不同提取工艺对生姜渣中多糖结构的影响及其抗氧化活性分析

李淑敏,何瑞娟,任宝旗,石贤勇,杨国静,施展

(1.濮阳医学高等专科学校,河南 濮阳 457001;2.新乡学院,河南 新乡 453003)

姜属于多年生草本植物,是一种香辛类调味品,在食品、医药和化妆品方面被广泛使用,是一种非常重要的天然调味原料[1-2]。生姜在中国的种植历史已经超过2 000年[3],有超过20个省份种植,其中种植面积最广的省份包括山东、云南、湖南和贵州等,全国的生姜年产量超过1 000万吨[4-5]。

生姜中含有丰富的生姜油、姜辣素、膳食纤维和矿物质元素等,这些物质主要包括干物质、总脂类、多糖、纤维素、粗蛋白、淀粉和维生素,由于生姜品种的差异,这些物质在含量上也存在一定程度的差异[6-7]。生姜中的化学成分复杂,目前发现的化学成分已经超过100种,主要包括挥发油类(α-蒎烯、α-姜烯和β-倍半萜)、烷烃类(二苯基烷烃类和二苯基庚烷类)和姜辣素类(二酮类、二醇类、烯酚类和姜酚类等)[8-9],另外,生姜中还富含多种氨基酸、维生素和微量元素[10]。

发达国家生姜深加工产品较多,目前主要通过分子蒸馏和超声萃取生姜中的成分,将其制作成各种各样的产品供消费者使用[11]。我国的生姜目前主要作为调味品使用,初加工产品少,综合利用效率低[12]。随着我国食品加工技术的发展,近些年我国生姜油的产量也得到了明显提高,但是生产生姜油后的生姜渣未得到有效合理的应用[13],不仅对环境造成了污染,而且浪费了资源。

随着生姜被划为食药用资源,其在食品、保健品和化妆品方面作为原材料被广泛应用,在生产加工产品的过程中,产生大量的生姜渣。一些研究结果表明[14],生姜副产物姜渣含有较高的生物活性物质,所以研究姜渣多糖生物活性结构也具有重要意义。

本研究对比了两种加工方式对生姜渣中多糖结构以及抗氧化活性的影响,以期为生姜渣的开发利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

生姜:购于农贸市场。

无水乙醇、过氧化氢、乙酸、磷酸二氢钾、水杨酸、盐酸、硫酸铜溶液、三氯乙酸、邻苯三酚、溴化钾、硫酸亚铁和维生素C等。

1.2 试验仪器

电子天平 北京赛多利斯天平有限公司;精密天平、pH计 梅特勒-托利多仪器有限公司;高效液相色谱仪 Agilent 公司;烘箱 上海一恒科技有限公司;紫外分光光度计 昆明通用仪器有限公司;核磁共振仪、红外光谱仪 德国Bruker公司。

1.3 试验方法

1.3.1 生姜渣多糖提取工艺

称取5 g生姜粉,在生姜粉中加入300 mL浓度为75%的乙醇,室温条件下浸泡 3 h,之后在离心机转速为5 000 r/min的条件下离心15 min,移除上清液,在超声波功率为500 W、料液比例为1∶20、超声波时间为20 min和提取温度为60 ℃的条件下进行萃取,萃取后用0.45 μm的微孔膜过滤,风干,获得生姜渣多糖。

1.3.2 生姜渣中多糖纯度和相对分子质量测定

生姜渣中多糖浓度和相对分子质量的测定参考文献[15]。

1.3.3 生姜渣中多糖组分单糖分析

利用衍生高效液相色谱法,参考文献[16]的研究方法对生姜渣中的多糖组分单糖进行分析。

1.3.4 生姜渣中体外抗氧化活性研究

DPPH自由基清除率和羟基自由基清除率是目前检测食品抗氧化活性最常见的方法,分别将采用超声波辅助法和热水浸提法获得的6组生姜渣多糖A-1、A-2、A-3、B-1、B-2和B-3以及维生素C,按照浓度200,400,600,800,1 000,2 000 μg/mL进行自由基清除能力测定[17-18]。

式中:As为生姜渣多糖样品对照组的吸光度值;A0为生姜渣多糖样品溶液自身干扰测定的吸光度值;A1为去离子水的吸光度值。

式中:A1为生姜渣样品的吸光度值;A0为生姜渣多糖样品对照组的吸光度值;A2为去离子水的吸光度值。

1.3.5 不同方法提取的生姜渣多糖编号

为了试验操作方便,分别将超声波辅助法和热水浸提法获得的生姜渣多糖进行编号,见表1。

表1 不同提取方法生姜渣多糖编号

2 结果和讨论

2.1 不同方法提取的生姜渣多糖紫外光谱对比分析

由图1可知,超声波辅助法提取的生姜渣多糖A-1、A-2和A-3组分分析和热水浸提法提取的生姜渣多糖B-1、B-2和B-3组分分析。A-1、A-2、A-3、B-1、B-2和B-3这6种生姜渣中的多糖在波长为260 nm和280 nm处均没有明显的吸收峰,说明6种生姜渣多糖中蛋白质和杂质含量相对较低。

图1 生姜渣中的多糖紫外线光谱特征

2.2 不同方法提取的生姜渣多糖相对分子质量对比分析

由表2可知,不同提取方式生姜渣中的多糖相对分子质量存在一定程度的差异,其中各个小组中多糖保留时间分别为A-1(11.231 min)、A-2(7.544 min)、A-3(7.312 min)、B-1(10.682 min)、B-2(7.56 min)和B-3(7.518 min);得到各个组分中多糖的相对分子质量分别为A-1(50.231 kDa)、A-2(824.22 kDa)、A-3(973.31 kDa)、B-1(67.351 kDa)、B-2(915.231 kDa)和B-3(981.381 kDa)。使用超声波辅助法获得的生姜渣多糖的相对分子质量比采用热水浸提法获得的少。经过超声波处理后的生姜渣多糖相对分子质量低,这是由于超声波的机械作用使得多糖化学键断裂,导致生姜渣中的多糖相对分子质量低[19]。

表2 不同提取方式生姜渣中的多糖相对分子质量

2.3 不同方法提取的生姜渣多糖纯化后的单糖对比分析

通过高效液相色谱法对生姜渣中多糖的单糖成分进行研究和分析,此方法具有操作简单、准确度高等优点[20]。

由表3可知,6组生姜渣中的多糖纯化组分主要由葡萄糖构成,所有提取方式的生姜渣多糖纯化后含量最高的均为葡萄糖,葡萄糖的含量均超过50%。超声波辅助法提取的A-2多糖组分和热水浸提法提取的B-2多糖组分相同,均为葡萄糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖和鼠李糖,其中A-2多糖中的单糖组分含量分别为61.23%、8.67%、12.33%、5.21%和9.12%;B-2多糖中的单糖组分含量分别为55.32%、11.23%、11.96%、8.17%和9.57%。超声波辅助法提取的A-3多糖组分单糖和热水浸提法提取的B-3多糖组分单糖相同,均为葡萄糖、半乳糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖和鼠李糖,其中A-3多糖组分的单糖含量分别为51.29%、4.25%、11.28%、7.38%、6.77%和9.05%;B-2多糖组分的单糖含量分别为51.29%、10.23%、5.23%、11.56%、9.22%和14.25%。超声波辅助法提取的A-1多糖组分中的单糖为葡萄糖、甘露糖和鼠李糖,含量分别为71.24%、15.28%和7.16%;热水浸提法提取的B-1多糖组分为葡萄糖、甘露糖和鼠李糖,含量分别为66.23%、10.35%和11.23%。

表3 不同方法提取的生姜渣中多糖的单糖组分含量对比

两种方式提取的生姜渣中的多糖纯化组分单糖成分相同,说明超声波提取法和热水浸提法对生姜渣中的多糖组成成分单糖没有影响,但两种提取方法获得的单糖组分含量存在差异,这是由于超声波提取法会使生姜渣中的细胞壁和细胞膜破裂,使得更多的多糖溶解;此外,超声波辅助法也会使生姜渣多糖链断裂和重组,从而影响生姜多糖中的单糖组分含量。

2.4 不同方法提取的生姜渣多糖抗氧化活性对比分析

2.4.1 不同方法提取的生姜渣多糖对DPPH自由基清除能力的对比

DPPH自由基是一种相对稳定的自由基,其溶液在紫外波长为517 nm处具有吸光值,当溶液中存在自由基清除剂时,DPPH的吸光值会慢慢降低,其降低的比例和加入的自由基清除剂呈现一定的比例关系,所以采用DPPH自由基清除率对生姜渣中的多糖含量进行定量测定。维生素C(Vc)是公认最具有抗氧化活性的物质,将Vc加入到试验组中对生姜渣中的多糖含量进行比较分析。不同提取方法生姜渣中的多糖对DPPH自由基的清除能力见图2。

图2 不同方法提取的生姜渣多糖对DPPH自由基清除能力的对比

由图2可知,随着生姜渣多糖浓度的逐渐增加,对DPPH自由基的清除能力也逐渐增强,生姜渣中多糖浓度和清除能力呈正比关系。从几种生姜渣多糖的清除能力可以看出,A-3生姜渣多糖对DPPH自由基的清除能力最强;B-1生姜渣多糖对DPPH自由基的清除能力最弱。6组生姜渣多糖和维生素C对DPPH自由基的清除能力强弱依次为Vc>A-3>B-3>A-2=B-2>A-1>B-1,清除率最高时依次为90%、45%、40%、40%、35%和30%。说明生姜渣多糖具有一定程度的抗氧化活性,可以作为一种潜在的抗氧化活性物质进行开发,另外,采用超声波辅助法提取的多糖DPPH自由基清除率相比热水浸提法效果更加明显。

2.4.2 不同方法提取的生姜渣多糖对羟基自由基清除能力的对比

羟基自由基具有较强的氧化活性,能够氧化机体内很多大分子物质。6组生姜渣多糖和Vc对羟基自由基的清除率见图3。

图3 不同方法提取的生姜渣多糖对羟基自由基清除能力的对比

由图3可知,生姜渣多糖对羟基自由基具有一定程度的清除能力,当生姜渣多糖浓度小于1 000 μg/mL时,对羟基自由基的清除能力与生姜渣多糖浓度呈正比,当生姜渣多糖浓度大于1 000 μg/mL时,生姜渣多糖浓度对羟基自由基的清除能力影响变小。当生姜渣多糖浓度为1 000 μg/mL时,6组生姜渣多糖和维生素C对羟基自由基的清除能力最高,其强弱依次为Vc>B-3>B-2>A-3>A-2>B-1>A-1,清除率依次为90%、35%、32%、30%、28%、27%和25%。

3 小结

通过分光光度法对比超声波辅助法和热水浸提法提取的生姜渣中的多糖组分差异,在260 nm和280 nm的条件下,生姜渣中的多糖组分纯化效果较理想,蛋白质和其他杂质含量较低;通过凝胶过滤色谱技术对6组生姜渣的多糖进行研究分析,6组生姜渣多糖的分子质量分别为A-1(50.231 kDa)、A-2(824.22 kDa)、A-3(973.31 kDa)、B-1(67.351 kDa)、B-2(915.231 kDa)和B-3(981.381 kDa),超声波辅助法提取的生姜渣多糖分子质量低于热水浸提法获得的生姜渣多糖;采用高效液相色谱法对生姜渣中的多糖组分进行分析,生姜渣多糖组分中单糖含量最高的是葡萄糖,均超过50%;抗氧化结果表明,生姜渣具有一定程度的抗氧化活性,且超声波辅助法提取的生姜渣多糖的抗氧化活性强于热水浸提法提取的生姜渣多糖。