洋薊膳食纖維中可溶性膳食纖維提取工藝優化

朱仁威，徐田輝，黃 亮,*，賀 便

（1.特醫食品加工湖南省重點實驗室，中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.銅仁學院材料與化學工程學院，貴州 銅仁 554300；3.稻谷及副產物深加工國家工程研究中心，中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

當前國內外學者對大麥、小麥、豆類、大米和玉米等谷物中的膳食纖維進行了深入研究[1]。但是對于洋薊膳食纖維少有研究，在我國，洋薊主要用于制作出口罐頭，據調查西洞庭洋薊加工廠僅利用其合格鮮果的約1/3，外面變綠苞片、兩頭切下的鮮果部分都丟掉了，次品果、廢棄果較多，所以目前洋薊的綜合利用率僅有10%[2]。如何科學挖掘洋薊加工副產品中的營養附加值，提高洋薊的資源利用率是亟待研究的問題[3]。目前對洋薊的研究主要集中在多酚的研究上，對洋薊膳食纖維鮮有研究[4]，而洋薊中膳食纖維含量豐富且為優質纖維[5]。因此，對洋薊加工的副產品進行開發利用，既能提高洋薊深加工產品的附加值，延長產業鏈，又可以變廢為寶，改善環境污染問題，對提高人民的健康水平具有現實意義[6]。

目前國內外對于可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）的研究相當全面，SDF 具有非常廣泛和很重要的生理功能，不僅可以顯著影響碳水化合物和脂質的代謝[7]，而且還可以吸附重金屬離子和膽固醇，SDF 含量的多少是影響膳食纖維生理功能的重要因素。然而，許多天然植物中膳食纖維品質較低，SDF 含量只有3%～4%，不能達到高品質的膳食纖維SDF 含量≥10%的要求，沒有良好的生理活動和保健功能，無法滿足現代食品醫藥、食品開發與加工的需要[8]。

超微粉碎-高壓均質復合改性是課題組研究以來[9]，發現的一種穩定且高效能夠對洋薊膳食纖維進行改性的方法。通過兩種物理復合改性的方法，使洋薊膳食纖維中的不可溶性膳食纖維（IDF）更多的被改性為SDF，最高能夠使其SDF 的得率從原有的7%左右提高到20%左右[10]。王兆升等[11]的研究結果表明麥麩在經過加酸擠壓改性后，其SDF 含量提高了80.93%；付曉康等[12]研究結果表明米糠膳食纖維經過蒸汽爆破-超微粉碎改性后，其SDF 得率分別提高了2.28 和2.77 倍；張洪微等[13]研究結果表明小麥麩皮膳食纖維經擠壓膨化、纖維素酶以及擠壓-酶法三種改性的方法后，小麥麩皮膳食纖維的理化性質顯著增強。

本研究以高能納米沖擊磨對洋薊膳食纖維進行預處理后，再對其進行高壓均質改性處理，考察均質壓力、均質溫度和物料濃度對洋薊SDF 得率的影響[14]，在此基礎上采用Box-Behnken 設計響應面法優化了提取工藝條件，使洋薊SDF 得率更高，并對建立的模型進行了分析，為洋薊SDF 的提取與規?；瘧锰峁┝藚⒖?。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

洋薊變綠苞片、兩頭切下的鮮果部分 湖南省常德市惠美農業科技有限公司洋薊罐頭加工過程廢棄料；MES-TRIS 緩沖液 分析純，南京建成生物工程研究所；95%乙醇溶液 分析純，天津市富宇精細化工有限公司；氫氧化鈉 分析純，西隴科學股份有限公司；鹽酸溶液 分析純，株洲市星空化玻有限責任公司；堿性蛋白酶200 U/mg、熱穩定α-淀粉酶4 萬U/g、糖化酶10 萬U/g 上海源葉生物科技有限公司；乙酸溶液 分析純，天津市化學試劑研究所有限公司；除以上試劑外，其余試劑純度均為分析純。

SHA-B 恒溫振蕩水浴箱 常州智博瑞儀器制造有限公司；美國PHD 高壓均質機 美國PhD 科技有限公司；CJM-SC-A 高能納米沖擊磨 秦皇島市太極環納米制品有限公司；DHG-92425A 鼓風干燥箱上海燈晟儀器有限公司；A-1000S 真空抽濾機上海古北儀表廠；FDV 氣引式粉碎機 佑麒機械有限公司；DF-Ⅱ集熱式磁力加熱攪拌器 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；賽默飛IS20 傅里葉變換紅外光譜儀 美國熱電公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預處理及改性工藝 將洋薊變綠苞片、兩頭切下的鮮果部分用烘干機烘到恒重后，采用AOAC 991.43 的方法提取總膳食纖維，經-80 ℃超低溫冰箱冷凍24 h，將制得的冷凍樣品置于高能納米沖擊磨中，材料比為洋薊:鋯球=1:4，粉碎8 h 后置于密閉容器內保存[15]。將制得的原料采用高壓均質的方法進行改性，改性采用一定的均質壓力、物料濃度以及均質溫度。改性后再通過國標AOAC991.43 的方法提取可溶性膳食纖維，通過單因素和響應面試驗設計，得到洋薊可溶性膳食纖維最佳的提取工藝。

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 高壓均質壓力對洋薊 SDF 得率的影響 洋薊膳食纖維經高能納米沖擊磨后，再經高壓均質進行改性，考察均質壓力對洋薊SDF 得率的影響：取物料濃度（洋薊與水的比例）1.5%，均質溫度30 ℃，分別在均質壓力為60、70、80、90、100 MPa 條件下均質2 次，以洋薊SDF 得率為指標，確定最適洋薊SDF提取的均質壓力[14]。

1.2.2.2 均質溫度對洋薊SDF 得率的影響 取物料濃度為1.5%，均質壓力為60 MPa，分別在均質溫度為30、35、40、45、50 ℃條件下均質2 次，以洋薊SDF得率為指標，確定最適洋薊SDF 提取的均質溫度。

1.2.2.3 物料濃度對洋薊SDF 得率的影響 取均質壓力60 MPa，均質溫度為30 ℃，分別在物料濃度為1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%條件下均質2 次，以洋薊SDF 得率為指標，確定最適洋薊SDF 提取的物料濃度[16]。所有洋薊SDF 的提取與得率計算均采用AOAC991.43 的方法。

1.2.3 響應面優化洋薊SDF 提取工藝 依據單因素的實驗結果，選擇均質壓力、均質溫度以及物料濃度3 因素為自變量，以洋薊SDF 得率為響應值，采用Box-Behnken 設計進行三因素三水平試驗，完整的試驗由17 個試驗點組成[17]。響應面設計因素與水平如表1 所示。

表1 響應面試驗設計因素與水平Table 1 Design factors and levels of response surface test

1.2.4 不同處理對膳食纖維的影響

1.2.4.1 樣品制備 超微粉碎處理組采用高能納米沖擊磨進行粉碎制得洋薊膳食纖維（進料比洋薊:鋯球=1:4，粉碎8 h）；高壓均質處理組采用普通氣引式粉碎機粉碎制得洋薊膳食纖維（粉碎時間2 min）；復合改性處理組采用高能納米沖擊磨結合高壓均質機復合改性制得洋薊膳食纖維（高能納米沖擊磨進料比洋薊:鋯球=1:4，粉碎8 h；高壓均質機均質溫度41 ℃、均質壓力97 MPa、物料濃度2.5%）。

1.2.4.2 洋薊膳食纖維成分測定 分別采用國標方法（GB 5009.3-2016；GB 5009.5-2016；GB 5009.6-2016；GB 5009.4-2016；GB 5009.88-2014）對各組洋薊膳食纖維組分（水分、蛋白質、粗脂肪、粗灰分、膳食纖維）進行測定。

1.2.4.3 近紅外光譜分析 采用傅里葉變化紅外光譜儀對洋薊膳食纖維官能團進行測定，觀察其復合改性前后C-H 鍵、C=O 鍵、H-O-H 鍵、CH2鍵、C-O鍵等特殊吸收峰是否發生變化[18]。

1.3 數據處理

所有數據均為3 次平行測定值，作圖采用Origin 8.0 軟件，數據分析采用SPSS 軟件進行，P＜0.01 為極顯著差異；P＜0.05 為顯著差異；P≥0.05 為差異不顯著。

2 結果與分析

2.1 單因素分析

2.1.1 均質壓力對洋薊SDF 得率的影響 均質壓力對洋薊SDF 得率的影響見圖1，由圖1 可見，隨著均質壓力的提高，洋薊SDF 得率呈現先增后減的趨勢，當均質壓力為90 MPa 時洋薊SDF 得率最高，為21.37%。這可能是因為洋薊經高能納米沖擊磨前處理后，其粒徑減小，再經高壓處理產生的高速碰撞和剪切作用，使洋薊膳食纖維緊密的表層破碎，從而組織松散，更多的親水集團得以暴露，使其洋薊SDF 的得率顯著增加[19]。但高于90 MPa 時洋薊SDF 的得率有所下降，可能是因為壓力過大，對洋薊膳食纖維的結構影響較大，導致洋薊SDF 得率變小，具體原因還需進一步的研究。丁莎莎等[10]研究結果表明，當高壓均質壓力在30 MPa 時，油橄欖果渣中IDF 的結構更加疏松，且部分出現斷裂和破碎，得到更多的SDF，本文初步的研究結果顯示均質壓力在90 MPa時SDF 得率最高，可能是由于材料的差異性導致了最佳均質壓力的不同[10]。

圖1 均質壓力對洋薊SDF 得率的影響Fig.1 Effect of homogenization pressure on the yield of SDF of artichoke

2.1.2 均質溫度對洋薊SDF 得率的影響 均質溫度對洋薊SDF 得率的影響見圖2，由圖2 可見，隨著均質溫度的升高，洋薊SDF 得率呈現先增后減的趨勢，當均質溫度為40 ℃時，洋薊SDF 得率最高，達到19.96%。這可能是因為當溫度逐漸升高時，洋薊顆粒在逐漸加溫時變軟，更利于高壓均質。當溫度過高時，可能會導致物料顆粒的膨脹，造成碰撞勢能減少，從而降低均質的效果。陳慕瑩等[20]研究結果表明，當均質溫度在31 ℃時納米竹筍膳食纖維提取效果最好。本文研究的最適溫度為40 ℃，造成這種差異的原因可能是因為陳慕瑩采用了更細小的納米級竹筍膳食纖維，相較于本文的原料，其粒徑更小，從而均質過程中接觸面更大，不需要太高的溫度也可以很大程度提升膳食纖維的得率[20]。

圖2 均質溫度對洋薊SDF 得率的影響Fig.2 Effect of homogenization temperature on the yield of SDF of artichoke

2.1.3 物料濃度對洋薊SDF 得率的影響 物料濃度對洋薊SDF 得率的影響見圖3，由圖3 可見，隨著物料濃度的增加，洋薊SDF 得率呈現先增后減的趨勢，當物料濃度為2.5%時，洋薊SDF 得率最高，達到19.97%。這可能是因為在一定的均質條件下，隨著物料濃度的增加，顆粒之間的碰撞力度增大，使其暴露出更多的親水基團，使其SDF 的含量增加。當物料濃度大于2.5%時，可能會使均質液中的膠狀物質聚集形成大顆粒，不利于后面SDF 的提取，所以洋薊SDF 得率呈下降趨勢。Tangsuphoom 等[21]研究結果表明，當物料濃度達到一定值時，乳液中所含有的乳狀物會重新聚集形成聚集物，不利于均質過程。雖然與本文的研究對象不同，但也為本文的研究方法提供了一定的參考，具體的原因還需進一步的研究和討論[21]。

圖3 物料濃度對洋薊SDF 得率的影響Fig.3 Effect of material concentration on the yield of SDF of artichoke

2.2 響應面優化洋薊SDF 提取工藝

2.2.1 響應面試驗設計與結果 根據單因素實驗，以洋薊SDF 得率為響應值（Y），均質壓力（A），物料濃度（B），均質溫度（C）為因素，按照Box-Behnken 設計試驗，進行三因素三水平的響應面試驗，優化洋薊SDF 提取工藝，試驗設計及結果見表2。

2.2.2 響應面回歸模型及方差分析 利用Design-Expert V8.0.6 軟件對表2 響應面試驗結果進行多元回歸擬合和方差分析。擬合的二次多項式回歸方程為：

表2 響應面設計方案及結果Table 2 Response surface design and results

Y=-334.468+4.480A+57.420B+4.018C-0.085A B+0.016AC+0.245BC-0.027A2-11.872B2-0.076C2

從回歸方程系數可以看出，各因素對響應面影響的大小順序為：A（均質壓力）＞C（均質溫度）＞B（物料濃度）。對回歸模型的方差分析結果見表3。

由表3 方差分析可知，試驗擬合的二次多項回歸具有高度的顯著性（P＜0.001），模型失擬項P=0.1557＞0.05，不顯著，說明建模成功，試驗結果可用該模型描述。模型的決定系數R2=0.9726，說明響應值的變化有97.26%來源于所選因素，該模型與實際情況接近，試驗擬合程度良好，能夠充分反應各因素與響應值的關系。變異系數CV=3.48%＜5%，說明模型的置信度較高，重現性較好，實驗設計合理。從各因素F值得大小可知，各因素對洋薊SDF 得率得影響順序為：均質壓力＞均質溫度＞物料濃度，這與利用模型方程系數分析的結果一致。

表3 方差分析表Table 3 Variance analysis table

2.2.3 因素間交互作用分析 根據回歸方程得出不同因素交互作用的響應面分析圖以及等高線圖如圖4 所示。觀察各因素間相互作用的響應面圖形，若響應曲面坡度越彎曲，則說明響應值對于該因素的改變就顯得越敏感，相反則越遲鈍；同時，等高線的形狀也可直接反映出兩兩因素交互作用的強度，等高線圖形越接近橢圓則表示交互作用越顯著，反之則不顯著。從圖4 可以直接看出，3 個曲面坡度都陡，說明均質壓力（A）、物料濃度（B）和均質溫度（C）對洋薊SDF 的提取率影響大；由圖4 中等高線圖可以知，均質壓力與物料濃度（AB）交互作用不大，均質壓力與均質溫度（AC）交互作用比較大，因素影響和交互作用與模型方差分析的結果較為一致。

圖4 各因素交互作用的響應面圖與等高線圖Fig.4 Response surface plot and contour plot of interaction of various factors

2.2.4 最佳工藝條件與驗證 根據擬合模型方程得到洋薊SDF 提取的最佳條件為：均質壓力96.71 MPa，物料濃度2.5%，均質溫度40.98 ℃，該條件下擬合得到的洋薊SDF 得率為20.70%。根據實際情況將工藝參數進行調整，得出均質壓力為97 MPa，物料濃度為2.5%，均質溫度為41 ℃。在此條件下進行3 次平行驗證實驗，該條件下洋薊SDF 得率平均值為20.13%，由回歸方程計算得到洋薊SDF 得率為20.51%，與理論預測值的相對誤差為1.8%，表明實測值與預測值之間具有良好的擬合性，驗證了擬合模型的可行性。

2.2.5 組分分析 從表4 數據可得出，經過超微粉碎-高壓均質復合改性后，其SDF 含量遠遠高于未經處理洋薊膳食纖維組以及單一處理組，同時對其內部所含的水分、蛋白質、粗脂肪以及灰分等含量影響不大。這與周麗媛等[22]采用超微粉碎、超高壓以及擠壓膨化等3 種方法改性黑小麥麩皮可溶性膳食纖維得到的結果基本吻合。

表4 洋薊膳食纖維成分表（g/100 g）Table 4 Artichoke dietary fiber composition table (g/100 g)

2.2.6 傅里葉紅外光譜儀分析復合改性前后洋薊膳食纖維官能團變化 由圖5 可知，紅外光譜圖中波數3400 cm-1附近寬的吸收峰為分子內羥基-OH 伸縮振動峰，由于在洋薊膳食纖維大分子中，每個基環都有3 個醇羥基，因此洋薊膳食纖維分子鏈鍵與表面水分子能夠形成氫鍵[23]，CM-ADF 樣品的羥基峰寬且峰強度有所上升。2923～2927 cm-1處的吸收峰歸屬于脂肪族對稱的C-H 鍵彎曲振動峰引起，波數為1735 cm-1附近的峰歸屬于與半纖維素相關的酯類羰基C=O 的伸縮振動峰[24]，CM-ADF 樣品對比其他三組樣品峰強明顯增強。1629～1639 cm-1處的吸收峰為吸附水的H-O-H 彎曲振動峰，1417～1421 cm-1處的峰為纖維素中CH2彎曲振動峰。1375 cm-1附近的峰歸屬于脂肪族不對稱的C-H 鍵彎曲振動峰，1321～1324 cm-1處的吸收峰歸屬于碳水化合物CH2的彎曲振動峰，1047～1053 cm-1處的峰為碳水化合物中C-O 的伸縮振動峰。604～617 cm-1附近是C-H的面內搖擺。在1530 cm-1附近沒有木質素的特征吸收峰出現，說明四組樣品都不含木質素。以上分析可得，經過改性處理后，洋薊膳食纖維具有C-H 鍵、C=O 鍵、H-O-H 鍵、CH2鍵、C-O 鍵等特殊吸收峰，沒有新的吸收峰出現，固改性對洋薊膳食纖維的化學成分沒有影響，但是四組樣品中，CM-ADF 相比于其他三組樣品，其烷基和含氧官能團峰強逐漸增加，可能說明采用復合改性的方法比采用單一的改性方法在可溶性膳食纖維的轉化率上更好，這些發現與牛希等采用超聲改性處理燕麥膳食纖維結果一致[25]。

圖5 傅里葉光譜儀分析圖Fig.5 Fourier spectrometer analysis chart

3 結論

將洋薊膳食纖維經高能納米球磨儀預處理后，再經高壓均質單因素實驗，以均質壓力、物料濃度與均質溫度為因素，采用響應面優化了洋薊SDF 得率工藝。結果表明，經高能納米球磨預處理后，影響洋薊SDF 得率的因素的大小順序為：均質壓力＞均質溫度＞物料濃度，優化的洋薊SDF 提取最佳工藝條件：均質壓力為97 MPa，物料濃度為2.5%，均質溫度為41 ℃。在該工藝下，經超微粉碎-高壓均質復合改性洋薊膳食纖維的可溶性膳食纖維的得率遠高于未經處理或單一處理的洋薊膳食纖維。傅里葉紅外分析結果表明，經超微粉碎-高壓均質復合改性洋薊膳食纖維中的烷基和含氧官能團峰強逐漸增加，說明復合改性相對于單一形式的改性，其對洋薊膳食纖維中可溶性膳食纖維的轉化率具有積極影響，但未能對其進行定量分析，后期還需做進一步的研究。