金刺梨渣中膳食纖維的提取及其性質研究

◎ 李春飛，趙 運，張曉娟

（安順學院 化學化工學院，貴州 安順 561000）

膳食纖維（Dietary Fibers，DF），可根據水溶性分為可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fibers，SDF）以及不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fibers，IDF）兩種。前者可以維持膳食平衡，同時還具備預防結腸癌、心血管疾病以及降低膽固醇等作用[1]。隨著人們的生活水平逐漸提升，人們開始重視日常飲食中膳食纖維的攝入量[2]。近年來，有關膳食纖維提取改性及其應用的研究比較多，大量文獻報道了各類植物體內膳食纖維的提取方法與應用[3-6]。可以通過酶解法、微生物發酵法以及化學提取法等完成植物體內膳食纖維的提取，其中超聲波輔助酶法相比其余方法具有更高的提取率，并且其所得膳食纖維具備較好持水力和溶脹性[7-10]。

金刺梨渣是金刺梨果肉制作果汁、果醬以及果脯等產品后形成的廢棄物，占鮮果重量的40%～50%，通常會被填埋或丟棄，從而導致大量的資源浪費并引發環境污染。研究表明金刺梨渣中存在豐富的膳食纖維，能夠將其視作膳食纖維的充足來源之一[11-12]。然而，關于金刺梨渣中膳食纖維的研究報道較少。本文選擇以金刺梨渣為原材料，采用超聲波輔助酶法提取其中可溶性膳食纖維，并探究料液比、酶的用量、酶解溫度、酶解時間及超聲時間對膳食纖維提取的影響，采用響應面法優化提取工藝，研究了提取的膳食纖維的理化性質。本研究對進一步開發富含膳食纖維的新型功能性食品，以增加金刺梨渣相關產業的附加經濟效益具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金刺梨渣，沸水處理完成后通過鼓風干燥、研磨粉碎，然后過60 目篩，再封于自封袋內保存，放在干燥器內以備后用。

纖維素酶（酶活力40 萬U·g-1）；無水乙醇、氫氧化鈉和檸檬酸均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

BO-1000Y 型多功能粉碎機，永康鉑歐五金廠產品；SHB-95B 型循環水式多用真空泵抽濾機，上海秋佐科學儀器有限公司；101 型電熱鼓風干燥箱，余姚市亞星儀器儀表有限公司；KQ2200V 型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；IFE28 臺式pH 計，天津賢暉科技有限公司；800D 臺式離心機，歷辰科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 提取方法

稱取2.0 g 粉碎后的金刺梨渣，記為m1，加入檸檬酸溶液以及氫氧化鈉溶液將pH 調節為7 ～8。然后再加入纖維素酶，采用超聲波輔助完成酶解，加入乙醇使其沉淀，抽濾，再經過熱水洗滌，然后于濾液內加入其4 倍體積乙醇完成沉淀，3 000 r·min-1離心處理20 min，離心后收集該沉淀，置于30 ～40 ℃鼓風干燥箱中烘干至恒重，即得可溶性膳食纖維，準確稱量，記為m2，提取率計算公式為

1.3.2 單因素試驗設計

金刺梨渣中可溶性膳食纖維提取試驗單因素與水平設計如表1 所示。

表1 單因素與水平設計表

1.3.3 響應面試驗設計

根據單因素試驗結果，選取料液比、酶解時間、超聲時間3 個因素展開響應面試驗。參考Box-Behnken 試驗設計原理，選擇3 因素3 水平進行試驗分析，具體如表2 所示。

表2 響應面試驗因素與水平設計表

1.3.4 理化性質試驗

本試驗測定了所得金刺梨渣中可溶性膳食纖維的持水力和溶脹力。

（1）持水力測定。稱取制備的膳食纖維粉m（g）放置在燒杯內，然后加入蒸餾水攪拌均勻，并進行靜置處理，借助快速濾紙完成膳食纖維多余水分的過濾工作，然后將濾紙上依舊存在的濕樣品轉移到表面皿內進行稱重，記為m1，然后將其進行烘干稱重為m2。計算持水力（g·g-1）=（m1-m2）/m。

（2）溶脹力測定。稱取制備的膳食纖維粉m（g）于量筒中，其體積記錄為V1，再向其加入適量蒸餾水，充分振蕩均勻后靜置處理，此時量筒中膳食纖維的體積記錄為V2。計算溶脹力（mL·g-1）=（V2-V1）/m。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果及分析

2.1.1 料液比對金刺梨渣膳食纖維提取率的影響

由圖1 可知，隨著料液比逐漸提高，金刺梨渣膳食纖維提取率為先上升后下降趨勢；當料液比1 ∶10時，提取率達到最高；料液比持續增加，提取率呈現逐漸降低趨勢，原因可能是底物與酶溶液反應已呈現飽和狀態，而一些可溶性膳食纖維也可能被降解。

圖1 料液比對金刺梨渣膳食纖維提取率的影響圖

2.1.2 酶用量對金刺梨渣膳食纖維提取率的影響

由圖2 可知，隨著酶用量的增加，膳食纖維提取率呈現先增大后減小的趨勢。呈現此趨勢原因可能是初始酶用量過少，導致濃度過低，底物無法完全反應，并且內含有一些未解離淀粉，導致所得物含有其他成分，最終出現純度太低的情況，后提取率逐漸增加，意味著酶與底物能夠反應完全，并且膳食纖維純度也有所上升。根據酶促反應動力學能夠了解到，當底物濃度保持不變時，酶用量越多，反應速率的增加則會逐漸下降。

圖2 酶用量對金刺梨渣膳食纖維提取率的影響圖

2.1.3 酶解時間對金刺梨渣膳食纖維提取率的影響

由圖3 可知，隨著酶解時間的增加，膳食纖維提取率呈現先增大后減小的趨勢。當酶解時間為50 min時，提取率處于頂峰。最開始的時候酶解時間較短，一些酶與底物反應不完全；隨著酶解時間增加，酶與底物反應完全，還能引發一些已提取物出現降解情況。

2.1.4 超聲時間對金刺梨渣膳食纖維提取率的影響

根據圖4 可知，隨著超聲時間的增加，膳食纖維提取率呈現先增大后減小的趨勢。當超聲波時間為15 min 時，提取率達到頂點，原因可能為超聲波帶來的空化以及機械振蕩作用，導致酶溶液與金刺梨渣二者之間發生猛烈撞擊，從而提高壓強，增加溶液溫度，促進酶解，因此此時提取率最大。隨后繼續增加超聲時間，空化等持續影響導致已經提取出的膳食纖維疏松化，其自然結構遭到破壞，出現降解現象，降低了提取率。

圖4 超聲時間對金刺梨渣膳食纖維提取率的影響圖

2.1.5 酶解溫度對金刺梨渣膳食纖維提取率的影響

根據圖5 可知，隨著酶解溫度的增加，膳食纖維提取率呈現先增大后減小的趨勢。當酶解溫度為40 ℃時，提取率達到最高，該結果與酶促反應速率隨溫度變化情況較為類似。由于溫度增高，酶逐漸失活，引發反應速率下降，導致膳食纖維的提取率在溫度條件大于40 ℃時會由于溫度增加而下降。

圖5 酶解溫度對金刺梨渣膳食纖維提取率的影響圖

2.2 響應面試驗結果及分析

結合1.3.3 響應面試驗設計方案，以金刺梨渣中膳食纖維提取率為響應值進行實驗及響應面分析，具體方案及所得結果見表3。

表3 金刺梨渣中膳食纖維響應面設計及結果表

通過Design-Expert 10.0.1 軟件完成表3 試驗數據統計分析工作，得到二次多項式回歸方程為

對提取率預測數學模型進行方差統計分析，如表4 所示。F值的大小是評價各變量對響應值影響程度的重要指標，F值越大，表明有關模型分量對響應影響貢獻度越高。當顯著性檢驗概率P＜0.05 時，揭示了該變量對響應值影響顯著，具有數理統計意義。由表4 可知，影響提取率的不同工藝參數按貢獻大小依次排序為C＞B＞A。模型決定系數R2=0.990 8，意味著其擬合優度較高，此外R2adj=0.978 9，反映出試驗97.89%的響應值變化狀態，與預測相關系數R2pred相差較小，表明該模型具備較高預測精度。綜上可知AB、AC交互作用能夠直接影響金刺梨渣中膳食纖維提取率。結合方差分析結果可知，A2、B2、C2項對響應值的影響均達到極顯著水平。

表4 提取率回歸方程方差分析結果表

為準確得到全局最優解，將提取率最大視作優化目標，參考Design-Expert 10.0.1 軟件分析結果可知，最優工藝條件為液料比1.000 ∶15.682（g ∶mL）、酶解時間41.127 min、超聲時間21.021 min，在此條件下模型預測的提取率為43.332%。

2.3 驗證試驗

為驗證試驗結果，調節最佳條件參數分別為液料比1.0 ∶15.7（g ∶mL）、酶解時間41 min、超聲時間21 min，3 次重復，獲得平均提取率為43.50%，分析可知接近模型預測結果，意味著本試驗方法有效可行。

2.4 理化性質試驗結果及分析

本試驗測定了所得金刺梨渣膳食纖維的持水力和溶脹力，其結果見表5。試驗結果表明，金刺梨渣中膳食纖維持水力為1.589 9 g·g-1，溶脹力為1.863 1 mL·g-1。 與其他文獻中膳食纖維的持水力和溶脹力均有差異，這是由于金刺梨品種不同造成的。

表5 理化性質試驗結果表

3 結論

本文通過單因素試驗和響應面試驗，得出超聲輔助提取金刺梨渣中膳食纖維的最佳提取工藝條件為料液比1.0 ∶15.7（g ∶mL），酶用量60 μL，酶解時間41 min，超聲時間21 min，酶解溫度40 ℃，金刺梨渣中膳食纖維提取率為43.50%。當處于最佳條件時提取得到的金刺梨渣膳食纖維持水力為1.589 9 g·g-1，溶脹力為1.863 1 mL·g-1。