从菊芋（Helianthus tuberosus L.）块茎中更环保地提取菊粉：优化方法、纯化过程及其生物活性研究

《Carbohydrate Research》：Greener Extraction of Inulin from Jerusalem Artichoke (Helianthus tuberosus L.) tubers: Optimization, Purification and Biological Activity

　　

马亨德拉·辛格（Mahendra Singh）|希曼舒·拉尼（Himanshu Rani）|哈里什·库马尔·乔普拉（Harish Kumar Chopra）

印度旁遮普邦桑格鲁尔区朗戈瓦尔-148106，朗戈瓦尔工程与技术学院化学系

摘要

本研究提出了一种绿色高效的方法，利用超声波辅助提取（UAE）和水作为环保溶剂，从 Jerusalem artichoke 中提取、优化、纯化并表征菊粉的结构。通过响应面方法（RSM）进行优化后，在以下条件下获得了最高的菊粉产量：固液比为 1:40（g/mL）、提取时间为 120 分钟、温度为 60°C。LC-MS 分析确认其纯度为 97%，聚合度（DP）为 12。FT-IR 和 FT-NMR 光谱检测到了特征性的 β-(2→1) 链接，XRD 分析显示产物具有非晶态。FESEM 显示出聚集形态，而 EDS 分析表明其含有高比例的碳（56 wt%）和氧（43.4 wt%）。体外 抗菌活性实验表明，低聚合度的菊粉对 E. coli、S. aureus、L. monocytogenes 和 S. typhi 具有剂量依赖性的抑制作用，最大抑制效果出现在 50 mg/mL 的浓度下。本研究通过实例说明了聚合度如何直接影响菊粉的 体外 抗菌活性。

引言

Jerusalem Artichoke（Helianthus tuberosus L.）是一种属于 Asteraceae 科的多年生植物，在中国、俄罗斯、美国、加拿大、法国、德国和印度等温带地区广泛种植。这种块茎作物因其富含菊粉而备受重视，其菊粉含量通常占鲜重的 15% 至 20%，在干重中可达到 60% 至 80%，具体取决于品种、环境条件和收获时间 [1]、[2]。菊粉由果糖单元组成，形成 (2→1)-β-D-果糖基-果糖结构，并通过 α-D-吡喃糖基键与末端葡萄糖单元相连 [3]。菊粉的功能特性受其聚合度（DP）的强烈影响，这决定了其溶解度、粘度和凝胶形成能力等物理化学性质，从而使其在食品和非食品行业中具有广泛的应用。菊粉的健康益处，尤其是其益生元作用，有助于改善胃肠道矿物质吸收、降低动脉粥样硬化的风险并增加饱腹感 [4]、[5]。菊粉在植物中作为替代碳水化合物普遍存在。由于其结构特点，它不会在小肠中被消化或吸收，而是进入结肠后刺激有益细菌的生长并发挥益生元作用。此外，长链菊粉能够在水中或牛奶中形成微晶体，产生饱腹感；通过冷凝固或剪切诱导的凝胶化作用形成凝胶，并能自组装成可用于包封的结构 [6]。菊粉在食品系统中的应用包括作为糖或脂肪替代品、脂溶性化合物的载体、凝胶剂和益生元成分的包封材料，以及用于改善果汁和乳制品和制作可食用层 [7]。菊粉主要从 Jerusalem artichoke（Helianthus tuberosus L.）等植物来源中提取，这类植物是这种生物聚合物最丰富的天然储库之一。尽管传统提取技术应用广泛，但常存在处理时间较长、能耗较高以及热不稳定化合物可能降解等局限性。因此，人们越来越关注非传统且环保的提取方法，如超声波辅助提取（UAE），该方法能提高提取效率、减少溶剂使用量并增强可持续性 [8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。UAE 技术利用高频声波通过空化作用增强从植物材料中提取生物活性化合物的过程 [14]、[15]。该技术依赖于强声波引起的快速压力变化，从而产生并崩溃微气泡，形成局部高温高压 [16]。目前已有许多从 Jerusalem artichoke 中提取菊粉的方法，这些方法都旨在优化产量和纯度，但只有少数方法使用了响应面方法（RSM）进行优化 [17]、[18]、[19]。RSM 是一种强大的统计工具，用于研究多因素在多阶段过程中的影响和相互作用。它有助于减少评估提取条件及其相互作用所需的实验次数。常用的 RSM 方法是 Box-Behnken 设计（BBD），这是一种三级因子设计，将实验点放置在设计空间的边缘和中心，确保各因素不会同时处于极端水平，从而避免不良实验结果 [20]。从 Jerusalem artichoke 中分离出的菊粉及其衍生物显示出多种生物活性，包括抗糖尿病、抗癌、抗真菌、抗炎、抗冻、减肥和解毒作用 [21]、[22]、[23]、[24]。研究表明，Jerusalem artichoke 块茎中的生物活性化合物对 Pasedomonas、Bacillus subtilis、E. coli、Salmonella Typhi、Shigella flexneri、Lactobacillus plantarum、Proteus vulgaris、Escherichia coli、Staphylococcus aureus、Klebsiella pneumonia、Salmonella enteritidis 具有抗菌活性 [25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。然而，目前尚未有研究探讨 Jerusalem artichoke 菊粉的抗菌特性。本研究旨在开发一种更绿色、更高效的菊粉提取方法，并对其结构、物理化学性质和抗菌潜力进行评估。

本研究采用了多种表征方法（LC-MS、FT-IR、NMR、XRD、FESEM 和 EDS）来确定 Jerusalem artichoke 菊粉（JAUIN）的结构，并将其与标准菊粉（STDIN）进行了比较。

章节摘录

材料

Jerusalem Artichoke（Helianthus tuberosus L.）块茎购自印度马哈拉施特拉邦孟买马扎加昂的 East West Agro 公司。收到块茎后，先用清水彻底清洗，然后切片并在硫化钾溶液中再次清洗以保存。将切片在 45°C 的恒温下烘干，干燥后将其研磨成细粉。

使用 UAE 方法优化菊粉提取产量

使用水作为溶剂对 25 克 Jerusalem artichoke 粉进行超声波辅助提取（UAE），经纯化后获得了 17.312 克（69.25%）的菊粉。最佳提取条件为：固液比 1:40（g/mL）、提取时间 120 分钟、温度 60°C。

超声波辅助提取的优势

超声波辅助提取（UAE）是一种先进且环保的提取方法，用于从 Helianthus tuberosus L. 中提取菊粉。该方法基于一种称为声学空化的科学现象，高频声波在溶剂中传播时会产生微小气泡。当这些微气泡剧烈破裂时，会产生局部高压冲击波和微喷射流，产生强烈的机械力，破坏并破坏植物组织。

研究的创新之处

本研究的新颖之处在于其可持续的方法，能够提取高纯度的生物活性菊粉，并独特地建立了其抗菌特性的结构-功能关系。具体创新点包括：

• a)
  结构-功能关系：本研究首次建立了纯化菊粉的物理化学性质与其观察到的生物活性之间的直接关联。
• b)
  100% 环保提取：该研究完全采用环保方法...

结论

本研究利用响应面方法（Box-Behnken 设计）成功优化了从 Helianthus tuberosus 块茎中提取菊粉的绿色超声波辅助提取工艺。后续的纯化和多分析技术（LC-MS、FT-IR、FT-NMR、FE-SEM/EDS、XRD）验证了菊粉的结构和纯度，纯度达到 97%，聚合度为 12。关键的是，生物评估显示其对 E. coli、S. aureus 等具有显著的抗菌效果。

作者贡献声明

马亨德拉·辛格（Mahendra Singh）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、监督、软件使用、方法设计、实验实施、数据分析、概念化。哈里什·库马尔·乔普拉（Harish Kumar Chopra）：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、监督、概念化。希曼舒·拉尼（Himanshu Rani）：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、监督

作者声明本文所述工作未受到任何财务利益或个人关系的影响。

资助情况

本研究独立完成，未受到任何可能影响结果的外部组织或资金来源的影响。文中提到的任何隶属关系或合作纯粹是为了实现科学研究目标。

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