黑菊芋加工前后營(yíng)養(yǎng)成分分析

姬妍茹，楊慶麗，魏連會(huì)，董 艷，石 杰，張 旭，張正海

（黑龍江省科學(xué)院 大慶分院，黑龍江大慶 163319）

菊芋（Jerusalem artichoke）又名洋姜、鬼子姜，是一種菊科向日葵屬宿根性多年生草本植物，原產(chǎn)自北美洲[1]，具有耐寒、抗貧瘠、抗病蟲(chóng)害、繁殖能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而被用于沙漠化土地治理和鹽堿地改良[2]。目前，在我國(guó)種植面積較大的省份有江蘇、山東、遼寧等。隨著菊芋產(chǎn)量逐年增大，如何對(duì)其進(jìn)行深度開(kāi)發(fā)利用成為亟需解決的問(wèn)題。

菊芋性甘、涼，具有清熱涼血、利水祛濕的功效，塊莖富含菊糖，具有降血脂、雙向調(diào)控血糖、改善腸道、防治便秘等功能[3]，中醫(yī)和蒙醫(yī)以其塊莖和莖葉入藥，用于治療熱病、腸熱下血、跌打骨傷，也用于消渴。民間通常用來(lái)腌制醬菜，也可直接生食或烹調(diào)食用。近年來(lái)，為了增加菊芋的經(jīng)濟(jì)附加值，科研人員不斷開(kāi)展深加工方面的研究，例如以菊芋為原料制成茶包[4]，加工飲料[5]或者釀酒[6]。目前，比較常見(jiàn)的加工方式是利用其塊莖生產(chǎn)菊粉、果糖和低聚果糖[7]。課題組依據(jù)美拉德反應(yīng)原理，利用獨(dú)特的齒變式加熱工藝將新鮮菊芋塊莖加工成為黑菊芋，為菊芋的深加工開(kāi)辟了一條新途徑。該產(chǎn)品色澤黝黑，富有光澤，口感酸甜軟Q，類(lèi)似果脯，也稱(chēng)之為“黑菊芋脯”[8]。以菊芋塊莖為原料生產(chǎn)黑菊芋國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)報(bào)道，試驗(yàn)對(duì)鮮菊芋和黑菊芋進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)比分析，明確黑菊芋的主要營(yíng)養(yǎng)成分構(gòu)成，為新產(chǎn)品的推廣奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菊芋：參試品種為白菊芋，江蘇省沛縣晨玉特種蔬菜營(yíng)銷(xiāo)公司提供。

硫酸銅、硫酸鉀、硫酸、硼酸、甲基紅、溴甲酚綠、亞甲基藍(lán)、無(wú)水碳酸鈉、沒(méi)食子酸、石油醚、氫氧化鈉、95%乙醇、鹽酸、1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮（PMP）、三氟乙酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、三氯甲烷、正丁醇、苯酚、3,5-二硝基水楊酸、三氯乙酸、雙氧水、甲醇等，均為國(guó)產(chǎn)分析純；葡萄糖、果糖、鼠李糖、D-木糖、甘露糖、半乳糖、D-阿拉伯糖、乙酸銨、乙腈，均為國(guó)產(chǎn)色譜純；實(shí)驗(yàn)用水，為超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

黑菊芋生產(chǎn)設(shè)備，黑龍江省科學(xué)院大慶分院機(jī)電研究所產(chǎn)品；DHG-9070A型鼓風(fēng)干燥箱，上海飛躍實(shí)驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品；FW型高速粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；ME204E型分析天平，梅特勒－托利多儀器（上海）有限公司產(chǎn)品；HH-1型恒溫水浴鍋，金壇市盛藍(lán)儀器制造有限公司產(chǎn)品；VFD-4500型凍干機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品；BBI HC-2518R型冷凍高速離心機(jī)，鄭州南北儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；UV-759型紫外分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；SPD50型自動(dòng)凱氏定氮儀，北京三品科創(chuàng)儀器有限公司產(chǎn)品；日立L8900型全自動(dòng)氨基酸分析儀，天美科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；LC-15C型液相色譜儀、RID-10A型示差折光顯示器，日本島津公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 黑菊芋的制作

將鮮菊芋塊莖洗凈吹干后，裝入密封耐高溫塑料袋，放入加工設(shè)備中，按照設(shè)定程序運(yùn)行16 d，顏色變?yōu)楹诤稚?，再?jīng)烘干降低水分至30%左右，得到成品黑菊芋，于4℃左右保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 鮮菊芋和黑菊芋干粉的制備

將鮮菊芋洗凈，用濾紙吸干表面后切片。黑菊芋直接切片，放入凍干機(jī)冷凍干燥脫水；然后經(jīng)粉碎過(guò)篩得到鮮菊芋或黑菊芋干粉，備用。

1.3.3 營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)比分析

（1）多糖的提取及含量測(cè)定。稱(chēng)取菊芋干粉10 g左右于50 mL離心管中，加入50 mL石油醚脫脂90 min，10℃下離心，去除石油醚。將樣品轉(zhuǎn)入200 mL燒杯中，按照1∶15料液比加入超純水，80℃下水浴提取5 h，得到粗菊糖提取液。將粗菊糖提取液用4層紗布過(guò)濾，以轉(zhuǎn)速8 000 r/min離心，300目紗網(wǎng)過(guò)濾，真空過(guò)濾（濾紙過(guò)濾），然后加入100 mL氯仿∶正丁醇（4∶1）混合液去除蛋白質(zhì)，15%雙氧水脫色6 h，水浴濃縮至50 mL，加入95%乙醇至乙醇濃度為體系的80%，過(guò)夜后離心取上清液，用蒸發(fā)皿蒸干即得。

菊糖含量的測(cè)定采用總糖含量減去還原糖含量的方法。總糖測(cè)定采用苯酚硫酸法[9]，以果糖為標(biāo)準(zhǔn)品，在波長(zhǎng)490 nm處測(cè)定吸光度，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算樣品中的總糖含量；還原糖測(cè)定采用3,5-二硝基水楊酸比色法（DNS法）[10]，以果糖為標(biāo)準(zhǔn)品，于波長(zhǎng)540 nm處測(cè)定吸光度，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算樣品中的還原糖含量；然后用總糖含量減去還原糖含量，即可得到樣品的菊糖含量。

（2）多糖的水解。稱(chēng)取10 mg左右的多糖樣品，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，離心取上清液，減壓蒸干，得到水解產(chǎn)物，備用。

（3）PMP衍生化處理。取上述水解產(chǎn)物，加水溶解，定容至2.0 mL，準(zhǔn)確移取0.2 mL于具塞玻璃離心管中，分別加入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℃水浴加熱60 min，冷卻后加入0.3 mol/L的鹽酸溶液0.2 mL中和，再加入氯仿1.0 mL萃取，離心取上清液，重復(fù)操作3次，用水定容至5.0 mL備用[11]。

分別稱(chēng)取鼠李糖、D-半乳糖、蔗糖、果糖、無(wú)水葡萄糖、甘露糖、D-阿拉伯糖、D-核糖標(biāo)準(zhǔn)品適量，配置濃度為1.0 mol/L的糖標(biāo)準(zhǔn)品溶液。取各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品溶液10.0μL混勻并稀釋定容至2.0 mL，按照樣品衍生化方法處理，得到糖衍生化標(biāo)準(zhǔn)液。

（4）HPLC分析。將上述PMP衍生化后的樣品處理液及糖衍生化標(biāo)準(zhǔn)液，通過(guò)0.22μm微孔濾膜，按下述HPLC條件分析：色譜柱為Agilent Venusil XBP-C18型（250 mm×4.60 mm，5μm），流動(dòng)相為乙腈-0.05 mol/L乙酸銨緩沖液（pH值5.5）（20∶80），流速1.0 mL/min，柱溫30℃，紫外檢測(cè)波長(zhǎng)250 nm，進(jìn)樣量10μL。

（5）粗蛋白含量的測(cè)定。參照食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定中的第一法凱氏定氮法[12]。

（6）總氨基酸和游離氨基酸種類(lèi)的測(cè)定。稱(chēng)量干粉樣品20 mg，3 mL水溶解，50℃下超聲30 min，以轉(zhuǎn)速14 000 r/min離心10 min，取上清液，加入3 mL濃鹽酸，用氮吹儀吹30 min，105℃干燥箱中酸水解24 h，蒸發(fā)皿水浴蒸干，0.02 mol/L鹽酸溶解并定容至10 mL，4℃冰箱中保存。用孔徑為0.22μm的濾膜過(guò)濾獲得處理液。吸取1 mL處理液置于全自動(dòng)氨基酸分析儀樣品瓶中進(jìn)行總氨基酸含量檢測(cè)，上樣量20μL[13]。

（7）總多酚含量的測(cè)定。稱(chēng)量干粉樣品3.0 g左右，80%乙醇30 mL超聲提取20 min提取3次，合并濾液用80%乙醇定容至100 mL。用移液管移取沒(méi)食子酸工作液、水（空白對(duì)照）及測(cè)試液各1 mL于刻度試管內(nèi)，在每個(gè)試管內(nèi)分別加入福林酚5 mL搖勻，反應(yīng)3~8 min，加入7.5%碳酸鈉4.0 mL，加水定容至刻度、搖勻，室溫放置60 min，用紫外分光光度計(jì)于波長(zhǎng)765 nm處測(cè)定吸光度。根據(jù)沒(méi)食子酸的工作液的吸光度與各工作液的沒(méi)食子酸濃度，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，比較試樣和標(biāo)準(zhǔn)工作液的吸光度，按下式計(jì)算總多酚的含量[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡糖含量分析

分別采用苯酚-硫酸法和DNS法測(cè)定并繪制果糖標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，得到總糖的果糖回歸方程為：Y=0.492X-0.03，R2=0.994；還原糖的果糖回歸方程為：Y=0.872X-0.02，R2=0.996，2個(gè)方程的擬合度均較好。

鮮菊芋和黑菊芋中營(yíng)養(yǎng)成分含量見(jiàn)圖1。

圖1 鮮菊芋和黑菊芋中營(yíng)養(yǎng)成分含量

菊糖是一種生理活性物質(zhì)，具有降血脂、雙向調(diào)控血糖、改善腸道、防治便秘、促進(jìn)礦物質(zhì)吸收、低熱量、防肥胖、抗腫瘤和提高免疫力等功能[3]。由圖1可知，鮮菊芋加工成黑菊芋后，菊糖有一定程度的減少，但仍保留了原含量的70.03%。吳慧倫[15]的研究表明，菊糖能夠參與美拉德反應(yīng)并有效改善巧克力的風(fēng)味，這與試驗(yàn)的研究結(jié)果有相似之處，黑菊芋的香甜口感應(yīng)該與菊糖參與美拉德反應(yīng)有關(guān)。

2.2 多糖中單糖組分對(duì)比

（1）標(biāo)準(zhǔn)單糖HPLC譜圖。將9種單糖標(biāo)準(zhǔn)品混合后進(jìn)行衍生化處理，然后進(jìn)行HPLC分析。

混合單糖PMP衍生化產(chǎn)物的HPLC色譜圖見(jiàn)圖2。

圖2 混合單糖PMP衍生化產(chǎn)物的HPLC色譜圖

混合單糖PMP衍生化產(chǎn)物的HPLC圖譜上出現(xiàn)了8個(gè)明顯的峰，對(duì)照各個(gè)單糖與混合單糖PMP衍生化產(chǎn)物及PMP譜圖中的出峰時(shí)間，可以看出7.283為PMP峰，14.385和18.939為PMP中的不明成分，果糖沒(méi)有得到PMP衍生化產(chǎn)物圖譜。

混合單糖PMP衍生物的HPLC出峰時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 混合單糖PMP衍生物的HPLC出峰時(shí)間

從表1可以看出，單糖PMP衍生物出峰次序依次為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，核糖與鼠李糖，D-阿拉伯糖與D-木糖沒(méi)有得到有效分離。另外，因果糖為非還原性糖，PMP不能對(duì)其衍生，所以采用試驗(yàn)方法無(wú)法對(duì)果糖在多糖中所占比例進(jìn)行分析[16]。

（2）鮮菊芋和黑菊芋的多糖衍生化產(chǎn)物單糖組成分析。

鮮菊芋PMP衍生化產(chǎn)物的HPLC色譜圖見(jiàn)圖3，黑菊芋PMP衍生化產(chǎn)物的HPLC色譜圖見(jiàn)圖4。

鮮菊芋和黑菊芋菊糖經(jīng)過(guò)水解，PMP衍生化后進(jìn)行高效液相色譜分析。根據(jù)混合糖和樣品糖的出峰時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，可知鮮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）組成，黑菊芋多糖中只是不含甘露糖。

鮮菊芋與黑菊芋多糖樣品中單糖組分的保留時(shí)間、峰面積百分比見(jiàn)表2。

圖3 鮮菊芋PMP衍生化產(chǎn)物的HPLC色譜圖

圖4 黑菊芋PMP衍生化產(chǎn)物的HPLC色譜圖

表2 鮮菊芋與黑菊芋多糖樣品中單糖組分的保留時(shí)間、峰面積百分比

對(duì)照多糖樣品與標(biāo)準(zhǔn)單糖圖譜，根據(jù)出峰時(shí)間和峰面積計(jì)算，鮮菊芋多糖中單糖組分物質(zhì)的量比為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；黑菊芋多糖中單糖組分物質(zhì)的量比為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，葡萄糖組分在加工前后的菊芋樣品中含量都是最大的，D-阿拉伯糖（或D-木糖）含量在2種樣品中含量均居第2位，在鮮菊芋中有少量的D-甘露糖和D-核糖（或鼠李糖）存在，而在黑菊芋中沒(méi)有檢測(cè)到D-甘露糖，D-核糖（或鼠李糖）的占比有所上升。由文獻(xiàn)可知，菊芋中的菊糖大部分為果聚糖，經(jīng)加工成黑菊芋并且水解后產(chǎn)生最多的單糖應(yīng)該是果糖[10]，由于檢測(cè)方法中無(wú)法得到果糖的衍生峰，因此該數(shù)據(jù)表明的是除果糖外其他單糖的組成情況。試驗(yàn)中葡萄糖和阿拉伯糖（或D-木糖）的占比有所減少應(yīng)該是加工過(guò)程中參與了美拉德反應(yīng)生成了新的物質(zhì)，推測(cè)保留時(shí)間為20.5 min左右的物質(zhì)峰面積明顯增加可能與此相關(guān)。

2.3 粗蛋白含量對(duì)比

蛋白質(zhì)是六大營(yíng)養(yǎng)素之一，可為機(jī)體提供能量，蛋白質(zhì)含量高低是衡量食品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)之一。從圖1可知，鮮菊芋粗蛋白含量為12.18 g/100 g，加工成黑菊芋后粗蛋白含量為11.96 g/100 g，比加工前略有減少（p>0.05），原因是部分氨基酸參與了美拉德反應(yīng)。

2.4 氨基酸種類(lèi)和含量對(duì)比

鮮菊芋和黑菊芋總氨基酸圖譜見(jiàn)圖5。

圖5 鮮菊芋和黑菊芋總氨基酸圖譜

經(jīng)過(guò)全自動(dòng)氨基酸分析儀分析，鮮菊芋中共檢測(cè)出11種氨基酸，其中包括4種必需氨基酸和2種半必需氨基酸（圖5（a））；黑菊芋中檢測(cè)到12種氨基酸，其中包括5種必需氨基酸和2種半必需氨基酸（圖5（b））。

鮮菊芋和黑菊芋中氨基酸種類(lèi)和含量見(jiàn)表3。

表3 鮮菊芋和黑菊芋中氨基酸種類(lèi)和含量/g·（100 g）-1

鮮菊芋氨基酸總量為每100 g中3.52 g，4種必需氨基酸占總氨基酸含量的22.91%，其中賴(lài)氨酸含量較高；黑菊芋氨基酸總量每100 g為2.45 g，5種必需氨基酸含量占總氨基酸的25.89%，其中纈氨酸和苯丙氨酸含量較高。從氨基酸總量來(lái)講，黑菊芋比鮮菊芋略有減少（p>0.05），每100 g下降了1.07 g，但是必需氨基酸在總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、異亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸均未檢出；大部分氨基酸含量均有不同程度的降低，只有甲硫氨酸和纈氨酸含量增加，這2種氨基酸都是人體必需氨基酸，自身不能生成，需從外部獲得。

氨基酸含量變化可能與類(lèi)黑精的形成有關(guān)，類(lèi)黑精是使菊芋變黑的主要因素。有研究人員認(rèn)為，類(lèi)黑精的形成與否及形成多少與樣品的氨基酸組成相關(guān)，天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、賴(lài)氨酸和脯氨酸的氨基酸殘基更加容易參與美拉德反應(yīng)[17]。黑菊芋的加工過(guò)程主要發(fā)生的就是美拉德反應(yīng)，氨基酸是此反應(yīng)的重要底物之一，對(duì)于大多數(shù)氨基酸來(lái)說(shuō)，加工過(guò)程中有所消耗或者相互間轉(zhuǎn)化都是可能的。

2.5 總多酚含量對(duì)比

多酚類(lèi)化合物是指分子結(jié)構(gòu)中有若干個(gè)酚性羥基的植物成分的總稱(chēng)，具有抗氧化、抗菌和保護(hù)心臟和血管的作用[18]，被稱(chēng)為“第七類(lèi)營(yíng)養(yǎng)素”。多酚具有抑制氧化酶和絡(luò)合金屬離子的能力[19]，在200~350 nm具有較強(qiáng)的紫外吸收特性，特別是在能量高、破壞力大的遠(yuǎn)紫外區(qū)有更強(qiáng)的吸收，可以作為抗老化劑和防曬劑的有效成分。從圖1可知，黑菊芋中的多酚含量明顯提高，是鮮菊芋的4.71倍。孫月娥等人以大蒜為原料經(jīng)美拉德反應(yīng)后獲得黑蒜，其多酚含量比鮮蒜增加了近3倍[19]，這2個(gè)試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明美拉德反應(yīng)可以促進(jìn)多酚類(lèi)物質(zhì)的生成。植物中都含有多酚類(lèi)化合物，在受熱過(guò)程中，大分子化合物發(fā)生分解，生成小分子物質(zhì)，釋放出更多含有酚羥基的化合物，因而使其相對(duì)含量得到提高。

3 結(jié)論

對(duì)菊芋加工前后的總糖、還原糖、菊糖、粗蛋白、氨基酸和多酚含量進(jìn)行對(duì)比分析，并且對(duì)多糖的單糖組分構(gòu)成進(jìn)行分析。結(jié)果表明，黑菊芋中的總糖、菊糖、粗蛋白和氨基酸總量均有所減少，還原糖和多酚含量明顯升高；葡萄糖和阿拉伯糖有所減少，D-核糖或鼠李糖占比有所增加。必需氨基酸的種類(lèi)及在氨基酸總量中的占比有所上升。

加工后菊芋顏色黝黑，口感香甜軟糯，而且極大限度地保留了營(yíng)養(yǎng)成分；增加的多酚賦予黑菊芋更強(qiáng)的抗氧化和清除自由基能力。黑菊芋是一款新型健康食品，為菊芋的深加工開(kāi)辟了一條新途徑。