超微粉碎-微波辅助提取洋蓟可溶性膳食纤维工艺优化

张林威，贺便，黄亮，朱仁威，王雅怡

（特医食品加工湖南省重点实验室，稻谷及副产物深加工国家工程研究中心，中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

洋蓟是菜蓟属多年生菊科植物，别名菜蓟、球蓟、朝鲜蓟等，始于地中海，经欧洲引入我国，主要种植于上海、浙江、云南等地，种植时间已有100 多年[1-2]。国内外研究表明，洋蓟营养成分丰富，是保健功能极强的药食同源植物，有“蔬菜之皇”的美誉[3]。据调查，我国洋蓟罐头加工工厂仅利用合格鲜果的1/3，将其外面绿苞片和两头切下的鲜果部分丢掉，综合利用率仅10%左右，而丢掉部分及其本身含有丰富的膳食纤维[4]，又因膳食纤维能够调节饮食平衡，且对人体有预防多种疾病的功能[5]，因此对洋蓟废弃物的再利用研究有重大意义。

膳食纤维（dietary fiber，DF）因在水中的溶解性不同，可分为可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）[6]。膳食纤维具有降低血糖[7]、改善肠道菌群[8]、改善心血管疾病[9]、预防肥胖症[10]和保护肝脏[11]等生理功效，而SDF含量对评价膳食纤维生理功能至关重要，但是天然来源的SDF 含量较低，无法满足人体需要的膳食平衡[12]，因此将IDF 改性为SDF 有一定的必要性。目前常用改性方法有物理改性[13]（超微粉碎法、蒸汽爆破法等）、化学改性[14]（酸碱试剂）、生物改性[15]（酶法、发酵法等），它们之间各有利弊，化学改性对试验设备要求较高且会破坏膳食纤维的持水力和膨胀力等特性[16]，生物改性成本较高且工艺不稳定[17]，然而物理改性可以大大提高SDF 的得率且起到保护环境的作用[18]。

单一的改性方法虽然可以提高SDF 的得率，但十分有限。目前，常采用一些辅助方法（如微波、蒸汽爆破、超声等[19]），将其中两种或多种方法结合，设计得率较高的复合改性方式。研究发现，Xi 等[20]采用蒸汽爆破辅助超声波提取青稞麸皮膳食纤维，与未处理（水溶液）提取相比，其青稞麸皮SDF 得率由3.54%提升到7.92%，提高近124%。巫永华等[21]采用超声-微波复合改性黑豆皮SDF 的提取，得率可达19.12%，比超微粉碎单一改性的得率提高约59.20%。徐田辉等[10]运用低温冷冻-超微粉碎复合改性的方法完成了对洋蓟膳食纤维的提取和功能性探究，而采用超微粉碎-微波辅助提取洋蓟SDF 的研究鲜见报道。

本研究利用超微粉碎-微波辅助提取洋蓟SDF，以洋蓟加工副产物为原料，SDF 得率为指标，通过单因素和响应面法优化提取工艺，旨在为提高洋蓟副产物的高效利用和新产品开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

洋蓟花苞：汇美农业科技有限公司；碱性蛋白酶（200U/mg）、α-淀粉酶（40000U/g）、糖化酶（100000U/g）：上海源叶生物科技有限公司；乙醇：国药集团化学试剂有限公司；柠檬酸、乙酸溶液、盐酸溶液：天津市恒兴化学试剂制造有限公司；氢氧化钠：西陇科学股份有限公司；三羟甲基氨基甲烷缓冲液：南京建成生物工程研究所。以上试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FW-400A 万能粉碎机：北京中兴伟业仪器有限公司；CJM-SY-B 高能纳米冲击磨：秦皇岛市太极环纳米制品有限公司；FA1104 分析天平：上海舜宇恒平科学仪器有限公司；DHG-92425A 鼓风干燥箱：上海灯晟仪器有限公司；A-1000S 真空抽滤机：上海古北仪表厂；RE-2000A 旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂；FEG-250 扫描电子显微镜：美国FEI 公司；WZD2S 微波炉：南京三乐微波技术发展有限公司。

1.3 方法

1.3.1 洋蓟两种处理方式下可溶性膳食纤维的提取工艺

1）取洋蓟花苞叶片若干，于105 ℃恒温干燥箱干燥12 h，冷却至室温后用万能粉碎机粉碎，柠檬酸提取，抽滤，保留滤液，乙醇沉淀，柠檬酸二次提取，合并两次滤液，真空旋蒸，浓缩，乙醇沉淀，60 ℃烘干，得到洋蓟SDF。

2）取洋蓟花苞叶片若干，于105 ℃恒温干燥箱干燥12 h，冷却至室温，置于高能纳米冲击磨中粉碎，加入柠檬酸溶液，微波辅助提取，抽滤，保留滤液，沉淀后以同样的条件进行二次微波提取，合并两次滤液，真空旋蒸，浓缩，乙醇沉淀，60 ℃烘干，得到洋蓟SDF。

1.3.2 普通粉碎处理

将干洋蓟花苞叶片烘干（105 ℃，12 h）后放入万能粉碎机粉碎，过60 目筛得到样品粉末。

1.3.3 超微粉碎-微波复合改性处理

取烘干洋蓟花苞样品放入高能纳米冲击磨中（额定功率4 kW；转速380 r/min；电压220 V），材料质量比（洋蓟∶锆球）=1∶4，粉碎8 h，过300 目筛，微波辅助溶液提取，按1.3.1 提取工艺，得到洋蓟SDF。

1.3.4 洋蓟可溶性膳食纤维得率计算

洋蓟可溶性膳食纤维得率（S，%）计算公式如下。

式中：M1为SDF 干重，g；M0为样品干重，g。

1.3.5 超微粉碎-微波协同改性单因素试验

1.3.5.1 柠檬酸质量分数对洋蓟SDF 得率的影响

设定液料比25∶1（mL/g），微波时间30 s，微波功率500 W，柠檬酸质量分数在0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%条件下，考察不同柠檬酸质量分数对SDF 得率的影响。

1.3.5.2 液料比对洋蓟SDF 得率的影响

设定柠檬酸质量分数为1%，微波时间30 s，微波功率500 W，液料比在10∶1、15∶1、20∶1、25∶1（mL/g）和30∶1（mL/g）条件下，考察不同液料比对SDF 得率的影响。

1.3.5.3 微波时间对洋蓟SDF 得率的影响

设定柠檬酸质量分数为1%，液料比25∶1（mL/g），微波功率500 W，微波时间在15、30、45、60 s 和75 s条件下，考察不同微波时间对SDF 得率的影响。

1.3.5.4 微波功率对洋蓟SDF 得率的影响

设定柠檬酸质量分数为1%，液料比25∶1（mL/g），微波时间30 s，分别在微波功率为200、300、400、500 W和600W 条件下，考察不同微波功率对SDF得率的影响。

1.3.6 响应面法试验设计

在单因素试验基础上，选择柠檬酸质量分数、液料比、微波时间和微波功率为自变量，以洋蓟SDF 得率为响应值，采用Box-Behnken 设计开展四因素三水平试验，由29 个试验点组成完整试验，确定最佳工艺。因素与水平如表1 所示。

表1 响应面试验设计因素与水平Table 1 Design factors and level of response surface test

1.3.7 洋蓟膳食纤维组分分析

对普通粉碎和超微粉碎-微波协同处理后的洋蓟膳食纤维成分进行分析：水分含量参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》进行测定；蛋白质含量测定参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》，通过凯氏定氮仪测定，折算系数6.25；脂肪含量通过脂肪测定仪测定；灰分含量参照GB 5009.4—2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》，采用直接灰化法；SDF、IDF 含量参考GB 5009.88—2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》进行测定。

1.3.8 扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察

使用双面胶带将干燥的纤维样品固定在试样短柱上，并在气流下修剪掉多余的纤维,样品表面沉积铂膜，使用SEM 观察放大倍数为500 和10 000 的显微照片。

1.4 数据处理和分析

所有数据均为3 次平行测定值，作图采用Origin 8.0，数据分析采用SPSS 和Design-Expert 8.0.6 软件，P<0.01 为极显著差异；P<0.05 为显著差异。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 柠檬酸质量分数对洋蓟SDF 得率的影响

柠檬酸质量分数对洋蓟SDF 得率的影响见图1。

图1 柠檬酸质量分数对洋蓟SDF 得率的影响Fig.1 The effect of citric acid mass fraction on the yield of artichoke SDF

由图1 可知，随着柠檬酸质量分数的提高，SDF 得率先增后减。当柠檬酸质量分数为1.0%时，SDF 得率最高，为20.01%，继续增大柠檬酸质量分数，SDF 得率下降。因为一定质量浓度的柠檬酸溶液可加快多糖结构糖苷键的断裂，促进细胞壁中释放SDF，而酸浓度过大，SDF 中部分成分发生降解，阻碍洋蓟可溶性成分的溶解析出，与胡春晓等[22]研究结论一致。故选择柠檬酸质量分数为1.0%进行后续试验。

2.1.2 液料比对洋蓟SDF 得率的影响

液料比对洋蓟SDF 得率的影响见图2。

图2 液料比对洋蓟SDF 得率的影响Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on yield of artichoke SDF

由图2 可知，随着液料比的提高，SDF 得率呈现先增后减的趋势，当液料比为25∶1（mL/g）时，SDF 得率最高，为19.47%。由于液料比影响传质速率，液料比低，溶液黏稠度高，传质阻力大，适当提高液料比，溶液黏稠度降低，传质阻力变小，有利于SDF 的提取[23]。当液料比增加到一定的限度，由于柠檬酸量过大对样品在溶液中有一定的破坏作用，从而降低SDF 得率。此结论与胡莉等[24]提取花生杆SDF 研究结果一致。故选择液料比为25∶1（mL/g）进行后续试验。

2.1.3 微波时间对洋蓟SDF 得率的影响

微波时间对洋蓟SDF 得率的影响见图3。

图3 微波时间对洋蓟SDF 得率的影响Fig.3 The effect of microwave time on the yield of artichoke SDF

由图3 可知，随着微波时间的延长，SDF 得率先增后减，微波时间为30 s 时，SDF 得率最大，为19.74%。因为微波处理时间太短，SDF 不能完全释放出来，析出不充分，而处理时间过长，在高温高压环境下，SDF 分子间化学键断裂，结构会受到破坏，从而使SDF 得率下降，与任鑫等[25]对安梨果渣提取SDF 的分析一致。故选择微波时间为30 s 进行后续试验。

2.1.4 微波功率对洋蓟SDF 得率的影响

微波功率对洋蓟SDF 得率的影响见图4。

图4 微波功率对洋蓟SDF 得率的影响Fig.4 Effect of microwave power on artichoke SDF yield

由图4 可知，随着微波功率的增大，SDF 得率先上升后下降，微波功率为500 W 时，SDF 得率最大，为19.66%。随着微波功率的增加，微波热能会加快细胞的破裂，促进SDF 进入溶剂中，使其一些粗纤维成分被水解为低聚寡糖[26]，导致SDF 得率增大，而微波功率过高时，SDF 结构会受到破坏，发生降解，使SDF 得率下降，与张晓雪等[27]研究分析一致。因此选择微波功率为500 W 进行后续试验。

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面方案设计

依据单因素试验结果，以SDF 得率为响应值（Y），柠檬酸质量分数（A）、液料比（B）、微波时间（C）以及微波功率（D）为因素，按照Box-Behnken 设计响应面试验，试验设计及结果见表2。

表2 响应面设计方案及结果Table 2 Design scheme and results of response surface

2.2.2 响应面回归模型及方差分析

拟合的二次多项式回归方程：Y=19.47+1.07A+0.26B+0.65C-0.56D+0.21AB-0.17AC-0.50AD-0.71BC-0.34BD+0.68CD-1.63A2-1.53B2-0.73C2-1.00D2。方差分析见表3。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

由表3 可知，试验拟合的回归模型P<0.001，模型失拟项P=0.592 1>0.05，不显著，说明建模成功。模型决定系数R2=0.956 5，试验拟合度良好。变异系数CV=2.49%<5%，模型置信度较高，试验设计合理。该模型中因素A、BC 和CD 交互项以及所有因素的二次项对SDF 的得率极显著（P<0.01）；因素C、D 和AD 交互项显著影响（P<0.05）；因素B、AB、AC 和BD 交互项不显著（P>0.05），并从F 值可知各因素对SDF 得率的影响顺序：A>C>D>B。

2.2.3 响应面分析

不同因素交互作用的等高线图和响应面见图5。等高线图形越接近椭圆以及响应曲面坡度越弯曲陡峭，交互作用越显著，否则不显著[28]。

图5 柠檬酸质量分数和液料比交互作用Fig.5 Interaction between citric acid mass fraction and liquidsolid ratio

由图5 可知，柠檬酸质量分数和液料比的等高线近似圆形，响应面曲面较平缓，两者之间交互作用不显著。固定一因素不变，随着A 或B 的增大，SDF 得率都呈先增大后减小趋势，且A 响应曲面的变化比B 陡峭，同时沿着A 因素向峰值方向移动的等高线密度比B 密集，则对SDF 得率的影响：A>B，与表3 对应结果一致。

液料比和微波时间交互作用等高线图和响应面见图6。

图6 液料比和微波时间交互作用Fig.6 Interaction between liquid-solid ratio and microwave time

由图6 可知，液料比和微波时间等高线为椭圆形，3D 曲面较陡，表明两者交互作用极显著。固定一因素不变，随着B 或C 的增大，SDF 得率先增大后减小，且C 的响应曲面较陡峭，同时沿着C 因素向峰值方向移动的等高线密度更密集，则对SDF 得率影响程度：C>B，与表3 对应结果一致。

微波时间和微波功率交互作用等高线图和响应面见图7。

图7 微波时间和微波功率交互作用Fig.7 Interaction between microwave time and microwave power

柠檬酸质量分数和微波时间交互作用等高线图和响应面见图8。

图8 柠檬酸质量分数和微波时间交互作用Fig.8 Interaction between citric acid mass fraction and microwave time

液料比和微波功率交互作用等高线图和响应面见图9。

图9 液料比和微波功率交互作用Fig.9 Interaction between liquid-solid ratio and microwave power

柠檬酸质量分数和微波功率交互作用等高线图和响应面见图10。

图10 柠檬酸质量分数和微波功率交互作用Fig.10 Interaction between citric acid mass fraction and microwave power

由图7、图8、图9 和图10 比较其交互作用对洋蓟SDF 得率的影响：微波时间和微波功率交互作用极显著，其影响程度：C>D；柠檬酸质量分数和微波时间交互作用不显著，其影响程度：A>C；微波功率和液料比交互作用不显著，其影响程度：D>B；柠檬酸质量分数和微波功率交互作用较显著，其影响程度：A>D。综上可知，各因素对SDF 得率的影响顺序：A>C>D>B，均与表3 方差分析对应结果一致。

2.2.4 最佳工艺条件与验证

由拟合模型方程得到最佳条件：柠檬酸质量分数1.19%、液料比25.5∶1（mL/g）、微波时间33.05 s、微波功率467.86 W，该条件下拟合得到SDF 得率预测值19.84%。根据试剂情况实际操作将工艺参数进行调整，得出柠檬酸质量分数1%、液料比25∶1（mL/g）、微波时间30 s、微波功率500 W，进行3 次平行试验，此条件下SDF 得率平均值为19.37%，与模型预测值相对误差仅0.44%<1%，验证该拟合模型可行。

2.3 洋蓟膳食纤维组分分析

洋蓟膳食纤维成分含量见表4。

表4 洋蓟膳食纤维成分含量Table 4 Dietary fiber content of artichoke g/100 g

由表4 可知，普通粉碎和超微粉碎-微波协同改性处理后洋蓟膳食纤维主要成分中，水分含量、蛋白质、粗脂肪以及灰分数值不大，而超微粉碎-微波处理的SDF 含量远高于普通粉碎，IDF 低于普通粉碎。因为在超微粉碎过程中，粉碎的振动频率快，使SDF 分子间化学键断裂，例如氢键，这使SDF 分子之间结构变松散，水溶性增加[29]，再结合微波辅助，加快细胞破裂，促进SDF 分子在溶剂中充分反应，一些粗纤维成分、木质素被水解为低聚寡糖，进而IDF 含量减少，SDF 得率增大。

2.4 扫描电镜显微结构分析

图11 为未处理（普通粉碎）和超微-微波协同改性后洋蓟SDF 放大不同倍数的微观结构。

图11 洋蓟SDF 的微观结构Fig.11 Microstructure of artichoke SDF

由图11 可以看出，在放大500 倍下，普通粉碎得到的洋蓟SDF，内部由较多的纤维连接，各部分成块状，更像一个整体，粉碎得不彻底，而在超微纳米高速机械剪切力的作用下，洋蓟SDF 呈现不规则块状结构，且颗粒尺寸减小，同时受到微波热能的影响，破坏一些细胞结构，表面出现褶皱，凸凹不平的多孔结构。在放大10 000 倍条件下，更明显可看到普通粉碎的颗粒大且不均匀，经超微粉碎-微波改性后，洋蓟SDF 颗粒明显减小,蜂窝状小孔充分暴露，由于改性条件下，一些粗纤维成分和木质素被水解，孔隙率和孔隙增大，比表面积增加，更多的亲水和亲油基团外露[30]，进而影响洋蓟SDF 的理化性质。

3 结论

通过单因素试验和响应面试验优化超微粉碎-微波改性提取洋蓟SDF 的最佳工艺条件为柠檬酸质量分数1%、液料比25∶1（mL/g）、微波时间30 s 和微波功率500 W，此条件下洋蓟SDF 得率为19.37%。各因素对SDF 得率的影响程度：A（柠檬酸质量分数）>C（微波时间）>D（微波功率）>B（液料比）。

与普通粉碎相比，复合改性处理后的水分、蛋白质、粗脂肪和灰分无明显变化，IDF 含量减少，而SDF含量增加约199%，部分IDF 改性为SDF。通过扫描电镜分析，复合改性处理后表面形貌发生明显变化，颗粒尺寸减小、疏松多孔、比表面积增加，为后续探究洋蓟SDF 的理化性质奠定基础，也为洋蓟副产物的高效利用和新产品开发提供了依据。