超聲波輔助酸法提取蕨菜水溶性膳食纖維

麥馨允，蘇仕林，曾維標，覃貴惠

（1.百色學院農業與食品工程學院，廣西百色 533000；2.龍邦海關，廣西百色 533800）

蕨菜 （Pteridium aquilinum var.latiusculum） 為多年生落葉草本植物蕨的嫩苗，屬于鳳尾蕨科（Pteridium aquilinum L.）[1]。蕨菜含有豐富的膳食纖維，鮮蕨菜中膳食纖維的含量高達1.4%[2]。膳食纖維是不能被人體小腸的內源性酶消化吸收、聚合度在10或10以上的碳水化合物聚合物[3]，具有乳化性、持水性、持泡性等性質，高的持水能力避免食品脫水收縮，增加食品的黏度，減少熱量，賦予食品良好的感官性狀和質構，還可作為功能性食品組分[4-5]。按照溶解性差異分類，膳食纖維可分為可溶性膳食纖維（SDF） 和不溶性膳食纖維（IDF）。

百色市的蕨菜資源很豐富，現在已知的蕨類植物就有246種[6]。蕨菜離體后，其葉柄基部快速向上纖維化，而纖維化的部分恰是形態最粗壯、營養最豐富的，該部分不能食用，加工前必須切除[7]，蕨菜的纖維化導致資源的利用率低。從纖維化的蕨菜中提取膳食纖維并應用到食品生產中，不僅提高蕨菜產品的附加值，還能調節居民的膳食營養，兼具經濟效益和社會效益。

選取桂西蕨菜為研究材料，用超聲波輔助酸法進行蕨菜中SDF的提取，通過單因素試驗和正交設計，優化超聲波輔助酸法提取蕨菜SDF工藝參數（檸檬酸質量分數、料液比、提取時間、提取溫度、超聲功率），為蕨菜膳食纖維的提取提供一定的實踐指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蕨菜，百色當地采摘干蕨，經干燥粉碎后過80目篩，得試驗用蕨菜粉；檸檬酸（AR），廣州新建精細化工廠提供；無水乙醇（AR）。

1.2 主要儀器及設備

FA1204B型電子天平，上海安亭電子儀器廠產品；KQ-200KDB型高功率數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產品；臺式數顯低速離心機，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司產品；GZX-9030型電熱鼓風干燥箱，韶關市泰宏醫療器械有限公司產品。

1.3 試驗方法

準確稱取2 g蕨菜粉，放入200 mL具塞錐形瓶中，按一定料液比加入一定質量分數的檸檬酸溶液，進行一定時間的超聲波提取，提取結束后以轉速4 000 r/min離心15 min，取上清液，在上清液中加入4倍體積無水乙醇靜置2 h，然后進行抽濾，于105℃下干燥濾渣至恒質量，則得到SDF。蕨菜中SDF得率的計算如下：

1.3.1 單因素試驗

（1）檸檬酸質量分數單因素試驗。在固定料液比 1∶13（g∶mL），提取時間 70 min，提取溫度60℃，超聲功率140 W的條件下，選擇不同檸檬酸質量分數1%，2%，3%，4%，5%進行試驗，根據SDF得率大小來確定檸檬酸質量分數。

（2）料液比單因素試驗。在固定檸檬酸質量分數3%，提取時間70 min，提取溫度60℃，超聲功率140 W的條件下，選擇不同料液比1∶7，1∶10，1∶13，1∶16，1∶19（g∶mL） 進行試驗，根據SDF得率大小來確定料液比。

（3）提取時間單因素試驗。在固定檸檬酸質量分數3%，料液比1∶16（g∶mL），提取溫度60℃，超聲功率140 W的條件下，選擇不同提取時間50，60，70，80，90 min進行試驗，根據SDF得率大小來確定提取時間。

（4）提取溫度單因素試驗。在固定檸檬酸質量分數3%，料液比1∶16（g∶mL），提取時間60 min，超聲功率140 W的條件下，選擇不同提取溫度40，50，60，70，80℃進行試驗，根據SDF得率大小來確定提取溫度。

（5）超聲功率單因素試驗。在固定檸檬酸質量分數3%，料液比1∶16（g∶mL），提取時間60 min，提取溫度60℃的條件下，選擇不同超聲功率100，120，140，160，180 W進行試驗，根據SDF得率大小來確定功率。

1.3.2 正交試驗

在單因素試驗結果基礎上，選擇合理范圍內的料液比、超聲功率、檸檬酸質量分數和提取溫度水平進行L9（34）正交設計，以SDF得率作為試驗指標，對工藝參數進行優化。

正交設計因素與水平設計見表1。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 檸檬酸質量分數單因素試驗

檸檬酸質量分數對SDF得率的影響見圖1。

圖1 檸檬酸質量分數對SDF得率的影響

由圖1可知，在檸檬酸質量分數為1%～3%時，SDF得率隨檸檬酸質量分數的增大而逐漸增高；當檸檬酸質量分數為3%時，達到SDF得率最大值，為4.09%。當檸檬酸質量分數大于3%時，隨著檸檬酸質量分數的增大，SDF得率下降幅度較大。這可能是因為果膠的水解反應在不同的酸性條件下反應程度不同，檸檬酸質量分數太低，則酸性太弱，水解反應進行得較緩慢；檸檬酸質量分數過高，酸性太強，水解反應會過于強烈以至于會造成果膠脫脂裂解現象，從而導致SDF得率減少[8]。故較為合適的檸檬酸質量分數為3%。

2.1.2 料液比單因素試驗

料液比對SDF得率的影響見圖2。

圖2 料液比對SDF得率的影響

由圖2可知，在料液比為1∶7～1∶16時，隨著料液比的增加，SDF得率也逐漸增大，這可能是因為加大了溶劑提取量，蕨菜粉在溶液中的分散程度增大，接觸面積也越大，溶劑中的SDF濃度與蕨菜粉邊界層的濃度差增大，SDF由蕨菜粉向溶劑中的擴散速度更快。當料液比為1∶16時SDF得率達到最大值，為5.22%。當料液比大于1∶16時，SDF得率逐漸下降，可能由于溶劑量過大，影響了超聲波的效果。故較為合適的料液比為1∶16（g∶mL）。

2.1.3 提取時間單因素試驗

提取時間對SDF得率的影響見圖3。

圖3 提取時間對SDF得率的影響

由圖3可知，當提取時間為50～60 min時，隨著提取時間的延長，SDF得率有較大幅度的提高；當提取時間為60 min時，SDF得率達到最高，為4.69%；當提取時間超過60 min后，SDF得率緩慢遞減。這可能是因為SDF的主要成分為果膠，而果膠中的原果膠溶解性較差，若提取時間太短，則不能將原果膠充分溶解出來；但是，如果提取時間過長，果膠被解脂裂解的量會增加，且在水溶液中的果膠部分會被氫離子水解導致果膠產量的降低[9]。故較為合適的提取時間為60 min。

2.1.4 提取溫度單因素試驗

提取溫度對SDF得率的影響見圖4。

圖4 提取溫度對SDF得率的影響

由圖4可知，在提取溫度為60℃時出現SDF得率峰值；而當提取溫度大于60℃后，SDF得率有所下降。這是由于SDF的主要成分為天然果膠和β-葡聚糖，提取溫度過高會破壞其分子的結構，因此SDF得率會降低[9]。故較為合適的提取溫度為60℃。

2.1.5 超聲功率單因素試驗

超聲功率對SDF得率的影響見圖5。

由圖5可知，為超聲功率對SDF得率的影響。應用超聲波輔助技術進行提取試驗是近幾年興起的一種提取技術，是基于超聲波特殊的物理性質。主要是利用超聲波在液體物質中所產生的介質中傳播的一種具有彈性的物質機械波，聲波不同，工作的頻率也不同[10]。這種機械波在介質中傳播會產生機械效應、熱學效應和強烈的空化效應、攪拌等的特殊作用[11]，這些特殊作用能夠有效地破壞物質的細胞壁結構。在提取物質的過程中，物質因超聲波產生的振動作用而細化，同時亦可使作用的物質變成乳濁液，溶劑就可以讓待測液中的提取成分迅速溶解出來，從而有效加快物質的提取過程，提高物質的得率，縮短了物質提取的時間[12]。在超聲功率為100～140 W時，隨著超聲功率的升高，SDF得率逐漸增大；當超聲功率為160 W時SDF得率達到最大得率值，為4.96%。這可能是由于在適當功率范圍內，超聲功率的增大，SDF在溶劑中的擴散速率也增大；而當超聲功率大于160 W后，SDF得率則隨著功率的升高反而逐漸下降，這說明蕨菜中SDF的結構會被高功率的超聲波作用所破壞，從而造成了SDF得率的下降。故較為合適的超聲功率為160 W。

圖5 超聲功率對SDF得率的影響

2.2 正交試驗結果與分析

由單因素試驗分析可以得知，提取時間60 min以后，繼續延長提取時間對SDF得率的影響不大，因此正交試驗不考慮提取時間，進行正交試驗時將提取時間固定在60 min，進一步優化料液比（A）、超聲功率（B）、檸檬酸質量分數（C）、提取溫度（D） 的參數。

L9（34）正交試驗結果見表2。

由表2可知，通過極差分析，得出了4個因素的極差由大到小的順序為 RD＞RB＞RA＞RC，由此可知，影響蕨菜中SDF得率的因素的主次順序為提取溫度＞超聲功率＞料液比＞檸檬酸質量分數。根據，可知 A 因素的優水平是 A3；同理可知B3，C1，D2為各因素的優水平。因此，在60 min的提取時間條件下，得出超聲波輔助檸檬酸法提取蕨菜中SDF的最優組合為A3B3C1D2。

根據正交試驗得到的最佳組合A3B3C1D2進行驗證試驗，得到蕨菜中SDF的平均得率較高，為5.76%。因此，采用超聲波輔助檸檬酸法進行提取的最佳提取工藝條件為提取時間60 min，料液比1∶19（g∶mL），超聲功率180 W，檸檬酸質量分數2%，提取溫度60℃。

表2 L9（34）正交試驗結果

3 結論

蕨菜中膳食纖維含量較高，研究超聲波輔助酸法提取蕨菜中SDF，得出影響蕨菜中SDF得率的因素主次順序為提取溫度＞超聲功率＞料液比＞檸檬酸質量分數；最佳提取的工藝條件為提取時間60 min，料液比1∶19（g∶mL），超聲功率180 W，檸檬酸質量分數2%，提取溫度60℃。因此，利用超聲輔助檸檬酸進行提取可以顯著提高蕨菜中SDF的得率。