液用80%乙醇定容至100 mL。用移液管移取没食子酸工作液、水（空白对照）及测试液各1 mL于刻度试管内，在每个试管内分别加入福林酚5 mL摇匀，反应3~8 min，加入7.5%碳酸钠4.0 mL，加水定容至刻度、摇匀，室温放置60 min，用紫外分光光度计于波长765 nm处测定吸光度。根据没食子酸的工作液的吸光度与各工作液的没食子酸浓度，制作标准曲线，比较试样和标准工作液的吸光度，按下式计算总多酚的含量[14]。

2 结果与分析

2.1 葡糖含量分析

分别采用苯酚-硫酸法和DNS法测定并绘制果糖标准曲线，得到总糖的果糖回归方程为：Y=0.492X-0.03，R2=0.994；还原糖的果糖回归方程为：Y=0.872X-0.02，R2=0.996，2个方程的拟合度均较好。

鲜菊芋和黑菊芋中营养成分含量见图1。

图1 鲜菊芋和黑菊芋中营养成分含量

菊糖是一种生理活性物质，具有降血脂、双向调控血糖、改善肠道、防治便秘、促进矿物质吸收、低热量、防肥胖、抗肿瘤和提高免疫力等功能[3]。由图1可知，鲜菊芋加工成黑菊芋后，菊糖有一定程度的减少，但仍保留了原含量的70.03%。吴慧伦[15]的研究表明，菊糖能够参与美拉德反应并有效改善巧克力的风味，这与试验的研究结果有相似之处，黑菊芋的香甜口感应该与菊糖参与美拉德反应有关。

2.2 多糖中单糖组分对比

（1）标准单糖HPLC谱图。将9种单糖标准品混合后进行衍生化处理，然后进行HPLC分析。

混合单糖PMP衍生化产物的HPLC色谱图见图2。

图2 混合单糖PMP衍生化产物的HPLC色谱图

混合单糖PMP衍生化产物的HPLC图谱上出现了8个明显的峰，对照各个单糖与混合单糖PMP衍生化产物及PMP谱图中的出峰时间，可以看出7.283为PMP峰，14.385和18.939为PMP中的不明成分，果糖没有得到PMP衍生化产物图谱。

混合单糖PMP衍生物的HPLC出峰时间见表1。

表1 混合单糖PMP衍生物的HPLC出峰时间

从表1可以看出，单糖PMP衍生物出峰次序依次为D-甘露糖、D-核糖或鼠李糖、葡萄糖、D-半乳糖、D-阿拉伯糖或D-木糖，核糖与鼠李糖，D-阿拉伯糖与D-木糖没有得到有效分离。另外，因果糖为非还原性糖，PMP不能对其衍生，所以采用试验方法无法对果糖在多糖中所占比例进行分析[16]。

（2）鲜菊芋和黑菊芋的多糖衍生化产物单糖组成分析。

鲜菊芋PMP衍生化产物的HPLC色谱图见图3，黑菊芋PMP衍生化产物的HPLC色谱图见图4。

鲜菊芋和黑菊芋菊糖经过水解，PMP衍生化后进行高效液相色谱分析。根据混合糖和样品糖的出峰时间对应关系，可知鲜菊芋多糖主要由甘露糖、D-核糖（或鼠李糖）、葡萄糖、半乳糖、D-阿拉伯糖（或D-木糖）组成，黑菊芋多糖中只是不含甘露糖。

鲜菊芋与黑菊芋多糖样品中单糖组分的保留时间、峰面积百分比见表2。

图3 鲜菊芋PMP衍生化产物的HPLC色谱图

图4 黑菊芋PMP衍生化产物的HPLC色谱图

表2 鲜菊芋与黑菊芋多糖样品中单糖组分的保留时间、峰面积百分比

对照多糖样品与标准单糖图谱，根据出峰时间和峰面积计算，鲜菊芋多糖中单糖组分物质的量比为D-甘露糖∶D-核糖（或鼠李糖）∶葡萄糖∶D-半乳糖∶D-阿拉伯糖（或D-木糖）=0.3∶0.4∶26.8∶5.2∶17.4；黑菊芋多糖中单糖组分物质的量比为D-核糖（或鼠李糖）∶葡萄糖∶D-半乳糖∶D-阿拉伯糖（或D-木糖）=7.0∶24.1∶6.8∶12.1。其中，葡萄糖组分在加工前后的菊芋样品中含量都是最大的，D-阿拉伯糖（或D-木糖）含量在2种样品中含量均居第2位，在鲜菊芋中有少量的D-甘露糖和D-核糖（或鼠李糖）存在，而在黑菊芋中没有检测到D-甘露糖，D-核糖（或鼠李糖）的占比有所上升。由文献可知，菊芋中的菊糖大部分为果聚糖，经加工成黑菊芋并且水解后产生最多的单糖应该是果糖[10]，由于检测方法中无法得到果糖的衍生峰，因此该数据表明的是除果糖外其他单糖的组成情况。试验中葡萄糖和阿拉伯糖（或D-木糖）的占比有所减少应该是加工过程中参与了美拉德反应生成了新的物质，推测保留时间为20.5 min左右的物质峰面积明显增加可能与此相关。

2.3 粗蛋白含量对比

蛋白质是六大营养素之一，可为机体提供能量，蛋白质含量高低是衡量食品营养价值的标准之一。从图1可知，鲜菊芋粗蛋白含量为12.18 g/100 g，加工成黑菊芋后粗蛋白含量为11.96 g/100 g，比加工前略有减少（p>0.05），原因是部分氨基酸参与了美拉德反应。

2.4 氨基酸种类和含量对比

鲜菊芋和黑菊芋总氨基酸图谱见图5。

图5 鲜菊芋和黑菊芋总氨基酸图谱

经过全自动氨基酸分析仪分析，鲜菊芋中共检测出11种氨基酸，其中包括4种必需氨基酸和2种半必需氨基酸（图5（a））；黑菊芋中检测到12种氨基酸，其中包括5种必需氨基酸和2种半必需氨基酸（图5（b））。

鲜菊芋和黑菊芋中氨基酸种类和含量见表3。

表3 鲜菊芋和黑菊芋中氨基酸种类和含量/g·（100 g）-1

鲜菊芋氨基酸总量为每100 g中3.52 g，4种必需氨基酸占总氨基酸含量的22.91%，其中赖氨酸含量较高；黑菊芋氨基酸总量每100 g为2.45 g，5种必需氨基酸含量占总氨基酸的25.89%，其中缬氨酸和苯丙氨酸含量较高。从氨基酸总量来讲，黑菊芋比鲜菊芋略有减少（p>0.05），每100 g下降了1.07 g，但是必需氨基酸在总量中的占比有所上升，上升了2.98%（p>0.05）。菊芋加工前后半胱氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸均未检出；大部分氨基酸含量均有不同程度的降低，只有甲硫氨酸和缬氨酸含量增加，这2种氨基酸都是人体必需氨基酸，自身不能生成，需从外部获得。

氨基酸含量变化可能与类黑精的形成有关，类黑精是使菊芋变黑的主要因素。有研究人员认为，类黑精的形成与否及形成多少与样品的氨基酸组成相关，天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、赖氨酸和脯氨酸的氨基酸残基更加容易参与美拉德反应[17]。黑菊芋的加工过程主要发生的就是美拉德反应，氨基酸是此反应的重要底物之一，对于大多数氨基酸来说，加工过程中有所消耗或者相互间转化都是可能的。

2.5 总多酚含量对比

多酚类化合物是指分子结构中有若干个酚性羟基的植物成分的总称，具有抗氧化、抗菌和保护心脏和血管的作用[18]，被称为“第七类营养素”。多酚具有抑制氧化酶和络合金属离子的能力[19]，在200~350 nm具有较强的紫外吸收特性，特别是在能量高、破坏力大的远紫外区有更强的吸收，可以作为抗老化剂和防晒剂的有效成分。从图1可知，黑菊芋中的多酚含量明显提高，是鲜菊芋的4.71倍。孙月娥等人以大蒜为原料经美拉德反应后获得黑蒜，其多酚含量比鲜蒜增加了近3倍[19]，这2个试验结果说明美拉德反应可以促进多酚类物质的生成。植物中都含有多酚类化合物，在受热过程中，大分子化合物发生分解，生成小分子物质，释放出更多含有酚羟基的化合物，因而使其相对含量得到提高。

3 结论

对菊芋加工前后的总糖、还原糖、菊糖、粗蛋白、氨基酸和多酚含量进行对比分析，并且对多糖的单糖组分构成进行分析。结果表明，黑菊芋中的总糖、菊糖、粗蛋白和氨基酸总量均有所减少，还原糖和多酚含量明显升高；葡萄糖和阿拉伯糖有所减少，D-核糖或鼠李糖占比有所增加。必需氨基酸的种类及在氨基酸总量中的占比有所上升。

加工后菊芋颜色黝黑，口感香甜软糯，而且极大限度地保留了营养成分；增加的多酚赋予黑菊芋更强的抗氧化和清除自由基能力。黑菊芋是一款新型健康食品，为菊芋的深加工开辟了一条新途径。