油橄欖果渣膳食纖維堿法提取工藝優(yōu)化及其理化性質(zhì)研究

丁莎莎, 黃立新*, 張彩虹,2, 謝普軍, 張 瓊, 鄧葉俊

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所;生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實驗室;國家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實驗室;江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實驗室, 江蘇 南京 210042; 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所, 北京 100091)

油橄欖果渣膳食纖維堿法提取工藝優(yōu)化及其理化性質(zhì)研究

DING Shasha

丁莎莎1, 黃立新1*, 張彩虹1,2, 謝普軍1, 張 瓊1, 鄧葉俊1

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所;生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實驗室;國家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實驗室;江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實驗室, 江蘇 南京 210042; 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所, 北京 100091)

以油橄欖脫脂果渣為原料，采用堿法提取油橄欖果渣水溶性膳食纖維(SDF)和水不溶性膳食纖維(IDF)，并對其理化性質(zhì)進(jìn)行研究。在單因素試驗基礎(chǔ)上采用正交試驗優(yōu)化油橄欖果渣膳食纖維最佳提取工藝條件為： NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%、提取溫度80 ℃、提取時間80 min、液料比15 ∶1(mL ∶g)。在最佳提取工藝條件下，油橄欖果渣SDF產(chǎn)率為28.74%，IDF產(chǎn)率為52.39%。理化性質(zhì)研究結(jié)果表明：油橄欖果渣IDF的持水力、膨脹力和持油力分別為3.38 g/g、 2.20 mL/g、 1.91 g/g；油橄欖果渣SDF的持水力、膨脹力和持油力分別為5.05 g/g、 4.78 mL/g、 4.25 g/g。在透析90 min時，油橄欖果渣SDF、IDF和脫脂果渣的葡萄糖透析延遲指數(shù)分別為13.22%、 8.55%、4.38%。掃描電鏡觀察表明，制備的IDF結(jié)構(gòu)疏松，具有較大的空腔和裂縫，而SDF粒徑較小，呈堆積狀，具有較多的空腔。

油橄欖果渣；膳食纖維；堿法；提??；理化性質(zhì)

膳食纖維(DF)是指不能被人體小腸消化吸收，而在大腸中能被部分或全部發(fā)酵的可食用植物性來源的碳水化合物及其類似物的總和[1]。膳食纖維根據(jù)其在水中的溶解性，分為水溶性膳食纖維(SDF)和水不溶性膳食纖維(IDF)，SDF主要包括果膠、樹膠、低聚糖等親水膠體物質(zhì)和部分半纖維素等，IDF主要包括纖維素、部分半纖維素和木質(zhì)素等。膳食纖維具有促進(jìn)腸道蠕動，降血糖、降血脂、調(diào)節(jié)血壓以及預(yù)防腸胃疾病和心血管疾病等生理功能，對人體健康起著積極的作用[2-3]。目前，膳食纖維的提取方法主要有堿法、酸法、酶法和機(jī)械法等。堿法不僅可以堿解分離制備SDF和IDF，同時能夠水解蛋白質(zhì)、皂化脂肪等雜質(zhì)，獲得高純度的膳食纖維，已廣泛應(yīng)用在馬鈴薯、豆渣、茶渣和果渣等膳食纖維的提取中。張嚴(yán)磊等[4]以經(jīng)過脫脂、提取色素和多糖后的酸棗果渣為原料，采用堿法同時提取SDF和IDF，結(jié)果顯示堿法提取操作可行，產(chǎn)品具有良好的持水力和膨脹力。唐孝青等[5]采用堿法提取梨渣可溶性膳食纖維，其產(chǎn)品具有較強(qiáng)的抗氧化作用。油橄欖果渣是油橄欖榨油后產(chǎn)生的廢渣，其含有豐富的纖維素、半纖維素和果膠等成分，是優(yōu)良的膳食纖維原料。在油橄欖加工過程中，每噸油橄欖鮮果會產(chǎn)生約0.2噸的油橄欖果渣，而油橄欖果渣多被用作飼料、肥料或被直接丟棄，不僅造成資源的浪費(fèi)，同時污染環(huán)境[6-7]。有學(xué)者以油橄欖果渣為原料提取并分離山楂酸和齊墩果酸[8]，極大地提高了油橄欖果渣的綜合利用價值，但是有關(guān)油橄欖脫脂果渣制備膳食纖維的研究則尚未見報道。因此，本研究以油橄欖果渣為原料，在單因素試驗基礎(chǔ)上，采用正交試驗優(yōu)化堿法提取SDF和IDF的工藝條件，并測定其持水力、膨脹力、持油力和葡萄糖透析延遲指數(shù)等理化性質(zhì)，并用掃描電鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步綜合利用油橄欖果渣制備膳食纖維提供理論和試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

油橄欖果渣，由四川華歐油橄欖開發(fā)有限公司提供，為油橄欖鮮果榨油后的殘渣；氫氧化鈉、石油醚(沸程：30～60 ℃)、無水乙醇、葡萄糖、氯化鈉，均為分析純。

TG16-WS型臺式高速離心機(jī)；SHZ-D(III)型循環(huán)水式真空泵；T6新世紀(jì)型紫外分光光度計，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；PB-10型酸度計，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；3400-I型掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預(yù)處理 將油橄欖果渣置于80 ℃烘箱中干燥8 h，使含水量低于5%，粉碎，過篩，取粒徑0.300 mm的原料，置于索氏提取器中，用石油醚作為脫脂溶劑，回流脫脂8 h，得到脫脂油橄欖果渣。

1.2.2 膳食纖維的提取工藝流程 油橄欖果渣膳食纖維的提取工藝流程如下:

↓

1.2.3 膳食纖維的制備方法 取5 g干燥至質(zhì)量恒定的脫脂油橄欖果渣于燒杯中，在一定溫度、料液比下，加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)氫氧化鈉溶液，浸泡一段時間后， 4 000 r/min離心過濾5 min，得上清液和濾渣。將上清液減壓濃縮，加入4倍體積95%乙醇，醇沉過夜，沉淀用95%乙醇洗至中性， 50 ℃下真空干燥至質(zhì)量恒定，粉碎得SDF。將濾渣水洗至中性， 50 ℃下熱風(fēng)干燥至質(zhì)量恒定，粉碎得IDF。SDF和IDF的產(chǎn)率均以產(chǎn)品質(zhì)量占原料質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)計。

1.3 膳食纖維的理化性質(zhì)測定

1.3.1 持水力測定 精確稱取1.00 g干燥油橄欖果渣膳食纖維于50 mL離心管中，加入25 mL蒸餾水，充分?jǐn)嚢?h后，以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，棄去上層清液并用濾紙將離心管內(nèi)壁殘留的水分吸干，稱質(zhì)量，按式(1)計算持水力(RWHC)[9]：

RWHC=(m1-m)/m

(1)

式中：m—樣品干質(zhì)量，g；m1—樣品吸水后質(zhì)量，g。

1.3.2 膨脹力測定 準(zhǔn)確稱取0.50 g干燥油橄欖果渣膳食纖維，置于10 mL量筒中，輕微振蕩，保持表面平整，讀取膳食纖維干品體積，準(zhǔn)確移取10 mL蒸餾水加入其中，振蕩均勻后放置24 h，讀取膳食纖維體積，按式(2)計算膨脹力(RSC)[10]：

RSC=(V1-V0)/m

(2)

式中：m—樣品干質(zhì)量，g；V0—樣品干樣體積，mL；V1—樣品膨脹后體積, mL。

1.3.3 持油力測定 精確稱取1.00 g干燥油橄欖果渣膳食纖維于50 mL離心管中，加入20 g植物油，室溫靜置1 h，以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心20 min，去掉上層油并用濾紙將離心管內(nèi)殘留的植物油吸干，稱質(zhì)量，按式(3)計算持油力(ROHC)[11]:

ROHC=(m2-m)/m

(3)

式中：m—樣品干質(zhì)量，g；m2—樣品吸油后質(zhì)量，g。

1.3.4 葡萄糖透析延遲指數(shù)測定 測定方法參考文獻(xiàn)[12-13]，首先將樣品用體積分?jǐn)?shù)80%乙醇抽提多次去除可溶性糖，50 ℃干燥后稱取500 mg的樣品與15 mL 100 mmol/L葡萄糖溶液混合，連續(xù)攪拌1 h，轉(zhuǎn)移至長15 cm的透析袋(MW3 500)中，用15 mL 100 mmol/L的葡萄糖溶液做對照，將上述透析袋分別放入盛有400 mL蒸餾水燒杯中，在37 ℃恒溫水浴磁力攪拌1h，分別在30、60和90 min時測定透析液中葡萄糖含量。葡萄糖含量的測定采用DNS比色法，標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=0.430 36x-0.011 64,R2=0.998 6, 其中y為吸光值，x為葡萄糖含量。葡萄糖透析延遲指數(shù)(IGDR)按式(4)計算：

IGDR=(1-G2/G1)

×100%

(4)

式中：G1—對照杯中葡萄糖透析量，mg；G2—樣品杯中葡萄糖透析量，mg。

1.3.5 微觀形態(tài)觀察 樣品經(jīng)粘臺、噴金等步驟后直接于掃描電子顯微鏡下觀察。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與討論

2.1 堿法提取工藝對SDF和IDF產(chǎn)率的影響

2.1.1 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù) 在液料比15 ∶1(mL ∶g，下同)、提取溫度50 ℃和提取時間60 min的條件下，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對SDF和IDF產(chǎn)率的影響結(jié)果見圖1(a)。由圖1(a)可知，隨著堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，IDF產(chǎn)率逐漸降低，而SDF產(chǎn)率逐漸升高，當(dāng)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于8%時，IDF和SDF的產(chǎn)率趨于平穩(wěn)。這是因為堿液具有水解蛋白質(zhì)、皂化脂肪的作用，使得IDF中雜質(zhì)含量降低，純度提高，產(chǎn)率下降[14]。另一方面，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時，IDF中半纖維素部分溶解，使得IDF向SDF轉(zhuǎn)化，SDF產(chǎn)率增加[15]。

2.1.2 提取溫度 在堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%、液料比15 ∶1、提取時間60 min的條件下，提取溫度對SDF和IDF產(chǎn)率的影響結(jié)果見圖1(b)。由圖1(b)可知，隨著提取溫度的升高，IDF的產(chǎn)率逐漸降低，SDF的產(chǎn)率逐漸升高，當(dāng)提取溫度大于80 ℃時，IDF和SDF的產(chǎn)率趨于平穩(wěn)。這是因為溫度升高，有利于纖維素和半纖維素之間氫鍵的破壞，使IDF中半纖維素溶解加快，SDF產(chǎn)率增加[16-17]。然而，當(dāng)溫度大于 80 ℃后，堿解完全，膳食纖維的產(chǎn)率趨于穩(wěn)定。

2.1.3 液料比值 在堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%、提取溫度50 ℃、提取時間60 min的條件下，液料比值對SDF和IDF產(chǎn)率的影響結(jié)果見圖1(c)。由圖1(c)可知，隨著液料比的增加，膳食纖維的產(chǎn)率變化不大。液料比值為5～15時，SDF產(chǎn)率較高，當(dāng)液料比值大于15時，IDF和SDF的產(chǎn)率趨于穩(wěn)定。液料比的增加，會延長SDF濾液濃縮的時間和醇沉過程的乙醇消耗量[18]。故本試驗選用液料比15 ∶1進(jìn)行正交試驗。

2.1.4 提取時間 在堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%、液料比15 ∶1、提取溫度50 ℃的條件下，提取時間對SDF和IDF產(chǎn)率的影響結(jié)果見圖1(d)。由圖1(d)可知，隨著時間的增加，IDF產(chǎn)率不斷降低，SDF產(chǎn)率不斷升高，并在提取時間80 min以后趨于平穩(wěn)。這是因為提取時間較短時，原料中蛋白質(zhì)、色素等堿溶性物質(zhì)，以及半纖維素不能完全溶解在堿液中，使得IDF產(chǎn)率較高、SDF產(chǎn)率較低，而在提取時間80 min以后，堿解完全，IDF和SDF的產(chǎn)率趨于穩(wěn)定[19]。

圖1 不同反應(yīng)條件對IDF和SDF產(chǎn)率的影響Fig.1 Effects of different reaction conditions on the yield of IDF and SDF

2.2 正交試驗優(yōu)化及驗證試驗

膳食纖維的堿法提取工藝，是為了讓膳食纖維堿解完全，使膳食纖維中水不溶性成分向水溶性成分轉(zhuǎn)化完全，使得SDF的產(chǎn)率達(dá)到最大，因此正交試驗以SDF的產(chǎn)率為主要指標(biāo)[4]。在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，以提取溫度(A)、提取時間(B)、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(C)為影響因素，以SDF產(chǎn)率為指標(biāo)，進(jìn)行L9(34)正交試驗，試驗結(jié)果及方差分析見表1和表2。

表1 堿解提取油橄欖果渣SDF的正交試驗結(jié)果Table 1 Results of orthogonal test for alkali extraction of SDF

表2 正交試驗方差分析表Table 2 Variance analysis of the results of orthogonal test

由極差和方差分析的結(jié)果表明：因素作用的主次順序為提取溫度>堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>提取時間，提取溫度和堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對SDF產(chǎn)率的影響差異極顯著，起主要作用，而提取時間對SDF產(chǎn)率的影響不顯著。最佳工藝參數(shù)組合為A2B2C2，即提取溫度80 ℃、提取時間80 min、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%，在此最佳工藝條件下進(jìn)行3次重復(fù)驗證性實驗，IDF的產(chǎn)率分別為51.77%、52.99%和52.40%，其均值為52.39%，SDF的產(chǎn)率分別為28.79%、29.00%和28.42%，其均值為28.74%，在試驗范圍內(nèi)重現(xiàn)性良好，說明上述最佳工藝條件可行，結(jié)果可靠，能用于油橄欖果渣膳食纖維的提取。

2.3 理化性能分析

2.3.1 膳食纖維的基本特性 膳食纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)中具有羧基、羥基等親水基團(tuán)，能吸收相當(dāng)自身質(zhì)量數(shù)倍的水分，持水力和膨脹力是衡量膳食纖維品質(zhì)好壞的重要指標(biāo)。持水力和膨脹力越大，表示膳食纖維的比表面積和吸附性越好，其生理功能越好。由表3可知，IDF和SDF的持水力、膨脹力和持油力，均顯著高于脫脂果渣原料(p<0.05)，油橄欖果渣SDF的持水力和膨脹力與玉米皮SDF[20]和豆渣SDF[21]相當(dāng),油橄欖果渣IDF的持水力和膨脹力與茶渣IDF[22]和花生殼IDF[23]相當(dāng)。這表明油橄欖果渣經(jīng)過堿解作用制備的IDF和SDF已暴露出較多的親水基團(tuán)，具有較好的持水力、膨脹力和持油力，有利于其在人體改善腸道功能、緩解便秘、預(yù)防肥胖等方面發(fā)揮作用。

2.3.2 葡萄糖透析延遲指數(shù)分析 膳食纖維具有降低餐后血糖的功能，而葡萄糖透析延遲指數(shù)(GDRI)是一個有效反映葡萄糖在胃腸道被延遲吸收的體外指標(biāo)。 由表3可知，果渣IDF和脫脂果渣的GDRI值隨透析時間的增加而減小，透析90 min的GDRI值均小于透析30 min的GDRI值，這與黃冬云等[24]研究的米糠膳食纖維的GDRI值隨時間的變化趨勢一致，隨著透析時間的延長，膳食纖維對葡萄糖的吸附接近飽和，最終達(dá)到動態(tài)平衡。而果渣SDF的GDRI值隨著透析時間的延長而趨于穩(wěn)定,這可能與SDF的黏度有關(guān)。黃清霞[13]和程力[25]等認(rèn)為膳食纖維的水溶性成分含量越高、黏度越大，其葡萄糖的延遲擴(kuò)散能力越強(qiáng)。在透析 90 min 時，果渣SDF、IDF和脫脂果渣的GDRI值分別為13.22%、8.55%、4.38%。

表3 膳食纖維的理化性質(zhì)1)Table 3 Physicochemical characteristics of dietary fiber

1)不同字母表示差異顯著the means with different letters indicate significant differences(p<0.05)

2.3.3 微觀形態(tài)觀察 由掃描電鏡觀察到的脫脂果渣、果渣IDF和SDF的微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可以看出，脫脂果渣呈現(xiàn)較大顆粒狀，結(jié)構(gòu)致密，表面較為光滑。而提取后，產(chǎn)生的果渣IDF的表面結(jié)構(gòu)疏松多褶皺，有較多的空腔和裂縫，具有更大的比表面積。果渣SDF顆粒粒徑較小，呈堆積狀，具有較多的空腔。這表明提取時的堿解作用使得油橄欖果渣膳食纖維的微觀結(jié)構(gòu)和粒徑大小發(fā)生改變，暴露出更多的活性基團(tuán)，有助于增強(qiáng)持水和持油能力，并且其蓬松的結(jié)構(gòu)有助于吸附葡萄糖等物質(zhì)，具有更大的吸附容量。

圖2 脫脂果渣，IDF和SDF的掃描電鏡圖Fig.2 Microstructures of defatted pomace,IDF and SDF

3 結(jié) 論

3.1 以油橄欖脫脂果渣為原料，堿法提取油橄欖果渣水不溶性膳食纖維(IDF)和水溶性膳食纖維(SDF)，在單因素試驗基礎(chǔ)上，通過正交試驗優(yōu)化得到最佳制備工藝條件為：NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%、提取溫度80 ℃、提取時間80 min、液料比15 ∶1(mL ∶g)。在此條件下，油橄欖果渣SDF產(chǎn)率為28.74%，IDF產(chǎn)率為52.39%。

3.2 提取得到的IDF的持水力、膨脹力和持油力分別為3.38 g/g、 2.20 mL/g、 1.91 g/g，SDF的持水力、膨脹力和持油力分別為5.05 g/g、 4.78 mL/g、 4.25 g/g。在透析90 min時，油橄欖果渣SDF、IDF和脫脂果渣的葡萄糖透析延遲指數(shù)分別為13.22%、 8.55%、 4.38%。

3.3 掃描電鏡觀察表明，堿解作用使得油橄欖果渣的微觀結(jié)構(gòu)和粒徑大小發(fā)生改變，IDF結(jié)構(gòu)疏松，有較多的空腔和裂縫，而SDF粒徑較小，呈堆積狀，具有較多的空腔。

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Optimization of Extraction Technology of Dietary Fiber from Olive Pomace and Its Physicochemical Characteristics

DING Shasha1， HUANG Lixin1， ZHANG Caihong1,2， XIE Pujun1， ZHANG Qiong1, DENG Yejun1

(1.Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF;National Engineering Lab.for Biomass Chemical Utilization;Key and Open Lab.of Forest Chemical Engineering,SFA;Key Lab.of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province,
Nanjing 210042, China; 2.Research Institute of Forestry New Technology,CAF, Beijing 100091, China)

Using olive pomace as the raw material, the alkali method was adopted to extract soluble dietary fiber (SDF) and insoluble dietary fiber (IDF), and its physicochemical properties were also studied. The extraction conditions of IDF and SDF were optimized through orthogonal test based on single factor test. The results showed that the optimum extraction conditions were concentration of NaOH 8%, the extraction temperature of 80 ℃, the extraction time 80 min, and liquid-solid ratio of 15 ∶1(mL ∶g). Under this conditions, the yields of SDF and IDF were 28.74% and 52.39%, respectively. The results ofphysicochemicalproperties showed that the water holding capacity，swelling capacity and oil holding capacity of IDF were 3.38 g/g, 2.20 mL/g, 1.91 g/g, respectively. The water holding capacity, swelling capacity and oil holding capacity of SDF were 5.05g/g, 4.78 mL/g and 4.25 g/g, respectively. The glucose dialysis retardation index of SDF, IDF and defatted pomace were 13.22%，8.55% and 4.38%, respectively, by the dialysis for 90 min. The results of scanning electron microscope showed that IDF had looser morphology and more cavities and cracks, and SDF had smaller particle size and more cavities after alkali extraction.

olive pomace;dietary fiber;alkali method;extraction;physicochemical properties

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.01.015

2016- 03-28

江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20151067)

丁莎莎(1993— )，女，河南南陽人，碩士生，研究方向為農(nóng)林產(chǎn)品深加工；E-mail：dingshasha0317@163.com

*通訊作者：黃立新，研究員，博士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域為天然產(chǎn)物提取分離純化及新型干燥技術(shù)；E-mail：l_x_huang@163.com。

TQ35

A

0253-2417(2017)01- 0116- 07

丁莎莎,黃立新,張彩虹，等.油橄欖果渣膳食纖維堿法提取工藝優(yōu)化及其理化性質(zhì)研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2017，37(1)：116-122.