堿法提取刺梨果渣可溶性膳食纖維工藝研究

王麗，張想，李全力，李立郎，王瑜，葛麗娟，楊娟，楊小生*

(1.貴州省中國(guó)科學(xué)院天然產(chǎn)物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550014；2.貴州大學(xué) 釀酒與食品工程學(xué)院，貴陽 550025；3.桐梓縣官倉鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，貴州 遵義 563200)

膳食纖維(dietary fiber，DF)被稱為“第七營(yíng)養(yǎng)素”[1]，是一種不能被人體消化吸收的碳水化合物，被分為可溶性膳食纖維(soluble dieary fiber，SDF)和不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber， IDF)兩大類[2]，其中水溶性膳食纖維具有降低人體膽固醇水平、增強(qiáng)機(jī)體免疫力、抗氧化等生理功效，被廣泛應(yīng)用于烘焙食品、飲料、湯料、調(diào)味品及果凍制品的生產(chǎn)中[3]。

刺梨(RosaroxburghiiTratt.)又名茨梨、木梨子，為薔薇科多年生落葉叢生灌木繅絲花的果實(shí)[4]。刺梨果渣作為刺梨果生產(chǎn)加工所得的副產(chǎn)物，是一種很好的再利用原料，果渣中富含VC、粗蛋白、纖維素、黃酮等活性物質(zhì)[5]，是優(yōu)質(zhì)膳食纖維的良好來源。高膳食纖維產(chǎn)品是指SDF含量占比高于10%的產(chǎn)品，而刺梨果渣中SDF含量一般在2%左右，無法達(dá)到膳食平衡[6]。因此，需要對(duì)膳食纖維進(jìn)行提取處理，提高SDF含量，目前應(yīng)用于膳食纖維提取的方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法3種[7]?；瘜W(xué)法因提取工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)多應(yīng)用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)[8]。

本試驗(yàn)以刺梨果渣為原料，利用前期篩選出來的平菇作為發(fā)酵菌種，針對(duì)發(fā)酵后刺梨果渣進(jìn)行二次提取，利用堿液提取，控制氫氧化鈉濃度、溫度、時(shí)間和料液比4個(gè)因素，使連接膳食纖維的大分子物質(zhì)糖苷鍵斷裂，形成新的還原末端，致使部分IDF向SDF轉(zhuǎn)變[9]，提高SDF含量和生理活性。通過單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化提取刺梨果渣中SDF的最佳工藝條件，為刺梨果渣后續(xù)深加工和高效開發(fā)利用提供了參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗(yàn)原料為經(jīng)食用菌平菇發(fā)酵后的刺梨果渣(貴州省中國(guó)科學(xué)院天然產(chǎn)物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供)；花生油：市售；鹽酸、氫氧化鈉、硫酸、無水乙醇、醛等試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

FA2004N 分析天平 上海菁海儀器有限公司；101-2A 烘箱 天津市泰斯特儀器有限公司；BZF-50 真空干燥箱 常州諾基儀器有限公司；LDZV-75KBS 不銹鋼壓力蒸汽滅菌鍋 上海申安醫(yī)療器械廠；SW-CJ-2F 雙人雙面凈化工作臺(tái) 蘇州凈化設(shè)備有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

經(jīng)發(fā)酵后的刺梨果渣滅菌、烘干、去籽、粉碎、過篩(60目)，準(zhǔn)確稱取1.0 g果渣加入一定濃度的氫氧化鈉溶液為提取試劑，在一定的溫度和料液比條件下提取一定時(shí)間后過濾，用鹽酸調(diào)節(jié)pH至4.5以去除可溶性多糖等雜質(zhì)后抽濾。濾渣水洗至中性，烘干(60 ℃)至恒重，得到堿處理后刺梨果渣不溶性膳食纖維(IDF)；調(diào)節(jié)濾液pH至中性，濾液使用真空旋蒸(60 ℃，真空度為0.08 MPa)濃縮至原體積的1/5左右，醇沉(4倍體積95%乙醇溶液)過夜，6000 r/min離心20 min后棄掉上清液，沉淀烘干(60 ℃)至恒重，即提取后刺梨果渣可溶性膳食纖維(SDF)。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

1.3.2.1 料液比對(duì)提取效果的影響

選取料液比分別為1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40，堿液濃度為10 g/mL，反應(yīng)溫度為60 ℃，處理時(shí)間為70 min，以可溶性膳食纖維得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察堿液質(zhì)量濃度處理發(fā)酵刺梨果渣后對(duì)SDF得率的影響，每個(gè)水平重復(fù)試驗(yàn)3次。

1.3.2.2 堿液濃度對(duì)提取效果的影響

選取堿液濃度分別為6，8，10，12，14 g/L，料液比為1∶30，反應(yīng)溫度為60 ℃，處理時(shí)間為70 min，以可溶性膳食纖維得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察堿液質(zhì)量濃度處理發(fā)酵刺梨果渣后對(duì)SDF得率的影響，每個(gè)水平重復(fù)試驗(yàn)3次。

1.3.2.3 反應(yīng)溫度對(duì)提取效果的影響

選取反應(yīng)溫度分別為50，60，70，80，90 ℃，料液比為1∶30，堿液濃度為10 g/L，處理時(shí)間為70 min，以可溶性膳食纖維得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察反應(yīng)溫度發(fā)酵刺梨果渣后對(duì)SDF得率的影響，每個(gè)水平重復(fù)試驗(yàn)3次。

1.3.2.4 處理時(shí)間對(duì)提取效果的影響

選取處理時(shí)間分別為50，60，70，80，90 min，料液比為1∶30，堿液濃度為10 g/L，反應(yīng)溫度為60 ℃，以可溶性膳食纖維得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察處理時(shí)間發(fā)酵刺梨果渣后對(duì)SDF得率的影響，每個(gè)水平重復(fù)試驗(yàn)3次。

1.3.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以料液比、堿液濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間為4個(gè)因素，采用L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，因素水平表見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平

1.3.4 SDF得率的計(jì)算

SDF 得率/%= 刺梨果渣 SDF干重(g)/刺梨果渣干重(g)×100。

1.3.5 刺梨果渣膳食纖維膨脹率(SC)、持水性(WHC)、持油性(OHC)測(cè)定[10-11]

稱取1.000 g(m1)膳食纖維置于20 mL量筒中記錄體積(V1)，加入10.00 mL蒸餾水使樣品完全浸潤(rùn)，24 h后記錄膳食纖維膨脹增長(zhǎng)后的體積(V2)。

將水合后膳食纖維轉(zhuǎn)移至離心管內(nèi)，于10000 r/min 轉(zhuǎn)速下離心20 min，移去上清液后稱量含果渣質(zhì)量，記為m2。將以上步驟中蒸餾水換為食用油即可計(jì)算持油性。刺梨果渣各項(xiàng)功能指標(biāo)計(jì)算公式如下：

膨脹力/(mL/g)=(V2-V1)/m1。

持水性/持油性/(g/g)=(m2-m1)/m1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)以X±SD表示，應(yīng)用SPSS 21.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析，p<0.05 或p<0.01 為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 料液比對(duì)刺梨果渣SDF得率的影響

在氫氧化鈉濃度為10 g/L，反應(yīng)溫度為60 ℃，處理時(shí)間為70 min固定的條件下，料液比分別為1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40 (g/mL)時(shí)SDF得率的變化趨勢(shì)見圖1。

圖1 料液比對(duì)刺梨果渣SDF得率的影響的影響

由圖1可知，隨著料液比的比例逐漸增大，SDF得率先增大后減小，SDF得率在料液比為1∶30時(shí)達(dá)到最大值16.85%。原因可能是當(dāng)料液比較高時(shí)物料黏度大，導(dǎo)致過濾困難，增加了殘留物質(zhì)量且增加了能耗；當(dāng)料液比較低時(shí)果渣得不到充分反應(yīng)，不利于膳食纖維的溶出。因此，選用料液比為1∶30時(shí)最為合適，選擇1∶25、1∶30、1∶35為正交試驗(yàn)水平。

2.1.2 氫氧化鈉濃度對(duì)刺梨果渣SDF得率的影響

選取不同的氫氧化鈉濃度6，8，10，12，14 g/L，固定料液比為1∶30 (g/mL)、反應(yīng)溫度為60 ℃、處理時(shí)間為70 min，考察堿液質(zhì)量濃度處理刺梨果渣后對(duì)SDF得率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 氫氧化鈉濃度對(duì)刺梨果渣SDF得率的影響的影響

由圖2可知，隨著堿液濃度的增加，SDF得率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)堿液濃度為6～10 g/L時(shí)，反應(yīng)程度不是很劇烈，致使膳食纖維的提取反應(yīng)較緩慢；當(dāng)堿液濃度達(dá)到10 g/L時(shí)SDF得率為峰值；隨著堿液濃度繼續(xù)升高，反應(yīng)發(fā)生劇烈，強(qiáng)堿條件會(huì)破壞膳食纖維結(jié)構(gòu)[12]，導(dǎo)致SDF得率降低。因此堿液濃度在10 g/L時(shí)是提取刺梨果渣的最佳條件，綜合考慮，選擇8，10，12 g/L為正交試驗(yàn)水平。

2.1.3 提取溫度對(duì)刺梨果渣SDF得率的影響

在堿液濃度為10 g/L，料液比為1∶30 (g/mL)，處理時(shí)間為70 min固定的條件下，反應(yīng)溫度分別為40，50，60，70，80 ℃時(shí)SDF得率的變化趨勢(shì)。由圖3可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，分子熱運(yùn)動(dòng)可以加速膳食纖維分子的溶出[13]，刺梨果渣SDF得率緩慢增加，在60 ℃時(shí)SDF得率達(dá)到最大值，當(dāng)繼續(xù)升高溫度時(shí)，其得率反而下降，推測(cè)可能為SDF分子的耐熱性能比較差，提取溫度過高使得部分被降解損失，故SDF得率降低，因此最適提取溫度不宜超過60 ℃，選擇反應(yīng)溫度分別為50，60，70 ℃作為正交試驗(yàn)水平。

圖3 提取溫度對(duì)刺梨果渣SDF得率的影響的影響

2.1.4 提取時(shí)間對(duì)刺梨果渣SDF得率的影響

選取不同的處理時(shí)間分別為50，60，70，80，90 min，固定料液比為1∶30，反應(yīng)溫度為60 ℃，堿液濃度為10 g/L，考察不同的處理時(shí)間對(duì)刺梨果渣SDF得率影響，結(jié)果見圖4。

圖4 提取時(shí)間對(duì)刺梨果渣SDF得率的影響的影響

由圖4可知，在設(shè)置的反應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)，刺梨果渣SDF得率隨著反應(yīng)溫度的增加呈現(xiàn)逐步提高又逐漸下降的趨勢(shì)，在70 ℃時(shí)SDF得率達(dá)到最大值。造成這一現(xiàn)象可能是因?yàn)榻輹r(shí)間過長(zhǎng)，膳食纖維發(fā)生水解使得醇沉不完全，得率降低[14]。所以最佳處理時(shí)間為70 min，選取60，70，80 min作為正交試驗(yàn)水平。

2.2 正交試驗(yàn)

影響化學(xué)法提取刺梨果渣可溶性膳食纖維效果的主要因素是pH、料液比、反應(yīng)時(shí)間與溫度等。因此，本試驗(yàn)由單因素試驗(yàn)確定選擇范圍，確定各因素水平條件，以提取處理后可溶性膳食纖維的得率為考察指標(biāo)，選擇各因素3個(gè)較優(yōu)水平條件設(shè)計(jì)正交優(yōu)化試驗(yàn)，具體設(shè)計(jì)見表1，以此得出最佳提取工藝條件。試驗(yàn)結(jié)果及直觀分析見表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析表

由表2極差分析可知，影響刺梨果渣可溶性膳食纖維得率的主次順序?yàn)?B堿液濃度>C反應(yīng)溫度>A料液比>D處理時(shí)間；并得出制備刺梨果渣可溶性膳食纖維的最適工藝條件為A1B2C2D2，即料液比為1∶25，氫氧化鈉濃度為10 g/L，提取溫度為70 ℃，提取時(shí)間為70 min。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)所得的最優(yōu)工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，刺梨果渣可溶性膳食纖維的平均得率可達(dá)到17.36%±0.74%，可溶性膳食纖維產(chǎn)品呈光亮黃褐色，無特殊異味。

2.4 刺梨果渣可溶性膳食纖維的膨脹力、持水力和持油力

膳食纖維的膨脹力、持水力和持油力是衡量其保健功能的重要參考指標(biāo)[15]，膳食纖維的持水力高，則進(jìn)食后其排出物體積大、質(zhì)地軟，有利于防止便秘和結(jié)腸癌的發(fā)生[16]。

由表3可知，刺梨果渣可溶性膳食纖維的持水力高于果渣組(p<0.05)，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表3 刺梨果渣處理前后特性分析

3 結(jié)果與討論

在本研究中，以單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得到堿法化學(xué)提取刺梨果渣可溶性膳食纖維的最優(yōu)工藝條件為：料液比1∶25 (g/L)、氫氧化鈉濃度10 g/L、提取溫度70 ℃、提取時(shí)間70 min。該條件下可溶性膳食纖維得率為可達(dá)到17.36%±0.74%，膨脹力為(10.58±0.46) mL/g，持水力為(12.32±0.41) g/g，持油力為(4.18±0.24) g/g。膳食纖維在食品、飲料、營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑以及生物醫(yī)學(xué)方面具有潛在的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。膳食纖維在保健食品和食品添加劑等方面得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。同時(shí)刺梨果渣也是一種經(jīng)濟(jì)、來源方便的食品原料, 該提取方法操作簡(jiǎn)單、成本較低，為刺梨果渣的綜合利用提供了新的途徑，對(duì)其開發(fā)和綜合利用提供了理論參考。