高剪切乳化技術輔助提取荷葉水不溶性膳食纖維工藝優化及其物性分析

鄭 慧，夏 欣，何奕潔，李 丹，王樂琪，鄧創業，楊 勇

湖南中醫藥大學藥學院食品藥品工程系，長沙 410208

“荷葉服之，令人瘦劣”，荷葉自古就被譽為瘦身良藥，目前已被中國衛生部納入“既是食品又是藥品”資源。研究表明，荷葉富含纖維、多酚及生物堿類物質，具有降脂減肥、抗抑郁等多種保健作用[1-3]。荷葉在中國種植廣泛，種植面積約900～1 100萬畝，但其資源利用率極低。近年來荷葉相關研究多集中在生物堿、多酚上[4,5]，而干荷葉中比重較大的纖維組分幾乎未見報道。荷葉纖維呈致密、束狀結構，食用性較差，對荷葉全葉開發利用勢必要進行荷葉纖維的改性處理。

膳食纖維因其在機體內幾乎不被消化吸收，熱量低，而成為近年來的研究熱點。其中水不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)具有較好的吸水膨脹性，可促進胃腸蠕動，增加機體飽腹感減少攝食量；同時可物理包裹、吸附食物中的油脂、糖、淀粉等高熱量組分，減緩或降低機體的吸收，故多用于減肥、降血脂、降血糖、調節胃腸道等功能食品的開發中[6,7]。很多食品中纖維類組分含量豐富，結構致密，在生產加工中多結合酶法、酸法、堿法等化學方式，或粉碎、高壓、微波等物理方式對纖維進行改性處理，以改善產品的感官品質，提高產品的開發應用性[8-10]。高剪切乳化技術通過高速旋轉的轉子與定子工作腔的配合使液體在高速流動下產生液體剪切，在剪切力的作用下使得液體中的物料微粒化，在食品行業中可作為物料的分散、乳化、均質、破碎處理，具有處理時間短、應用范圍較廣、操作簡單的特點[11-13]，但目前將其應在食品纖維組分的研究中相對較少。本研究擬采用高剪切乳化技術輔助酸法提取荷葉IDF，優化提取工藝；對其基本物性進行分析，并與常規粉碎、球磨粉碎制備的荷葉IDF進行對比。探究高剪切乳化技術在高纖維食品中的應用可行性，為荷葉進一步的開發利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與主要儀器

1.1.1 材料與試劑

材料：干荷葉購于湖南振興中藥有限公司，批號18112508。試劑：鹽酸、氫氧化鈉(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)。

1.1.2 主要儀器

FM20-D型高剪切分散乳化機(上海弗魯克流體機械制造有限公司)；XQM-2行星式球磨機(湖南長沙天創粉末技術有限公司)；FW100粉碎機(天津市泰斯特儀器有限公司)，EVO 18掃描電子顯微鏡(德國蔡司公司)；DZKW-4型電子恒溫水浴鍋(北京中興偉業儀器有限公司)；L550型臺式低速大容量離心機(湖南湘儀公司)；AV1120型電子分析天平(日本島津儀器有限公司)；ZHWY- 200D型恒溫振蕩器(上海智誠分析儀器制造有限公司)；101-3AB型電動鼓風干燥箱 (北京中興偉業儀器有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 荷葉 IDF的提取方法

市售干荷葉用FW100粉碎機粉碎2 min，過50目篩得到荷葉粉(lotus leaf powder，LLP)。將LLP置于行星式球磨機中600 rpm處理20 min，得到經球磨處理的荷葉粉(ball mill lotus leaf powder，BLLP)。

分別稱取LLP、BLLP按1∶25(g∶mL)的料液比加入0.25 mol/L HCl溶液中，置于45 ℃恒溫水浴酸解2 h，用NaOH調pH至中性，4 000 rpm離心10 min，取沉淀置于經80 ℃鼓風干燥至恒重，分別得到荷葉IDF、球磨式粉碎輔助制備的荷葉IDF(ball mill lotus leaf insoluble dietary fiber，BIDF)。

稱取LLP按1∶25(g∶mL)的料液比加入一定濃度的酸溶液中，在一定轉速下高剪切乳化處理一定時間后，恒溫水浴酸解，后續工藝參數同前，得到高剪切乳化輔助酸法提取的荷葉IDF(high shear emulsifier lotus leaf insoluble dietary fiber，HIDF)[14,15]。同時，為對比前期的粉碎處理、后期的酸解處理對荷葉纖維結構的影響，試驗將LLP置于蒸餾水中8 000 rpm下剪切乳化處理4 min，4 000 rpm離心10 min，取沉淀干燥后得到高剪切乳化處理后的荷葉粉(high shear emulsifier lotus leaf powder，HLLP)，備用。

1.2.2 HIDF提取的單因素試驗

1.2.2.1 剪切轉速對HIDF得率的影響

固定剪切時間為3 min、酸液濃度為0.15 mol/L、酸解溫度為60 ℃，考察不同剪切轉速(6 000、7 000、8 000、9 000、10 000 rpm)對HIDF得率的影響。

1.2.2.2 剪切時間對HIDF得率的影響

固定剪切轉速為7 000 rpm、酸液濃度為0.15 mol/L、酸解溫度為60 ℃，考察不同剪切時間(1、2、3、4、5 min)對HIDF得率的影響。

1.2.2.3 酸液濃度對HIDF得率的影響

固定剪切轉速為7 000 rpm、剪切時間為3 min、酸解溫度為60℃，考察不同酸液濃度(0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mol/L)對HIDF得率的影響。

1.2.2.4 酸解溫度對HIDF得率的影響

固定剪切轉速為7 000 rpm、剪切時間為3 min、酸液濃度為0.20 mol/L，考察不同酸解溫度(30、45、60、75、90 ℃)對HIDF得率的影響。按公式(1)計算IDF得率：

(1)

式中：y為HIDF得率，%；m0為初始荷葉粉的質量，mg；m為提取后干燥至恒重的HIDF質量，mg。

1.2.3 HIDF提取的正交試驗

在單因素試驗的基礎上，設計L9(34)正交試驗，以HIDF得率為考察指標。

1.2.4 顯微結構觀察

分別將LLP、BLLP、HLLP三種荷葉粉，IDF、BIDF、HIDF三種荷葉IDF，共六個樣品進行掃描電子顯微鏡觀察。

1.2.5 荷葉IDF持水性的測定

準確稱取0.500 g的荷葉IDF樣品，置于20 mL離心管內，加入15 mL蒸餾水攪拌均勻，室溫靜置24 h，4 000 rpm離心15 min，倒掉上清液，記錄離心管和下層持水荷葉IDF的總質量，按公式(2)計算持水力：

(2)

式中：A為荷葉IDF持水力，g/g；m0為荷葉IDF的質量，g；m1為離心管的質量，g；m2為離心后離心管和下層持水荷葉IDF的總質量，g。

1.2.6 荷葉IDF持油性的測定

準確稱取0.500 g荷葉IDF樣品，置于20 mL離心管中，加入15 mL花生油攪拌均勻，室溫靜置24 h，4 000 rpm離心15 min，倒掉上層油，記錄離心管和下層持油荷葉IDF總質量，按公式(3)計算持油力：

(3)

式中：B為荷葉IDF持油力，g/g；M0為荷葉IDF的質量，g；M1為離心管的質量，g；M2為離心管和下層持油荷葉IDF總質量，g。

1.2.7 荷葉IDF膨脹性的測定

準確稱取0.500 g荷葉IDF樣品，置于25 mL量筒中，輕輕抖動使樣品平整，讀取樣品體積并記錄，然后加10 mL蒸餾水攪拌，室溫靜置24 h，讀取量筒中樣品吸水膨脹后的體積并記錄[16]，按公式(4)計算膨脹性：

(4)

式中：C為荷葉IDF膨脹性，mL/g；m為荷葉IDF的質量，g；V1為樣品膨脹后的體積，mL；V0為樣品膨脹前的體積，mL。

1.2.8 荷葉IDF水溶性的測定

準確稱取0.500 g荷葉IDF樣品，倒入250 mL錐形瓶，加入50 mL蒸餾水，50 ℃、200 rpm恒溫震蕩30 min，3 000 rpm離心15 min，收集沉淀置于105 ℃烘至恒重后稱重[17]。按公式(5)計算水溶性：

(5)

式中：D為荷葉IDF水溶性，%；m1為烘干至恒重的沉淀質量，g；m0為荷葉IDF的質量，g。

1.2.9 統計分析

每個試樣重復3次，數據采用SPSS 22.0軟件進行統計分析，結果采用平均數±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 剪切轉速對HIDF得率的影響

高剪切乳化設備的剪切轉速可從數千到數萬，根據處理的物料、作用目的不同，其剪切轉速有所差異。在本試驗中，若剪切轉速過高、剪切時間過長，荷葉粉末顆粒過細會浮于溶液上層從而影響剪切乳化的效果。由圖1可知，在剪切轉速試驗范圍內HIDF得率先升高后降低，在7 000 rpm時HIDF得率最高。荷葉中不僅含有IDF，同時也含有果膠等水溶性膳食纖維[18]。當剪切轉速較低，剪切處理未能較大的破壞荷葉中水溶性膳食纖維的結構，溶于水中的荷葉水溶性膳食纖維中可能包裹、吸附部分不溶性微小顆粒，影響這部分顆粒在離心過程中的沉淀，使HIDF得率偏低。隨著剪切轉速的增加，在較大程度上破壞了荷葉中水溶性膳食纖維結構，減少其對不溶性微小顆粒的包裹吸附，此時HIDF得率增加。此后，當剪切轉速高于一定數值時，荷葉中纖維素、半纖維素等IDF可能被過度粉碎或酸解，同時部分微小顆粒會浮于溶液上層，不易被離心沉淀，這些都導致荷葉HIDF的得率下降。故此，選擇剪切轉速為7 000 rpm。

圖1 剪切轉速對HIDF得率的影響Fig.1 Effect of shear speed on the yield of HIDF

2.1.2 剪切時間對HIDF得率的影響

由圖2可知，在剪切時間的試驗范圍內HIDF得率在3 min時最高。剪切時間對HIDF得率的影響與剪切轉速的影響趨勢總體相似，先增加后降低。這可能因為剪切時間過短，未能破壞荷葉中的水溶性膳食纖維，從而包裹吸附部分不溶性微小顆粒，使得離心沉淀量偏低，HIDF得率偏低；剪切時間過長，使得荷葉IDF被過度酸化或粉碎，也會使得HIDF得率偏低。故此，選擇剪切時間為3 min。

圖2 剪切時間對HIDF得率的影響Fig.2 Effect of shear time on the yield of HIDF

2.1.3 酸液濃度對HIDF得率的影響

酸提是常用的一種膳食纖維提取方法，因工藝簡單、條件易于控制，在工業大規模生產中應用較為普遍。提取過程中，酸液濃度過高會影響荷葉的色澤、風味等感官品質；酸液濃度過低，不足以酸解荷葉中的可消化成分，提取出的IDF含雜量高。由圖3可知，在實驗的酸液濃度范圍內，HIDF得率隨酸液濃度增加而不斷提高，直到酸液濃度達0.20 mol/L，增速減緩，HIDF得率逐漸趨于平穩。這與酸液對荷葉中水溶性膳食纖維、IDF、淀粉、蛋白質等成分的破壞相關。從后期工藝處理的因素考慮，選擇酸液濃度為0.20 mol/L。

圖3 酸液濃度對HIDF得率的影響Fig.3 Effect of acid concentration on the yield of HIDF

2.1.4 酸解溫度對HIDF得率的影響

由圖4可知，當酸解溫度在30～90 ℃之間時，隨著溫度的增加HIDF得率逐漸減小。溫度上升可促進酸解，破壞荷葉IDF結構，使IDF長鏈分解成短鏈，在一定程度上可改善產品的質構及其感官品質；但另一方面，溫度過高又會使得荷葉中的IDF過度酸解導致HIDF得率下降，同時長時間高溫又會影響荷葉的營養成分、感官品質。因此，選擇酸解溫度為45 ℃。

圖4 酸解溫度對HIDF得率的影響Fig.4 Effect of acidolysis temperature on the yield of HIDF

2.2 正交試驗結果及數據分析

從表1及表2可以看出，4個因素對HIDF得率影響力：C>D>A>B，即酸液濃度>酸解溫度>剪切轉速>剪切時間，最佳提取工藝條件為A3B3C3D2，即剪切轉速8 000 rpm，剪切時間4 min，酸液濃度0.25 mol/L，酸解溫度45 ℃。以按此條件進行驗證實驗，HIDF得率為83.84%±0.04%，高于正交實驗中最高值。

表1 正交因素水平表Table 1 Level table of orthogonal factors

表2 正交實驗結果Table 2 Orthogonal experiment results

2.3 荷葉粉及荷葉IDF電鏡掃描

從3種荷葉粉的SEM圖5可知，LLP荷葉顆粒最大，因BLLP、HLLP在LLP的基礎上分別進行了球磨處理、高剪切乳化處理，顆粒粒徑相對較小。LLP致密的束狀纖維結構明顯可見，表面黏附有較多的細小微粒。BLLP是在LLP基礎上經過了干法研磨，荷葉纖維結構被明顯破壞，幾乎不可見致密的束狀纖維，同時表面黏附較多的細小微粒；故此，與剪切作用相比，沖擊、擠壓、研磨更易于破壞纖維內質，使致密的纖維結構變得松散。HLLP是在LLP基礎上通過濕法高剪切乳化處理后干燥而得，顆粒粒徑減小，束狀纖維結構未被完全破壞，纖維上的空隙較多；且因采用濕法處理，部分水溶性的成分已溶于水中被除去，黏附在荷葉纖維上的細小顆粒相對較少。

圖5 LLP(A)、BLLP(B)、HLLP(C)的SEM圖(×1 000)Fig.5 SEM of LLP(A),BLLP(B),HLLP(C) (×1 000)

從3種荷葉IDF的SEM圖6可知，荷葉IDF顯微結構的差異性與酸解前的荷葉粉相似，表明前期粉碎處理對荷葉纖維結構的影響大于在本實驗濃度下酸解對荷葉纖維結構的影響。其中，BIDF束狀纖維結構被破壞，不能明顯被觀察到；IDF、HIDF中束狀纖維結構明顯可見，層次分明，且HIDF比IDF顆粒更小、纖維表面孔隙率更高。從顯微結果可推知，不同粉碎方式荷葉IDF的粒徑大小、纖維形態、表面孔隙率不同，可能使得荷葉IDF的理化性質、感官品質、功能特性存在差異，從而影響產品進一步的開發應用性。

圖6 IDF(A)、BIDF(B)、HIDF(C)的SEM圖(×2 000)Fig.6 SEM of IDF(A),BLLP(B),HLLP(C) (×2 000 )

2.4 荷葉IDF的持水性、持油性、膨脹性

IDF在體內不產生熱量，主要通過吸水溶脹促進胃腸蠕動，物理包裹吸附油脂、碳水化合物、葡萄糖等成分而發揮功效，故持水性、持油性、膨脹性為IDF的基本物性指標。如表3所示，3種荷葉IDF的持水性差異相對較小。3種荷葉IDF的持油性為BIDF>HIDF>IDF，其中BIDF、HIDF與IDF存在顯著性差異，這可能因為BIDF、HIDF粒徑相對較小，各組分及其親脂基團更多的暴露，易于吸附油脂，從而改善了荷葉IDF的持油性[19,20]。3種荷葉IDF的膨脹性為IDF>HIDF>BIDF，這可能與IDF、HIDF中荷葉纖維顆粒相對較大、纖維網絡較長，且表面的孔隙率較高，更易于包裹水分，吸水膨脹。

表3 荷葉IDF的持水性、持油性、膨脹性Table 3 Water holoding capactig,oil holding capacting and expansibility of lotus leaf IDF

2.5 荷葉IDF的水溶性

在膳食纖維提取方法中酸提具有工藝簡單、成本低廉、易于生產化等優勢，但存在原料中淀粉、蛋白質等可消化成分酸解不徹底的缺點。試驗通過測定3種荷葉IDF的水溶性，初步判定荷葉酸解程度及其純度。由圖7可知，BIDF的水溶性最高。結合荷葉IDF的SEM圖分析，球磨式粉碎處理的作用力主要為沖擊和研磨，這種方式對荷葉致密束狀的纖維結構有明顯的破壞，荷葉粒徑變小、致密的纖維結構變得松散，在提取過程中更易于包裹、吸附水溶性成分；同時，BIDF的顆粒粒徑更小，水溶性測定時也易于溶入水中。常規粉碎和高剪切乳化粉碎處理對纖維的內質結構影響較小。荷葉纖維結構仍然相對致密，在提取過程中不易于包裹、吸附水溶性成分，故其水溶性均相對較低。同時，與IDF相比，HIDF又經過了液力剪切處理，顆粒粒徑更小，更易于在水中分散，故HIDF的水溶性略高于IDF。

圖7 荷葉IDF的水溶性Fig.7 Water soluble of lotus leaf IDF注：不同字母表示差異性顯著(P<0.05)。Note:The different letters in the same column indicate the differences are significant(P<0.05).

3 結論

本研究采用高剪切乳化技術輔助酸法提取荷葉IDF，基于單因素試驗、正交試驗優化提取工藝。結果表明，剪切轉速8 000 rpm，剪切時間4 min，酸液濃度0.25 mol/L，酸解溫度45 ℃條件下荷葉IDF得率最高，為83.84%。因荷葉原料的特殊性，剪切時間過長、剪切轉速過高，荷葉微粉會浮于上層影響剪切效果。正交實驗結果可知，在各參數的試驗范圍內，剪切轉速、剪切時間對HIDF得率的影響作用相對較小；但從后續相關物性指標來看，該條件下高剪切乳化處理對原料已有較為明顯的影響。

在食品加工中，粉碎是最常見的一種纖維改性處理方式。常規粉碎利用高速旋轉的刀片對物料進行物理剪切、破碎。行星式球磨機在轉盤上裝有磨筒，磨筒中裝有物料和研磨介質，通過在磨筒公轉和自轉作用下，磨筒中的研磨介質對物料進行沖擊和研磨[21]。這兩種設備均可處理干物料、濕物料，纖維類原料多采用干法處理。與前兩者不同，高剪切乳化技術是通過高速運動的流體在流體內部產生的剪切力對物料進行破碎，且僅能處理濕物料。近年來，高剪切乳化技術已被應用到藥物、食品研究相關的諸多領域。目前將其應在食品纖維組分的研究中相對較少，其中Ma等[13]發現高剪切乳化技術可提高孜然纖維的提取率，并對產品的功能特性有所改善。本研究結果表明，球磨式粉碎對荷葉纖維內質影響較大，而高剪切乳化處理對物料纖維內質影響較小，荷葉纖維束狀結構清晰可見。在同等粒徑條件下，球磨式粉碎處理產品的食用感官品質可能優于高剪切乳化處理。另一方面，高剪切乳化處理產品水溶性較低，具有較好的吸水膨脹性特性，利于促進胃腸蠕動，增加飽腹感減少攝食量；同時避免了其它方式在處理時因設備溫度升高、時間較長而對物料造成的影響。綜上，與其它纖維改性處理相比，高剪切乳化技術處理高纖維食品具有其獨特性，在高纖維食品的加工中具有較好的應用潛力。