碱法提取刺梨果渣可溶性膳食纤维工艺研究

王丽，张想，李全力，李立郎，王瑜，葛丽娟，杨娟，杨小生*

(1.贵州省中国科学院天然产物化学重点实验室，贵阳 550014；2.贵州大学 酿酒与食品工程学院，贵阳 550025；3.桐梓县官仓镇农业服务中心，贵州 遵义 563200)

膳食纤维(dietary fiber，DF)被称为“第七营养素”[1]，是一种不能被人体消化吸收的碳水化合物，被分为可溶性膳食纤维(soluble dieary fiber，SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber， IDF)两大类[2]，其中水溶性膳食纤维具有降低人体胆固醇水平、增强机体免疫力、抗氧化等生理功效，被广泛应用于烘焙食品、饮料、汤料、调味品及果冻制品的生产中[3]。

刺梨(RosaroxburghiiTratt.)又名茨梨、木梨子，为蔷薇科多年生落叶丛生灌木缫丝花的果实[4]。刺梨果渣作为刺梨果生产加工所得的副产物，是一种很好的再利用原料，果渣中富含VC、粗蛋白、纤维素、黄酮等活性物质[5]，是优质膳食纤维的良好来源。高膳食纤维产品是指SDF含量占比高于10%的产品，而刺梨果渣中SDF含量一般在2%左右，无法达到膳食平衡[6]。因此，需要对膳食纤维进行提取处理，提高SDF含量，目前应用于膳食纤维提取的方法主要有物理法、化学法和生物法3种[7]。化学法因提取工艺简单、成本低等优点多应用于工业化大规模生产[8]。

本试验以刺梨果渣为原料，利用前期筛选出来的平菇作为发酵菌种，针对发酵后刺梨果渣进行二次提取，利用碱液提取，控制氢氧化钠浓度、温度、时间和料液比4个因素，使连接膳食纤维的大分子物质糖苷键断裂，形成新的还原末端，致使部分IDF向SDF转变[9]，提高SDF含量和生理活性。通过单因素试验结果进行正交试验优化提取刺梨果渣中SDF的最佳工艺条件，为刺梨果渣后续深加工和高效开发利用提供了参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验原料为经食用菌平菇发酵后的刺梨果渣(贵州省中国科学院天然产物化学重点实验室提供)；花生油：市售；盐酸、氢氧化钠、硫酸、无水乙醇、醛等试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

FA2004N 分析天平 上海菁海仪器有限公司；101-2A 烘箱 天津市泰斯特仪器有限公司；BZF-50 真空干燥箱 常州诺基仪器有限公司；LDZV-75KBS 不锈钢压力蒸汽灭菌锅 上海申安医疗器械厂；SW-CJ-2F 双人双面净化工作台 苏州净化设备有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

经发酵后的刺梨果渣灭菌、烘干、去籽、粉碎、过筛(60目)，准确称取1.0 g果渣加入一定浓度的氢氧化钠溶液为提取试剂，在一定的温度和料液比条件下提取一定时间后过滤，用盐酸调节pH至4.5以去除可溶性多糖等杂质后抽滤。滤渣水洗至中性，烘干(60 ℃)至恒重，得到碱处理后刺梨果渣不溶性膳食纤维(IDF)；调节滤液pH至中性，滤液使用真空旋蒸(60 ℃，真空度为0.08 MPa)浓缩至原体积的1/5左右，醇沉(4倍体积95%乙醇溶液)过夜，6000 r/min离心20 min后弃掉上清液，沉淀烘干(60 ℃)至恒重，即提取后刺梨果渣可溶性膳食纤维(SDF)。

1.3.2 单因素试验

1.3.2.1 料液比对提取效果的影响

选取料液比分别为1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40，碱液浓度为10 g/mL，反应温度为60 ℃，处理时间为70 min，以可溶性膳食纤维得率为评价指标，考察碱液质量浓度处理发酵刺梨果渣后对SDF得率的影响，每个水平重复试验3次。

1.3.2.2 碱液浓度对提取效果的影响

选取碱液浓度分别为6，8，10，12，14 g/L，料液比为1∶30，反应温度为60 ℃，处理时间为70 min，以可溶性膳食纤维得率为评价指标，考察碱液质量浓度处理发酵刺梨果渣后对SDF得率的影响，每个水平重复试验3次。

1.3.2.3 反应温度对提取效果的影响

选取反应温度分别为50，60，70，80，90 ℃，料液比为1∶30，碱液浓度为10 g/L，处理时间为70 min，以可溶性膳食纤维得率为评价指标，考察反应温度发酵刺梨果渣后对SDF得率的影响，每个水平重复试验3次。

1.3.2.4 处理时间对提取效果的影响

选取处理时间分别为50，60，70，80，90 min，料液比为1∶30，碱液浓度为10 g/L，反应温度为60 ℃，以可溶性膳食纤维得率为评价指标，考察处理时间发酵刺梨果渣后对SDF得率的影响，每个水平重复试验3次。

1.3.3 正交试验设计

在单因素试验基础上，以料液比、碱液浓度、反应温度、反应时间为4个因素，采用L9(34)正交表进行正交试验，因素水平表见表1。

表1 正交试验因素与水平

1.3.4 SDF得率的计算

SDF 得率/%= 刺梨果渣 SDF干重(g)/刺梨果渣干重(g)×100。

1.3.5 刺梨果渣膳食纤维膨胀率(SC)、持水性(WHC)、持油性(OHC)测定[10-11]

称取1.000 g(m1)膳食纤维置于20 mL量筒中记录体积(V1)，加入10.00 mL蒸馏水使样品完全浸润，24 h后记录膳食纤维膨胀增长后的体积(V2)。

将水合后膳食纤维转移至离心管内，于10000 r/min 转速下离心20 min，移去上清液后称量含果渣质量，记为m2。将以上步骤中蒸馏水换为食用油即可计算持油性。刺梨果渣各项功能指标计算公式如下：

膨胀力/(mL/g)=(V2-V1)/m1。

持水性/持油性/(g/g)=(m2-m1)/m1。

1.4 数据处理

数据以X±SD表示，应用SPSS 21.0软件进行差异显著性分析，p<0.05 或p<0.01 为具有统计学意义，采用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 料液比对刺梨果渣SDF得率的影响

在氢氧化钠浓度为10 g/L，反应温度为60 ℃，处理时间为70 min固定的条件下，料液比分别为1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40 (g/mL)时SDF得率的变化趋势见图1。

图1 料液比对刺梨果渣SDF得率的影响的影响

由图1可知，随着料液比的比例逐渐增大，SDF得率先增大后减小，SDF得率在料液比为1∶30时达到最大值16.85%。原因可能是当料液比较高时物料黏度大，导致过滤困难，增加了残留物质量且增加了能耗；当料液比较低时果渣得不到充分反应，不利于膳食纤维的溶出。因此，选用料液比为1∶30时最为合适，选择1∶25、1∶30、1∶35为正交试验水平。

2.1.2 氢氧化钠浓度对刺梨果渣SDF得率的影响

选取不同的氢氧化钠浓度6，8，10，12，14 g/L，固定料液比为1∶30 (g/mL)、反应温度为60 ℃、处理时间为70 min，考察碱液质量浓度处理刺梨果渣后对SDF得率的影响，结果见图2。

图2 氢氧化钠浓度对刺梨果渣SDF得率的影响的影响

由图2可知，随着碱液浓度的增加，SDF得率呈现先升高后降低的趋势。当碱液浓度为6～10 g/L时，反应程度不是很剧烈，致使膳食纤维的提取反应较缓慢；当碱液浓度达到10 g/L时SDF得率为峰值；随着碱液浓度继续升高，反应发生剧烈，强碱条件会破坏膳食纤维结构[12]，导致SDF得率降低。因此碱液浓度在10 g/L时是提取刺梨果渣的最佳条件，综合考虑，选择8，10，12 g/L为正交试验水平。

2.1.3 提取温度对刺梨果渣SDF得率的影响

在碱液浓度为10 g/L，料液比为1∶30 (g/mL)，处理时间为70 min固定的条件下，反应温度分别为40，50，60，70，80 ℃时SDF得率的变化趋势。由图3可知，随着反应温度的升高，分子热运动可以加速膳食纤维分子的溶出[13]，刺梨果渣SDF得率缓慢增加，在60 ℃时SDF得率达到最大值，当继续升高温度时，其得率反而下降，推测可能为SDF分子的耐热性能比较差，提取温度过高使得部分被降解损失，故SDF得率降低，因此最适提取温度不宜超过60 ℃，选择反应温度分别为50，60，70 ℃作为正交试验水平。

图3 提取温度对刺梨果渣SDF得率的影响的影响

2.1.4 提取时间对刺梨果渣SDF得率的影响

选取不同的处理时间分别为50，60，70，80，90 min，固定料液比为1∶30，反应温度为60 ℃，碱液浓度为10 g/L，考察不同的处理时间对刺梨果渣SDF得率影响，结果见图4。

图4 提取时间对刺梨果渣SDF得率的影响的影响

由图4可知，在设置的反应时间范围内，刺梨果渣SDF得率随着反应温度的增加呈现逐步提高又逐渐下降的趋势，在70 ℃时SDF得率达到最大值。造成这一现象可能是因为浸泡时间过长，膳食纤维发生水解使得醇沉不完全，得率降低[14]。所以最佳处理时间为70 min，选取60，70，80 min作为正交试验水平。

2.2 正交试验

影响化学法提取刺梨果渣可溶性膳食纤维效果的主要因素是pH、料液比、反应时间与温度等。因此，本试验由单因素试验确定选择范围，确定各因素水平条件，以提取处理后可溶性膳食纤维的得率为考察指标，选择各因素3个较优水平条件设计正交优化试验，具体设计见表1，以此得出最佳提取工艺条件。试验结果及直观分析见表2。

表2 正交试验结果分析表

由表2极差分析可知，影响刺梨果渣可溶性膳食纤维得率的主次顺序为 B碱液浓度>C反应温度>A料液比>D处理时间；并得出制备刺梨果渣可溶性膳食纤维的最适工艺条件为A1B2C2D2，即料液比为1∶25，氢氧化钠浓度为10 g/L，提取温度为70 ℃，提取时间为70 min。

2.3 验证试验

根据正交试验所得的最优工艺条件进行验证试验，刺梨果渣可溶性膳食纤维的平均得率可达到17.36%±0.74%，可溶性膳食纤维产品呈光亮黄褐色，无特殊异味。

2.4 刺梨果渣可溶性膳食纤维的膨胀力、持水力和持油力

膳食纤维的膨胀力、持水力和持油力是衡量其保健功能的重要参考指标[15]，膳食纤维的持水力高，则进食后其排出物体积大、质地软，有利于防止便秘和结肠癌的发生[16]。

由表3可知，刺梨果渣可溶性膳食纤维的持水力高于果渣组(p<0.05)，且差异具有统计学意义。

表3 刺梨果渣处理前后特性分析

3 结果与讨论

在本研究中，以单因素试验和正交试验得到碱法化学提取刺梨果渣可溶性膳食纤维的最优工艺条件为：料液比1∶25 (g/L)、氢氧化钠浓度10 g/L、提取温度70 ℃、提取时间70 min。该条件下可溶性膳食纤维得率为可达到17.36%±0.74%，膨胀力为(10.58±0.46) mL/g，持水力为(12.32±0.41) g/g，持油力为(4.18±0.24) g/g。膳食纤维在食品、饮料、营养补充剂以及生物医学方面具有潜在的开发应用价值。膳食纤维在保健食品和食品添加剂等方面得到了广泛的应用和认可。同时刺梨果渣也是一种经济、来源方便的食品原料, 该提取方法操作简单、成本较低，为刺梨果渣的综合利用提供了新的途径，对其开发和综合利用提供了理论参考。