碳酸钠和盐酸法提取荞麦壳中水不可溶性膳食纤维的对比研究

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(1.成都大学医学院,四川成都 610106;2.成都大学农业农村部杂粮加工重点实验室,四川成都,610106)

荞麦是我国具有药食同源性的重要农作物,荞麦壳是荞麦加工过程中的主要副产物,荞麦壳含水分、蛋白质、色素、Klason木质素、脂肪、黄酮类化合物、膳食纤维、单糖、淀粉等成分[1-4],其中脂肪、蛋白质、淀粉等成分易被酸性或碱性液降解。膳食纤维则包括水溶性膳食纤维(Water-soluble dietary fiber,SDF)和水不溶性膳食纤维(Water-insoluble dietary fiber,IDF)。荞麦壳不仅是营养丰富的优质饲料,其提取物中丰富的水不溶性膳食纤维[5]还具有一定的抗氧化、抗癌变、促进胃肠蠕动、调节消化功能、防止便秘等功效[6],水不溶性膳食纤维中主要含有木质素、半纤维素等,易被纤维素酶等物质降解,当酸碱液的条件过于剧烈时,也可一定程度上促进其分离降解。现代流行病学有研究表明,高纤维膳食有利于预防肥胖症、糖尿病、高血压、高脂血症、冠心病和恶性肿瘤等不合理膳食引起的相关疾病的发生,因此从荞麦壳中提取膳食纤维成为目前各国研究与开发的热点。

随着提取工艺的不断发展[7-9],医学界、营养学界和食品工业界进行了大量研究,荞麦壳的药食同源特性被不断的挖掘,邵宏等[10]通过以荞麦壳提取物干预调节脂肪代谢和能量代谢的主要因子PPARγ的生物学作用,发现荞麦壳提取物有抑制干细胞成脂化的作用。李富华[11]提出苦荞麸皮酚类提取物对人结肠癌细胞(Caco-2)和人肝癌细胞(HepG2)表现出一定的抗增殖作用以及通过清除细胞内的DPPH自由基,而表现出抗氧化作用。王昱儒等[12]利用此特性以荞麦壳麸皮中的提取物制备壳聚糖复合膜并证明其有良好的抑菌效果。最新有关荞麦壳研究进展也表示荞面壳提取物有通过降低某些蛋白的表达如SCr、SUA、IL-6和IL-1β等,而具有治疗糖尿病性肾病的作用[13]。荞麦壳中除含有抗氧化的多种活性成分外,还含有大量的膳食纤维[14]。潘建刚等[15]以NaOH提取荞麦壳中的IDF,并且提出最佳提取条件是料液比1∶15.5 g/mL,碱解时间60 min,碱解温度45 ℃,NaOH浓度4%,孟雪梅[16]分析了荞麦整株中各部位的组分以及活性物质,研究发现荞麦壳中的IDF含量达70%。马嫄等[17]尝试以酸法提取鹰嘴豆中的IDF,得率达到55.81%,郭金喜[18]以酸法提取荞麦壳中的IDF,其得率达到69.25%,可以看出,酸法提取IDF在现有研究中的得率普遍不高[19-21],而现在却很少有以酸法提取荞麦壳中IDF的报道[22],且随着人们健康意识加强,对于膳食纤维的需求增高,从荞麦壳中高效提取膳食纤维成为当前研究热点。

由于目前有关荞麦壳水不溶性膳食纤维的研究仍处于低水平阶段,存在提取率低[23-24]、有效利用形式单一、资源浪费等现象[25]。为此,本课题提出以HCl和以Na2CO3为提取试剂提取荞麦壳IDF,并且得出最佳的提取条件,测定最佳条件下提取的IDF的持水力、膨胀力以及最终得率,并对其结果进行描述,旨在为荞麦壳中有效组份的提取提供更多的选择与思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

荞麦壳(Buckwheat valvulis exemptae) 四川凉山天津爱点食品有限公司;Na2CO3分析纯,天津市致远化学试剂有限公司;HCl、丙酮 分析纯,重庆川东化工(集团)有限公司化学试剂厂;无水乙醇 95%,新泰市润生医疗卫生用品有限公司。

FW-100粉碎机 北京市永光明医疗仪器有限公司;Al204-IC分析天平电子天平 上海梅特勒-托利多仪器有限公司;HH-S电热恒温数显水浴锅 上海博迅实业有限公司;SC-3616低速离心机 安徽中科中佳科学仪器有限公司;DHG-9245A电热恒温鼓风干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司;SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的制备 实验样品均为荞麦壳粉,是通过将荞麦壳样品放置于45 ℃的恒温干燥箱中,持续干燥2 h,粉碎机粉碎过40目筛得到。

1.2.2 Na2CO3碱提法 取每份荞麦粉样品3 g共4份,每份3个平行,按照一定的料液比,加入一定质量分数的Na2CO3溶液,置于一定温度恒温水浴中,搅拌1 h,离心分离(1200 r/min,20 min),滤渣分别用无水乙醇、丙酮洗涤两次。45 ℃干燥至恒重,粉碎,过60目筛,得到荞麦壳IDF。分别测定其得率、持水力、溶胀力。

1.2.3 HCl酸提法 取每份荞麦壳粉样品3 g共4份,每份3个平行,按照一定料液比,加入一定体积分数的HCl溶液,置于一定温度恒温水浴中,搅拌一定时间,离心分离(1200 r/min,20 min),滤渣用每次5 mL无水乙醇,每次5 mL丙醇洗涤两次,干燥粉碎,得到荞麦壳IDF。分别测定其得率、持水力、溶胀力。

1.2.4 荞麦壳IDF得率、水合性能的测定 IDF水合性质包括持水力和膨胀力,水合性质是否优良也是荞麦壳IDF品质的重要因素之一。以试验所得IDF为原料分别测定其持水力和膨胀力。

荞麦壳IDF得率(g/g)=所得的IDF(g)/所用的荞麦壳(g)。

持水力的测定:参考Esposito 等[26]的方法,称取经粉碎过60目筛的IDF 1.0 g于50 mL烧杯中,加入20 mL的蒸馏水浸泡1 h,用真空泵抽滤机抽滤至不再有液体流出,将滤渣转移到表面皿称重,按以下公式计算持水力。

持水力(g/g)=[样品湿重(g)-样品干重(g)]/样品干重(g)。

膨胀力的测定:参考Femenia等[27]的方法,称取IDF 0.1 g置于10 mL量筒中,用移液管准确称取5 mL蒸馏水加入其中,震荡均匀后在室温下放置24 h,读取量筒中纤维物料体积数,按以下公式计算膨胀力。膨胀力(mL/g)=[膨胀后纤维体积(mL)-干品体积(mL)]/样品干重(g)。

1.2.5 单因素实验

1.2.5.1 Na2CO3碱提法提取荞麦壳IDF的单因素实验 确定加入质量分数为6%的Na2CO3溶液,碱解温度为60 ℃,分别在料液比为1∶9、1∶11、1∶13、1∶15 g/mL的条件下,碱解40 min,研究料液比对提取效果的影响。得到的最终产物测定其持水力和膨胀力,并计算其得率。

确定以1∶14 g/mL的料液比,加入Na2CO3水溶液,Na2CO3质量分数分别为6%、8%、10%、12%,于60 ℃搅拌分解40 min,研究Na2CO3质量分数对提取效果的影响。得到的最终产物测定其持水力和膨胀力,并计算其得率。

确定以1∶14 g/mL的料液比,加入6% Na2CO3水溶液分别在20、40、60、80 ℃条件下搅拌40 min,研究碱解温度对提取效果的影响。得到的最终产物测定其持水力和膨胀力,并计算其得率。

确定加入质量分数为6%的Na2CO3溶液,碱解温度设为60 ℃,料液比为1∶14的条件下,分别碱解20、40、60、80 min,研究碱解时间对提取效果的影响。得到的最终产物测定其持水力和膨胀力,并计算其得率。

1.2.5.2 HCl酸浸法提取荞麦壳IDF的单因素实验 确定以1∶14 g/mL的料液比,加入HCl溶液,温度为40 ℃,设置pH分别1、2、3、4,酸提100 min,研究酸解pH对提取效果的影响。得到的最终产物测定其持水力和膨胀力,并计算其得率。

确定以1∶14 g/mL的料液比,加入HCl溶液,调节溶液pH为3,分别在20、40、60、80 ℃条件下,酸浸100 min研究酸解温度对提取效果的影响。得到的最终产物测定其持水力和膨胀力,并计算其得率。

调节溶液pH为3,温度为 40 ℃,分别以料液比为1∶9、1∶11、1∶13、1∶15 g/mL酸浸100 min,研究酸解料液比对提取效果的影响。得到的最终产物测定其持水力和膨胀力,并计算其得率。

调节溶液pH为3,温度设为40 ℃,料液比为1∶14 g/mL的条件下,分别酸解60、80、100、120 min,研究酸解时间对提取效果的影响。得到的最终产物测定其持水力和膨胀力,并计算其得率。

1.2.6 正交试验 根据相关文献[28-29]及单因素考察结果,综合考虑得率、持水力、膨胀力等指标,确定试剂质量分数(%)或pH、提取时间(min)、提取温度(℃)、提取料液比(g/mL)的3个合适的水平进行 L9(34)正交试验,最终以IDF膨胀力、持水力作为正交实验的评价指标,得率作为重要的辅助参考指标,采用多指标正交试验综合评分法,对评价指标采用排队评分法,以寻找提取荞麦壳IDF的最佳工艺条件。

1.2.6.1 碱法正交试验 根据单因素试验结果,选取碱解温度(A)、Na2CO3质量分数(B)、碱解时间(C)、料液比(D),采用正交实验设计L9(34),以膨胀力、持水力为评价指标,进一步探究Na2CO3提取荞麦壳IDF最佳工艺条件。正交实验设计水平见表1。

表1 碱法正交实验因素水平Table 1 Levels and factors of orthogonal experimental by alkali method

1.2.6.2 酸法正交试验 基于单因素试验,选取HCl的pH(A)、酸解温度(B)、酸解时间(C)、料液比(D)四个因素的3个水平的膨胀力、持水力,采用正交试验设计L9(34),以膨胀力、持水力为评价指标,进一步探究酸法提取荞麦壳的最佳工艺条件,正交试验设计水平见表2。

表2 酸法正交试验因素水平Table 2 Levels and factors of orthogonal test by acid method

1.3 数据处理

每次试验重复3次,单因素试验结果采用Microsoft Excel 2010作图,采用软件SPSS Statistics V17.0进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 Na2CO3碱提法提取荞麦壳IDF的单因素实验

2.1.1 料液比的确定 如图1所示,当料液比逐渐增大时,荞麦壳中的蛋白质与脂肪等成分溶解得越来越充分,最终所得滤渣质量越来越小,当料液比在1∶11～1∶15 g/mL时,所得产物质量趋于平缓,此时考虑荞麦壳中的脂肪、蛋白质、淀粉等物质被碱液逐步降解,产物中的IDF比例达到最高,当液体量持续增多,得率变化不明显,甚至有下降的趋势,可能是荞麦壳中IDF与提取液的接触面积变大,促进了IDF中的半纤维素的降解。观察此时膨胀力和持水力,随着液体料的增加,其水合性能呈现先增大后降低的趋势,但总体波动范围不大,则在1∶11～1∶15 g/mL区间内存在一个最佳的料液比,使得荞麦壳中的淀粉、脂肪、蛋白等成分降解相对完全,IDF在产物中所占的比列达到最佳最稳定的状态,并且使得IDF的水合性能达到最佳,故选择了料液比在1∶11～1∶15 g/mL进行正交试验,以探究提取最佳的料液比。

图1 碱提法料液比对得率、持水力、膨胀力的影响Fig.1 Effect of the ratio of feed to liquid on the yield,water holding capacity and swelling power by the alkaline extraction method

2.1.2 Na2CO3质量分数的确定 结果如图2,一开始由于提取液的碱性低,提取条件的不佳,荞麦壳中的蛋白质、脂肪、淀粉等物质的降解不完全,所得终产物质量大,根据得率的计算公式,得出此时得率在数值上显得很大的结论,但是由于此时产物中除了IDF还有其他杂质,故此时并不是提取IDF的最佳提取条件。随着Na2CO3的质量分数不断增大,得率逐渐降低,当Na2CO3的质量分数在8%～10%之间时,得率下降平缓,此时荞麦壳中的蛋白质、脂肪等物质充分碱解,当Na2CO3质量分数达到10%以上,IDF得率继而下降,由于提取液的碱性增强,IDF中的纤维素和半纤维素被破坏,从不可溶性膳食纤维中析出。考虑膨胀力、持水力等水合性能的指标,在Na2CO3的质量分数在8%～12%之间时,其水和性能呈现先升高后降低的总体趋势,并且当质量分数为12%时,其水合性能在数值上与8%时几乎没有差异,为了避免因区间选择的狭窄,而错过提取的最佳Na2CO3质量分数,故选择了8%～12%为正交试验的条件范围。

图2 碱提法Na2CO3质量分数对得率、持水力、膨胀力的影响Fig.2 Effect of Na2CO3 mass fraction on yield,water holding capacity,and swelling power by alkaline extraction method

2.1.3 碱解温度的确定 结果如图3所示,一开始由于温度低,蛋白质、脂肪的碱解不充分,得率高,随着碱解温度逐渐增高,荞麦壳碱解逐渐充分,得率逐渐降低,当温度保持在40～60 ℃时,得率稳定在一定范围,此时所得产物中IDF的比例达到最高,若温度进一步升高超过60 ℃,得率继续下降,可能与IDF中纤维素与半纤维素的溶出有关。综合考虑IDF的水合性能,在40～80 ℃间,水合性能先增高后降低,但是80 ℃时,其水合性能在数值上仍大于40 ℃,为避免因范围选择的狭隘,错过提取的最佳温度,正交试验的范围确定在了40～80 ℃。

图3 碱提法温度对得率、膨胀力、持水力的影响Fig.3 Effect of alkaline extraction temperature on yield,swelling power,and water holding capacity by alkaline extraction method

2.1.4 碱解时间的确定 结果如图4,可知随着碱解时间的延长,得率逐渐降低,当碱解40～60 min时,得率趋于平缓,此时提取时间达到最佳范围。随着碱解时间的延长,得率再一次下降,故碱解时间应选取在40～60 min为宜。综合水合性能的指标,基于以上同样的考虑,正交试验的范围选择在40～80 min。

图4 碱提法时间对得率、膨胀力、持水力的影响Fig.4 Effect of alkaline extraction time on yield,swelling power and water holding capacity by alkaline extraction method

2.2 HCl酸浸法提取荞麦壳IDF的单因素实验

2.2.1 酸解pH参数的确定 结果如图5所示,可知当pH为1时,浸提液的酸性强,荞麦壳中各组分被酸解,过滤后所得产物质量低,IDF得率也偏低,随着pH逐渐加大,得率也不断增加,当pH为3时,得率达到最大,随着pH继续加大,得率持续降低,结合水合性能的指标,当pH为2时,其水合性能达到峰值,当pH为3～4时,水合性能似乎有上升的趋势,为进一步确定最佳工艺条件,正交试验范围选择pH为2～4为宜。

图5 酸解法HCl的pH对得率、膨胀力、持水力的影响Fig.5 Effect of pH of HCl on yield,swelling power and water holding capacity by acid hydrolysis

2.2.2 酸解温度的确定 如图6可知,当温度偏低时,得率偏高,可能是由于荞麦壳内蛋白质、脂肪等物质溶解不充分,随着温度升高,蛋白质、脂肪等组分溶解增多,得率逐渐下降,达到40～60 ℃时,得率趋于平缓,波动不大,当温度继续升高,不可溶性纤维中的纤维素与半纤维素被破坏而析出,得率持续下降。综合考虑IDF水合性能,40～80 ℃时,总体波动不大,60～80 ℃时,虽然水合性能呈现了轻微的下降趋势,但80 ℃时的水合性能在数值上仍优于40 ℃,故正交试验的范围选择在40～80 ℃。

图6 酸解法温度对得率、膨胀力、持水力的影响Fig.6 Effect of acid hydrolysis temperature on yield,swelling power and water holding capacity by acid hydrolysis

2.2.3 酸解料液比的确定 结果如图7可知,当料液比为1∶11～1∶13 g/mL之间时,得率波动不大,但综合考虑水合性能,扩大正交试验的选择范围,选择在1∶11～1∶15 g/mL。

图7 酸解法料液比对得率、膨胀力、持水力的影响Fig.7 Effect of material-to-liquid ratio on yield,swelling power and water holding capacity by acid hydrolysis

2.2.4 酸解时间的确定 结果如图8可知,随着酸浸时间的延长,得率逐渐降低,当酸浸时间在80～100 min时,得率相对保持稳定,当酸浸时间再延长,得率再次下降。故选择酸浸时间以80～100 min为宜。同样,虽然100～120 min时,水合性能总体呈现下降趋势,但120 min时的水合性能仍然比80 min时高,综合考虑,正交试验范围将选取在80～120 min。

图8 酸解法时间对得率、膨胀力、持水力的影响Fig.8 Effect of acid hydrolysis time on yield,swelling power,and water holding capacity

2.3 Na2CO3碱提法提取荞麦壳IDF的正交试验

由碱法正交试验结果表3可知,在Na2CO3浸提法提取荞麦壳IDF实验的影响因素中,其最佳提取工艺为A2B2C1D2(A因素2水平,B因素2水平,C因素1水平,D因素2水平),即碱解温度60 ℃,Na2CO3质量分数为10%,碱解时间40 min,料液比为1∶13 g/mL。 从极差结果可以得到各因素对提取IDF的影响程度大小为B>C>A>D,也就是说Na2CO3的质量分数对IDF提取是最具有影响力的。

表3 碱法正交试验结果Table 3 Results of orthogonal test by alkali method

2.4 验证碱法正交试验结果

为进一步验证上述最佳条件的稳定性和合理性,分别称取3份荞麦壳粉末,每份3 g,按上述最佳条件A2B2C1D2进行提取,其结果以平均值±标准差表示,其中膨胀力为(7.28±0.03) mL/g、持水力为(5.41±0.02)g/g、并且将所得各指标数据与正交试验指标数据列队重新进行排队评分,其结果显示重复试验比正交试验中的综合评分都高,且其结果为(19.6±0.16)分,可见该提取工艺稳定、可重复。

2.5 HCl酸浸法提取荞麦壳IDF的正交试验

由分析结果表4可知,以HCl为提取液提取荞麦壳IDF的影响因素中,提取的最佳工艺为A1B2C2D3,即pH为2,酸浸温度为60 ℃,酸提时间为100 min,料液比为1∶15 g/mL,并且从极差中可以看出各因素对提取IDF影响力的大小为B>D>A>C。

表4 酸法正交试验结果Table 4 Orthogonal experimental results of acid method

2.6 验证酸法正交试验结果

为进一步验证上述酸法提取的最佳条件其稳定性和合理性,分别称取3份荞麦壳粉末,每份3 g,按上述最佳条件A1B2C2D3进行提取,结果以平均值±标准差表示,其膨胀力为(6.16±0.08) mL/g、持水力为(4.5±0.04) g/g、并且将所得各指标数据与正交试验指标数据列队重新进行排队评分,其结果显示重复试验比正交试验中的综合评分都高,且其综合评分为(19.5±0.16)分,可见该提取工艺稳定、可重复。

2.7 两法在最佳条件下提取IDF的实验结果

Na2CO3浸提法提取荞麦壳IDF实验中,以碱解温度60 ℃,Na2CO3质量分数为10%,碱解时间40 min,料液比为1∶13 g/mL的最佳条件提取荞麦壳IDF,试验重复3次,结果如表5。在HCl为提取液提取荞麦壳IDF的试验中,以 pH为2,酸浸温度为60 ℃,酸提时间为100 min,料液比为1∶15 g/mL的最佳条件对荞麦壳IDF进行提取,试验重复3次,结果如表5。直观比较结果的均值,可以看出,酸法在得率上优于碱法,但最佳条件下的持水力膨胀力却不如碱法。

表5 酸法与碱法在最佳条件下提取荞麦壳IDF的结果Table 5 Results of extraction of buckwheat hull IDF by acid method and alkaline method

3 讨论与结论

通过荞麦壳IDF提取的Na2CO3浸提法、HCl酸提法的对比实验研究中总结出两种化学方法提取荞麦壳中IDF的最佳工艺,基于最佳工艺条件下得到Na2CO3浸提IDF得率为82.75%,膨胀力为6.87 mL/g,持水力为379.18%;HCl酸提IDF得率为86.00%,膨胀力5.92 mL/g,持水力为365.31%。试验探究提取所得IDF的膨胀力和持水力,并且得出碳酸钠法优于盐酸法,这对IDF的化学提取方式的改进具有重大的参考意义,同时对IDF质量要求较高的工业,如食品加工业等有极大的参考价值。此外,探究提取方法的最终得率具有不可忽视的重要作用,本试验所得盐酸法的得率高于碳酸钠法,高得率工艺利于农作物加工中的资源充沛利用[30-32],避免作物浪费,满足与目前作物加工的要求,也符合国家提倡的资源合理利用,杜绝浪费政策[25]。从最佳条件下提取的IDF水合性能来看,酸提取的IDF膨胀力和持水力较碱法提取的IDF低,猜测可能Na2CO3及HCl的性质有关[33],Charis等[4]总结出IDF中半纤维素可溶解在碱性环境中,因此猜测这可能是碱法提取IDF的得率不如酸法的原因之一,此外,酸碱性对荞麦壳IDF的水合性能可能有影响,其具体的的影响机制有待更深的研究。本研究可为荞麦提取工艺及荞麦的发展方向提供参考价值,为荞麦壳及其他农作物的提取提供更好的工艺选择。