柚皮膳食纖維微波輔助堿法提取工藝優化及其功能特性研究

閆榮玲 - 廖 陽 毛龍毅 - 何福林 -

(1. 湖南科技學院化學與生物工程學院，湖南 永州 425199；2. 湘南優勢植物資源綜合利用省重點實驗室， 湖南 永州 425199；3. 湖南省銀杏工程技術中心，湖南 永州 425199)

柚子為蕓香科柑橘屬喬木，在中國廣泛分布。湖南省江永縣為柚子重要產區，所產“江永香柚”獲得了國家地理標志證書。柚皮中富含揮發油、酚類、酮類、維生素以及膳食纖維等多種活性物質，但實際生產生活中常作為廢棄物被舍棄而未得到充分利用[1]。膳食纖維(Dietary fiber，DF)根據其水溶性差異可分為可溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber，SDF)和不溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber，IDF)兩大類[2]。由于膳食纖維具有較高的持水力、有機物吸附力、腸道微生物菌群調節能力以及類似填充劑的容積作用，使其表現出抗氧化、促腸胃蠕動及改善腸道菌落平衡等保健作用[3-4]。利用江永香柚柚皮進行膳食纖維的提取與開發是一條有效可行的途徑。

提取膳食纖維的主要方法有機械法、化學法以及生物酶法等，不同方法均各有其優缺點，因此，針對特定原料，往往對摸索建立的各種方法進行比較后再決定方法的取舍[5]。研究表明，化學法中的堿法在雜質成分復雜的果渣、茶渣等原料的膳食纖維提取中效果良好，在提取過程中可以同時水解蛋白質和皂化脂肪[6-7]；而機械法中常采用的微波，由于其顯著的穿透力與熱效應，理論上可提高細胞壁的破碎程度和加快多糖的水解，有助于柚皮的膳食纖維提取[6,8]。目前，關于柚皮膳食纖維的報道十分少見，且未見堿與微波結合進行柚皮膳食纖維提取工藝摸索的報道。由于不同產地、不同品種柚皮的成分組成、理化特征等可能存在差異。因此，摸索建立針對江永香柚果皮膳食纖維的提取工藝十分必要。

本研究以江永香柚果皮為原料，在單因素試驗基礎上，通過正交優化微波輔助堿法提取柚皮SDF與IDF的工藝條件，并對所獲膳食纖維進行理化性質與抗氧化能力的測定，為江永香柚柚皮膳食纖維制備及其綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

香柚：新鮮成熟香柚購自湖南江永某香柚種植基地。

1.2 試驗儀器與試劑

電熱恒溫鼓風干燥箱：WG-71型，西安精大檢測設備有限公司；

微波合成儀：XH-MC-1型，祥鵠科技有限公司；

電子天平：BSA124S型，賽多利斯科學儀器有限公司；

可見光分光光度計：722型，上海光學儀器一廠；

pH計：PHS-802型，貴陽學通儀器儀表公司；

循環水真空泵：SHZ-D型，鞏義市予華儀器責任有限公司；

索氏提取器：BSXT型，上海比朗儀器制造有限公司；

檸檬酸、氫氧化鈉、無水乙醇、葡萄糖、氯化鈉、甲醇、BHT(二丁基羥基甲苯)等：分析純，天津恒興化學試劑制造有限公司；

石油醚(30～60 ℃)、95%乙醇：天津恒興化學試劑制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 柚皮準備 香柚洗凈后剝離得到柚皮，切碎、烘干、粉碎，過60目篩，置塑料密封袋中備用。

1.3.2 膳食纖維的提取及除雜 柚皮粉末置于索氏提取器中，加入石油醚，回流6 h，得到脫脂柚皮粉。稱取5.0 g干燥至恒重的脫脂柚皮粉于燒杯中，微波輔助堿法(堿可有效促進蛋白水解與脂肪皂化)提取一定時間后，4 000 r/min離心5 min，分別得到上清液和濾渣。上清液減壓濃縮后，加入4倍體積95%乙醇過夜，沉淀用95%乙醇洗至中性，50 ℃條件下真空干燥至恒重，粉碎得SDF；對離心分離得到的濾渣，用蒸餾水洗至中性，50 ℃條件下真空干燥至恒重，粉碎得IDF。對所得SDF及IDF進行稱重作為所得產品質量，并按式(1)計算得率。

(1)

式中：

R——得率，%；

m——所稱產品質量，g[9]。

1.3.3 單因素試驗及正交優化 分別考察了料液比、氫氧化鈉質量分數、微波時間、微波功率4個因素對柚皮SDF與IDF得率的影響，各因素水平設置：料液比1∶3，1∶6，1∶10，1∶15，1∶20，1∶25 (g/mL)，氫氧化鈉質量分數2%，4%，6%，8%，10%，15%，微波時間10，20，40，60，80，110 s；微波功率150，200，250，300，350，400 W。進行某一單因素試驗時，其他因素固定且分別取料液比1∶15 (g/mL)、氫氧化鈉質量分數8%、微波時間60 s、微波功率300 W。根據單因素試驗結果，選取各因素下3個較優水平按照L9(34)正交優化得到最佳工藝。

1.3.4 理化性質分析

(1) 持水力測定：精確稱取1.0 g 所得膳食纖維于 50 mL 離心管中，加入25 mL 蒸餾水，充分攪拌1 h 后，以3 000 r/min 離心10 min，棄去上層清液，用濾紙將離心管內壁殘留的水分吸干，稱重，并按式(2)計算持水力。

(2)

式中：

W——持水力，g/g；

m——樣品干質量，g；

m1——樣品吸水后質量，g[9-10]。

(2) 膨脹力測定：準確稱取0.5 g所得膳食纖維，置于10 mL 量筒中，輕微振蕩，保持表面平整，讀取膳食纖維干品體積，準確移取10 mL 蒸餾水加入其中，振蕩均勻后放置24 h，讀取膳食纖維體積，按式(3)計算膨脹力。

(3)

式中：

S——膨脹力，mL/g；

m——樣品干質量，g；

V0——樣品干樣體積，mL；

V1——樣品膨脹后體積，mL[9,11]。

(3) 持油力測定：精確稱取1.0 g所得膳食纖維于50 mL 離心管中，加入20 g 植物油，室溫靜置1 h，以3 000 r/min 離心20 min，去掉上層油并用濾紙將離心管內殘留的植物油吸干稱重，按式(4)計算持油力。

(4)

式中：

O——持油力，g/g；

m——樣品干質量，g；

m2——樣品吸油后質量，g[8]。

1.3.5 抗氧化性分析

(1) DPPH自由基清除能力：分別準確稱取1，5，10，15，20 mg的SDF、IDF以及BHT(陽性對照)放入10 mL試管中，分別加入5.0 mL DPPH-甲醇溶液(6.0×10-5mol/L)，混合后在室溫條件下避光反應25 min(在10，20 min時分別振蕩3 min)，然后8 000 r/min離心5 min，取上清液于517 nm 波長處測定吸光度As，同時以不加膳食纖維的DPPH-甲醇溶液為空白對照，測定其吸光度記為Ab。按式(5) 計算DPPH自由基清除率。

(5)

式中：

D——DPPH自由基清除率，%；

Ab——空白對照組吸光度值，g；

As——處理組吸光度值，g[12-13]。

(2) 對植物油過氧化值的影響：稱取150 g花生油置洗凈的三角瓶中，按0.1%質量分數分別在不同的三角瓶中加入SDF、IDF、BHT，攪拌均勻后移入60 ℃恒溫烘箱，分別在5，10，15，25，40 d按GB/T 5538—2005測定油樣過氧化值(POV)。

1.4 數據處理

所有試驗均重復3次，數據經Excel 2003、SPSS 19.0以及Sigmaplot 10.0分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

料液比、堿液質量分數、微波時間、微波功率均對柚皮膳食纖維得率有明顯影響。隨各因素所設試驗水平的增加，SDF得率均表現出先增加后趨于穩定的變化趨勢，IDF得率則均表現為逐漸減少的趨勢(圖1)。雖各因素下二者各自得率總變化趨勢相似，但曲線特征不盡相同，如SDF得率隨料液比增加的變化曲線相對于微波功率更為平緩。IDF得率分別在料液比1∶10 (g/mL)，堿液質量分數8%，微波功率300 W，微波時間60 s時達到最高。

SDF與IDF提取得率隨各因素的變化趨勢與人們在油橄欖果、酸棗渣上的研究結果類似[9,14]。料液比、堿液質量分數、微波功率、微波時間在一定范圍內分別通過提供溶劑介質、促進物質降解、破壞細胞結構、供能升溫、促進物質釋放等效應顯著影響著膳食纖維的提取；提取過程中，IDF中的纖維素、半纖維素、木質素等不溶性成分逐漸向SDF轉化，因此各因素下均存在此消彼長的變化規律，且堿解促進了蛋白水解與脂肪皂化，從而減少二者的雜質含量。

2.2 正交優化及驗證實驗

基于單因素試驗結果，以優先得到高SDF得率為前提，綜合考慮SDF得率與提取成本，確定了各因素下的不同水平選值取見表1。

以優先得到高SDF得率為前提，正交確定最優提取工藝。由表2可知，各因素對微波輔助堿法提取江永香柚柚皮膳食纖維的影響順序為A>B>C>D，最佳提取工藝組合為A2B2C3D1，即料液比1∶10 (g/mL)，堿液質量分數8%，微波功率350 W，微波時間40 s。以均方最小的微波時間為誤差項進行方差分析(表3)顯示，料液比、堿液質量分數對SDF得率影響顯著(P<0.05)，微波功率對SDF得率影響不顯著。驗證實驗(n=3)表明，在此最佳工藝條件下，SDF平均得率為(40.8±0.26)%，IDF的平均得率為(45.1±0.32)%。

圖1 各因素對江永香柚柚皮膳食纖維得率的影響Figure 1 Effect of various factors on the yield of dietary fiber from Jiangyong pomelo peel表1 各因素正交優化試驗水平Table 1 Factors and levels of orthogonal optimization experiment

水平A料液比(g/mL)B堿液質量分數/%C微波功率/WD微波時間/s11︰662504021︰1083006031︰151035080

正交優化試驗得到的提取工藝條件溫和、操作簡單、可行性強，SDF得率高于已有報道中未利用微波輔助的提取工藝[9,14-15]。

2.3 膳食纖維的理化性質

由圖2可知，柚皮膳食纖維中SDF的持水力、膨脹力、持油力分別為5.3 g/g、5.1 mL/g、4.6 g/g；IDF的持水力、膨脹力、持油力分別為3.5 g/g、2.4 mL/g、2.1 g/g。可見，SDF與IDF的理化性質良好，且SDF優于IDF。與其他研究比較可知，柚皮膳食纖維的持水力、膨脹力、持油力與其他原料如玉米皮[9]、油橄欖果渣[16]、茶渣[17]等得到的膳食纖維相近或稍高。

表2 正交優化試驗結果

表3 正交試驗結果方差分析?

?F0.05(2,2)=19。

圖2 江永香柚柚皮膳食纖維理化指標值

Figure 2 Value of physicochemical indexes of dietary fiber from Jiangyong pomelo peel

由柚皮膳食纖維表現出的良好理化性質，推測其應該富含羧基、羥基等親水性基團，且存在較大的比表面積和較多的空隙，從而表現出良好的吸水、納油、增大體積等特征[18]。因此，從二者上述理化指標測定值可知，微波輔助堿法得到的柚皮膳食纖維品質高，應用潛質明顯。

2.4 膳食纖維的抗氧化性

由圖3可知，在所設置濃度范圍內，隨著SDF、IDF以及BHT三者濃度的增加，DPPH自由基清除率逐漸增加。低濃度時，三者的清除效果差異不明顯，但隨濃度增加，SDF與IDF的自由基清除率較BHT更有優勢，尤其是在濃度達到2 mg/mL 后，SDF對自由基清除率顯著高于IDF與BHT(P<0.05)。雖然相對葵花籽殼提取得到的SDF在1.0 mg/mL 條件下即可達到86.67%的DPPH清除率來說，香柚柚皮膳食纖維的清除率較小，但清除效果已十分顯著[19]。

跟蹤測定加入膳食纖維油樣的過氧化值發現，隨著處理天數的增加，各不同處理油樣的POV均呈現增加趨勢，但與對照相比，添加SDF、IDF與BHT油樣的POV明顯較低，且隨著天數的增加差異越來越明顯。添加SDF、IDF與BHT的3組油樣之間也存在差異，POV值順序為SDF組IDF>BHT，與李新明等[20]在麥麩等膳食纖維上的發現類似。

圖3 江永香柚柚皮膳食纖維對DPPH自由基清除作用

Figure 3 Scavenging effect of dietary fiber from Jiangyong pomelo peel on DPPH free radical

圖4 江永香柚柚皮膳食纖維對花生油POV的影響Figure 4 Effect of dietary fiber from Jiangyong pomelo peel on POV of peanut oil

膳食纖維之所以表現出抗氧化性，是因為其含有多酚類、黃酮類、苷類等具有抗氧化活性的物質，且抗氧化性能力的大小取決于抗氧化性物質的組成、含量、形態以及存在形式等因素[18]。本研究中，SDF抗氧化性優于IDF可能是由膳食纖維本身分子組成(如分子大小、單糖種類與比例等)差異，以及柚皮中抗氧化物質主要是水溶性物質等導致。

3 結論

本研究建立了江永香柚柚皮膳食纖維的微波輔助堿法提取工藝，最佳工藝條件為料液比1∶10 (g/mL)，堿液質量分數8%，微波時間40 min，微波功率350 W，在此工藝條件下，SDF與IDF得率分別為40.8%與45.1%。得到的SDF與IDF均表現出良好理化特征，且SDF優于IDF，其中SDF的持水力、膨脹力、持油力分別為5.3 g/g、5.1 mL/g、4.6g/g，IDF的持水力、膨脹力、持油力分別為3.5 g/g、2.4 mL/g、2.1 g/g。SDF與IDF均可以很好地清除DPPH自由基和降低油樣POV，表現出良好的抗氧化能力，在二者達到一定濃度后效果較BHT更佳，且SDF的抗氧化性能優于IDF。結果表明，利用微波輔助堿法提取江永香柚柚皮膳食纖維，工藝簡單、高效、可行性強，得到的膳食纖維品質及保健效果較好。可見，基于江永香柚廢棄果皮進行植物性膳食纖維的開發潛力顯著，為江永香柚的資源利用以及在延長農業產業鏈、減少環境污染等方面均有重要意義。

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