苦蕎麥殼不溶性膳食纖維的理化性能及其結合酚提取工藝優化

潘 宇，丁一鳴，李向榮，亢柳璇，張艷艷，王晶晶,*

（1.錦州醫科大學食品與健康學院，遼寧 錦州 121000；2.遼寧智慧安鮮物聯網科技有限公司，遼寧 沈陽 110000；3.遼寧通正檢測有限公司，遼寧 沈陽 110000）

苦蕎麥（Fagopyrum tataricum(L.)Gaertn）為蓼科蕎麥屬雙子葉植物，又名花角麥、三角麥等，是一種“假谷物”[1]?？嗍w麥在我國分布廣泛，其加工副產物蕎麥殼因富含多種營養素、膳食纖維及黃酮類、酚酸類化合物等生物活性物質，而備受研究者關注[2-4]。研究表明，蕎麥殼具有潤腸通便、抗氧化、預防高血壓和糖尿病等保健功效[5-6]。近年來，國內外學者對苦蕎麥中的膳食纖維和游離態多酚進行了大量的研究，但對膳食纖維中的結合酚鮮有報道[7-10]。膳食纖維和多酚類物質可以采用物理、化學反應通過氫鍵、范德華力和疏水作用等非共價形式結合[11]。Dong等[12]研究表明，胡蘿卜膳食纖維結合酚具有很好的抗氧化能力。Zheng 等[13]發現，綠豆皮膳食纖維結合酚對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶有抑制作用。值得關注的是，Guo 等[14]發現，全麥谷物中不溶性膳食纖維結合酚的抗氧化能力強于可溶性膳食纖維結合酚。Zhu 等[15]研究了微粉化技術對蕎麥殼膳食纖維理化性質的影響，結果表明，微粉化可以改善膳食纖維理化性質。結合酚的提取方法主要有化學法和酶法，化學法涉及強酸、強堿、高溫，會造成結合酚的損失，而溫和且有效的酶法較好地避免了這個問題。張金宏等[16]對比了3種水解方法對蘋果渣結合酚單體酚含量的影響，結果表明，酶法提取12 種單體酚效果最佳。綜上可知，結合酚具有潛在的功能特性，而且不同處理方法會影響其理化性質和功能性。本文以苦蕎麥殼為原料，以不溶性膳食纖維得率和結合酚含量為指標，對結合酚的提取工藝進行了優化，并評價了其理化性質，以期為苦蕎麥殼的綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

苦蕎麥殼，市售；纖維素酶（2 000 U/g）、木瓜蛋白酶（20 000 U/g），北京鴻潤寶順科技有限公司；α-淀粉酶（40 000 U/g）、沒食子酸（純度≥98%），索萊寶生物科技有限公司；碳酸鈉、氫氧化鈉、鹽酸、福林酚等均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

GL20M 高速冷凍離心機，湖南赫西儀器裝備有限公司；SHA-B水浴恒溫振蕩器，金壇市科技儀器有限公司；XD-52AA旋轉蒸發器，上海賢德實驗室儀器有限公司；UV-5100B 紫外可見分光光度計，上海分析儀器有限公司；Mira 3 掃描電鏡，泰思肯貿易（上海）有限公司。

1.2 方法

1.2.1 苦蕎麥殼不溶性膳食纖維結合酚（F-DFPP）提取工藝流程

苦蕎麥殼→預處理→不同方法提取不溶性膳食纖維（IDF）→苦蕎麥不溶性膳食纖維（F-IDF）→纖維素酶酶解→鹽酸中和→萃取→F-DFPP

1.2.2 苦蕎麥殼粉的制備

將苦蕎麥殼在60 ℃下烘干至恒重，粉碎，過60目篩，備用。

1.2.3 苦蕎麥殼不溶性膳食纖維的提取

1.2.3.1 酸法提取

參考武陽等[17]的方法，稱取5 g苦蕎麥殼粉，按照1∶15（g/mL）的料液比加入0.1 mol/L 的HCl 溶液，在50 ℃的恒溫水浴中振蕩酸解2 h。離心分離，濾渣用蒸餾水洗滌至中性，50 ℃干燥至恒重，檢測F-IDF得率和結合酚含量。

1.2.3.2 堿法提取

參考林偉達等[18]的方法，稱取5 g樣品，按照1∶15（g/mL）的料液比加入1%的NaOH 溶液，在50 ℃的恒溫水浴中振蕩堿解2 h。離心分離，濾渣用蒸餾水洗滌至中性，50 ℃干燥至恒重，檢測F-IDF得率和結合酚含量。

1.2.3.3α-淀粉酶-木瓜蛋白酶復合酶法提取

參考丁政宇等[19]的方法，稱取5 g樣品，按照1∶15（g/mL）的料液比加入pH 為6 的水溶液，加入1%的α-淀粉酶，在80 ℃的恒溫水浴中振蕩酶解50 min，冷卻至50 ℃，再加入1%的木瓜蛋白酶，于50 ℃條件下酶解50 min。85 ℃水浴滅酶10 min 后離心分離，濾渣用蒸餾水洗滌至中性，50 ℃干燥至恒重，檢測FIDF得率和結合酚含量。

1.2.4 F-IDF理化性質測定

1.2.4.1 持水性

參考Zhang等[20]的方法稍作修改。準確稱取1.0 g F-IDF 于50 mL 的離心管中，向其中加入25 mL 的蒸餾水充分混勻，室溫反應2 h后離心測定其質量。持水性計算公式如下：

1.2.4.2 持油性

參考Zhang等[20]的方法稍作修改。準確稱取1.0 g F-IDF 于50 mL 的離心管中，向其中加入25 mL 豆油充分混勻，室溫反應2 h后離心測定其質量。計算公式如下：

1.2.4.3 膨脹力

參考郭婭[21]的方法稍作修改。準確稱取F-IDF 0.5 g，放入10 mL的刻度試管中，加入10 mL蒸餾水，充分混勻，室溫反應24 h后離心稱重。計算公式如下：

1.2.5 F-DFPP提取工藝的優化

參考Peng 等[22]的方法，稍作修改。分別稱取上述3 種方法獲得的苦蕎麥殼不溶性膳食纖維5 g，在60 ℃條件下，用超聲波輔助纖維素酶法對F-DFPP提取，3 500 r/min 離心10 min，上清液用6 mol/L 鹽酸溶液調節pH至中性，乙酸乙酯萃取3次收集萃取液，45 ℃下真空濃縮到一定體積，檢測結合酚含量。

1.2.5.1 單因素試驗設計

固定料液比為1∶20（g/mL），纖維素酶添加量8%（質量分數），超聲功率180 W，提取時間2 h，水溶液pH為7?？疾觳煌弦罕龋?∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25（g/mL））、纖維素酶添加量（2%、4%、6%、8%、10%）、超聲功率（90、120、150、180、210 W）和提取時間（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h）對結合酚含量的影響。

1.2.5.2 響應面優化試驗設計

在單因素試驗結果的基礎上，以結合酚含量為考察指標進行響應面優化試驗，試驗因素水平見表1。

表1 響應面試驗因素水平表Table 1 Factor and level design of response surface test

1.2.6 結合酚含量的測定

采用Folin-Ciocalteu 法[23]測定F-IDF 中結合酚的含量，結合酚含量以每克IDF中所含沒食子酸的量表示（mg/g）。

1.2.7 掃描電鏡（SEM）分析

使用SEM對樣品微觀結構進行觀察。

1.2.8 數據處理

采用Excel 2010 和SPSS 25.0 進行統計分析，數據均以±s表示，采用Design-Expert 8.0.6進行響應面試驗設計，試驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 不同提取方法對F-IDF得率和F-DFPP含量的影響

由表2可見，酶法處理F-IDF的得率和結合酚含量均顯著高于酸法和堿法（P＜0.05）。唐玉妹[24]比較了不同提取方法對竹筍膳食纖維結合酚含量的影響，發現酶法顯著高于化學法（P＜0.05）。

表2 F-IDF得率及結合酚含量Table 2 Extraction yields of F-DFPP and contents of F-IDF

2.2 不同提取方法對F-IDF理化性質的影響

2.2.1 不同提取方法對F-IDF持水性的影響

膳食纖維的持水性與其親水基團具有密切相關性。膳食纖維的持水性越好，越有利于泌尿系統減輕壓力，促進體內毒素的排出[25]。因此，膳食纖維的持水性是重要的理化評價指標。由圖1可知，采用堿法提取F-IDF 的持水性顯著高于酶法和酸法（P＜0.05），這可能是由于堿法對F-IDF結構破壞性更強，導致大量親水基團被釋放，從而使其具有更好的持水性。

圖1 不同提取方法對F-IDF持水性的影響Fig.1 Effects of different extraction methods on water holding capacity of F-IDF

2.2.2 不同提取方法對F-IDF持油性的影響

膳食纖維的持油性是評價其物理吸附功能的重要指標，與其攝入后的減肥功效密切相關[26]，持油性的大小與表面積和空隙有關。如圖2所示，酸法和酶法提取F-IDF 的持油性分別為（1.24±0.05）g/g 和（1.26±0.05）g/g，顯著高于堿法（P＜0.05）。這可能由于酸法和酶法提取的F-IDF結構更加稀疏多孔，從而利于油脂的吸附[27]。

圖2 不同提取方法對F-IDF持油性的影響Fig.2 Effects of different extraction methods on oil retention of F-IDF

2.2.3 不同提取方法對F-IDF膨脹力的影響

膳食纖維的膨脹力與其致密的多孔網狀結構有著密切的關系，多孔狀結構可以吸水膨脹，產生飽腹感，還可以加速腸道蠕動，因此膳食纖維具有通便和減肥功效[28]。如圖3 所示，堿法提取F-IDF 的膨脹力達（1.12±0.02）mL/g，顯著高于酸法和酶法（P＜0.05），這可能是由于堿液的破壞性較大，使其孔隙率提高，縫隙被水填充后使其膨脹[29]。

圖3 不同提取方法對F-IDF膨脹力的影響Fig.3 Effects of different extraction methods on dilatancy of F-IDF

綜合各因素考慮，酶法提取的IDF結構更加完整，理化性質相對良好，在提取時間、能耗、活性成分等方面的優勢明顯高于其他兩種方法，可為利用苦蕎麥殼開發膳食纖維功能性產品提供依據。因此，下文將對酶法提取F-IDF中結合酚的提取工藝進行優化。

2.3 單因素試驗結果

如圖4～圖7所示，不同料液比、纖維素酶添加量、超聲功率和提取時間對苦蕎麥殼中不溶性膳食纖維結合酚的含量具有顯著影響，均呈現先上升后下降的變化趨勢。

圖4 料液比對結合酚含量的影響Fig.4 Effects of solid-liquid ratios on the contents of F-DFPP

由圖4可知，在料液比1∶5（g/mL）到1∶20（g/mL）范圍內，隨溶劑量的增加，結合酚釋放量上升，但料液比1∶25（g/mL）時結合酚釋放量反而降低，這可能是由于過多的溶劑增大了其他物質的溶出，使其含量減少[30]，因此選擇適宜的料液比為1∶20（g/mL）。

由圖5 可見，隨著纖維素酶添加量的增加，細胞壁的水解程度增加，結合酚大量釋放，但過多添加纖維素酶會降低結合酚含量，這是由于蛋白質等其他物質被釋放，黏度增大降低了結合酚釋放量[31]，因此選擇適宜的纖維素酶添加量為8%。

圖5 纖維素酶添加量對結合酚含量的影響Fig.5 Effects of cellulase additions on the contents of F-DFPP

如圖6 所示，超聲功率在90～180 W 范圍內與結合酚釋放量呈正相關，當超聲功率達210 W 時，結合酚受熱分解，其含量反而降低，因此選擇適宜的超聲功率為180 W。

圖6 超聲功率對結合酚含量的影響Fig.6 Effects of ultrasonic power on the contents of combined phenol

由圖7 可見,在0.5～2.0 h 范圍內，隨著提取時間的不斷增加，結合酚不斷溶出。但提取時間繼續增加，結合酚受溫度的影響發生了氧化分解，其含量減少，因此選擇適宜的提取時間為2.0 h。

圖7 提取時間對結合酚含量的影響Fig.7 Effects of extraction time on the contents of combined phenol

2.4 響應面試驗結果

2.4.1 響應面模型的建立及方差分析

響應面試驗結果見表3，方差分析見表4。

表3 響應面試驗結果Table 3 Response surface test results

表4 方差分析表Table 4 Variance analysis table

對表3中的數據進行多元回歸分析，得到結合酚含量的回歸方程為：Y=7.35+0.11A+0.072B+0.20C+5.833×10-3D-0.037AB+0.12AC-0.19AD+0.080BC-0.085BD-2.500×10-3CD-0.79A2-0.63B2-0.46C2-0.3D2。

由表4可知，該模型達極顯著水平（P＜0.01），失擬項不顯著，決定系數R2=0.973 3，說明回歸方程具有良好的擬合性，可應用于結合酚提取試驗的預測。由表4方差分析結果可知，因素B對結合酚含量影響顯著（P＜0.05），A、C、AD、A2、B2、C2、D2對結合酚含量的影響極顯著（P＜0.01）。各因素對結合酚含量影響的主次順序依次為：C＞A＞B＞D。

2.4.2 各因素交互作用響應面分析

由圖8可知，AD的曲面圖變化陡峭，等高線趨近于橢圓形，說明AD間的交互作用對結合酚含量有著顯著影響，AB、AC、BC、BD、CD曲面圖變化不陡峭，等高線趨近于圓形，說明他們之間的交互作用對結合酚含量的影響不顯著，這與表4方差分析結果一致。

圖8 各因素交互作用對結合酚含量影響的響應曲面及等高線圖Fig.8 Response surface and contour plots of various factors interaction on bound phenol contents

2.4.3 最優提取條件的確定

通過響應面優化后得到的最佳工藝參數為：料液比1∶20.44（g/mL），酶添加量8.14%，超聲功率186.94 W，提取時間1.99 h，模型預測結合酚含量為7.37 mg/g。調整后的參數為：料液比1∶20（g/mL），酶添加量8%，超聲功率180 W，提取時間2 h。按調整后的工藝進行3 次驗證試驗，得到結合酚含量為（7.45±0.05）mg/g，實際結果與預測值相差較小，說明本模型具有較高的可信度。

2.5 水解前后F-IDF在電鏡下的組織狀態

酶解是影響結合酚釋放的關鍵環節。如圖9 所示，酶解前后F-IDF 的微觀結構發生了明顯變化，酶解前F-IDF結構緊密，而酶解后F-IDF結構變得疏松多孔。這是由于結合酚從F-IDF中釋放出來，導致結構變得疏松多孔，這說明纖維素酶解法是一種適合蕎麥殼膳食纖維結合酚提取的方法。

圖9 水解前后F-IDF的電鏡圖Fig.9 Electron microscopic images of F-IDF before and after hydrolysis

3 結論

本文對苦蕎麥殼不溶性膳食纖維的理化性質及其結合酚的提取方法進行了優化，結果表明：采用α-淀粉酶-木瓜蛋白酶復合酶法制備F-IDF，F-IDF得率可達到59.45%±0.87%；不同方法獲得的F-IDF理化性質差異顯著，酶法和酸法提取的F-IDF具有較高的持油性；堿法提取的F-IDF持水性和膨脹性最佳；F-DFPP的提取最佳工藝參數為：料液比1∶20（g/mL），纖維素酶添加量8%，超聲功率180 W，提取時間2 h，按該工藝提取的結合酚含量為（7.45±0.05）mg/g；纖維素酶可使膳食纖維結構變得疏松多孔，從而利于結合酚的提取和制備。