微波提取花生莖中水溶性膳食纖維的工藝優(yōu)化

李紅霞，王世清*，于麗娜，楊慶利，劉志強，張月婷

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.山東省花生研究所，山東 青島 266100)

微波提取花生莖中水溶性膳食纖維的工藝優(yōu)化

李紅霞1,2，王世清1,*，于麗娜2，楊慶利2，劉志強1，張月婷1

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.山東省花生研究所，山東 青島 266100)

以花生莖為原料，微波提取花生莖中水溶性膳食纖維。通過對浸泡時間、微波時間、微波功率、微波溫度和料液比等影響因素進行單因素及正交試驗，獲得花生莖水溶性膳食纖維的最佳提取工藝條件：浸泡時間55min、微波時間4min、微波功率800W、微波溫度90℃、料液比1:14(g/mL)，水溶性膳食纖維提取率達(dá)到6.0%，NSP含量為94.68%，SDF綜合評分為65.12%。

花生莖；微波；水溶性膳食纖維；提取

膳食纖維(DF)有預(yù)防肥胖癥、心腦血管疾病等富貴病的顯著功能[1]。D F按溶解性分為水溶性膳食纖維(SDF)和水不溶性膳食纖維(IDF)兩大類[2]。其中，SDF是指不被人體消化道酶消化，但可溶于溫、熱水且其水溶液又能被其4倍體積的乙醇再沉淀的那部分膳食纖維[3]。SDF在預(yù)防結(jié)腸癌，預(yù)防心血管疾病，降低膽固醇等方面具有比IDF更強的生理功能[4-5]，SDF還能降低血脂含量、延緩小腸對葡萄糖的吸收速度，刺激產(chǎn)生胰島素，從而預(yù)防糖尿病的發(fā)生[6]。SDF作為一種多功能保健性食品基料，早已引起世界各國營養(yǎng)學(xué)家的極大關(guān)注。

我國是世界花生生產(chǎn)、消費和出口大國，花生總產(chǎn)量和出口量均居世界前列。其花生莖主要作為飼料或廢棄物燃料處理，不但經(jīng)濟效益低而且造成環(huán)境污染?；ㄉo富含膳食纖維，其中天然水溶性膳食纖維含量可達(dá)6%～8%，是天然膳食纖維很好的來源。近年來，有關(guān)提取膳食纖維的報道不少[7-15]，但未見從花生莖中提取膳食纖維的報道。比起化學(xué)法[16]和酶法[17]提取SDF，微波萃取技術(shù)是目前國內(nèi)外從植物中萃取活性成分的一種新技術(shù)，它以速度快、選擇性高、萃取效率高等特點受到廣泛重視。本研究采用微波萃取技術(shù)，利用正交試驗對花生莖中SDF的提取工藝進行研究，旨在為膳食纖維的制備和花生莖的充分利用提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

花生莖為山東省花生研究所萊西實驗站2008年9月

收獲的花育19品種的莖桿，挑選無霉?fàn)€和蟲蛀的花生莖，清水洗凈，烘箱中80℃干燥，植物粉碎機粉碎，過50目篩，取篩下物作為實驗用原料。

檸檬酸、9 5%乙醇、無水乙醇、木糖、半乳糖醛酸、苯酚、咔唑、硫酸、3,5-二羥基甲苯、三氯化鐵均為分析純；葡萄糖 Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

植物粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；微波催化合成/萃取儀 北京祥鵠科技有限公司； RE52CS-1型真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠； 3K15型冷凍離心機 Sigma公司；TU-1800S型紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限公司；TE212-L型電子天平 德國賽多利斯股份有限公司；BZF50型真空干燥箱 上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠； FA2104型分析天平 上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 微波提取花生莖中SDF的工藝流程

經(jīng)過預(yù)處理的花生莖粉采用微波法提取SDF?；ㄉo粉過50目篩后，加入一定量3%的檸檬酸浸泡一定時間，經(jīng)過微波萃取儀萃取，抽濾，保留濾液，濾渣再加等量的3%檸檬酸同樣條件的微波處理兩次，合并3次濾液。合并后的濾液，真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，在濃縮液中加入4倍無水乙醇，靜置過夜，抽濾，濾液濃縮后再加4倍無水乙醇，抽濾，收集兩次沉淀溶于沸水中，離心，上清液濃縮后加4倍無水乙醇靜置過夜，抽濾得沉淀在60℃干燥得到由微波萃取花生莖粉制備的S D F，實驗重復(fù)3次，取平均值。

1.3.2 單因素及正交試驗設(shè)計

在微波萃取花生莖粉制備SDF實驗中，許多因素會影響SDF的提取。本研究選取5個關(guān)鍵因素：浸泡時間、微波時間、微波功率、微波溫度和料液比來進行單因素及正交試驗，以SDF中非淀粉多糖(NSP)的含量和提取率以及相關(guān)的綜合評分為評價指標(biāo)，確定最佳工藝參數(shù)。

1.3.3 SDF產(chǎn)品中非淀粉多糖(NSP)含量的測定[18]

參照文獻(xiàn)[18]方法，測定SDF產(chǎn)品水解液中己糖、戊糖、糖醛酸含量，最后通過轉(zhuǎn)換系數(shù)得到NSP含量。計算公式如下：

NSP含量= 己糖含量×0.9 ＋戊糖含量×0.88＋糖醛酸含量×0.81

1.4 評價指標(biāo)綜合評分的確定

評價指標(biāo)綜合評分由SDF中NSP的百分含量和提取率兩項評價指標(biāo)的結(jié)果所組成，采取100分制。考慮它們的重要程度，取權(quán)重比為NSP的百分含量:SDF得率=2:1。

綜合評分/% =(NSP的百分含量×2＋SDF得率)/3×100

NSP的百分含量/% = NSP含量/80×100

SDF得率/% = G1/G2×100

式中：80為水解時的SDF質(zhì)量/mg；G1為微波萃取后SDF的質(zhì)量/g；G2為實驗前花生莖粉的質(zhì)量/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同因素對微波SDF提取的影響

2.1.1 浸泡時間對SDF提取的影響

10g的經(jīng)過預(yù)處理的花生莖粉加入3%的檸檬酸溶液浸泡，料液比為1:12(g/mL)，分別浸泡40、50、60、70、80、90min，在微波功率600W、微波時間6min、微波溫度80℃條件下，研究浸泡時間對SDF提取的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 浸泡時間對SDF提取的影響Fig.1 Effect of soaking time on the extraction of SDF

由圖1可見，在40～90min的浸泡時間范圍內(nèi)，SDF得率、NSP百分含量和綜合評分都呈現(xiàn)出先升高后下降再升高的趨勢，而三者的最大值均出現(xiàn)在50min的浸泡時間內(nèi)。所以選擇45、50、55、60min浸泡時間為正交試驗水平。

2.1.2 微波時間對SDF提取的影響

10g的經(jīng)過預(yù)處理的花生莖粉加入3%的檸檬酸溶液浸泡，料液比為1:12，浸泡50min后，分別取微波時間1、2、3、4、5、6min，微波功率600W、微波溫度80℃條件下，研究微波時間對SDF提取的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 微波時間對SDF提取的影響Fig.2 Effect of microwave treatment time on the extraction of SDF

SDF得率在1～6min微波反應(yīng)時間內(nèi)，隨著反應(yīng)時間的延長，呈現(xiàn)先增加后下降再增加的趨勢，在6min時出現(xiàn)最大值，說明時間延長有助于檸檬酸萃取花生莖中的糖類物質(zhì)。NSP的百分含量和綜合評分都是先增加后下降的趨勢，二者的最大值出現(xiàn)在3min，而不是出現(xiàn)在6min?？赡茉蚴?，加熱時間延長，雖然SDF溶出的多一些，但是在長時間的加熱狀態(tài)下，SDF會發(fā)生小部分水解，使得SDF樣品中的NSP含量降低。選擇2.5、3、3.5、4min作為正交試驗微波反應(yīng)時間范圍。

2.1.3 微波功率對SDF提取的影響

10g的經(jīng)過預(yù)處理的花生莖粉加入3%的檸檬酸溶液浸泡，料液比為1:12，浸泡50min后，分別采用微波功率500、600、700、800、900、1000W，微波時間3min、微波溫度80℃條件下，研究微波功率對SDF提取的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 微波功率對SDF提取的影響Fig.3 Effect of microwave power on the extraction of SDF

由圖3可知，在500～1000W微波功率范圍內(nèi)，SDF的得率變化不大，在600W時，SDF得率有最大值。NSP百分含量和綜合評分在此微波功率范圍內(nèi)，先增加后下降，二者均在800W時出現(xiàn)最大值。選擇600、700、800、900W為正交試驗水平范圍。

2.1.4 微波溫度對SDF提取的影響

圖4 微波溫度對SDF提取的影響Fig.4 Effect of microwave treatment temperature on the extraction of SDF

10g的經(jīng)過預(yù)處理的花生莖粉加入3%的檸檬酸溶液浸泡，料液比為1:12，浸泡50min后，分別采用微波溫度50、60、70、80、90、100℃，微波時間3min、微波功率800W條件下，研究微波溫度對SDF提取的影響，結(jié)果見圖4。

微波萃取溫度對SDF的萃取有一定的影響，萃取溫度低則萃取不完全，萃取溫度過高又會導(dǎo)致SDF的分解。由圖4可知，在50～100℃微波萃取溫度范圍內(nèi)(除了80℃外)隨著加熱溫度的升高SDF得率逐漸增大，在100℃取得最大值。而NSP百分含量和綜合評分隨著加熱溫度升高呈現(xiàn)先增加后下降趨勢，在80℃取得最大值。在50、60、70℃加熱條件下，SDF得率和NSP百分含量都較低，這是因為在較低溫度并且加熱時間短的條件下SDF的萃取不完全。選擇75、80、85、90℃作為正交試驗水平范圍。

2.1.5 料液比的影響

10g的經(jīng)過預(yù)處理的花生莖粉加入3%的檸檬酸溶液浸泡，料液比分別為1:6、1:8、1:12、1:16、1:20、1:24(g/mL)，浸泡50min后，微波溫度80℃、微波時間3min、微波功率800W條件下，研究料液比對SDF提取的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 料液比對SDF提取的影響Fig.5 Effect of material-liquid ratio on the extraction rate of SDF

在料液比為1:4時溶劑量太少不易于操作，所以選擇1:6的料液比為單因素試驗的起始料液比。由圖5可以看出，SDF得率隨著料液比的增加先下降后升高，這是因為料液比值大，則物料溶脹充分，當(dāng)微波加熱時，SDF等活性成分吸收微波能多，則溶出的就多。NSP百分含量和綜合評分隨著料液比的增加，呈現(xiàn)上升的趨勢。在料液比為1:12時出現(xiàn)最大值。但是，料液比過大會增加后續(xù)處理工藝的成本，綜合考慮經(jīng)濟方面的需要，選取1:10、1:12、1:14、1:16的料液比范圍作為正交試驗水平。

2.2 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以浸泡時間、微波時間、微波功率、微波溫度和料液比5個因素進行正交試驗。根據(jù)正交試驗設(shè)計原則，采用L16(45)正交試驗方法對花生莖SDF最適提取條件進行研究，并對試驗結(jié)果分析，結(jié)果見表1。每次試驗做3次平行樣品，取其平均值。

表1 微波法提取SDF的L16(45)正交試驗設(shè)計及結(jié)果Table1 Design and results of orthogonal experiments for optimizing microwave-assisted extraction conditions of SDF

由表1可知，最優(yōu)工藝水平組合為A3B1C3D4E2，其綜合評分最高為63.82%。而根據(jù)極差的大小判斷，各因素作用的主次順序為A＞D＞E＞C＞B，即料液比＞微波時間＞微波溫度＞微波功率＞浸泡時間，最優(yōu)水平組合為A3B3C3D4E4。方差分析見表2。

表2 微波法提取SDF的方差分析Table2 Variance analysis of orthogonal experiments for optimizing microwave-assisted extraction conditions of SDF

從方差分析表2可以看出，料液比對SDF的提取影響差異極顯著，微波時間對SDF的提取影響差異顯著。即料液比對SDF的提取最重要，微波時間對SDF的提取次之，其他因素對SDF的提取影響較小。從各因素的F值大小可看出，各因素對SDF的提取影響的主次順序：料液比＞微波時間＞微波溫度＞微波功率＞浸泡時間，最優(yōu)水平組合為A3B3C3D4E4，這與用極差的判斷結(jié)果一致。由于表1中沒有A3B3C3D4E4組合，必須對其進行驗證性實驗。為了驗證正交試驗的正確性，避免偶然性，按正交試驗最佳水平進行了3次重復(fù)實驗，SDF得率6.0%、NSP含量94.68%、SDF的綜合評分達(dá)到65.12%，證明了實驗結(jié)果的可靠性。

3 結(jié) 論

經(jīng)過預(yù)處理的花生莖粉，通過單因素和正交試驗，確定出微波提取花生莖S D F的最佳工藝：浸泡時間55min、微波時間4min、微波功率800W、微波溫度90℃、料液比1:14(g/mL)。微波提取3次，提取液再經(jīng)乙醇沉淀、離心、干燥得到SDF產(chǎn)品。SDF得率6.0%、NSP含量94.68%、SDF的綜合評分為65.12%，該最佳組合重復(fù)性較好，此條件下制得的SDF產(chǎn)品為淺淺的黃色，沒有其他異味，有淡淡的糖香味?；ㄉo作為燃料很浪費，從花生莖中提取SDF，可將花生莖高值化利用，從而增加花生產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益。

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Optimization of Extraction Processing of Soluble Dietary Fiber from Peanut Stems by Microwave Technology

LI Hong-xia1,2，WANG Shi-qing1,*，YU Li-na2，YANG Qing-li2，LIU Zhi-qiang1，ZHANG Yue-ting1
(1. College of Food Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China；2. Shandong Peanut Research Institute, Qingdao 266100, China)

In this study, peanut stems were used as the raw materials to extract soluble dietary fiber (SDF) through microwaveassisted technology. The optimal microwave-assisted extraction processing conditions were explored by single factor and orthogonal experiments through evaluating the effects of soaking time, microwave treatment time, microwave power, microwave treatment temperature and material-liquid ratio on extraction rate of SDF from peanut stems. Results indicated that the optimal microwaveassisted extraction processing conditions were soaking time of 55 min, microwave treatment time of 4 min, microwave power of 800 W, microwave treatment temperature of 90 ℃ and solid-liquid ratio of 1:14. Under the optimal extraction conditions, the extraction rate of SDF was 6.0% and the content of non-starch polysaccharides (NSP) in SDF was 94.68%. The average comprehensive score of SDF was 65.12%. These studies can provide a theoretical reference for the extraction of SDF from peanuts stems.

peanut stem；microwave；soluble dietary fiber；extraction

TS255.1

A

1002-6630(2010)22-0221-05

2010-02-04

國家“863”計劃項目(2007AA10Z189；2006AA10A114)；“十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAD07A10)；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(nycytx-19)；國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(nyhyzx07-014)

李紅霞(1983—)，女，碩士研究生，研究方向為食品科學(xué)。E-mail：yanxia102500@126.com

*通信作者：王世清(1961—)，男，教授，博士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)(食)品貯藏與加工。E-mail：wangshiqing@126.com