枸杞酒糟可溶性膳食纤维提取及其理化性质研究

刘 军，颉向红，徐 昊，张喜康，马浩然，孔维洲，刘敦华

(宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021)

枸杞为茄科植物[1]，果实含有丰富的活性成分，如多糖、黄酮、甜菜碱、类胡萝卜素等[2]，具有增强机体免疫力、降血糖、降血脂和预防心脑血管疾病等作用[3]。宁夏地区是我国乃至世界枸杞的核心产区，宁夏枸杞“甘美异于他乡”，是宁夏地区的“红色名片”和地域符号[4]。宁夏回族自治区党委、政府高度重视枸杞产业发展，其已成为具地方特色的战略性主导重点产业[5]。枸杞酿酒过程中经物理榨汁后的废弃物，以及全枸杞发酵后的酒糟通常被当作肥料或者垃圾处理，不仅浪费资源，而且污染环境。合理利用工艺开发枸杞酒糟，符合绿色发展理念，不仅可以提高枸杞产业的附加值，还能促进枸杞产业可持续发展。

可溶性膳食纤维(Soluble dietary fiber，SDF)有助于抑制血液中胆固醇含量，还能抑制消化道对脂质的吸收[6]。另外，SDF在结肠中发酵产生短链脂肪酸，可以抑制胆固醇合成[7]。目前，提取膳食纤维的方法主要有化学提取法、发酵法、化学试剂酶结合分离法和膜分离法。CHEN等[8]采用超声波辅助酶法从豆荚中提取膳食纤维，验证了超声波对提取SDF的辅助作用；ZHANG等[9]对粮食种子中酚类物质和膳食纤维进行提取发现，溶剂比例对提取工艺有重要影响；李西腾等[10]对碱法提取榆黄蘑SDF的研究验证了碱法提取SDF的可行性。

1 材料和方法

1.1 原料和试剂

枸杞酒糟由宁夏大学农学院提供。

氢氧化钠、硫酸亚铁购自烟台双双化工有限公司；二丁基羟基甲苯、邻苯三酚、95%乙醇购自天津光复科技发展有限公司；H2O2、水杨酸、盐酸、石油醚、Tris-HCl缓冲液均为分析纯，购自天津大茂化工有限公司。

1.2 仪器和设备

试验所用仪器和设备包括KQ-500 DE型数控超声波清洗器(昆山超声仪器有限公司)、XL-30C型超微粉碎机(广州旭朗机械设备有限公司)、GZX-907 MBE型电热恒温烘箱(上海博讯实业有限公司)、RE-52AA型旋转蒸发器(上海亚荣生化仪器厂)、AL 204型电子天平[梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)]、T6新世纪型紫外可见光分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)、PHB-4型pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司)、SHZ-D(Ⅲ)型循环水真空泵(郑州长城科贸有限公司)、TGL-16 C台式离心机(上海安亭科学仪器厂)、KDM型索氏提取器(山东鄄城电热仪器有限公司)、Mastersizer-2000 E激光粒度分析仪[马尔文仪器(英国)有限公司]、ASAP-2020型全自动比表面积和孔结构分析仪(美国麦克仪器公司)。

1.3 SDF提取方法

称取一定量的枸杞酒糟，在60 ℃的干燥箱内干燥12 h后称质量，直至2次误差不超过0.01 g。干燥后，用超微粉碎机粉碎，所得粉末即为试验用枸杞酒糟，密封于塑料袋中备用。将上述枸杞酒糟粉末置于索氏提取器中，加入石油醚，蒸馏回流5 h，得到脱脂枸杞酒糟。称取5.00 g脱脂枸杞酒糟，置于烧杯中，用超声波辅助碱液(碱液可促进脂肪皂化与蛋白质水解)法提取60 min。将得到的液体4 000 r/min离心20 min，得到上清液和滤渣。上清液经过旋转蒸发器减压浓缩后，加入4倍体积95%乙醇静置12 h，以离心机分离，得到的固体即为SDF，称其质量。将SDF置于60 ℃烘箱中干燥48 h，超微粉碎机粉碎3 min，得到SDF粉粒(含水量低于6%)。按式(1)计算SDF提取率：

X=m/5×100%

(1)

式中，X为SDF提取率(%)，m为离心机分离后得到的固体质量(g)。

1.4 单因素试验设计

为探究料液比、超声波时间、氢氧化钠质量分数、超声波功率4个因素对SDF提取率的影响，设置了四因素六水平试验。设定超声波时间为40 min、氢氧化钠质量分数为8%、超声波功率为200 W，考察料液比分别为1∶3、1∶6、1∶9、1∶12、1∶15、1∶18[11]对枸杞酒糟SDF提取率的影响；设定料液比为1∶9、氢氧化钠质量分数为8%、超声波功率为200 W，考察超声波时间分别为10、20、40、60、80、100 min对枸杞酒糟SDF提取率的影响；设定料液比为1∶9、超声波时间为40 min、超声波功率为200 W，考察氢氧化钠质量分数分别为2%、4%、6%、8%、10%、12%对枸杞酒糟SDF提取率的影响；设定料液比为1∶9、超声波时间为40 min、氢氧化钠质量分数为8%，考察超声波功率分别为150、200、250、300、350、400 W[12]对枸杞酒糟SDF提取率的影响。

1.5 响应面优化设计

选取单因素较优结果所对应的取值范围，运用响应面进行优化分析[13]，建立以料液比(A)、超声波时间(B)、氢氧化钠质量分数(C)、超声波功率(D)为自变量，以SDF提取率为响应值的响应面试验因素与水平设计，具体见表1。

表1 枸杞酒糟SDF提取响应面试验因素与水平Tab.1 Experimental factors and levels design of response surface method of SDF extraction from Chinese wolfberry distiller’s grains

1.6 SDF理化性质分析

1.6.1 SDF粉粒结构表征 在5 mm/s Hg的抽气速率下50 ℃脱气12 h。取一定量的SDF粉粒，通过自动进样得到N2吸附脱附等温线曲线和孔径分布图，采用BET方程得到比表面积，通过T-plot方法测定孔体积。

利用激光粒度仪获取SDF粉粒的粒径分布图，通过软件分析得到其D10、D50、D90(D10、D50、D90指累计粒度分布百分数分别达到10%、50%、90%时所对应的粒径)，按式(2)计算粉粒径距：

R=(D90-D10)/D50

(2)

式中，R为粉粒径距(μm)，D90为粉粒粗端粒度指标(μm)，D10为粉粒细端粒度指标(μm)，D50为粉粒的平均粒径(μm)。

1.6.2 SDF持水力测定 称取1.00 g SDF加入25 mL蒸馏水，置于50 mL离心管中，超声波辅助溶解1 h,4 000 r/min离心10 min，去除上层清液，吸干离心管底部水分，称取复水后膳食纤维质量[14]，按式(3)计算持水力：

w=m-1

(3)

式中，m为复水后膳食纤维质量(g)，w为持水力(g/g)。

1.6.3 SDF膨胀力测定 称取1.00 g SDF置于10 mL量筒中，读取此时干品体积。向量筒中加入8 mL蒸馏水，超声波振荡30 min，静置24 h，记录其膨胀后的体积[15]，按式(4)计算膨胀力：

V=v2-v1

(4)

式中，V为膨胀力(mL/g)，v1为干品体积(mL)，v2为膨胀后的体积(mL)。

1.6.4 SDF持油力测定 称取1.00 g SDF置于50 mL离心管中。加入20.00 g植物油，室温下静置1 h，4 000 r/min离心10 min。去除上清液，称取剩余沉淀质量[16]，按式(5)计算持油力：

L=m1-1

(5)

式中，L为持油力(g/g)，m1为剩余沉淀质量 (g)。

1.6.5 SDF对·OH清除率的测定 分别取1.00 mL 1.00、2.00、3.00、4.00、5.00、6.00、7.00、8.00、9.00、10.00 mg/mL SDF溶液，加入9.00 mmol/L水杨酸-乙醇溶液、9.00 mmol/L FeSO4、8.80 mmol/L H2O2(蒸馏水作空白对照)，510 nm波长处测量不同浓度SDF溶液吸光值[17]。按式(6)计算·OH 清除率：

Y1=[1-(A1-A2)/A3]×100%

(6)

式中，Y1为·OH 清除率(%)，A1为上述浓度1.00 mL SDF、0.50 mL水杨酸-乙醇、0.50 mL FeSO4、5.00 mL H2O2混合溶液吸光值，A2为上述浓度1.00 mL SDF、0.50 mL 水杨酸-乙醇、0.50 mL蒸馏水、5.00 mL H2O2混合溶液吸光值，A3为上述浓度0.50 mL水杨酸-乙醇、0.50 mL FeSO4、5.00 mL H2O2、1.00 mL蒸馏水混合溶液吸光值。

Vc对·OH清除率的测定方法同SDF。

Y2=[1-(A1-A2)/A3]×100%

(7)

1.7 数据分析

利用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 17.0对数据进行统计分析和作图，采用响应面Design-Expert 8.0.6软件对提取工艺进行分析、优化和作图。

2 结果与分析

2.1 枸杞酒糟SDF提取单因素试验结果分析

2.1.1 料液比对SDF提取率的影响 由图1可知，随着料液比减小，枸杞酒糟在溶液中分散程度增加，接触面积相应减小，提取液中SDF浓度与枸杞酒糟边界层的浓度差增加，SDF由枸杞酒糟向溶剂扩散的速率加快。料液比为1∶12时SDF提取率最大，为15.70%。料液比继续减小会稀释溶液，枸杞酒糟SDF提取率反而降低。

图1 料液比对SDF提取率的影响Fig.1 The effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of SDF

2.1.2 超声波时间对SDF提取率的影响 由图2可知，超声波时间为10～100 min时，SDF提取率随超声波时间延长而增加，60 min后SDF提取率增加不明显。超声波时间为60 min时提取率最大，为16.00%，这可能是初始阶段超声波对细胞膜破碎作用较大，溶出物增多所致。60 min后，随超声波时间延长，SDF提取率增加不明显，可能是较长时间超声波条件下，强烈的水分子撞击及其自身的剧烈振动使能量损耗严重所致。

图2 超声波时间对SDF提取率的影响

2.1.3 氢氧化钠质量分数对SDF提取率的影响 由图3可知，氢氧化钠质量分数为2%～8%时，SDF提取率随氢氧化钠质量分数增加呈上升趋势。氢氧化钠质量分数达到8%时提取率最大，为16.30%。氢氧化钠质量分数继续增加时SDF提取率反而降低，这是由于碱皂化原料中脂肪、杂质不断减少所致。氢氧化钠质量分数由8%继续上升后，氢氧化钠质量分数过大，果胶脱去甲基溶解，致使SDF提取率反而降低。氢氧化钠质量分数越高，产品颜色越深，氢氧化钠质量分数以8%为宜。

图3 氢氧化钠质量分数对SDF提取率的影响

2.1.4 超声波功率对SDF提取率的影响 由图4可知，超声波功率为150～300 W时，SDF提取率随超声波功率增大而增加，在超声波功率为300 W时达到最大，为15.20%，这主要是因为超声波功率增大后强化了溶解振荡效应，提高了SDF提取率。超声波辅助可促使细胞破壁或变形，产生增溶作用，利于提高SDF提取率。当超声波功率继续增大，SDF与碱液长时间接触，造成SDF中一些果胶类物质溶解。另外，超声波的机械剪切作用导致提取液与溶出物摩擦，打断了SDF的链结构，导致其提取率增加不明显。

图4 超声波功率对SDF提取率的影响

2.2 枸杞酒糟SDF提取响应面优化试验结果分析

2.2.1 SDF提取数学模型建立与检验 SDF提取响应面试验设计及结果见表2，回归模型方差分析及显著性检验结果见表3，拟合所得多元二次回归方程如下：SDF提取率Y=24.25+0.014×A+0.27×B-0.25×C+0.59×D-0.25×AC-0.46×BC-3.21×A2-2.88×B2-2.76×C2-3.28×D2。

由表2可知，响应面试验设计的29组结果表明，当料液比为1∶12、超声波时间为40 min、氢氧化钠质量分数为8%、超声波功率为250 W时，SDF的提取率最高，达24.55%，优于其他组。

由表3可知，失拟项不显著(P=0.809 7>0.05)，而回归模型极显著(P<0.000 1)，模型的决定系数(R2)为0.995 6，表明模型拟合度较好，该回归方程模型可较好地描述各因素与响应值之间的关系，能够优化提取工艺。各因素中一次项B、C、D及二次项A2、B2、C2、D2对SDF提取率的影响均达到显著水平，AC、BC交互作用影响显著。由F值可知，各因素对SDF提取率影响的大小顺序为超声波功率>超声波时间>氢氧化钠质量分数>料液比。

2.2.2 SDF提取响应面优化试验各因素交互作用对SDF提取率的影响 料液比、超声波时间、氢氧化钠质量分数、超声波功率交互作用的响应面图，直观地反映了各因素交互作用对响应值的影响(图5)。响应面的陡峭程度可以反映该因素对响应值影响的大小，响应面越陡，影响越大，响应面越缓，影响越小。随各因素值的增大，响应值呈先增大后减小趋势。各因素间的交互作用呈现椭球形，说明交互作用明显。其中，BC的响应面曲线陡峭，AC次之，对SDF提取率影响显著；AB、AD、BD、CD响应面曲线较为平缓，对SDF提取率影响不显著，这与方差分析结果一致。

表2 枸杞酒糟SDF提取响应面试验设计及结果Tab.2 Experimental design and result of response surface test of SDF extraction from Chinese wolfberry distiller’s grains

表3 枸杞酒糟SDF提取回归模型方差分析及显著性检验Tab.3 Analysis of variance and significance test of regression model of SDF extraction from Chinese wolfberry distiller’s grains

续表3 枸杞酒糟SDF提取回归模型方差分析及显著性检验Tab.3(Continued) Analysis of variance and significance test of regression model of SDF extraction from Chinese wolfberry distiller’s grains

注：*表示对结果影响显著(P<0.05)，**表示对结果影响极显著(P<0.01)。

Note:*indicates significant effects on the results (P<0.05),and **indicates very significant effects on the results (P<0.01)．

图5 各因素交互作用对SDF提取率的影响

2.3 枸杞酒糟SDF理化性质分析

2.3.1 SDF粉粒结构及理化性质 径距表示粉粒大小宽窄分布情况，数值越大则粒度分布越宽，反之粒度分布越窄。由表4可知，提取的SDF粉粒径距为(2.1±0.001)μm，径距>1.000 μm，表明提取的SDF粉粒为非对称分布，较大粉粒的数量大于小粉粒的数量。

表4 枸杞酒糟SDF粉粒参数分布Tab.4 Particle parameter distributions of SDF of Chinese wolfberry distiller’s grains

采用超微粉碎结合超声波辅助碱法提取SDF前，先去除枸杞酒糟中的非膳食纤维成分，使SDF充分暴露出来。由表5可知，SDF持水力为(4.35±0.07)g/g、膨胀力为(4.67±0.13)mL/g、持油力为(5.02±0.07)g/g。

表5 枸杞酒糟SDF理化特性Tab.5 Physicochemical properties of SDF of Chinese wolfberry distiller’s grains

2.3.2 SDF和Vc对·OH 的清除作用 反应体系产生氧化剂·OH途径：H2O2+Fe2+=·OH+H2O+Fe3+。水杨酸能够和·OH反应，向反应体系中加入SDF和Vc,SDF和Vc与水杨酸竞争·OH，降低有色物质生成，使其含量降低，吸光值下降。如图6所示，SDF质量浓度为10 mg/mL时对·OH清除率最高，达75.00%。

图6 枸杞酒糟SDF和Vc对·OH的清除率

图7 枸杞酒糟SDF和Vc对的清除率Fig.7 Clearance rate of Chinese wolfberry distiller’s grains SDF and Vc on

3 结论与讨论

以超声波-碱法提取枸杞酒糟SDF，当料液比与氢氧化钠质量分数处于低水平且由低升高时，SDF提取率增加。料液比与氢氧化钠质量分数增加到一定值后，再继续增加，SDF提取率反而下降，这是因为高料液比和氢氧化钠质量分数可能导致稀释效应和强碱的水解效应，抑制了SDF溶出，这与陈琼玲[19]和徐洪宇等[20]的研究结果一致。超声波功率和超声波时间处于低水平且由低升高时，SDF提取率增加明显。超声波功率和超声波时间升高到一定值后，SDF提取率增加缓慢，这可能是较大功率和较长时间的超声波引起强烈的水分子撞击，且SDF与碱液长时间接触，造成SDF中一些果胶类物质溶解所致，这与高佳琦等[21]和曹晟等[22]的研究结果一致。在单因素试验的基础上，应用响应面法对提取工艺进行优化，得到最佳料液比为1∶12 g/mL、超声波时间为40 min、氢氧化钠质量分数为8%、超声波功率为250 W时SDF提取率最高，达到24.55%。

综上说明，利用超声波-碱法提取枸杞酒糟SDF，提取工艺简单有效，具有较高的可行性，且提取的SDF理化性质较好，表明利用枸杞酒糟提取植物性SDF具有巨大潜力，在宁夏枸杞资源再利用以及产品深加工、减少环境污染等方面具有重要意义。