橘皮殘?jiān)兴蝗苄陨攀忱w維提取工藝研究

蔡衛(wèi)超，周炳賢，江春立，丁文彪，卿萬梅，譚世語

（重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶400044）

膳食纖維（dietary fiber，DF）是指不能被人體內(nèi)源酶消化吸收的可食性植物細(xì)胞、多糖、木質(zhì)素以及相關(guān)物質(zhì)的總和。按其水溶性的不同又可將其分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）兩類。膳食纖維被稱為除水、蛋白質(zhì)和脂肪、碳水化合物以及礦物質(zhì)、維生素之外的“第七大營養(yǎng)素”，能有效減少和預(yù)防結(jié)腸炎、糖尿病、便秘、高血壓以及肥胖癥等疾病的發(fā)生，具有平衡人體營養(yǎng)、調(diào)節(jié)機(jī)體功能的突出保健功能而被人們所認(rèn)識[1]。

眾所周知，柑橘是世界第一大水果。柑橘皮內(nèi)含有豐富的纖維素成分，是膳食纖維的良好來源。目前，國內(nèi)柑橘被加工后的皮渣一般作為飼料、肥料或廢棄物處理，經(jīng)濟(jì)效益極低，而且不僅造成了極大的資源浪費(fèi)，還會對人類賴以生存的環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此對柑橘皮的開發(fā)利用具有廣闊的前景。近年來，對柑橘皮中水不溶性膳食纖維提取的相關(guān)報導(dǎo)越來越多，其中提取方法主要有化學(xué)法、酶法、酶-化學(xué)法、微波-化學(xué)法等[2-6]。但之前報道的研究幾乎都是直接以柑橘皮為原料，而本研究以提取橙皮苷和果膠后的橘皮殘?jiān)鼮樵?。由于果膠的提取采用酸提取方法，柑橘皮中的水溶性膳食纖維絕大部分都在此過程中被提取出來，剩余的橘皮殘?jiān)兄饕撬蝗苄陨攀忱w維。據(jù)此，本研究探討了采用化學(xué)方法提取膳食纖維的制備工藝條件，對實(shí)現(xiàn)柑橘皮渣的連續(xù)、綜合利用提供技術(shù)參考與支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

橘皮殘?jiān)?由湖南鑫利生物科技有限公司提供，經(jīng)甲醇提取橙皮苷、酸提取果膠后殘余；95%乙醇、鹽酸、氫氧化鈉、30%過氧化氫 均為分析純；耐高溫α-淀粉酶、中性蛋白酶、糖化酶；所用其他試劑 均為分析純。

HHS 4S電子恒溫不銹鋼水浴鍋 上海光地儀器設(shè)備有限公司；PHS-25 pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；DHG-9075A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵 鞏義市英峪儀器廠；FA2004B電子分析天平上海越平科學(xué)儀器有限公司；D971電動攪拌器 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；SRJX-2-9馬弗爐 廣州滬瑞明儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水不溶性膳食纖維的提取、脫色工藝流程 橘皮殘?jiān)鷼溲趸c浸泡→水洗至中性→鹽酸浸泡水解（pH=2）→水洗至中性→H2O2漂白→水洗至中性→78%乙醇洗1～2遍→干燥→水不溶性膳食纖維（IDF）。

1.2.2 操作要點(diǎn) 稱取10g（干基質(zhì)量）橘皮渣，在一定溫度、固液比下，加入一定濃度NaOH溶液，浸泡一段時間后，過濾，水洗至中性。然后在80℃下，加入pH=2的鹽酸溶液反應(yīng)1.5h[2，7-9]，過濾，水洗至中性。在一定溫度、pH下，加入一定濃度的H2O2漂白一段時間，過濾，78%乙醇洗1～2遍，干燥至恒重得IDF，測定IDF產(chǎn)率和提取率，計(jì)算公式如下：

1.2.2 分析測定方法

1.2.2.1 常規(guī)化學(xué)成分含量分析 水不溶性膳食纖維的含量測定：采用AOAC 991.43方法；水分含量測定：采用GB 5009.3-2010；蛋白質(zhì)含量測定：采用GB 5009.5-2010；脂肪含量測定：采用酸水解法測定；灰分含量測定：采用GB 5009.4-2010。

1.2.2.2 持水力測試[10]取樣品1.00g放入燒杯中，加入20℃水浸泡1h，濾紙濾干水分后，將其轉(zhuǎn)移到表面皿中稱重，計(jì)算持水力。做三組平行實(shí)驗(yàn)，求平均值。

1.2.2.3 溶脹性測試[10]稱取樣品1.00g，置于10m L量筒中，讀干品體積，然后加入5m L蒸餾水，搖勻，在室溫下放置24h，讀溶脹后纖維的體積，計(jì)算溶脹性。做三組平行實(shí)驗(yàn)，求平均值。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1.1 堿濃度對IDF產(chǎn)率的影響 在固液比1∶25（g/m L）、浸泡溫度60℃、浸泡時間1h條件下，分別采用0.05、0.25、0.45、0.65、0.85mo1/L的NaOH進(jìn)行堿解，比較濃度對IDF產(chǎn)率的影響。

1.3.1.2 固液比對IDF產(chǎn)率的影響 分別選取固液比為1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35g/m L，NaOH濃度為0.25mol/L，浸泡溫度為60℃，浸泡時間為1h提取IDF，比較固液比對IDF產(chǎn)率的影響。

1.3.1.3 堿浸泡溫度對IDF產(chǎn)率的影響 分別選取堿浸泡溫度為30、40、50、60、70℃，NaOH濃度為0.25mol/L，固液比為1∶25（g/m L），浸泡時間為1h提取IDF，比較固液比對IDF產(chǎn)率的影響。

1.3.1.4 堿浸泡時間對IDF產(chǎn)率的影響 分別選取浸泡時間為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5h，NaOH濃度為0.25mol/L，固液比為1∶25（g/m L），浸泡溫度為60℃提取IDF，比較固液比對IDF產(chǎn)率的影響。

1.3.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.2.1 堿浸泡正交實(shí)驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取堿濃度、固液比、堿浸泡溫度、堿浸泡時間4個因素，做L9（34）正交實(shí)驗(yàn)。因素水平見表1。

表1 堿浸泡正交實(shí)驗(yàn)水平表Table1 Factors and levels of orthogonal tests for alkalisoaking

1.3.2.2 IDF脫色正交實(shí)驗(yàn) 經(jīng)查閱資料，確定以H2O2為脫色劑。其作用機(jī)理是：H2O2+H2O=H3O++OOH-，其中OOH-具有強(qiáng)氧化性，從而使膳食纖維達(dá)到氧化脫色的目的。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)和查找資料確定影響脫色效果的主要因素為：雙氧水濃度、脫色溫度、脫色時間、pH等[10，11-13]，因此采用L9（34）正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)選，其因素水平見表2。

表2 IDF脫色正交實(shí)驗(yàn)水平表Table2 Factors and levels of orthogonal tests for IDF decoloration

2 結(jié)果與討論

2.1 堿浸泡條件對IDF產(chǎn)率的影響

圖1 NaOH濃度對IDF產(chǎn)率的影響Fig.1 Influence of NaOH concentration on the yield of IDF

2.1.1 堿濃度對IDF產(chǎn)率的影響 由圖1可知，橘皮殘?jiān)兴蝗苄陨攀忱w維的產(chǎn)率隨NaOH濃度的升高而增加，當(dāng)NaOH濃度為0.25mol/L時，產(chǎn)率達(dá)到最大，而后又急劇下降。因?yàn)镹aOH是堿解蛋白質(zhì)的重要試劑，濃度過低，堿解不充分[1]；當(dāng)濃度超過0.25mol/L，大部分纖維素會與NaOH發(fā)生反應(yīng)，生成堿纖維素，使纖維素的結(jié)構(gòu)性質(zhì)受到破壞，這對不溶性纖維的制備產(chǎn)生影響，同時增大廢液處理量[14]。

2.1.2 固液比對IDF產(chǎn)率的影響 由圖2可知，隨著固液比的增加不可溶性膳食纖維的產(chǎn)率現(xiàn)增加后減小，當(dāng)固液比為1∶20時產(chǎn)率最大。這因?yàn)殡S著固液比的增加殘?jiān)械陌肜w維素充分溶解，與固相渣分離，產(chǎn)率達(dá)到最大。之后固液比若再增加，就會有一部分水不溶性纖維素被水解成小分子多糖、低聚糖或者單糖，所以產(chǎn)率又降低[14-15]。

圖2 固液比對IDF產(chǎn)率的影響Fig.2 Influence of solid-liquid ratio on the yield of IDF

2.1.3 堿浸泡溫度對IDF產(chǎn)率的影響 由圖3可知，隨著溫度的增加IDF產(chǎn)率不斷上升，當(dāng)NaOH浸泡溫度在50℃時，IDF的產(chǎn)率達(dá)到較高值。因?yàn)闅溲趸c溶液隨著溫度升高，蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì)的溶解性提高，而半纖維素等物質(zhì)還沒有發(fā)生水解作用，因此產(chǎn)率也不斷提高。而當(dāng)溫度超過50℃時，由于溫度過高部分的半纖維素及部分的纖維素都發(fā)生了水解，導(dǎo)致了IDF提取率不斷下降[16]。

圖3 堿浸泡溫度對IDF產(chǎn)率的影響Fig.3 Influence of alkalisoaking temperature on the yield of IDF

2.1.4 堿浸泡時間對IDF產(chǎn)率的影響 由圖4可知，隨著浸泡時間的延長，橘皮殘?jiān)攀忱w維產(chǎn)率明顯增加，并在1.5h左右達(dá)到最大。當(dāng)浸泡時間超過1.5h后產(chǎn)率降低。這是因?yàn)?，?dāng)浸泡時間較短時，IDF沒有完全溶出，產(chǎn)率較低；而當(dāng)浸泡時間過長，部分生成的膳食纖維降解，聚合度降低，產(chǎn)率下降。因此，選擇時間為1.0～2.0h作為正交實(shí)驗(yàn)的因素水平范圍[16]。

圖4 堿浸泡時間對IDF產(chǎn)率的影響Fig.4 Influence of alkalisoaking time on the yield of IDF

2.1.5 堿浸泡正交實(shí)驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用正交實(shí)驗(yàn)，以IDF產(chǎn)率為指標(biāo)，考察堿濃度、固液比、堿浸泡時間和堿浸泡溫度對IDF產(chǎn)率的影響，確定提取的最佳工藝條件。IDF產(chǎn)率正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 堿提正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析Table3 Results of orthogonal test for alkalisoaking

由表3可以看出，影響橘皮殘?jiān)蠭DF產(chǎn)率的主次順序?yàn)椋篋＞B＞C＞A，即堿提溫度＞料液比＞堿提時間＞NaOH濃度。通過對k值的比較，可知A1B1C1D2為橘皮殘?jiān)胁蝗苄陨攀忱w維提取的最優(yōu)水平，通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在該條件下得到IDF產(chǎn)率為65.34%，高于表3中其他組合的產(chǎn)率。

2.2 膳食纖維脫色正交實(shí)驗(yàn)

以IDF產(chǎn)率以及產(chǎn)品顏色為指標(biāo)，考察H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH、脫色時間、脫色溫度對IDF產(chǎn)率的影響，確定提取的最佳工藝條件。IDF產(chǎn)率正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可知，影響橘皮殘?jiān)蠭DF產(chǎn)率的主次順序?yàn)椋篈＞B＞C＞D，即H2O2濃度＞pH＞脫色時間＞脫色溫度。通過對k值的比較，可知A1B3C2D1為橘皮殘?jiān)胁蝗苄陨攀忱w維提取的最優(yōu)水平。而且在該條件下進(jìn)行漂白后所得到的產(chǎn)品顏色為白色。

2.3 最佳工藝條件驗(yàn)證

根據(jù)堿浸泡及脫色正交實(shí)驗(yàn)得出的最佳工藝條件，按照1.2.1工藝流程進(jìn)行最佳工藝條件驗(yàn)證，結(jié)果如表5所示。

表4 IDF脫色正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析Table4 Results of orthogonal test for IDF decoloration

由表5可知，在最佳工藝條件下，IDF的平均產(chǎn)率達(dá)到65.98%，平均提取率達(dá)到92.86%。和于海蓮等[17]采用化學(xué)法提取橘皮中水不溶性膳食纖維最終提取率為61.79%相比，本研究IDF的提取率較高。

2.4 IDF功能性的測定

膳食纖維持水力與溶脹性的大小是衡量膳食纖維品質(zhì)好壞的兩個重要特征，持水力、溶脹性越大，膳食纖維達(dá)到生理活性就越好。按照1.2.2.2和1.2.2.3所述方法，測定最佳工藝條件下制得的IDF的持水力為8.48g/g，溶脹性為10.48m L/g。與于海蓮等[17]采用化學(xué)法提取的橙皮IDF相比，本實(shí)驗(yàn)所得到的IDF的持水力和溶脹性均相對較高。

3 結(jié)論

表5 最佳工藝驗(yàn)證結(jié)果Table5 The verification results of optimum process conditions

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提取果膠和橙皮苷后橘皮殘?jiān)兴蝗苄陨攀忱w維制備的堿浸泡最佳工藝條件為：NaOH濃度為0.25mol/L、固液比為1∶15g/m L、堿浸泡溫度為50℃、堿浸泡時間1.0h；IDF脫色最佳工藝條件為：H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、pH為9、脫色時間3h、脫色溫度為60℃。最終IDF的產(chǎn)率為65.98%，提取率為92.86%，持水力為8.48g/g，溶脹性為10.48m L/g。和之前有關(guān)柑橘屬果膳食纖維提取研究相比，本研究制備的IDF的產(chǎn)率和提取率均相對較高，產(chǎn)品的品質(zhì)相對較好，符合作為食品添加劑的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[18]，對實(shí)現(xiàn)橘皮渣二次利用具有一定的借鑒意義。

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