柚皮膳食纖維微波輔助堿法提取工藝優(yōu)化及其功能特性研究

閆榮玲 - 廖 陽 毛龍毅 - 何福林 -

(1. 湖南科技學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，湖南 永州 425199；2. 湘南優(yōu)勢植物資源綜合利用省重點實驗室， 湖南 永州 425199；3. 湖南省銀杏工程技術(shù)中心，湖南 永州 425199)

柚子為蕓香科柑橘屬喬木，在中國廣泛分布。湖南省江永縣為柚子重要產(chǎn)區(qū)，所產(chǎn)“江永香柚”獲得了國家地理標(biāo)志證書。柚皮中富含揮發(fā)油、酚類、酮類、維生素以及膳食纖維等多種活性物質(zhì)，但實際生產(chǎn)生活中常作為廢棄物被舍棄而未得到充分利用[1]。膳食纖維(Dietary fiber，DF)根據(jù)其水溶性差異可分為可溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber，SDF)和不溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber，IDF)兩大類[2]。由于膳食纖維具有較高的持水力、有機物吸附力、腸道微生物菌群調(diào)節(jié)能力以及類似填充劑的容積作用，使其表現(xiàn)出抗氧化、促腸胃蠕動及改善腸道菌落平衡等保健作用[3-4]。利用江永香柚柚皮進(jìn)行膳食纖維的提取與開發(fā)是一條有效可行的途徑。

提取膳食纖維的主要方法有機械法、化學(xué)法以及生物酶法等，不同方法均各有其優(yōu)缺點，因此，針對特定原料，往往對摸索建立的各種方法進(jìn)行比較后再決定方法的取舍[5]。研究表明，化學(xué)法中的堿法在雜質(zhì)成分復(fù)雜的果渣、茶渣等原料的膳食纖維提取中效果良好，在提取過程中可以同時水解蛋白質(zhì)和皂化脂肪[6-7]；而機械法中常采用的微波，由于其顯著的穿透力與熱效應(yīng)，理論上可提高細(xì)胞壁的破碎程度和加快多糖的水解，有助于柚皮的膳食纖維提取[6,8]。目前，關(guān)于柚皮膳食纖維的報道十分少見，且未見堿與微波結(jié)合進(jìn)行柚皮膳食纖維提取工藝摸索的報道。由于不同產(chǎn)地、不同品種柚皮的成分組成、理化特征等可能存在差異。因此，摸索建立針對江永香柚果皮膳食纖維的提取工藝十分必要。

本研究以江永香柚果皮為原料，在單因素試驗基礎(chǔ)上，通過正交優(yōu)化微波輔助堿法提取柚皮SDF與IDF的工藝條件，并對所獲膳食纖維進(jìn)行理化性質(zhì)與抗氧化能力的測定，為江永香柚柚皮膳食纖維制備及其綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

香柚：新鮮成熟香柚購自湖南江永某香柚種植基地。

1.2 試驗儀器與試劑

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：WG-71型，西安精大檢測設(shè)備有限公司；

微波合成儀：XH-MC-1型，祥鵠科技有限公司；

電子天平：BSA124S型，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；

可見光分光光度計：722型，上海光學(xué)儀器一廠；

pH計：PHS-802型，貴陽學(xué)通儀器儀表公司；

循環(huán)水真空泵：SHZ-D型，鞏義市予華儀器責(zé)任有限公司；

索氏提取器：BSXT型，上海比朗儀器制造有限公司；

檸檬酸、氫氧化鈉、無水乙醇、葡萄糖、氯化鈉、甲醇、BHT(二丁基羥基甲苯)等：分析純，天津恒興化學(xué)試劑制造有限公司；

石油醚(30～60 ℃)、95%乙醇：天津恒興化學(xué)試劑制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 柚皮準(zhǔn)備 香柚洗凈后剝離得到柚皮，切碎、烘干、粉碎，過60目篩，置塑料密封袋中備用。

1.3.2 膳食纖維的提取及除雜 柚皮粉末置于索氏提取器中，加入石油醚，回流6 h，得到脫脂柚皮粉。稱取5.0 g干燥至恒重的脫脂柚皮粉于燒杯中，微波輔助堿法(堿可有效促進(jìn)蛋白水解與脂肪皂化)提取一定時間后，4 000 r/min離心5 min，分別得到上清液和濾渣。上清液減壓濃縮后，加入4倍體積95%乙醇過夜，沉淀用95%乙醇洗至中性，50 ℃條件下真空干燥至恒重，粉碎得SDF；對離心分離得到的濾渣，用蒸餾水洗至中性，50 ℃條件下真空干燥至恒重，粉碎得IDF。對所得SDF及IDF進(jìn)行稱重作為所得產(chǎn)品質(zhì)量，并按式(1)計算得率。

(1)

式中：

R——得率，%；

m——所稱產(chǎn)品質(zhì)量，g[9]。

1.3.3 單因素試驗及正交優(yōu)化 分別考察了料液比、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微波時間、微波功率4個因素對柚皮SDF與IDF得率的影響，各因素水平設(shè)置：料液比1∶3，1∶6，1∶10，1∶15，1∶20，1∶25 (g/mL)，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，4%，6%，8%，10%，15%，微波時間10，20，40，60，80，110 s；微波功率150，200，250，300，350，400 W。進(jìn)行某一單因素試驗時，其他因素固定且分別取料液比1∶15 (g/mL)、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%、微波時間60 s、微波功率300 W。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取各因素下3個較優(yōu)水平按照L9(34)正交優(yōu)化得到最佳工藝。

1.3.4 理化性質(zhì)分析

(1) 持水力測定：精確稱取1.0 g 所得膳食纖維于 50 mL 離心管中，加入25 mL 蒸餾水，充分?jǐn)嚢? h 后，以3 000 r/min 離心10 min，棄去上層清液，用濾紙將離心管內(nèi)壁殘留的水分吸干，稱重，并按式(2)計算持水力。

(2)

式中：

W——持水力，g/g；

m——樣品干質(zhì)量，g；

m1——樣品吸水后質(zhì)量，g[9-10]。

(2) 膨脹力測定：準(zhǔn)確稱取0.5 g所得膳食纖維，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(3)計算膨脹力。

(3)

式中：

S——膨脹力，mL/g；

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[9,11]。

(3) 持油力測定：精確稱取1.0 g所得膳食纖維于50 mL 離心管中，加入20 g 植物油，室溫靜置1 h，以3 000 r/min 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重，按式(4)計算持油力。

(4)

式中：

O——持油力，g/g；

m——樣品干質(zhì)量，g；

m2——樣品吸油后質(zhì)量，g[8]。

1.3.5 抗氧化性分析

(1) DPPH自由基清除能力：分別準(zhǔn)確稱取1，5，10，15，20 mg的SDF、IDF以及BHT(陽性對照)放入10 mL試管中，分別加入5.0 mL DPPH-甲醇溶液(6.0×10-5mol/L)，混合后在室溫條件下避光反應(yīng)25 min(在10，20 min時分別振蕩3 min)，然后8 000 r/min離心5 min，取上清液于517 nm 波長處測定吸光度As，同時以不加膳食纖維的DPPH-甲醇溶液為空白對照，測定其吸光度記為Ab。按式(5) 計算DPPH自由基清除率。

(5)

式中：

D——DPPH自由基清除率，%；

Ab——空白對照組吸光度值，g；

As——處理組吸光度值，g[12-13]。

(2) 對植物油過氧化值的影響：稱取150 g花生油置洗凈的三角瓶中，按0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在不同的三角瓶中加入SDF、IDF、BHT，攪拌均勻后移入60 ℃恒溫烘箱，分別在5，10，15，25，40 d按GB/T 5538—2005測定油樣過氧化值(POV)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗均重復(fù)3次，數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2003、SPSS 19.0以及Sigmaplot 10.0分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

料液比、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微波時間、微波功率均對柚皮膳食纖維得率有明顯影響。隨各因素所設(shè)試驗水平的增加，SDF得率均表現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，IDF得率則均表現(xiàn)為逐漸減少的趨勢(圖1)。雖各因素下二者各自得率總變化趨勢相似，但曲線特征不盡相同，如SDF得率隨料液比增加的變化曲線相對于微波功率更為平緩。IDF得率分別在料液比1∶10 (g/mL)，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%，微波功率300 W，微波時間60 s時達(dá)到最高。

SDF與IDF提取得率隨各因素的變化趨勢與人們在油橄欖果、酸棗渣上的研究結(jié)果類似[9,14]。料液比、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微波功率、微波時間在一定范圍內(nèi)分別通過提供溶劑介質(zhì)、促進(jìn)物質(zhì)降解、破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、供能升溫、促進(jìn)物質(zhì)釋放等效應(yīng)顯著影響著膳食纖維的提取；提取過程中，IDF中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等不溶性成分逐漸向SDF轉(zhuǎn)化，因此各因素下均存在此消彼長的變化規(guī)律，且堿解促進(jìn)了蛋白水解與脂肪皂化，從而減少二者的雜質(zhì)含量。

2.2 正交優(yōu)化及驗證實驗

基于單因素試驗結(jié)果，以優(yōu)先得到高SDF得率為前提，綜合考慮SDF得率與提取成本，確定了各因素下的不同水平選值取見表1。

以優(yōu)先得到高SDF得率為前提，正交確定最優(yōu)提取工藝。由表2可知，各因素對微波輔助堿法提取江永香柚柚皮膳食纖維的影響順序為A>B>C>D，最佳提取工藝組合為A2B2C3D1，即料液比1∶10 (g/mL)，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%，微波功率350 W，微波時間40 s。以均方最小的微波時間為誤差項進(jìn)行方差分析(表3)顯示，料液比、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對SDF得率影響顯著(P<0.05)，微波功率對SDF得率影響不顯著。驗證實驗(n=3)表明，在此最佳工藝條件下，SDF平均得率為(40.8±0.26)%，IDF的平均得率為(45.1±0.32)%。

圖1 各因素對江永香柚柚皮膳食纖維得率的影響Figure 1 Effect of various factors on the yield of dietary fiber from Jiangyong pomelo peel表1 各因素正交優(yōu)化試驗水平Table 1 Factors and levels of orthogonal optimization experiment

水平A料液比(g/mL)B堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%C微波功率/WD微波時間/s11︰662504021︰1083006031︰151035080

正交優(yōu)化試驗得到的提取工藝條件溫和、操作簡單、可行性強，SDF得率高于已有報道中未利用微波輔助的提取工藝[9,14-15]。

2.3 膳食纖維的理化性質(zhì)

由圖2可知，柚皮膳食纖維中SDF的持水力、膨脹力、持油力分別為5.3 g/g、5.1 mL/g、4.6 g/g；IDF的持水力、膨脹力、持油力分別為3.5 g/g、2.4 mL/g、2.1 g/g?？梢?，SDF與IDF的理化性質(zhì)良好，且SDF優(yōu)于IDF。與其他研究比較可知，柚皮膳食纖維的持水力、膨脹力、持油力與其他原料如玉米皮[9]、油橄欖果渣[16]、茶渣[17]等得到的膳食纖維相近或稍高。

表2 正交優(yōu)化試驗結(jié)果

表3 正交試驗結(jié)果方差分析?

?F0.05(2,2)=19。

圖2 江永香柚柚皮膳食纖維理化指標(biāo)值

Figure 2 Value of physicochemical indexes of dietary fiber from Jiangyong pomelo peel

由柚皮膳食纖維表現(xiàn)出的良好理化性質(zhì)，推測其應(yīng)該富含羧基、羥基等親水性基團(tuán)，且存在較大的比表面積和較多的空隙，從而表現(xiàn)出良好的吸水、納油、增大體積等特征[18]。因此，從二者上述理化指標(biāo)測定值可知，微波輔助堿法得到的柚皮膳食纖維品質(zhì)高，應(yīng)用潛質(zhì)明顯。

2.4 膳食纖維的抗氧化性

由圖3可知，在所設(shè)置濃度范圍內(nèi)，隨著SDF、IDF以及BHT三者濃度的增加，DPPH自由基清除率逐漸增加。低濃度時，三者的清除效果差異不明顯，但隨濃度增加，SDF與IDF的自由基清除率較BHT更有優(yōu)勢，尤其是在濃度達(dá)到2 mg/mL 后，SDF對自由基清除率顯著高于IDF與BHT(P<0.05)。雖然相對葵花籽殼提取得到的SDF在1.0 mg/mL 條件下即可達(dá)到86.67%的DPPH清除率來說，香柚柚皮膳食纖維的清除率較小，但清除效果已十分顯著[19]。

跟蹤測定加入膳食纖維油樣的過氧化值發(fā)現(xiàn)，隨著處理天數(shù)的增加，各不同處理油樣的POV均呈現(xiàn)增加趨勢，但與對照相比，添加SDF、IDF與BHT油樣的POV明顯較低，且隨著天數(shù)的增加差異越來越明顯。添加SDF、IDF與BHT的3組油樣之間也存在差異，POV值順序為SDF組IDF>BHT，與李新明等[20]在麥麩等膳食纖維上的發(fā)現(xiàn)類似。

圖3 江永香柚柚皮膳食纖維對DPPH自由基清除作用

Figure 3 Scavenging effect of dietary fiber from Jiangyong pomelo peel on DPPH free radical

圖4 江永香柚柚皮膳食纖維對花生油POV的影響Figure 4 Effect of dietary fiber from Jiangyong pomelo peel on POV of peanut oil

膳食纖維之所以表現(xiàn)出抗氧化性，是因為其含有多酚類、黃酮類、苷類等具有抗氧化活性的物質(zhì)，且抗氧化性能力的大小取決于抗氧化性物質(zhì)的組成、含量、形態(tài)以及存在形式等因素[18]。本研究中，SDF抗氧化性優(yōu)于IDF可能是由膳食纖維本身分子組成(如分子大小、單糖種類與比例等)差異，以及柚皮中抗氧化物質(zhì)主要是水溶性物質(zhì)等導(dǎo)致。

3 結(jié)論

本研究建立了江永香柚柚皮膳食纖維的微波輔助堿法提取工藝，最佳工藝條件為料液比1∶10 (g/mL)，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%，微波時間40 min，微波功率350 W，在此工藝條件下，SDF與IDF得率分別為40.8%與45.1%。得到的SDF與IDF均表現(xiàn)出良好理化特征，且SDF優(yōu)于IDF，其中SDF的持水力、膨脹力、持油力分別為5.3 g/g、5.1 mL/g、4.6g/g，IDF的持水力、膨脹力、持油力分別為3.5 g/g、2.4 mL/g、2.1 g/g。SDF與IDF均可以很好地清除DPPH自由基和降低油樣POV，表現(xiàn)出良好的抗氧化能力，在二者達(dá)到一定濃度后效果較BHT更佳，且SDF的抗氧化性能優(yōu)于IDF。結(jié)果表明，利用微波輔助堿法提取江永香柚柚皮膳食纖維，工藝簡單、高效、可行性強，得到的膳食纖維品質(zhì)及保健效果較好?？梢?，基于江永香柚廢棄果皮進(jìn)行植物性膳食纖維的開發(fā)潛力顯著，為江永香柚的資源利用以及在延長農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、減少環(huán)境污染等方面均有重要意義。

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