优化黑果腺肋花楸果渣不可溶性膳食纤维的提取工艺

张卉，刘姝含，杨楠楠，臧淑艳

1. 沈阳化工大学制药与生物工程学院（沈阳 110142）；2. 沈阳化工大学理学院（沈阳 110142）

黑果腺肋花楸（Aronia prunifolia‘Viking’）又名不老莓，原产于北美，是集食用、药用、园林和生态价值于一身的珍贵树种[1]。20世纪90年代，我国引入黑果腺肋花楸，并在辽宁、吉林等地大面积推广种植[2]。黑果腺肋花楸的果实营养丰富，还富含花青素、多酚、黄酮等生物活性成分[3-4]，具有保肝、降血糖、防治心脑血管疾病等功效[5-6]，是果汁、果酒及功能性食品生产的优质原料。在黑果腺肋花楸的加工过程中会产生大量的果渣，由于其单宁含量高，不宜当饲料处置，只能作为废料丢弃而造成资源的浪费。本项目组前期的研究发现，黑果腺肋花楸果渣中含有丰富的膳食纤维，其中主要为不可溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber fromAronia prunifoliapomace，APIDF）。近年来，膳食纤维因其抗肿瘤、降低胆固醇、调节血糖和预防肥胖等功能特点而受到消费者和食品生产企业的关注[7]。未来，膳食纤维作为功能性食品配料和添加剂，在食品、药品等领域有广阔的应用前景。

膳食纤维提取的常用方法有化学法、酶法和酶-化学法等。化学法生产成本低，操作简单，但制得的膳食纤维产品欠佳，工业上会造成污染[8]。采用酶法制备膳食纤维时，虽然生产成本略高于化学法，但制得的膳食纤维没有溶剂残留，对环境污染少[9]。酶-化学法提取条件较温和，提取出的膳食纤维具有纯度较高等优点[10]。目前膳食纤维的提取主要以大豆、花生壳、麦麸和一些水果皮渣为原料，关于黑果腺肋花楸膳食纤维的研究尚未见报道。因此，研究黑果腺肋花楸不可溶性膳食纤维的提取工艺，将为进一步进行其功能性、改性方法等方面的研究，以及开发功能性食品奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黑果腺肋花楸果渣，辽宁华益农业开发有限公司；耐酸耐高温α-淀粉酶，酶活力2万 U/mL，浙江玛雅试剂有限公司；糖化酶，酶活力10万 U/mL，上海源叶生物科技有限公司；木瓜蛋白酶，酶活力＞800 U/mg BR，浙江玛雅试剂有限公司；氢氧化钠，分析纯，西陇化工股份有限公司。

A11BS25型分析用研磨机，德国IKA公司；DZF-6050SA真空干燥箱，上海谱振生物有限公司；KH-250B超声波清洗器，昆山禾创超声仪器有限公司；T200Y型电子天平，昆山天金岗金属制品有限公司；HHS-S型电子恒温不锈钢水浴锅，上海康路仪器装备有限公司；TDZ5-WS离心机，长沙平凡仪器仪表有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 APIDF提取工艺流程

黑果腺肋花楸果渣→水洗→干燥、粉碎→过筛（筛孔尺寸0.425 mm）→复合酶酶解→高温灭酶→水洗→碱液处理→水洗→干燥→粉碎样品→APIDF

1.2.2 单因素试验

以复合酶添加量300 μL/g、复合酶酶解时间90min、氢氧化钠质量浓度3%、氢氧化钠液料比20∶1（mL/g）为基本条件，通过改变单一因素来探讨其对APIDF提取率的影响。复合酶添加量分别为100，200，300，400和500 μL/g；复合酶酶解时间分别为30，60，90，120和150 min；氢氧化钠质量浓度分别为1%，3%，5%和7%；氢氧化钠液料比分别为15∶1，20∶1，25∶1和30∶1（mL/g）。

1.2.3 响应面优化试验

在单因素试验结果的基础上，根据Box-Behnken试验设计原理，采用Design-Expert 8.06软件，以APIDF提取率为响应值进行响应面优化。响应面因素和水平见表1。

表1 响应面因素和水平表

1.2.4 APIDF测定方法

按照GB/T 5009.88—2014《食品中膳食纤维的测定》方法进行检测。

1.2.5 APIDF提取率的计算

APIDF提取率=MIDF（干质量，g）×100%/M黑果腺肋花楸果渣（干质量，g） （1）

1.3 数据分析

通过SPSS 17.0软件对数据进行方差分析，试验结果采用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 复合酶添加量对APIDF提取率的影响

由图1可知，随着复合酶添加量的增加，APIDF提取率先增加后降低。当复合酶添加量为200 μL/g时，APIDF提取率最高。原因是混合酶添加量过低，会使淀粉水解不完全；混合酶添加量过高，会使部分半纤维素等溶出，造成提取率下降[11]。

图1 复合酶添加量对APIDF提取率的影响

2.1.2 复合酶酶解时间对APIDF提取率的影响

由图2可知，随着酶解时间的增加，APIDF的提取率先增加后降低。当酶解时间为90 min时，提取率达到最高。原因是随着酶解时间的增加，复合酶与底物反应充分，但较长时间的处理可能会使半纤维素等发生水解，从而导致APIDF提取率下降。

图2 复合酶酶解时间对APIDF提取率的影响

2.1.3 氢氧化钠质量浓度对APIDF提取率的影响

由图3可知，随着氢氧化钠质量浓度的增加，提取率呈现先升高后降低的趋势。当氢氧化钠质量浓度为3%时，提取率最高。原因在于，当氢氧化钠质量浓度过低时，碱液水解不完全；当浓度超过一定值时，纤维素物质间的氢键容易断裂，提取出来的纤维素类物质变成碱纤维素[12]，使不可溶性膳食纤维的纯度降低。此外，随着处理时间的延长，不可溶性膳食纤维部分降解，生成水溶性低聚糖或单糖。二者皆会导致APIDF提取率下降[13]。

图3 氢氧化钠质量浓度对APIDF提取率的影响

2.1.4 氢氧化钠液料比对APIDF提取率的影响

由图4可知，随着氢氧化钠液料比的增加，IDF的提取率呈下降趋势。原因在于液料比过大时，裸露的纤维素会发生部分水解[14]，造成提取率的下降。

图4 氢氧化钠液料比对APIDF提取率的影响

2.2 响应面优化试验结果

2.2.1 回归模型的构建及方差分析

APIDF提取结果见表2，回归方差分析见表3。拟合所得的多元二次回归方程为Y=53.36+1.73A-2.82B-0.47C-1.72D-0.34AB+0.55AC-3.5AD+2.34BC-5.04BD-1.71CD-4.13A2-3.72B2-4.20C2-5.48D2。

由表3可知，该回归模型达到极显著水平（p＜0.01），说明该方法是可靠的；失拟项不显著，R2=0.949 9，表明此模型的拟合程度良好，APIDF提取率可以用该模型进行分析和预测。通过对比表3中的F值可以看出，影响APIDF提取率的主次顺序为B＞A＞D＞C，即氢氧化钠质量浓度＞复合酶添加量＞氢氧化钠作用温度＞氢氧化钠液料比。

表2 响应面试验设计和试验结果

2.2.2 各因素之间的交互作用

根据回归方程作出各两因素交互作用的响应面分析图，如图5所示。氢氧化钠质量浓度（B）和氢氧化钠作用温度（D）、复合酶添加量（A）和氢氧化钠作用温度（D）交互作用对APIDF提取率的影响极显著；氢氧化钠质量浓度（B）和氢氧化钠液料比（C）交互作用对APIDF提取率的影响显著。

表3 回归模型方差分析表

图5 各两因素交互作用的响应面

2.2.3 最优条件的确定及验证试验

用Design-Expert 8.06软件对二次多项式回归方程进行计算，得到APIDF的最优制备工艺条件：混合酶添加量220 μL/g，碱液质量浓度2.12%，液料比14.2∶1（mL/g），碱解温度50 ℃。IDF提取率的理论最优值为55.37%。参照此条件进行验证试验，IDF的提取率为57.23%，与理论值的相对误差为1.86%，纯度为90.35%，说明该方法具有一定的实际可操作性。

3 讨论与结论

膳食纤维作为人体健康必不可少的一类营养素，具有十分重要的研究价值和广泛的应用前景[15]，而膳食纤维的提取是其进一步应用的基础。程水明等[16]采用化学法提取桑椹果渣IDF，其提取率为28.77%。许晓娟等[17]采用化学法提取蓝莓果渣IDF，其提取率为41.06%。程明明[18]采用酶-化学法提取西番莲果皮IDF，其提取率为54.93%。周贺霞等[19]采用酶法提取地瓜渣IDF，其提取率为55.77%。

此次试验采用复合酶-碱法提取APIDF，得到APIDF最佳提取条件为复合酶添加量220 μL/g，碱液质量浓度2.12%，液料比14.2∶1（mL/g），氢氧化钠作用温度50 ℃。在此条件下，APIDF提取率为57.23%，其纯度可达90.35%。可见通过此方法提取所得的提取率较好。迄今为止，仍鲜见到国内外文献对黑果腺肋花楸果渣不可溶性膳食纤维的提取工艺研究的报道。此次试验为进一步研究黑果腺肋花楸膳食纤维理化性质和改性奠定了基础，也为黑果腺肋花楸加工副产物的资源化利用提供了新思路。