金刺梨渣中膳食纖維的提取及其性質(zhì)研究

◎ 李春飛，趙 運(yùn)，張曉娟

（安順學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，貴州 安順 561000）

膳食纖維（Dietary Fibers，DF），可根據(jù)水溶性分為可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fibers，SDF）以及不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fibers，IDF）兩種。前者可以維持膳食平衡，同時(shí)還具備預(yù)防結(jié)腸癌、心血管疾病以及降低膽固醇等作用[1]。隨著人們的生活水平逐漸提升，人們開始重視日常飲食中膳食纖維的攝入量[2]。近年來，有關(guān)膳食纖維提取改性及其應(yīng)用的研究比較多，大量文獻(xiàn)報(bào)道了各類植物體內(nèi)膳食纖維的提取方法與應(yīng)用[3-6]。可以通過酶解法、微生物發(fā)酵法以及化學(xué)提取法等完成植物體內(nèi)膳食纖維的提取，其中超聲波輔助酶法相比其余方法具有更高的提取率，并且其所得膳食纖維具備較好持水力和溶脹性[7-10]。

金刺梨渣是金刺梨果肉制作果汁、果醬以及果脯等產(chǎn)品后形成的廢棄物，占鮮果重量的40%～50%，通常會(huì)被填埋或丟棄，從而導(dǎo)致大量的資源浪費(fèi)并引發(fā)環(huán)境污染。研究表明金刺梨渣中存在豐富的膳食纖維，能夠?qū)⑵湟曌魃攀忱w維的充足來源之一[11-12]。然而，關(guān)于金刺梨渣中膳食纖維的研究報(bào)道較少。本文選擇以金刺梨渣為原材料，采用超聲波輔助酶法提取其中可溶性膳食纖維，并探究料液比、酶的用量、酶解溫度、酶解時(shí)間及超聲時(shí)間對(duì)膳食纖維提取的影響，采用響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝，研究了提取的膳食纖維的理化性質(zhì)。本研究對(duì)進(jìn)一步開發(fā)富含膳食纖維的新型功能性食品，以增加金刺梨渣相關(guān)產(chǎn)業(yè)的附加經(jīng)濟(jì)效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金刺梨渣，沸水處理完成后通過鼓風(fēng)干燥、研磨粉碎，然后過60 目篩，再封于自封袋內(nèi)保存，放在干燥器內(nèi)以備后用。

纖維素酶（酶活力40 萬U·g-1）；無水乙醇、氫氧化鈉和檸檬酸均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

BO-1000Y 型多功能粉碎機(jī)，永康鉑歐五金廠產(chǎn)品；SHB-95B 型循環(huán)水式多用真空泵抽濾機(jī)，上海秋佐科學(xué)儀器有限公司；101 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，余姚市亞星儀器儀表有限公司；KQ2200V 型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；IFE28 臺(tái)式pH 計(jì)，天津賢暉科技有限公司；800D 臺(tái)式離心機(jī)，歷辰科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 提取方法

稱取2.0 g 粉碎后的金刺梨渣，記為m1，加入檸檬酸溶液以及氫氧化鈉溶液將pH 調(diào)節(jié)為7 ～8。然后再加入纖維素酶，采用超聲波輔助完成酶解，加入乙醇使其沉淀，抽濾，再經(jīng)過熱水洗滌，然后于濾液內(nèi)加入其4 倍體積乙醇完成沉淀，3 000 r·min-1離心處理20 min，離心后收集該沉淀，置于30 ～40 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重，即得可溶性膳食纖維，準(zhǔn)確稱量，記為m2，提取率計(jì)算公式為

1.3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

金刺梨渣中可溶性膳食纖維提取試驗(yàn)單因素與水平設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 單因素與水平設(shè)計(jì)表

1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取料液比、酶解時(shí)間、超聲時(shí)間3 個(gè)因素展開響應(yīng)面試驗(yàn)。參考Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選擇3 因素3 水平進(jìn)行試驗(yàn)分析，具體如表2 所示。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)表

1.3.4 理化性質(zhì)試驗(yàn)

本試驗(yàn)測(cè)定了所得金刺梨渣中可溶性膳食纖維的持水力和溶脹力。

（1）持水力測(cè)定。稱取制備的膳食纖維粉m（g）放置在燒杯內(nèi)，然后加入蒸餾水?dāng)嚢杈鶆颍⑦M(jìn)行靜置處理，借助快速濾紙完成膳食纖維多余水分的過濾工作，然后將濾紙上依舊存在的濕樣品轉(zhuǎn)移到表面皿內(nèi)進(jìn)行稱重，記為m1，然后將其進(jìn)行烘干稱重為m2。計(jì)算持水力（g·g-1）=（m1-m2）/m。

（2）溶脹力測(cè)定。稱取制備的膳食纖維粉m（g）于量筒中，其體積記錄為V1，再向其加入適量蒸餾水，充分振蕩均勻后靜置處理，此時(shí)量筒中膳食纖維的體積記錄為V2。計(jì)算溶脹力（mL·g-1）=（V2-V1）/m。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1.1 料液比對(duì)金刺梨渣膳食纖維提取率的影響

由圖1 可知，隨著料液比逐漸提高，金刺梨渣膳食纖維提取率為先上升后下降趨勢(shì)；當(dāng)料液比1 ∶10時(shí)，提取率達(dá)到最高；料液比持續(xù)增加，提取率呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，原因可能是底物與酶溶液反應(yīng)已呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，而一些可溶性膳食纖維也可能被降解。

圖1 料液比對(duì)金刺梨渣膳食纖維提取率的影響圖

2.1.2 酶用量對(duì)金刺梨渣膳食纖維提取率的影響

由圖2 可知，隨著酶用量的增加，膳食纖維提取率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。呈現(xiàn)此趨勢(shì)原因可能是初始酶用量過少，導(dǎo)致濃度過低，底物無法完全反應(yīng)，并且內(nèi)含有一些未解離淀粉，導(dǎo)致所得物含有其他成分，最終出現(xiàn)純度太低的情況，后提取率逐漸增加，意味著酶與底物能夠反應(yīng)完全，并且膳食纖維純度也有所上升。根據(jù)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)能夠了解到，當(dāng)?shù)孜餄舛缺３植蛔儠r(shí)，酶用量越多，反應(yīng)速率的增加則會(huì)逐漸下降。

圖2 酶用量對(duì)金刺梨渣膳食纖維提取率的影響圖

2.1.3 酶解時(shí)間對(duì)金刺梨渣膳食纖維提取率的影響

由圖3 可知，隨著酶解時(shí)間的增加，膳食纖維提取率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)酶解時(shí)間為50 min時(shí)，提取率處于頂峰。最開始的時(shí)候酶解時(shí)間較短，一些酶與底物反應(yīng)不完全；隨著酶解時(shí)間增加，酶與底物反應(yīng)完全，還能引發(fā)一些已提取物出現(xiàn)降解情況。

2.1.4 超聲時(shí)間對(duì)金刺梨渣膳食纖維提取率的影響

根據(jù)圖4 可知，隨著超聲時(shí)間的增加，膳食纖維提取率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)超聲波時(shí)間為15 min 時(shí)，提取率達(dá)到頂點(diǎn)，原因可能為超聲波帶來的空化以及機(jī)械振蕩作用，導(dǎo)致酶溶液與金刺梨渣二者之間發(fā)生猛烈撞擊，從而提高壓強(qiáng)，增加溶液溫度，促進(jìn)酶解，因此此時(shí)提取率最大。隨后繼續(xù)增加超聲時(shí)間，空化等持續(xù)影響導(dǎo)致已經(jīng)提取出的膳食纖維疏松化，其自然結(jié)構(gòu)遭到破壞，出現(xiàn)降解現(xiàn)象，降低了提取率。

圖4 超聲時(shí)間對(duì)金刺梨渣膳食纖維提取率的影響圖

2.1.5 酶解溫度對(duì)金刺梨渣膳食纖維提取率的影響

根據(jù)圖5 可知，隨著酶解溫度的增加，膳食纖維提取率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)酶解溫度為40 ℃時(shí)，提取率達(dá)到最高，該結(jié)果與酶促反應(yīng)速率隨溫度變化情況較為類似。由于溫度增高，酶逐漸失活，引發(fā)反應(yīng)速率下降，導(dǎo)致膳食纖維的提取率在溫度條件大于40 ℃時(shí)會(huì)由于溫度增加而下降。

圖5 酶解溫度對(duì)金刺梨渣膳食纖維提取率的影響圖

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及分析

結(jié)合1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，以金刺梨渣中膳食纖維提取率為響應(yīng)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及響應(yīng)面分析，具體方案及所得結(jié)果見表3。

表3 金刺梨渣中膳食纖維響應(yīng)面設(shè)計(jì)及結(jié)果表

通過Design-Expert 10.0.1 軟件完成表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析工作，得到二次多項(xiàng)式回歸方程為

對(duì)提取率預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差統(tǒng)計(jì)分析，如表4 所示。F值的大小是評(píng)價(jià)各變量對(duì)響應(yīng)值影響程度的重要指標(biāo)，F(xiàn)值越大，表明有關(guān)模型分量對(duì)響應(yīng)影響貢獻(xiàn)度越高。當(dāng)顯著性檢驗(yàn)概率P＜0.05 時(shí)，揭示了該變量對(duì)響應(yīng)值影響顯著，具有數(shù)理統(tǒng)計(jì)意義。由表4 可知，影響提取率的不同工藝參數(shù)按貢獻(xiàn)大小依次排序?yàn)镃＞B＞A。模型決定系數(shù)R2=0.990 8，意味著其擬合優(yōu)度較高，此外R2adj=0.978 9，反映出試驗(yàn)97.89%的響應(yīng)值變化狀態(tài)，與預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)R2pred相差較小，表明該模型具備較高預(yù)測(cè)精度。綜上可知AB、AC交互作用能夠直接影響金刺梨渣中膳食纖維提取率。結(jié)合方差分析結(jié)果可知，A2、B2、C2項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值的影響均達(dá)到極顯著水平。

表4 提取率回歸方程方差分析結(jié)果表

為準(zhǔn)確得到全局最優(yōu)解，將提取率最大視作優(yōu)化目標(biāo)，參考Design-Expert 10.0.1 軟件分析結(jié)果可知，最優(yōu)工藝條件為液料比1.000 ∶15.682（g ∶mL）、酶解時(shí)間41.127 min、超聲時(shí)間21.021 min，在此條件下模型預(yù)測(cè)的提取率為43.332%。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)節(jié)最佳條件參數(shù)分別為液料比1.0 ∶15.7（g ∶mL）、酶解時(shí)間41 min、超聲時(shí)間21 min，3 次重復(fù)，獲得平均提取率為43.50%，分析可知接近模型預(yù)測(cè)結(jié)果，意味著本試驗(yàn)方法有效可行。

2.4 理化性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)測(cè)定了所得金刺梨渣膳食纖維的持水力和溶脹力，其結(jié)果見表5。試驗(yàn)結(jié)果表明，金刺梨渣中膳食纖維持水力為1.589 9 g·g-1，溶脹力為1.863 1 mL·g-1。 與其他文獻(xiàn)中膳食纖維的持水力和溶脹力均有差異，這是由于金刺梨品種不同造成的。

表5 理化性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果表

3 結(jié)論

本文通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)，得出超聲輔助提取金刺梨渣中膳食纖維的最佳提取工藝條件為料液比1.0 ∶15.7（g ∶mL），酶用量60 μL，酶解時(shí)間41 min，超聲時(shí)間21 min，酶解溫度40 ℃，金刺梨渣中膳食纖維提取率為43.50%。當(dāng)處于最佳條件時(shí)提取得到的金刺梨渣膳食纖維持水力為1.589 9 g·g-1，溶脹力為1.863 1 mL·g-1。