姬妍茹，楊慶麗，魏連會，董 艷，石 杰，張 旭，張正海

（黑龍江省科學院 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，原產自北美洲[1]，具有耐寒、抗貧瘠、抗病蟲害、繁殖能力強等優(yōu)點，因而被用于沙漠化土地治理和鹽堿地改良[2]。目前，在我國種植面積較大的省份有江蘇、山東、遼寧等。隨著菊芋產量逐年增大，如何對其進行深度開發(fā)利用成為亟需解決的問題。

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。民間通常用來腌制醬菜，也可直接生食或烹調食用。近年來，為了增加菊芋的經濟附加值，科研人員不斷開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，比較常見的加工方式是利用其塊莖生產菊粉、果糖和低聚果糖[7]。課題組依據美拉德反應原理，利用獨特的齒變式加熱工藝將新鮮菊芋塊莖加工成為黑菊芋，為菊芋的深加工開辟了一條新途徑。該產品色澤黝黑，富有光澤，口感酸甜軟Q，類似果脯，也稱之為“黑菊芋脯”[8]。以菊芋塊莖為原料生產黑菊芋國內外未見報道，試驗對鮮菊芋和黑菊芋進行營養(yǎng)成分對比分析，明確黑菊芋的主要營養(yǎng)成分構成，為新產品的推廣奠定理論基礎。

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銷公司提供。

硫酸銅、硫酸鉀、硫酸、硼酸、甲基紅、溴甲酚綠、亞甲基藍、無水碳酸鈉、沒食子酸、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，均為國產分析純；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，均為國產色譜純；實驗用水，為超純水。

1.2 儀器與設備

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

1.3 試驗方法

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，放入加工設備中，按照設定程序運行16 d，顏色變?yōu)楹诤稚俳浐娓山档退种?0%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，放入凍干機冷凍干燥脫水；然后經粉碎過篩得到鮮菊芋或黑菊芋干粉，備用。

1.3.3 營養(yǎng)成分對比分析

（1）多糖的提取及含量測定。稱取菊芋干粉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層紗布過濾，以轉速8 000 r/min離心，300目紗網過濾，真空過濾（濾紙過濾），然后加入100 mL氯仿∶正丁醇（4∶1）混合液去除蛋白質，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%，過夜后離心取上清液，用蒸發(fā)皿蒸干即得。

菊糖含量的測定采用總糖含量減去還原糖含量的方法。總糖測定采用苯酚硫酸法[9]，以果糖為標準品，在波長490 nm處測定吸光度，制作標準曲線，根據標準曲線計算樣品中的總糖含量；還原糖測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法（DNS法）[10]，以果糖為標準品，于波長540 nm處測定吸光度，制作標準曲線，根據標準曲線計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，得到水解產物，備用。

（3）PMP衍生化處理。取上述水解產物，加水溶解，定容至2.0 mL，準確移取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，重復操作3次，用水定容至5.0 mL備用[11]。

分別稱取鼠李糖、D-半乳糖、蔗糖、果糖、無水葡萄糖、甘露糖、D-阿拉伯糖、D-核糖標準品適量，配置濃度為1.0 mol/L的糖標準品溶液。取各個標準品溶液10.0μL混勻并稀釋定容至2.0 mL，按照樣品衍生化方法處理，得到糖衍生化標準液。

（4）HPLC分析。將上述PMP衍生化后的樣品處理液及糖衍生化標準液，通過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℃，紫外檢測波長250 nm，進樣量10μL。

（5）粗蛋白含量的測定。參照食品安全國家標準食品中蛋白質的測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的測定。稱量干粉樣品20 mg，3 mL水溶解，50℃下超聲30 min，以轉速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的濾膜過濾獲得處理液。吸取1 mL處理液置于全自動氨基酸分析儀樣品瓶中進行總氨基酸含量檢測，上樣量20μL[13]。

（7）總多酚含量的測定。稱量干粉樣品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。用移液管移取沒食子酸工作液、水（空白對照）及測試液各1 mL于刻度試管內，在每個試管內分別加入福林酚5 mL搖勻，反應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，用紫外分光光度計于波長765 nm處測定吸光度。根據沒食子酸的工作液的吸光度與各工作液的沒食子酸濃度，制作標準曲線，比較試樣和標準工作液的吸光度，按下式計算總多酚的含量[14]。

2 結果與分析

2.1 葡糖含量分析

分別采用苯酚-硫酸法和DNS法測定并繪制果糖標準曲線，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個方程的擬合度均較好。

鮮菊芋和黑菊芋中營養(yǎng)成分含量見圖1。

圖1 鮮菊芋和黑菊芋中營養(yǎng)成分含量

菊糖是一種生理活性物質，具有降血脂、雙向調控血糖、改善腸道、防治便秘、促進礦物質吸收、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并有效改善巧克力的風味，這與試驗的研究結果有相似之處，黑菊芋的香甜口感應該與菊糖參與美拉德反應有關。

2.2 多糖中單糖組分對比

（1）標準單糖HPLC譜圖。將9種單糖標準品混合后進行衍生化處理，然后進行HPLC分析。

混合單糖PMP衍生化產物的HPLC色譜圖見圖2。

圖2 混合單糖PMP衍生化產物的HPLC色譜圖

混合單糖PMP衍生化產物的HPLC圖譜上出現了8個明顯的峰，對照各個單糖與混合單糖PMP衍生化產物及PMP譜圖中的出峰時間，可以看出7.283為PMP峰，14.385和18.939為PMP中的不明成分，果糖沒有得到PMP衍生化產物圖譜。

混合單糖PMP衍生物的HPLC出峰時間見表1。

表1 混合單糖PMP衍生物的HPLC出峰時間

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-木糖沒有得到有效分離。另外，因果糖為非還原性糖，PMP不能對其衍生，所以采用試驗方法無法對果糖在多糖中所占比例進行分析[16]。

（2）鮮菊芋和黑菊芋的多糖衍生化產物單糖組成分析。

鮮菊芋PMP衍生化產物的HPLC色譜圖見圖3，黑菊芋PMP衍生化產物的HPLC色譜圖見圖4。

鮮菊芋和黑菊芋菊糖經過水解，PMP衍生化后進行高效液相色譜分析。根據混合糖和樣品糖的出峰時間對應關系，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間、峰面積百分比見表2。

圖3 鮮菊芋PMP衍生化產物的HPLC色譜圖

圖4 黑菊芋PMP衍生化產物的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間、峰面積百分比

對照多糖樣品與標準單糖圖譜，根據出峰時間和峰面積計算，鮮菊芋多糖中單糖組分物質的量比為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，而在黑菊芋中沒有檢測到D-甘露糖，D-核糖（或鼠李糖）的占比有所上升。由文獻可知，菊芋中的菊糖大部分為果聚糖，經加工成黑菊芋并且水解后產生最多的單糖應該是果糖[10]，由于檢測方法中無法得到果糖的衍生峰，因此該數據表明的是除果糖外其他單糖的組成情況。試驗中葡萄糖和阿拉伯糖（或D-木糖）的占比有所減少應該是加工過程中參與了美拉德反應生成了新的物質，推測保留時間為20.5 min左右的物質峰面積明顯增加可能與此相關。

2.3 粗蛋白含量對比

蛋白質是六大營養(yǎng)素之一，可為機體提供能量，蛋白質含量高低是衡量食品營養(yǎng)價值的標準之一。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。

2.4 氨基酸種類和含量對比

鮮菊芋和黑菊芋總氨基酸圖譜見圖5。

圖5 鮮菊芋和黑菊芋總氨基酸圖譜

經過全自動氨基酸分析儀分析，鮮菊芋中共檢測出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和含量見表3。

表3 鮮菊芋和黑菊芋中氨基酸種類和含量/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黑精的形成有關，類黑精是使菊芋變黑的主要因素。有研究人員認為，類黑精的形成與否及形成多少與樣品的氨基酸組成相關，天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、賴氨酸和脯氨酸的氨基酸殘基更加容易參與美拉德反應[17]。黑菊芋的加工過程主要發(fā)生的就是美拉德反應，氨基酸是此反應的重要底物之一，對于大多數氨基酸來說，加工過程中有所消耗或者相互間轉化都是可能的。

2.5 總多酚含量對比

多酚類化合物是指分子結構中有若干個酚性羥基的植物成分的總稱，具有抗氧化、抗菌和保護心臟和血管的作用[18]，被稱為“第七類營養(yǎng)素”。多酚具有抑制氧化酶和絡合金屬離子的能力[19]，在200~350 nm具有較強的紫外吸收特性，特別是在能量高、破壞力大的遠紫外區(qū)有更強的吸收，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美拉德反應后獲得黑蒜，其多酚含量比鮮蒜增加了近3倍[19]，這2個試驗結果說明美拉德反應可以促進多酚類物質的生成。植物中都含有多酚類化合物，在受熱過程中，大分子化合物發(fā)生分解，生成小分子物質，釋放出更多含有酚羥基的化合物，因而使其相對含量得到提高。

3 結論

對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行對比分析，并且對多糖的單糖組分構成進行分析。結果表明，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養(yǎng)成分；增加的多酚賦予黑菊芋更強的抗氧化和清除自由基能力。黑菊芋是一款新型健康食品，為菊芋的深加工開辟了一條新途徑。