赤峰地区苦菜中可溶性膳食纤维的提取工艺

于晓伟，周迎芳，董彦飞

（赤峰学院 化学与生命科学学院，内蒙古 赤峰 024000）

苦菜（Sonchus OleraceusL），学名为败酱草[1]，属于菊科植物[2]。广泛分布于我国西北、华北、华中、东北等地区[3]，在田间、荒地、山坡、草丛中均可生长。我国民间食用苦菜已有2 000 a 以上历史，而且苦菜的营养价值比较高，含有丰富的蛋白质、糖、食物纤维、钙、铁、锰等矿物元素。现代医学研究表明，苦菜还具有抗癌抗肿瘤、保肝治肝和抗菌抗病毒等功效，药理作用非常广泛。目前关于苦菜的研究主要有苦菜的成分分析、分类鉴定、生物活性作用等[4-7]，其中生物活性主要以苦菜黄酮类物质为主，但是，目前关于苦菜膳食纤维的研究仍然是空白。

膳食纤维被称为第七大类营养素，它是由10 个甚至10 个以上单元体组成不能被人体小肠内酶水解的碳水化合物的聚合物[8-9]，研究表明，膳食纤维具有多种生理功能，例如降血脂、调节血糖、预防结肠癌、调节机体免疫等[10]，因此，近年来受到越来越多的关注。根据膳食纤维的水溶性，可将其分为可溶性膳食纤维（SDF）和不可溶性膳食纤维（IDF）[11]，尤其是可溶性膳食纤维，因其较好的溶解性，从而可作为增稠剂、乳化剂等应用于饮料、乳制品中[12]。

赤峰地区的苦菜来源非常丰富，但是只有极少部分被人采摘食用，很大一部分都在田间自然枯萎，造成资源的极大浪费。而且目前没有关于苦菜中膳食纤维提取的研究，因此，为充分利用资源、提高苦菜的经济效益和苦菜的使用价值，对苦菜中膳食纤维进行提取，以期为食品或药品应用纯天然添加剂提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 参试材料

试验所用苦菜均采自赤峰市松山区，实验前将苦菜晒干、研磨、过100 目筛子备用。

试剂：耐高温淀粉酶、碱性蛋白酶、淀粉葡糖苷酶、MES、Tris、过氧化氢、氢氧化钠、盐酸、乙酸、去离子水。仪器：磁力加热搅拌器（S21-2），高速离心机（DD-5M）、电热恒温水浴锅（HHS）、数显水浴恒温振荡器（SHZ-B）、电热鼓风干燥箱（CS101-AB）、分析天平、酸度计。

1.2 试验方法

1.2.1原材料的碱性处理称取5 g 处理过的原材料，以1 ∶30（g/mL）的料液比，加入用氢氧化钠调节pH值至10 的一定浓度的过氧化氢溶液，在磁力搅拌器上反应1 h，反应结束后用盐酸溶液调节至中性，抽滤，滤渣用去离子水多次洗涤，于60℃的烘箱中干燥。用于可溶性膳食纤维（SDF）的提取。

1.2.2可溶性膳食纤维（SDF）的提取（1）将1 g处理过的苦菜添加到100 mL、pH 值8.2 的MES-Tris缓冲液中，在磁力搅拌器中搅拌1.5 h，使样品完全分散。（2）酶解：参照GB/T 5009.00—2088 的方法。加100 μL 热稳定α-淀粉酶溶液，用锡箔纸盖住烧杯，于95℃的电热恒温水浴锅中反应35 min。冷却后加入100 μL（50 mg/mL）蛋白酶溶液，盖上锡箔纸，在60℃下的振荡器中连续反应30 min，随后用3 mol/L乙酸溶液调节pH 值至4.5。最后加入100 μL 淀粉葡糖苷酶溶液，继续在60℃下的振荡器中连续反应30 min。（3）抽滤，保留滤液，并用40 mL 的70℃去离子水洗涤滤饼2 次，合并滤液，加入4 倍体积60℃的95%乙醇溶液，室温下沉底1 h，既得可溶性膳食纤维。（4） SDF 提取率=SDF 的质量/样品质量×100%。（5）取1 g 未处理过的苦菜原料，重复上面的可溶性膳食纤维的提取步骤。

1.2.3单因素设计试验在提取的试验过程中，不同的试验条件使得可溶性膳食纤维（SDF）的提取率不尽相同。通过提取试验条件的对比，影响因素主要包括过氧化氢浓度、料液比、反应时间和pH 值。

1.2.4Box-Behnken试验设计在单因素试验结果的基础上，以过氧化氢浓度（A）、料液比（B）、反应时间（C）、pH 值（D）为自变量，可溶性膳食纤维提取率（Y）为响应值，采用Box-Behnken 设计法对苦菜中膳食纤维的提取工艺条件进行优化。响应面试验设计及因素水平见表 1。

表1 响应面试验设计与因素水平

1.3 数据处理

使用Origin Pro 8.0 和Design Expert 11 软件进行数据统计分析，建立方程模型和作图。每次试验处理均重复3 次，取其平均值。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1过氧化氢浓度对可溶性膳食纤维（SDF）提取率的影响图1为当溶液的pH值为10、料液比为1∶30（g/mL）、反应时间为1.5 h 和过氧化氢浓度分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%时SDF 提取率的趋势图。可以看到随着过氧化氢浓度的增加，SDF 的提取率首先呈现上升的趋势，当过氧化氢浓度达到20%时，SDF 的提取率达到最大值5.25%。但当过氧化氢的浓度继续增大时，SDF 的提取率逐渐下降。说明当过氧化氢浓度足够大时，导致了反应的过于激烈，进而影响反应效果。

2.1.2料液比对可溶性膳食纤维（SDF）提取率的影响图2 为当溶液的pH 值为10、过氧化氢浓度为20%、反应时间为1.5 h 和料液比分别为1 ∶20、1 ∶30、1 ∶40、1 ∶50、1 ∶60、1 ∶70 时SDF 提取率的趋势图。可以看到随着料液比的变化，SDF 的提取率首先呈现上升的趋势，当料液比为1 ∶60 时，SDF 的提取率达到最大值4.94%。随后伴随着料液比的继续增大，提取率不断下降，说明适宜的料液比有利于溶液与原材料的充分接触以及有效的反应，过多会导致提取剂的浪费，过少同样会使原料不能够与提取液充分的接触，从而影响提取效率。

2.1.3反应时间对可溶性膳食纤维（SDF）提取率的影响图3 为当溶液的pH 值为10、过氧化氢浓度为20%、料液比为1 ∶60 和反应时间分别为0.5、1.0、1.5、 2.0 h 时SDF 提取率的趋势图。当反应时间为1.0 h 时提取率为4.98%。随着时间的延长，提取率不升反降，说明时间过长对反应影响很小。

2.1.4反应pH值对可溶性膳食纤维（SDF）提取率的影响图4 为当溶液的过氧化氢浓度为20%、料液比为1 ∶60、反应时间为1 h 和反应溶液的pH 值分别为8、9、10、11、12 时SDF 提取率的趋势图。当pH 值为9 时，提取率为5.45%。

以未经处理过的苦菜为原料的可溶性膳食纤维的提取率为1.25%。

2.2 响应面优化试验结果

2.2.1试验方案设计及结果利用Design Expert 11 软件里的 Box-Behnken 设计试验方案，其响应值及方差分析结果见表2。对表2 数据进行分析，得到总SBF得率(Y)和编码自变量 A、B、C、D 的回归方程：Y=5.56-0.002 5A-0.031B+0.005C+0.098 6D-0.002 5AB- 0.027 5AC-0.022 5AD-0.025 0BC-0.049 2BD-0.022 5CD+ 0.009 7A2-0.103 2B2+0.021 0C2-0.369 4D2。

由响应面方差分析表可知，该方程模型极显著（P＜0.01），说明所得方程拟合较好，回归显著。方程模型的校正相关系数R2=0.874 5，校正绝对系数=0.749 0，说明实验因素A、B、C、D 对SDF 提取率影响显著。其中D、D2的P值＜0.000 1，说明对SDF 提取率影响极显著。根据回归方程中各项系数的绝对值表示各因素对响应值影响的大小、正负表示对响应值影响的方向的原理[13]，得到影响苦菜总黄酮得率的因素大小依次为 pH 值(D)＞料液比(B) ＞ 反应时间(C)＞过氧化氢浓度(A)。

2.2.2料液比pH值交互作用对SDF提取率的影响在Design Expert 11 软件中因素的交互作用的显著性是根据等高线的形状来表现的[14]。一般等高线为椭圆形，且密集陡峭，说明因素的交互作用显著；等高线为圆形，且稀疏平滑，说明因素的交互作用不显著[15]。由图 5 和图6 可知，pH 值与料液比的等高线图陡峭，说明两者之间的交互作用显著，响应图中存在最高点，说明SDF 提取率存在最大值。

表2 响应面试验设计与结果

2.2.3验证试验响应面优化得到废弃物中SDF 提取工艺条件为：过氧化氢浓度25%，料液比为1 ∶53.7，反应时间为1.5 h，pH 值为10.09，此条件下，可溶性膳食纤维的提取率为5.63%。为便于实际操作，将条件调整为过氧化氢浓度为25%，料液比为1 ∶54，反应时间为1.5 h，pH 值为10.1，此条件下可溶性膳食纤维的提取率为5.61%±0.03%，证明该方程可靠、有效，可用于模拟废弃物中可溶性膳食纤维的提取工艺。

3 结 论

试验确定了碱性过氧化氢法提取苦菜中的可溶性膳食纤维的最佳反应条件为过氧化氢浓度为25%，料液比为1 ∶54，反应时间为1.5 h，pH 值为10.1，此条件 下可溶性膳食纤维的提取率为5.61%±0.03%，相比与未经过碱性处理的苦菜产率有了很大的提高。此结果为苦菜可溶性膳食纤维的开发应用提供了理论基础。