白菜渣可溶性膳食纤维酸法提取工艺优化及理化性质测定

任 庆,孙 波 *,于敬鑫,孙 盛,孔庆敏

(东北农业大学食品学院,黑龙江 哈尔滨 150030)

摘 要:以大白菜外叶为原料,采用酸法制备白菜渣可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)。以白菜渣SDF提取率为指标,在单因素试验的基础上,利用Box-Behnken试验设计结合响应面分析对提取工艺进行优化,得到的最优提取工艺参数为:盐酸浓度0.06 mol/L、料液比1∶25(g/mL)、提取温度90 ℃、提取时间90 min。在此工艺条件下,白菜渣SDF提取率达到了13.65%;化学组成分析结果表明,试样SDF含量为86.21%,含有部分蛋白质和灰分等杂质;白菜渣SDF外观呈淡米黄色粉末,扫描电镜观察到白菜渣SDF粉粒表面粗糙,进一步放大倍数后发现粗糙表面结构呈褶皱状,含有较多孔洞和孔隙;白菜渣SDF持水力和膨胀力分别为14.63 g/g和22.17 mL/g;乳化能力和乳化稳定性分别为48.78%、71.34%;吸附饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸能力分别为2.23、1.94 g/g。以上功能性质测定结果表明,白菜渣SDF具有作为乳化剂和保健食品原料的潜力。

关键词:大白菜;挤压处理;可溶性膳食纤维;化学法;理化性质

膳食纤维(dietary fiber,DF),按照在水中的溶解性可以分为可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)和不可溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF) [1]。SDF相对于IDF更为突出的生理功效是降低血清胆固醇含量和餐后血糖含量 [2],能够用于预防和辅助治疗心血管疾病和糖尿病。此外,SDF还可以被肠道内有益微生物发酵,产生短链脂肪酸,发挥生理调节功能 [3]

SDF的提取方法主要包括化学法、酶法和发酵法 [4]。化学法是研究和应用较早的SDF提取方法,其主要原理是利用水、酸和碱等提取剂将原料中的SDF浸提到液相,固液分离后,再利用乙醇溶液沉淀或膜分离的方法对SDF进行回收。从工业应用的角度来说,化学法因其工艺简便、易于控制、产品得率高等特点而被广泛应用 [5],例如果胶的“酸法”工艺、卡拉胶的“碱法”工艺等 [6-7]

大白菜是最常见的叶类蔬菜之一,在其腌渍加工业有大量的外叶丢弃,目前没有得到有效的利用,直接掩埋或仅作为附加值较低的饲料,这不利于相关企业的长期发展和资源的回收利用。然而这些外叶是膳食纤维较好的资源,倘若能将其有效利用,开发成相关产品,不但能避免直接丢弃产生的环境污染问题,还能产生附加值,增加经济效益。近年来,国内外大量学者利用化学法对不同原料的SDF进行了提取 [8-11],但未见对白菜渣SDF提取研究的相关报道。本工作基于以上背景,以大白菜外叶为原料,采用挤压处理结合酸法制备白菜渣SDF,对酸法提取工艺条件进行优化,并对所提取白菜渣SDF的部分理化特性进行测定,以期为白菜渣SDF产品的研发提供有价值的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大白菜 当地农贸市场;耐热α-淀粉酶(20 000 U/g)江苏锐阳生物科技有限公司;淀粉葡萄糖苷酶(100 000 U/g) 上海惠诚生物科技有限公司;中性蛋白酶(10 000 U/g) 诺维信(中国)生物技术有限公司;其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

DS56-Ⅲ型挤压膨化机 济南赛信机械有限公司;THZ-82A型水浴恒温振荡器 常州菲普实验仪器厂;SH2-D(Ⅲ)型循环水真空泵 巩义市子华仪器有限责任公司;SX2-2.5-10型箱式电阻炉(配有KSW-5-12型电驴温度控制器) 天津市中环实验电炉有限公司;S-4800扫描电子显微镜 日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 白菜渣SDF制备工艺流程

大白菜外叶中的蛋白质、灰分、碳水化合物含量较高,直接用于浸提,SDF得率较低,并且杂质含量较高,因此需要对外叶进行榨汁处理,脱去含有大量可溶性杂质的汁浆,提高SDF含量,再将物料制成干粉作为后续挤压处理实验的原料。SDF制备工艺流程如下:

1.3.2 操作要点

大白菜外叶经脱汁等步骤制成白菜渣粉后,调整原白菜渣粉物料含水量为30%(包含干渣本身水分),设置挤压机机筒温度(Ⅲ区)122 ℃、螺杆转速150 r/min,按此工艺条件(经本实验室优化)进行挤压处理得到挤压白菜渣粉。取挤压白菜渣粉(60~80目)10 g,按照实验设定的参数浸提SDF,然后在3 000 r/min条件下离心20 min,残渣用蒸馏水洗涤后将洗涤液与上清液合并,即为提取液。将提取液与4 倍体积95%乙醇溶液混合,室温条件下静置1 h后在5 000 r/min条件下离心20 min,将离心得到的沉淀物烘干、粉碎后即为白菜渣SDF制品。

1.3.3 分析方法

1.3.3.1 成分组成分析

蛋白质、脂肪、水分、灰分、可溶性膳食纤维含量测定分别采用方法为GB 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》、GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的测定》、GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》、GB 5009.4—2010《食品中灰分的测定》、GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纤维的测定》。

1.3.3.2 SDF提取率计算

1.3.3.3 微观结构观察

试样干燥至质量恒定,用双面炭胶带粘贴在样品台上,利用离子溅射法对样品进行镀膜,然后置于扫描电子显微镜下观察。

1.3.3.4 持水力、膨胀力测定

取一定质量试样加入到50 mL离心管中,加入蒸馏水后混合均匀,静置10 min,离心弃掉上清液后进行称量 [12]。持水力计算如式(2)所示:

精确称取一定质量的试样放入到带刻度试管中,加入蒸馏水,混合均匀后,室温条件下放置18 h,记录试样吸水膨胀后在刻度试管内的读数 [13]。膨胀力计算如式(3)所示:

1.3.3.5 乳化能力和乳化稳定性测定

配制一定质量浓度的待测试样溶液,取5 mL加入到离心管中,再向离心管中加入5 mL大豆油,均质成乳化液,离心后记录离心管中乳化层的高度;将离心管置于85 ℃水浴锅内保持30 min,离心后再次记录离心管中的乳化层高度 [14]。乳化能力和乳化稳定性计算如式(4)、(5)所示:

1.3.3.6 吸附脂肪酸能力测定

称取一定质量的待测试样,加入到离心管中,再向离心管加入大豆油/猪油,混匀后,放置摇床37 ℃振荡1 h,然后离心弃掉上层油脂,用滤纸吸干残留在管壁的油脂后再进行称质量 [15]。吸附脂肪酸能力如式(6)所示:

1.3.4 单因素试验

1.3.4.1 盐酸浓度对白菜渣SDF提取率的影响

选择盐酸浓度分别为0.02、0.06、0.10、0.14、0.18 mol/L,其他条件为料液比1∶30(g/mL)、提取温度90 ℃、提取时间1 h,研究盐酸浓度对白菜渣SDF提取率的影响。

1.3.4.2 料液比对白菜渣SDF提取率的影响

选择料液比分别为1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60(g/mL),其他条件为盐酸浓度0.06 mol/L、提取温度90 ℃、提取时间1 h,研究料液比对白菜渣SDF提取率的影响。

1.3.4.3 提取温度对白菜渣SDF提取率的影响

选择提取温度分别为60、70、80、90、100 ℃,其他条件为盐酸浓度0.06 mol/L、料液比1∶30(g/mL)、提取时间1 h,研究提取温度对白菜渣SDF提取率的影响。

1.3.4.4 提取时间对白菜渣SDF提取率的影响

选择提取时间分别为40、60、80、100、120 min,其他条件为盐酸浓度0.06 mol/L、料液比1∶30(g/mL)、提取温度90 ℃,研究提取时间对白菜渣SDF提取率的影响。

1.3.5 Box-Behnken试验设计

以SDF提取率为指标,利用Design-Expert 8.0中的Box-Behnken程序安排试验,各因素水平选取见表1。

表1 Box-Behnken试验因素水平及编码
Table1 Factors and their coded levels used in Box-Behnken design

因素水平-101 X 1盐酸浓度/(mol/L)0.050.060.07 X 2料液比(g/mL)253035 X 3提取温度/℃859095 X 4提取时间/min758085

1.4 数据处理

各实验重复进行3 次,实验结果以 ±s的形式呈现,采用SPSS Statistics 20软件对数据进行相关统计学处理。

2 结果与分析

2.1 挤压膨化处理后白菜渣SDF含量变化

白菜渣经过挤压膨化处理后SDF的含量显著提高,由4.12%增加到11.06%,这说明挤压处理能够显著的提高白菜渣中的SDF含量 [16-17],这可能是白菜渣中的不溶性半纤维素以及原果胶等物质在挤压机机筒内经受高温、高压、高剪切力的作用裂解成小分子SDF和可溶性果胶的原因 [18-19]

2.2 单因素试验结果

2.2.1 盐酸浓度对白菜渣SDF提取率的影响

图1 盐酸浓度对SDF提取率的影响
Fig.1 Effect of hydrochloric acid concentration on SDF yield

由图1可知,盐酸浓度对SDF提取率的影响较为显著。随着盐酸浓度增加到0.06 mol/L,SDF提取率达到最高,这说明在一定浓度范围内增加盐酸浓度促进了SDF从原料中的浸出,也使得半纤维素类成分更易与木质素分离或者适度被水解生成小分子可溶性SDF,原果胶水解生成可溶性果胶,增加SDF提取率。随着盐酸浓度继续增加,SDF提取率开始呈下降趋势,这可能是因为过高的盐酸浓度导致SDF在提取过程中水解成分子质量较低的寡聚糖和单糖,这些成分在醇沉步骤时无法被乙醇沉淀回收 [20],因此导致SDF提取率下降。综上所述,选取盐酸浓度为0.06 mol/L较为合适。

2.2.2 料液比对白菜渣SDF提取率的影响

图2 料液比对SDF提取率的影响
Fig.2 Effect of ratio of material to liquid on SDF yield

由图2可知,随着溶剂用量的增加SDF提取率呈增加趋势,在达到1∶30(g/mL)后SDF提取率增加不大,这说明在1 h的浸提时间内,料液比1∶30(g/mL)已经足够用于SDF的浸提。另外,过高的溶剂用量也使得提取液的体积过大,导致消化较多的乙醇溶液,提高生产成本 [21],因此出于这两方面的考虑,选取料液比1∶30(g/mL)较为合适。

2.2.3 提取温度对白菜渣SDF提取率的影响

图3 提取温度对SDF提取率的影响
Fig.3 Effect of extraction temperature on SDF yield

由图3可知,提取温度对SDF提取率的影响较大,在50~90 ℃范围内,SDF提取率显著提高,这说明随着温度的提高,水分子热运动的加快,有利于SDF的浸提,增加提取率 [22]。当温度超过90 ℃达到100 ℃时,SDF提取率下降,这可能是因为过高的浸提温度导致SDF发生了降解 [23],生成了无法被乙醇溶液沉淀的小分子寡聚糖和单糖的原因,导致提取率下降。因此,选取提取温度为90 ℃较为合适。

2.2.4 提取时间对白菜渣SDF提取率的影响

图4 提取时间对SDF提取率的影响
Fig.4 Effect of extraction time on SDF yield

由图4可知,随着提取时间的延长,SDF提取率呈逐渐上升趋势,在80 min后增加缓慢且差异性不显著,这说明提取80 min时SDF已充分浸出,达到了比较好的提取效果,再延长提取时间会增加生产成本,因此提取时间选取80 min较为合适。

2.3 Box-Behnken试验设计及响应面分析结果

Box-Behnken试验设计及结果见表2。通过Design-Expert 8.0软件对试验数据进行多元二次多项式回归拟合,得到的四元二次回归方程为:

式中:Y为SDF提取率/%;X 1、X 2、X 3、X 4分别为盐酸浓度、料液比、提取温度和提取时间4 个变量的编码值。对二次回归方程进行方差分析结果见表3。

表2 Box-Behnken试验设计及结果
Table2 Box-Behnken experimental design and results

试验号X 1盐酸浓度X 2料液比X 3提取温度X 4提取时间SDF提取率/% 1 0 0 0 012.96 2 -1-10011.17 3 0-10110.84 4 -100111.94 5 -110010.10 6 0 0-1111.69 7 112.38 8 0 1-1012.14 0 0 1 -101011.26 10011012.27 11110011.86 1200-1-111.36 13101011.84 140-10-110.82 1510-1011.73 16100-111.85 17000012.53 18000013.31 190-11010.78 20010112.27 21000013.27 220-1-108.46 23-100-111.52 24001-112.14 25100112.57 26-10-108.36 27010-112.31 28000012.65 291-10010.08 9

表3 模型回归方程方差分析
Table3 Analysis of variance of regression equation

注:*. P<0.05,差异显著;**. P<0.01,差异极显著。

方差来源平方和自由度均方F值P值显著性模型36.44142.607.020.000 4** X 1盐酸浓度2.5912.597.000.0192* X 2料液比0.6417.3319.780.000 6** X 3提取温度4.0014.0010.800.005 4* X 4提取时间0.4310.431.160.300 0 X 1X 22.0312.035.480.034 6* X 1X 31.9511.955.250.038 0* X 1X 40.02310.02300.0610.809 0 X 2X 31.2011.203.240.093 7 X 2X 40.06810.0680.180.675 8 X 3X 42.025×10 -312.025×10 -35.464×10 -30.942 1 X 16.9316.9318.700.000 7** X2 2 7.9717.9721.510.000 4** X3 2 6.7116.7118.120.000 8** X4 27.908×10 -317.908×10 -30.0210.885 9 2残差5.19140.37失拟4.69100.473.770.106 5不显著纯误差0.5040.12总差41.6328

由表3可知,该模型相关性显著,失拟项不显著,相关系数R 2为0.875 4,校正决定系数0.750 7,模型与实际情况拟合较好,因此此模型可以用于理论预测。X 1、X 2、X 3、X 1X 2、X 1X 3、X 1 2、X 2 2、X 3 2达到了显著水平,模型中二次项系数均为负数,表明该模型抛物面开口向下,有极大值点。由图5中各因素交互作用的响应面图和等高线图直观的看到,盐酸浓度和料液比、盐酸浓度和提取温度交互作用显著。

图5 各因素交互作用对SDF提取率影响的响应面图和等高线图
Fig.5 Response surface and contour plots for the pairwise effects of four extraction conditions on SDF yield

回归模型经Design-Expert 8.0软件分析后,得到的酸提取工艺最优条件为:盐酸浓度0.06 mol/L、料液比1∶25(g/mL)、提取温度89.78 ℃、提取时间90 min。结合实际可操作性,将提取条件调整为盐酸浓度0.06 mol/L、料液比1∶25(g/mL)、提取温度90 ℃、提取时间90 min,在此条件下对响应面优化的结果进行验证实验,3 次平行实验结果的平均值为13.65%,接近响应面分析得到的预测值13.48%,表明该模型可靠。

2.4 白菜渣SDF的理化特性

2.4.1 白菜渣SDF的化学组成

表4 酸法最优工艺条件下制备的SDF试样的化学组成
Table4 Chemical composition of SDF extracted from Chinese cabbage residue under optimal conditions

成分粗蛋白粗脂肪灰分水分SDF含量/%5.2±0.2102.73±0.12 4.2±0.07 86.21±1.98

由表4可知,经过最优提取工艺得到的SDF制品的SDF含量为86.21%,含有少量的蛋白质和灰分等杂质。

2.4.2 白菜渣SDF粉外观及微观结构观察

图6 白菜渣SDF粉外观和扫面电镜图
Fig.6 Appearance and SEM photograph of SDF from Chinese cabbage residue

由图6a可以看到,白菜渣SDF粉颜色均一,呈淡米黄色;扫描电镜图放大500倍(图6b)后可以看到颗粒表面粗糙;放大10 000倍后(图6c)可以清晰的看到颗粒表面粗糙部位的细微结构,在此部位明显呈现疏松多空的状态,并且表面凹凸不平,既有层状结构堆积形成的较大的孔洞,又有层状结构本身的小孔隙,这些孔洞和孔隙有利于水分子的进入和滞留,关系着白菜渣SDF的水合性质,另外,表明凹凸不平的结构也增大了白菜渣SDF与水分子的接触面积。

2.4.3 白菜渣SDF功能性质测定

表5 白菜渣SDF功能性质测定
Table5 Functional properties of SDF from Chinese cabbage residue

注:同列不同字母表示差异性显著,P<0.05。—.未检测。

吸附不饱和脂肪酸能力/(g/g)白菜渣SDF14.63±0.4322.17±1.2348.78±1.45 a71.34±1.34 a2.23±0.16 a1.94±0.12 a羧甲基纤维素钠——66.67±1.67 b87.67±1.56 b1.81±0.13 b1.48±0.11 b瓜尔豆胶——29.63±1.23 c42.23±0.78 c1.42±0.13 c1.03±0.15 c试样持水力/ (g/g)膨胀力/(mL/g)乳化能力/%乳化稳定性/%吸附饱和脂肪酸能力/(g/g)

由表5可以看到,白菜渣SDF的持水力和膨胀力分别达到了14.63 g/g和22.17 mL/g,显著高于被报道的其他原料SDF关于这两个指标的水平 [24-25],这可能是白菜渣SDF拥有更低的分子质量,结构表面有较多的空隙,水分子较容易进入和滞留的原因,这与微观结构观察的结果是吻合的。羧甲基纤维素钠和瓜尔豆胶因极易溶于水,持水力和膨胀力无法测量;白菜渣SDF具有一定的乳化活性,低于羧甲基纤维素钠但要显著高于瓜尔豆胶;白菜渣SDF对脂肪酸的吸附能力较强,这也可能是其粉体结构中多孔和表面多褶皱的原因。

3 结 论

对大白菜外叶经脱汁等预处理步骤得到的菜渣进行挤压处理后,白菜渣SDF含量可由4.12%增加至11.06%。

以挤压处理过的白菜渣为原料,经过单因素试验和响应面法对白菜渣SDF的提取工艺进行优化后得到在研究范围内最优的提取工艺条件为:盐酸浓度0.06 mol/L、料液比1∶25(g/mL)、提取温度90 ℃、提取时间90 min。在此条件下,白菜渣SDF的提取率可以达到13.65%。

白菜渣SDF具有较高的纯度和可以接受的色泽。扫描电镜观察白菜渣SDF表面有较多的孔洞和孔隙,这可能是白菜渣SDF具有较高的持水力和膨胀力以及吸附脂肪酸能力的一个重要原因。功能性质的测定结果表明,白菜渣SDF具有作为乳化剂和保健食品原料的潜力。

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Optimization of Acid Extraction and Physicochemical Properties of Soluble Dietary Fiber from Chinese Cabbage Residue

REN Qing, SUN Bo *, YU Jingxin, SUN Sheng, KONG Qingmin
(College of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract:The extraction of soluble dietary fiber (SDF) from outer leaves of Chinese cabbage was optimized for maximum SDF yield using combination of single factor method and response surface methodology with Box-Behnken experimental design. The optimum extraction parameters were determined as follows: hydrochloric acid concentration, 0.06 mol/L; material/liquid ratio, 1:25 (g/mL); extraction temperature, 90 ℃; and extraction time, 90 min. Under these optimal conditions, the extraction yield of SDF was 13.65%. The chemical composition analysis showed that the purity of the SDF product was 86.21%, which also contained a small amount of protein and ash. The appearance of the SDF was a light beige powder. The microstructure observation showed that SDF powder of cabbage residue exhibited a rough, wrinkled surface with many holes and pores through magnified observation. The water-holding capacity of the SDF from Chinese cabbage leaves was 14.63 g/g, the expansion capacity 22.17 mL/g, and the emulsifying capacity and emulsion stability were 48.78% and 71.34%, respectively. The adsorption abilities for saturated fatty and unsaturated fatty acid were 2.23 and 1.94 g/g, respectively. These functional properties indicated that the SDF from Chinese cabbage residue is a potential emulsifier and functional food ingredient.

Key words:Chinese cabbage residue; extrusion; soluble dietary fiber; chemical method; physicochemical property

中图分类号:TS201.1

文献标志码:A

文章编号:

doi:10.7506/spkx1002-6630-201510014

收稿日期:2014-10-09

作者简介:任庆(1988—),男,硕士研究生,研究方向为食品生物技术与发酵工程。E-mail:2418759019@qq.com

*通信作者:孙波(1962—),男,副教授,硕士,研究方向为食品生物技术与发酵工程。E-mail:bosun1962@163.com