枸杞酒糟可溶性膳食纖維提取及其理化性質研究

劉 軍，頡向紅，徐 昊，張喜康，馬浩然，孔維洲，劉敦華

(寧夏大學 農學院，寧夏 銀川 750021)

枸杞為茄科植物[1]，果實含有豐富的活性成分，如多糖、黃酮、甜菜堿、類胡蘿卜素等[2]，具有增強機體免疫力、降血糖、降血脂和預防心腦血管疾病等作用[3]。寧夏地區是我國乃至世界枸杞的核心產區，寧夏枸杞“甘美異于他鄉”，是寧夏地區的“紅色名片”和地域符號[4]。寧夏回族自治區黨委、政府高度重視枸杞產業發展，其已成為具地方特色的戰略性主導重點產業[5]。枸杞釀酒過程中經物理榨汁后的廢棄物，以及全枸杞發酵后的酒糟通常被當作肥料或者垃圾處理，不僅浪費資源，而且污染環境。合理利用工藝開發枸杞酒糟，符合綠色發展理念，不僅可以提高枸杞產業的附加值，還能促進枸杞產業可持續發展。

可溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber，SDF)有助于抑制血液中膽固醇含量，還能抑制消化道對脂質的吸收[6]。另外，SDF在結腸中發酵產生短鏈脂肪酸，可以抑制膽固醇合成[7]。目前，提取膳食纖維的方法主要有化學提取法、發酵法、化學試劑酶結合分離法和膜分離法。CHEN等[8]采用超聲波輔助酶法從豆莢中提取膳食纖維，驗證了超聲波對提取SDF的輔助作用；ZHANG等[9]對糧食種子中酚類物質和膳食纖維進行提取發現，溶劑比例對提取工藝有重要影響；李西騰等[10]對堿法提取榆黃蘑SDF的研究驗證了堿法提取SDF的可行性。

1 材料和方法

1.1 原料和試劑

枸杞酒糟由寧夏大學農學院提供。

氫氧化鈉、硫酸亞鐵購自煙臺雙雙化工有限公司；二丁基羥基甲苯、鄰苯三酚、95%乙醇購自天津光復科技發展有限公司；H2O2、水楊酸、鹽酸、石油醚、Tris-HCl緩沖液均為分析純，購自天津大茂化工有限公司。

1.2 儀器和設備

試驗所用儀器和設備包括KQ-500 DE型數控超聲波清洗器(昆山超聲儀器有限公司)、XL-30C型超微粉碎機(廣州旭朗機械設備有限公司)、GZX-907 MBE型電熱恒溫烘箱(上海博訊實業有限公司)、RE-52AA型旋轉蒸發器(上海亞榮生化儀器廠)、AL 204型電子天平[梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)]、T6新世紀型紫外可見光分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)、PHB-4型pH計(上海儀電科學儀器股份有限公司)、SHZ-D(Ⅲ)型循環水真空泵(鄭州長城科貿有限公司)、TGL-16 C臺式離心機(上海安亭科學儀器廠)、KDM型索氏提取器(山東鄄城電熱儀器有限公司)、Mastersizer-2000 E激光粒度分析儀[馬爾文儀器(英國)有限公司]、ASAP-2020型全自動比表面積和孔結構分析儀(美國麥克儀器公司)。

1.3 SDF提取方法

稱取一定量的枸杞酒糟，在60 ℃的干燥箱內干燥12 h后稱質量，直至2次誤差不超過0.01 g。干燥后，用超微粉碎機粉碎，所得粉末即為試驗用枸杞酒糟，密封于塑料袋中備用。將上述枸杞酒糟粉末置于索氏提取器中，加入石油醚，蒸餾回流5 h，得到脫脂枸杞酒糟。稱取5.00 g脫脂枸杞酒糟，置于燒杯中，用超聲波輔助堿液(堿液可促進脂肪皂化與蛋白質水解)法提取60 min。將得到的液體4 000 r/min離心20 min，得到上清液和濾渣。上清液經過旋轉蒸發器減壓濃縮后，加入4倍體積95%乙醇靜置12 h，以離心機分離，得到的固體即為SDF，稱其質量。將SDF置于60 ℃烘箱中干燥48 h，超微粉碎機粉碎3 min，得到SDF粉粒(含水量低于6%)。按式(1)計算SDF提取率：

X=m/5×100%

(1)

式中，X為SDF提取率(%)，m為離心機分離后得到的固體質量(g)。

1.4 單因素試驗設計

為探究料液比、超聲波時間、氫氧化鈉質量分數、超聲波功率4個因素對SDF提取率的影響，設置了四因素六水平試驗。設定超聲波時間為40 min、氫氧化鈉質量分數為8%、超聲波功率為200 W，考察料液比分別為1∶3、1∶6、1∶9、1∶12、1∶15、1∶18[11]對枸杞酒糟SDF提取率的影響；設定料液比為1∶9、氫氧化鈉質量分數為8%、超聲波功率為200 W，考察超聲波時間分別為10、20、40、60、80、100 min對枸杞酒糟SDF提取率的影響；設定料液比為1∶9、超聲波時間為40 min、超聲波功率為200 W，考察氫氧化鈉質量分數分別為2%、4%、6%、8%、10%、12%對枸杞酒糟SDF提取率的影響；設定料液比為1∶9、超聲波時間為40 min、氫氧化鈉質量分數為8%，考察超聲波功率分別為150、200、250、300、350、400 W[12]對枸杞酒糟SDF提取率的影響。

1.5 響應面優化設計

選取單因素較優結果所對應的取值范圍，運用響應面進行優化分析[13]，建立以料液比(A)、超聲波時間(B)、氫氧化鈉質量分數(C)、超聲波功率(D)為自變量，以SDF提取率為響應值的響應面試驗因素與水平設計，具體見表1。

表1 枸杞酒糟SDF提取響應面試驗因素與水平Tab.1 Experimental factors and levels design of response surface method of SDF extraction from Chinese wolfberry distiller’s grains

1.6 SDF理化性質分析

1.6.1 SDF粉粒結構表征 在5 mm/s Hg的抽氣速率下50 ℃脫氣12 h。取一定量的SDF粉粒，通過自動進樣得到N2吸附脫附等溫線曲線和孔徑分布圖，采用BET方程得到比表面積，通過T-plot方法測定孔體積。

利用激光粒度儀獲取SDF粉粒的粒徑分布圖，通過軟件分析得到其D10、D50、D90(D10、D50、D90指累計粒度分布百分數分別達到10%、50%、90%時所對應的粒徑)，按式(2)計算粉粒徑距：

R=(D90-D10)/D50

(2)

式中，R為粉粒徑距(μm)，D90為粉粒粗端粒度指標(μm)，D10為粉粒細端粒度指標(μm)，D50為粉粒的平均粒徑(μm)。

1.6.2 SDF持水力測定 稱取1.00 g SDF加入25 mL蒸餾水，置于50 mL離心管中，超聲波輔助溶解1 h,4 000 r/min離心10 min，去除上層清液，吸干離心管底部水分，稱取復水后膳食纖維質量[14]，按式(3)計算持水力：

w=m-1

(3)

式中，m為復水后膳食纖維質量(g)，w為持水力(g/g)。

1.6.3 SDF膨脹力測定 稱取1.00 g SDF置于10 mL量筒中，讀取此時干品體積。向量筒中加入8 mL蒸餾水，超聲波振蕩30 min，靜置24 h，記錄其膨脹后的體積[15]，按式(4)計算膨脹力：

V=v2-v1

(4)

式中，V為膨脹力(mL/g)，v1為干品體積(mL)，v2為膨脹后的體積(mL)。

1.6.4 SDF持油力測定 稱取1.00 g SDF置于50 mL離心管中。加入20.00 g植物油，室溫下靜置1 h，4 000 r/min離心10 min。去除上清液，稱取剩余沉淀質量[16]，按式(5)計算持油力：

L=m1-1

(5)

式中，L為持油力(g/g)，m1為剩余沉淀質量 (g)。

1.6.5 SDF對·OH清除率的測定 分別取1.00 mL 1.00、2.00、3.00、4.00、5.00、6.00、7.00、8.00、9.00、10.00 mg/mL SDF溶液，加入9.00 mmol/L水楊酸-乙醇溶液、9.00 mmol/L FeSO4、8.80 mmol/L H2O2(蒸餾水作空白對照)，510 nm波長處測量不同濃度SDF溶液吸光值[17]。按式(6)計算·OH 清除率：

Y1=[1-(A1-A2)/A3]×100%

(6)

式中，Y1為·OH 清除率(%)，A1為上述濃度1.00 mL SDF、0.50 mL水楊酸-乙醇、0.50 mL FeSO4、5.00 mL H2O2混合溶液吸光值，A2為上述濃度1.00 mL SDF、0.50 mL 水楊酸-乙醇、0.50 mL蒸餾水、5.00 mL H2O2混合溶液吸光值，A3為上述濃度0.50 mL水楊酸-乙醇、0.50 mL FeSO4、5.00 mL H2O2、1.00 mL蒸餾水混合溶液吸光值。

Vc對·OH清除率的測定方法同SDF。

Y2=[1-(A1-A2)/A3]×100%

(7)

1.7 數據分析

利用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 17.0對數據進行統計分析和作圖，采用響應面Design-Expert 8.0.6軟件對提取工藝進行分析、優化和作圖。

2 結果與分析

2.1 枸杞酒糟SDF提取單因素試驗結果分析

2.1.1 料液比對SDF提取率的影響 由圖1可知，隨著料液比減小，枸杞酒糟在溶液中分散程度增加，接觸面積相應減小，提取液中SDF濃度與枸杞酒糟邊界層的濃度差增加，SDF由枸杞酒糟向溶劑擴散的速率加快。料液比為1∶12時SDF提取率最大，為15.70%。料液比繼續減小會稀釋溶液，枸杞酒糟SDF提取率反而降低。

圖1 料液比對SDF提取率的影響Fig.1 The effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of SDF

2.1.2 超聲波時間對SDF提取率的影響 由圖2可知，超聲波時間為10～100 min時，SDF提取率隨超聲波時間延長而增加，60 min后SDF提取率增加不明顯。超聲波時間為60 min時提取率最大，為16.00%，這可能是初始階段超聲波對細胞膜破碎作用較大，溶出物增多所致。60 min后，隨超聲波時間延長，SDF提取率增加不明顯，可能是較長時間超聲波條件下，強烈的水分子撞擊及其自身的劇烈振動使能量損耗嚴重所致。

圖2 超聲波時間對SDF提取率的影響

2.1.3 氫氧化鈉質量分數對SDF提取率的影響 由圖3可知，氫氧化鈉質量分數為2%～8%時，SDF提取率隨氫氧化鈉質量分數增加呈上升趨勢。氫氧化鈉質量分數達到8%時提取率最大，為16.30%。氫氧化鈉質量分數繼續增加時SDF提取率反而降低，這是由于堿皂化原料中脂肪、雜質不斷減少所致。氫氧化鈉質量分數由8%繼續上升后，氫氧化鈉質量分數過大，果膠脫去甲基溶解，致使SDF提取率反而降低。氫氧化鈉質量分數越高，產品顏色越深，氫氧化鈉質量分數以8%為宜。

圖3 氫氧化鈉質量分數對SDF提取率的影響

2.1.4 超聲波功率對SDF提取率的影響 由圖4可知，超聲波功率為150～300 W時，SDF提取率隨超聲波功率增大而增加，在超聲波功率為300 W時達到最大，為15.20%，這主要是因為超聲波功率增大后強化了溶解振蕩效應，提高了SDF提取率。超聲波輔助可促使細胞破壁或變形，產生增溶作用，利于提高SDF提取率。當超聲波功率繼續增大，SDF與堿液長時間接觸，造成SDF中一些果膠類物質溶解。另外，超聲波的機械剪切作用導致提取液與溶出物摩擦，打斷了SDF的鏈結構，導致其提取率增加不明顯。

圖4 超聲波功率對SDF提取率的影響

2.2 枸杞酒糟SDF提取響應面優化試驗結果分析

2.2.1 SDF提取數學模型建立與檢驗 SDF提取響應面試驗設計及結果見表2，回歸模型方差分析及顯著性檢驗結果見表3，擬合所得多元二次回歸方程如下：SDF提取率Y=24.25+0.014×A+0.27×B-0.25×C+0.59×D-0.25×AC-0.46×BC-3.21×A2-2.88×B2-2.76×C2-3.28×D2。

由表2可知，響應面試驗設計的29組結果表明，當料液比為1∶12、超聲波時間為40 min、氫氧化鈉質量分數為8%、超聲波功率為250 W時，SDF的提取率最高，達24.55%，優于其他組。

由表3可知，失擬項不顯著(P=0.809 7>0.05)，而回歸模型極顯著(P<0.000 1)，模型的決定系數(R2)為0.995 6，表明模型擬合度較好，該回歸方程模型可較好地描述各因素與響應值之間的關系，能夠優化提取工藝。各因素中一次項B、C、D及二次項A2、B2、C2、D2對SDF提取率的影響均達到顯著水平，AC、BC交互作用影響顯著。由F值可知，各因素對SDF提取率影響的大小順序為超聲波功率>超聲波時間>氫氧化鈉質量分數>料液比。

2.2.2 SDF提取響應面優化試驗各因素交互作用對SDF提取率的影響 料液比、超聲波時間、氫氧化鈉質量分數、超聲波功率交互作用的響應面圖，直觀地反映了各因素交互作用對響應值的影響(圖5)。響應面的陡峭程度可以反映該因素對響應值影響的大小，響應面越陡，影響越大，響應面越緩，影響越小。隨各因素值的增大，響應值呈先增大后減小趨勢。各因素間的交互作用呈現橢球形，說明交互作用明顯。其中，BC的響應面曲線陡峭，AC次之，對SDF提取率影響顯著；AB、AD、BD、CD響應面曲線較為平緩，對SDF提取率影響不顯著，這與方差分析結果一致。

表2 枸杞酒糟SDF提取響應面試驗設計及結果Tab.2 Experimental design and result of response surface test of SDF extraction from Chinese wolfberry distiller’s grains

表3 枸杞酒糟SDF提取回歸模型方差分析及顯著性檢驗Tab.3 Analysis of variance and significance test of regression model of SDF extraction from Chinese wolfberry distiller’s grains

續表3 枸杞酒糟SDF提取回歸模型方差分析及顯著性檢驗Tab.3(Continued) Analysis of variance and significance test of regression model of SDF extraction from Chinese wolfberry distiller’s grains

注：*表示對結果影響顯著(P<0.05)，**表示對結果影響極顯著(P<0.01)。

Note:*indicates significant effects on the results (P<0.05),and **indicates very significant effects on the results (P<0.01)．

圖5 各因素交互作用對SDF提取率的影響

2.3 枸杞酒糟SDF理化性質分析

2.3.1 SDF粉粒結構及理化性質 徑距表示粉粒大小寬窄分布情況，數值越大則粒度分布越寬，反之粒度分布越窄。由表4可知，提取的SDF粉粒徑距為(2.1±0.001)μm，徑距>1.000 μm，表明提取的SDF粉粒為非對稱分布，較大粉粒的數量大于小粉粒的數量。

表4 枸杞酒糟SDF粉粒參數分布Tab.4 Particle parameter distributions of SDF of Chinese wolfberry distiller’s grains

采用超微粉碎結合超聲波輔助堿法提取SDF前，先去除枸杞酒糟中的非膳食纖維成分，使SDF充分暴露出來。由表5可知，SDF持水力為(4.35±0.07)g/g、膨脹力為(4.67±0.13)mL/g、持油力為(5.02±0.07)g/g。

表5 枸杞酒糟SDF理化特性Tab.5 Physicochemical properties of SDF of Chinese wolfberry distiller’s grains

2.3.2 SDF和Vc對·OH 的清除作用 反應體系產生氧化劑·OH途徑：H2O2+Fe2+=·OH+H2O+Fe3+。水楊酸能夠和·OH反應，向反應體系中加入SDF和Vc,SDF和Vc與水楊酸競爭·OH，降低有色物質生成，使其含量降低，吸光值下降。如圖6所示，SDF質量濃度為10 mg/mL時對·OH清除率最高，達75.00%。

圖6 枸杞酒糟SDF和Vc對·OH的清除率

圖7 枸杞酒糟SDF和Vc對的清除率Fig.7 Clearance rate of Chinese wolfberry distiller’s grains SDF and Vc on

3 結論與討論

以超聲波-堿法提取枸杞酒糟SDF，當料液比與氫氧化鈉質量分數處于低水平且由低升高時，SDF提取率增加。料液比與氫氧化鈉質量分數增加到一定值后，再繼續增加，SDF提取率反而下降，這是因為高料液比和氫氧化鈉質量分數可能導致稀釋效應和強堿的水解效應，抑制了SDF溶出，這與陳瓊玲[19]和徐洪宇等[20]的研究結果一致。超聲波功率和超聲波時間處于低水平且由低升高時，SDF提取率增加明顯。超聲波功率和超聲波時間升高到一定值后，SDF提取率增加緩慢，這可能是較大功率和較長時間的超聲波引起強烈的水分子撞擊，且SDF與堿液長時間接觸，造成SDF中一些果膠類物質溶解所致，這與高佳琦等[21]和曹晟等[22]的研究結果一致。在單因素試驗的基礎上，應用響應面法對提取工藝進行優化，得到最佳料液比為1∶12 g/mL、超聲波時間為40 min、氫氧化鈉質量分數為8%、超聲波功率為250 W時SDF提取率最高，達到24.55%。

綜上說明，利用超聲波-堿法提取枸杞酒糟SDF，提取工藝簡單有效，具有較高的可行性，且提取的SDF理化性質較好，表明利用枸杞酒糟提取植物性SDF具有巨大潛力，在寧夏枸杞資源再利用以及產品深加工、減少環境污染等方面具有重要意義。