優化黑果腺肋花楸果渣不可溶性膳食纖維的提取工藝

張卉，劉姝含，楊楠楠，臧淑艷

1. 沈陽化工大學制藥與生物工程學院（沈陽 110142）；2. 沈陽化工大學理學院（沈陽 110142）

黑果腺肋花楸（Aronia prunifolia‘Viking’）又名不老莓，原產于北美，是集食用、藥用、園林和生態價值于一身的珍貴樹種[1]。20世紀90年代，我國引入黑果腺肋花楸，并在遼寧、吉林等地大面積推廣種植[2]。黑果腺肋花楸的果實營養豐富，還富含花青素、多酚、黃酮等生物活性成分[3-4]，具有保肝、降血糖、防治心腦血管疾病等功效[5-6]，是果汁、果酒及功能性食品生產的優質原料。在黑果腺肋花楸的加工過程中會產生大量的果渣，由于其單寧含量高，不宜當飼料處置，只能作為廢料丟棄而造成資源的浪費。本項目組前期的研究發現，黑果腺肋花楸果渣中含有豐富的膳食纖維，其中主要為不可溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber fromAronia prunifoliapomace，APIDF）。近年來，膳食纖維因其抗腫瘤、降低膽固醇、調節血糖和預防肥胖等功能特點而受到消費者和食品生產企業的關注[7]。未來，膳食纖維作為功能性食品配料和添加劑，在食品、藥品等領域有廣闊的應用前景。

膳食纖維提取的常用方法有化學法、酶法和酶-化學法等。化學法生產成本低，操作簡單，但制得的膳食纖維產品欠佳，工業上會造成污染[8]。采用酶法制備膳食纖維時，雖然生產成本略高于化學法，但制得的膳食纖維沒有溶劑殘留，對環境污染少[9]。酶-化學法提取條件較溫和，提取出的膳食纖維具有純度較高等優點[10]。目前膳食纖維的提取主要以大豆、花生殼、麥麩和一些水果皮渣為原料，關于黑果腺肋花楸膳食纖維的研究尚未見報道。因此，研究黑果腺肋花楸不可溶性膳食纖維的提取工藝，將為進一步進行其功能性、改性方法等方面的研究，以及開發功能性食品奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑果腺肋花楸果渣，遼寧華益農業開發有限公司；耐酸耐高溫α-淀粉酶，酶活力2萬 U/mL，浙江瑪雅試劑有限公司；糖化酶，酶活力10萬 U/mL，上海源葉生物科技有限公司；木瓜蛋白酶，酶活力＞800 U/mg BR，浙江瑪雅試劑有限公司；氫氧化鈉，分析純，西隴化工股份有限公司。

A11BS25型分析用研磨機，德國IKA公司；DZF-6050SA真空干燥箱，上海譜振生物有限公司；KH-250B超聲波清洗器，昆山禾創超聲儀器有限公司；T200Y型電子天平，昆山天金崗金屬制品有限公司；HHS-S型電子恒溫不銹鋼水浴鍋，上海康路儀器裝備有限公司；TDZ5-WS離心機，長沙平凡儀器儀表有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 APIDF提取工藝流程

黑果腺肋花楸果渣→水洗→干燥、粉碎→過篩（篩孔尺寸0.425 mm）→復合酶酶解→高溫滅酶→水洗→堿液處理→水洗→干燥→粉碎樣品→APIDF

1.2.2 單因素試驗

以復合酶添加量300 μL/g、復合酶酶解時間90min、氫氧化鈉質量濃度3%、氫氧化鈉液料比20∶1（mL/g）為基本條件，通過改變單一因素來探討其對APIDF提取率的影響。復合酶添加量分別為100，200，300，400和500 μL/g；復合酶酶解時間分別為30，60，90，120和150 min；氫氧化鈉質量濃度分別為1%，3%，5%和7%；氫氧化鈉液料比分別為15∶1，20∶1，25∶1和30∶1（mL/g）。

1.2.3 響應面優化試驗

在單因素試驗結果的基礎上，根據Box-Behnken試驗設計原理，采用Design-Expert 8.06軟件，以APIDF提取率為響應值進行響應面優化。響應面因素和水平見表1。

表1 響應面因素和水平表

1.2.4 APIDF測定方法

按照GB/T 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》方法進行檢測。

1.2.5 APIDF提取率的計算

APIDF提取率=MIDF（干質量，g）×100%/M黑果腺肋花楸果渣（干質量，g） （1）

1.3 數據分析

通過SPSS 17.0軟件對數據進行方差分析，試驗結果采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 復合酶添加量對APIDF提取率的影響

由圖1可知，隨著復合酶添加量的增加，APIDF提取率先增加后降低。當復合酶添加量為200 μL/g時，APIDF提取率最高。原因是混合酶添加量過低，會使淀粉水解不完全；混合酶添加量過高，會使部分半纖維素等溶出，造成提取率下降[11]。

圖1 復合酶添加量對APIDF提取率的影響

2.1.2 復合酶酶解時間對APIDF提取率的影響

由圖2可知，隨著酶解時間的增加，APIDF的提取率先增加后降低。當酶解時間為90 min時，提取率達到最高。原因是隨著酶解時間的增加，復合酶與底物反應充分，但較長時間的處理可能會使半纖維素等發生水解，從而導致APIDF提取率下降。

圖2 復合酶酶解時間對APIDF提取率的影響

2.1.3 氫氧化鈉質量濃度對APIDF提取率的影響

由圖3可知，隨著氫氧化鈉質量濃度的增加，提取率呈現先升高后降低的趨勢。當氫氧化鈉質量濃度為3%時，提取率最高。原因在于，當氫氧化鈉質量濃度過低時，堿液水解不完全；當濃度超過一定值時，纖維素物質間的氫鍵容易斷裂，提取出來的纖維素類物質變成堿纖維素[12]，使不可溶性膳食纖維的純度降低。此外，隨著處理時間的延長，不可溶性膳食纖維部分降解，生成水溶性低聚糖或單糖。二者皆會導致APIDF提取率下降[13]。

圖3 氫氧化鈉質量濃度對APIDF提取率的影響

2.1.4 氫氧化鈉液料比對APIDF提取率的影響

由圖4可知，隨著氫氧化鈉液料比的增加，IDF的提取率呈下降趨勢。原因在于液料比過大時，裸露的纖維素會發生部分水解[14]，造成提取率的下降。

圖4 氫氧化鈉液料比對APIDF提取率的影響

2.2 響應面優化試驗結果

2.2.1 回歸模型的構建及方差分析

APIDF提取結果見表2，回歸方差分析見表3。擬合所得的多元二次回歸方程為Y=53.36+1.73A-2.82B-0.47C-1.72D-0.34AB+0.55AC-3.5AD+2.34BC-5.04BD-1.71CD-4.13A2-3.72B2-4.20C2-5.48D2。

由表3可知，該回歸模型達到極顯著水平（p＜0.01），說明該方法是可靠的；失擬項不顯著，R2=0.949 9，表明此模型的擬合程度良好，APIDF提取率可以用該模型進行分析和預測。通過對比表3中的F值可以看出，影響APIDF提取率的主次順序為B＞A＞D＞C，即氫氧化鈉質量濃度＞復合酶添加量＞氫氧化鈉作用溫度＞氫氧化鈉液料比。

表2 響應面試驗設計和試驗結果

2.2.2 各因素之間的交互作用

根據回歸方程作出各兩因素交互作用的響應面分析圖，如圖5所示。氫氧化鈉質量濃度（B）和氫氧化鈉作用溫度（D）、復合酶添加量（A）和氫氧化鈉作用溫度（D）交互作用對APIDF提取率的影響極顯著；氫氧化鈉質量濃度（B）和氫氧化鈉液料比（C）交互作用對APIDF提取率的影響顯著。

表3 回歸模型方差分析表

圖5 各兩因素交互作用的響應面

2.2.3 最優條件的確定及驗證試驗

用Design-Expert 8.06軟件對二次多項式回歸方程進行計算，得到APIDF的最優制備工藝條件：混合酶添加量220 μL/g，堿液質量濃度2.12%，液料比14.2∶1（mL/g），堿解溫度50 ℃。IDF提取率的理論最優值為55.37%。參照此條件進行驗證試驗，IDF的提取率為57.23%，與理論值的相對誤差為1.86%，純度為90.35%，說明該方法具有一定的實際可操作性。

3 討論與結論

膳食纖維作為人體健康必不可少的一類營養素，具有十分重要的研究價值和廣泛的應用前景[15]，而膳食纖維的提取是其進一步應用的基礎。程水明等[16]采用化學法提取桑椹果渣IDF，其提取率為28.77%。許曉娟等[17]采用化學法提取藍莓果渣IDF，其提取率為41.06%。程明明[18]采用酶-化學法提取西番蓮果皮IDF，其提取率為54.93%。周賀霞等[19]采用酶法提取地瓜渣IDF，其提取率為55.77%。

此次試驗采用復合酶-堿法提取APIDF，得到APIDF最佳提取條件為復合酶添加量220 μL/g，堿液質量濃度2.12%，液料比14.2∶1（mL/g），氫氧化鈉作用溫度50 ℃。在此條件下，APIDF提取率為57.23%，其純度可達90.35%。可見通過此方法提取所得的提取率較好。迄今為止，仍鮮見到國內外文獻對黑果腺肋花楸果渣不可溶性膳食纖維的提取工藝研究的報道。此次試驗為進一步研究黑果腺肋花楸膳食纖維理化性質和改性奠定了基礎，也為黑果腺肋花楸加工副產物的資源化利用提供了新思路。