超声波微波协同提取沙棘果皮渣中可溶性膳食纤维工艺优化

张晓雪,贾鸿震,于长青,魏文慧,李 冰,刘小波

(甘肃省轻工研究院有限责任公司分离技术开发中心,甘肃兰州 730000)

沙棘又名醋柳、酸刺、酸溜溜、圪针,胡颓子科沙棘属落叶灌木或小乔木,沙棘属植物分为7种11亚种,全球约53个国家有沙棘分布。中国是世界上天然沙棘种质资源最丰富的国家,也是人工种植面积最大的国家,约占世界沙棘总面积的95%以上[1],其沙棘属植物共有7种7亚种[2],广泛分布于中国西南、西北、华北、东北等地。沙棘含有丰富的维生素、黄酮、蛋白质、脂肪酸、氨基酸、多糖等生物活性物质[3-7],广泛应用于食品、医药和保健品等行业。

沙棘果皮渣是沙棘果实榨汁产生的副产品,富含总黄酮、蛋白质、脂肪和膳食纤维等多种生物活性成分,其中膳食纤维含量高达44.8%,是沙棘果皮渣中重要的营养成分[8-9]。膳食纤维(dietary fiber,DF)是近年来营养学研究的热点,具有调节血糖血脂、预防治疗肠道疾病、控制体重、润肠通便等诸多生理功能,尤其对高热量、低纤维饮食结构引起的非传染性慢性疾病作用效果显著[10-14]。而膳食纤维中可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)含量的多少在评价膳食纤维生理功能上具有一定意义,因此,对膳食纤维中SDF含量提取的研究有助于膳食纤维品质及生理功能的进一步研究。

目前关于沙棘膳食纤维的研究较少,文献报道的沙棘SDF提取方法有水提法、酶解法和蒸汽爆破预处理法。水提法工艺简单、污染小、成本低,但提取时间较长且提取率低;酶解法具有操作条件温和、节约能源、专一性高的优点,却受到一种酶只对一种物质或一类结构相似的物质起作用的特异性限制;蒸汽爆破是一种新兴的原料预处理方法,在特定的高温、高压条件下,细胞迅速“爆破”后原料发生组分离散和结构改变,是未来生物炼制发展的重要途径[10],但对设备的要求较严格,成本也较高;超声波-微波协同提取将超声波和微波有机地结合起来,充分利用超声波的空化作用以及微波的高能作用,在低温常压条件下能够对有效成分进行充分提取[15],因其提取效率高、时间短、耗能低在天然产物提取分离方面应用日益增多。刘畅[16]采用传统水提法和酶解法对沙棘粕SDF提取工艺进行了研究,工艺优化后水提法沙棘粕SDF得率为4.53%,纯度为85%;酶解法沙棘粕SDF得率为8.59%,比水提法提高89%,纯度为92%,比水提法提高8%。黄鹏等[17-19]采用传统水提法、酶法和发酵法改性不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)对沙棘粕SDF提取工艺进行了研究,其SDF单位提取量为40.25 mg/g。张军[20]采用纤维素酶酶解研究了沙棘叶中SDF的提取和脱色工艺,得到SDF提取量为28.07%,是沙棘叶中SDF含量11.38%的2.5倍。白晓州等[10]采用蒸汽爆破预处理制备沙棘果渣中SDF,经蒸汽爆破处理后其SDF含量由4.37%提高到24.71%。而采用超声波-微波协同提取沙棘果皮渣SDF的研究还未见报道。

本实验首次利用超声波-微波协同法提取沙棘果皮渣中SDF,以沙棘果皮渣为原料,以SDF得率为指标,采用响应面法优化对超声波-微波协同提取沙棘果皮渣中SDF工艺进行研究,旨在为沙棘果皮渣资源高值化利用和沙棘果皮渣中SDF产品开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

沙棘果皮渣 甘肃省陇源红生物科技有限公司;柠檬酸 AR,天津市恒兴化学试剂制造有限公司;无水乙醇 AR,天津市富宇精细化工有限公司。

101-2型智能数显鼓风干燥箱 上海昕仪仪器仪表有限公司;ZN-1000高速中药粉碎机 长沙市岳麓区中南制药机械厂;BT1500电子天平 启东友铭衡器有限公司;AS220.R2分析天平 苏州培科实验室仪器科技有限公司;CW-2000型超声-微波协同萃取/反应仪 上海新拓分析仪器科技有限公司;DL-5M低俗冷冻离心机 长沙湘仪离心机仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 沙棘果皮渣试样处理及成分分析 将沙棘果皮渣于电热恒温干燥箱65 ℃条件下干燥12 h,用高速中药粉碎机粉碎后过孔径272 μm筛,备用。参照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]中相关方法进行沙棘果皮粉原料成分(水分、灰分、蛋白质、脂肪、糖类、膳食纤维)分析。

1.2.2 沙棘果皮渣可溶性膳食纤维提取工艺 精确称取5 g沙棘果皮渣粉,置于250 mL具塞锥形瓶中。按料液比加入不同质量分数的柠檬酸溶液,在60 ℃下,采用超声波-微波协同萃取仪提取一定时间,提取结束后以转速4000 r/min离心10 min,取上清液加入4倍体积无水乙醇静置4 h,过滤分离沉淀,将沉淀转移至事先洗净烘至恒重的蒸发皿内,于电热鼓风干燥箱内60 ℃下干燥至恒质量[27]。

1.2.3 单因素实验 准确称取5 g沙棘果皮渣粉,置于250 mL具塞锥形瓶中,在料液比为1∶12 g/mL,微波功率450 W,提取时间45 min,柠檬酸质量分数分别为1%、2%、3%、4%、5%条件下,测定SDF得率,分析柠檬酸质量分数对沙棘果皮渣SDF提取的影响;在柠檬酸质量分数为3%,微波功率450 W,提取时间45 min,料液比分别为1∶8、1∶12、1∶16、1∶20、1∶24 g/mL条件下,测定SDF得率,分析料液比对沙棘果皮渣SDF提取的影响;在柠檬酸质量分数为3%,料液比1∶16 g/mL,提取时间45 min,微波功率分别为150、300、450、600、750 W条件下,测定SDF得率,分析微波功率对沙棘果皮渣SDF提取的影响;在柠檬酸质量分数为3%,料液比1∶16 g/mL,微波功率600 W,提取时间分别为30、45、60、75、90 min条件下,测定SDF得率,分析提取时间对沙棘果皮渣SDF提取的影响[28]。

1.2.4 响应面试验 在单因素实验基础上,采用中心组合设计原理,以柠檬酸质量分数(A)、料液比(B)、微波功率(C)和提取时间(D)为响应变量,沙棘果皮渣SDF得率为响应值,展开四因素三水平的响应面优化试验(Box-Behnken,BB),建立最小二乘法拟合二次多项式数学模型,利用此模型确定沙棘果皮渣可溶性膳食纤维得率的最佳工艺参数。响应面优化实验共设计29个实验点,实验因素水平见表1。

表1 Box-Behnken试验因素水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiment

1.2.5 沙棘果皮渣中可溶性膳食纤维得率的计算 计算公式如下:

式中,m为称取沙棘果皮渣粉质量,g;m1为蒸发皿质量,g;m2为蒸发皿和沙棘果皮渣SDF质量,g。

1.2.6 沙棘果皮渣可溶性膳食纤维理化特性分析 根据上述优化后的条件制备沙棘果皮渣可溶性膳食纤维,经干燥、研磨后过100目筛,参考黄鹏等[17-19]报道的方法,对沙棘果皮渣SDF进行理化特性分析。

1.2.6.1 沙棘果皮渣可溶性膳食纤维的溶解性 称取0.5 g沙棘果皮渣可溶性膳食纤维样品,分别加入适量蒸馏水、乙醇、丙酮、正丁醇中,观察其是否溶解。

1.2.6.2 沙棘果皮渣可溶性膳食纤维与苯酚-硫酸反应 准确称取50 mg的沙棘果皮渣SDF样品,用蒸馏水溶解定容至100 mL容量瓶中。取10 mL试管一支,用移液枪分别移取1 mL沙棘果皮渣SDF溶液、1 mL 6%的苯酚溶液、5 mL浓硫酸,静置5 min,摇匀,室温放置20 min,观察是否产生颜色。

1.2.6.3 沙棘果皮渣可溶性膳食纤维与硫酸-咔唑反应 取“1.2.6.2”沙棘果皮渣SDF溶液,加入硫酸-咔唑,观察是否产生颜色。

1.2.6.4 沙棘果皮渣可溶性膳食纤维与碘-碘化钾反应 取“1.2.6.2”沙棘果皮渣SDF溶液,加入2%碘-碘化钾溶液,观察是否产生颜色。

1.2.6.5 沙棘果皮渣可溶性膳食纤维持水力的测定 参考巫永华等[29]报道的方法,准确称取沙棘果皮渣SDF样品0.50 g于15 mL离心管中,加入10 mL蒸馏水,室温下振荡30 min,4000 r/min条件下离心15 min,弃去上清液并用滤纸吸干离心管残留水份,称重后计算持水力:

式中:m为离心管重,g;m1为样品干重,g;m2为离心管重和样品湿重,g。

1.2.6.6 沙棘果皮渣可溶性膳食纤维持油力的测定 参考巫永华等[29]报道的方法,准确称取0.50 g沙棘果皮渣SDF样品于15 mL离心管中,加入植物油10 mL,振荡摇匀,室温下放置1.5 h,4000 r/min条件下离心15 min,小心除去上清液,称重后计算持油力:

式中:m为离心管重,g;m1为样品干重,g;m2为离心管重和样品吸油后重量,g。

1.2.6.7 沙棘果皮渣可溶性膳食纤维膨胀力的测定 参考白晓州等[10]报道的方法,称取1.0 g沙棘果皮渣SDF样品于10 mL量筒中,读取干基样品的体积,转移至50 mL量筒中并加蒸馏水(室温)至25 mL处,用玻璃棒将沙棘果皮渣SDF搅匀,让其充分吸收水分,室温下静置24 h,第2 d观察并读取膨胀的沙棘果皮渣SDF体积,计算膨胀力:

式中:m为样品干重,g;V1为吸水前样品体积,mL;V2为吸水后样品体积,mL。

1.3 数据处理

所有试验平行3次,结果以平均值±标准方差(mean±SD)表示。采用SPSS 19.0统计软件中的one-way ANOVA进行单因素方差分析,Duncan法进行多重比较;采用Design-Expert 11.1.0.1软件中的F检验(tape III)对数据进行响应面优化分析;采用Origin 2019制图。

2 结果与分析

2.1 沙棘果皮渣成分分析

对经烘干粉碎后的沙棘果皮渣进行成分分析,结果见表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,沙棘果皮渣中膳食纤维为41.3%,是沙棘果皮渣的主要成分,沙棘果皮渣是提取膳食纤维的优质原料。沙棘果皮渣中可溶性膳食纤维含量相对较低,为4.03%;大部分为不溶性膳食纤维,含量为36.76%。

2.2 单因素实验

2.2.1 柠檬酸质量分数对提取效果的影响 由图1可知,当柠檬酸质量分数在1%～3%范围内时,沙棘果皮渣中SDF得率随柠檬酸质量分数增大而显著提高(P<0.05),可见一定质量浓度的柠檬酸溶液可加强沙棘果皮渣中多糖结构糖苷键的断裂,有助于膳食纤维从细胞壁中释放;当柠檬酸质量分数超过3%时,SDF得率随柠檬酸质量分数增大而显著降低(P<0.05),这是因为随着酸浓度的增加,SDF分子可能降解形成小分子,部分SDF无法被无水乙醇完全沉淀所致[30]。故柠檬酸质量分数选择3%为宜。

图1 柠檬酸质量分数对沙棘果皮渣SDF得率的影响Fig.1 Effect of citric acid concentration on extraction yield ofSDF in seabuckthorn peel residue注:不同字母表示差异显著(P<0.05);图2～图4同。

2.2.2 料液比对提取效果的影响 由图2可知,当料液比在1∶8～1∶16 g/mL时,沙棘果皮渣中SDF得率随料液比的增大呈显著升高趋势(P<0.05),随着继续增大料液比,SDF得率开始显著降低(P<0.05),这是由于在适当料液比范围内,料液比的增加可以增强SDF的溶出,但当料液比超过某一值时,酸液的浓度稀释降低了沙棘果皮渣SDF的提取效果[31]。因此,料液比以1∶16 g/mL为宜。

图2 料液比对沙棘果皮渣SDF得率的影响Fig.2 Effect of solid/liquid ratio on extraction yield ofSDF in seabuckthorn peel residue

2.2.3 微波功率对提取效果的影响 由图3可知,当微波功率在150～600 W时,沙棘果皮中渣中SDF得率随着微波功率的增大呈显著升高趋势(P<0.05),随着继续增大微波功率,SDF得率略有降低(P>0.05),这可能是随着微波功率的增大,提取体系温度上升速度加快,从而有助于沙棘果皮渣中SDF的快速溶出[32],当微波功率增至600 W时提取体系的温度已能使沙棘果皮渣中SDF充分溶出。故选择微波功率以600 W为宜。

图3 微波功率对沙棘果皮渣SDF得率的影响Fig.3 Effect of microwave power on extraction yield ofSDF in seabuckthorn peel residue

2.2.4 提取时间对提取效果的影响 由图4可知,当超声时间由30 min增至60 min时,沙棘果皮渣中的SDF得率随提取时间的增加而显著升高(P<0.05),随着提取时间的继续延长,SDF得率反而显著降低(P<0.05),原因是超声波能在物料内部产生强烈振动,加速度和空化效应对植物细胞和分子间产生强大的作用,从而快速提高SDF提取得率;超声时间过长,膳食纤维结构会被破坏,提取得率下降[33]。故选择提取时间以60 min为宜。

图4 提取时间对沙棘果皮渣SDF得率的影响Fig.4 Effect of extraction time on extraction yield ofSDF in seabuckthorn peel residue

2.3 响应面优化试验

2.3.1 试验的设计及结果 在单因素实验的基础上,采用Box-Behnken设计法,对其工艺进行4因素优化试验设计。试验设计及结果见表3。

表3 Box-Behnken试验设计及试验结果Table 3 Design and results of Box-Behnken experiment

利用Design Expert 10.0.4软件对表3试验数据进行多元回归拟合,得到沙棘果皮渣SDF得率对柠檬酸质量分数、料液比、微波功率和提取时间的二次多项式回归方程:

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

该模型的分析结果及模型系数显著性检验见表4。

表4 回归模型方差分析表Table 4 Variance analysis of the regression model

2.3.2 响应面分析 图5显示了柠檬酸质量分数、料液比、微波功率、提取时间4个因素各因素及其交互作用对沙棘果皮渣SDF得率的3D响应面图和等高线图。

图5 各因素及其交互作用对沙棘果皮渣SDF得率影响的响应面图Fig.5 Response surface graphs showing the interactions of various factors on extraction yield of SDF in seabuckthorn peel residue

由图5a可以看出柠檬酸质量分数和料液比对沙棘果皮渣SDF得率的影响,沿着料液比因素向峰值方向移动,其等高线密度明显高于沿柠檬酸质量分数因素方向,由对应的3D响应面图也能看出,与料液比因素相比,在柠檬酸质量分数因素方向响应面曲线整体较平缓,料液比因素方向响应面曲线则较陡峭,说明料液比对沙棘果皮渣SDF得率的影响大于柠檬酸质量分数。

图5b则显示柠檬酸质量分数因素和微波功率因素对沙棘果皮渣SDF得率的影响。由等高线图可以看出,沿着微波功率因素向峰值方向移动的等高线密度明显低于沿柠檬酸质量分数因素方向;同样,从3D响应面图也可以看出,在柠檬酸质量分数因素方向响应面曲线的坡度大于微波功率因素方向,因此,柠檬酸质量分数因素变化对沙棘果皮渣SDF得率的影响要高于微波功率因素,即相对于微波功率,柠檬酸质量分数的影响更大。

图5c为柠檬酸质量分数因素和提取时间因素对沙棘果皮渣SDF得率的影响。由等高线图可知,沿峰值方向的等高线密度柠檬酸质量分数因素高于提取时间因素;在3D响应面图中响应面曲线的陡峭程度提取时间因素小于柠檬酸质量分因素。故相对于提取时间,柠檬酸质量分数对沙棘果皮渣SDF得率的影响更大。

同样,图5d、5e、5f分别表示料液比因素和微波功率因素、料液比因素和提取时间因素、微波功率因素和提取时间因素对沙棘果皮渣SDF得率的影响,由两因素沿峰值方向的等高线密度及其3D响应面图中响应面曲线的陡峭程度可以看出,料液比和微波功率、料液比和提取时间、微波功率和提取时间两两因素对沙棘果皮渣SDF得率的影响也存在较大的差异,对沙棘果皮渣SDF得率的影响:料液比更大于微波功率、料液比大于提取时间、微波功率大于提取时间。响应面分析直观反映了各因素的影响情况,其效果优于单因素实验。

2.3.3 模型验证 根据Box-Bwhnken试验所得结果,结合回归模型,预测超声波-微波协同提取沙棘果皮渣中可溶性膳食纤维的最佳工艺条件为:在柠檬酸质量分数为3.09%,料液比为1∶16.55 g/mL,微波功率为617.19 W,提取时间为62.89 min条件下,SDF得率为10.83%。为了验证响应曲面模型的可预见性,同时为了简化试验操作,将沙棘果皮渣中SDF提取工艺的最佳条件修正为:柠檬酸质量分数为3%,料液比为1∶16 g/mL,微波功率为620 W,提取时间为60 min,该条件下进行3次平行试验,SDF得率达到11.07%±0.26%,RSD为2.31%,与模型预测值误差为2.22%。说明该模型可以有效预测沙棘果皮渣SDF提取过程中的SDF得率,优化结果可靠,可用来指导超声波-微波协同提取沙棘果皮渣中可溶性膳食纤维的提取工艺。

2.4 沙棘果皮渣可溶性膳食纤维理化特性分析结果

由表5可知,根据优化后工艺条件经超声波-微波协同法制备的沙棘果皮渣SDF均溶于冷水和热水,但不溶于乙醇、丙酮、正丁醇等有机溶剂;苯酚-硫酸反应呈现阳性,说明沙棘果皮渣SDF有糖类物质存在;硫酸-咔唑反应也呈现阳性反应,说明有糖醛酸存在;碘-碘化钾反应呈现阴性,说明沙棘果皮渣SDF没有淀粉的存在。

表5 沙棘果皮渣可溶性膳食纤维理化分析结果Table 5 Physicochemical properties of water-soluble dietary fiber from seabuckthorn peel residue

制备的沙棘果皮渣SDF持水力、持油力及膨胀力分别为8.02 g/g、4.19 g/g和3.82 mL/g。刘畅[16]研究发现经过酶处理的沙棘粕SDF持水力和膨胀力分别为4.818 g/g和2.28 mL/g;黄鹏等[17-19]研究发现采用传统水提法与里氏木霉菌发酵制备的沙棘粕SDF持水力和膨胀力分别为4.818 g/g和2.3 mL/g、6.4 g/g和5.3 mL/g;白晓州等[10]研究发现采用蒸汽爆破前后沙棘粕SDF持水力、持油力和膨胀力分别为3.44～8.36 g/g、1.23～3.06 g/g和2.04～4.17 mL/g。相比较而言,本试验所制备的沙棘果皮渣SDF的持水力比沙棘粕SDF高,比处理后沙棘果渣SDF最高持水力略低;持油力高于沙棘果渣SDF持油力;膨胀力高于传统水提法提取的沙棘粕SDF和沙棘果渣SDF,低于发酵法提取的沙棘粕SDF和蒸汽爆破法提取的沙棘果渣SDF膨胀力。这可能是因为超声波空化作用产生的剪切力,使沙棘果皮渣SDF颗粒迅速破裂,粘度降低,沙棘果皮渣SDF颗粒分子间氢键作用减弱所致。

3 结论

采用超声波-微波协同法提取沙棘果皮渣中可溶性膳食纤维,确定了最佳工艺条件:柠檬酸质量分数为3%,料液比1∶16 g/mL,微波功率620 W,提取时间60 min。此条件下沙棘果皮渣可溶性膳食纤维得率达到11.07%±0.26%。所得沙棘果皮渣可溶性膳食纤维溶于水,不溶于乙醇、丙酮、正丁醇等有机溶剂,与苯酚-硫酸、硫酸-咔唑反应均呈现阳性,不与碘-碘化钾反应,持水力为8.02 g/g、持油力为4.19 g/g、膨胀力为3.82 mL/g。该优化工艺方法合理可行,可为沙棘果皮渣资源高值化利用和深入研究沙棘SDF产品开发利用提供理论依据。