葛渣膳食纖維的過氧化氫改性工藝研究

摘要：為研究過氧化氫對葛渣膳食纖維的改性作用，以葛根加工淀粉后的殘渣為原料，采用單因素與正交試驗，以可溶性膳食纖維得率以及不溶性膳食纖維膨脹力為指標，得出了過氧化氫改性制備葛渣膳食纖維的最佳工藝條件，即H2O2體積分數0.3%，pH為12，溫度為90 ℃，時間為75 min，得到可溶性膳食纖維得率最高為52.16%，不溶性膳食纖維膨脹力為7.01 mL/g。

關鍵詞：葛渣；膳食纖維；得率；膨脹力

中圖分類號：R284.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）24-6553-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.057

膳食纖維是一類以非消化性多糖為主的高分子化合物，包括果膠、纖維素、半纖維素、木質素等，也包含改性多糖和寡糖等[1]，其在人類小腸中不能被消化吸收，但在大腸中能部分或全部發酵。膳食纖維是一種復雜的混合物，根據其溶解性的不同可分為可溶性膳食纖維和水不溶性膳食纖維兩種。可溶性膳食纖維（SDF，Soluble Dietary Fiber）是指能溶于水，其水溶液能被4倍體積的95%乙醇沉淀，且不被人體消化道吸收的那部分膳食纖維[2，3]；水不溶性膳食纖維（IDF，Insoluble Dietary Fiber）是指不溶于水，且不被人體消化道的酶消化吸收的那部分膳食纖維，主要是細胞壁的組成成分，包括纖維素、木質素、植物蠟等[4，5]。膳食纖維雖不能被人體內消化酶消化吸收，但卻是人體平衡膳食結構必需的營養素之一，與碳水化合物、脂肪、蛋白質、維生素、礦物質、水這六大營養素具有完全不同的生理作用而被營養家稱之為“第七大營養素”。其不僅具有持水性、持油性、吸水膨脹等作用，同時具有多種生物功能，如降低血清中膽固醇含量，防治高血壓、心臟病、動脈粥樣硬化等心血管疾病，可以降低餐后血清葡萄糖水平和胰島素響應，調節糖尿病人的血糖水平等功效[6]。

葛根是一種藥食同源的天然植物，在中國素有“南葛北參”之稱，且葛根資源豐富，目前國內主要以開發葛根粉、葛根飲料、黃酮浸膏等粗放型生產狀態為主[7-9]。葛根加工淀粉后得到的殘渣除了小部分用來造紙和做飼料外，大多都沒得到充分的利用，而葛渣中富含70%以上的總膳食纖維，是一種非常好的天然膳食纖維來源。本試驗采用過氧化氫對葛渣膳食纖維改性，改善可溶性膳食纖維得率以及不溶性膳食纖維膨脹力，此操作不僅過程簡單，成本較低，而且過氧化氫在處理過程中會被完全分解，產物中無其他殘留，對葛根進行綜合利用，大大提高葛根的經濟效益。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器設備

葛渣由湖北山友特色農業有限責任公司提供。

30%過氧化氫溶液、氫氧化鈉、鹽酸、95%乙醇、石油醚、濃硫酸、硫酸鉀、硫酸銅等均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。

FW-100萬能粉碎機（天津市泰斯特有限公司）；TB-114分析天平（北京賽多利斯有限公司）；K9840自動凱氏定氮儀（海能儀器有限公司）；SX2-4-10MP箱式電阻爐（上海-恒科技有限公司）；SHA-B恒溫震蕩器（常州國華有限公司）；100目篩（浙江上虞市龍翔精密儀器廠）；pH計[梅特勒-托利多（上海）有限公司]；LXJ-ⅡB離心機（上海安亨科學儀器廠）；RE-52AA旋轉蒸發儀（上海亞榮生化儀器廠）；LGJ-25C冷凍干燥機（北京四環科學儀器廠）。

1.2 方法

1.2.1 葛渣膳食纖維的制備 稱取一定量的葛渣，加入到過氧化氫溶液中進行改性，調節pH至中性，旋蒸得到濃縮液。往濃縮液中加入4倍體積的95%乙醇沉淀2 h，抽濾得到殘渣即為總膳食纖維（TDF）；將濃縮液抽濾，分離得到殘渣和濾液，用少量的去離子水洗滌殘渣，再次抽濾得到殘渣即為不溶性膳食纖維（IDF）；合并兩次濾液，加入4倍體積的95%乙醇沉淀2 h，抽濾得到殘渣即為可溶性膳食纖維（SDF）。將收集到的殘渣冷凍干燥24 h，稱重后粉碎過100目篩備用。

1.2.2 葛渣膳食纖維中基本成分分析 葛渣膳食纖維中的淀粉、蛋白質、膳食纖維、脂肪、灰分、水分含量分別參照GB/T 5009.9-2008、GB/T 5009.5-2010、GB/T 5009.88-2014、GB/T 5009.6-2003、GB/T 5009.4-2010、GB 5009.3-2010標準方法進行測定。

1.2.3 葛渣改性工藝探討

1）單因素試驗。以SDF得率以及IDF膨脹力為指標，對影響SDF得率以及IDF膨脹力的因素如H2O2體積分數（0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%）、料水比（1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30）（g∶mL，下同）、pH（4、6、7、8、10、12）、溫度（40、50、60、70、80、90 ℃）、時間（30、45、60、75、90 min）等進行單因素試驗。

在單因素試驗過程中，探討某一單因素時，其他各因素水平分別為H2O2體積分數0.3%、料水比1∶20、pH 10、溫度60 ℃、時間60 min。

2）正交試驗。在單因素試驗的基礎上，進行4因素3水平正交試驗，確定葛渣改性最優工藝。因素與水平見表1。

1.2.4 膳食纖維的測定 可溶性膳食纖維（SDF）得率：過氧化氫改性后的樣品，收集SDF以及TDF殘渣，冷凍干燥后粉碎備用。

不溶性膳食纖維的膨脹力：膨脹力與膳食纖維潤腸通便的生理功能密切相關[10]，可以膨脹力為指標反映不溶性膳食纖維的生理特性。稱取不溶性膳食纖維0.5 g，置于裝有10 mL水的具塞量筒中，振蕩均勻后室溫放置24 h，讀液體中膳食纖維的體積[11]。

2 結果與分析

2.1 葛渣膳食纖維中基本成分分析

葛渣膳食纖維中基本成分如表2所示，從表2中可以看出，葛渣膳食纖維中總膳食纖維、水分、蛋白質以及脂肪，其含量分別為76.41%、9.75%、4.81%和2.68%。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 H2O2體積分數 H2O2體積分數對葛渣膳食纖維的影響如圖1所示。從圖1可以看出，膳食纖維的得率隨著H2O2體積分數的升高呈兩次先上升后下降的變化趨勢，H2O2體積分數為0.3%左右時，膳食纖維得率最高，隨著H2O2體積分數的繼續升高，葛渣中膳食纖維等大分子降解成單糖、低聚糖等小分子物質溶于乙醇而被除去[12]，因而膳食纖維的得率有所下降，因此，H2O2體積分數可選擇0.2%～0.4%。由圖1還可看出，膳食纖維的膨脹力隨著H2O2體積分數呈持續上升的變化趨勢，在H2O2體積分數為1.0%時最大，為4.03 mL/g。

2.2.2 料水比 料水比對葛渣膳食纖維的影響如圖2所示。從圖2可以看出，膳食纖維的得率隨著溶劑的增大呈先上升后下降的變化趨勢，在料水比為1∶20時達到最大，為10.81%，之后明顯降低，這是因為過多的溶劑，會使濃縮時間延長，可能導致可溶性膳食纖維部分水解成小分子而溶于乙醇，使其得率降低，因此本試驗將料水比固定為1∶20比較合適。由圖2還可看出，膳食纖維的膨脹力先升高后降低，之后有所回升，在料水比1∶20時最大，為3.19 mL/g。

2.2.3 pH pH對葛渣膳食纖維的影響如圖3所示。從圖3可以看出，膳食纖維的得率隨著pH的增大呈逐漸上升的變化趨勢，這是因為堿性環境會破壞半纖維素和纖維素之間的氫鍵，有助于葛渣細胞壁中的半纖維素的溶出，其水溶性增加，提高了可溶性膳食纖維的含量[13]，因此得率上升。由圖3還可看出，隨著pH的升高，膳食纖維膨脹力也隨之增大，但pH過高會使溶液黏度增大難于過濾，使液渣難以分離，因此選擇pH 10～12。

2.2.4 溫度 溫度對葛渣膳食纖維的影響如圖4所示。從圖4可以看出，膳食纖維的得率隨著溫度的升高呈逐漸上升的變化趨勢，這是因為高溫條件下，纖維素與半纖維素氫鍵更容易被破壞，從而使可溶性膳食纖維增多。由圖4還可看出，隨著溫度的升高，膳食纖維膨脹力也隨之增大，但溫度過高會導致可溶性膳食纖維結構的破壞，故可選擇溫度為70～90 ℃。

2.2.5 時間 時間對葛渣膳食纖維的影響如圖5所示。從圖5可以看出，膳食纖維的得率隨著時間的延長呈先上升后下降的變化趨勢，這是因為可溶性膳食纖維隨著反應時間的延長能逐漸溶解于堿液中，但長時間處于堿性環境下，會使一部分可溶性膳食纖維降解成小分子物質而溶于乙醇，降低了可溶性膳食纖維的得率。由圖5還可看出，隨著時間的延長，膳食纖維膨脹力也呈先增大后減小的變化趨勢，因此時間選擇為45～75 min。

2.3 正交試驗結果

在單因素試驗基礎上，以SDF的得率為指標，對H2O2體積分數、pH、溫度、時間等進行4因素3水平正交試驗，正交試驗結果如表3所示。從表3可以看出，4個因素對SDF得率影響大小順序為：pH>溫度>H2O2體積分數>時間，各因素理論最優水平組合為A2B3C3D3，即為H2O2體積分數0.3%，pH 12，溫度90 ℃，時間75 min，在此條件下進行驗證試驗，測得該組合下葛渣膳食纖維的得率為52.16%，明顯高于組合3中的49.91%。由此，葛渣改性最優工藝為H2O2體積分數0.3%，pH 12，溫度90 ℃，時間75 min。

3 結論

通過采用最佳工藝條件即H2O2體積分數為0.3%，pH為12，溫度為90 ℃，時間為75 min，對葛渣膳食纖維進行改性，得到可溶性膳食纖維高達52.16%，不溶性膳食纖維的膨脹力為7.01 mL/g，可見過氧化氫改性葛渣膳食纖維，不僅能提高可溶性膳食纖維的得率，而且也提高了不溶性膳食纖維的膨脹力，使膳食纖維的性能得到相應的改善，這為葛渣膳食纖維產品的開發提供了一定的理論依據。

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