芋荷梗水不溶性膳食纖維提取工藝優(yōu)化

朱苗，李青山，冉會(huì)蘭，劉艷，劉慶慶，李剛鳳*

銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院（銅仁 554300）

膳食纖維被譽(yù)為“第七大營(yíng)養(yǎng)素”，可以平衡膳食結(jié)構(gòu)。根據(jù)水溶性的不同，膳食纖維可以分為水溶性膳食纖維（SDF）與水不溶性膳食纖維（IDF）[1]。有研究證明，膳食纖維具有多種功能特性，如促進(jìn)胃腸道蠕動(dòng)、心血管疾病、預(yù)防肥胖、降血糖、降血脂、降血壓等，對(duì)人體健康具有顯著益處[2-5]。

芋荷梗為芋頭的葉柄，含有葉綠素、氨基酸、維生素C及優(yōu)質(zhì)膳食纖維[6-7]，但并未得到很好利用，大量芋荷梗不僅會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問題，也會(huì)造成大量資源浪費(fèi)。因此，探索芋荷梗的有效加工利用，對(duì)于延長(zhǎng)芋頭產(chǎn)業(yè)鏈、提高產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。因此，以芋荷梗為原料，采用化學(xué)提取技術(shù)提取芋荷梗中IDF，采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)其功能性質(zhì)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果為芋荷梗高值化利用提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

芋荷梗（市售）。氫氧化鈉、無(wú)水乙醇、鹽酸、過氧化氫（均為分析純）。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

DHG-9070A電熱鼓風(fēng)干燥箱（常州普天儀器制造有限公司）；YS-001型破壁料理機(jī)（中山市美生電器有限公司）；MAX-C30002型電子天平（深圳市無(wú)限量衡器有限公司）；HH-8型恒溫水浴鍋（金壇市新航儀器廠）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 芋荷梗的膳食纖維制備工藝流程

芋荷?！逑础テぁ鷫核椤娓伞鷼溲趸c溶液處理→過濾→鹽酸處理→過氧化氫溶液處理→過濾→洗滌→烘干→成品

1.3.2 芋荷梗膳食纖維提取單因素試驗(yàn)

選取不同堿濃度（3.0，6.0，9.0，12.0和15.0 g/L）、不同料液比（1︰5，1︰8，1︰10，1︰15和1︰20 g/mL）、不同提取溫度（45，50，55，60和65℃）和不同提取時(shí)間（20，25，30，35和40 min），以芋荷梗不溶性膳食纖維提取率為指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

1.3.3 正交試驗(yàn)

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化芋荷梗膳食纖維提取工藝。根據(jù)單因素試驗(yàn)，運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇堿濃度、料液比、提取溫度、提取時(shí)間4個(gè)因素，采用四因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)（見表1），進(jìn)行優(yōu)化芋荷梗膳食纖維的提取工藝。

表1 芋荷梗膳食纖維正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4 芋荷梗膳食纖維的功能性測(cè)定

芋荷梗膳食纖維的功能性采用持水力與溶脹性評(píng)價(jià)。

1.4.1 持水力的測(cè)定[8-9]

稱取1 g所得的芋荷梗膳食纖維粉末，放入燒杯中，加入100 mL蒸餾水，攪拌搖勻，室溫下放置24h。將吸水飽和的膳食纖維進(jìn)行過濾，把含水分的膳食纖維稱質(zhì)量，按式（1）計(jì)算持水力。

1.4.2 溶脹性的測(cè)定[10-12]

稱取0.5 g所得的芋荷梗膳食纖維粉末置于量筒中，加入100 mL水，搖勻，室溫下靜置24 h，讀取量筒中膳食纖維膨脹后的體積數(shù)，將膨脹后的體積除去粉末樣品質(zhì)量。按式（2）計(jì)算溶脹性。

2 結(jié)果與分析

2.1 堿濃度對(duì)芋荷梗膳食纖維提取的影響

由圖1可知，隨著堿濃度增加，其對(duì)芋荷梗膳食纖維提取的影響呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，是因?yàn)閴A濃度過低時(shí)芋荷梗水解不完全，膳食纖維提取率低，堿濃度增加后膳食纖維組織被破壞生成小分子的多糖，提取率下降[13-14]。堿濃度6.0 g/L時(shí)膳食纖維提取率最大，為43%，所以綜合考慮，選擇堿濃度6.0 g/L為佳。

圖1 堿濃度對(duì)芋荷梗膳食纖維提取的影響

2.2 料液比對(duì)芋荷梗膳食纖維提取的影響

由圖2可知，隨著料液比增加，芋荷梗膳食纖維提取率先增加后降低。料液比小于1︰10（g/mL）時(shí)，物料與水的接觸面隨之增加，芋荷梗膳食纖維的溶解速度和溶解量也增加，提取率上升[15-16]。堿液比大于1︰10（g/mL）時(shí)，芋荷梗膳食纖維底物與酶充分反應(yīng)發(fā)生水解，提取率下降[17-18]。料液比1︰10（g/mL）時(shí)，膳食纖維提取率最大，為53%，所以綜合考慮，選擇料液比1︰10（g/mL）為佳。

2.3 提取溫度對(duì)芋荷梗膳食纖維提取的影響

由圖3可見，隨著提取溫度增加，芋荷梗膳食纖維提取率先增加后減少，這是因?yàn)闇囟冗^高，會(huì)導(dǎo)致芋荷梗膳食纖維發(fā)生水解，且芋荷梗膳食纖維內(nèi)分子間不穩(wěn)定化學(xué)鍵容易發(fā)生斷裂，從而提取率下降[19-21]。提取溫度50 ℃時(shí)膳食纖維提取率最大，為56%，所以綜合考慮，選擇提取溫度50 ℃為佳。

圖2 料液比對(duì)芋荷梗膳食纖維提取的影響

圖3 提取溫度對(duì)芋荷梗膳食纖維提取的影響

2.4 提取時(shí)間對(duì)芋荷梗膳食纖維提取的影響

由圖4可見，隨著提取時(shí)間增加，芋荷梗膳食纖維提取率先增加后減少，這是因?yàn)橛蠛晒Ｉ攀忱w維中存在一些溶于堿或堿性溶液的物質(zhì)，隨著提取時(shí)間增加，這些物質(zhì)發(fā)生水解或者溶解，導(dǎo)致提取率下降[22]。提取時(shí)間30 min時(shí)膳食纖維提取率最大，為58%，所以綜合考慮，選擇提取時(shí)間30 min為佳。

圖4 提取時(shí)間對(duì)芋荷梗膳食纖維提取的影響

2.5 正交試驗(yàn)優(yōu)化芋荷梗膳食纖維提取的最佳條件

根據(jù)單因素試驗(yàn)對(duì)于芋荷梗膳食纖維提取的影響，分別選擇堿濃度（A）、料液比（B）、提取溫度（C）、提取時(shí)間（D）4個(gè)因素的3個(gè)水平，采用L9(34)正交設(shè)計(jì)對(duì)芋荷梗膳食纖維提取的條件進(jìn)行優(yōu)化，確定提取最佳工藝條件。正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2可以看出，影響芋荷梗膳食纖維提取的各因素主次關(guān)系順序?yàn)閴A濃度（A）＞料液比（B）＞提取時(shí)間（D）＞提取時(shí)溫度（C），堿濃度影響最大，提取溫度影響最小，所以最佳工藝組合為A2B2C3D3，即堿濃度6.0 g/L、料液比1︰10（g/mL）、提取溫度50℃和提取時(shí)間30 min時(shí)膳食纖維提取率最大。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.6 芋荷梗膳食纖維的功能性測(cè)定

經(jīng)計(jì)算，芋荷梗膳食纖維的持水力為4.01 g/g，溶脹性為8.0 mL/g。

3 結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)結(jié)果得出影響芋荷梗膳食纖維提取的因素順序：堿濃度（A）＞料液比（B）＞提取時(shí)間（D）＞提取溫度（C），堿濃度影響最大，提取溫度影響最小。最佳提取工藝為堿濃度6.0 g/L、料液比1︰10（g/mL）、提取溫度50 ℃和提取時(shí)間30 min。此時(shí)，膳食纖維提取率最大，持水力為4.01 g/g，溶脹性為8.0 mL/g。