白菜渣可溶性膳食纖維酸法提取工藝優化及理化性質測定

任 慶,孫 波,于敬鑫,孫 盛,孔慶敏

(東北農業大學食品學院,黑龍江 哈爾濱 150030)

白菜渣可溶性膳食纖維酸法提取工藝優化及理化性質測定

任 慶,孫 波*,于敬鑫,孫 盛,孔慶敏

(東北農業大學食品學院,黑龍江 哈爾濱 150030)

以大白菜外葉為原料，采用酸法制備白菜渣可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）。以白菜渣SDF提取率為指標，在單因素試驗的基礎上，利用Box-Behnken試驗設計結合響應面分析對提取工藝進行優化，得到的最優提取工藝參數為:鹽酸濃度0.06 mol/L、料液比1∶25（g/mL）、提取溫度90 ℃、提取時間90 min。在此工藝條件下，白菜渣SDF提取率達到了13.65%；化學組成分析結果表明，試樣SDF含量為86.21%，含有部分蛋白質和灰分等雜質；白菜渣SDF外觀呈淡米黃色粉末，掃描電鏡觀察到白菜渣SDF粉粒表面粗糙，進一步放大倍數后發現粗糙表面結構呈褶皺狀，含有較多孔洞和孔隙；白菜渣SDF持水力和膨脹力分別為14.63 g/g和22.17 mL/g；乳化能力和乳化穩定性分別為48.78%、71.34%；吸附飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸能力分別為2.23、1.94 g/g。以上功能性質測定結果表明，白菜渣SDF具有作為乳化劑和保健食品原料的潛力。

大白菜；擠壓處理；可溶性膳食纖維；化學法；理化性質

膳食纖維（dietary fiber，DF），按照在水中的溶解性可以分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不可溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）[1]。SDF相對于IDF更為突出的生理功效是降低血清膽固醇含量和餐后血糖含量[2]，能夠用于預防和輔助治療心血管疾病和糖尿病。此外，SDF還可以被腸道內有益微生物發酵，產生短鏈脂肪酸，發揮生理調節功能[3]。

SDF的提取方法主要包括化學法、酶法和發酵法[4]。化學法是研究和應用較早的SDF提取方法，其主要原理是利用水、酸和堿等提取劑將原料中的SDF浸提到液相，固液分離后，再利用乙醇溶液沉淀或膜分離的方法對SDF進行回收。從工業應用的角度來說，化學法因其工藝簡便、易于控制、產品得率高等特點而被廣泛應用[5]，例如果膠的“酸法”工藝、卡拉膠的“堿法”工藝等[6-7]。

大白菜是最常見的葉類蔬菜之一，在其腌漬加工業有大量的外葉丟棄，目前沒有得到有效的利用，直接掩埋或僅作為附加值較低的飼料，這不利于相關企業的長期發展和資源的回收利用。然而這些外葉是膳食纖維較好的資源，倘若能將其有效利用，開發成相關產品，不但能避免直接丟棄產生的環境污染問題，還能產生附加值，增加經濟效益。近年來，國內外大量學者利用化學法對不同原料的SDF進行了提取[8-11]，但未見對白菜渣SDF提取研究的相關報道。本工作基于以上背景，以大白菜外葉為原料，采用擠壓處理結合酸法制備白菜渣SDF，對酸法提取工藝條件進行優化，并對所提取白菜渣SDF的部分理化特性進行測定，以期為白菜渣SDF產品的研發提供有價值的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大白菜 當地農貿市場；耐熱α-淀粉酶（20 000 U/g）江蘇銳陽生物科技有限公司；淀粉葡萄糖苷酶（100 000 U/g） 上海惠誠生物科技有限公司；中性蛋白酶（10 000 U/g） 諾維信（中國）生物技術有限公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

DS56-Ⅲ型擠壓膨化機 濟南賽信機械有限公司；THZ-82A型水浴恒溫振蕩器 常州菲普實驗儀器廠；SH2-D（Ⅲ）型循環水真空泵 鞏義市子華儀器有限責任公司；SX2-2.5-10型箱式電阻爐（配有KSW-5-12型電驢溫度控制器） 天津市中環實驗電爐有限公司；S-4800掃描電子顯微鏡 日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 白菜渣SDF制備工藝流程

大白菜外葉中的蛋白質、灰分、碳水化合物含量較高，直接用于浸提，SDF得率較低，并且雜質含量較高，因此需要對外葉進行榨汁處理，脫去含有大量可溶性雜質的汁漿，提高SDF含量，再將物料制成干粉作為后續擠壓處理實驗的原料。SDF制備工藝流程如下:

1.3.2 操作要點

大白菜外葉經脫汁等步驟制成白菜渣粉后，調整原白菜渣粉物料含水量為30%（包含干渣本身水分），設置擠壓機機筒溫度（Ⅲ區）122 ℃、螺桿轉速150 r/min，按此工藝條件（經本實驗室優化）進行擠壓處理得到擠壓白菜渣粉。取擠壓白菜渣粉（60～80目）10 g，按照實驗設定的參數浸提SDF，然后在3 000 r/min條件下離心20 min，殘渣用蒸餾水洗滌后將洗滌液與上清液合并，即為提取液。將提取液與4 倍體積95%乙醇溶液混合，室溫條件下靜置1 h后在5 000 r/min條件下離心20 min，將離心得到的沉淀物烘干、粉碎后即為白菜渣SDF制品。

1.3.3 分析方法

1.3.3.1 成分組成分析

蛋白質、脂肪、水分、灰分、可溶性膳食纖維含量測定分別采用方法為GB 5009.5—2010《食品中蛋白質的測定》、GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的測定》、GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》、GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》、GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》。

1.3.3.2 SDF提取率計算

1.3.3.3 微觀結構觀察

試樣干燥至質量恒定，用雙面炭膠帶粘貼在樣品臺上，利用離子濺射法對樣品進行鍍膜，然后置于掃描電子顯微鏡下觀察。

1.3.3.4 持水力、膨脹力測定

取一定質量試樣加入到50 mL離心管中，加入蒸餾水后混合均勻，靜置10 min，離心棄掉上清液后進行稱量[12]。持水力計算如式(2)所示：

精確稱取一定質量的試樣放入到帶刻度試管中，加入蒸餾水，混合均勻后，室溫條件下放置18 h，記錄試樣吸水膨脹后在刻度試管內的讀數[13]。膨脹力計算如式(3)所示：

1.3.3.5 乳化能力和乳化穩定性測定

配制一定質量濃度的待測試樣溶液，取5 mL加入到離心管中，再向離心管中加入5 mL大豆油，均質成乳化液，離心后記錄離心管中乳化層的高度；將離心管置于85 ℃水浴鍋內保持30 min，離心后再次記錄離心管中的乳化層高度[14]。乳化能力和乳化穩定性計算如式(4)、(5)所示：

1.3.3.6 吸附脂肪酸能力測定

稱取一定質量的待測試樣，加入到離心管中，再向離心管加入大豆油/豬油，混勻后，放置搖床37 ℃振蕩1 h，然后離心棄掉上層油脂，用濾紙吸干殘留在管壁的油脂后再進行稱質量[15]。吸附脂肪酸能力如式(6)所示：

1.3.4 單因素試驗

1.3.4.1 鹽酸濃度對白菜渣SDF提取率的影響

選擇鹽酸濃度分別為0.02、0.06、0.10、0.14、0.18 mol/L，其他條件為料液比1∶30（g/mL）、提取溫度90 ℃、提取時間1 h，研究鹽酸濃度對白菜渣SDF提取率的影響。

1.3.4.2 料液比對白菜渣SDF提取率的影響

選擇料液比分別為1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60（g/mL)，其他條件為鹽酸濃度0.06 mol/L、提取溫度90 ℃、提取時間1 h，研究料液比對白菜渣SDF提取率的影響。

1.3.4.3 提取溫度對白菜渣SDF提取率的影響

選擇提取溫度分別為60、70、80、90、100 ℃，其他條件為鹽酸濃度0.06 mol/L、料液比1∶30（g/mL）、提取時間1 h，研究提取溫度對白菜渣SDF提取率的影響。

1.3.4.4 提取時間對白菜渣SDF提取率的影響

選擇提取時間分別為40、60、80、100、120 min，其他條件為鹽酸濃度0.06 mol/L、料液比1∶30（g/mL）、提取溫度90 ℃，研究提取時間對白菜渣SDF提取率的影響。

1.3.5 Box-Behnken試驗設計

以SDF提取率為指標，利用Design-Expert 8.0中的Box-Behnken程序安排試驗，各因素水平選取見表1。

1.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 擠壓膨化處理后白菜渣SDF含量變化

白菜渣經過擠壓膨化處理后SDF的含量顯著提高，由4.12%增加到11.06%，這說明擠壓處理能夠顯著的提高白菜渣中的SDF含量[16-17]，這可能是白菜渣中的不溶性半纖維素以及原果膠等物質在擠壓機機筒內經受高溫、高壓、高剪切力的作用裂解成小分子SDF和可溶性果膠的原因[18-19]。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 鹽酸濃度對白菜渣SDF提取率的影響

由圖1可知，鹽酸濃度對SDF提取率的影響較為顯著。隨著鹽酸濃度增加到0.06 mol/L，SDF提取率達到最高，這說明在一定濃度范圍內增加鹽酸濃度促進了SDF從原料中的浸出，也使得半纖維素類成分更易與木質素分離或者適度被水解生成小分子可溶性SDF，原果膠水解生成可溶性果膠，增加SDF提取率。隨著鹽酸濃度繼續增加，SDF提取率開始呈下降趨勢，這可能是因為過高的鹽酸濃度導致SDF在提取過程中水解成分子質量較低的寡聚糖和單糖，這些成分在醇沉步驟時無法被乙醇沉淀回收[20]，因此導致SDF提取率下降。綜上所述，選取鹽酸濃度為0.06 mol/L較為合適。

2.2.2 料液比對白菜渣SDF提取率的影響

由圖2可知，隨著溶劑用量的增加SDF提取率呈增加趨勢，在達到1∶30（g/mL）后SDF提取率增加不大，這說明在1 h的浸提時間內，料液比1∶30（g/mL）已經足夠用于SDF的浸提。另外，過高的溶劑用量也使得提取液的體積過大，導致消化較多的乙醇溶液，提高生產成本[21]，因此出于這兩方面的考慮，選取料液比1∶30（g/mL）較為合適。

2.2.3 提取溫度對白菜渣SDF提取率的影響

由圖3可知,提取溫度對SDF提取率的影響較大,在50～90 ℃范圍內,SDF提取率顯著提高,這說明隨著溫度的提高,水分子熱運動的加快,有利于SDF的浸提,增加提取率[22]。當溫度超過90 ℃達到100 ℃時,SDF提取率下降,這可能是因為過高的浸提溫度導致SDF發生了降解[23],生成了無法被乙醇溶液沉淀的小分子寡聚糖和單糖的原因,導致提取率下降。因此,選取提取溫度為90 ℃較為合適。

2.2.4 提取時間對白菜渣SDF提取率的影響

由圖4可知,隨著提取時間的延長,SDF提取率呈逐漸上升趨勢,在80 min后增加緩慢且差異性不顯著,這說明提取80 min時SDF已充分浸出,達到了比較好的提取效果,再延長提取時間會增加生產成本,因此提取時間選取80 min較為合適。

2.3 Box-Behnken試驗設計及響應面分析結果

Box-Behnken試驗設計及結果見表2。通過Design-Expert 8.0軟件對試驗數據進行多元二次多項式回歸擬合，得到的四元二次回歸方程為:

式中:Y為SDF提取率/%；X1、X2、X3、X4分別為鹽酸濃度、料液比、提取溫度和提取時間4 個變量的編碼值。對二次回歸方程進行方差分析結果見表3。

由表3可知，該模型相關性顯著，失擬項不顯著，相關系數R2為0.875 4，校正決定系數0.750 7，模型與實際情況擬合較好，因此此模型可以用于理論預測。X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X12、X22、X32達到了顯著水平，模型中二次項系數均為負數，表明該模型拋物面開口向下，有極大值點。由圖5中各因素交互作用的響應面圖和等高線圖直觀的看到，鹽酸濃度和料液比、鹽酸濃度和提取溫度交互作用顯著。

回歸模型經Design-Expert 8.0軟件分析后，得到的酸提取工藝最優條件為:鹽酸濃度0.06 mol/L、料液比1∶25（g/mL）、提取溫度89.78 ℃、提取時間90 min。結合實際可操作性，將提取條件調整為鹽酸濃度0.06 mol/L、料液比1∶25（g/mL）、提取溫度90 ℃、提取時間90 min，在此條件下對響應面優化的結果進行驗證實驗，3 次平行實驗結果的平均值為13.65%，接近響應面分析得到的預測值13.48%，表明該模型可靠。

2.4 白菜渣SDF的理化特性

2.4.1 白菜渣SDF的化學組成

由表4可知，經過最優提取工藝得到的SDF制品的SDF含量為86.21%，含有少量的蛋白質和灰分等雜質。

2.4.2 白菜渣SDF粉外觀及微觀結構觀察

由圖6a可以看到，白菜渣SDF粉顏色均一，呈淡米黃色；掃描電鏡圖放大500倍(圖6b)后可以看到顆粒表面粗糙；放大10 000倍后(圖6c)可以清晰的看到顆粒表面粗糙部位的細微結構，在此部位明顯呈現疏松多空的狀態，并且表面凹凸不平，既有層狀結構堆積形成的較大的孔洞，又有層狀結構本身的小孔隙，這些孔洞和孔隙有利于水分子的進入和滯留，關系著白菜渣SDF的水合性質，另外，表明凹凸不平的結構也增大了白菜渣SDF與水分子的接觸面積。

2.4.3 白菜渣SDF功能性質測定

由表5可以看到，白菜渣SDF的持水力和膨脹力分別達到了14.63 g/g和22.17 mL/g，顯著高于被報道的其他原料SDF關于這兩個指標的水平[24-25]，這可能是白菜渣SDF擁有更低的分子質量，結構表面有較多的空隙，水分子較容易進入和滯留的原因，這與微觀結構觀察的結果是吻合的。羧甲基纖維素鈉和瓜爾豆膠因極易溶于水，持水力和膨脹力無法測量；白菜渣SDF具有一定的乳化活性，低于羧甲基纖維素鈉但要顯著高于瓜爾豆膠；白菜渣SDF對脂肪酸的吸附能力較強，這也可能是其粉體結構中多孔和表面多褶皺的原因。

3 結 論

對大白菜外葉經脫汁等預處理步驟得到的菜渣進行擠壓處理后，白菜渣SDF含量可由4.12%增加至11.06%。

以擠壓處理過的白菜渣為原料，經過單因素試驗和響應面法對白菜渣SDF的提取工藝進行優化后得到在研究范圍內最優的提取工藝條件為:鹽酸濃度0.06 mol/L、料液比1∶25（g/mL）、提取溫度90 ℃、提取時間90 min。在此條件下，白菜渣SDF的提取率可以達到13.65%。

白菜渣SDF具有較高的純度和可以接受的色澤。掃描電鏡觀察白菜渣SDF表面有較多的孔洞和孔隙，這可能是白菜渣SDF具有較高的持水力和膨脹力以及吸附脂肪酸能力的一個重要原因。功能性質的測定結果表明，白菜渣SDF具有作為乳化劑和保健食品原料的潛力。

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Optimization of Acid Extraction and Physicochemical Properties of Soluble Dietary Fiber from Chinese Cabbage Residue

REN Qing, SUN Bo*, YU Jingxin, SUN Sheng, KONG Qingmin
(College of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

The extraction of soluble dietary fiber (SDF) from outer leaves of Chinese cabbage was optimized for maximum SDF yield using combination of single factor method and response surface methodology with Box-Behnken experimental design. The optimum extraction parameters were determined as follows: hydrochloric acid concentration, 0.06 mol/L; material/liquid ratio, 1:25 (g/mL); extraction temperature, 90 ℃; and extraction time, 90 min. Under these optimal conditions, the extraction yield of SDF was 13.65%. The chemical composition analysis showed that the purity of the SDF product was 86.21%, which also contained a small amount of protein and ash. The appearance of the SDF was a light beige powder. The microstructure observation showed that SDF powder of cabbage residue exhibited a rough, wrinkled surface with many holes and pores through magnified observation. The water-holding capacity of the SDF from Chinese cabbage leaves was 14.63 g/g, the expansion capacity 22.17 mL/g, and the emulsifying capacity and emulsion stability were 48.78% and 71.34%, respectively. The adsorption abilities for saturated fatty and unsaturated fatty acid were 2.23 and 1.94 g/g, respectively. These functional properties indicated that the SDF from Chinese cabbage residue is a potential emulsifier and functional food ingredient.

Chinese cabbage residue; extrusion; soluble dietary fiber; chemical method; physicochemical property

TS201.1

A

10.7506/spkx1002-6630-201510014

2014-10-09

任慶(1988—),男,碩士研究生,研究方向為食品生物技術與發酵工程。E-mail：2418759019@qq.com

*通信作者：孫波(1962—),男,副教授,碩士,研究方向為食品生物技術與發酵工程。E-mail：bosun1962@163.com