柚皮不溶性膳食纖維提取工藝優化及其理化性質分析

謝建華，張桂云，李足環，顏朝勇

（1.漳州職業技術學院食品工程學院，福建漳州 363000；2.漳州市食品產業技術研究院，福建漳州 363000）

膳食纖維是由淀粉多糖組成的一類物質，根據溶解性可分為可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）和不可溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）[1]。它不被人體消化吸收，但因其對人體具有的諸多益處，被譽為“第七大營養素”。人體攝入不可溶性膳食纖維，可促進腸道蠕動，改善消化吸收；吸附油脂類有機物，調節體內血糖血脂；有效降低血液中膽固醇濃度[2]，在預防心腦血管疾病[3]，腸道癌癥[4]等疾病中起著重要作用。

柚子是漳州市平和縣的一類特有果品，是一種蕓香科柑橘屬類植物的果實，按照果肉顏色可分為紅柚和白柚，因其本身具有的清新、獨特的香氣和甘甜多汁的果肉而備受歡迎。柚子主要由柚皮與果肉組成，各占柚子本身重量的二分之一，目前柚子主要削除果皮，得到果肉，用于消費者直接食用或工廠釀酒。近年來國家對環境保護與資源浪費問題越來越看重，市場對于天然食品的呼聲越來越高，越來越多的研究傾向于從天然食品中提取功能性物質，如黃酮類、膳食纖維類。市場上經過剝離果肉的柚皮果皮一般作為廢棄物處理，但這些果皮的價值遠沒有被開發利用。據相關研究表明，柚皮含有豐富的黃酮類化合物[5]和膳食纖維[6]，可作為不溶性膳食纖維提取的優良原料。

在國內外研究中，常常采用化學法[7-9]、超聲波法、膜分離法和酶法提取膳食纖維。其中，超聲波法、膜分離法、酶法提取效果較好，但成本較高；化學法操作簡便、成本低，提取效果較差。為改善化學法提取得率與品質，研究出一套低成本、適用于工廠化生產，解決本地資源浪費，增加果農收入的方法，采用堿法提取柚皮不溶性膳食纖維[10]，通過響應面法[11]進一步優化工藝條件，運用紅外光譜掃描、持水力、持油力、膨脹力等測試手段對制得的膳食纖維進行結構表征以及鑒定，為柚皮高值化開發利用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

柚子 于2020 年10 月采摘自福建省漳州市平和縣，挑選果徑大小一致的柚果，常溫條件下貯藏運輸，削去黃色外表皮，剔除果肉，取白色囊層，切成2 cm×2 cm 左右大小，60 ℃烘干至恒重，粉碎后過1 mm 孔徑篩子，置于密封袋中常溫貯存備用；無水乙醇、氫氧化鈉、氯化鉀 分析純，西隴科學有限公司；植物油 益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司；緩沖溶液（pH4.0，pH6.86）上海雷磁創益儀器儀表有限公司；蘆丁標準品（HPLC≥98%）上海素培生物科技中心。

PHS-3C 型酸度計 上海雷磁創益儀器儀表有限公司；PX-MFC90D 型超微粉碎機 德國維根（Wiggens）公司；AUY220 型分析天平 日本SHIMADZU Corporation；N86KT18 小型真空泵 德國KNF 公司；HH-S4 型數顯水浴鍋 上海-恒科學儀器有限公司；GFL-125 型干燥箱 天津市萊玻特瑞儀器設備有限公司；TD25-WS 型臺式高速離心機 湖南滬康離心機有限公司；Thermo Fisher：Nicloet Is 10型傅立葉變換紅外光譜儀 賽默飛世爾科技（中國）有限公司。

1.2.1 柚皮不溶性膳食纖維（IDF）提取工藝 稱取2.0 g 柚皮粉末，加入90%乙醇浸提，浸泡1 h，然后真空抽濾，用蒸餾水洗滌，干燥得到脫脂樣品。將干燥后的脫脂樣品，以柚皮粉末質量按照一定液料比加入NaOH 溶液，一定溫度下水浴加熱一定時間，抽濾，沖洗干凈，干燥殘渣，粉碎稱重，得到柚皮IDF。

1.2 實驗方法

1.2.2 柚皮IDF 得率計算方法 柚皮IDF 得率P 按照公式（1）進行計算：

式中：P 為IDF 得率，%；m 為不溶性膳食纖維質量，即最終殘渣質量，g；M 為稱取柚皮粉末樣品質量，g。

1.2.3 單因素實驗設計 采用化學法提取柚皮不溶性膳食纖維，通過單因素實驗研究液料比、堿解溫度、pH、堿解時間的改變對柚皮IDF 得率的影響。

1.2.3.1 液料比對柚皮IDF 得率的影響 稱取相同質量柚皮粉末，選定堿解時間40 min，pH10、堿解溫度40 ℃，比較液料比為10:1、15:1、20:1、25:1、30:1 mL/g 對IDF 得率的影響。

1.2.3.2 堿解溫度對柚皮IDF 得率的影響 稱取相同質量柚皮粉末，選定液料比20:1 mL/g、pH10、堿解時間40 min，比較堿解溫度20、30、40、50、60 ℃對IDF 得率的影響。

1.2.3.3 pH 對柚皮IDF 得率的影響 稱取相同質量柚皮粉末，選定液料比20:1 mL/g、堿解溫度40 ℃、堿解時間40 min，比較pH 為8、9、10、11、12 對IDF 得率的影響。

1.2.3.4 堿解時間對柚皮IDF 得率的影響 稱取相同質量柚皮粉末，選定液料比20:1 mL/g、pH10、堿解溫度40 ℃，比較堿解時間40、50、60、70、80 min對IDF 得率的影響。

1.2.4 響應面試驗設計 在單因素實驗基礎上，采用Design-Expert 軟件中的Box-Behnken 采用四因素三水平的響應面分析法進行響應面設計[12]，以液料比（A）、堿解溫度（B）、pH（C）、堿解時間（D）作為自變量，柚皮IDF 得率為響應值，設計響應面試驗表，因素水平表如表1 所示。

表1 響應面試驗因素水平設計Table 1 Factor level design of response surface test

1.3 柚皮IDF 理化性質測定

1.3.1 紅外光譜分析 參照曾心悅等[13]的方法，取1 mg 樣品于研缽中，加入溴化鉀150 mg，研磨成粉末狀，壓片，用傅立葉變換紅外光譜儀掃描。設置參數為波數范圍4000～400 cm-1，掃描次數16，分辨率4 cm-1。

1.3.2 持水力測定 參考孫靜[14]的方法稍作改動。取已知重量的50 mL 離心管，稱取0.5 g IDF 樣品于離心管中，再稱取0.5 g 柚皮粉作為對照組，加入25 mL 蒸餾水，攪拌1 h，靜置24 h，在3500 r/min 的轉速下，離心25 min，除去上清液，用濾紙吸干多余水分，稱重。

1.3.3 持油力測定 參照Kurek 等[15]的方法。取已知重量的50 mL 離心管，稱取0.5 g IDF 樣品并倒入管中，稱取0.5 g 柚皮粉作為對照，加入25 mL 食用油，攪拌1 h，靜置24 h，在3500 r/min 轉速下，離心25 min，除去上清液，濾紙吸干多余油分，稱重。

1.3.4 膨脹力測定 參照Sangnark 等[16]的方法，計算其膨脹力。取已知重量的10 mL 量筒，稱取0.5 g IDF 樣品放入管中，稱取0.5 g 柚皮粉末作為對照，讀取樣品體積；分別加入6 mL 蒸餾水，震蕩搖勻，靜置2 h，讀取膨脹后體積。

1.4 數據處理

實驗結果以平均值±標準差表示，單因素實驗SPSS 26.0 進行ANOVA 單因素方差分析、Ducan's多重比較，Origin 9.1 進行圖片處理，響應面優化采用Design-Expert 8.0 進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 液料比對柚皮IDF 得率的影響 料液比對柚皮IDF 得率影響如圖1 所示，液料比10:1 到20:1 mL/g范圍內，隨著液料比的增大，反應底物（柚皮粉末）與NaOH 溶液的反應接觸面積增大，柚皮IDF 得率也隨之上升；液料比高于20:1 mL/g 后，柚皮IDF 得率顯著下降（P<0.05），此時液料比過高，相當于起到稀釋作用，導致反應底物濃度下降，降低了反應速率[17]，使得IDF 得率下降。綜合考慮選取液料比20:1 mL/g為最適液料比。

圖1 液料比對柚皮IDF 得率的影響Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on yield of pomelo peel IDF

2.1.2 堿解溫度對柚皮IDF 得率的影響 堿解溫度對柚皮IDF 得率影響如圖2 所示，20～40 ℃的范圍內，由于溫度升高，溶液內分子運動加劇，NaOH 與反應底物的反應速率逐步上升，柚皮IDF 得率隨著溫度的升高而增大；溫度高于40 ℃后，柚皮IDF 得率顯著下降（P<0.05），40～60 ℃的范圍內，由于溫度過高，半纖維素等物質發生水解反應，IDF 得率隨著溫度的升高而下降。綜合考慮，選取堿解溫度40 ℃為最適溫度。

圖2 堿解溫度對柚皮IDF 得率的影響Fig.2 Effect of alkaline hydrolysis temperature on yield of pomelo peel IDF

2.1.3 pH 對柚皮IDF 得率的影響 pH 對柚皮IDF得率影響如圖3 所示，由圖可知pH 對柚皮IDF 得率的影響顯著。pH8～10 的范圍內柚皮IDF 得率隨著pH 的升高緩慢上升，此時NaOH 濃度增大，有利于柚皮中蛋白質和淀粉等雜質的去除；pH 超過10以后，柚皮IDF 得率開始顯著下降（P<0.05），主要原因是NaOH 具有氧化作用，濃度過高時可破壞膳食纖維中的木質素，堿性極強時還會脫除膳食纖維中的半纖維素[18]，導致柚皮IDF 得率下降。綜合考慮，選取pH10 為最適pH。

圖3 pH 對柚皮IDF 得率的影響Fig.3 Effect of pH on yield of pomelo peel IDF

2.1.4 堿解時間對柚皮IDF 得率的影響 堿解時間對柚皮IDF 得率影響如圖4 所示，由圖可知堿解40～50 min，由于時間過短，果膠等可溶性膳食纖維物質溶解性較差，還未完全溶于水中并去除，導致堿解40 min 時出現IDF 含有可溶性膳食纖維，得率比堿解50 min 時略高的現象。堿解50 min 以后，NaOH與底物反應的反應速率也隨時間增大，因此IDF 得率上升。堿解時間超過70 min 后，柚皮IDF 得率開始顯著下降（P<0.05）。原因是IDF 中的纖維素、半纖維素在堿液中浸泡時間過長，發生水解作用[19]，導致了得率隨著時間增加而下降。綜合考慮選取堿解時間70 min 為最適時間。

圖4 堿解時間對柚皮IDF 得率的影響Fig.4 Effect of alkaline hydrolysis time on yield of pomelo peel IDF

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 響應面試驗設計及結果 以液料比（A）、堿解溫度（B）、pH（C）、堿解時間（D）為變量，以柚皮IDF 得率為響應值，根據Box-Behnken 設計得到29 個試驗方案，做三次平行實驗取平均值，結果如表2 所示。

表2 響應面分析的試驗結果Table 2 Experiment result of response surface analysis

2.2.2 回歸方程擬合與方差分析 利用Design-Expert 軟件對表2 進行數據分析，進行二次多元回歸擬合，擬合得到柚皮IDF 得率預測值（Y）與編碼自變量液料比（A）、堿解溫度（B）、pH（C）、堿解時間（D）的二次多項回歸方程如下：

Y=35.55+0.25A+0.27B-0.40C+0.14D+0.27AB+1.22AC-0.30AD-0.19BC+0.47BD+0.32CD-0.35A2-0.10B2-0.055C2-0.67D2

實驗結果由表3 方差分析可知，柚皮IDF 提取的試驗模型極顯著（P<0.0001），失擬項（P=0.2822>0.05）不顯著，說明模型可靠，實驗誤差是由系統誤差引起的。試驗模型R2為0.9071，說明該模型擬合效果良好[20]，該方程適用于柚皮不溶性膳食纖維得率理論預測值；模型調整決定系數R2為0.8142 說明該模型可以解釋81.42%響應面值的變化；本模型的C.V.%值為0.95，說明本模型是相對可靠的。

表3 二次響應面回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of quadratic response surface regression model

從回歸方差分析可以看出一次項A、B 均對柚皮IDF 得率有顯著影響（0.01堿解溫度（B）>液料比（A）>堿解時間（D）。

2.2.3 響應曲面分析 根據回歸方程作出響應面分析圖，如圖5～圖6 所示，可以通過響應曲面及等高線的形狀來考察各因素對柚皮IDF 得率的影響程度[22-24]。交互作用的曲面坡度越大，其影響程度越高。通過響應曲面及并結合回歸模型方差分析可知，交互作用AC、BD 對柚皮IDF 得率的影響，二者的響應面陡峭程度大，且BD 的等高線呈現橢圓形，說明交互作用AC、BD 對柚皮IDF 得率影響程度大。

圖5 液料比與pH 交互作用響應面曲面圖Fig.5 Response surface graph of liquid-solid ratio and pH interagtion

圖6 堿解時間與堿解溫度交互作用響應曲面圖Fig.6 Response surface graph of alkaline hydrolysis temperature and alkaline hydrolysis time interagtion

2.2.4 驗證實驗 根據Design 軟件得到最佳方案條件為液料比15:1 mL/g、堿解溫度50 ℃、pH9、堿解時間74.41 min。為了操作簡便，實際操作中采用液料比15:1 mL/g、堿解溫度50 ℃、pH9、堿解時間75 min 作為最佳提取方案。得到三組平行實驗平均得率為35.28%，與預測值36.75%僅相差1.47%左右，說明該響應面模型對于柚皮IDF 得率具有較好的預測能力。

2.3 理化性質分析

2.3.1 紅外光譜分析 紅外光譜圖如圖7 所示，可以明顯地看出提取得到的柚皮IDF 與柚皮原樣具有以下幾點明顯的區別：

圖7 IDF 與柚皮原樣紅外光譜分析結果Fig.7 Analysis of infrared spectra of IDF and pomelo samples

第1 處吸收波數約3435 cm-1處的強吸收峰為O-H 和酚類物質的伸縮振動，柚皮IDF 與柚皮原樣在此處均有吸收，表明二者均含有羥基[25]；第2 處吸收波數約3000～2850 cm-1的弱吸收峰為甲基、亞甲基C-H 的伸縮振動，此處對應纖維素、木質素中骨架碳鏈存在的甲基、亞甲基結構，柚皮IDF 在此處有2850 cm-1與2923 cm-1兩個吸收峰且透過率較高，柚皮原樣僅在2923 cm-1有一個吸收峰，表明柚皮IDF 纖維素、木質素含量更為豐富；第3 處吸收波數1745 cm-1和1632 cm-1兩處弱吸收峰為乙酰基上的C=O 伸縮振動，對應半纖維素中木聚糖乙酰基結構，表明二者均含有乙酰基結構；第4 處1160 cm-1的吸收峰表明樣品存在羧基結構，柚皮IDF 在此處有明顯吸收，而柚皮原樣的紅外光譜在此處吸收峰的缺失，說明僅柚皮IDF 含有羧基；第5 處吸收波數約1056 cm-1為半纖維素中的阿拉伯糖吸收峰[26]，其中比起柚皮原樣，柚皮IDF 吸收強度增加，說明柚皮IDF 含有半纖維素含量更高；第6 處843 cm-1為α-構型糖苷鍵吸收峰[27]，柚皮原樣在此處存在尖峰，而柚皮IDF 在此處無明顯吸收，表明α-糖苷鍵在提取過程中斷裂，果膠類物質被去除。

通過上述分析可知，第一，柚皮原樣含有羥基、乙酰基，α-糖苷鍵，而柚皮IDF 含有羥基、乙酰基及羧基三種基團。羥基、乙酰基、羧基均為親水性基團[28-30]，而α-糖苷鍵結構較穩定，于熱水中溶解性較好，在室溫條件下親水性較差；基團含量及性質會影響到柚皮IDF 和柚皮原樣的理化性質。因此從紅外分析可推斷相比柚皮原樣，柚皮IDF 的持水力及膨脹力可能發生較大變化。第二，柚皮原樣與柚皮IDF 均含有甲基、亞甲基，這兩種基團為親油基團，由于柚皮IDF 含有含量較多，柚皮原樣含量較少，因此從紅外分析推測二者的持油力可能會發生變化。

2.3.2 持水力、持油力及膨脹力 如圖8 所示，柚皮IDF 和柚皮原樣持水力分別為13.91 和2.52 g/g；柚皮IDF 和柚皮原樣持油力分別為3.43 和2.60 g/g；柚皮IDF 和柚皮原樣膨脹力分別為10.94 和7.75 mL/g。對比柚皮原樣，柚皮IDF 持水力增加了4.52 倍，持油力增加了0.32 倍，膨脹力增加了0.41 倍。這說明通過化學法制備的不溶性膳食纖維親水性基團增加，持水力、持油力和膨脹力都優于柚皮原樣。

圖8 IDF 與柚皮原樣理化性質分析結果Fig.8 Analysis of physicochemical properties of IDF and pomelo samples

3 結論

本文在單因素實驗基礎上，通過響應面優化堿法提取柚皮IDF，得到最佳提取方案為：液料比15:1 mL/g、堿解溫度50 ℃、pH9、堿解時間75 min，在此條件下，最終實際得率為35.28%，與預測值僅相差1.47%。理化性質分析發現柚皮IDF 含有的羥基、羧基及乙酰基等親水性基團數量增多，親油性基團含量也增多，推測柚皮IDF 的持水力、持油力及膨脹力性能增強。進一步研究柚皮IDF 理化性質，測得柚皮IDF 的持水力、持油力、膨脹力，分別為13.91 g/g、3.43 g/g，10.94 mL/g；發現相比柚皮原樣，柚皮IDF 的水合性能得到顯著提升。提取的不溶性膳食纖維，理化性質較好，對于柚皮膳食纖維提取有一定的參考價值，為進一步挖掘柚皮營養價值提供理論基礎。