牛蒡水溶性膳食纤维制备及功能性研究

董玉玮，苗敬芝

(徐州工程学院 食品(生物)工程学院 江苏省食品资源开发与质量安全重点建设实验室，江苏 徐州 221018)

牛蒡属菊科牛蒡属植物，有“蔬菜之王”和“大力参”等美誉，在我国山东、江苏有大面积种植，江苏徐州丰县地区种植面积占全国近50%，产品出口日本、韩国等.牛蒡富含膳食纤维、多糖、多酚、铁和钙等，具有较高的营养价值和药理活性[1-3].膳食纤维分为不溶性膳食纤维和水溶性膳食纤维，研究表明，水溶性膳食纤维对人体具有多种生理功能，滋阴壮阳、清热解毒、抗菌、抗癌、抗衰老，能预防便秘、冠心病、糖尿病和肿瘤等[4-6].在食品和医药工业有着广阔的应用前景，因此，对牛蒡水溶性膳食纤维的研究有着重要的意义.

水溶性膳食纤维的制备方法常用的有碱法、酸法、酶法、超声波法和微波法[7-8].本实验以牛蒡为原料，采用超声波协同酶法，探讨纤维素酶加酶量、超声波时间和超声波功率对牛蒡水溶性膳食纤维含量的影响，通过响应面法优化制备工艺，并研究其功能性.将制备的牛蒡水溶性膳食纤维添加到焙烤制品、面条等食品中，既增加了产品的保健性能，同时也扩大了牛蒡的综合利用价值.

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

牛蒡，徐州天马敬安食品有限公司.

酸性纤维素酶活力(40 000 U/g),苏柯汉生物工程有限公司；抗坏血酸、邻苯三酚等,国产分析纯试剂；DPPH，国药集团药业股份有限公司.

KBS-250超声波细胞粉碎机，昆山超声仪器有限公司；723可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；1810紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司.

1.2 实验方法

1.2.1 牛蒡水溶性膳食纤维制备工艺流程

牛蒡清洗、切片→55 ℃烘干、粉碎，过50目→称取样品→ 按一定料液比加缓冲液调节pH→加酸性纤维素酶→超声、过滤，取滤液，加入95%乙醇醇沉→过滤、滤渣干燥，称重.

1.2.2 单因素试验

分别研究纤维素酶加酶量(1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%)，超声波时间(10，15，20，25，30 min)，超声波功率(50，100，150，200，250 W)对牛蒡水溶性膳食纤维含量影响.

1.2.3 响应面试验设计

在单因素影响的基础上，根据Box-Behnken设计原理，用三因素三水平的响应面分析法[9-10].试验因素与水平见表1.

表1 试验因素水平表

1.2.4 牛蒡水溶性膳食纤维体外抗氧化活性实验

清除率=[1-(D1-D2)/D3]×100%,

式中：D1为4 mL Tris-HCl+1 mL SDF+2 mL邻苯三酚；D2为4 mL Tris-HCl+1 mL SDF+2 mL蒸馏水；D3为4 mL Tris-HCl+1 mL 蒸馏水+2 mL邻苯三酚.

2)DPPH清除力的测定[12]

将DPPH加到95%乙醇溶液中显色在517 nm处有最大吸收，自由基和DPPH孤对电子配对使其颜色变浅，在517 nm波长处测得吸光值变小.将2 mL 0.2 mmol/L DPPH溶液加入到10 mL的具塞比色管中，再加入4 mL待测溶液，用蒸馏水替代待测液作空白实验，在25 ℃水浴中反应20 min后，在517 nm处的测吸光度.用相同质量浓度Vc溶液做对比.

清除率=[1-(E1-E2)/E3] ×100%,

式中：E1为4 mL SDF+2 mL DPPH；E2为4 mL SDF+2 mL 95%乙醇；E3为4 mL 蒸馏水+2 mL DPPH.

1.2.5 牛蒡水溶性膳食纤维理化特性实验

1)牛蒡水溶性膳食纤维持水力测定[13]

称取1.00 g牛蒡水溶性膳食纤维，溶解于50 mL蒸馏水中，置冰箱中过夜，3 000 r/min离心30 min，去除上清液，称样品湿质量.

持水力=(m1-m2)/m2×100%,

式中：m1为样品湿质量(g)；m2为样品干质量(g).

2)牛蒡水溶性膳食纤维膨胀力测定[13]

称取1.00 g牛蒡水溶性膳食纤维于20 mL量筒中，测定体积后，加入10 mL蒸馏水，振荡均匀后，在20 ℃下浸泡24 h并测定体积，计算膨胀力.

膨胀力=(v1-v2)/m,

式中：v1为膨胀后的膳食纤维体积(mL)；v2为干样品体积(mL)；m为干样品干质量(g).

3)牛蒡水溶性膳食纤维持油力测定[13]

称取牛蒡水溶性膳食纤维1 g放入已干燥恒重的离心管中，加入5 mL食用油，间隔5 min搅拌1次，30 min后3 500 r/min离心20 min，去除上清液，擦去离心管内外壁所附着的油脂和水分称其质量.

持油力=(M3-M2)/M1× 100%,

式中：M1为干样品干质量(g)；M2为装有干样品的离心管质量(g)；M3为装有吸过油的样品+离心管质量(g).

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 纤维素酶加酶量对牛蒡水溶性膳食纤维含量影响

由图1可知，提取率随着加酶量增加而逐渐增高，当酸性纤维素酶为2.0%时，提取率最大(34.71%)，之后提取率逐渐降低.这表明酶与底物之间有一个比较适宜比例，故加酶量2.0%为最佳条件.

2.1.2 超声波功率对牛蒡水溶性膳食纤维含量影响

由图2可知，提取率随着超声波功率增加而逐渐增高，当超声波功率为150 W时，达到最大(35.52%)，之后随着超声功率的增加提取率降低.这可能是因为超声波无选择性的空化和剪切作用破坏了水溶性膳食纤维链结构，导致提取率降低，故超声波功率为150 W时为最佳条件.

图1 加酶量对水溶性膳食纤维含量影响

图2 超声波功率对水溶性膳食纤维含量影响

2.1.3 超声波时间对牛蒡水溶性膳食纤维含量影响

图3 超声波时间对水溶性膳食纤维含量影响

由图3可知，开始牛蒡水溶性膳食纤维提取率随超声波时间的增加而增大，当超声波时间为25 min时提取率最大(35.02%)，此后提取率随时间增加而逐渐下降.这可能是因为时间过长，超声波产生的机械剪切作用打断了水溶性膳食纤维的链结构，使提取率下降，故超声波时间25 min为最佳条件.

2.2 响应面分析法优化牛蒡水溶性膳食纤维工艺条件

2.2.1 模型的建立及方差分析

利用Design-EXpert8.6软件对表2中数据进行分析，得到以下的回归方程：

Y(%)=36.51+0.011·X1+0.31·X2-0.040·X3-0.40·X1·X2+0.035·X1·X3+0.34·X2·X3-1.63·X12-0.88·X22-1.67·X32

对该模型进行方差分析，结果见表3，由P值可知，方程的X12、X22和X32对Y值的线性有统计学意义(P<0.01)，X1、X3、X1X3对Y值得线性效应不明显(P>0.05).失拟项P>0.05，无统计学意义，说明数据没有异常点，模型适当.

表2 响应面实验结果

表3 方差分析结果

2.2.2 响应面分析与条件优化

根据回归方程作响应面图，考察所拟合的响应面形状，分析纤维素酶加酶量、超声波时间和超声波功率对牛蒡水溶性膳食纤维提取率的影响，其响应面如图4、图5和图6所示.

图4 加酶量、超声波功率及其交互作用对提取率影响和等高图

图6 超声波功率、超声波时间及其交互作用对提取率影响和等高图

比较图4、5、6，结合表3可知，加酶量和超声波时间对牛蒡水溶性膳食纤维提取率影响无统计学意义，加酶量和超声波功率与超声波功率和超声波时间对牛蒡水溶性膳食纤维提取率影响有统计学意义，表明各因素对牛蒡水溶性膳食纤维提取率影响不是简单的线性关系.根据所建立的数学模型，得出制备牛蒡水溶性膳食纤维最佳条件为纤维素酶加酶量1.99%、超声波功率153.16 W、超声波时间25.03 min，预测牛蒡水溶性膳食纤维提取率36.70%，考虑到实际操作的可行性，将提取条件修正为加酶量2.0%、超声波功率150 W、超波声时间25 min，进行3次重复试验，实际测得牛蒡水溶性膳食纤维提取率(36.58±0.36)%，与理论值相比，相差甚少，因此，相应曲面优化所得工艺参数准确可靠，具有实际应用价值[14-15].

2.3 牛蒡水溶性膳食纤维体外抗氧化活性实验结果

2.3.2 SDF和Vc对DPPH的清除效果

由图8可知，在一定的质量浓度范围内SDF和Vc对DPPH自由基都有清除作用，且清除率随质量浓度增大而升高，而相同质量浓度的Vc清除率均高于SDF的清除率[16].

图7 不同质量浓度SDF和Vc 溶液清除自由基效果

图8 不同质量浓度SDF和Vc 溶液清除DPPH的效果

2.4 牛蒡水溶性膳食纤维理化特性实验结果

2.4.1 牛蒡水溶性膳食纤维持水力测定结果

牛蒡水溶性膳食纤维持水力测试结果分别为：413.2%(1号)，406.8%(2号)，401.9%(3号)，407.4%(4号)，399.3%(5号)，平均为405.7%.说明牛蒡中水溶性膳食纤维持水力很高，它是一种优良的食物纤维.由于持水力很高能够吸收溶解更多人体内的毒素，迅速排出体外，使人体内毒素含量降低，避免了某些疾病的发生.

2.4.2 牛蒡水溶性膳食纤维膨胀力测定结果

牛蒡水溶性膳食纤维膨胀力测试结果分别为：6.79(1号)，7.08(2号)，7.13(3号)，7.22(4号)，6.97(5号) mL/g,平均为7.04 mL/g，说明牛蒡水溶性膳食纤维具有良好保水能力.由于水溶性膳食纤维吸水后体积更大，因此能增加人体内粪便的体积，有利于粪便软化，有助于有毒物质排出体外，防止便秘.

2.4.3 牛蒡水溶性膳食纤持油力测定结果

牛蒡水溶性膳食纤维持油力测试结果分别为：203.4%(1号)，217.8%(2号)，206.2%(3号)，211.5%(4号)，210.7%(5号)，平均为209.9%，说明牛蒡水溶性膳食纤维具有良好持油能力.随着人们生活水平逐渐提高，体重超标已经成为一个比较普遍的健康问题.由于牛蒡水溶性膳食纤维具有良好的持油能力，可吸附多余的油脂，从而达到减肥控制体重的目的.

3 结论

1)在单因素的基础上，通过响应曲面分析法优化工艺参数，制备牛蒡水溶性膳食纤维最佳工艺条件为纤维素酶加酶量2.0%，超声波时间25 min，超声波功率150 W，在此条件下牛蒡中水溶性膳食纤维提取率36.54%，与理论预测值相差很少，说明响应面法优化得到的工艺条件准确可靠.

3)牛蒡水溶性膳食纤维的持水力为405.7%，膨胀力7.04 mL/g，持油力为209.9%.

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