水芹膳食纖維提取工藝優(yōu)化及其特性

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(1.揚州大學食品科學與工程學院,江蘇揚州 225127;2.浙江萬里學院生物與環(huán)境學院,浙江寧波 315100;3.揚州大學園藝與植物保護學院,江蘇揚州 225009;4.揚州大學水生蔬菜研究室,江蘇揚州 225009)

水芹膳食纖維提取工藝優(yōu)化及其特性

千春錄1,王兢業(yè)1,戴露婷1,殷建東1,林晨1,夏彭奎2,張年鳳1,金昌海1,李良俊3,4,*,齊曉花3,4,*

(1.揚州大學食品科學與工程學院,江蘇揚州 225127;2.浙江萬里學院生物與環(huán)境學院,浙江寧波 315100;3.揚州大學園藝與植物保護學院,江蘇揚州 225009;4.揚州大學水生蔬菜研究室,江蘇揚州 225009)

以水芹為試材,采用酶和化學結(jié)合法提取其膳食纖維,在單因素實驗基礎上,利用正交實驗優(yōu)化水芹膳食纖維提取工藝,最后對水芹膳食纖維持水力和膨脹力進行評價。結(jié)果表明，最佳酶解工藝條件為酶底比40∶1 U/g、酶解溫度50 ℃、酶解時間1.5 h,最佳堿解工藝條件為液料比30∶1(mL/g)、碳酸鈉濃度2.5%、堿解溫度30 ℃、堿解時間1 h,在此條件下水芹總膳食纖維(TDF)提取率為47.94%,其中水溶性膳食纖維(SDF)為4.78%,不溶性膳食纖維為43.16%,同時發(fā)現(xiàn)水芹葉中膳食纖維含量高于莖稈,且SDF比例較高。水芹TDF的膨脹力和持水力分別達到6.27 mL/g和389%,且水芹葉TDF的膨脹力和持水力高于水芹莖TDF,可能是由水芹葉TDF中SDF占比例較高所致。

水芹,膳食纖維,提取,特性

膳食纖維(DF)被稱為“第七營養(yǎng)素”,具有強膨脹力、持水力、持油力,有發(fā)酵、填充作用,能降壓降糖,調(diào)節(jié)腸道菌群,促進腸道蠕動[1]。DF不易被消化,不能為人體提供任何養(yǎng)分,一般分為不溶性膳食纖維(IDF)和可溶性膳食纖維(SDF),IDF主要由幾丁質(zhì)、纖維素、木質(zhì)素等組成,而SDF主要由多糖類物質(zhì)組成。SDF生理功能較強,具有抗氧化、清除自由基能力[2-3],能預防心血管疾病、肥胖癥、糖尿病、癌癥等[4-9]疾病。因此，膳食纖維被廣泛應用于現(xiàn)代食品[10-12]。

水芹是一種具有特殊風味的水生蔬菜,具有降壓降糖,預防心臟病,促進腸道蠕動等功效[13-17]。近年來水芹產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,而水芹深加工及產(chǎn)品多樣化是其產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需項目。DF在水芹中含量較高,且是其功效成分之一,但關于水芹DF的研究較少,關于其提取工藝和特性的研究未見報道。植物中DF提取方法有水提取法[18]、化學法[19]、物理法[20]、微生物發(fā)酵法[21]和酶法[22],其中常用的是化學酸堿法,該方法成本低,提取快,但產(chǎn)品色澤形態(tài)差,酶法成本高,提取慢,提高SDF產(chǎn)率,產(chǎn)品純度高。通過酶和化學結(jié)合的方法可提高膳食纖維提取率[23]。本實驗采用酶和化學結(jié)合的方法提取水芹DF,通過單因素實驗和正交實驗優(yōu)化水芹DF提取工藝,并分析其特性,以期最大限度提取水芹DF,并為水芹深加工和其DF產(chǎn)品開發(fā)提供理論指導。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

水芹(Oenanthejavanica(Bl.)DC. cv. Fuqin No.1) 宜興市豐匯水芹專業(yè)合作社;乙醇、無水碳酸鈉、鹽酸、無水氯化鈣、次氯酸鈉、冰醋酸、醋酸鈉(AR) 國藥集團化學試劑有限公司;纖維素酶(50000 U/g)、胰蛋白酶(6000 U/g) 上海藍季科技發(fā)展有限公司。

HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司;PHS-30 pH計 上海三信儀表廠;BS210S電子天平 北京賽多利儀器有限公司;JJSY30X10圓形檢驗平篩 上海嘉定糧油儀器有限公司;SHB-III循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司;JFSD-70粉碎機 上海嘉定糧油儀器有限公司;668型真空干燥箱 東臺縣電器廠;Eppendorf 5417R臺式高速離心機 中國有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 工藝流程

1.2.1.1 預處理 水芹全草去根洗凈,于80 ℃條件下干燥至質(zhì)量恒定,將干樣粉碎,過60目篩,得水芹粉。

1.2.1.2 酶解 按液料比15∶1 (mL/g)將水芹粉置于纖維素酶、胰蛋白酶復合(纖維素酶∶胰蛋白酶=2∶1)的酶解液中,用稀鹽酸(1 mol/L)或稀氫氧化鈉(1 mol/L)調(diào)節(jié)pH為5,按一定酶底比(U/g)添加復合酶,于一定溫度條件下酶解一定時間。

1.2.1.3 酸化 酶解液加入鹽酸溶液(10%)至2%,常溫酸化2 h,以去除淀粉等非膳食纖維成分。酸化液用中速定性分析濾紙過濾,收集濾液和濾渣。

1.2.1.4 堿化得IDF 1.2.1.3濾渣水洗至中性、瀝去水分,在一定溫度下,一定料液比下用一定濃度碳酸鈉溶液提取一定時間,過濾后收集濾液,濾渣水洗至中性,60 ℃干燥至恒重,即得IDF。

1.2.1.5 沉淀得SDF 將1.2.1.3和1.2.1.4濾液混合,稀鹽酸(1 mol/L)調(diào)pH至中性,按體積比1∶4加95%乙醇,靜置沉淀24 h,溫度20 ℃、轉(zhuǎn)速5000 r/min條件離心10 min,收集沉淀,分離出SDF,于60 ℃干燥至恒重,粉碎,過60目篩,即得SDF。

1.2.2 水芹膳食纖維含量的測定 按照上述方法分別提取水芹中IDF和SDF,按下式計算其提取率。

DF提取率(%)=DF干燥后質(zhì)量/水芹干燥前鮮重×100

1.2.3 酶解條件的確定 總膳食纖維(TDF)是IDF和SDF含量之和。為提高水芹DF綜合利用率,本文以TDF提取率為指標,設計單因素實驗,并用正交實驗優(yōu)化TDF提取工藝。

1.2.3.1 酶解單因素實驗 a：酶解時間對TDF提取率的影響：選擇酶解時間0.5、1、1.5、2、2.5 h五個水平,酶解溫度50 ℃,酶底比為30∶1 U/g(1 g底物酶解液中分別含胰蛋白酶和纖維素酶各15、30 U),碳酸鈉堿化液料比30∶1 mL/g,碳酸鈉濃度為2.0%,于30 ℃浸提1 h,測定水芹中IDF和SDF含量?？疾烀附鈺r間對TDF提取率的影響。

b：酶解溫度對TDF提取率的影響：選擇酶解溫度30、40、50、60、70 ℃五個水平,酶解時間1.5 h,其他實驗條件同酶解時間單因素實驗,測定水芹中IDF和SDF含量?？疾烀附鉁囟葘DF提取率的影響。

c：酶底比對TDF提取率的影響：選擇酶底比為10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1 U/g(1 g底物酶解液中含纖維素酶量,另添加50%纖維素酶量的胰蛋白酶)五個水平,酶解時間1.5 h,其他實驗條件同酶解時間單因素實驗,測定水芹中IDF和SDF含量?？疾烀傅妆葘DF提取率的影響。

1.2.3.2 酶解正交實驗 以酶解提取水芹膳食纖維各單因素實驗適合條件為依據(jù),以TDF產(chǎn)率為指標,采用L9(34)表頭設計,對酶解時間、酶解溫度、酶底比進行正交實驗(表1),計算水芹TDF提取率。

表1 酶解提取正交實驗因素水平

1.2.4 堿解條件的確定 為提高水芹DF綜合利用率,以TDF提取率為指標,設計單因素實驗,并用正交實驗優(yōu)化TDF提取工藝。

1.2.4.1 堿解單因素實驗 a：碳酸鈉堿解溫度對TDF提取率的影響：酶底比為30∶1 U/g(1 g底物酶解液中分別含胰蛋白酶和纖維素酶各15、30 U),50 ℃保溫1.5 h的酶解條件下,選擇堿解溫度20、30、40、50、60 ℃五個水平,碳酸鈉堿化液料比30∶1 mL/g,碳酸鈉濃度為2.0%,浸提1 h,測定水芹中IDF和SDF含量?？疾靿A解溫度對TDF提取率的影響。

b：碳酸鈉堿解時間對TDF提取率的影響：選擇堿解時間0.5、1、1.5、2、2.5 h五個水平,堿解溫度30 ℃,其他實驗條件同堿解溫度單因素實驗,測定水芹中IDF和SDF含量?？疾靿A解時間對TDF提取率的影響。

c：碳酸鈉堿解液料比對TDF提取率的影響：選擇碳酸鈉堿化液料比10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1 mL/g五個水平,堿解溫度30 ℃,其他實驗條件同堿解溫度單因素實驗,測定水芹中IDF和SDF含量?？疾靿A解液料比對TDF提取率的影響。

d：碳酸鈉濃度對TDF提取率的影響：選擇碳酸鈉濃度0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%五個水平,堿解溫度30 ℃,其他實驗條件同堿解溫度單因素實驗,測定水芹中IDF和SDF含量?？疾焯妓徕c濃度對TDF提取率的影響。

1.2.4.2 堿解正交實驗 以堿解提取水芹TDF各單因素實驗適合條件為依據(jù),以TDF產(chǎn)率為指標,采用四因素、三水平L9(34)表頭設計,對液料比、碳酸鈉提取時間、碳酸鈉提取溫度、碳酸鈉濃度進行正交實驗(表2),計算水芹TDF提取率。

表2 堿解提取正交實驗因素水平

1.2.5 膨脹力測定 稱取1.0 g膳食纖維粉末放入量筒中,讀取纖維粉末的體積(mL),然后根據(jù)膳食纖維的膨脹力,加入20 ℃水適量,搖勻,在20 ℃放置24 h,讀取量筒中的膳食纖維吸水膨脹后的體積(mL),計算膨脹力[24]。

膨脹力(mL/g)=(溶脹后膳食纖維體積-干品體積)/樣品干重

1.2.6 持水力測定 稱取1.0 g膳食纖維粉末放入燒杯中,加入20 ℃水適量,搖勻,在20 ℃浸泡1 h,將吸水飽和后膳食纖維倒入快速濾紙漏斗上過濾,待水瀝干后,把結(jié)合水后的膳食纖維全部轉(zhuǎn)移到表面皿中稱重,計算持水力[24]。

持水力(%)=(樣品濕重-樣品干重)/樣品干重×100

1.3數(shù)據(jù)處理

TDF提取率重復3次,應用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進行方差分析,差異顯著性測定采用Tukey多重比較法。

2 結(jié)果與分析

2.1酶解單因素實驗

2.1.1 酶解時間對TDF提取率的影響 由圖1可知,隨著酶解時間延長,水芹TDF提取率呈先上升后下降趨勢,在1.5 h達到峰值44.95%,顯著(p<0.05)高于其它時間的提取率。在酶解反應前期,反應時間越長酶解越充分,但酶解時間過長,底物濃度降低,水溶性多糖含量上升產(chǎn)生反饋抑制效應,同時部分酶失活,導致酶解速度降低[23]。

圖1 酶解時間對TDF提取率的影響

2.1.2 酶解溫度對TDF提取率的影響 由圖2可知,隨著酶解溫度升高,水芹TDF提取率呈先上升后下降趨勢,在40～50 ℃時較高,而后急劇下降。50 ℃酶解時,水芹TDF提取率最高,但與40 ℃酶解差異不顯著。酶解溫度過低,酶活力低,提高溫度有利于纖維素與半纖維素間氫鍵破壞,而酶解溫度過高,酶易失活,都影響酶解反應效率[23]。

圖2 酶解溫度對TDF提取率的影響

2.1.3 酶底比對TDF提取率的影響 由圖3可知,在固定液料比時,隨著酶底比的增加,水芹TDF提取率先增加后下降。在酶底比30∶1 U/g時達到45.93%,顯著(p<0.05)高于其他酶底比。胰蛋白酶和纖維素酶能分別降解原料中肽鍵和糖苷鍵,提高TDF提取率,但酶底比過高時,產(chǎn)物對酶解反應產(chǎn)生反饋抑制作用,同時產(chǎn)物分解過度而不能被醇沉淀,導致TDF提取率降低[23]。

圖3 酶底比對TDF提取率的影響

2.2酶解正交實驗

由表3可知,酶解提取各因素對TDF提取率影響大小依次為:酶解溫度(B)>酶底比(C)>酶解時間(A);最佳組合是A2B1C3,即酶底比40∶1 U/g,于50 ℃酶解1.5 h時TDF提取率最高,該條件下水芹TDF提取率可達47.81%。

表3 L9(34)酶解條件正交實驗設計與結(jié)果

2.3堿解單因素實驗

2.3.1 碳酸鈉堿解溫度對TDF提取率的影響 由圖4可知,隨著堿解溫度上升,水芹TDF提取率急劇上升,堿解溫度為30 ℃時,TDF提取率達到最大值44.89%,顯著(p<0.05)高于其它提取溫度,堿解溫度超過30 ℃時,TDF提取率下降。

圖4 碳酸鈉堿解溫度對TDF提取率的影響

2.3.2 碳酸鈉堿解時間對TDF提取率的影響 由圖5可知,隨著堿解時間增加,水芹TDF提取率先急劇上升后急劇下降,在堿解1 h時達到最大值46.89%,顯著(p<0.05)高于其它提取時間,堿解時間超過1 h后,TDF提取率顯著下降(p<0.05)。TDF堿解時間延長,可促進膳食纖維與淀粉、脂肪等高分子物質(zhì)解離,從而增加TDF提取率,但堿解時間過長會導致膳食纖維大量水解,從而出現(xiàn)提取率下降的現(xiàn)象[23-24]。

圖5 碳酸鈉堿解時間對TDF提取率的影響

2.3.3 碳酸鈉堿解液料比對TDF提取率的影響 由圖6可知,隨著堿解液料比增加,水芹TDF提取率上升,在液料比30∶1時達到最大值39.51%,液料比再增加時,水芹TDF提取率緩慢下降,但變化不顯著(p>0.05)。溶劑用量增加有利于TDF析出,特別是SDF,但液料比大于30∶1時,隨著溶劑用量的繼續(xù)增加,其對提取率增加效果減小,同時提取成本增加。

圖6 碳酸鈉堿解液料比對TDF提取率的影響

2.3.4 碳酸鈉濃度對TDF提取率的影響 由圖7可知,隨著碳酸鈉濃度的提高,水芹TDF提取率升高,在碳酸鈉濃度2%時達到最大值47.61%,顯著(p<0.05)高于其它碳酸鈉濃度提取。堿液濃度增加,有利于膳食纖維提取,但堿液濃度過高,會導致纖維素和半纖維素間氫鍵破壞,促進膳食纖維降解,從而降低提取率[24]。

圖7 碳酸鈉濃度對TDF提取率的影響

2.4堿解正交實驗

由表4可知,堿解提取各因素對TDF提取率影響大小依次為:碳酸鈉濃度(D)>堿解液料比(A)>堿解溫度(C)>堿解時間(B),最佳組合是A2B2C3D3,即用30倍2.5%的碳酸鈉溶液,于30 ℃堿解1 h,該條件下水芹TDF產(chǎn)率最高,可達47.94%。

表4 L9(34)堿解條件正交實驗設計與結(jié)果

2.5水芹膳食纖維特性分析

2.5.1 水芹莖、葉中SDF、IDF含量比較 本實驗采用酶和化學結(jié)合法提取水芹膳食纖維,通過單因素實驗和正交實驗優(yōu)化提取條件后,于酶底比40∶1 U/g,50 ℃酶解1.5 h后,用30倍2.5%的碳酸鈉溶液,30 ℃堿解1 h,分別提取水芹全草、莖和葉中TDF,結(jié)果見表5。

表5 水芹全草、莖和葉中TDF、SDF、IDF提取率

注:同列不同小寫字母表示差異顯著;表6同。

由表5可知,水芹全草TDF提取率達47.94%,其中SDF占9.97%,IDF占90.03%。水芹莖稈中TDF提取率達47.53%,其中SDF占9.66%,IDF占90.34%。水芹葉中TDF提取率達61.91%,其中SDF占16.75%,IDF占83.25%。水芹葉中膳食纖維含量高于莖稈,且SDF比例較高。水芹全草和莖稈中膳食纖維含量略高于小麥麩皮(47.09%,干基)[25],而水芹葉中膳食纖維含量明顯高于小麥麩皮。膳食纖維生理功能與SDF和IDF的比例密切相關,SDF含量超過10%是高品質(zhì)膳食纖維的標志[25]。水芹膳食纖維基本屬于高品質(zhì)膳食纖維,而提高原料中葉片的比例可進一步提高其膳食纖維含量和品質(zhì)。

2.5.2 水芹膳食纖維產(chǎn)品質(zhì)量指標分析 分別測定所提取膳食纖維產(chǎn)品持水力、膨脹力,結(jié)果見表6。

表6 水芹全草、莖和葉中TDF、SDF、IDF持水力和膨脹力

由表6可知,水芹全草TDF的膨脹力和持水力分別達到了6.27 mL/g和389%,且水芹全草SDF的膨脹力和持水力顯著(p<0.05)高于IDF。水芹葉TDF的膨脹力和持水力高于水芹莖TDF,可能是由水芹葉TDF中SDF占比例較高所致。膳食纖維較高的持水力、膨脹力和其低消化特性,與降低血清三甘酯和膽固醇密切相關[25]。水芹膳食纖維持水力與麩皮膳食纖維持水力(400%)相當,而膨脹力高于麩皮膳食纖維膨脹力(4 mL/g),具有高品質(zhì)膳食纖維特性。

3 結(jié)論

以水芹為試材,利用酶與化學結(jié)合法從水芹中提取TDF,研究了七個因素(酶底比、酶解時間、酶解溫度、堿解液料比、碳酸鈉濃度、堿解溫度、堿解時間)對TDF提取率的影響,并通過正交實驗確定提取的最佳工藝:酶底比40∶1 U/g,于50 ℃酶解1.5 h,然后用30倍2.5%的碳酸鈉溶液,于30 ℃堿解1 h。在此工藝條件下,水芹全草TDF提取率為47.94%(SDF為4.78%,IDF為43.16%),水芹莖稈TDF提取率為47.53%(SDF為4.59%,IDF為42.94%),水芹葉片TDF提取率為61.91%(SDF為10.37%,IDF為51.54%)。水芹TDF特性分析結(jié)果表明,水芹全草TDF的膨脹力和持水力分別達到了6.27 mL/g和389%,且水芹全草SDF的膨脹力和持水力顯著高于IDF。水芹葉TDF的膨脹力和持水力高于水芹莖TDF。

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OptimizationofextractiontechnologyofdietaryfiberfromOenanthejavanicaanditscharacter

QIANChun-lu1,WANGJing-ye1,DAILu-ting1,YINJian-dong1,LINChen1,XIAPeng-kui2,ZHANGNian-feng1,JINChang-hai1,LILiang-jun3,4,*,QIXiao-hua3,4,*

(1.College of Food Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225127,China; 2.College of Biological and Environmental Sciences,Zhejiang Wanli University,Ningbo 315100,China;3.School of Horticulture and Plant Protection,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China;4.Laboratory of Aquatic Vegetable,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China)

This study aimed to optimize the extraction technology of dietary fiber fromOenanthejavanicausing single-factor experiment and orthogonal array. Combined method of enzymolysis and alkaline hydrolysis were applied to optimize the extraction of dietary fiber,and the water holding capacity and swelling capacity of extracted dietary fiber were evaluated. The optimal enzymolysis conditions were determined as follows:enzyme-to-substrate ratio,40∶1 U/g,enzymolysis temperature 50 ℃,enzymolysis time 1.5 h. The optimal alkaline hydrolysis conditions were determined as follows:liquid-to-solid ratio 30∶1 (mL/g),sodium carbonate concentration 2.5%,alkaline hydrolysis temperature 30 ℃,alkaline hydrolysis time 1 h. Under these conditions,the extraction rate of total dietary fiber(TDF),soluble dietary fiber(SDF),insoluble dietary fiber were 47.94%,4.78% and 43.16%,respectively. The content of dietary fiber in leaf ofO.javanicawas much higher than in stem,and SDF also possessed higher proportion in TDF from leaf. The water holding capacity and swelling capacity of TDF fromO.javanicawere 389%,6.27 mL/g,respectively. TDF from leaf had higher water holding capacity and swelling capacity than those in stem,probably because of the higher proportion of SDF.

Oenanthejavanica;dietary fiber;extraction;character

2017-04-07

千春錄(1982-)，男，博士，講師，研究方向：食品科學，E-mail：clqian@yzu.edu.cn。

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李良俊(1969-)，男，博士，教授，研究方向：水生蔬菜育種與開發(fā)，E-mail：ljli@yzu.edu.cn。

齊曉花(1982-)，女，博士，副教授，研究方向：水生蔬菜育種與開發(fā)，E-mail：xhqi@yzu.edu.cn。

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目(CX(16)1011)；江蘇省基礎研究計劃(自然科學基金)-青年基金項目(BK20140483)；江蘇省高校自然科學研究面上項目(14KJB210010)；中國博士后科學基金面上項目(2014M560451)。

TS255.1

A

1002-0306(2017)22-0119-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.22.024