杭書揚(yáng)，楊林霄，郭建行，錢格格，劉延奇,2,3,

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州 450001；3.河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點實驗室，河南鄭州 450001）

膳食纖維（Dietary Fiber，DF）包括食品中天然存在的碳水化合物，通過物理、酶及化學(xué)方式從原材料中獲得的碳水化合物，以及經(jīng)證實對健康有益的合成碳水化合物[1]。水果、蔬菜、谷物和藻類是主要的天然DF來源，向食品添加DF可降低食品中的卡路里、膽固醇和脂肪含量，也可以作為功能性成分，改善水合作用、持油能力、粘度、質(zhì)地、感官質(zhì)量和保質(zhì)期[2]。根據(jù)DF是否具有水溶性，可將其分為可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF），SDF主要包括果膠和樹膠，以及水不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF），如木質(zhì)素、纖維素和一些半纖維素[3]。在食品工業(yè)中，SDF較IDF有著更為廣泛的應(yīng)用，這是因為SDF既可以在食品凝膠形成和乳化的過程中起重要作用，又能在不影響味道的情況下融入食品和飲料中[4]，同時可以增加飲料的粘度并保留食品中的水分，此外SDF也具有一定的吸附能力，可降低人體內(nèi)血糖和血漿膽固醇水平[5]。

山藥中含有多種營養(yǎng)物質(zhì)[6]，除了具有生物活性的多糖、多酚和黃酮等物質(zhì)外，其余絕大部分是膳食纖維[7]。山藥皮經(jīng)乙醇提取黃酮、多酚，水提多糖后，其殘渣中仍含有豐富的SDF，但是關(guān)于如何有效地提取山藥皮殘渣中的SDF鮮有報道。目前主要提取SDF的方法有：傳統(tǒng)的化學(xué)提取方法，如堿水解、酸水解和酶解法[8]；新興的儀器輔助提取，如微波、超聲和超高壓輔助提取[9]；生物發(fā)酵提取。堿法提取有著工藝簡單、成本低等優(yōu)點，多應(yīng)用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)[10]。經(jīng)過逐級提取后，山藥皮殘渣SDF可能存在于細(xì)胞壁中，在堿性條件，植物細(xì)胞壁基質(zhì)中的氫和共價鍵被破壞，可以釋放其中的多糖，從而提高提取產(chǎn)率[11]，因此，本研究采用堿法提取山藥皮殘渣中SDF。

為充分開發(fā)山藥皮的價值，本試驗首次以經(jīng)過醇提黃酮、多酚，水提多糖后的鐵棍山藥皮殘渣為原料，采用單因素實驗，探究堿法提取山藥皮殘渣中膳食纖維的最優(yōu)工藝，分別以提取時間、液固比及NaOH濃度與提取溫度為考察因素，以SDF得率為目標(biāo)值，再利用正交法優(yōu)化試驗，以期為該資源開發(fā)利用提供依據(jù)，實現(xiàn)山藥皮的綜合利用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鐵棍山藥皮 市售新鮮山藥，削皮烘干備用；中性蛋白酶（20萬 U/g）、中溫α-淀粉酶（10000 U/g）北京索萊寶科技有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇 分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司。

LG10-2.4A型離心機(jī) 北京醫(yī)用離心機(jī)廠；BSA223S型分析天平 德國賽多利斯公司；SB-4200DT型數(shù)控超聲清洗機(jī) 寧波新芝生物科技有限公司；SHZ-D型循環(huán)式多用真空泵 河南金友成儀器設(shè)備有限公司；DHG-9123A型電熱鼓風(fēng)干燥箱上海精宏實驗設(shè)備有限公司；YRE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 可溶性膳食纖維提取工藝 參考文獻(xiàn)[12]方法，經(jīng)過醇提黃酮（提取時間30 min，乙醇濃度60%，液固比60:1）、水提多糖（提取時間2 h，液固比20:1，提取溫度50 ℃）后的鐵棍山藥皮殘渣烘干、粉碎、過篩（80目），將10 g山藥皮粉末加入一定量的去離子水，充分?jǐn)嚢枋沟萌芤夯旌暇鶆?。向上述混合液中加入?淀粉酶（1%），調(diào)節(jié)溶液pH為5，水?。?0 ℃，30 min）后，煮沸滅活。待溶液冷卻至室溫后加入中性蛋白酶（4%），調(diào)節(jié)溶液pH為7，水?。?0 ℃，30 min），煮沸滅活。向經(jīng)過酶解的溶液中加入一定量的NaOH，水浴提取膳食纖維，提取完成后在4000 r/min條件下離心15 min，沉淀用蒸餾水漂洗2次，冷凍干燥得到IDF，同時收集上清液，加入4倍體積的95%乙醇，室溫靜置2 h，收集殘渣并用無水乙醇清洗，然后在通風(fēng)柜中干燥，得到SDF。得率按如下公式進(jìn)行計算。

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 提取時間對SDF得率的影響 在NaOH濃度為12 g/L、液固比40:1 mL/g、提取溫度80 ℃時，考察提取時間（50～90 min ）對山藥皮殘渣SDF得率的影響。

1.2.2.2 NaOH濃度對SDF得率的影響 在液固比為40:1 mL/g、提取溫度80 ℃、提取時間80 min時，考察NaOH濃度（6～14 g/L）對山藥皮殘渣SDF得率的影響。

1.2.2.3 液固比對SDF得率的影響 在NaOH濃度12 g/L、提取時間80 min、提取溫度80 ℃時，考察液固比（10:1～50:1 mL/g）對山藥皮殘渣SDF得率的影響。

1.2.2.4 提取溫度對SDF得率的影響 在NaOH濃度12 g/L、提取時間80 min、液固比40:1 mL/g時，考察提取溫度（50～90 ℃）對山藥皮殘渣SDF得率的影響。

1.2.3 正交試驗設(shè)計 分別以提取時間（A）、液固比（B）及NaOH濃度（C）與溫度（D）考察因素，以SDF得率為目標(biāo)值，考察各因素對SDF得率的影響，正交試驗因素水平及編碼見表1。

表1 正交試驗因素水平及編碼Table 1 Levels and codes of experimental factors

1.2.4 SDF表征以及理化性質(zhì)測定 根據(jù)實驗得出的最優(yōu)工藝提取山藥皮殘渣中的SDF，通過X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）圖譜、傅里葉紅外光譜（Fourier infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR）、掃描電鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）檢測，并對其膨脹率（Swelling Capacity，SC）、持水力（Water Holding Capacity，WHC）、持油力（Oil Holding Capacity，OHC）等理化性質(zhì)進(jìn)行檢測。

1.2.4.1 XRD測定 參考文獻(xiàn)[13]方法，在工作電壓、電流和衍射角（2θ）的掃描范圍分別為30 kV、20 mA和5°～35°的條件下，得到SDF樣品的XRD譜圖。

1.2.4.2 紅外光譜測定 參考文獻(xiàn)[14]方法，通過FTIR光譜儀分析SDF樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)，1 mg樣品與100 mg溴化鉀（烘箱干燥4～6 h）混合、研磨、壓片，分辨率設(shè)置為0.4 cm?1，光譜記錄范圍為400～4000 cm?1。

1.2.4.3 掃描電鏡（SEM）分析 采用SEM對SDF樣品進(jìn)行了形貌和微觀結(jié)構(gòu)研究，用膠帶粘取干燥的SDF均勻涂開，并用吹去表面多余的樣品，后在真空環(huán)境進(jìn)行噴金，圖像采集的加速電壓為3.0 kV，選擇合適的放大倍數(shù)進(jìn)行拍攝[15]。

1.2.4.4 膨脹率（SC）測定 根據(jù)實驗得出的最優(yōu)工藝提取山藥皮和山藥皮殘渣中的SDF，進(jìn)行對比測定理化性質(zhì)。膨脹率測定：參考文獻(xiàn)[16]方法并加以修改，稱取1.0 g的SDF樣品（M1）置于20 mL量筒中測得體積（V1），加入10 mL去離子水浸沒樣品，24 h后測得膳食纖維膨脹后的體積（V2）。根據(jù)公式（2）計算得出SC：

1.2.4.5 持水力（WHC）測定 將1.0 g樣品（W1）分別加入25 mL蒸餾水中，在37 ℃下平衡2 h，4800 r/min離心10 min后，立即提取殘渣，測量重量（W2）。WHC由公式（3）確定：

1.2.4.6 持油力（OHC）測定 室溫下，取凍干SDF樣品（O1）1 g，加入25 mL大豆油中2 h。在4800 r/min離心10 min后提取沉積物，然后立即測量重量（O2），OHC根據(jù)公式（4）測定：

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)均重復(fù)3次，采用Excel整理數(shù)據(jù)，用IBM SPSS Statistics 22.0軟件程序Duncan檢驗法進(jìn)行顯著性分析（P<0.05），并以±s表示，均采用Origin6.1軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 提取時間對SDF得率的影響 由圖1可得，50～80 min時間段內(nèi)，SDF得率與提取時間呈正相關(guān)，80 min時達(dá)SDF得率到峰值，SDF得率為10.40%±0.20%，此時SDF得率與其他實驗組差異顯著（P<0.05）。這可能是因為當(dāng)堿水解時間過短時，果膠水解不充分，SDF的得率較低，但是SDF在堿液中時間過長會導(dǎo)致果膠被裂解，從而降低SDF得率[17]。所以，最適提取時間為80 min，選擇70、80、90 min為正交試驗水平。

圖1 提取時間對SDF得率的影響Fig.1 Effect of extraction time on SDF yield

2.1.2 NaOH濃度對SDF得率的影響 由圖2可知，山藥皮殘渣中SDF提取的最佳NaOH濃度為12 g/L，此時SDF得率（9.90%±0.12%）顯著高于其他各實驗組（P<0.05）。堿性條件可以破壞細(xì)胞壁基質(zhì)中的氫鍵和共價鍵，其中的多糖釋放，可顯著提高提取率，在堿法提取膳食纖維工藝中，NaOH濃度是影響得率的最重要因素之一，在一定濃度范圍內(nèi)NaOH濃度的增加使得膳食纖維得率增加。而結(jié)果顯示NaOH濃度為10和14 g/L時，SDF得率并無顯著性差異（P>0.05），這是因為當(dāng)堿液濃度超過一定水平值時，膳食纖維又會進(jìn)一步分解生成小分子葡萄糖，導(dǎo)致IDF和SDF的得率降低[18]。因此堿液濃度在12 g/L時是提取SDF的最佳條件，綜合考慮，選擇10、12、14 g/L為正交試驗水平。

圖2 NaOH濃度對SDF得率的影響Fig.2 Influence of NaOH concentration on SDF yield

2.1.3 液固比對SDF得率的影響 由圖3可知，山藥皮殘渣中SDF得率在液固比為10:1～40:1 mL/g區(qū)間內(nèi)，顯著增加（P<0.05），其峰值得率為9.23%±0.12%。這可能是因為在低比例的液固比下，溶液的粘度較高，離心分離比較困難，隨著體系的液固比增加，萃取率提高，但當(dāng)反應(yīng)體系中存在大量的堿液時，膳食纖維會發(fā)生水解，導(dǎo)致膳食纖維損失，從而使提取率降低[19]。綜合考慮，選擇30:1、40:1、50:1 mL/g為正交試驗水平。

圖3 液固比對SDF得率的影響Fig.3 Influence of liquid to solid ratio on SDF yield

2.1.4 溫度對SDF得率的影響 SDF提取效率可能受提取溫度的影響[20]，由圖4可知，在50～80 ℃范圍內(nèi)，SDF得率隨這溫度的上升而增加，在80 ℃時達(dá)到峰值，SDF得率為11.12%±0.15%，顯著高于其他各實驗組（P<0.05）。這可能是因為加熱促進(jìn)SDF在堿溶液中的溶解速率，使得膳食纖維得率增加，但是SDF并不具有良好的耐熱性能，在高溫下SDF會發(fā)生部分降解[21]。在最優(yōu)提取溫度80 ℃的基礎(chǔ)上，選擇70、80、90 ℃三個溫度水平進(jìn)行正交試驗。

圖4 提取溫度對SDF得率的影響Fig.4 Influence of extraction temperature on SDF yield

2.2 正交試驗設(shè)計及結(jié)果

在單因素實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，以SDF得率為評價指標(biāo)，以提取時間（A）、液固比（B）及NaOH濃度（C）與溫度（D）考察因素，每個因素設(shè)定3個水平，采用四因素三水平試驗法進(jìn)行提取工藝優(yōu)化。

在單因素實驗中，溫度是影響SDF得率的一大因素，而正交試驗結(jié)果表明，溫度對SDF得率影響并不顯著，這可能是因為各因素間存在交互作用，且單因素實驗的路徑不同也會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響，因此正交試驗的結(jié)果更為準(zhǔn)確。

由表2和表3可知，提取時間、NaOH濃度、液固比對山藥皮殘渣SDF得率影響顯著，因素次序為C>B>A，即NaOH濃度>液固比>提取時間，優(yōu)化的最佳組合條件為C2B2A3D2，即液固比40:1（mL/g），NaOH濃度12 g/L，提取時間90 min，提取溫度為80 ℃。

表2 正交試驗結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test

表3 山藥皮殘渣SDF得率方差分析Table 3 Variance analysis of SDF yield of yam peel residue

2.3 驗證試驗

在實驗得出的最優(yōu)工藝下（提取時間90 min，NaOH濃度12 g/L，液固比40:1（mL/g），提取溫度為80 ℃），山藥皮殘渣SDF的平均得率可達(dá)到11.52%±0.23%，其外觀呈白棕色、粉末狀且無特殊異味。

2.4 XRD測定結(jié)果

山藥皮殘渣SDF在2θ為19.62°附近有一個尖銳的晶體衍射峰，在2θ為13.10°和31.89°附近也有較強(qiáng)的晶體衍射峰（圖5），這些都是纖維素I的特征衍射峰，因此可以確定山藥皮殘渣SDF屬于纖維素I型[22]。Wang等[12]通過研究過氧化氫改性對山藥皮膳食纖維的影響，發(fā)現(xiàn)山藥皮SDF屬于纖維素I型，說明山藥皮殘渣SDF與山藥皮SDF屬于同一類型。

圖5 山藥皮殘渣SDF的XRD圖譜Fig.5 XRD pattern of SDF of yam peel residue

2.5 紅外光譜測定結(jié)果

由圖6所示，膳食纖維呈現(xiàn)出典型的多糖吸收峰，在3300～3500 cm?1范圍內(nèi)呈現(xiàn)出寬而強(qiáng)的條帶，它是由醇、酚等氫鍵中O-H的拉伸振動形成的，表明了纖維素和半纖維素中的氫與羥基結(jié)合[23]。這條寬頻帶也表明果膠和半纖維素的存在，包括阿拉伯糖、半乳糖和木糖[24]。2920 cm?1處的吸收峰是由多糖亞甲基中的C-H振動帶拉伸引起的[25]；CH的變角度振動產(chǎn)生的1200～1400 cm?1處的吸收峰是SDF中糖的特征吸收峰[26]；在1024.15 cm?1處的顯著吸收帶主要是由于功能性酸的C-O基團(tuán)和芳香C-O-C中的醚基團(tuán)的拉伸所形成[24]。

圖6 山藥皮殘渣SDF的紅外圖譜Fig.6 Infrared spectrum of SDF of yam peel residue

2.6 掃描電鏡結(jié)果分析

圖7為山藥皮殘渣SDF掃描電鏡圖，從圖7中可以看出SDF是由多個細(xì)小顆粒團(tuán)聚在一起而形成的疏松結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空隙較大，這種結(jié)構(gòu)使得SDF有著很大的比表面積。研究表明膳食纖維的空間結(jié)構(gòu)與其持水性和膨脹性等理化指標(biāo)有相關(guān)關(guān)系，空間結(jié)構(gòu)疏松的膳食纖維樣品往往有著更好的理化性質(zhì)[27]，因此，山藥皮殘渣SDF具有成為優(yōu)秀吸附劑的潛質(zhì)。

圖7 山藥皮殘渣SDF的掃描電鏡Fig.7 Scanning electron microscopy of SDF of yam peel residue

2.7 理化特性分析

WHC表示當(dāng)施加外部壓縮或離心力時，濕物質(zhì)的持水能力，它與親水性位點的化學(xué)性質(zhì)和數(shù)量，以及SDF不同的表面積、密度和結(jié)構(gòu)有關(guān)[28]。SDF的OHC在多種食品應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，如在烹飪時防止脂肪流失，或?qū)⑷梭w多余的脂肪去除，它取決于水膠體表面性質(zhì)、總電荷密度和疏水性[29]。由表4可知雖然山藥皮殘渣SDF得率小于山藥皮SDF得率，但是山藥皮殘渣SDF的SC、WHC、OHC均高于山藥皮SDF的SC、WHC、OHC。這可能是因為山藥皮殘渣經(jīng)過醇提黃酮、多酚，水提多糖后，其纖維結(jié)構(gòu)遭到破壞，增加了纖維素中羥基的暴露，導(dǎo)致更大的空隙，有助于增強(qiáng)其SC、WHC、OHC能力。

表4 山藥皮SDF與山藥皮殘渣SDF特性分析Table 4 SDF and SDF characteristics of yam peel residue

3 結(jié)論

通過單因素實驗和正交試驗得到堿法提取山藥皮殘渣SDF的最優(yōu)工藝為提取時間90 min，NaOH濃度12 g/L，液固比40:1（mL/g），提取溫度為80 ℃；在最優(yōu)工藝下，山藥皮殘渣SDF得率為11.52%±0.23%，高于各個實驗組；通過XRD、紅外光譜、SEM表征，以及與山藥皮SDF理化性質(zhì)的對比測定，得出山藥皮殘渣SDF疏松的結(jié)構(gòu)使其有著良好的SC、WHC、OHC，這在功能性食品的開發(fā)中具有重要的意義，研究結(jié)果為開發(fā)山藥皮殘渣的利用價值提供新的思路，這有助于增加山藥產(chǎn)業(yè)的附加值。