复合酶-超声协同提取菊苣多糖的工艺优化及其对发酵乳品质与抗氧化活性的增强作用

本研究针对菊苣多糖(CIP)传统提取方法效率低、易降解的问题，通过响应面法优化复合酶-超声提取(CEUE)工艺，获得56.47%的高得率。结构表征证实CEUE法能保持多糖结构完整性并增强热稳定性。添加2-3% CIP可显著提升发酵乳的持水性、流变特性及贮藏期间的抗氧化活性，感官评价显示3%添加量能实现最佳质构与风味平衡。研究表明CEUE衍生的CIP可作为多功能乳品配料，同步提升发酵乳的理化品质、感官特性与健康促进潜力。

　　

在功能性食品原料研发领域，菊苣(Cichorium intybus L.)因其富含菊苣多糖(CIP)而备受关注。这种天然果聚糖由β-(2→1)连接的果糖单元构成，末端带有葡萄糖，被归类为水溶性膳食纤维。研究表明CIP具有抗氧化、调节肠道菌群、抗炎、降脂和免疫调节等多种生物活性，使其成为功能食品和营养补充剂研究的热点。然而，传统的热水提取法存在效率低、耗时长、高温导致多糖降解等问题，严重限制了其应用效果。

为突破提取技术瓶颈，辽宁大学轻工业学院的研究团队在《Food Chemistry: X》发表了创新性研究成果。他们采用复合酶-超声协同提取(CEUE)技术，通过响应面法优化工艺参数，并结合AB-8大孔树脂脱色纯化，显著提高了CIP的得率和纯度。随后系统评估了CIP对全脂和脱脂发酵乳品质特性、贮藏稳定性和抗氧化活性的影响，为菊苣资源的高值化利用和乳制品创新开发提供了理论依据和技术支持。

研究人员采用的主要技术方法包括：采用Plackett-Burman设计和Box-Behnken响应面法优化复合酶(纤维素酶与果胶酶)与超声协同提取工艺；使用AB-8大孔树脂进行脱色纯化，以420 nm波长监测脱色效率；通过FT-IR、XRD、SEM、DSC和TGA等技术表征多糖结构和热稳定性；采用旋转流变仪分析流变特性；通过DPPH、ABTS和羟基自由基清除实验评估抗氧化活性；使用α-葡萄糖苷酶抑制实验评价降糖潜力；采用感官评价和游离氨基酸分析(自动氨基酸分析仪)评估发酵乳品质。实验所用菊苣根采自河北张鑫农场，为2023年10月秋季采收的常规栽培作物。

3.1. 不同因素对复合酶-超声提取法提取效果的影响

通过单因素实验确定了最佳酶添加量为2.0%，纤维素酶与果胶酶比例为2:1，pH值为6，酶解时间2.5小时，料液比1:30 g/mL，超声时间35分钟，超声温度45°C。研究发现酶浓度依赖性趋势归因于细胞壁水解增强，促进细胞内多糖释放，但过量酶浓度因底物饱和而不再显著提高得率。

3.2. Plackett-Burman和响应面分析

Plackett-Burman实验显示料液比(X₁)、酶解时间(X₄)和超声时间(X₇)对多糖得率有显著影响。通过Box-Behnken设计建立二次回归模型，优化得到最佳条件：料液比1:32.60 g/mL，酶解时间2.61小时，超声时间35.98分钟，预测得率56.84%。验证实验实际得率为56.47±1.23%，与预测值偏差仅0.65%。CEUE法得率显著高于单一酶法(48.20%)和单一超声法(42.75%)。

3.3. 脱色单因素实验对脱色效果的影响

确定了树脂湿重比在1:4至1:8范围内可实现脱色率与多糖保留率的最佳平衡。脱色时间20-40分钟为宜，pH 6时能同时获得较高的多糖保留率和脱色率。正交实验表明影响因素顺序为：树脂湿重比>脱色时间>pH，最优组合为A1B3C3(湿重比1:4 g/mL，时间40分钟，pH 7)。

3.4. FT-IR、XRD、SEM和热稳定性分析

FT-IR显示CIP具有典型多糖特征吸收峰：3384 cm^-1(O-H伸缩振动)、2930 cm^-1(C-H伸缩振动)、1636 cm^-1(C=O伸缩振动)和1033 cm^-1(C-O伸缩振动)，818 cm^-1处表明α-构型。XRD在12.1°、16.36°、17.47°和21.78°处显示衍射峰，表明半结晶菊粉特性。DSC显示两阶段吸热过程(37.05-141.48°C和155.51-170.45°C)，分别对应水分蒸发和晶体转变/分解。TGA显示两阶段失重：30-200°C水分损失，200-320°C多糖结构分解。SEM显示不规则颗粒结构，具有多孔片状形态。

3.5. 流变特性、抗氧化活性和α-葡萄糖苷酶抑制

CIP溶液表现出剪切稀化行为，表观粘度随浓度增加而升高，随温度升高而降低。CIP对α-葡萄糖苷酶抑制率随浓度增加而提高，虽低于阿卡波糖，但安全性更高。CIP对ABTS、DPPH和羟基自由基均表现出清除能力，显示其抗氧化潜力。

3.6. 多糖添加对发酵乳酸度、持水性、乳清析出率和流变特性的影响

添加CIP使酸度升高、pH降低，全脂和脱脂发酵乳表现出不同变化趋势。乳酸菌活菌数在2%CIP(脱脂)和3%CIP(全脂)时达到峰值。持水性先升后降，乳清析出率先降后升。流变学研究表明，CIP添加对全脂发酵乳表现为降低表观粘度，而对脱脂发酵乳则显著增强粘度，表明CIP的流变学响应强烈依赖于发酵乳的脂肪含量。

3.7. 菊苣多糖发酵乳在贮藏期间抗氧化活性分析

总抗氧化活性、DPPH和ABTS自由基清除能力在贮藏期间均呈现先升后降趋势，第3天达到峰值。全脂发酵乳显示出比脱脂对照更高的基线抗氧化活性，CIP添加显著增强了全脂和脱脂基质中的抗氧化能力(p<0.05)。抗氧化活性变化反映了蛋白质水解驱动的抗氧化肽释放、逐渐水解/聚集以及氧化消耗的复杂过程。

3.8. CIP强化发酵乳的感官评价

感官评价显示CIP补充对所有测量参数均有显著影响(p<0.05)。全脂发酵产品中，中等强化水平(2-3%)增强了气味、味道和质地属性，3%CIP补充产生了最平衡的感官特征。过量补充(≥4%)产生不良的过度粘度和可感知的轻微苦味余味。

3.9. 游离氨基酸(FAA)和味觉活性值(TAV)分析

鉴定出16种氨基酸(8种必需和8种非必需)。总FAA浓度在全脂发酵乳+3%CIP中最高(423.32 mg/g)。Glu表现出最高的TAV，确认其作为发酵乳中鲜味的主要贡献者。Val、Lys和His也显示出非常高的TAV，表明对苦甜平衡和整体风味复杂性有强烈影响。CIP补充提高了Met、Lys和His的TAV，表明CIP促进了味觉活性氨基酸的释放。

研究结论表明，通过复合酶-超声协同提取结合响应面优化，成功建立了高效的CIP提取工艺，得率达56.47%。结构表征证实该方法能保持多糖结构完整性并增强热稳定性。CIP添加能显著改善发酵乳的流变特性、持水性和乳酸菌活力，增强抗氧化活性并有效延缓贮藏期间抗氧化能力的下降，在全脂酸奶中以3%添加量效果最为显著。感官评价证实CIP增强了质地和风味平衡，特别是在脱脂乳中补偿了脂肪的缺失。FAA/TAV分析为抗氧化肽的释放提供了间接证据，这些肽与CIP产生协同作用。

该研究的重要意义在于：首先，开发了一种高效的CIP提取技术，为菊苣资源的高值化利用提供了可行方案；其次，系统证明了CIP作为多功能食品配料在乳制品中的应用潜力，能同时改善产品的理化特性、感官品质和健康促进功能；最后，研究结果为开发新型功能性乳制品提供了科学依据，满足了消费者对天然健康产品的需求，促进了食品工业的创新发展和产业升级。尽管酶-超声提取相比传统热水提取需要更高的初始投资，但其更高的得率、更短的处理周期和改善的产品功能性表明，在大规模应用中可能具有经济合理性，特别是当集成到连续处理或混合提取系统中时，为高产值CIP的工业生产提供了可行且可持续的途径。