張曉雪,賈鴻震,于長青,魏文慧,李 冰,劉小波

(甘肅省輕工研究院有限責任公司分離技術(shù)開發(fā)中心,甘肅蘭州 730000)

沙棘又名醋柳、酸刺、酸溜溜、圪針,胡頹子科沙棘屬落葉灌木或小喬木,沙棘屬植物分為7種11亞種,全球約53個國家有沙棘分布。中國是世界上天然沙棘種質(zhì)資源最豐富的國家,也是人工種植面積最大的國家,約占世界沙棘總面積的95%以上[1],其沙棘屬植物共有7種7亞種[2],廣泛分布于中國西南、西北、華北、東北等地。沙棘含有豐富的維生素、黃酮、蛋白質(zhì)、脂肪酸、氨基酸、多糖等生物活性物質(zhì)[3-7],廣泛應用于食品、醫(yī)藥和保健品等行業(yè)。

沙棘果皮渣是沙棘果實榨汁產(chǎn)生的副產(chǎn)品,富含總黃酮、蛋白質(zhì)、脂肪和膳食纖維等多種生物活性成分,其中膳食纖維含量高達44.8%,是沙棘果皮渣中重要的營養(yǎng)成分[8-9]。膳食纖維(dietary fiber,DF)是近年來營養(yǎng)學研究的熱點,具有調(diào)節(jié)血糖血脂、預防治療腸道疾病、控制體重、潤腸通便等諸多生理功能,尤其對高熱量、低纖維飲食結(jié)構(gòu)引起的非傳染性慢性疾病作用效果顯著[10-14]。而膳食纖維中可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber,SDF)含量的多少在評價膳食纖維生理功能上具有一定意義,因此,對膳食纖維中SDF含量提取的研究有助于膳食纖維品質(zhì)及生理功能的進一步研究。

目前關(guān)于沙棘膳食纖維的研究較少,文獻報道的沙棘SDF提取方法有水提法、酶解法和蒸汽爆破預處理法。水提法工藝簡單、污染小、成本低,但提取時間較長且提取率低;酶解法具有操作條件溫和、節(jié)約能源、專一性高的優(yōu)點,卻受到一種酶只對一種物質(zhì)或一類結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)起作用的特異性限制;蒸汽爆破是一種新興的原料預處理方法,在特定的高溫、高壓條件下,細胞迅速“爆破”后原料發(fā)生組分離散和結(jié)構(gòu)改變,是未來生物煉制發(fā)展的重要途徑[10],但對設(shè)備的要求較嚴格,成本也較高;超聲波-微波協(xié)同提取將超聲波和微波有機地結(jié)合起來,充分利用超聲波的空化作用以及微波的高能作用,在低溫常壓條件下能夠?qū)τ行С煞诌M行充分提取[15],因其提取效率高、時間短、耗能低在天然產(chǎn)物提取分離方面應用日益增多。劉暢[16]采用傳統(tǒng)水提法和酶解法對沙棘粕SDF提取工藝進行了研究,工藝優(yōu)化后水提法沙棘粕SDF得率為4.53%,純度為85%;酶解法沙棘粕SDF得率為8.59%,比水提法提高89%,純度為92%,比水提法提高8%。黃鵬等[17-19]采用傳統(tǒng)水提法、酶法和發(fā)酵法改性不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber,IDF)對沙棘粕SDF提取工藝進行了研究,其SDF單位提取量為40.25 mg/g。張軍[20]采用纖維素酶酶解研究了沙棘葉中SDF的提取和脫色工藝,得到SDF提取量為28.07%,是沙棘葉中SDF含量11.38%的2.5倍。白曉州等[10]采用蒸汽爆破預處理制備沙棘果渣中SDF,經(jīng)蒸汽爆破處理后其SDF含量由4.37%提高到24.71%。而采用超聲波-微波協(xié)同提取沙棘果皮渣SDF的研究還未見報道。

本實驗首次利用超聲波-微波協(xié)同法提取沙棘果皮渣中SDF,以沙棘果皮渣為原料,以SDF得率為指標,采用響應面法優(yōu)化對超聲波-微波協(xié)同提取沙棘果皮渣中SDF工藝進行研究,旨在為沙棘果皮渣資源高值化利用和沙棘果皮渣中SDF產(chǎn)品開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

沙棘果皮渣 甘肅省隴源紅生物科技有限公司;檸檬酸 AR,天津市恒興化學試劑制造有限公司;無水乙醇 AR,天津市富宇精細化工有限公司。

101-2型智能數(shù)顯鼓風干燥箱 上海昕儀儀器儀表有限公司;ZN-1000高速中藥粉碎機 長沙市岳麓區(qū)中南制藥機械廠;BT1500電子天平 啟東友銘衡器有限公司;AS220.R2分析天平 蘇州培科實驗室儀器科技有限公司;CW-2000型超聲-微波協(xié)同萃取/反應儀 上海新拓分析儀器科技有限公司;DL-5M低俗冷凍離心機 長沙湘儀離心機儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 沙棘果皮渣試樣處理及成分分析 將沙棘果皮渣于電熱恒溫干燥箱65 ℃條件下干燥12 h,用高速中藥粉碎機粉碎后過孔徑272 μm篩,備用。參照GB 5009.3-2016[21]、GB 5009.4-2016[22]、GB 5009.5-2016[23]、GB 5009.6-2016[24]、GB 5009.8-2016[25]和GB 5009.88-2014[26]中相關(guān)方法進行沙棘果皮粉原料成分(水分、灰分、蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、膳食纖維)分析。

1.2.2 沙棘果皮渣可溶性膳食纖維提取工藝 精確稱取5 g沙棘果皮渣粉,置于250 mL具塞錐形瓶中。按料液比加入不同質(zhì)量分數(shù)的檸檬酸溶液,在60 ℃下,采用超聲波-微波協(xié)同萃取儀提取一定時間,提取結(jié)束后以轉(zhuǎn)速4000 r/min離心10 min,取上清液加入4倍體積無水乙醇靜置4 h,過濾分離沉淀,將沉淀轉(zhuǎn)移至事先洗凈烘至恒重的蒸發(fā)皿內(nèi),于電熱鼓風干燥箱內(nèi)60 ℃下干燥至恒質(zhì)量[27]。

1.2.3 單因素實驗 準確稱取5 g沙棘果皮渣粉,置于250 mL具塞錐形瓶中,在料液比為1∶12 g/mL,微波功率450 W,提取時間45 min,檸檬酸質(zhì)量分數(shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%條件下,測定SDF得率,分析檸檬酸質(zhì)量分數(shù)對沙棘果皮渣SDF提取的影響;在檸檬酸質(zhì)量分數(shù)為3%,微波功率450 W,提取時間45 min,料液比分別為1∶8、1∶12、1∶16、1∶20、1∶24 g/mL條件下,測定SDF得率,分析料液比對沙棘果皮渣SDF提取的影響;在檸檬酸質(zhì)量分數(shù)為3%,料液比1∶16 g/mL,提取時間45 min,微波功率分別為150、300、450、600、750 W條件下,測定SDF得率,分析微波功率對沙棘果皮渣SDF提取的影響;在檸檬酸質(zhì)量分數(shù)為3%,料液比1∶16 g/mL,微波功率600 W,提取時間分別為30、45、60、75、90 min條件下,測定SDF得率,分析提取時間對沙棘果皮渣SDF提取的影響[28]。

1.2.4 響應面試驗 在單因素實驗基礎(chǔ)上,采用中心組合設(shè)計原理,以檸檬酸質(zhì)量分數(shù)(A)、料液比(B)、微波功率(C)和提取時間(D)為響應變量,沙棘果皮渣SDF得率為響應值,展開四因素三水平的響應面優(yōu)化試驗(Box-Behnken,BB),建立最小二乘法擬合二次多項式數(shù)學模型,利用此模型確定沙棘果皮渣可溶性膳食纖維得率的最佳工藝參數(shù)。響應面優(yōu)化實驗共設(shè)計29個實驗點,實驗因素水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗因素水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiment

1.2.5 沙棘果皮渣中可溶性膳食纖維得率的計算 計算公式如下:

式中,m為稱取沙棘果皮渣粉質(zhì)量,g;m1為蒸發(fā)皿質(zhì)量,g;m2為蒸發(fā)皿和沙棘果皮渣SDF質(zhì)量,g。

1.2.6 沙棘果皮渣可溶性膳食纖維理化特性分析 根據(jù)上述優(yōu)化后的條件制備沙棘果皮渣可溶性膳食纖維,經(jīng)干燥、研磨后過100目篩,參考黃鵬等[17-19]報道的方法,對沙棘果皮渣SDF進行理化特性分析。

1.2.6.1 沙棘果皮渣可溶性膳食纖維的溶解性 稱取0.5 g沙棘果皮渣可溶性膳食纖維樣品,分別加入適量蒸餾水、乙醇、丙酮、正丁醇中,觀察其是否溶解。

1.2.6.2 沙棘果皮渣可溶性膳食纖維與苯酚-硫酸反應 準確稱取50 mg的沙棘果皮渣SDF樣品,用蒸餾水溶解定容至100 mL容量瓶中。取10 mL試管一支,用移液槍分別移取1 mL沙棘果皮渣SDF溶液、1 mL 6%的苯酚溶液、5 mL濃硫酸,靜置5 min,搖勻,室溫放置20 min,觀察是否產(chǎn)生顏色。

1.2.6.3 沙棘果皮渣可溶性膳食纖維與硫酸-咔唑反應 取“1.2.6.2”沙棘果皮渣SDF溶液,加入硫酸-咔唑,觀察是否產(chǎn)生顏色。

1.2.6.4 沙棘果皮渣可溶性膳食纖維與碘-碘化鉀反應 取“1.2.6.2”沙棘果皮渣SDF溶液,加入2%碘-碘化鉀溶液,觀察是否產(chǎn)生顏色。

1.2.6.5 沙棘果皮渣可溶性膳食纖維持水力的測定 參考巫永華等[29]報道的方法,準確稱取沙棘果皮渣SDF樣品0.50 g于15 mL離心管中,加入10 mL蒸餾水,室溫下振蕩30 min,4000 r/min條件下離心15 min,棄去上清液并用濾紙吸干離心管殘留水份,稱重后計算持水力:

式中:m為離心管重,g;m1為樣品干重,g;m2為離心管重和樣品濕重,g。

1.2.6.6 沙棘果皮渣可溶性膳食纖維持油力的測定 參考巫永華等[29]報道的方法,準確稱取0.50 g沙棘果皮渣SDF樣品于15 mL離心管中,加入植物油10 mL,振蕩搖勻,室溫下放置1.5 h,4000 r/min條件下離心15 min,小心除去上清液,稱重后計算持油力:

式中:m為離心管重,g;m1為樣品干重,g;m2為離心管重和樣品吸油后重量,g。

1.2.6.7 沙棘果皮渣可溶性膳食纖維膨脹力的測定 參考白曉州等[10]報道的方法,稱取1.0 g沙棘果皮渣SDF樣品于10 mL量筒中,讀取干基樣品的體積,轉(zhuǎn)移至50 mL量筒中并加蒸餾水(室溫)至25 mL處,用玻璃棒將沙棘果皮渣SDF攪勻,讓其充分吸收水分,室溫下靜置24 h,第2 d觀察并讀取膨脹的沙棘果皮渣SDF體積,計算膨脹力:

式中:m為樣品干重,g;V1為吸水前樣品體積,mL;V2為吸水后樣品體積,mL。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗平行3次,結(jié)果以平均值±標準方差(mean±SD)表示。采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件中的one-way ANOVA進行單因素方差分析,Duncan法進行多重比較;采用Design-Expert 11.1.0.1軟件中的F檢驗(tape III)對數(shù)據(jù)進行響應面優(yōu)化分析;采用Origin 2019制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙棘果皮渣成分分析

對經(jīng)烘干粉碎后的沙棘果皮渣進行成分分析,結(jié)果見表2。

表2 沙棘果皮渣的成分分析表Table 2 Ingredient of seabuckthorn peel residue

由表2可知,沙棘果皮渣中膳食纖維為41.3%,是沙棘果皮渣的主要成分,沙棘果皮渣是提取膳食纖維的優(yōu)質(zhì)原料。沙棘果皮渣中可溶性膳食纖維含量相對較低,為4.03%;大部分為不溶性膳食纖維,含量為36.76%。

2.2 單因素實驗

2.2.1 檸檬酸質(zhì)量分數(shù)對提取效果的影響 由圖1可知,當檸檬酸質(zhì)量分數(shù)在1%～3%范圍內(nèi)時,沙棘果皮渣中SDF得率隨檸檬酸質(zhì)量分數(shù)增大而顯著提高(P<0.05),可見一定質(zhì)量濃度的檸檬酸溶液可加強沙棘果皮渣中多糖結(jié)構(gòu)糖苷鍵的斷裂,有助于膳食纖維從細胞壁中釋放;當檸檬酸質(zhì)量分數(shù)超過3%時,SDF得率隨檸檬酸質(zhì)量分數(shù)增大而顯著降低(P<0.05),這是因為隨著酸濃度的增加,SDF分子可能降解形成小分子,部分SDF無法被無水乙醇完全沉淀所致[30]。故檸檬酸質(zhì)量分數(shù)選擇3%為宜。

圖1 檸檬酸質(zhì)量分數(shù)對沙棘果皮渣SDF得率的影響Fig.1 Effect of citric acid concentration on extraction yield ofSDF in seabuckthorn peel residue注:不同字母表示差異顯著(P<0.05);圖2～圖4同。

2.2.2 料液比對提取效果的影響 由圖2可知,當料液比在1∶8～1∶16 g/mL時,沙棘果皮渣中SDF得率隨料液比的增大呈顯著升高趨勢(P<0.05),隨著繼續(xù)增大料液比,SDF得率開始顯著降低(P<0.05),這是由于在適當料液比范圍內(nèi),料液比的增加可以增強SDF的溶出,但當料液比超過某一值時,酸液的濃度稀釋降低了沙棘果皮渣SDF的提取效果[31]。因此,料液比以1∶16 g/mL為宜。

圖2 料液比對沙棘果皮渣SDF得率的影響Fig.2 Effect of solid/liquid ratio on extraction yield ofSDF in seabuckthorn peel residue

2.2.3 微波功率對提取效果的影響 由圖3可知,當微波功率在150～600 W時,沙棘果皮中渣中SDF得率隨著微波功率的增大呈顯著升高趨勢(P<0.05),隨著繼續(xù)增大微波功率,SDF得率略有降低(P>0.05),這可能是隨著微波功率的增大,提取體系溫度上升速度加快,從而有助于沙棘果皮渣中SDF的快速溶出[32],當微波功率增至600 W時提取體系的溫度已能使沙棘果皮渣中SDF充分溶出。故選擇微波功率以600 W為宜。

圖3 微波功率對沙棘果皮渣SDF得率的影響Fig.3 Effect of microwave power on extraction yield ofSDF in seabuckthorn peel residue

2.2.4 提取時間對提取效果的影響 由圖4可知,當超聲時間由30 min增至60 min時,沙棘果皮渣中的SDF得率隨提取時間的增加而顯著升高(P<0.05),隨著提取時間的繼續(xù)延長,SDF得率反而顯著降低(P<0.05),原因是超聲波能在物料內(nèi)部產(chǎn)生強烈振動,加速度和空化效應對植物細胞和分子間產(chǎn)生強大的作用,從而快速提高SDF提取得率;超聲時間過長,膳食纖維結(jié)構(gòu)會被破壞,提取得率下降[33]。故選擇提取時間以60 min為宜。

圖4 提取時間對沙棘果皮渣SDF得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on extraction yield ofSDF in seabuckthorn peel residue

2.3 響應面優(yōu)化試驗

2.3.1 試驗的設(shè)計及結(jié)果 在單因素實驗的基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken設(shè)計法,對其工藝進行4因素優(yōu)化試驗設(shè)計。試驗設(shè)計及結(jié)果見表3。

表3 Box-Behnken試驗設(shè)計及試驗結(jié)果Table 3 Design and results of Box-Behnken experiment

利用Design Expert 10.0.4軟件對表3試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合,得到沙棘果皮渣SDF得率對檸檬酸質(zhì)量分數(shù)、料液比、微波功率和提取時間的二次多項式回歸方程:

Y=10.78+0.144A+0.47B+0.075C+0.046D-0.038AB-0.013AC+0.013AD-0.018BC+0.01BD-0.01CD-0.752A2-1.71B2-0.305C2-0.122D2

該模型的分析結(jié)果及模型系數(shù)顯著性檢驗見表4。

表4 回歸模型方差分析表Table 4 Variance analysis of the regression model

2.3.2 響應面分析 圖5顯示了檸檬酸質(zhì)量分數(shù)、料液比、微波功率、提取時間4個因素各因素及其交互作用對沙棘果皮渣SDF得率的3D響應面圖和等高線圖。

圖5 各因素及其交互作用對沙棘果皮渣SDF得率影響的響應面圖Fig.5 Response surface graphs showing the interactions of various factors on extraction yield of SDF in seabuckthorn peel residue

由圖5a可以看出檸檬酸質(zhì)量分數(shù)和料液比對沙棘果皮渣SDF得率的影響,沿著料液比因素向峰值方向移動,其等高線密度明顯高于沿檸檬酸質(zhì)量分數(shù)因素方向,由對應的3D響應面圖也能看出,與料液比因素相比,在檸檬酸質(zhì)量分數(shù)因素方向響應面曲線整體較平緩,料液比因素方向響應面曲線則較陡峭,說明料液比對沙棘果皮渣SDF得率的影響大于檸檬酸質(zhì)量分數(shù)。

圖5b則顯示檸檬酸質(zhì)量分數(shù)因素和微波功率因素對沙棘果皮渣SDF得率的影響。由等高線圖可以看出,沿著微波功率因素向峰值方向移動的等高線密度明顯低于沿檸檬酸質(zhì)量分數(shù)因素方向;同樣,從3D響應面圖也可以看出,在檸檬酸質(zhì)量分數(shù)因素方向響應面曲線的坡度大于微波功率因素方向,因此,檸檬酸質(zhì)量分數(shù)因素變化對沙棘果皮渣SDF得率的影響要高于微波功率因素,即相對于微波功率,檸檬酸質(zhì)量分數(shù)的影響更大。

圖5c為檸檬酸質(zhì)量分數(shù)因素和提取時間因素對沙棘果皮渣SDF得率的影響。由等高線圖可知,沿峰值方向的等高線密度檸檬酸質(zhì)量分數(shù)因素高于提取時間因素;在3D響應面圖中響應面曲線的陡峭程度提取時間因素小于檸檬酸質(zhì)量分因素。故相對于提取時間,檸檬酸質(zhì)量分數(shù)對沙棘果皮渣SDF得率的影響更大。

同樣,圖5d、5e、5f分別表示料液比因素和微波功率因素、料液比因素和提取時間因素、微波功率因素和提取時間因素對沙棘果皮渣SDF得率的影響,由兩因素沿峰值方向的等高線密度及其3D響應面圖中響應面曲線的陡峭程度可以看出,料液比和微波功率、料液比和提取時間、微波功率和提取時間兩兩因素對沙棘果皮渣SDF得率的影響也存在較大的差異,對沙棘果皮渣SDF得率的影響:料液比更大于微波功率、料液比大于提取時間、微波功率大于提取時間。響應面分析直觀反映了各因素的影響情況,其效果優(yōu)于單因素實驗。

2.3.3 模型驗證 根據(jù)Box-Bwhnken試驗所得結(jié)果,結(jié)合回歸模型,預測超聲波-微波協(xié)同提取沙棘果皮渣中可溶性膳食纖維的最佳工藝條件為:在檸檬酸質(zhì)量分數(shù)為3.09%,料液比為1∶16.55 g/mL,微波功率為617.19 W,提取時間為62.89 min條件下,SDF得率為10.83%。為了驗證響應曲面模型的可預見性,同時為了簡化試驗操作,將沙棘果皮渣中SDF提取工藝的最佳條件修正為:檸檬酸質(zhì)量分數(shù)為3%,料液比為1∶16 g/mL,微波功率為620 W,提取時間為60 min,該條件下進行3次平行試驗,SDF得率達到11.07%±0.26%,RSD為2.31%,與模型預測值誤差為2.22%。說明該模型可以有效預測沙棘果皮渣SDF提取過程中的SDF得率,優(yōu)化結(jié)果可靠,可用來指導超聲波-微波協(xié)同提取沙棘果皮渣中可溶性膳食纖維的提取工藝。

2.4 沙棘果皮渣可溶性膳食纖維理化特性分析結(jié)果

由表5可知,根據(jù)優(yōu)化后工藝條件經(jīng)超聲波-微波協(xié)同法制備的沙棘果皮渣SDF均溶于冷水和熱水,但不溶于乙醇、丙酮、正丁醇等有機溶劑;苯酚-硫酸反應呈現(xiàn)陽性,說明沙棘果皮渣SDF有糖類物質(zhì)存在;硫酸-咔唑反應也呈現(xiàn)陽性反應,說明有糖醛酸存在;碘-碘化鉀反應呈現(xiàn)陰性,說明沙棘果皮渣SDF沒有淀粉的存在。

表5 沙棘果皮渣可溶性膳食纖維理化分析結(jié)果Table 5 Physicochemical properties of water-soluble dietary fiber from seabuckthorn peel residue

制備的沙棘果皮渣SDF持水力、持油力及膨脹力分別為8.02 g/g、4.19 g/g和3.82 mL/g。劉暢[16]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過酶處理的沙棘粕SDF持水力和膨脹力分別為4.818 g/g和2.28 mL/g;黃鵬等[17-19]研究發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)水提法與里氏木霉菌發(fā)酵制備的沙棘粕SDF持水力和膨脹力分別為4.818 g/g和2.3 mL/g、6.4 g/g和5.3 mL/g;白曉州等[10]研究發(fā)現(xiàn)采用蒸汽爆破前后沙棘粕SDF持水力、持油力和膨脹力分別為3.44～8.36 g/g、1.23～3.06 g/g和2.04～4.17 mL/g。相比較而言,本試驗所制備的沙棘果皮渣SDF的持水力比沙棘粕SDF高,比處理后沙棘果渣SDF最高持水力略低;持油力高于沙棘果渣SDF持油力;膨脹力高于傳統(tǒng)水提法提取的沙棘粕SDF和沙棘果渣SDF,低于發(fā)酵法提取的沙棘粕SDF和蒸汽爆破法提取的沙棘果渣SDF膨脹力。這可能是因為超聲波空化作用產(chǎn)生的剪切力,使沙棘果皮渣SDF顆粒迅速破裂,粘度降低,沙棘果皮渣SDF顆粒分子間氫鍵作用減弱所致。

3 結(jié)論

采用超聲波-微波協(xié)同法提取沙棘果皮渣中可溶性膳食纖維,確定了最佳工藝條件:檸檬酸質(zhì)量分數(shù)為3%,料液比1∶16 g/mL,微波功率620 W,提取時間60 min。此條件下沙棘果皮渣可溶性膳食纖維得率達到11.07%±0.26%。所得沙棘果皮渣可溶性膳食纖維溶于水,不溶于乙醇、丙酮、正丁醇等有機溶劑,與苯酚-硫酸、硫酸-咔唑反應均呈現(xiàn)陽性,不與碘-碘化鉀反應,持水力為8.02 g/g、持油力為4.19 g/g、膨脹力為3.82 mL/g。該優(yōu)化工藝方法合理可行,可為沙棘果皮渣資源高值化利用和深入研究沙棘SDF產(chǎn)品開發(fā)利用提供理論依據(jù)。