油橄榄果渣膳食纤维碱法提取工艺优化及其理化性质研究

丁莎莎, 黄立新*, 张彩虹,2, 谢普军, 张 琼, 邓叶俊

(1.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所;生物质化学利用国家工程实验室;国家林业局 林产化学工程重点开放性实验室;江苏省 生物质能源与材料重点实验室, 江苏 南京 210042; 2.中国林业科学研究院 林业新技术研究所, 北京 100091)

油橄榄果渣膳食纤维碱法提取工艺优化及其理化性质研究

DING Shasha

丁莎莎1, 黄立新1*, 张彩虹1,2, 谢普军1, 张 琼1, 邓叶俊1

(1.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所;生物质化学利用国家工程实验室;国家林业局 林产化学工程重点开放性实验室;江苏省 生物质能源与材料重点实验室, 江苏 南京 210042; 2.中国林业科学研究院 林业新技术研究所, 北京 100091)

以油橄榄脱脂果渣为原料，采用碱法提取油橄榄果渣水溶性膳食纤维(SDF)和水不溶性膳食纤维(IDF)，并对其理化性质进行研究。在单因素试验基础上采用正交试验优化油橄榄果渣膳食纤维最佳提取工艺条件为： NaOH质量分数8%、提取温度80 ℃、提取时间80 min、液料比15 ∶1(mL ∶g)。在最佳提取工艺条件下，油橄榄果渣SDF产率为28.74%，IDF产率为52.39%。理化性质研究结果表明：油橄榄果渣IDF的持水力、膨胀力和持油力分别为3.38 g/g、 2.20 mL/g、 1.91 g/g；油橄榄果渣SDF的持水力、膨胀力和持油力分别为5.05 g/g、 4.78 mL/g、 4.25 g/g。在透析90 min时，油橄榄果渣SDF、IDF和脱脂果渣的葡萄糖透析延迟指数分别为13.22%、 8.55%、4.38%。扫描电镜观察表明，制备的IDF结构疏松，具有较大的空腔和裂缝，而SDF粒径较小，呈堆积状，具有较多的空腔。

油橄榄果渣；膳食纤维；碱法；提取；理化性质

膳食纤维(DF)是指不能被人体小肠消化吸收，而在大肠中能被部分或全部发酵的可食用植物性来源的碳水化合物及其类似物的总和[1]。膳食纤维根据其在水中的溶解性，分为水溶性膳食纤维(SDF)和水不溶性膳食纤维(IDF)，SDF主要包括果胶、树胶、低聚糖等亲水胶体物质和部分半纤维素等，IDF主要包括纤维素、部分半纤维素和木质素等。膳食纤维具有促进肠道蠕动，降血糖、降血脂、调节血压以及预防肠胃疾病和心血管疾病等生理功能，对人体健康起着积极的作用[2-3]。目前，膳食纤维的提取方法主要有碱法、酸法、酶法和机械法等。碱法不仅可以碱解分离制备SDF和IDF，同时能够水解蛋白质、皂化脂肪等杂质，获得高纯度的膳食纤维，已广泛应用在马铃薯、豆渣、茶渣和果渣等膳食纤维的提取中。张严磊等[4]以经过脱脂、提取色素和多糖后的酸枣果渣为原料，采用碱法同时提取SDF和IDF，结果显示碱法提取操作可行，产品具有良好的持水力和膨胀力。唐孝青等[5]采用碱法提取梨渣可溶性膳食纤维，其产品具有较强的抗氧化作用。油橄榄果渣是油橄榄榨油后产生的废渣，其含有丰富的纤维素、半纤维素和果胶等成分，是优良的膳食纤维原料。在油橄榄加工过程中，每吨油橄榄鲜果会产生约0.2吨的油橄榄果渣，而油橄榄果渣多被用作饲料、肥料或被直接丢弃，不仅造成资源的浪费，同时污染环境[6-7]。有学者以油橄榄果渣为原料提取并分离山楂酸和齐墩果酸[8]，极大地提高了油橄榄果渣的综合利用价值，但是有关油橄榄脱脂果渣制备膳食纤维的研究则尚未见报道。因此，本研究以油橄榄果渣为原料，在单因素试验基础上，采用正交试验优化碱法提取SDF和IDF的工艺条件，并测定其持水力、膨胀力、持油力和葡萄糖透析延迟指数等理化性质，并用扫描电镜观察其微观结构，为进一步综合利用油橄榄果渣制备膳食纤维提供理论和试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

油橄榄果渣，由四川华欧油橄榄开发有限公司提供，为油橄榄鲜果榨油后的残渣；氢氧化钠、石油醚(沸程：30～60 ℃)、无水乙醇、葡萄糖、氯化钠，均为分析纯。

TG16-WS型台式高速离心机；SHZ-D(III)型循环水式真空泵；T6新世纪型紫外分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；PB-10型酸度计，赛多利斯科学仪器有限公司；3400-I型扫描电子显微镜，日本日立公司。

1.2 实验方法

1.2.1 原料预处理 将油橄榄果渣置于80 ℃烘箱中干燥8 h，使含水量低于5%，粉碎，过筛，取粒径0.300 mm的原料，置于索氏提取器中，用石油醚作为脱脂溶剂，回流脱脂8 h，得到脱脂油橄榄果渣。

1.2.2 膳食纤维的提取工艺流程 油橄榄果渣膳食纤维的提取工艺流程如下:

↓

1.2.3 膳食纤维的制备方法 取5 g干燥至质量恒定的脱脂油橄榄果渣于烧杯中，在一定温度、料液比下，加入一定质量分数氢氧化钠溶液，浸泡一段时间后， 4 000 r/min离心过滤5 min，得上清液和滤渣。将上清液减压浓缩，加入4倍体积95%乙醇，醇沉过夜，沉淀用95%乙醇洗至中性， 50 ℃下真空干燥至质量恒定，粉碎得SDF。将滤渣水洗至中性， 50 ℃下热风干燥至质量恒定，粉碎得IDF。SDF和IDF的产率均以产品质量占原料质量的百分数计。

1.3 膳食纤维的理化性质测定

1.3.1 持水力测定 精确称取1.00 g干燥油橄榄果渣膳食纤维于50 mL离心管中，加入25 mL蒸馏水，充分搅拌1h后，以3 000 r/min的转速离心10 min，弃去上层清液并用滤纸将离心管内壁残留的水分吸干，称质量，按式(1)计算持水力(RWHC)[9]：

RWHC=(m1-m)/m

(1)

式中：m—样品干质量，g；m1—样品吸水后质量，g。

1.3.2 膨胀力测定 准确称取0.50 g干燥油橄榄果渣膳食纤维，置于10 mL量筒中，轻微振荡，保持表面平整，读取膳食纤维干品体积，准确移取10 mL蒸馏水加入其中，振荡均匀后放置24 h，读取膳食纤维体积，按式(2)计算膨胀力(RSC)[10]：

RSC=(V1-V0)/m

(2)

式中：m—样品干质量，g；V0—样品干样体积，mL；V1—样品膨胀后体积, mL。

1.3.3 持油力测定 精确称取1.00 g干燥油橄榄果渣膳食纤维于50 mL离心管中，加入20 g植物油，室温静置1 h，以3 000 r/min的转速离心20 min，去掉上层油并用滤纸将离心管内残留的植物油吸干，称质量，按式(3)计算持油力(ROHC)[11]:

ROHC=(m2-m)/m

(3)

式中：m—样品干质量，g；m2—样品吸油后质量，g。

1.3.4 葡萄糖透析延迟指数测定 测定方法参考文献[12-13]，首先将样品用体积分数80%乙醇抽提多次去除可溶性糖，50 ℃干燥后称取500 mg的样品与15 mL 100 mmol/L葡萄糖溶液混合，连续搅拌1 h，转移至长15 cm的透析袋(MW3 500)中，用15 mL 100 mmol/L的葡萄糖溶液做对照，将上述透析袋分别放入盛有400 mL蒸馏水烧杯中，在37 ℃恒温水浴磁力搅拌1h，分别在30、60和90 min时测定透析液中葡萄糖含量。葡萄糖含量的测定采用DNS比色法，标准曲线为y=0.430 36x-0.011 64,R2=0.998 6, 其中y为吸光值，x为葡萄糖含量。葡萄糖透析延迟指数(IGDR)按式(4)计算：

IGDR=(1-G2/G1)

×100%

(4)

式中：G1—对照杯中葡萄糖透析量，mg；G2—样品杯中葡萄糖透析量，mg。

1.3.5 微观形态观察 样品经粘台、喷金等步骤后直接于扫描电子显微镜下观察。

1.4 数据处理

2 结果与讨论

2.1 碱法提取工艺对SDF和IDF产率的影响

2.1.1 碱液质量分数 在液料比15 ∶1(mL ∶g，下同)、提取温度50 ℃和提取时间60 min的条件下，NaOH质量分数对SDF和IDF产率的影响结果见图1(a)。由图1(a)可知，随着碱液质量分数的增加，IDF产率逐渐降低，而SDF产率逐渐升高，当碱液质量分数大于8%时，IDF和SDF的产率趋于平稳。这是因为碱液具有水解蛋白质、皂化脂肪的作用，使得IDF中杂质含量降低，纯度提高，产率下降[14]。另一方面，碱液质量分数增大时，IDF中半纤维素部分溶解，使得IDF向SDF转化，SDF产率增加[15]。

2.1.2 提取温度 在碱液质量分数7%、液料比15 ∶1、提取时间60 min的条件下，提取温度对SDF和IDF产率的影响结果见图1(b)。由图1(b)可知，随着提取温度的升高，IDF的产率逐渐降低，SDF的产率逐渐升高，当提取温度大于80 ℃时，IDF和SDF的产率趋于平稳。这是因为温度升高，有利于纤维素和半纤维素之间氢键的破坏，使IDF中半纤维素溶解加快，SDF产率增加[16-17]。然而，当温度大于 80 ℃后，碱解完全，膳食纤维的产率趋于稳定。

2.1.3 液料比值 在碱液质量分数7%、提取温度50 ℃、提取时间60 min的条件下，液料比值对SDF和IDF产率的影响结果见图1(c)。由图1(c)可知，随着液料比的增加，膳食纤维的产率变化不大。液料比值为5～15时，SDF产率较高，当液料比值大于15时，IDF和SDF的产率趋于稳定。液料比的增加，会延长SDF滤液浓缩的时间和醇沉过程的乙醇消耗量[18]。故本试验选用液料比15 ∶1进行正交试验。

2.1.4 提取时间 在碱液质量分数7%、液料比15 ∶1、提取温度50 ℃的条件下，提取时间对SDF和IDF产率的影响结果见图1(d)。由图1(d)可知，随着时间的增加，IDF产率不断降低，SDF产率不断升高，并在提取时间80 min以后趋于平稳。这是因为提取时间较短时，原料中蛋白质、色素等碱溶性物质，以及半纤维素不能完全溶解在碱液中，使得IDF产率较高、SDF产率较低，而在提取时间80 min以后，碱解完全，IDF和SDF的产率趋于稳定[19]。

图1 不同反应条件对IDF和SDF产率的影响Fig.1 Effects of different reaction conditions on the yield of IDF and SDF

2.2 正交试验优化及验证试验

膳食纤维的碱法提取工艺，是为了让膳食纤维碱解完全，使膳食纤维中水不溶性成分向水溶性成分转化完全，使得SDF的产率达到最大，因此正交试验以SDF的产率为主要指标[4]。在单因素试验结果的基础上，以提取温度(A)、提取时间(B)、碱液质量分数(C)为影响因素，以SDF产率为指标，进行L9(34)正交试验，试验结果及方差分析见表1和表2。

表1 碱解提取油橄榄果渣SDF的正交试验结果Table 1 Results of orthogonal test for alkali extraction of SDF

表2 正交试验方差分析表Table 2 Variance analysis of the results of orthogonal test

由极差和方差分析的结果表明：因素作用的主次顺序为提取温度>碱液质量分数>提取时间，提取温度和碱液质量分数对SDF产率的影响差异极显著，起主要作用，而提取时间对SDF产率的影响不显著。最佳工艺参数组合为A2B2C2，即提取温度80 ℃、提取时间80 min、碱液质量分数8%，在此最佳工艺条件下进行3次重复验证性实验，IDF的产率分别为51.77%、52.99%和52.40%，其均值为52.39%，SDF的产率分别为28.79%、29.00%和28.42%，其均值为28.74%，在试验范围内重现性良好，说明上述最佳工艺条件可行，结果可靠，能用于油橄榄果渣膳食纤维的提取。

2.3 理化性能分析

2.3.1 膳食纤维的基本特性 膳食纤维化学结构中具有羧基、羟基等亲水基团，能吸收相当自身质量数倍的水分，持水力和膨胀力是衡量膳食纤维品质好坏的重要指标。持水力和膨胀力越大，表示膳食纤维的比表面积和吸附性越好，其生理功能越好。由表3可知，IDF和SDF的持水力、膨胀力和持油力，均显著高于脱脂果渣原料(p<0.05)，油橄榄果渣SDF的持水力和膨胀力与玉米皮SDF[20]和豆渣SDF[21]相当,油橄榄果渣IDF的持水力和膨胀力与茶渣IDF[22]和花生壳IDF[23]相当。这表明油橄榄果渣经过碱解作用制备的IDF和SDF已暴露出较多的亲水基团，具有较好的持水力、膨胀力和持油力，有利于其在人体改善肠道功能、缓解便秘、预防肥胖等方面发挥作用。

2.3.2 葡萄糖透析延迟指数分析 膳食纤维具有降低餐后血糖的功能，而葡萄糖透析延迟指数(GDRI)是一个有效反映葡萄糖在胃肠道被延迟吸收的体外指标。 由表3可知，果渣IDF和脱脂果渣的GDRI值随透析时间的增加而减小，透析90 min的GDRI值均小于透析30 min的GDRI值，这与黄冬云等[24]研究的米糠膳食纤维的GDRI值随时间的变化趋势一致，随着透析时间的延长，膳食纤维对葡萄糖的吸附接近饱和，最终达到动态平衡。而果渣SDF的GDRI值随着透析时间的延长而趋于稳定,这可能与SDF的黏度有关。黄清霞[13]和程力[25]等认为膳食纤维的水溶性成分含量越高、黏度越大，其葡萄糖的延迟扩散能力越强。在透析 90 min 时，果渣SDF、IDF和脱脂果渣的GDRI值分别为13.22%、8.55%、4.38%。

表3 膳食纤维的理化性质1)Table 3 Physicochemical characteristics of dietary fiber

1)不同字母表示差异显著the means with different letters indicate significant differences(p<0.05)

2.3.3 微观形态观察 由扫描电镜观察到的脱脂果渣、果渣IDF和SDF的微观结构如图2所示。由图2可以看出，脱脂果渣呈现较大颗粒状，结构致密，表面较为光滑。而提取后，产生的果渣IDF的表面结构疏松多褶皱，有较多的空腔和裂缝，具有更大的比表面积。果渣SDF颗粒粒径较小，呈堆积状，具有较多的空腔。这表明提取时的碱解作用使得油橄榄果渣膳食纤维的微观结构和粒径大小发生改变，暴露出更多的活性基团，有助于增强持水和持油能力，并且其蓬松的结构有助于吸附葡萄糖等物质，具有更大的吸附容量。

图2 脱脂果渣，IDF和SDF的扫描电镜图Fig.2 Microstructures of defatted pomace,IDF and SDF

3 结 论

3.1 以油橄榄脱脂果渣为原料，碱法提取油橄榄果渣水不溶性膳食纤维(IDF)和水溶性膳食纤维(SDF)，在单因素试验基础上，通过正交试验优化得到最佳制备工艺条件为：NaOH质量分数8%、提取温度80 ℃、提取时间80 min、液料比15 ∶1(mL ∶g)。在此条件下，油橄榄果渣SDF产率为28.74%，IDF产率为52.39%。

3.2 提取得到的IDF的持水力、膨胀力和持油力分别为3.38 g/g、 2.20 mL/g、 1.91 g/g，SDF的持水力、膨胀力和持油力分别为5.05 g/g、 4.78 mL/g、 4.25 g/g。在透析90 min时，油橄榄果渣SDF、IDF和脱脂果渣的葡萄糖透析延迟指数分别为13.22%、 8.55%、 4.38%。

3.3 扫描电镜观察表明，碱解作用使得油橄榄果渣的微观结构和粒径大小发生改变，IDF结构疏松，有较多的空腔和裂缝，而SDF粒径较小，呈堆积状，具有较多的空腔。

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Optimization of Extraction Technology of Dietary Fiber from Olive Pomace and Its Physicochemical Characteristics

DING Shasha1， HUANG Lixin1， ZHANG Caihong1,2， XIE Pujun1， ZHANG Qiong1, DENG Yejun1

(1.Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF;National Engineering Lab.for Biomass Chemical Utilization;Key and Open Lab.of Forest Chemical Engineering,SFA;Key Lab.of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province,
Nanjing 210042, China; 2.Research Institute of Forestry New Technology,CAF, Beijing 100091, China)

Using olive pomace as the raw material, the alkali method was adopted to extract soluble dietary fiber (SDF) and insoluble dietary fiber (IDF), and its physicochemical properties were also studied. The extraction conditions of IDF and SDF were optimized through orthogonal test based on single factor test. The results showed that the optimum extraction conditions were concentration of NaOH 8%, the extraction temperature of 80 ℃, the extraction time 80 min, and liquid-solid ratio of 15 ∶1(mL ∶g). Under this conditions, the yields of SDF and IDF were 28.74% and 52.39%, respectively. The results ofphysicochemicalproperties showed that the water holding capacity，swelling capacity and oil holding capacity of IDF were 3.38 g/g, 2.20 mL/g, 1.91 g/g, respectively. The water holding capacity, swelling capacity and oil holding capacity of SDF were 5.05g/g, 4.78 mL/g and 4.25 g/g, respectively. The glucose dialysis retardation index of SDF, IDF and defatted pomace were 13.22%，8.55% and 4.38%, respectively, by the dialysis for 90 min. The results of scanning electron microscope showed that IDF had looser morphology and more cavities and cracks, and SDF had smaller particle size and more cavities after alkali extraction.

olive pomace;dietary fiber;alkali method;extraction;physicochemical properties

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.01.015

2016- 03-28

江苏省自然科学基金资助项目(BK20151067)

丁莎莎(1993— )，女，河南南阳人，硕士生，研究方向为农林产品深加工；E-mail：dingshasha0317@163.com

*通讯作者：黄立新，研究员，博士生导师，研究领域为天然产物提取分离纯化及新型干燥技术；E-mail：l_x_huang@163.com。

TQ35

A

0253-2417(2017)01- 0116- 07

丁莎莎,黄立新,张彩虹，等.油橄榄果渣膳食纤维碱法提取工艺优化及其理化性质研究[J].林产化学与工业，2017，37(1)：116-122.