枸杞酒糟可溶性膳食纖維提取及其理化性質(zhì)研究

劉 軍，頡向紅，徐 昊，張喜康，馬浩然，孔維洲，劉敦華

(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

枸杞為茄科植物[1]，果實(shí)含有豐富的活性成分，如多糖、黃酮、甜菜堿、類胡蘿卜素等[2]，具有增強(qiáng)機(jī)體免疫力、降血糖、降血脂和預(yù)防心腦血管疾病等作用[3]。寧夏地區(qū)是我國乃至世界枸杞的核心產(chǎn)區(qū)，寧夏枸杞“甘美異于他鄉(xiāng)”，是寧夏地區(qū)的“紅色名片”和地域符號(hào)[4]。寧夏回族自治區(qū)黨委、政府高度重視枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展，其已成為具地方特色的戰(zhàn)略性主導(dǎo)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)[5]。枸杞釀酒過程中經(jīng)物理榨汁后的廢棄物，以及全枸杞發(fā)酵后的酒糟通常被當(dāng)作肥料或者垃圾處理，不僅浪費(fèi)資源，而且污染環(huán)境。合理利用工藝開發(fā)枸杞酒糟，符合綠色發(fā)展理念，不僅可以提高枸杞產(chǎn)業(yè)的附加值，還能促進(jìn)枸杞產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

可溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber，SDF)有助于抑制血液中膽固醇含量，還能抑制消化道對(duì)脂質(zhì)的吸收[6]。另外，SDF在結(jié)腸中發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸，可以抑制膽固醇合成[7]。目前，提取膳食纖維的方法主要有化學(xué)提取法、發(fā)酵法、化學(xué)試劑酶結(jié)合分離法和膜分離法。CHEN等[8]采用超聲波輔助酶法從豆莢中提取膳食纖維，驗(yàn)證了超聲波對(duì)提取SDF的輔助作用；ZHANG等[9]對(duì)糧食種子中酚類物質(zhì)和膳食纖維進(jìn)行提取發(fā)現(xiàn)，溶劑比例對(duì)提取工藝有重要影響；李西騰等[10]對(duì)堿法提取榆黃蘑SDF的研究驗(yàn)證了堿法提取SDF的可行性。

1 材料和方法

1.1 原料和試劑

枸杞酒糟由寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。

氫氧化鈉、硫酸亞鐵購自煙臺(tái)雙雙化工有限公司；二丁基羥基甲苯、鄰苯三酚、95%乙醇購自天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司；H2O2、水楊酸、鹽酸、石油醚、Tris-HCl緩沖液均為分析純，購自天津大茂化工有限公司。

1.2 儀器和設(shè)備

試驗(yàn)所用儀器和設(shè)備包括KQ-500 DE型數(shù)控超聲波清洗器(昆山超聲儀器有限公司)、XL-30C型超微粉碎機(jī)(廣州旭朗機(jī)械設(shè)備有限公司)、GZX-907 MBE型電熱恒溫烘箱(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司)、RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠)、AL 204型電子天平[梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)]、T6新世紀(jì)型紫外可見光分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)、PHB-4型pH計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)、SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水真空泵(鄭州長(zhǎng)城科貿(mào)有限公司)、TGL-16 C臺(tái)式離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠)、KDM型索氏提取器(山東鄄城電熱儀器有限公司)、Mastersizer-2000 E激光粒度分析儀[馬爾文儀器(英國)有限公司]、ASAP-2020型全自動(dòng)比表面積和孔結(jié)構(gòu)分析儀(美國麥克儀器公司)。

1.3 SDF提取方法

稱取一定量的枸杞酒糟，在60 ℃的干燥箱內(nèi)干燥12 h后稱質(zhì)量，直至2次誤差不超過0.01 g。干燥后，用超微粉碎機(jī)粉碎，所得粉末即為試驗(yàn)用枸杞酒糟，密封于塑料袋中備用。將上述枸杞酒糟粉末置于索氏提取器中，加入石油醚，蒸餾回流5 h，得到脫脂枸杞酒糟。稱取5.00 g脫脂枸杞酒糟，置于燒杯中，用超聲波輔助堿液(堿液可促進(jìn)脂肪皂化與蛋白質(zhì)水解)法提取60 min。將得到的液體4 000 r/min離心20 min，得到上清液和濾渣。上清液經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器減壓濃縮后，加入4倍體積95%乙醇靜置12 h，以離心機(jī)分離，得到的固體即為SDF，稱其質(zhì)量。將SDF置于60 ℃烘箱中干燥48 h，超微粉碎機(jī)粉碎3 min，得到SDF粉粒(含水量低于6%)。按式(1)計(jì)算SDF提取率：

X=m/5×100%

(1)

式中，X為SDF提取率(%)，m為離心機(jī)分離后得到的固體質(zhì)量(g)。

1.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究料液比、超聲波時(shí)間、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲波功率4個(gè)因素對(duì)SDF提取率的影響，設(shè)置了四因素六水平試驗(yàn)。設(shè)定超聲波時(shí)間為40 min、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、超聲波功率為200 W，考察料液比分別為1∶3、1∶6、1∶9、1∶12、1∶15、1∶18[11]對(duì)枸杞酒糟SDF提取率的影響；設(shè)定料液比為1∶9、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、超聲波功率為200 W，考察超聲波時(shí)間分別為10、20、40、60、80、100 min對(duì)枸杞酒糟SDF提取率的影響；設(shè)定料液比為1∶9、超聲波時(shí)間為40 min、超聲波功率為200 W，考察氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、4%、6%、8%、10%、12%對(duì)枸杞酒糟SDF提取率的影響；設(shè)定料液比為1∶9、超聲波時(shí)間為40 min、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，考察超聲波功率分別為150、200、250、300、350、400 W[12]對(duì)枸杞酒糟SDF提取率的影響。

1.5 響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)

選取單因素較優(yōu)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的取值范圍，運(yùn)用響應(yīng)面進(jìn)行優(yōu)化分析[13]，建立以料液比(A)、超聲波時(shí)間(B)、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(C)、超聲波功率(D)為自變量，以SDF提取率為響應(yīng)值的響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)，具體見表1。

表1 枸杞酒糟SDF提取響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Experimental factors and levels design of response surface method of SDF extraction from Chinese wolfberry distiller’s grains

1.6 SDF理化性質(zhì)分析

1.6.1 SDF粉粒結(jié)構(gòu)表征 在5 mm/s Hg的抽氣速率下50 ℃脫氣12 h。取一定量的SDF粉粒，通過自動(dòng)進(jìn)樣得到N2吸附脫附等溫線曲線和孔徑分布圖，采用BET方程得到比表面積，通過T-plot方法測(cè)定孔體積。

利用激光粒度儀獲取SDF粉粒的粒徑分布圖，通過軟件分析得到其D10、D50、D90(D10、D50、D90指累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)分別達(dá)到10%、50%、90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑)，按式(2)計(jì)算粉粒徑距：

R=(D90-D10)/D50

(2)

式中，R為粉粒徑距(μm)，D90為粉粒粗端粒度指標(biāo)(μm)，D10為粉粒細(xì)端粒度指標(biāo)(μm)，D50為粉粒的平均粒徑(μm)。

1.6.2 SDF持水力測(cè)定 稱取1.00 g SDF加入25 mL蒸餾水，置于50 mL離心管中，超聲波輔助溶解1 h,4 000 r/min離心10 min，去除上層清液，吸干離心管底部水分，稱取復(fù)水后膳食纖維質(zhì)量[14]，按式(3)計(jì)算持水力：

w=m-1

(3)

式中，m為復(fù)水后膳食纖維質(zhì)量(g)，w為持水力(g/g)。

1.6.3 SDF膨脹力測(cè)定 稱取1.00 g SDF置于10 mL量筒中，讀取此時(shí)干品體積。向量筒中加入8 mL蒸餾水，超聲波振蕩30 min，靜置24 h，記錄其膨脹后的體積[15]，按式(4)計(jì)算膨脹力：

V=v2-v1

(4)

式中，V為膨脹力(mL/g)，v1為干品體積(mL)，v2為膨脹后的體積(mL)。

1.6.4 SDF持油力測(cè)定 稱取1.00 g SDF置于50 mL離心管中。加入20.00 g植物油，室溫下靜置1 h，4 000 r/min離心10 min。去除上清液，稱取剩余沉淀質(zhì)量[16]，按式(5)計(jì)算持油力：

L=m1-1

(5)

式中，L為持油力(g/g)，m1為剩余沉淀質(zhì)量 (g)。

1.6.5 SDF對(duì)·OH清除率的測(cè)定 分別取1.00 mL 1.00、2.00、3.00、4.00、5.00、6.00、7.00、8.00、9.00、10.00 mg/mL SDF溶液，加入9.00 mmol/L水楊酸-乙醇溶液、9.00 mmol/L FeSO4、8.80 mmol/L H2O2(蒸餾水作空白對(duì)照)，510 nm波長(zhǎng)處測(cè)量不同濃度SDF溶液吸光值[17]。按式(6)計(jì)算·OH 清除率：

Y1=[1-(A1-A2)/A3]×100%

(6)

式中，Y1為·OH 清除率(%)，A1為上述濃度1.00 mL SDF、0.50 mL水楊酸-乙醇、0.50 mL FeSO4、5.00 mL H2O2混合溶液吸光值，A2為上述濃度1.00 mL SDF、0.50 mL 水楊酸-乙醇、0.50 mL蒸餾水、5.00 mL H2O2混合溶液吸光值，A3為上述濃度0.50 mL水楊酸-乙醇、0.50 mL FeSO4、5.00 mL H2O2、1.00 mL蒸餾水混合溶液吸光值。

Vc對(duì)·OH清除率的測(cè)定方法同SDF。

Y2=[1-(A1-A2)/A3]×100%

(7)

1.7 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖，采用響應(yīng)面Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)提取工藝進(jìn)行分析、優(yōu)化和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 枸杞酒糟SDF提取單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 料液比對(duì)SDF提取率的影響 由圖1可知，隨著料液比減小，枸杞酒糟在溶液中分散程度增加，接觸面積相應(yīng)減小，提取液中SDF濃度與枸杞酒糟邊界層的濃度差增加，SDF由枸杞酒糟向溶劑擴(kuò)散的速率加快。料液比為1∶12時(shí)SDF提取率最大，為15.70%。料液比繼續(xù)減小會(huì)稀釋溶液，枸杞酒糟SDF提取率反而降低。

圖1 料液比對(duì)SDF提取率的影響Fig.1 The effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of SDF

2.1.2 超聲波時(shí)間對(duì)SDF提取率的影響 由圖2可知，超聲波時(shí)間為10～100 min時(shí)，SDF提取率隨超聲波時(shí)間延長(zhǎng)而增加，60 min后SDF提取率增加不明顯。超聲波時(shí)間為60 min時(shí)提取率最大，為16.00%，這可能是初始階段超聲波對(duì)細(xì)胞膜破碎作用較大，溶出物增多所致。60 min后，隨超聲波時(shí)間延長(zhǎng)，SDF提取率增加不明顯，可能是較長(zhǎng)時(shí)間超聲波條件下，強(qiáng)烈的水分子撞擊及其自身的劇烈振動(dòng)使能量損耗嚴(yán)重所致。

圖2 超聲波時(shí)間對(duì)SDF提取率的影響

2.1.3 氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SDF提取率的影響 由圖3可知，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～8%時(shí)，SDF提取率隨氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈上升趨勢(shì)。氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8%時(shí)提取率最大，為16.30%。氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加時(shí)SDF提取率反而降低，這是由于堿皂化原料中脂肪、雜質(zhì)不斷減少所致。氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)由8%繼續(xù)上升后，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大，果膠脫去甲基溶解，致使SDF提取率反而降低。氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，產(chǎn)品顏色越深，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)以8%為宜。

圖3 氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SDF提取率的影響

2.1.4 超聲波功率對(duì)SDF提取率的影響 由圖4可知，超聲波功率為150～300 W時(shí)，SDF提取率隨超聲波功率增大而增加，在超聲波功率為300 W時(shí)達(dá)到最大，為15.20%，這主要是因?yàn)槌暡üβ试龃蠛髲?qiáng)化了溶解振蕩效應(yīng)，提高了SDF提取率。超聲波輔助可促使細(xì)胞破壁或變形，產(chǎn)生增溶作用，利于提高SDF提取率。當(dāng)超聲波功率繼續(xù)增大，SDF與堿液長(zhǎng)時(shí)間接觸，造成SDF中一些果膠類物質(zhì)溶解。另外，超聲波的機(jī)械剪切作用導(dǎo)致提取液與溶出物摩擦，打斷了SDF的鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其提取率增加不明顯。

圖4 超聲波功率對(duì)SDF提取率的影響

2.2 枸杞酒糟SDF提取響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 SDF提取數(shù)學(xué)模型建立與檢驗(yàn) SDF提取響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2，回歸模型方差分析及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表3，擬合所得多元二次回歸方程如下：SDF提取率Y=24.25+0.014×A+0.27×B-0.25×C+0.59×D-0.25×AC-0.46×BC-3.21×A2-2.88×B2-2.76×C2-3.28×D2。

由表2可知，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)的29組結(jié)果表明，當(dāng)料液比為1∶12、超聲波時(shí)間為40 min、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、超聲波功率為250 W時(shí)，SDF的提取率最高，達(dá)24.55%，優(yōu)于其他組。

由表3可知，失擬項(xiàng)不顯著(P=0.809 7>0.05)，而回歸模型極顯著(P<0.000 1)，模型的決定系數(shù)(R2)為0.995 6，表明模型擬合度較好，該回歸方程模型可較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系，能夠優(yōu)化提取工藝。各因素中一次項(xiàng)B、C、D及二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2對(duì)SDF提取率的影響均達(dá)到顯著水平，AC、BC交互作用影響顯著。由F值可知，各因素對(duì)SDF提取率影響的大小順序?yàn)槌暡üβ?超聲波時(shí)間>氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)>料液比。

2.2.2 SDF提取響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)各因素交互作用對(duì)SDF提取率的影響 料液比、超聲波時(shí)間、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲波功率交互作用的響應(yīng)面圖，直觀地反映了各因素交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響(圖5)。響應(yīng)面的陡峭程度可以反映該因素對(duì)響應(yīng)值影響的大小，響應(yīng)面越陡，影響越大，響應(yīng)面越緩，影響越小。隨各因素值的增大，響應(yīng)值呈先增大后減小趨勢(shì)。各因素間的交互作用呈現(xiàn)橢球形，說明交互作用明顯。其中，BC的響應(yīng)面曲線陡峭，AC次之，對(duì)SDF提取率影響顯著；AB、AD、BD、CD響應(yīng)面曲線較為平緩，對(duì)SDF提取率影響不顯著，這與方差分析結(jié)果一致。

表2 枸杞酒糟SDF提取響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab.2 Experimental design and result of response surface test of SDF extraction from Chinese wolfberry distiller’s grains

表3 枸杞酒糟SDF提取回歸模型方差分析及顯著性檢驗(yàn)Tab.3 Analysis of variance and significance test of regression model of SDF extraction from Chinese wolfberry distiller’s grains

續(xù)表3 枸杞酒糟SDF提取回歸模型方差分析及顯著性檢驗(yàn)Tab.3(Continued) Analysis of variance and significance test of regression model of SDF extraction from Chinese wolfberry distiller’s grains

注：*表示對(duì)結(jié)果影響顯著(P<0.05)，**表示對(duì)結(jié)果影響極顯著(P<0.01)。

Note:*indicates significant effects on the results (P<0.05),and **indicates very significant effects on the results (P<0.01)．

圖5 各因素交互作用對(duì)SDF提取率的影響

2.3 枸杞酒糟SDF理化性質(zhì)分析

2.3.1 SDF粉粒結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì) 徑距表示粉粒大小寬窄分布情況，數(shù)值越大則粒度分布越寬，反之粒度分布越窄。由表4可知，提取的SDF粉粒徑距為(2.1±0.001)μm，徑距>1.000 μm，表明提取的SDF粉粒為非對(duì)稱分布，較大粉粒的數(shù)量大于小粉粒的數(shù)量。

表4 枸杞酒糟SDF粉粒參數(shù)分布Tab.4 Particle parameter distributions of SDF of Chinese wolfberry distiller’s grains

采用超微粉碎結(jié)合超聲波輔助堿法提取SDF前，先去除枸杞酒糟中的非膳食纖維成分，使SDF充分暴露出來。由表5可知，SDF持水力為(4.35±0.07)g/g、膨脹力為(4.67±0.13)mL/g、持油力為(5.02±0.07)g/g。

表5 枸杞酒糟SDF理化特性Tab.5 Physicochemical properties of SDF of Chinese wolfberry distiller’s grains

2.3.2 SDF和Vc對(duì)·OH 的清除作用 反應(yīng)體系產(chǎn)生氧化劑·OH途徑：H2O2+Fe2+=·OH+H2O+Fe3+。水楊酸能夠和·OH反應(yīng)，向反應(yīng)體系中加入SDF和Vc,SDF和Vc與水楊酸競(jìng)爭(zhēng)·OH，降低有色物質(zhì)生成，使其含量降低，吸光值下降。如圖6所示，SDF質(zhì)量濃度為10 mg/mL時(shí)對(duì)·OH清除率最高，達(dá)75.00%。

圖6 枸杞酒糟SDF和Vc對(duì)·OH的清除率

圖7 枸杞酒糟SDF和Vc對(duì)的清除率Fig.7 Clearance rate of Chinese wolfberry distiller’s grains SDF and Vc on

3 結(jié)論與討論

以超聲波-堿法提取枸杞酒糟SDF，當(dāng)料液比與氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于低水平且由低升高時(shí)，SDF提取率增加。料液比與氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到一定值后，再繼續(xù)增加，SDF提取率反而下降，這是因?yàn)楦吡弦罕群蜌溲趸c質(zhì)量分?jǐn)?shù)可能導(dǎo)致稀釋效應(yīng)和強(qiáng)堿的水解效應(yīng)，抑制了SDF溶出，這與陳瓊玲[19]和徐洪宇等[20]的研究結(jié)果一致。超聲波功率和超聲波時(shí)間處于低水平且由低升高時(shí)，SDF提取率增加明顯。超聲波功率和超聲波時(shí)間升高到一定值后，SDF提取率增加緩慢，這可能是較大功率和較長(zhǎng)時(shí)間的超聲波引起強(qiáng)烈的水分子撞擊，且SDF與堿液長(zhǎng)時(shí)間接觸，造成SDF中一些果膠類物質(zhì)溶解所致，這與高佳琦等[21]和曹晟等[22]的研究結(jié)果一致。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳料液比為1∶12 g/mL、超聲波時(shí)間為40 min、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、超聲波功率為250 W時(shí)SDF提取率最高，達(dá)到24.55%。

綜上說明，利用超聲波-堿法提取枸杞酒糟SDF，提取工藝簡(jiǎn)單有效，具有較高的可行性，且提取的SDF理化性質(zhì)較好，表明利用枸杞酒糟提取植物性SDF具有巨大潛力，在寧夏枸杞資源再利用以及產(chǎn)品深加工、減少環(huán)境污染等方面具有重要意義。