不同提取工藝對殘次裂棗膳食纖維品質(zhì)的影響

梁志宏，尹蓉，張倩茹，茹慧玲，呂英忠

(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 果樹研究所，山西 太谷 030815)

棗為鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(Ziziphus Mill.)植物棗樹的成熟果實(shí)(Ziziphus Jujuba Mill.)，一直以來都是藥食同源的本木糧食，總糖、氨基酸、維生素、礦質(zhì)元素等營養(yǎng)成分很高，還含有黃酮、酚、環(huán)磷酸腺苷、多糖、膳食纖維等許多功能性成分，具有增強(qiáng)機(jī)體免疫力、抗氧化衰老、抑制腫瘤、防治心血管疾病等功效[1～3]，既可直接作為功能食品食用也可作為提取功能性食品的原料。

膳食纖維(dietary fiber，DF)是指不能被小腸吸收但具有健康意義的、植物中天然存在或通過提取/合成的、聚合度DP≥3的碳水化合物聚合物。包括纖維素、半纖維素、果膠及其它單體成分等[4]。按照其在水中的溶解性可將膳食纖維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，可溶性膳食纖維主要包括細(xì)胞壁內(nèi)的儲存物質(zhì)和分泌物及合成類多糖等[5]，不溶性膳食纖維主要是植物的細(xì)胞壁成分，包括木質(zhì)素、纖維素和部分半纖維素等。眾多研究表明：膳食纖維具有增加飽腹感、促排便、增加排毒、減緩血糖上升、維持腸粘膜的完整性、維持腸道有益菌動態(tài)平衡等作用，可以起到減肥、降糖、抗腫瘤、降壓、降低膽固醇[6～13]等功效，這些生理功能的發(fā)揮與可溶性膳食纖維的含量及其理化性質(zhì)密切相關(guān)。目前膳食纖維的制備方法主要包括化學(xué)法、酶解法、生物發(fā)酵法和混合法等[14]。

山西省地處黃土高原東翼，是我國棗主產(chǎn)區(qū)之一，但因成熟時(shí)雨水眾多，部分棗品種裂果現(xiàn)象嚴(yán)重，且很快就會發(fā)霉腐爛，失去經(jīng)濟(jì)價(jià)值；另外，在棗干制過程中也會出現(xiàn)大量殘次棗，這些棗或被扔掉或拿來作為動物飼料，浪費(fèi)嚴(yán)重。殘次裂棗中含有豐富的膳食纖維，可以作為提取膳食纖維的原料加以利用。以殘次裂棗為原料的研究僅見黃雪姣等[15]以哈密大棗殘次果為原料，采用酶重量法優(yōu)化IDF提取工藝，但并未對制備的膳食纖維品質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步分析研究；目前對棗膳食纖維的研究多集中在以棗渣為原料，針對不同制備工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化[16～18]和脫色工藝研究[19]等方面，對采用不同提取方法制備的膳食纖維進(jìn)行品質(zhì)分析的研究未見報(bào)道。本文以殘次裂棗為原料，分別采用化學(xué)法、酶解法和發(fā)酵法制備SDF和IDF，并對得到的SDF和IDF進(jìn)行理化特性、功能特性和抗氧化活性分析比較，旨在為棗膳食纖維研究提供理論依據(jù)，并為棗膳食纖維的開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

棗粉：殘次裂棗切片，60 ℃烘箱干燥后粉碎過40目篩；菌種：保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌與植物乳桿菌1∶1∶1比例混合；纖維素酶、木聚糖酶、糖化酶。

氫氧化鈉、無水乙醇、鹽酸、硫酸、氯化鈉、葡萄糖、3,5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、結(jié)晶酚、亞硫酸鈉、鄰苯二甲醛、冰醋酸、濃硫酸、亞硝酸鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、醋酸鈉、鄰苯二甲醛、糠醛、鹽酸萘乙二胺、對氨基苯磺酸、鄰苯三酚、DPPH、氯化鐵、三氯乙酸、水楊酸、硫酸亞鐵、鐵氰化鉀：以上試劑均為分析純；膽固醇、葡萄糖、亞硝酸鈉：均為標(biāo)品。

1.2 儀器與設(shè)備

LRH-70型生化培養(yǎng)箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；TGL20 M-Ⅱ型離心機(jī)：湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司；WFZ UV-2102C型紫外可見分光光度計(jì)：尤尼柯(上海)儀器有限公司；ZWY-103B型恒溫培養(yǎng)振蕩器：上海智城分析儀器制造有限公司；DHG-9240S電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：寧波樂電儀器制造有限公司；RT-02B型高速粉碎機(jī)：常州德杜精密儀器有限公司；DZF-1B電熱恒溫真空干燥箱：上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 提取方法

(1)化學(xué)提取法 工藝流程：

棗粉→脫糖→干燥→NaOH堿解→離心→濾液→醇沉→離心→濾渣→洗滌→干燥→粉碎→濾渣→洗滌→干燥→粉碎→IDF→SDF

操作要點(diǎn)：料液比1∶10，85%乙醇脫糖，干燥過60目篩；NaOH質(zhì)量濃度2%，料液比1∶15，在 60 ℃條件下水浴 40 min 后取出，離心機(jī)中4 000 r·min-1離心20 min，得到濾液和濾渣，濾渣50～60 ℃烘箱中烘干，粉碎過80目篩得IDF；濾液60 ℃條件下真空濃縮至原體積的1/2～1/3，加入 3～4 倍體積95%乙醇醇沉6 h，于60 ℃烘箱中烘干，粉碎過80目篩后得SDF。

(2)酶解提取法 工藝流程：

棗粉→脫糖→干燥→酶解→滅酶→離心→濾液→醇沉→離心→濾渣→干燥→粉碎→SDF→濾渣→干燥→粉碎→IDF

操作要點(diǎn)：料液比1∶20，纖維素酶添加量 0.5%、木聚糖酶添加量 0.3%、糖化酶添加量0.3%，pH 4.8條件下50 ℃酶解 110 min。其它操作同化學(xué)法。

(3)發(fā)酵提取法 工藝流程：

棗粉→脫糖→干燥→滅菌→接種→發(fā)酵→滅活→離心→濾液→醇沉→離心→干燥→粉碎→濾渣→干燥→粉碎→IDF→SDF

操作要點(diǎn)：料液比1∶10，加入2%的脫脂奶粉和1%白砂糖混勻后滅菌，迅速冷卻后接入5%混合菌劑(保加利亞乳酸桿菌∶嗜熱鏈球菌∶植物乳桿菌=1∶1∶1)，40 ℃下發(fā)酵15 h。其它操作同化學(xué)法。

1.3.2 理化性質(zhì)測定

持水力的測定：參照陶永霞等[16]方法

膨脹力的測定：參照廖紅梅等[20]方法

持油力的測定：參考侯麗娟等[21]方法略做修改。 取一定質(zhì)量的膳食纖維粉(IDF稱取1.00 g、SDF稱取0.50 g)放入干燥后的離心管中，加入20 mL花生油混勻，放置1 h后，4 000 r·min-1離心20 min，取出，傾去上層油液，稱重。持油力(g·g-1)等于樣品濕重減去樣品干重再除以樣品干重。

1.3.3 功能特性測定

陽離子交換能力的測定：參考張建利等[22]方法吸附葡萄糖能力測定:參考Peerajit等[23]方法略作改動。稱取0.30 g(m/g)樣品于50 mL離心管中，加入100 mmol·L-1的葡萄糖溶液30 mL(V/L)，搖勻后37 ℃恒溫振蕩器中振蕩6 h，4 000 r·min-1離心20 min，采用DNS法測定上清液中葡萄糖的濃度(C1/mmol·L-1)。以蒸餾水代替葡萄糖溶液為對應(yīng)樣品的空白組(C0/mmol·L-1)。葡萄糖吸附能力按照下式計(jì)算：葡萄糖吸附能力/(mmol·g-1)=(C0-C1)×V/m

吸附膽固醇能力測定:參考張華等[24]方法略有改動。取市售鮮雞蛋蛋黃加9倍蒸餾水充分?jǐn)嚧虺扇橐?。?zhǔn)確稱取膳食纖維樣品0.50 g(m/g)于50 mL離心管中，加入25 mL乳液攪勻，調(diào)節(jié)體系pH為2.0和7.0，置37 ℃恒溫振蕩器中振蕩120 min后，4 000 r·min-1離心15 min，吸取上清液0.1 mL，采用鄰苯二甲醛法在波長550 nm處比色測定上清液中膽固醇含量(m2/mg)，同時(shí)測定蛋黃乳液中膽固醇含量(m1/mg)。膽固醇的吸附量計(jì)算公式如下：膽固醇吸附能力(mg·g-1)=(m1-m2)/m

1.3.4 體外抗氧化能力測定

樣品液制備：取0.5 g膳食纖維樣品，加入50mL70%乙醇，70 ℃條件下浸提6 h，過濾后50 mL容量瓶定容。

DPPH·自由基清除能力的測定: 參照楊曉寬等[27]方法。

ABTS法測定總抗氧化能力：參照楊曉寬等[27]方法。

鐵離子還原能力測定:參照羅磊等[28]方法略有修改。量取1 mL不同質(zhì)量濃度的樣品溶液，加入0.2 mL 0.2 mol·L-1磷酸鹽緩沖液(pH 6.6)和0.5 m L質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的鐵氰化鉀溶液，混勻。對照組用 0.5 m L 蒸餾水代替 K3[Fe(CN)6]溶液，空白組用 1 mL 蒸餾水代替樣品溶液。以上3組同時(shí)在50 ℃水浴鍋中反應(yīng)20 min后取出冷卻，加入1.0 m L質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的三氯乙酸溶液搖勻，3 000 r·min-1離心10 min，取1.5 m L上清液，加入 0.2 mL 1% FeCl3和 3 mL 蒸餾水，搖勻靜置 5 min后在 700 nm 處測定吸光值。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 SPSS 23.0軟件進(jìn)行方差分析，并用Duncan，s新復(fù)極差法比較數(shù)據(jù)之間差異顯著性，圖表用Excel繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同提取工藝對殘次裂棗膳食纖維得率的影響

運(yùn)用化學(xué)法、酶解法和發(fā)酵法提取殘次裂棗中膳食纖維的得率見表1，由表1可以看出，殘次裂棗中膳食纖維的含量很高，采用發(fā)酵法提取率最高，總膳食纖維(TDF)得率達(dá)40.74%，最低的是化學(xué)法制備的TDF，得率為35.25%，有極高的提取價(jià)值；可溶性膳食纖維(SDF)得率最高的是酶解法，最低的是發(fā)酵法；不溶性膳食纖維(IDF)得率最高的是發(fā)酵法，最低的是化學(xué)法。3種方法提取的膳食纖維中，SDF所占比率約為1/3左右，是一種優(yōu)質(zhì)膳食纖維添加劑。

表1 不同提取方法對殘次裂棗膳食纖維得率的影響Table 1 Effects of different modification methods on the yields of dietary fiber

注：同列數(shù)據(jù)不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著，下同。

Note：Date with different lowercase letters within a column indicated significant difference at 0.05 level. The same below.

2.2 不同提取工藝對殘次裂棗膳食纖維理化性質(zhì)的影響

2.2.1 對IDF和TDF持水力的影響

從圖1可以看出，3種方法提取的TDF和IDF持水力都顯著高于棗粉(P<0.05)，且TDF大于IDF。TDF中持水力最高的是酶解法生產(chǎn)的膳食纖維，其次是化學(xué)法，發(fā)酵法生產(chǎn)的最低，3者之間差異顯著；IDF中持水力最大的是酶解法，其次是發(fā)酵法，化學(xué)法生產(chǎn)的最低，且3者之間差異顯著。

圖1 不同提取工藝對殘次裂棗膳食纖維持水力的影響Fig.1 Water holding capacity of dietary fibers from different extraction methods

2.2.2 對IDF和TDF膨脹力的影響

由圖2可見，所有處理的膨脹力都顯著高于棗粉，且TDF大于IDF。酶解法提取的 IDF 膨脹力最大，其次是發(fā)酵法，化學(xué)法最低，化學(xué)法與酶解法制備的IDF差異顯著(P<0.05)； 3種方法提取的TDF膨脹力由大到小排序依次是：酶解法>化學(xué)法>發(fā)酵法，酶解法與其它2種方法制備的TDF差異顯著，而化學(xué)法和發(fā)酵法提取的IDF差異不顯著(P>0.05)。

圖2 不同提取工藝對殘次裂棗膳食纖維膨脹力的影響Fig.2 Swelling power of dietary fibers from different extraction methods

2.2.3 對IDF和SDF持油力的影響

由圖3可見，所有IDF的持油力都略小于棗粉，但差異不顯著，SDF的持油力顯著高于棗粉和IDF(P<0.05)。IDF對花生油的吸附能力由大到小依次是：發(fā)酵法>酶解法>化學(xué)法，3者之間差異不顯著；SDF對花生油的吸附能力依次是酶解法>發(fā)酵法>化學(xué)法，酶解法與化學(xué)法之間差異顯著。

圖3 不同提取工藝對殘次裂棗膳食纖維持油力的影響Fig.3 Oil holding capacity of dietary fibers from different extraction methods

2.3 不同提取工藝對殘次裂棗膳食纖維功能特性的影響

2.3.1 對IDF和TDF陽離子交換能力的影響

由圖4可見，所有處理的陽離子交換能力都顯著高于棗粉，TDF略高于相對應(yīng)的IDF，但差異不顯著。3種提取方法制得的IDF和TDF的陽離子交換能力由大到小排序都是：酶解法>化學(xué)法>發(fā)酵法，酶解法與發(fā)酵法之間差異顯著。

圖4 不同提取工藝對殘次裂棗膳食纖維陽離子交換能力的影響Fig.4 Cation exchange capacity of dietary fibers from different extraction methods

2.3.2 對IDF和SDF葡萄糖吸附能力的影響

由圖5可見，SDF對葡萄糖的吸附能力顯著高于棗粉，IDF對葡萄糖的吸附能力略高于棗粉，酶解法IDF與棗粉之間差異顯著；SDF高于IDF，酶解法與化學(xué)法制備的SDF顯著高于IDF；3種提取工藝對SDF和IDF的吸附量由大到小依次為：酶解法>化學(xué)法>發(fā)酵法，各處理之間差異不顯著。

圖5 不同提取工藝對殘次裂棗膳食纖維葡萄糖吸附能力的影響Fig.5 Glucose adsorption capacity of dietary fibers from different extraction methods

2.3.3 對IDF和SDF膽固醇吸附能力的影響

由表2可見，所有處理在小腸環(huán)境下的吸附能力均大于胃環(huán)境條件下，IDF的膽固醇吸附能力顯著高于相對應(yīng)的SDF。pH2.0條件下，酶解IDF與發(fā)酵IDF膽固醇吸附能力顯著大于棗粉，pH7.0條件下，只有酶解IDF吸附能力顯著大于棗粉，表明棗粉對膽固醇有很好的吸附能力。3種工藝提取的SDF和IDF的膽固醇吸附能力都是酶解法最高，化學(xué)法最低；pH2.0條件下，除酶解和發(fā)酵提取的IDF外，其它各處理間差異顯著；pH7.0條件下，除酶解SDF和發(fā)酵IDF外，其它各處理間差異顯著。

表2 不同pH條件下不同處理工藝對IDF和SDF膽固醇吸附能力的影響Table 2 Effects of different extraction methods on cholesterol adsorption capacity of IDF and SDF under different pH conditions

圖6 不同pH條件下不同工藝處理對IDF和清除能力的影響Fig.6 Effects of different extraction methods on clearance capacity of IDF and SDF under different pH conditions

2.4 不同提取工藝對殘次裂棗IDF和SDF體外抗氧化能力的影響

2.4.1 DPPH·清除能力

由圖7可見，隨著膳食纖維質(zhì)量濃度的增加，其對DPPH·的清除能力逐漸增加，質(zhì)量濃度為5 g·L-1時(shí)，清除率可達(dá)20%左右。SDF的清除能力高于IDF，酶解法和發(fā)酵法制備的SDF顯著高于其它樣品，化學(xué)法制備的IDF顯著低于其它樣品；當(dāng)樣品質(zhì)量濃度達(dá)到5 g·L-1時(shí)，7份樣品由大到小依次排序?yàn)椋好附夥⊿DF>發(fā)酵法SDF>化學(xué)法SDF>棗粉>酶解法IDF>發(fā)酵法IDF>化學(xué)法IDF，其中酶解法SDF清除率達(dá)到23.24%，而化學(xué)法提取的IDF清除率只有16.01%。

圖7 不同工藝處理對IDF和SDF DPPH·清除能力的影響Fig.7 DPPH·scavenging ability of dietary fibers from different extraction methods

2.4.2 ABTS·清除能力Scavenging ability

由圖 8 可見，樣品對ABTS·的清除能力也與其溶液質(zhì)量濃度成正比，但清除率顯著大于DPPH·，當(dāng)樣品質(zhì)量濃度達(dá)到5 g·L-1時(shí)，酶解法制備的SDF清除率達(dá)到93.17%，清除能力由大到小依次是：酶解法SDF>發(fā)酵法SDF>棗粉>化學(xué)法SDF>酶解法IDF>發(fā)酵法IDF>化學(xué)法IDF，酶解法SDF與發(fā)酵法SDF差異不顯著，但與其它樣品差異顯著；化學(xué)法SDF和棗粉之間差異不顯著，但與酶解法IDF、發(fā)酵法IDF和化學(xué)法IDF之間差異顯著；酶解法IDF和發(fā)酵法IDF之間差異不顯著，但與化學(xué)法IDF差異顯著。清除能力最弱的依舊是化學(xué)法提取的IDF，當(dāng)樣品質(zhì)量濃度達(dá)到5 g·L-1時(shí)，只有40.85%。

圖8 不同工藝處理對IDF和SDF ABTS·清除能力的影響Fig.8 ABTS·scavenging ability of dietary fibers from different extraction methods

2.4.3 還原能力

吸光度值越高，還原能力越強(qiáng)，抗氧化活性越大。從圖 9可以看出，隨著質(zhì)量濃度的增加吸光度值變大，還原力由大到小排序與ABTS·清除能力一樣，差異顯著性與DPPH·清除能力相似。

3 討論

持水力與膨脹力是衡量膳食纖維品質(zhì)好壞的重要指標(biāo)，值越大表示分子比表面積越大，結(jié)合水和油的能力越高，吸附性越強(qiáng)，生理活性越好。不同提取方式對SDF和IDF的理化性質(zhì)影響較大，通過比較可以看出，采用酶解法提取的IDF和TDF理化性質(zhì)最佳，而化學(xué)法提取的IDF持水力、膨脹力和持油力都最低?？赡苁菈A處理對棗纖維分子結(jié)構(gòu)破壞較大，而發(fā)酵法和酶解法生產(chǎn)過程較溫和，得到的膳食纖維具有更好的疏松多孔結(jié)構(gòu)，使水和油更容易包裹其中。酶解過程中，纖維多糖因氫鍵及糖苷鍵遭到破壞而被水解成可溶性小分子，顆粒比表面積增大，使更多的親水、親油基團(tuán)暴露出來，因此比其它2種方法提取的膳食纖維具有更好的持水、持油和膨脹能力。所有處理的TDF持水力、膨脹力和持油力都顯著高于IDF，說明SDF也具有很好的持水、膨脹和持油能力，但因其溶于水的特性，導(dǎo)致測定結(jié)果偏小。張瑜等[29]研究表明：酶解法和發(fā)酵法制備的刺梨果渣膳食纖維持水力、膨脹力和膽固醇吸附能力都高于化學(xué)法提取的TDF，本研究結(jié)果為化學(xué)法制備的TDF其持水力和膨脹力大于發(fā)酵法得到的TDF，此結(jié)果并不代表化學(xué)法制備的TDF理化性質(zhì)優(yōu)于發(fā)酵法，只是因?yàn)榛瘜W(xué)法TDF中SDF比率遠(yuǎn)高于發(fā)酵法，這也從另一個(gè)側(cè)面說明SDF具有更好的持水和膨脹能力。

人體中的很多疾病和氧化損傷有關(guān)，維持體內(nèi)適當(dāng)水平的抗氧化劑和自由基清除劑水平可以延長壽命和推遲衰老[34]。3種抗氧化體系測定結(jié)果基本相似，自由基清除能力高的樣品，還原力也高。棗粉具有較高的抗氧化能力與其中含有的酚類和黃酮類物質(zhì)有關(guān)，他們以游離態(tài)和結(jié)合態(tài)2種形式存在，起抗氧化作用的主要是游離態(tài)的酚類和黃酮類物質(zhì)。膳食纖維提取過程中，大部分酚類和黃酮類物質(zhì)隨SDF一起被提取出來，而IDF中含量較少，故SDF的抗氧化能力遠(yuǎn)高于IDF；SDF的抗氧化能力高于棗粉，一是在酸堿和酶解條件下，可以使結(jié)合狀態(tài)的抗氧化成分部分游離出來，提高樣品抗氧化能力，二是SDF中的抗氧化成分的比率高于棗粉中的比率，故SDF有更高的抗氧化能力?；瘜W(xué)法提取的SDF抗氧化能力最弱，原因可能有2點(diǎn)：一是NaOH與SDF分子中能與自由基結(jié)合的部分離子中和生成鹽，使化學(xué)法生產(chǎn)的SDF較其它2種方法生產(chǎn)的抗氧化能力降低；二是強(qiáng)堿條件下SDF的結(jié)構(gòu)受到一定破壞，使其電子提供能力減弱。

4 結(jié)論

本文分別對棗粉和化學(xué)法、酶法、發(fā)酵法制備的7種殘次裂棗膳食纖維的理化性質(zhì)、功能特性和抗氧化活性作了比較研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)3種方法制備的IDF和TDF比棗粉具有更加良好的持水力和膨脹力，TDF的持水力和膨脹力顯著高于IDF；IDF的持油力略低于棗粉，SDF的持油力顯著高于棗粉；3種提取方法中持水力、膨脹力和持油力最高的是酶解法生產(chǎn)的膳食纖維。

(3)SDF在DPPH·清除能力、ABTS·清除能力和還原能力方面都顯著高于IDF；酶解法和發(fā)酵法制備的SDF顯著高于棗粉和化學(xué)法制備的SDF，而化學(xué)法制備的SDF與棗粉之間差異不顯著;所有處理中抗氧化能力最好的是酶解法制備的SDF，而最弱的是化學(xué)法制備的IDF，在DPPH·清除能力、ABTS·清除能力和還原能力方面都顯著低于其它6個(gè)樣品。

(4)采用酶解法從殘次裂棗中提取膳食纖維，不僅提取率高、設(shè)備簡單、污染少，而且提取出的膳食纖維理化性質(zhì)、功能特性和抗氧化能力優(yōu)良，是生產(chǎn)高品質(zhì)膳食纖維的最佳方法。