超聲預(yù)處理-檸檬酸輔助亞臨界水提取麥麩水溶性膳食纖維工藝優(yōu)化

陳婷婷，武利霞，肖高升，段玉清，張海暉，閆景坤,

(1.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.宿遷市匯味食品有限公司，江蘇宿遷 223900)

隨著人民生活水平的提高，人們的飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大的改變，肥胖癥、高血壓、結(jié)腸癌和糖尿病等“富貴病”發(fā)病率逐年上升，嚴(yán)重影響人們身體健康[1]。研究表明，膳食纖維的攝入量不足是造成“富貴病”的重要原因之一。水溶性膳食纖維(Soluble Dietary Fiber, SDF)作為膳食纖維的一種，具有預(yù)防便秘[2]、降低膽固醇[3-4]、調(diào)節(jié)血糖血脂代謝[5-6]和抗癌[7]等作用。并且SDF可以添加到面條[8-9]、餅干[10]和酸奶[11]等食品中，不僅有效改善了食品品質(zhì)和口感，也增加了食品的功能特性。

小麥作為我國主要糧食作物之一，每年加工的副產(chǎn)物小麥麩皮(以下簡稱“麥麩”)產(chǎn)量可達(dá)2000萬噸以上，約占小麥加工總量的20%，這些麥麩主要被用作低價值的動物飼料，造成了很大的資源浪費[12]。麥麩含有豐富的膳食纖維，是一種優(yōu)質(zhì)的SDF來源。目前，國內(nèi)外提取膳食纖維的方法主要有發(fā)酵法、酶法、化學(xué)法、膜分離法以及酶-化學(xué)結(jié)合法。但是這些方法存在著提取效率低、提取成本較高、提取過程繁瑣和污染環(huán)境等缺點[13-14]。因此，開發(fā)以麥麩為原料提取SDF的新型、綠色、高效工藝仍是食品加工領(lǐng)域的研究熱點。

亞臨界水提取(Subcritical Water Extraction，SWE)是一種新型的綠色的提取技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于生物活性物質(zhì)的提取，具有提取效率高、提取過程清潔且可以有效保護(hù)提取物不被破壞等優(yōu)點。超聲輔助提取技術(shù)通過超聲空化增大對細(xì)胞壁的破壞，從而提高提取效率[15]。此外，超聲處理與SWE相結(jié)合還可以有效地將部分不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化為SDF，提高SDF的溶解速率[16]。檸檬酸作為一種食用有機(jī)酸，無毒無害，可以加快SDF的溶出，且不會使多糖發(fā)生酸水解[17]。因此，本研究將超聲預(yù)處理、檸檬酸溶劑與SWE創(chuàng)新性地結(jié)合起來提取麥麩SDF，通過單因素實驗和響應(yīng)面優(yōu)化法，獲得最佳提取工藝參數(shù)，從而為麥麩的綜合開發(fā)利用和水溶性膳食纖維的綠色、高效制備提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

麥麩 宿遷市匯味食品有限公司提供；葡萄糖、濃硫酸、苯酚 均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；α-淀粉酶(≥5 U/mg)、木瓜蛋白酶(≥3 U/mg) 均購自美國Sigma-Aldrich公司；所有有機(jī)溶劑 均為國產(chǎn)分析純。

SECURA124-1CN型分析天平 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；DL-6-B型離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；UV-1601型紫外可見分光光度計 北京瑞利分析儀器公司；GSH型亞臨界水提取設(shè)備 鎮(zhèn)江丹徒環(huán)球機(jī)電配件廠；SCIENTZ-IID型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 麥麩的預(yù)處理 麥麩磨粉、過60目篩，采用索式抽提法脫脂，自然晾干，浸于蒸餾水中，加1%(質(zhì)量百分比)的α-淀粉酶，55 ℃水浴攪拌2 h，過濾，得濾渣；濾渣浸于蒸餾水中，加2%(質(zhì)量百分比)的木瓜蛋白酶，55 ℃水浴攪拌2 h，過濾，105 ℃滅酶0.5 h，50 ℃烘箱中烘干，冷卻，置于干燥器中，備用。

1.2.2 麥麩水溶性膳食纖維提取 精確稱取2.0 g麥麩粉，溶于pH為5.0的檸檬酸溶液，在30 ℃條件下，超聲預(yù)處理20 min。按照工藝研究中的不同參數(shù)設(shè)定超聲預(yù)處理-檸檬酸輔助亞臨界水提取條件進(jìn)行麥麩水溶性膳食纖維的提取。提取結(jié)束后立即用自來水冷卻，冷卻至室溫后離心(4000 g，20 min)，吸取上層清液測總糖含量，計算SDF的得率。

1.2.3 總糖含量的測定及SDF得率計算 采用苯酚-硫酸法[18]測定總糖含量，標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制：配制質(zhì)量濃度為20、40、60、80、100 μg/mL的葡萄糖溶液，分別取1 mL于試管中，加0.5 mL 5%苯酚溶液，2.5 mL濃硫酸，搖勻，冷卻至室溫，以蒸餾水做空白對照，在490 nm測其吸光度。繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線得出回歸方程：Y=6.2857x+0.0012，R2=0.993。精密吸取1 mL上層清液，按上述步驟測總糖。重復(fù)測定三次，取平均值。按式(1)計算SDF得率(Y，%)：

式中：M表示麥麩原料的質(zhì)量，mg；V表示上層溶液的體積，mL；C表示上層溶液中多糖濃度，mg/mL。

1.2.4 單因素實驗 精確稱取2.0 g預(yù)處理后的麥麩粉，設(shè)定超聲功率175 W、檸檬酸/麥麩液固比40 mL/g、亞臨界水提取溫度150 ℃和時間30 min為單因素實驗中的固定條件。以超聲預(yù)處理功率(100、125、150、175、200 W)、檸檬酸/麥麩液固比(10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1 mL/g)、SWE溫度(120、150、180、210、240 ℃)和時間(10、20、30、40、50 min)4個因素變量替換實驗中的常規(guī)量。按照1.2.2與1.2.3中的方法提取、測定并計算得率，每組重復(fù)三次。

1.2.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取超聲預(yù)處理功率(X1，W)、檸檬酸/麥麩液固比(X2，mL/g)、SWE溫度(X3，℃)三個因素，以SDF的得率作為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計，共17個試驗其中包含5個中心點試驗用來誤差估算，試驗變量的因素與水平值如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗因素與水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiment

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel、Origin 8.0和SPSS 16.0軟件進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)分析，采用Design-Expert V8.0.6.1進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)回歸模型的分析和響應(yīng)面圖的繪制。所有數(shù)據(jù)均平行測定三次，結(jié)果以平均值(Mean)±標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗分析

2.1.1 超聲預(yù)處理功率對SDF得率的影響 由圖1可知，在超聲功率從100 W增加到200 W的過程中，SDF的得率呈先增加后減小的趨勢。當(dāng)超聲功率為175 W時，SDF的得率最高為35.17%。這可能是由于超聲功率加大，超聲作用引起的空化效應(yīng)增強(qiáng)，從而有利于植物細(xì)胞壁的破壞并促進(jìn)傳質(zhì)[19]。但是，過高的超聲功率(>175 W)會導(dǎo)致SDF發(fā)生一定程度的降解，從而不利于SDF的提取。因此，175 W被選為最佳的超聲預(yù)處理功率。

圖1 超聲預(yù)處理功率對SDF得率的影響Fig.1 Influence of ultrasonic pretreatment power on the yield of SDF

2.1.2 檸檬酸/麥麩液固比對SDF得率的影響 由圖2可知，當(dāng)液固比從10∶1 mL/g增加到40∶1 mL/g時，SDF的得率呈顯著增加趨勢(P<0.05)。當(dāng)液固比大于40∶1 mL/g時，SDF的得率呈顯著減小趨勢(P<0.05)。在一定條件下，液固比的增加使得細(xì)胞內(nèi)部與外部溶劑的濃度差增大，有利于SDF擴(kuò)散到溶液中，從而提高了SDF的得率。隨著液固比的不斷增加，雖相對質(zhì)量濃度差變大，但增大率越來越小，對SDF得率的影響也越來越小；同時液固比越大，超聲能量隨單位體積的增大而減小，從而減小了SDF的得率[20]。因此，選擇檸檬酸/麥麩液固比為40∶1 mL/g時較為合適。

圖2 檸檬酸/麥麩液固比對SDF得率的影響Fig.2 Influence of citric acid/wheat bran liquid-to-soild ratio on the yield of SDF

2.1.3 SWE溫度對SDF得率的影響 由圖3可知，隨著SWE溫度的升高，SDF的得率先顯著升高(P<0.05)，然后逐漸降低。在180 ℃時，SDF的得率最高，為40.26%。SWE溫度過高會使SDF發(fā)生降解。此外，亞臨界水的極性在溫度升高時會受到不利影響，進(jìn)而導(dǎo)致提取SDF的溶劑效率降低[21]。因此，選擇180 ℃作為最佳的SWE溫度。

圖3 SWE溫度對SDF得率的影響Fig.3 Influence of SWE temperature on the yield of SDF

2.1.4 SWE時間對SDF得率的影響 由圖4可知，SDF的得率隨著SWE時間(10～30 min)顯著增加(P<0.05)，但隨著提取時間的進(jìn)一步增加(>30 min)，SDF的得率基本保持不變，且無顯著性差異(P>0.05)。在提取的前30 min，SDF得率隨提取時間的增加而增加，這是由于SDF的提取需要一定的時間。然而，過長的提取時間可能會引起多糖分子的降解以及能量的消耗，不利于工業(yè)化生產(chǎn)[22-23]。因此，確定30 min為SWE的最佳提取時間。

圖4 SWE時間對SDF得率的影響Fig.4 Influence of SWE time on the yield of SDF

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化分析

2.2.1 響應(yīng)面模型的預(yù)測與試驗結(jié)果分析 由以上單因素實驗結(jié)果可知，超聲預(yù)處理功率、檸檬酸/麥麩液固比和SWE溫度三個工藝參數(shù)對SDF的得率影響較為顯著。在此基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面優(yōu)化法，以超聲預(yù)處理功率(X1)、檸檬酸/麥麩液固比(X2)和SWE溫度(X3)作為自變量，以SDF的得率(Y)作為響應(yīng)值，進(jìn)行麥麩SDF提取條件的優(yōu)化，試驗設(shè)計方案和試驗結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)面BBD試驗設(shè)計及試驗結(jié)果Table 2 Design and results of response surface BBD experiment

SDF的得率作為預(yù)測的響應(yīng)值Y通過二次多項式回歸方程式(2)確定：

SDF得率的響應(yīng)面回歸模型方差分析和回歸分析結(jié)果如表3所示，該模型的F值為200.17，且P值小于0.0001，表明該模型是高度顯著的。決定系數(shù)R2=0.9961，說明二項式回歸方程的擬合度良好。調(diào)整決定系數(shù)(R2adj=0.9912)和F值的失擬項(2.00)也進(jìn)一步表明該模型擬合度高[24-25]。此外，預(yù)測回歸模型方程中的系數(shù)X1和X1X3的影響顯著(P<0.05)，X2、X12、X22、X32的影響極顯著(P<0.01)。但是X3、X1X2和X2X3的影響不顯著(P>0.05)。由F值的大小可知，影響SDF得率的主次因素為X2>X1>X3，即檸檬酸/麥麩液固比>超聲預(yù)處理功率>SWE溫度。

表3 SDF得率的響應(yīng)面回歸模型方差分析和回歸分析結(jié)果Table 3 Variance analysis and regression analysis results of the response surface regression model of the yield of SDF

2.2.2 三維響應(yīng)面圖和二維等高線圖分析 根據(jù)式(2)繪制三維(3D)響應(yīng)面和二維等高線圖[26-27]，各元素之間的交互作用對SDF得率的影響程度可以從圖5中進(jìn)行分析，進(jìn)一步得出最佳的因素水平范圍。由圖5(a)可以看出，超聲預(yù)處理功率(X1)與檸檬酸/麥麩液固比(X2)之間的交互作用是不顯著的(P>0.05)。由圖5(b)可以看出，超聲預(yù)處理功率(X1)與SWE溫度(X3)之間交互作用對SDF得率的影響具有顯著性(P<0.05)，且隨著超聲預(yù)處理功率與SWE溫度的增大，SDF的得率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)超聲預(yù)處理功率195.2 W，SWE溫度178.7 ℃時，SDF有最大的得率。由圖5(c)可以看出，檸檬酸/麥麩液固比(X2)與SWE溫度(X3)之間的交互作用是不顯著的(P>0.05)。這與方差分析的結(jié)果一致。

2.2.3 預(yù)測模型的驗證及最優(yōu)條件的確定 通過方差分析表(表3)和響應(yīng)面圖(圖5)分析表明，超聲預(yù)處理-檸檬酸輔助亞臨界水提取SDF的最優(yōu)條件為：超聲預(yù)處理功率195.2 W，檸檬酸/麥麩液固比為39∶1 mL/g，SWE溫度為178.7 ℃。在此條件下，所建立模型預(yù)測的SDF得率的最大值為40.94%。為了檢驗試驗結(jié)果的可靠性，根據(jù)以上試驗結(jié)果進(jìn)行驗證試驗，考慮到實際生產(chǎn)中的可操作性，將最佳工藝條件調(diào)整為超聲預(yù)處理功率195 W，檸檬酸/麥麩液固比39∶1 mL/g ，SWE溫度179 ℃，來驗證在改進(jìn)的最優(yōu)條件下的實際得率，對響應(yīng)面模型進(jìn)行了三次重復(fù)驗證試驗。得到實際SDF的得率為41.00%±0.29%(n=3)，與預(yù)測值40.94%無顯著性差異(P>0.05)。因此，響應(yīng)面模型是正確且有效的。

圖5 兩因素交互作用對SDF得率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour diagram of the interaction between two factors on the yield of SDF

3 結(jié)論

采用超聲預(yù)處理-檸檬酸輔助亞臨界水提法從麥麩中提取水溶性膳食纖維，根據(jù)單因素和響應(yīng)面優(yōu)化法得到的最佳提取工藝條件為：超聲預(yù)處理功率195 W，檸檬酸/麥麩液固比39∶1 mL/g，SWE溫度和時間分別為179 ℃和30 min。在此最佳工藝條件下，麥麩SDF的得率為41.00%±0.29%。