洋薊膳食纖維中可溶性膳食纖維提取工藝優(yōu)化

朱仁威，徐田輝，黃 亮,*，賀 便

（1.特醫(yī)食品加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；3.稻谷及副產(chǎn)物深加工國(guó)家工程研究中心，中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大麥、小麥、豆類、大米和玉米等谷物中的膳食纖維進(jìn)行了深入研究[1]。但是對(duì)于洋薊膳食纖維少有研究，在我國(guó)，洋薊主要用于制作出口罐頭，據(jù)調(diào)查西洞庭洋薊加工廠僅利用其合格鮮果的約1/3，外面變綠苞片、兩頭切下的鮮果部分都丟掉了，次品果、廢棄果較多，所以目前洋薊的綜合利用率僅有10%[2]。如何科學(xué)挖掘洋薊加工副產(chǎn)品中的營(yíng)養(yǎng)附加值，提高洋薊的資源利用率是亟待研究的問題[3]。目前對(duì)洋薊的研究主要集中在多酚的研究上，對(duì)洋薊膳食纖維鮮有研究[4]，而洋薊中膳食纖維含量豐富且為優(yōu)質(zhì)纖維[5]。因此，對(duì)洋薊加工的副產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)利用，既能提高洋薊深加工產(chǎn)品的附加值，延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈，又可以變廢為寶，改善環(huán)境污染問題，對(duì)提高人民的健康水平具有現(xiàn)實(shí)意義[6]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）的研究相當(dāng)全面，SDF 具有非常廣泛和很重要的生理功能，不僅可以顯著影響碳水化合物和脂質(zhì)的代謝[7]，而且還可以吸附重金屬離子和膽固醇，SDF 含量的多少是影響膳食纖維生理功能的重要因素。然而，許多天然植物中膳食纖維品質(zhì)較低，SDF 含量只有3%～4%，不能達(dá)到高品質(zhì)的膳食纖維SDF 含量≥10%的要求，沒有良好的生理活動(dòng)和保健功能，無法滿足現(xiàn)代食品醫(yī)藥、食品開發(fā)與加工的需要[8]。

超微粉碎-高壓均質(zhì)復(fù)合改性是課題組研究以來[9]，發(fā)現(xiàn)的一種穩(wěn)定且高效能夠?qū)ρ笏E膳食纖維進(jìn)行改性的方法。通過兩種物理復(fù)合改性的方法，使洋薊膳食纖維中的不可溶性膳食纖維（IDF）更多的被改性為SDF，最高能夠使其SDF 的得率從原有的7%左右提高到20%左右[10]。王兆升等[11]的研究結(jié)果表明麥麩在經(jīng)過加酸擠壓改性后，其SDF 含量提高了80.93%；付曉康等[12]研究結(jié)果表明米糠膳食纖維經(jīng)過蒸汽爆破-超微粉碎改性后，其SDF 得率分別提高了2.28 和2.77 倍；張洪微等[13]研究結(jié)果表明小麥麩皮膳食纖維經(jīng)擠壓膨化、纖維素酶以及擠壓-酶法三種改性的方法后，小麥麩皮膳食纖維的理化性質(zhì)顯著增強(qiáng)。

本研究以高能納米沖擊磨對(duì)洋薊膳食纖維進(jìn)行預(yù)處理后，再對(duì)其進(jìn)行高壓均質(zhì)改性處理，考察均質(zhì)壓力、均質(zhì)溫度和物料濃度對(duì)洋薊SDF 得率的影響[14]，在此基礎(chǔ)上采用Box-Behnken 設(shè)計(jì)響應(yīng)面法優(yōu)化了提取工藝條件，使洋薊SDF 得率更高，并對(duì)建立的模型進(jìn)行了分析，為洋薊SDF 的提取與規(guī)模化應(yīng)用提供了參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

洋薊變綠苞片、兩頭切下的鮮果部分 湖南省常德市惠美農(nóng)業(yè)科技有限公司洋薊罐頭加工過程廢棄料；MES-TRIS 緩沖液 分析純，南京建成生物工程研究所；95%乙醇溶液 分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；氫氧化鈉 分析純，西隴科學(xué)股份有限公司；鹽酸溶液 分析純，株洲市星空化玻有限責(zé)任公司；堿性蛋白酶200 U/mg、熱穩(wěn)定α-淀粉酶4 萬U/g、糖化酶10 萬U/g 上海源葉生物科技有限公司；乙酸溶液 分析純，天津市化學(xué)試劑研究所有限公司；除以上試劑外，其余試劑純度均為分析純。

SHA-B 恒溫振蕩水浴箱 常州智博瑞儀器制造有限公司；美國(guó)PHD 高壓均質(zhì)機(jī) 美國(guó)PhD 科技有限公司；CJM-SC-A 高能納米沖擊磨 秦皇島市太極環(huán)納米制品有限公司；DHG-92425A 鼓風(fēng)干燥箱上海燈晟儀器有限公司；A-1000S 真空抽濾機(jī)上海古北儀表廠；FDV 氣引式粉碎機(jī) 佑麒機(jī)械有限公司；DF-Ⅱ集熱式磁力加熱攪拌器 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；賽默飛IS20 傅里葉變換紅外光譜儀 美國(guó)熱電公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原料預(yù)處理及改性工藝 將洋薊變綠苞片、兩頭切下的鮮果部分用烘干機(jī)烘到恒重后，采用AOAC 991.43 的方法提取總膳食纖維，經(jīng)-80 ℃超低溫冰箱冷凍24 h，將制得的冷凍樣品置于高能納米沖擊磨中，材料比為洋薊:鋯球=1:4，粉碎8 h 后置于密閉容器內(nèi)保存[15]。將制得的原料采用高壓均質(zhì)的方法進(jìn)行改性，改性采用一定的均質(zhì)壓力、物料濃度以及均質(zhì)溫度。改性后再通過國(guó)標(biāo)AOAC991.43 的方法提取可溶性膳食纖維，通過單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到洋薊可溶性膳食纖維最佳的提取工藝。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1 高壓均質(zhì)壓力對(duì)洋薊 SDF 得率的影響 洋薊膳食纖維經(jīng)高能納米沖擊磨后，再經(jīng)高壓均質(zhì)進(jìn)行改性，考察均質(zhì)壓力對(duì)洋薊SDF 得率的影響：取物料濃度（洋薊與水的比例）1.5%，均質(zhì)溫度30 ℃，分別在均質(zhì)壓力為60、70、80、90、100 MPa 條件下均質(zhì)2 次，以洋薊SDF 得率為指標(biāo)，確定最適洋薊SDF提取的均質(zhì)壓力[14]。

1.2.2.2 均質(zhì)溫度對(duì)洋薊SDF 得率的影響 取物料濃度為1.5%，均質(zhì)壓力為60 MPa，分別在均質(zhì)溫度為30、35、40、45、50 ℃條件下均質(zhì)2 次，以洋薊SDF得率為指標(biāo)，確定最適洋薊SDF 提取的均質(zhì)溫度。

1.2.2.3 物料濃度對(duì)洋薊SDF 得率的影響 取均質(zhì)壓力60 MPa，均質(zhì)溫度為30 ℃，分別在物料濃度為1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%條件下均質(zhì)2 次，以洋薊SDF 得率為指標(biāo)，確定最適洋薊SDF 提取的物料濃度[16]。所有洋薊SDF 的提取與得率計(jì)算均采用AOAC991.43 的方法。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化洋薊SDF 提取工藝 依據(jù)單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇均質(zhì)壓力、均質(zhì)溫度以及物料濃度3 因素為自變量，以洋薊SDF 得率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken 設(shè)計(jì)進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)，完整的試驗(yàn)由17 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)組成[17]。響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素與水平如表1 所示。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Design factors and levels of response surface test

1.2.4 不同處理對(duì)膳食纖維的影響

1.2.4.1 樣品制備 超微粉碎處理組采用高能納米沖擊磨進(jìn)行粉碎制得洋薊膳食纖維（進(jìn)料比洋薊:鋯球=1:4，粉碎8 h）；高壓均質(zhì)處理組采用普通氣引式粉碎機(jī)粉碎制得洋薊膳食纖維（粉碎時(shí)間2 min）；復(fù)合改性處理組采用高能納米沖擊磨結(jié)合高壓均質(zhì)機(jī)復(fù)合改性制得洋薊膳食纖維（高能納米沖擊磨進(jìn)料比洋薊:鋯球=1:4，粉碎8 h；高壓均質(zhì)機(jī)均質(zhì)溫度41 ℃、均質(zhì)壓力97 MPa、物料濃度2.5%）。

1.2.4.2 洋薊膳食纖維成分測(cè)定 分別采用國(guó)標(biāo)方法（GB 5009.3-2016；GB 5009.5-2016；GB 5009.6-2016；GB 5009.4-2016；GB 5009.88-2014）對(duì)各組洋薊膳食纖維組分（水分、蛋白質(zhì)、粗脂肪、粗灰分、膳食纖維）進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4.3 近紅外光譜分析 采用傅里葉變化紅外光譜儀對(duì)洋薊膳食纖維官能團(tuán)進(jìn)行測(cè)定，觀察其復(fù)合改性前后C-H 鍵、C=O 鍵、H-O-H 鍵、CH2鍵、C-O鍵等特殊吸收峰是否發(fā)生變化[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均為3 次平行測(cè)定值，作圖采用Origin 8.0 軟件，數(shù)據(jù)分析采用SPSS 軟件進(jìn)行，P＜0.01 為極顯著差異；P＜0.05 為顯著差異；P≥0.05 為差異不顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素分析

2.1.1 均質(zhì)壓力對(duì)洋薊SDF 得率的影響 均質(zhì)壓力對(duì)洋薊SDF 得率的影響見圖1，由圖1 可見，隨著均質(zhì)壓力的提高，洋薊SDF 得率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)均質(zhì)壓力為90 MPa 時(shí)洋薊SDF 得率最高，為21.37%。這可能是因?yàn)檠笏E經(jīng)高能納米沖擊磨前處理后，其粒徑減小，再經(jīng)高壓處理產(chǎn)生的高速碰撞和剪切作用，使洋薊膳食纖維緊密的表層破碎，從而組織松散，更多的親水集團(tuán)得以暴露，使其洋薊SDF 的得率顯著增加[19]。但高于90 MPa 時(shí)洋薊SDF 的得率有所下降，可能是因?yàn)閴毫^大，對(duì)洋薊膳食纖維的結(jié)構(gòu)影響較大，導(dǎo)致洋薊SDF 得率變小，具體原因還需進(jìn)一步的研究。丁莎莎等[10]研究結(jié)果表明，當(dāng)高壓均質(zhì)壓力在30 MPa 時(shí)，油橄欖果渣中IDF 的結(jié)構(gòu)更加疏松，且部分出現(xiàn)斷裂和破碎，得到更多的SDF，本文初步的研究結(jié)果顯示均質(zhì)壓力在90 MPa時(shí)SDF 得率最高，可能是由于材料的差異性導(dǎo)致了最佳均質(zhì)壓力的不同[10]。

圖1 均質(zhì)壓力對(duì)洋薊SDF 得率的影響Fig.1 Effect of homogenization pressure on the yield of SDF of artichoke

2.1.2 均質(zhì)溫度對(duì)洋薊SDF 得率的影響 均質(zhì)溫度對(duì)洋薊SDF 得率的影響見圖2，由圖2 可見，隨著均質(zhì)溫度的升高，洋薊SDF 得率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)均質(zhì)溫度為40 ℃時(shí)，洋薊SDF 得率最高，達(dá)到19.96%。這可能是因?yàn)楫?dāng)溫度逐漸升高時(shí)，洋薊顆粒在逐漸加溫時(shí)變軟，更利于高壓均質(zhì)。當(dāng)溫度過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致物料顆粒的膨脹，造成碰撞勢(shì)能減少，從而降低均質(zhì)的效果。陳慕瑩等[20]研究結(jié)果表明，當(dāng)均質(zhì)溫度在31 ℃時(shí)納米竹筍膳食纖維提取效果最好。本文研究的最適溫度為40 ℃，造成這種差異的原因可能是因?yàn)殛惸浆摬捎昧烁?xì)小的納米級(jí)竹筍膳食纖維，相較于本文的原料，其粒徑更小，從而均質(zhì)過程中接觸面更大，不需要太高的溫度也可以很大程度提升膳食纖維的得率[20]。

圖2 均質(zhì)溫度對(duì)洋薊SDF 得率的影響Fig.2 Effect of homogenization temperature on the yield of SDF of artichoke

2.1.3 物料濃度對(duì)洋薊SDF 得率的影響 物料濃度對(duì)洋薊SDF 得率的影響見圖3，由圖3 可見，隨著物料濃度的增加，洋薊SDF 得率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)物料濃度為2.5%時(shí)，洋薊SDF 得率最高，達(dá)到19.97%。這可能是因?yàn)樵谝欢ǖ木|(zhì)條件下，隨著物料濃度的增加，顆粒之間的碰撞力度增大，使其暴露出更多的親水基團(tuán)，使其SDF 的含量增加。當(dāng)物料濃度大于2.5%時(shí)，可能會(huì)使均質(zhì)液中的膠狀物質(zhì)聚集形成大顆粒，不利于后面SDF 的提取，所以洋薊SDF 得率呈下降趨勢(shì)。Tangsuphoom 等[21]研究結(jié)果表明，當(dāng)物料濃度達(dá)到一定值時(shí)，乳液中所含有的乳狀物會(huì)重新聚集形成聚集物，不利于均質(zhì)過程。雖然與本文的研究對(duì)象不同，但也為本文的研究方法提供了一定的參考，具體的原因還需進(jìn)一步的研究和討論[21]。

圖3 物料濃度對(duì)洋薊SDF 得率的影響Fig.3 Effect of material concentration on the yield of SDF of artichoke

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化洋薊SDF 提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)，以洋薊SDF 得率為響應(yīng)值（Y），均質(zhì)壓力（A），物料濃度（B），均質(zhì)溫度（C）為因素，按照Box-Behnken 設(shè)計(jì)試驗(yàn)，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，優(yōu)化洋薊SDF 提取工藝，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

2.2.2 響應(yīng)面回歸模型及方差分析 利用Design-Expert V8.0.6 軟件對(duì)表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合和方差分析。擬合的二次多項(xiàng)式回歸方程為：

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 2 Response surface design and results

Y=-334.468+4.480A+57.420B+4.018C-0.085A B+0.016AC+0.245BC-0.027A2-11.872B2-0.076C2

從回歸方程系數(shù)可以看出，各因素對(duì)響應(yīng)面影響的大小順序?yàn)椋篈（均質(zhì)壓力）＞C（均質(zhì)溫度）＞B（物料濃度）。對(duì)回歸模型的方差分析結(jié)果見表3。

由表3 方差分析可知，試驗(yàn)擬合的二次多項(xiàng)回歸具有高度的顯著性（P＜0.001），模型失擬項(xiàng)P=0.1557＞0.05，不顯著，說明建模成功，試驗(yàn)結(jié)果可用該模型描述。模型的決定系數(shù)R2=0.9726，說明響應(yīng)值的變化有97.26%來源于所選因素，該模型與實(shí)際情況接近，試驗(yàn)擬合程度良好，能夠充分反應(yīng)各因素與響應(yīng)值的關(guān)系。變異系數(shù)CV=3.48%＜5%，說明模型的置信度較高，重現(xiàn)性較好，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理。從各因素F值得大小可知，各因素對(duì)洋薊SDF 得率得影響順序?yàn)椋壕|(zhì)壓力＞均質(zhì)溫度＞物料濃度，這與利用模型方程系數(shù)分析的結(jié)果一致。

表3 方差分析表Table 3 Variance analysis table

2.2.3 因素間交互作用分析 根據(jù)回歸方程得出不同因素交互作用的響應(yīng)面分析圖以及等高線圖如圖4 所示。觀察各因素間相互作用的響應(yīng)面圖形，若響應(yīng)曲面坡度越彎曲，則說明響應(yīng)值對(duì)于該因素的改變就顯得越敏感，相反則越遲鈍；同時(shí)，等高線的形狀也可直接反映出兩兩因素交互作用的強(qiáng)度，等高線圖形越接近橢圓則表示交互作用越顯著，反之則不顯著。從圖4 可以直接看出，3 個(gè)曲面坡度都陡，說明均質(zhì)壓力（A）、物料濃度（B）和均質(zhì)溫度（C）對(duì)洋薊SDF 的提取率影響大；由圖4 中等高線圖可以知，均質(zhì)壓力與物料濃度（AB）交互作用不大，均質(zhì)壓力與均質(zhì)溫度（AC）交互作用比較大，因素影響和交互作用與模型方差分析的結(jié)果較為一致。

圖4 各因素交互作用的響應(yīng)面圖與等高線圖Fig.4 Response surface plot and contour plot of interaction of various factors

2.2.4 最佳工藝條件與驗(yàn)證 根據(jù)擬合模型方程得到洋薊SDF 提取的最佳條件為：均質(zhì)壓力96.71 MPa，物料濃度2.5%，均質(zhì)溫度40.98 ℃，該條件下擬合得到的洋薊SDF 得率為20.70%。根據(jù)實(shí)際情況將工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得出均質(zhì)壓力為97 MPa，物料濃度為2.5%，均質(zhì)溫度為41 ℃。在此條件下進(jìn)行3 次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，該條件下洋薊SDF 得率平均值為20.13%，由回歸方程計(jì)算得到洋薊SDF 得率為20.51%，與理論預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為1.8%，表明實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間具有良好的擬合性，驗(yàn)證了擬合模型的可行性。

2.2.5 組分分析 從表4 數(shù)據(jù)可得出，經(jīng)過超微粉碎-高壓均質(zhì)復(fù)合改性后，其SDF 含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未經(jīng)處理洋薊膳食纖維組以及單一處理組，同時(shí)對(duì)其內(nèi)部所含的水分、蛋白質(zhì)、粗脂肪以及灰分等含量影響不大。這與周麗媛等[22]采用超微粉碎、超高壓以及擠壓膨化等3 種方法改性黑小麥麩皮可溶性膳食纖維得到的結(jié)果基本吻合。

表4 洋薊膳食纖維成分表（g/100 g）Table 4 Artichoke dietary fiber composition table (g/100 g)

2.2.6 傅里葉紅外光譜儀分析復(fù)合改性前后洋薊膳食纖維官能團(tuán)變化 由圖5 可知，紅外光譜圖中波數(shù)3400 cm-1附近寬的吸收峰為分子內(nèi)羥基-OH 伸縮振動(dòng)峰，由于在洋薊膳食纖維大分子中，每個(gè)基環(huán)都有3 個(gè)醇羥基，因此洋薊膳食纖維分子鏈鍵與表面水分子能夠形成氫鍵[23]，CM-ADF 樣品的羥基峰寬且峰強(qiáng)度有所上升。2923～2927 cm-1處的吸收峰歸屬于脂肪族對(duì)稱的C-H 鍵彎曲振動(dòng)峰引起，波數(shù)為1735 cm-1附近的峰歸屬于與半纖維素相關(guān)的酯類羰基C=O 的伸縮振動(dòng)峰[24]，CM-ADF 樣品對(duì)比其他三組樣品峰強(qiáng)明顯增強(qiáng)。1629～1639 cm-1處的吸收峰為吸附水的H-O-H 彎曲振動(dòng)峰，1417～1421 cm-1處的峰為纖維素中CH2彎曲振動(dòng)峰。1375 cm-1附近的峰歸屬于脂肪族不對(duì)稱的C-H 鍵彎曲振動(dòng)峰，1321～1324 cm-1處的吸收峰歸屬于碳水化合物CH2的彎曲振動(dòng)峰，1047～1053 cm-1處的峰為碳水化合物中C-O 的伸縮振動(dòng)峰。604～617 cm-1附近是C-H的面內(nèi)搖擺。在1530 cm-1附近沒有木質(zhì)素的特征吸收峰出現(xiàn)，說明四組樣品都不含木質(zhì)素。以上分析可得，經(jīng)過改性處理后，洋薊膳食纖維具有C-H 鍵、C=O 鍵、H-O-H 鍵、CH2鍵、C-O 鍵等特殊吸收峰，沒有新的吸收峰出現(xiàn)，固改性對(duì)洋薊膳食纖維的化學(xué)成分沒有影響，但是四組樣品中，CM-ADF 相比于其他三組樣品，其烷基和含氧官能團(tuán)峰強(qiáng)逐漸增加，可能說明采用復(fù)合改性的方法比采用單一的改性方法在可溶性膳食纖維的轉(zhuǎn)化率上更好，這些發(fā)現(xiàn)與牛希等采用超聲改性處理燕麥膳食纖維結(jié)果一致[25]。

圖5 傅里葉光譜儀分析圖Fig.5 Fourier spectrometer analysis chart

3 結(jié)論

將洋薊膳食纖維經(jīng)高能納米球磨儀預(yù)處理后，再經(jīng)高壓均質(zhì)單因素實(shí)驗(yàn)，以均質(zhì)壓力、物料濃度與均質(zhì)溫度為因素，采用響應(yīng)面優(yōu)化了洋薊SDF 得率工藝。結(jié)果表明，經(jīng)高能納米球磨預(yù)處理后，影響洋薊SDF 得率的因素的大小順序?yàn)椋壕|(zhì)壓力＞均質(zhì)溫度＞物料濃度，優(yōu)化的洋薊SDF 提取最佳工藝條件：均質(zhì)壓力為97 MPa，物料濃度為2.5%，均質(zhì)溫度為41 ℃。在該工藝下，經(jīng)超微粉碎-高壓均質(zhì)復(fù)合改性洋薊膳食纖維的可溶性膳食纖維的得率遠(yuǎn)高于未經(jīng)處理或單一處理的洋薊膳食纖維。傅里葉紅外分析結(jié)果表明，經(jīng)超微粉碎-高壓均質(zhì)復(fù)合改性洋薊膳食纖維中的烷基和含氧官能團(tuán)峰強(qiáng)逐漸增加，說明復(fù)合改性相對(duì)于單一形式的改性，其對(duì)洋薊膳食纖維中可溶性膳食纖維的轉(zhuǎn)化率具有積極影響，但未能對(duì)其進(jìn)行定量分析，后期還需做進(jìn)一步的研究。