芋荷梗水不溶性膳食纖維提取工藝優化

朱苗，李青山，冉會蘭，劉艷，劉慶慶，李剛鳳*

銅仁學院材料與化學工程學院（銅仁 554300）

膳食纖維被譽為“第七大營養素”，可以平衡膳食結構。根據水溶性的不同，膳食纖維可以分為水溶性膳食纖維（SDF）與水不溶性膳食纖維（IDF）[1]。有研究證明，膳食纖維具有多種功能特性，如促進胃腸道蠕動、心血管疾病、預防肥胖、降血糖、降血脂、降血壓等，對人體健康具有顯著益處[2-5]。

芋荷梗為芋頭的葉柄，含有葉綠素、氨基酸、維生素C及優質膳食纖維[6-7]，但并未得到很好利用，大量芋荷梗不僅會產生環境污染問題，也會造成大量資源浪費。因此，探索芋荷梗的有效加工利用，對于延長芋頭產業鏈、提高產業經濟效益具有重要意義。因此，以芋荷梗為原料，采用化學提取技術提取芋荷梗中IDF，采用單因素試驗和正交試驗對提取工藝進行優化，并對其功能性質進行分析，試驗結果為芋荷梗高值化利用提供理論和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

芋荷梗（市售）。氫氧化鈉、無水乙醇、鹽酸、過氧化氫（均為分析純）。

1.2 試驗儀器與設備

DHG-9070A電熱鼓風干燥箱（常州普天儀器制造有限公司）；YS-001型破壁料理機（中山市美生電器有限公司）；MAX-C30002型電子天平（深圳市無限量衡器有限公司）；HH-8型恒溫水浴鍋（金壇市新航儀器廠）。

1.3 試驗方法

1.3.1 芋荷梗的膳食纖維制備工藝流程

芋荷梗→清洗→去皮→壓碎→烘干→氫氧化鈉溶液處理→過濾→鹽酸處理→過氧化氫溶液處理→過濾→洗滌→烘干→成品

1.3.2 芋荷梗膳食纖維提取單因素試驗

選取不同堿濃度（3.0，6.0，9.0，12.0和15.0 g/L）、不同料液比（1︰5，1︰8，1︰10，1︰15和1︰20 g/mL）、不同提取溫度（45，50，55，60和65℃）和不同提取時間（20，25，30，35和40 min），以芋荷梗不溶性膳食纖維提取率為指標，進行單因素試驗。

1.3.3 正交試驗

采用正交試驗設計優化芋荷梗膳食纖維提取工藝。根據單因素試驗，運用正交試驗設計，選擇堿濃度、料液比、提取溫度、提取時間4個因素，采用四因素三水平試驗設計（見表1），進行優化芋荷梗膳食纖維的提取工藝。

表1 芋荷梗膳食纖維正交試驗設計

1.4 芋荷梗膳食纖維的功能性測定

芋荷梗膳食纖維的功能性采用持水力與溶脹性評價。

1.4.1 持水力的測定[8-9]

稱取1 g所得的芋荷梗膳食纖維粉末，放入燒杯中，加入100 mL蒸餾水，攪拌搖勻，室溫下放置24h。將吸水飽和的膳食纖維進行過濾，把含水分的膳食纖維稱質量，按式（1）計算持水力。

1.4.2 溶脹性的測定[10-12]

稱取0.5 g所得的芋荷梗膳食纖維粉末置于量筒中，加入100 mL水，搖勻，室溫下靜置24 h，讀取量筒中膳食纖維膨脹后的體積數，將膨脹后的體積除去粉末樣品質量。按式（2）計算溶脹性。

2 結果與分析

2.1 堿濃度對芋荷梗膳食纖維提取的影響

由圖1可知，隨著堿濃度增加，其對芋荷梗膳食纖維提取的影響呈現先上升后下降趨勢，是因為堿濃度過低時芋荷梗水解不完全，膳食纖維提取率低，堿濃度增加后膳食纖維組織被破壞生成小分子的多糖，提取率下降[13-14]。堿濃度6.0 g/L時膳食纖維提取率最大，為43%，所以綜合考慮，選擇堿濃度6.0 g/L為佳。

圖1 堿濃度對芋荷梗膳食纖維提取的影響

2.2 料液比對芋荷梗膳食纖維提取的影響

由圖2可知，隨著料液比增加，芋荷梗膳食纖維提取率先增加后降低。料液比小于1︰10（g/mL）時，物料與水的接觸面隨之增加，芋荷梗膳食纖維的溶解速度和溶解量也增加，提取率上升[15-16]。堿液比大于1︰10（g/mL）時，芋荷梗膳食纖維底物與酶充分反應發生水解，提取率下降[17-18]。料液比1︰10（g/mL）時，膳食纖維提取率最大，為53%，所以綜合考慮，選擇料液比1︰10（g/mL）為佳。

2.3 提取溫度對芋荷梗膳食纖維提取的影響

由圖3可見，隨著提取溫度增加，芋荷梗膳食纖維提取率先增加后減少，這是因為溫度過高，會導致芋荷梗膳食纖維發生水解，且芋荷梗膳食纖維內分子間不穩定化學鍵容易發生斷裂，從而提取率下降[19-21]。提取溫度50 ℃時膳食纖維提取率最大，為56%，所以綜合考慮，選擇提取溫度50 ℃為佳。

圖2 料液比對芋荷梗膳食纖維提取的影響

圖3 提取溫度對芋荷梗膳食纖維提取的影響

2.4 提取時間對芋荷梗膳食纖維提取的影響

由圖4可見，隨著提取時間增加，芋荷梗膳食纖維提取率先增加后減少，這是因為芋荷梗膳食纖維中存在一些溶于堿或堿性溶液的物質，隨著提取時間增加，這些物質發生水解或者溶解，導致提取率下降[22]。提取時間30 min時膳食纖維提取率最大，為58%，所以綜合考慮，選擇提取時間30 min為佳。

圖4 提取時間對芋荷梗膳食纖維提取的影響

2.5 正交試驗優化芋荷梗膳食纖維提取的最佳條件

根據單因素試驗對于芋荷梗膳食纖維提取的影響，分別選擇堿濃度（A）、料液比（B）、提取溫度（C）、提取時間（D）4個因素的3個水平，采用L9(34)正交設計對芋荷梗膳食纖維提取的條件進行優化，確定提取最佳工藝條件。正交試驗結果見表2。

從表2可以看出，影響芋荷梗膳食纖維提取的各因素主次關系順序為堿濃度（A）＞料液比（B）＞提取時間（D）＞提取時溫度（C），堿濃度影響最大，提取溫度影響最小，所以最佳工藝組合為A2B2C3D3，即堿濃度6.0 g/L、料液比1︰10（g/mL）、提取溫度50℃和提取時間30 min時膳食纖維提取率最大。

表2 正交試驗結果分析

2.6 芋荷梗膳食纖維的功能性測定

經計算，芋荷梗膳食纖維的持水力為4.01 g/g，溶脹性為8.0 mL/g。

3 結論

通過單因素試驗及正交試驗結果得出影響芋荷梗膳食纖維提取的因素順序：堿濃度（A）＞料液比（B）＞提取時間（D）＞提取溫度（C），堿濃度影響最大，提取溫度影響最小。最佳提取工藝為堿濃度6.0 g/L、料液比1︰10（g/mL）、提取溫度50 ℃和提取時間30 min。此時，膳食纖維提取率最大，持水力為4.01 g/g，溶脹性為8.0 mL/g。