菊糖是一种不易消化的低聚糖，能刺激有益人体健康的双歧杆菌的生长，另外在改善糖尿病、促进脂质代谢、预防癌症等方面有积极的作用[1-2]。鉴于其改善了食品的流变学特性和营养属性，研究者早已将菊糖归类为功能性食品[3]。菊糖的生产也成为我国的一个新兴产业。
目前生产的菊糖主要来源于菊芋。菊芋在我国北方很多水资源不丰富的地区也已经得到了大面积的种植，它具有繁殖较快、耐干旱、耐寒且较少受到病虫侵害等优点。虽然目前工业上生产菊糖多以菊芋为原料，但是菊芋菊糖属于果糖复合物中聚合度较高的一类，其提取工艺相对而言较为繁琐，要得到聚合度低的菊糖还需要酶的参与，通过相关酶的降解来降低其聚合度，从而增加了生产成本。牛蒡作为一种既美味又具有保健作用的功能性食品，随着人们经济水平的提高，越来越受到大众的青睐。牛蒡根深入地底生长，所以较少受到外界的污染。目前, 牛蒡在日本是一种很流行的蔬菜，而在国内牛蒡作为一种新、特蔬菜, 已出口日本及欧洲。关于牛蒡根的组成成分及其抗氧化活性，已得到了深入的研究。针对牛蒡活性成分的各类研究表明，其生物活性较高，具有很好的生理保健功效，在食用、医用领域的前景十分广泛[4-5]。因此从牛蒡中提取菊糖，可以利用废弃的外根资源，变废为宝，增加农产品附加值，提高农民收入。
从牛蒡根中提取菊糖的方法多为传统的热水浸提法, 提取率较低。超声波辐射能加快、改善生物活性成分的提取过程[6-9]，利用超声波提取天然产物具有可缩短提取时间、节省能耗、提高产量等优点[10-12]。本文以牛蒡根干片为原料，通过对超声提取法的改进，即在提取反应体系中辅助以通气处理，加快体系中溶出的菊糖在提取溶剂中的混匀，来探讨影响实验的主要因素；并利用正交优化得到最佳组合，旨在为开发利用牛蒡菊糖和其大规模生产工业化应用提供科学依据。
1 实验部分 1.1 材料与试剂新鲜牛蒡根，购于徐州翟山菜市场。
苯酚，硫酸，3，5-二硝基水杨酸，果糖，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；实验用水为实验室自制去离子水。
1.2 实验装置紫外分光光度计，WFZ UV-2802H型，尤尼克(上海)仪器有限公司；超声环流反应器，自制，结构如图 1所示。
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1—空气压缩机；2—温度传感器；3—超声发生器；4—气体流量计；5—外筒；6—内筒。 图 1 超声环流反应器示意图 Fig.1 Sketch of the ultrasonic circular reactor |
实验在图 1所示的不锈钢反应器内进行。反应器内筒与外管呈同心圆设置，内筒规格为20 cm×30 cm，外筒规格为40 cm×58 cm。反应有效容积50 L。内筒底部装有与超声波发生器相连接的超声波探头。超声波发生器频率为0~1000 kHz可调，电功率0~1 kW。气体由筒体底部的喷嘴喷射进入内筒，由于气体动能及内筒内外密度差的影响，在反应器内形成从内筒到外筒的有规则循环流动。
1.3 菊糖的提取本文所采用的超声环流法实验步骤如下：首先对材料进行预处理，将牛蒡根洗净，切成2~5 mm厚的薄片，置于干燥鼓风箱中70 ℃恒温干燥至恒重，保存备用。将牛蒡根干片浸泡0.5 h，投入超声环流反应器筒中，按料液比加水，设定好提取条件进行超声波提取牛蒡菊糖；最后收集提取液，计算牛蒡菊糖的提取率，公式如下
| $ E = {m_1}/{m_2} \times 100\% $ |
其中，E为提取率，%；m1为菊糖质量，g；m2为牛蒡干重，g。
1.4 提取液中菊糖含量的测定以果糖为标准品，利用分光光度计, 采用苯酚硫酸法[13]测定总糖质量浓度ρ1；采用3, 5-二硝基水杨酸法(DNS法)[14]测定提取液中还原糖的质量浓度ρ2；菊糖含量计算如下
| $ \rho = {\rho _1}-{\rho _2} $ |
其中ρ为菊糖含量，ρ1为总糖含量，ρ2为还原糖含量，单位均为g/mL。
2 结果与讨论 2.1 标准曲线的绘制 2.1.1 总糖标准曲线以果糖质量浓度(mg/mL)为横坐标，吸光度值A490为纵坐标，利用Origin Pro 9软件绘制出标准曲线图，如图 2所示。
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图 2 总糖标准曲线 Fig.2 Standard curve for the total phenol-sulphuric acid method |
通过Origin Pro 9得到总糖的标准曲线回归方程为y=8.135x-0.01049，其中y代表吸光度值，x代表糖质量浓度，mg/mL。线性相关系数R2=0.9706，即相关系数r=0.9931，说明自变量x和因变量y之间具有较高的相关性。方差分析的结果显示F=264.9，所建立的回归方程在0.01水平上极显著，说明该方程可以用于计算体系内的糖含量值。
2.1.2 还原糖标准曲线以果糖质量浓度(mg/mL)为横坐标，吸光度值A540为纵坐标，利用Origin Pro 9绘制标准曲线图，如图 3所示。
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图 3 还原糖标准曲线 Fig.3 Standard curve for the 3, 5-dinitrosalicylic acid method |
通过Origin Pro 9可以得到还原糖的标准曲线回归方程为y=1.8008x-0.0374，其中y代表吸光度值，x代表糖质量浓度，mg/mL。线性相关系数R2=0.9919，即相关系数r=0.9964，说明自变量x和因变量y之间具有较高的相关性。方差分析的结果显示F=978.6，所建立的回归方程在0.01水平上极显著，说明该方程可以用于计算体系内的糖含量值。
2.2 超声回流提取法提取牛蒡菊糖的影响因素 2.2.1 超声功率利用图 1所示的超声环流反应器，超声功率分别设定为75 W、150 W、225 W、300 W、375 W等5个水平，进行牛蒡菊糖的提取试验。根据试验数据计算每一次提取的提取率并绘图，以超声功率为横坐标，菊糖提取率为纵坐标，绘制出不同超声功率下的提取效果趋势，如图 4所示。由图 4可以看出，牛蒡菊糖的提取率随着超声功率的增大先增加后缓慢下降，当超声功率增大到225 W时，牛蒡菊糖的提取率最高。超声功率过大，超声波的空化、震荡作用导致其他杂质成分溶出，影响了菊糖的提取。所以可以选取超声功率的最适范围为225~375 W。
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图 4 超声功率对菊糖提取效果的影响 Fig.4 Effect of ultrasonic power on the extraction of inulin |
提取温度分别设定为40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃等5个水平，进行牛蒡菊糖的提取试验。以提取温度为横坐标，菊糖提取率为纵坐标，绘制出趋势图(图 5)。从图中可以看出，牛蒡菊糖的提取率随着提取温度的升高，先不断增加后缓慢下降，其中当提取温度升高到70 ℃时，牛蒡菊糖的提取率最高。因此提取温度的最适范围为60~80 ℃。提取温度过高, 增加能耗，而且提取温度的升高对菊糖的活性也有一定影响，可能使填充于细胞壁间的不溶性高分子非糖物质果胶水解变成可溶性胶体物质而进入提取液中，故提取温度不宜超过80 ℃。
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图 5 提取温度对菊糖提取效果的影响 Fig.5 Effect of extraction temperature on the extraction of inulin |
提取时间分别设定为5 min、10 min、15 min、20 min、25 min和30 min等6个水平，进行牛蒡菊糖的提取试验。以提取时间为横坐标，菊糖提取率为纵坐标，绘制不同提取时间的提取效果图。从图 6可以得出，牛蒡菊糖的提取率随着提取时间的增加先增大后下降，当提取时间增加到20 min时，得到牛蒡菊糖的提取率最高。出现这种现象的原因可能是随着时间的延长, 超声波的空化、振荡作用促使其他物质溶出，干扰了菊糖的提取。所以选取提取时间的最适范围为20~30 min。
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图 6 提取时间对菊糖提取效果的影响 Fig.6 Effect of extraction time on the extraction of inulin |
料液比分别设定为1:5、1:10、1:15、1:20、1:25和1:30等6个水平，进行牛蒡菊糖的提取试验。然后以料液比(m/V)为横坐标，菊糖提取率为纵坐标得到曲线如图 7所示。可以看出，牛蒡菊糖的提取率随着料液比的增大先快速增大后缓慢下降，当料液比降低至1:25时，牛蒡菊糖的提取率最高。料液比低于1:25，可能是反应器内添加物料过多，空间有限，超声波和通气不能充分发挥作用，导致菊糖的提取不充分，提取率有轻微下降。因此可以选取料液比的最适范围为1:20~1:30。
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图 7 料液比对菊糖提取效果的影响 Fig.7 Effect of solid-liquid ratio on the extraction of inulin |
通气量分别设定为3 L/h、4 L/h、5 L/h、6 L/h、7 L/h等5个水平，进行牛蒡菊糖的提取试验。以通气量为横坐标，菊糖提取率为纵坐标绘制趋势图，得到的曲线如图 8所示。由图 8可以得出，牛蒡菊糖的提取率随着通气量的增加先升高后降低，说明通气量到达一定程度，提取反应体系过于剧烈，并不有利于菊糖的溶出。根据图 8中的曲线趋势，不难发现实验所选取的5个通气量对应的菊糖提取率差异并不及前面4个因素显著，说明通气量与超声功率、提取温度、提取时间和料液比相比，对牛蒡菊糖提取效果的影响并不大，因此可以在主要因素中排除。
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图 8 通气量对菊糖提取效果的影响 Fig.8 Effect of ventilation volume on the extraction of inulin |
在2.2节单因素试验结果的基础上，选出包括超声功率、提取温度、提取时间和料液比等4个影响超声波提取法提取牛蒡菊糖的主要因素。根据2.2节中得出的各因素最适范围，选用L9(34) 型正交表，进行四因素三水平的正交试验。超声波提取法提取牛蒡菊糖正交试验的因素水平表和正交试验方案及结果见表 1、2。
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下载CSV 表 1 因素水平表 Table 1 Factors and levels |
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下载CSV 表 2 正交试验方案 Table 2 Arrangement of orthogonal experiments |
根据极差分析结果(表 2)可以得出，各因素对牛蒡菊糖提取效果的影响顺序为：A>C>D>B，即超声功率>提取时间>料液比>提取温度。根据正交试验方差分析结果(表 3)可知，A和C对试验结果有显著的影响，B和D影响不显著。根据k值可以看出，最优方案为A3B2C3D3，即超声功率300 W，提取温度70 ℃，提取时间30 min，料液比1:20。
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下载CSV 表 3 正交试验方差分析表 Table 3 Variance analysis of orthogonal experiments |
对上述结果进行验证试验，得到提取率为57.89%，高于正交试验得到的最高提取率(试验8的56.20%)，说明正交优化所得到的最佳组合是可行的。
影响本文实验牛蒡菊糖提取的主要因素为超声功率、提取温度、提取时间和料液比。通过单因素试验和正交试验及验证，确定了牛蒡菊糖的最佳提取条件为超声功率300 W，提取温度70 ℃，提取时间30 min，料液比1:20，在此条件下提取率达到57.89%。
2.4 超声环流法提取菊糖与传统方法的比较以牛蒡根为原料，将本文的超声环流法与传统热水浸提法、超声波辅助提取法进行对比，结果如图 9所示。
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图 9 3种提取方法提取率的比较 Fig.9 Comparision of extraction ratio for the three methods |
经实验证明，在同等提取条件下，即提取温度70 ℃，提取时间30 min，料液比1:20，利用传统热水浸提法，提取率只有5.23%，超声辅助提取率为24.83%，显著低于本文超声环流法的提取率57.89%，说明本文方法在提高提取率方面有极大的优势，充分弥补了传统方法提取过程中料液混合不均匀、能耗利用率低等缺陷。
3 结论相比传统的热水浸提法，本文所采用的超声环流提取法具有提取效率高、耗时较短、操作简便无污染等优点。通过进行单因素试验、正交试验及验证，确定了牛蒡菊糖的最佳提取条件为：超声功率300 W，提取温度70 ℃，提取时间30 min，料液比1:20。最佳提取条件下的提取率可达57.89%。
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