橘皮殘渣中水不溶性膳食纖維提取工藝研究

蔡衛超，周炳賢，江春立，丁文彪，卿萬梅，譚世語

（重慶大學化學化工學院，重慶400044）

膳食纖維（dietary fiber，DF）是指不能被人體內源酶消化吸收的可食性植物細胞、多糖、木質素以及相關物質的總和。按其水溶性的不同又可將其分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）兩類。膳食纖維被稱為除水、蛋白質和脂肪、碳水化合物以及礦物質、維生素之外的“第七大營養素”，能有效減少和預防結腸炎、糖尿病、便秘、高血壓以及肥胖癥等疾病的發生，具有平衡人體營養、調節機體功能的突出保健功能而被人們所認識[1]。

眾所周知，柑橘是世界第一大水果。柑橘皮內含有豐富的纖維素成分，是膳食纖維的良好來源。目前，國內柑橘被加工后的皮渣一般作為飼料、肥料或廢棄物處理，經濟效益極低，而且不僅造成了極大的資源浪費，還會對人類賴以生存的環境造成嚴重的污染，因此對柑橘皮的開發利用具有廣闊的前景。近年來，對柑橘皮中水不溶性膳食纖維提取的相關報導越來越多，其中提取方法主要有化學法、酶法、酶-化學法、微波-化學法等[2-6]。但之前報道的研究幾乎都是直接以柑橘皮為原料，而本研究以提取橙皮苷和果膠后的橘皮殘渣為原料。由于果膠的提取采用酸提取方法，柑橘皮中的水溶性膳食纖維絕大部分都在此過程中被提取出來，剩余的橘皮殘渣中主要是水不溶性膳食纖維。據此，本研究探討了采用化學方法提取膳食纖維的制備工藝條件，對實現柑橘皮渣的連續、綜合利用提供技術參考與支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

橘皮殘渣 由湖南鑫利生物科技有限公司提供，經甲醇提取橙皮苷、酸提取果膠后殘余；95%乙醇、鹽酸、氫氧化鈉、30%過氧化氫 均為分析純；耐高溫α-淀粉酶、中性蛋白酶、糖化酶；所用其他試劑 均為分析純。

HHS 4S電子恒溫不銹鋼水浴鍋 上海光地儀器設備有限公司；PHS-25 pH計 上海精密科學儀器有限公司；DHG-9075A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海齊欣科學儀器有限公司；SHZ-D（Ⅲ）循環水式真空泵 鞏義市英峪儀器廠；FA2004B電子分析天平上海越平科學儀器有限公司；D971電動攪拌器 鄭州長城科工貿有限公司；SRJX-2-9馬弗爐 廣州滬瑞明儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 水不溶性膳食纖維的提取、脫色工藝流程 橘皮殘渣→氫氧化鈉浸泡→水洗至中性→鹽酸浸泡水解（pH=2）→水洗至中性→H2O2漂白→水洗至中性→78%乙醇洗1～2遍→干燥→水不溶性膳食纖維（IDF）。

1.2.2 操作要點 稱取10g（干基質量）橘皮渣，在一定溫度、固液比下，加入一定濃度NaOH溶液，浸泡一段時間后，過濾，水洗至中性。然后在80℃下，加入pH=2的鹽酸溶液反應1.5h[2，7-9]，過濾，水洗至中性。在一定溫度、pH下，加入一定濃度的H2O2漂白一段時間，過濾，78%乙醇洗1～2遍，干燥至恒重得IDF，測定IDF產率和提取率，計算公式如下：

1.2.2 分析測定方法

1.2.2.1 常規化學成分含量分析 水不溶性膳食纖維的含量測定：采用AOAC 991.43方法；水分含量測定：采用GB 5009.3-2010；蛋白質含量測定：采用GB 5009.5-2010；脂肪含量測定：采用酸水解法測定；灰分含量測定：采用GB 5009.4-2010。

1.2.2.2 持水力測試[10]取樣品1.00g放入燒杯中，加入20℃水浸泡1h，濾紙濾干水分后，將其轉移到表面皿中稱重，計算持水力。做三組平行實驗，求平均值。

1.2.2.3 溶脹性測試[10]稱取樣品1.00g，置于10m L量筒中，讀干品體積，然后加入5m L蒸餾水，搖勻，在室溫下放置24h，讀溶脹后纖維的體積，計算溶脹性。做三組平行實驗，求平均值。

1.3 實驗設計

1.3.1 單因素實驗設計

1.3.1.1 堿濃度對IDF產率的影響 在固液比1∶25（g/m L）、浸泡溫度60℃、浸泡時間1h條件下，分別采用0.05、0.25、0.45、0.65、0.85mo1/L的NaOH進行堿解，比較濃度對IDF產率的影響。

1.3.1.2 固液比對IDF產率的影響 分別選取固液比為1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35g/m L，NaOH濃度為0.25mol/L，浸泡溫度為60℃，浸泡時間為1h提取IDF，比較固液比對IDF產率的影響。

1.3.1.3 堿浸泡溫度對IDF產率的影響 分別選取堿浸泡溫度為30、40、50、60、70℃，NaOH濃度為0.25mol/L，固液比為1∶25（g/m L），浸泡時間為1h提取IDF，比較固液比對IDF產率的影響。

1.3.1.4 堿浸泡時間對IDF產率的影響 分別選取浸泡時間為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5h，NaOH濃度為0.25mol/L，固液比為1∶25（g/m L），浸泡溫度為60℃提取IDF，比較固液比對IDF產率的影響。

1.3.2 正交實驗設計

1.3.2.1 堿浸泡正交實驗 根據單因素實驗結果，選取堿濃度、固液比、堿浸泡溫度、堿浸泡時間4個因素，做L9（34）正交實驗。因素水平見表1。

表1 堿浸泡正交實驗水平表Table1 Factors and levels of orthogonal tests for alkalisoaking

1.3.2.2 IDF脫色正交實驗 經查閱資料，確定以H2O2為脫色劑。其作用機理是：H2O2+H2O=H3O++OOH-，其中OOH-具有強氧化性，從而使膳食纖維達到氧化脫色的目的。通過預實驗和查找資料確定影響脫色效果的主要因素為：雙氧水濃度、脫色溫度、脫色時間、pH等[10，11-13]，因此采用L9（34）正交實驗進行優選，其因素水平見表2。

表2 IDF脫色正交實驗水平表Table2 Factors and levels of orthogonal tests for IDF decoloration

2 結果與討論

2.1 堿浸泡條件對IDF產率的影響

圖1 NaOH濃度對IDF產率的影響Fig.1 Influence of NaOH concentration on the yield of IDF

2.1.1 堿濃度對IDF產率的影響 由圖1可知，橘皮殘渣中水不溶性膳食纖維的產率隨NaOH濃度的升高而增加，當NaOH濃度為0.25mol/L時，產率達到最大，而后又急劇下降。因為NaOH是堿解蛋白質的重要試劑，濃度過低，堿解不充分[1]；當濃度超過0.25mol/L，大部分纖維素會與NaOH發生反應，生成堿纖維素，使纖維素的結構性質受到破壞，這對不溶性纖維的制備產生影響，同時增大廢液處理量[14]。

2.1.2 固液比對IDF產率的影響 由圖2可知，隨著固液比的增加不可溶性膳食纖維的產率現增加后減小，當固液比為1∶20時產率最大。這因為隨著固液比的增加殘渣中的半纖維素充分溶解，與固相渣分離，產率達到最大。之后固液比若再增加，就會有一部分水不溶性纖維素被水解成小分子多糖、低聚糖或者單糖，所以產率又降低[14-15]。

圖2 固液比對IDF產率的影響Fig.2 Influence of solid-liquid ratio on the yield of IDF

2.1.3 堿浸泡溫度對IDF產率的影響 由圖3可知，隨著溫度的增加IDF產率不斷上升，當NaOH浸泡溫度在50℃時，IDF的產率達到較高值。因為氫氧化鈉溶液隨著溫度升高，蛋白質、脂肪等物質的溶解性提高，而半纖維素等物質還沒有發生水解作用，因此產率也不斷提高。而當溫度超過50℃時，由于溫度過高部分的半纖維素及部分的纖維素都發生了水解，導致了IDF提取率不斷下降[16]。

圖3 堿浸泡溫度對IDF產率的影響Fig.3 Influence of alkalisoaking temperature on the yield of IDF

2.1.4 堿浸泡時間對IDF產率的影響 由圖4可知，隨著浸泡時間的延長，橘皮殘渣膳食纖維產率明顯增加，并在1.5h左右達到最大。當浸泡時間超過1.5h后產率降低。這是因為，當浸泡時間較短時，IDF沒有完全溶出，產率較低；而當浸泡時間過長，部分生成的膳食纖維降解，聚合度降低，產率下降。因此，選擇時間為1.0～2.0h作為正交實驗的因素水平范圍[16]。

圖4 堿浸泡時間對IDF產率的影響Fig.4 Influence of alkalisoaking time on the yield of IDF

2.1.5 堿浸泡正交實驗 根據單因素實驗結果，采用正交實驗，以IDF產率為指標，考察堿濃度、固液比、堿浸泡時間和堿浸泡溫度對IDF產率的影響，確定提取的最佳工藝條件。IDF產率正交實驗結果見表3。

表3 堿提正交實驗結果及分析Table3 Results of orthogonal test for alkalisoaking

由表3可以看出，影響橘皮殘渣中IDF產率的主次順序為：D＞B＞C＞A，即堿提溫度＞料液比＞堿提時間＞NaOH濃度。通過對k值的比較，可知A1B1C1D2為橘皮殘渣中不溶性膳食纖維提取的最優水平，通過驗證實驗，在該條件下得到IDF產率為65.34%，高于表3中其他組合的產率。

2.2 膳食纖維脫色正交實驗

以IDF產率以及產品顏色為指標，考察H2O2質量分數、pH、脫色時間、脫色溫度對IDF產率的影響，確定提取的最佳工藝條件。IDF產率正交實驗結果見表4。

由表4可知，影響橘皮殘渣中IDF產率的主次順序為：A＞B＞C＞D，即H2O2濃度＞pH＞脫色時間＞脫色溫度。通過對k值的比較，可知A1B3C2D1為橘皮殘渣中不溶性膳食纖維提取的最優水平。而且在該條件下進行漂白后所得到的產品顏色為白色。

2.3 最佳工藝條件驗證

根據堿浸泡及脫色正交實驗得出的最佳工藝條件，按照1.2.1工藝流程進行最佳工藝條件驗證，結果如表5所示。

表4 IDF脫色正交實驗結果及分析Table4 Results of orthogonal test for IDF decoloration

由表5可知，在最佳工藝條件下，IDF的平均產率達到65.98%，平均提取率達到92.86%。和于海蓮等[17]采用化學法提取橘皮中水不溶性膳食纖維最終提取率為61.79%相比，本研究IDF的提取率較高。

2.4 IDF功能性的測定

膳食纖維持水力與溶脹性的大小是衡量膳食纖維品質好壞的兩個重要特征，持水力、溶脹性越大，膳食纖維達到生理活性就越好。按照1.2.2.2和1.2.2.3所述方法，測定最佳工藝條件下制得的IDF的持水力為8.48g/g，溶脹性為10.48m L/g。與于海蓮等[17]采用化學法提取的橙皮IDF相比，本實驗所得到的IDF的持水力和溶脹性均相對較高。

3 結論

表5 最佳工藝驗證結果Table5 The verification results of optimum process conditions

本實驗結果表明，提取果膠和橙皮苷后橘皮殘渣中水不溶性膳食纖維制備的堿浸泡最佳工藝條件為：NaOH濃度為0.25mol/L、固液比為1∶15g/m L、堿浸泡溫度為50℃、堿浸泡時間1.0h；IDF脫色最佳工藝條件為：H2O2質量分數為4%、pH為9、脫色時間3h、脫色溫度為60℃。最終IDF的產率為65.98%，提取率為92.86%，持水力為8.48g/g，溶脹性為10.48m L/g。和之前有關柑橘屬果膳食纖維提取研究相比，本研究制備的IDF的產率和提取率均相對較高，產品的品質相對較好，符合作為食品添加劑的質量標準[18]，對實現橘皮渣二次利用具有一定的借鑒意義。

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