超声预处理-柠檬酸辅助亚临界水提取麦麸水溶性膳食纤维工艺优化

陈婷婷，武利霞，肖高升，段玉清，张海晖，闫景坤,

(1.江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江 212013；2.宿迁市汇味食品有限公司，江苏宿迁 223900)

随着人民生活水平的提高，人们的饮食结构发生了重大的改变，肥胖症、高血压、结肠癌和糖尿病等“富贵病”发病率逐年上升，严重影响人们身体健康[1]。研究表明，膳食纤维的摄入量不足是造成“富贵病”的重要原因之一。水溶性膳食纤维(Soluble Dietary Fiber, SDF)作为膳食纤维的一种，具有预防便秘[2]、降低胆固醇[3-4]、调节血糖血脂代谢[5-6]和抗癌[7]等作用。并且SDF可以添加到面条[8-9]、饼干[10]和酸奶[11]等食品中，不仅有效改善了食品品质和口感，也增加了食品的功能特性。

小麦作为我国主要粮食作物之一，每年加工的副产物小麦麸皮(以下简称“麦麸”)产量可达2000万吨以上，约占小麦加工总量的20%，这些麦麸主要被用作低价值的动物饲料，造成了很大的资源浪费[12]。麦麸含有丰富的膳食纤维，是一种优质的SDF来源。目前，国内外提取膳食纤维的方法主要有发酵法、酶法、化学法、膜分离法以及酶-化学结合法。但是这些方法存在着提取效率低、提取成本较高、提取过程繁琐和污染环境等缺点[13-14]。因此，开发以麦麸为原料提取SDF的新型、绿色、高效工艺仍是食品加工领域的研究热点。

亚临界水提取(Subcritical Water Extraction，SWE)是一种新型的绿色的提取技术，被广泛应用于生物活性物质的提取，具有提取效率高、提取过程清洁且可以有效保护提取物不被破坏等优点。超声辅助提取技术通过超声空化增大对细胞壁的破坏，从而提高提取效率[15]。此外，超声处理与SWE相结合还可以有效地将部分不溶性膳食纤维转化为SDF，提高SDF的溶解速率[16]。柠檬酸作为一种食用有机酸，无毒无害，可以加快SDF的溶出，且不会使多糖发生酸水解[17]。因此，本研究将超声预处理、柠檬酸溶剂与SWE创新性地结合起来提取麦麸SDF，通过单因素实验和响应面优化法，获得最佳提取工艺参数，从而为麦麸的综合开发利用和水溶性膳食纤维的绿色、高效制备提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

麦麸 宿迁市汇味食品有限公司提供；葡萄糖、浓硫酸、苯酚 均购自国药集团化学试剂有限公司；α-淀粉酶(≥5 U/mg)、木瓜蛋白酶(≥3 U/mg) 均购自美国Sigma-Aldrich公司；所有有机溶剂 均为国产分析纯。

SECURA124-1CN型分析天平 赛多利斯科学仪器有限公司；DL-6-B型离心机 上海安亭科学仪器厂；UV-1601型紫外可见分光光度计 北京瑞利分析仪器公司；GSH型亚临界水提取设备 镇江丹徒环球机电配件厂；SCIENTZ-IID型超声波细胞粉碎机 宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 麦麸的预处理 麦麸磨粉、过60目筛，采用索式抽提法脱脂，自然晾干，浸于蒸馏水中，加1%(质量百分比)的α-淀粉酶，55 ℃水浴搅拌2 h，过滤，得滤渣；滤渣浸于蒸馏水中，加2%(质量百分比)的木瓜蛋白酶，55 ℃水浴搅拌2 h，过滤，105 ℃灭酶0.5 h，50 ℃烘箱中烘干，冷却，置于干燥器中，备用。

1.2.2 麦麸水溶性膳食纤维提取 精确称取2.0 g麦麸粉，溶于pH为5.0的柠檬酸溶液，在30 ℃条件下，超声预处理20 min。按照工艺研究中的不同参数设定超声预处理-柠檬酸辅助亚临界水提取条件进行麦麸水溶性膳食纤维的提取。提取结束后立即用自来水冷却，冷却至室温后离心(4000 g，20 min)，吸取上层清液测总糖含量，计算SDF的得率。

1.2.3 总糖含量的测定及SDF得率计算 采用苯酚-硫酸法[18]测定总糖含量，标准曲线绘制：配制质量浓度为20、40、60、80、100 μg/mL的葡萄糖溶液，分别取1 mL于试管中，加0.5 mL 5%苯酚溶液，2.5 mL浓硫酸，摇匀，冷却至室温，以蒸馏水做空白对照，在490 nm测其吸光度。绘制标准曲线得出回归方程：Y=6.2857x+0.0012，R2=0.993。精密吸取1 mL上层清液，按上述步骤测总糖。重复测定三次，取平均值。按式(1)计算SDF得率(Y，%)：

式中：M表示麦麸原料的质量，mg；V表示上层溶液的体积，mL；C表示上层溶液中多糖浓度，mg/mL。

1.2.4 单因素实验 精确称取2.0 g预处理后的麦麸粉，设定超声功率175 W、柠檬酸/麦麸液固比40 mL/g、亚临界水提取温度150 ℃和时间30 min为单因素实验中的固定条件。以超声预处理功率(100、125、150、175、200 W)、柠檬酸/麦麸液固比(10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1 mL/g)、SWE温度(120、150、180、210、240 ℃)和时间(10、20、30、40、50 min)4个因素变量替换实验中的常规量。按照1.2.2与1.2.3中的方法提取、测定并计算得率，每组重复三次。

1.2.5 响应面优化试验 根据单因素试验结果，选取超声预处理功率(X1，W)、柠檬酸/麦麸液固比(X2，mL/g)、SWE温度(X3，℃)三个因素，以SDF的得率作为响应值，进行响应面优化试验设计，共17个试验其中包含5个中心点试验用来误差估算，试验变量的因素与水平值如表1所示。

表1 响应面试验因素与水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiment

1.3 数据统计

采用Excel、Origin 8.0和SPSS 16.0软件进行试验数据分析，采用Design-Expert V8.0.6.1进行试验数据回归模型的分析和响应面图的绘制。所有数据均平行测定三次，结果以平均值(Mean)±标准偏差(SD)表示。

2 结果与分析

2.1 单因素实验分析

2.1.1 超声预处理功率对SDF得率的影响 由图1可知，在超声功率从100 W增加到200 W的过程中，SDF的得率呈先增加后减小的趋势。当超声功率为175 W时，SDF的得率最高为35.17%。这可能是由于超声功率加大，超声作用引起的空化效应增强，从而有利于植物细胞壁的破坏并促进传质[19]。但是，过高的超声功率(>175 W)会导致SDF发生一定程度的降解，从而不利于SDF的提取。因此，175 W被选为最佳的超声预处理功率。

图1 超声预处理功率对SDF得率的影响Fig.1 Influence of ultrasonic pretreatment power on the yield of SDF

2.1.2 柠檬酸/麦麸液固比对SDF得率的影响 由图2可知，当液固比从10∶1 mL/g增加到40∶1 mL/g时，SDF的得率呈显著增加趋势(P<0.05)。当液固比大于40∶1 mL/g时，SDF的得率呈显著减小趋势(P<0.05)。在一定条件下，液固比的增加使得细胞内部与外部溶剂的浓度差增大，有利于SDF扩散到溶液中，从而提高了SDF的得率。随着液固比的不断增加，虽相对质量浓度差变大，但增大率越来越小，对SDF得率的影响也越来越小；同时液固比越大，超声能量随单位体积的增大而减小，从而减小了SDF的得率[20]。因此，选择柠檬酸/麦麸液固比为40∶1 mL/g时较为合适。

图2 柠檬酸/麦麸液固比对SDF得率的影响Fig.2 Influence of citric acid/wheat bran liquid-to-soild ratio on the yield of SDF

2.1.3 SWE温度对SDF得率的影响 由图3可知，随着SWE温度的升高，SDF的得率先显著升高(P<0.05)，然后逐渐降低。在180 ℃时，SDF的得率最高，为40.26%。SWE温度过高会使SDF发生降解。此外，亚临界水的极性在温度升高时会受到不利影响，进而导致提取SDF的溶剂效率降低[21]。因此，选择180 ℃作为最佳的SWE温度。

图3 SWE温度对SDF得率的影响Fig.3 Influence of SWE temperature on the yield of SDF

2.1.4 SWE时间对SDF得率的影响 由图4可知，SDF的得率随着SWE时间(10～30 min)显著增加(P<0.05)，但随着提取时间的进一步增加(>30 min)，SDF的得率基本保持不变，且无显著性差异(P>0.05)。在提取的前30 min，SDF得率随提取时间的增加而增加，这是由于SDF的提取需要一定的时间。然而，过长的提取时间可能会引起多糖分子的降解以及能量的消耗，不利于工业化生产[22-23]。因此，确定30 min为SWE的最佳提取时间。

图4 SWE时间对SDF得率的影响Fig.4 Influence of SWE time on the yield of SDF

2.2 响应面优化分析

2.2.1 响应面模型的预测与试验结果分析 由以上单因素实验结果可知，超声预处理功率、柠檬酸/麦麸液固比和SWE温度三个工艺参数对SDF的得率影响较为显著。在此基础上，采用响应面优化法，以超声预处理功率(X1)、柠檬酸/麦麸液固比(X2)和SWE温度(X3)作为自变量，以SDF的得率(Y)作为响应值，进行麦麸SDF提取条件的优化，试验设计方案和试验结果如表2所示。

表2 响应面BBD试验设计及试验结果Table 2 Design and results of response surface BBD experiment

SDF的得率作为预测的响应值Y通过二次多项式回归方程式(2)确定：

SDF得率的响应面回归模型方差分析和回归分析结果如表3所示，该模型的F值为200.17，且P值小于0.0001，表明该模型是高度显著的。决定系数R2=0.9961，说明二项式回归方程的拟合度良好。调整决定系数(R2adj=0.9912)和F值的失拟项(2.00)也进一步表明该模型拟合度高[24-25]。此外，预测回归模型方程中的系数X1和X1X3的影响显著(P<0.05)，X2、X12、X22、X32的影响极显著(P<0.01)。但是X3、X1X2和X2X3的影响不显著(P>0.05)。由F值的大小可知，影响SDF得率的主次因素为X2>X1>X3，即柠檬酸/麦麸液固比>超声预处理功率>SWE温度。

表3 SDF得率的响应面回归模型方差分析和回归分析结果Table 3 Variance analysis and regression analysis results of the response surface regression model of the yield of SDF

2.2.2 三维响应面图和二维等高线图分析 根据式(2)绘制三维(3D)响应面和二维等高线图[26-27]，各元素之间的交互作用对SDF得率的影响程度可以从图5中进行分析，进一步得出最佳的因素水平范围。由图5(a)可以看出，超声预处理功率(X1)与柠檬酸/麦麸液固比(X2)之间的交互作用是不显著的(P>0.05)。由图5(b)可以看出，超声预处理功率(X1)与SWE温度(X3)之间交互作用对SDF得率的影响具有显著性(P<0.05)，且随着超声预处理功率与SWE温度的增大，SDF的得率呈现先增大后减小的趋势，当超声预处理功率195.2 W，SWE温度178.7 ℃时，SDF有最大的得率。由图5(c)可以看出，柠檬酸/麦麸液固比(X2)与SWE温度(X3)之间的交互作用是不显著的(P>0.05)。这与方差分析的结果一致。

2.2.3 预测模型的验证及最优条件的确定 通过方差分析表(表3)和响应面图(图5)分析表明，超声预处理-柠檬酸辅助亚临界水提取SDF的最优条件为：超声预处理功率195.2 W，柠檬酸/麦麸液固比为39∶1 mL/g，SWE温度为178.7 ℃。在此条件下，所建立模型预测的SDF得率的最大值为40.94%。为了检验试验结果的可靠性，根据以上试验结果进行验证试验，考虑到实际生产中的可操作性，将最佳工艺条件调整为超声预处理功率195 W，柠檬酸/麦麸液固比39∶1 mL/g ，SWE温度179 ℃，来验证在改进的最优条件下的实际得率，对响应面模型进行了三次重复验证试验。得到实际SDF的得率为41.00%±0.29%(n=3)，与预测值40.94%无显著性差异(P>0.05)。因此，响应面模型是正确且有效的。

图5 两因素交互作用对SDF得率影响的响应面和等高线图Fig.5 Response surface and contour diagram of the interaction between two factors on the yield of SDF

3 结论

采用超声预处理-柠檬酸辅助亚临界水提法从麦麸中提取水溶性膳食纤维，根据单因素和响应面优化法得到的最佳提取工艺条件为：超声预处理功率195 W，柠檬酸/麦麸液固比39∶1 mL/g，SWE温度和时间分别为179 ℃和30 min。在此最佳工艺条件下，麦麸SDF的得率为41.00%±0.29%。