甘草渣膳食纖維提取工藝研究

孫羊羊，滕安國，朱振元，楊洋，孫啟昊，李晨晨，郭怡雪，吳雪，畢悅悅

（天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津 300457）

甘草是被廣泛應用的中藥材之一，甘草中含有甘草酸（又稱甘草甜素）、甘草黃酮、氨基酸和各種金屬元素等有效物質[1]。目前，我國大部分工業(yè)生產(chǎn)都是從甘草中提取有效物質，提取后的甘草殘渣通常作為廢物棄置，從而造成了大量的資源浪費和環(huán)境污染[2]。甘草渣化學成分幾乎與甘草相同，仍含有甘草酸、甘草黃酮等有效藥用成分[3]。而且據(jù)文獻報道，甘草渣中含有非常豐富的膳食纖維。

膳食纖維是一種存在于植物性食物中的碳水化合物，也是人體內第七大不可缺少的營養(yǎng)素和活性成分[4]，常被用作新型的食品配料，根據(jù)水溶性不同，可以分為不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）和可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）兩大類[5]，它具有降血糖、降血脂、控制體重、調節(jié)腸道菌群等多種功能[6]，具有較高的利用價值。而目前，中國膳食纖維的提取通常基于從豆類、水果與蔬菜中提取，例如從甘蔗渣、棉子殼、小麥麩皮、玉米秸稈中提取，關于從甘草渣中提取膳食纖維的報道很少。相比國際市場而言，中國膳食纖維市場發(fā)展依然還不夠成熟[7]。本研究對甘草渣進行開發(fā)和再利用，從中提取可溶性和不溶性膳食纖維，不僅可以提高甘草的利用率，從甘草渣中提取膳食纖維的最佳方法也將得到開發(fā)，可以為膳食纖維的提取提供一條新的途徑。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

甘草渣：取新鮮阿克蘇甘草，醇提3 次得到的殘渣；石油醚、苯酚、硫酸、葡萄糖、氫氧化鈉、鹽酸、丙酮、無水乙醇：均為分析純，天津北方天醫(yī)化學試劑廠。

DZF-6020 真空干燥箱、ZYC-21ES10 電陶爐、DF-101S 磁力攪拌器、SRJX-4-9 馬弗爐：天津市科學器材設備廠；PHS-25 pH 計：北京市長風儀器儀表公司；SHB-3 循環(huán)水式真空泵：鄭州長城科工貿有限公司；DHP-2000 電熱鼓風干燥箱：余姚市遠東數(shù)控儀器廠；TDL-5-A 臺式離心機：上海安亭科學儀器廠；ESJ205-4 型電子天平：沈陽龍騰電子稱量儀器有限公司；SP-2102UV 紫外可見分光光度計：上海光譜儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 甘草渣主要成分測定

水分含量測定：直接干燥法GB 5009.3-2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》[8]；灰分含量測定：GB 5009.4-2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》[9]；脂肪含量測定：索氏抽提法GB 5009.6-2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》[10]；總糖含量測定：苯酚硫酸法[11]。

1.2.2 甘草渣膳食纖維的提取

參照文獻方法[12]并略做改進：分別稱取3 g 甘草渣放入5 個燒杯內，再分別按照一定的料液比，加入一定百分數(shù)的氫氧化鈉，在一定的溫度下，用水浴加磁力攪拌方法輔助，利用堿法提取一定時間，然后離心20 min，分別留下濾渣和濾液。

采用抽濾的方法將濾渣用20 mL 的無水乙醇和丙酮洗滌兩次，烘干，即得到不可溶性膳食纖維，稱重計算得率；再用1 mol/L 的鹽酸溶液和0.5 mol/L 的氫氧化鈉溶液調節(jié)濾液至pH 4.5（甘草蛋白的等電點），離心棄沉淀，再次用1 mol/L 的鹽酸溶液和0.5 mol/L 的氫氧化鈉溶液將上清液調至中性，加入4 倍體積95%的乙醇，醇沉過夜，離心，用蒸餾水溶解沉淀，取出烘干，即為可溶性膳食纖維，稱重計算得率。

1.2.3 單因素試驗

采用1.2.2 甘草渣膳食纖維的提取方法，固定反應的條件為氫氧化鈉百分數(shù)為3%、提取時間60 min、提取溫度 60 °C，考察不同料液比[1 ∶8、1 ∶9、1 ∶10、1 ∶12（g/mL）和 1 ∶14（g/mL）]對甘草渣膳食纖維得率的影響；固定反應的條件為氫氧化鈉百分數(shù)為3%、料液比 1 ∶10（g/mL）、提取時間 60 min，考察不同提取溫度（40、50、60、70 °C 和 80 °C）對甘草渣膳食纖維得率的影響；固定反應的條件為氫氧化鈉百分數(shù)為3%、料液比 1 ∶10（g/mL）、提取溫度 60 °C，考察不同提取時間（40、60、80 min 和 100 min） 對甘草渣膳食纖維得率的影響；固定反應的條件為料液比 1 ∶10（g/mL）、提取時間60 min、提取溫度60°C，考察不同氫氧化鈉百分數(shù)（3%、4%、5%、6%、7%）對甘草渣膳食纖維得率的影響。

1.2.4 正交試驗設計

在單因素試驗基礎上，針對料液比、提取溫度、提取時間、氫氧化鈉百分數(shù)4 個因素，根據(jù)L9（34）設計四因素三水平正交試驗，確定甘草渣膳食纖維的最佳提取工藝。不可溶膳食纖維正交試驗設計表見表1，可溶膳食纖維正交試驗設計表見表2。

表1 不可溶膳食纖維正交試驗設計表Table 1 Orthogonal design table of insoluble dietary fiber

表2 可溶膳食纖維正交試驗設計表Table 2 Orthogonal design table of soluble dietary fiber

1.3 膳食纖維功能特性的測定

1.3.1 甘草渣中不可溶性膳食纖維持水力測定

將1 g 不可溶性膳食纖維樣品置于50 mL 燒杯中，加入20 mL 蒸餾水，浸泡1 h，離心棄去上清液，用濾紙吸干剩余水分并稱重[13]。

持水力/（g/g）=樣品濕重-樣品干重/樣品干重

1.3.2 甘草渣中可溶性膳食纖維溶解度測定

取0.1 g 可溶性膳食纖維樣品置于50 mL 燒杯中，加入5 mL 蒸餾水，恒溫下攪拌30 min，離心，將上清液倒入已恒重的坩堝中，105 ℃干燥至恒重。

溶解度S/%=上清液干燥后的固體含量（g）/蒸餾水體積（mL）

1.3.3 甘草渣膳食纖維膨脹力測定

將0.1 g 膳食纖維樣品稱入25 mL 量筒中并加入5 mL 蒸餾水 ，讀取體積，搖勻，20℃～25 ℃靜置 24 h，讀取吸水膨脹后體積。

膨脹力/（mL/g）=膨脹后體積- 膨脹前體積/樣品的干重

1.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)用SPSS13.0 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與討論

2.1 甘草渣基本化學組成成分含量的測定

對甘草渣除膳食纖維外的其它化學組成成分的含量進行測定，基本化學組成成分含量結果見表3。

表3 基本化學組成成分含量Table 3 Content of basic components

2.2 單因素試驗分析結果

2.2.1 不同料液比對不可溶膳食纖維得率的影響

不同料液比對不可溶膳食纖維得率的影響如圖1所示。

圖1 不同料液比對不可溶膳食纖維得率的影響Fig.1 Effect of different ratio of material to liquid on yield of insoluble dietary fiber

料液比達到 1 ∶9（g/mL）時，得率最大，雖然趨勢圖顯示 1 ∶12（g/mL）時得率略有上升，但與 1 ∶10（g/mL）、1 ∶14（g/mL）數(shù)值相差并不大。出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的原因可能是隨著溶劑體積增加，使其他不可溶物質析出，造成得率變大。因此。正交試驗選取 1 ∶8、1 ∶9、1 ∶10（g/mL）為料液比的3 個水平。

2.2.2 不同提取溫度對不可溶膳食纖維得率的影響

不同提取溫度對不可溶膳食纖維得率的影響如圖2 所示。

圖2 不同提取溫度對不可溶膳食纖維得率的影響Fig.2 Effects of different extraction temperatures on the yield of insoluble dietary fiber

隨著提取溫度升高，甘草渣不可溶膳食纖維得率呈先減后增趨勢，提取溫度為40 ℃時，得率最大。70 ℃時得率明顯下降的原因可能是隨著提取溫度增加，甘草渣不可溶膳食纖維更多的被分解。根據(jù)趨勢圖所示，選取 40、50、60 ℃為提取溫度的 3 個水平。

2.2.3 不同提取時間對不可溶膳食纖維得率的影響

不同提取時間對不可溶膳食纖維得率的影響如圖3 所示。

隨著提取時間增長，甘草渣不可溶膳食纖維得率呈先增后減的趨勢，提取時間為80 min 時，得率最大。100 min 時得率下降趨勢明顯，原因可能是因為提取出的不可溶膳食纖維已經(jīng)達到飽和，即使提取時間不斷增長，得率也并沒有得到提升。因此，選取60、80、100 min 為提取時間的3 個水平。

圖3 不同提取時間對不可溶膳食纖維得率的影響Fig.3 Effect of different extraction time on the yield of insoluble dietary fiber

2.2.4 不同氫氧化鈉百分數(shù)對不可溶膳食纖維得率的影響

不同氫氧化鈉百分數(shù)對不可溶膳食纖維得率的影響如圖4 所示。

圖4 不同氫氧化鈉百分數(shù)對不可溶膳食纖維得率的影響Fig.4 Effect of different percentage of sodium hydroxide on yield of insoluble dietary fiber

氫氧化鈉百分數(shù)達到5%時達到最大值，但隨氫氧化鈉百分數(shù)增長，溶解的物質更多、更充分，得率開始呈下降趨勢。因此選取4%、5%、6%為氫氧化鈉的3 個水平。

2.2.5 不同料液比對可溶膳食纖維得率的影響

不同料液比對可溶膳食纖維得率的影響如圖5所示。

圖5 不同料液比對可溶膳食纖維得率的影響Fig.5 Effect of different ratio of material to liquid on yield of soluble dietary fiber

隨著溶劑體積不斷增大，甘草渣可溶性膳食纖維得率呈先增后減的趨勢線。料液比達到1 ∶10（g/mL）得率最大，雖然趨勢圖顯示1 ∶10（g/mL）之后得率略有下降，但在數(shù)值上相差并不大。可能是因為溶劑體積雖然增加，但提取的可溶膳食纖維差不多達到飽和的狀態(tài)，所以得率變化不大。因此選取 1 ∶9、1 ∶10、1 ∶12（g/mL）這 3 個水平。

2.2.6 不同提取溫度對可溶膳食纖維得率的影響

不同提取溫度對可溶膳食纖維得率的影響如圖6所示。

圖6 不同提取溫度對可溶膳食纖維得率的影響Fig.6 Effects of different extraction temperatures on the yield of soluble dietary fiber

隨著提取溫度升高，甘草渣可溶膳食纖維得率呈先增后減趨勢，提取溫度為70 ℃時得率最大。70 ℃之后得率下降趨勢明顯，可能因為提取溫度雖然在增加，但甘草渣可溶膳食纖維已經(jīng)無法被提取出更多。據(jù)趨勢圖所示，選取 60、70、80 ℃這 3 個水平。

2.2.7 不同提取時間對可溶膳食纖維得率的影響

不同提取時間對可溶膳食纖維得率的影響如圖7所示。

圖7 不同提取時間對可溶膳食纖維得率的影響Fig.7 Effect of different extraction time on the yield of soluble dietary fiber

隨著提取時間增長，甘草渣可溶膳食纖維得率呈先增后減的趨勢，提取時間為80 min 時得率最大。100 min 時得率下降趨勢明顯，原因可能是提取出的甘草渣可溶膳食纖維已經(jīng)達到飽和，即是提取時間不斷增長，得率也并沒有得到提升。因此，選取60、80、100 min 這 3 個水平。

2.2.8 不同氫氧化鈉百分數(shù)對可溶膳食纖維得率的影響

不同氫氧化鈉百分數(shù)對可溶膳食纖維得率的影響如圖8 所示。

圖8 不同氫氧化鈉百分數(shù)對可溶膳食纖維得率的影響Fig.8 Effect of different percentage of sodium hydroxide on yield of soluble dietary fiber

隨著氫氧化鈉百分數(shù)不斷擴大，甘草渣可溶膳食纖維得率呈先減后增再減的趨勢線，在氫氧化鈉百分數(shù)達到6%時達到最大值，但氫氧化鈉百分數(shù)3%時得率較高，可能因為甘草渣沒有完全被分解，有其他雜質，所以得率高。因此選取5%、6%、7%這3 個水平。

2.3 正交試驗結果分析

不可溶膳食纖維正交試驗分析結果見表4。

表4 不可溶性膳食纖維正交試驗分析結果Table 4 Results of orthogonal test for insoluble dietary fiber

由表4 可知，4 個因素對得率的影響順序為：D＞C=A＞B。氫氧化鈉百分數(shù)、提取時間和料液比對甘草渣不可溶性膳食纖維得率的影響比較大，提取溫度對甘草渣不可溶性膳食纖維得率的影響較小；甘草渣不可溶性膳食纖維提取的最佳條件為：A3B1C2D3，對此條件做驗證試驗，得率為64.67%，低于正交試驗設計中的組合，因此確定甘草渣不可溶性膳食纖維提取的最優(yōu)工藝條件為：料液比為 1 ∶9（g/mL），提取溫度為 40 ℃，提取時間為80 min，氫氧化鈉百分數(shù)6%。

可溶膳食纖維正交試驗分析結果見表5。

表5 可溶性膳食纖維正交試驗分析結果Table 5 Results of orthogonal test of soluble dietary fiber

由表5 可知，4 個因素對得率的影響順序為：H＞G＞E＞F。氫氧化鈉百分數(shù)、提取時間對甘草渣可溶性膳食纖維得率的影響比較大，提取溫度和料液比對甘草渣可溶性膳食纖維得率的影響較小；甘草渣可溶性膳食纖維提取的最佳條件為：E2F3G2H3，對此條件做驗證試驗，得率為8.33%，高于正交試驗設計的組合，因此確定甘草渣可溶性膳食纖維提取的最優(yōu)工藝條件為：料液比為 1 ∶10（g/mL），提取溫度為 80 ℃，提取時間為80 min，氫氧化鈉百分數(shù)7%。

2.4 膳食纖維功能特性的測定結果

對甘草渣膳食纖維進行功能特性測定，測得不可溶膳食纖維的持水力為3.73 g/g，膨脹力為5.00 mL/g；測得可溶膳食纖維的溶解度為0.02 g/mL，由于是在低溫的情況下測定，所以可溶性膳食纖維的溶解度較低，測得可溶膳食纖維的膨脹力為0.50 mL/g。

3 結論

本試驗通過對甘草渣基本成分的測定，表明甘草渣中富含水分0.856%，灰分6.571%，脂肪0.500%，總糖14.848%。通過單因素試驗和正交試驗對提取條件進行優(yōu)化，確定出最佳提取工藝為：料液比1 ∶9（g/mL）、提取溫度40 ℃、提取時間80 min、氫氧化鈉濃度6 %時，不可溶膳食纖維得率最大為81.33 %；料液比1 ∶10（g/mL）、提取溫度 80 °C、提取時間 80 min、氫氧化鈉濃度7%時，可溶膳食纖維得率最大為8.33%。提取出的不可溶膳食纖維持水力為3.73 g/g，膨脹力為5.00 mL/g，提取出的可溶膳食纖維溶解度為0.02 g/mL，膨脹力為0.50 mL/g，說明膳食纖維具有良好的功能特性，適用于食品加工領域。