牛蒡水溶性膳食纖維制備及功能性研究

董玉瑋，苗敬芝

(徐州工程學(xué)院 食品(生物)工程學(xué)院 江蘇省食品資源開發(fā)與質(zhì)量安全重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221018)

牛蒡?qū)倬湛婆］驅(qū)僦参铮小笆卟酥酢焙汀按罅ⅰ钡让雷u(yù)，在我國山東、江蘇有大面積種植，江蘇徐州豐縣地區(qū)種植面積占全國近50%，產(chǎn)品出口日本、韓國等.牛蒡富含膳食纖維、多糖、多酚、鐵和鈣等，具有較高的營養(yǎng)價(jià)值和藥理活性[1-3].膳食纖維分為不溶性膳食纖維和水溶性膳食纖維，研究表明，水溶性膳食纖維對(duì)人體具有多種生理功能，滋陰壯陽、清熱解毒、抗菌、抗癌、抗衰老，能預(yù)防便秘、冠心病、糖尿病和腫瘤等[4-6].在食品和醫(yī)藥工業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景，因此，對(duì)牛蒡水溶性膳食纖維的研究有著重要的意義.

水溶性膳食纖維的制備方法常用的有堿法、酸法、酶法、超聲波法和微波法[7-8].本實(shí)驗(yàn)以牛蒡?yàn)樵?，采用超聲波協(xié)同酶法，探討纖維素酶加酶量、超聲波時(shí)間和超聲波功率對(duì)牛蒡水溶性膳食纖維含量的影響，通過響應(yīng)面法優(yōu)化制備工藝，并研究其功能性.將制備的牛蒡水溶性膳食纖維添加到焙烤制品、面條等食品中，既增加了產(chǎn)品的保健性能，同時(shí)也擴(kuò)大了牛蒡的綜合利用價(jià)值.

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

牛蒡，徐州天馬敬安食品有限公司.

酸性纖維素酶活力(40 000 U/g),蘇柯漢生物工程有限公司；抗壞血酸、鄰苯三酚等,國產(chǎn)分析純試劑；DPPH，國藥集團(tuán)藥業(yè)股份有限公司.

KBS-250超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，昆山超聲儀器有限公司；723可見分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；1810紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 牛蒡水溶性膳食纖維制備工藝流程

牛蒡清洗、切片→55 ℃烘干、粉碎，過50目→稱取樣品→ 按一定料液比加緩沖液調(diào)節(jié)pH→加酸性纖維素酶→超聲、過濾，取濾液，加入95%乙醇醇沉→過濾、濾渣干燥，稱重.

1.2.2 單因素試驗(yàn)

分別研究纖維素酶加酶量(1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%)，超聲波時(shí)間(10，15，20，25，30 min)，超聲波功率(50，100，150，200，250 W)對(duì)牛蒡水溶性膳食纖維含量影響.

1.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，用三因素三水平的響應(yīng)面分析法[9-10].試驗(yàn)因素與水平見表1.

表1 試驗(yàn)因素水平表

1.2.4 牛蒡水溶性膳食纖維體外抗氧化活性實(shí)驗(yàn)

清除率=[1-(D1-D2)/D3]×100%,

式中：D1為4 mL Tris-HCl+1 mL SDF+2 mL鄰苯三酚；D2為4 mL Tris-HCl+1 mL SDF+2 mL蒸餾水；D3為4 mL Tris-HCl+1 mL 蒸餾水+2 mL鄰苯三酚.

2)DPPH清除力的測定[12]

將DPPH加到95%乙醇溶液中顯色在517 nm處有最大吸收，自由基和DPPH孤對(duì)電子配對(duì)使其顏色變淺，在517 nm波長處測得吸光值變小.將2 mL 0.2 mmol/L DPPH溶液加入到10 mL的具塞比色管中，再加入4 mL待測溶液，用蒸餾水替代待測液作空白實(shí)驗(yàn)，在25 ℃水浴中反應(yīng)20 min后，在517 nm處的測吸光度.用相同質(zhì)量濃度Vc溶液做對(duì)比.

清除率=[1-(E1-E2)/E3] ×100%,

式中：E1為4 mL SDF+2 mL DPPH；E2為4 mL SDF+2 mL 95%乙醇；E3為4 mL 蒸餾水+2 mL DPPH.

1.2.5 牛蒡水溶性膳食纖維理化特性實(shí)驗(yàn)

1)牛蒡水溶性膳食纖維持水力測定[13]

稱取1.00 g牛蒡水溶性膳食纖維，溶解于50 mL蒸餾水中，置冰箱中過夜，3 000 r/min離心30 min，去除上清液，稱樣品濕質(zhì)量.

持水力=(m1-m2)/m2×100%,

式中：m1為樣品濕質(zhì)量(g)；m2為樣品干質(zhì)量(g).

2)牛蒡水溶性膳食纖維膨脹力測定[13]

稱取1.00 g牛蒡水溶性膳食纖維于20 mL量筒中，測定體積后，加入10 mL蒸餾水，振蕩均勻后，在20 ℃下浸泡24 h并測定體積，計(jì)算膨脹力.

膨脹力=(v1-v2)/m,

式中：v1為膨脹后的膳食纖維體積(mL)；v2為干樣品體積(mL)；m為干樣品干質(zhì)量(g).

3)牛蒡水溶性膳食纖維持油力測定[13]

稱取牛蒡水溶性膳食纖維1 g放入已干燥恒重的離心管中，加入5 mL食用油，間隔5 min攪拌1次，30 min后3 500 r/min離心20 min，去除上清液，擦去離心管內(nèi)外壁所附著的油脂和水分稱其質(zhì)量.

持油力=(M3-M2)/M1× 100%,

式中：M1為干樣品干質(zhì)量(g)；M2為裝有干樣品的離心管質(zhì)量(g)；M3為裝有吸過油的樣品+離心管質(zhì)量(g).

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 纖維素酶加酶量對(duì)牛蒡水溶性膳食纖維含量影響

由圖1可知，提取率隨著加酶量增加而逐漸增高，當(dāng)酸性纖維素酶為2.0%時(shí)，提取率最大(34.71%)，之后提取率逐漸降低.這表明酶與底物之間有一個(gè)比較適宜比例，故加酶量2.0%為最佳條件.

2.1.2 超聲波功率對(duì)牛蒡水溶性膳食纖維含量影響

由圖2可知，提取率隨著超聲波功率增加而逐漸增高，當(dāng)超聲波功率為150 W時(shí)，達(dá)到最大(35.52%)，之后隨著超聲功率的增加提取率降低.這可能是因?yàn)槌暡o選擇性的空化和剪切作用破壞了水溶性膳食纖維鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致提取率降低，故超聲波功率為150 W時(shí)為最佳條件.

圖1 加酶量對(duì)水溶性膳食纖維含量影響

圖2 超聲波功率對(duì)水溶性膳食纖維含量影響

2.1.3 超聲波時(shí)間對(duì)牛蒡水溶性膳食纖維含量影響

圖3 超聲波時(shí)間對(duì)水溶性膳食纖維含量影響

由圖3可知，開始牛蒡水溶性膳食纖維提取率隨超聲波時(shí)間的增加而增大，當(dāng)超聲波時(shí)間為25 min時(shí)提取率最大(35.02%)，此后提取率隨時(shí)間增加而逐漸下降.這可能是因?yàn)闀r(shí)間過長，超聲波產(chǎn)生的機(jī)械剪切作用打斷了水溶性膳食纖維的鏈結(jié)構(gòu)，使提取率下降，故超聲波時(shí)間25 min為最佳條件.

2.2 響應(yīng)面分析法優(yōu)化牛蒡水溶性膳食纖維工藝條件

2.2.1 模型的建立及方差分析

利用Design-EXpert8.6軟件對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下的回歸方程：

Y(%)=36.51+0.011·X1+0.31·X2-0.040·X3-0.40·X1·X2+0.035·X1·X3+0.34·X2·X3-1.63·X12-0.88·X22-1.67·X32

對(duì)該模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3，由P值可知，方程的X12、X22和X32對(duì)Y值的線性有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)，X1、X3、X1X3對(duì)Y值得線性效應(yīng)不明顯(P>0.05).失擬項(xiàng)P>0.05，無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明數(shù)據(jù)沒有異常點(diǎn)，模型適當(dāng).

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 方差分析結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面分析與條件優(yōu)化

根據(jù)回歸方程作響應(yīng)面圖，考察所擬合的響應(yīng)面形狀，分析纖維素酶加酶量、超聲波時(shí)間和超聲波功率對(duì)牛蒡水溶性膳食纖維提取率的影響，其響應(yīng)面如圖4、圖5和圖6所示.

圖4 加酶量、超聲波功率及其交互作用對(duì)提取率影響和等高圖

圖6 超聲波功率、超聲波時(shí)間及其交互作用對(duì)提取率影響和等高圖

比較圖4、5、6，結(jié)合表3可知，加酶量和超聲波時(shí)間對(duì)牛蒡水溶性膳食纖維提取率影響無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，加酶量和超聲波功率與超聲波功率和超聲波時(shí)間對(duì)牛蒡水溶性膳食纖維提取率影響有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明各因素對(duì)牛蒡水溶性膳食纖維提取率影響不是簡單的線性關(guān)系.根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，得出制備牛蒡水溶性膳食纖維最佳條件為纖維素酶加酶量1.99%、超聲波功率153.16 W、超聲波時(shí)間25.03 min，預(yù)測牛蒡水溶性膳食纖維提取率36.70%，考慮到實(shí)際操作的可行性，將提取條件修正為加酶量2.0%、超聲波功率150 W、超波聲時(shí)間25 min，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，實(shí)際測得牛蒡水溶性膳食纖維提取率(36.58±0.36)%，與理論值相比，相差甚少，因此，相應(yīng)曲面優(yōu)化所得工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[14-15].

2.3 牛蒡水溶性膳食纖維體外抗氧化活性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 SDF和Vc對(duì)DPPH的清除效果

由圖8可知，在一定的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)SDF和Vc對(duì)DPPH自由基都有清除作用，且清除率隨質(zhì)量濃度增大而升高，而相同質(zhì)量濃度的Vc清除率均高于SDF的清除率[16].

圖7 不同質(zhì)量濃度SDF和Vc 溶液清除自由基效果

圖8 不同質(zhì)量濃度SDF和Vc 溶液清除DPPH的效果

2.4 牛蒡水溶性膳食纖維理化特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 牛蒡水溶性膳食纖維持水力測定結(jié)果

牛蒡水溶性膳食纖維持水力測試結(jié)果分別為：413.2%(1號(hào))，406.8%(2號(hào))，401.9%(3號(hào))，407.4%(4號(hào))，399.3%(5號(hào))，平均為405.7%.說明牛蒡中水溶性膳食纖維持水力很高，它是一種優(yōu)良的食物纖維.由于持水力很高能夠吸收溶解更多人體內(nèi)的毒素，迅速排出體外，使人體內(nèi)毒素含量降低，避免了某些疾病的發(fā)生.

2.4.2 牛蒡水溶性膳食纖維膨脹力測定結(jié)果

牛蒡水溶性膳食纖維膨脹力測試結(jié)果分別為：6.79(1號(hào))，7.08(2號(hào))，7.13(3號(hào))，7.22(4號(hào))，6.97(5號(hào)) mL/g,平均為7.04 mL/g，說明牛蒡水溶性膳食纖維具有良好保水能力.由于水溶性膳食纖維吸水后體積更大，因此能增加人體內(nèi)糞便的體積，有利于糞便軟化，有助于有毒物質(zhì)排出體外，防止便秘.

2.4.3 牛蒡水溶性膳食纖持油力測定結(jié)果

牛蒡水溶性膳食纖維持油力測試結(jié)果分別為：203.4%(1號(hào))，217.8%(2號(hào))，206.2%(3號(hào))，211.5%(4號(hào))，210.7%(5號(hào))，平均為209.9%，說明牛蒡水溶性膳食纖維具有良好持油能力.隨著人們生活水平逐漸提高，體重超標(biāo)已經(jīng)成為一個(gè)比較普遍的健康問題.由于牛蒡水溶性膳食纖維具有良好的持油能力，可吸附多余的油脂，從而達(dá)到減肥控制體重的目的.

3 結(jié)論

1)在單因素的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)曲面分析法優(yōu)化工藝參數(shù)，制備牛蒡水溶性膳食纖維最佳工藝條件為纖維素酶加酶量2.0%，超聲波時(shí)間25 min，超聲波功率150 W，在此條件下牛蒡中水溶性膳食纖維提取率36.54%，與理論預(yù)測值相差很少，說明響應(yīng)面法優(yōu)化得到的工藝條件準(zhǔn)確可靠.

3)牛蒡水溶性膳食纖維的持水力為405.7%，膨脹力7.04 mL/g，持油力為209.9%.

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