陳平清 李小玉 王春曉

(1. 茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 茂名 525000；2. 中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528436)

不能被人體消化道酵素分解的木質(zhì)素、碳水化合物、 纖維素、多糖類等被稱為膳食纖維[1]，是一種不易被消化的食物營(yíng)養(yǎng)素，膳食纖維按其在水中的溶解性可分為水溶性膳食纖維(SDF)和水不溶性膳食纖維(IDF)。人體有六大營(yíng)養(yǎng)素：糖、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)和水，膳食纖維被稱為人體的“第七大營(yíng)養(yǎng)素”[2]。膳食纖維具有許多有益的生理功能，如降低血液中的膽固醇含量、預(yù)防心臟病、控制血糖、預(yù)防糖尿病、促進(jìn)腸胃蠕動(dòng)、預(yù)防便秘、有利于減肥、清除人體內(nèi)的有害物質(zhì)以及對(duì)腫瘤有一定的抵抗能力等[3，4]。廣東高州市從福建省平和縣引進(jìn)了紅肉蜜柚后，該品種已成為高州市的新興果品，市場(chǎng)潛力巨大[5]，然而目前對(duì)柚子的綜合加工利用還較少，柚子葉是柚子除柚子皮以外的另一種富含膳食纖維的物質(zhì)，本文利用檸檬酸提取柚葉中的水溶性膳食纖維，選取檸檬酸濃度、提取時(shí)間、提取溫度和液料比作為參數(shù)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定其對(duì)柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響，得出最佳提取工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

柚子葉采自于高州市沙田優(yōu)質(zhì)蜜柚示范基地，柚子葉洗凈后，再恒溫干燥完全，粉碎過40目篩，置于干燥器內(nèi)保存?zhèn)溆?。乙醇，食品醫(yī)藥級(jí)，河南鑫河陽酒精有限公司；檸檬酸，食品級(jí)，濰坊英軒實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AR124CN電子天平(奧豪斯儀器上海有限公司)；FW-100高速萬能粉碎機(jī)(天津市泰斯特儀器有限公司)；80-2電動(dòng)離心機(jī)(金壇市科析儀器有限公司)。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

柚子葉洗凈→干燥→粉碎→40目過篩→酸水解→抽濾→乙醇沉淀→抽濾→50 ℃恒溫干燥→冷卻→稱重

1.3.2 試驗(yàn)操作過程

選取粉碎過40目篩的柚葉粉末，準(zhǔn)確稱取1.000 0 g的柚葉加入到100 mL的圓底燒瓶中，加入14 mL濃度為8%(質(zhì)量濃度)的檸檬酸溶液，在 80 ℃的水浴鍋中進(jìn)行水浴加熱，60 min后進(jìn)行真空抽濾，將柚葉渣與溶液分離，收集的溶液加入4倍體積的95%乙醇靜置30 min，醇沉出柚葉水溶性膳食纖維，抽濾后，將水溶性膳食纖維放置在50 ℃的干燥箱中干燥至恒重，稱重，計(jì)算得出1 g柚葉所含有的膳食纖維的量與提取率。

1.3.3 水溶性膳食纖維提取的單因素試驗(yàn)

通過控制變量，研究提取時(shí)間、提取溫度、液料比和檸檬酸濃度對(duì)柚子葉水溶性膳食纖維(SDF)提取率的影響。

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

通過單因素試驗(yàn)，得到各因素對(duì)柚葉水溶性膳食纖維提取的大致影響范圍，運(yùn)用Design-Expert 8.0.5b軟件，根據(jù)Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，選取提取時(shí)間、提取溫度、液料比和檸檬酸濃度4個(gè)因素作為自變量，以水溶性膳食纖維的提取率作為響應(yīng)值，響應(yīng)面因素和水平見表1。

表1 設(shè)計(jì)因素與水平

1.3.5 指標(biāo)測(cè)定計(jì)算

準(zhǔn)確稱取1.000 0 g柚葉進(jìn)行酸提，反應(yīng)結(jié)束后，將醇沉得到柚葉水溶性膳食纖維烘干至恒重，通過下式計(jì)算得柚葉中水溶性膳食纖維的提取率。

1.3.6 持水力的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取水溶性膳食纖維0.1 g粉末放置在干燥后的離心管中，加入10 mL的蒸餾水振動(dòng)30 min后，放置在離心機(jī)中4 000 r/min離心15 min，倒出上清液，用吸管吸出剩余水分，再稱重，計(jì)算持水力。

1.3.7 膨脹力的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取0.1 g水溶性膳食纖維粉末放置在25 mL 的試管中加入15 mL的蒸餾水振蕩均勻，靜置讀取體積，隨后密封放置在室溫中靜置24 h，再讀取膨脹后的體積。

2 結(jié)果分析

2.1 水溶性膳食纖維的單因素試驗(yàn)

2.1.1 提取時(shí)間對(duì)柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響

當(dāng)提取溫度為80 ℃，液料比為14 mL/g，檸檬酸濃度為8%時(shí)，研究提取時(shí)間的長(zhǎng)短(50、60、70、80和90 min)對(duì)提取率的影響。由圖1可知，當(dāng)提取時(shí)間為40～60 min時(shí)，提取率隨著提取時(shí)間的增加而上升，當(dāng)提取時(shí)間為60～80 min時(shí)，提取率則不斷下降，在時(shí)間為60 min時(shí)達(dá)到峰值，這是因?yàn)殡S著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，膳食纖維被不斷的分解，呈游離狀態(tài)，提取率增大[6]；但提取時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，柚子葉中的其他成分亦被不斷的分解游離，限制了膳食纖維的分解，導(dǎo)致提取率降低，因此提取時(shí)間選擇60 min。

圖1 提取時(shí)間對(duì)提取率的影響Fig. 1 Effect of extraction time on extraction rate

2.1.2 提取溫度對(duì)柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響

當(dāng)提取時(shí)間為60 min，料液比為14 mL/g，檸檬酸濃度為8%時(shí)，研究不同提取溫度(50、60、70、80和90 ℃)對(duì)柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響。由圖2可知，在50～80 ℃內(nèi)，隨著溫度的升高提取率逐漸增加，在80～90 ℃內(nèi)提取率緩慢減小，這是因?yàn)殡S著溫度的增加，樣品中的分子碰撞不斷增加，分解加快，提取率不斷上升。但當(dāng)溫度過高時(shí)，部分纖維分子被破壞[7]，導(dǎo)致提取率下降。因此提取溫度選擇80 ℃。

圖2 提取溫度對(duì)提取率的影響Fig. 2 Effect of extraction temperature on extraction rate

2.1.3 液料比對(duì)柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響

當(dāng)提取時(shí)間為60 min，提取溫度為80 ℃，檸檬酸濃度為8%時(shí)，研究不同液料比(8、11、14、17和20 mL/g)對(duì)柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響。由圖3可知，當(dāng)液料比為8～14 mL/g時(shí)提取率呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)，在14～17 mL/g之間時(shí)變化緩慢，17～20 mL/g之間呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谳^低液料比進(jìn)行酸提時(shí)，大量柚葉中的膳食纖維無法被酸提取，溶液過于飽和，只能提取部分樣品。但當(dāng)液料比過大時(shí)，樣品中的其他物質(zhì)也被提取出來，且液料比過大時(shí)，還會(huì)增大醇沉過程的損失，導(dǎo)致膳食纖維提取率的下降[8]。因此液料比選擇14 mL/g。

圖3 液料比對(duì)提取率的影響Fig. 3 Effect of liquid-material ratio on extraction rate

2.1.4 檸檬酸濃度對(duì)水溶性膳食纖維提取的影響

在提取時(shí)間為60 min，提取溫度為80 ℃，液料比為14 mL/g時(shí)，研究不同檸檬酸濃度(4%、6%、8%、10%和12%)對(duì)柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響。由圖4可知，當(dāng)檸檬酸濃度為4%～8%時(shí)，提取率隨著檸檬酸濃度的增加而增加，分析其原因?yàn)楫?dāng)檸檬酸的濃度過低時(shí)，柚葉粉末中的膳食纖維分解較慢，隨著濃度的增加，分解速率加快。當(dāng)檸檬酸的濃度達(dá)到8%～12%，提取率逐漸減小，其原因?yàn)闈舛冗^高的溶液抑制了膳食纖維的分解，導(dǎo)致提取量降低[9]。因此可以得出提取的最佳檸檬酸濃度為8%。

圖4 檸檬酸的濃度對(duì)提取率的影響Fig. 4 Effect of citric acid concentration on extraction rate

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)，選擇單因素最優(yōu)范圍，以提取時(shí)間(A)、提取溫度(B)、液料比(C)和檸檬酸濃度(D)為自變量，水溶性膳食纖維的提取率(Y)為響應(yīng)值，做四因素三水平共29個(gè)點(diǎn)的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中包括5個(gè)中心點(diǎn)用以估計(jì)試驗(yàn)的誤差，結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過回歸線擬合后，通過響應(yīng)面分析法得到檸檬酸提取水溶性膳食纖維提取率的二次回歸方程：提取率=9.84-0.19A+1.48B+0.53C+0.75D-0.25AB+0.000AC+0.030AD+0.31BC -0.23BD -0.48CD -1.86A2-2.14B2-1.20C2-1.61D2。

表3為對(duì)水溶性膳食纖維的提取結(jié)果進(jìn)行的多元回歸分析。由表3可知B-提取溫度和D-檸檬酸濃度對(duì)水溶性膳食纖維的提取率差異極顯著，C-液料比對(duì)提取率的影響為顯著，A-提取時(shí)間對(duì)提取率的差異不顯著，說明提取時(shí)間的變化對(duì)提取率的影響較小，AB、AC、AD、BC、BD與CD的交互作用不顯著。模型F值為14.83，P<0.000 1，即模型回歸極顯著，失擬度F值為5.13，P=0.064 4，差異不顯著，說明該模型的擬合程度較好，外界未知因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響性小，可用于預(yù)測(cè)檸檬酸提取水溶性膳食纖維的最佳提取條件。

表3 回歸方程方差分析

2.2.3 各因素之間的交互作用分析

為了考察各交互項(xiàng)對(duì)實(shí)驗(yàn)提取率的影響，采用響應(yīng)面的模型降維分析，由圖5到圖10可清晰的觀察到各個(gè)因素對(duì)提取率的影響。觀察圖5，響應(yīng)面坡度相對(duì)較陡，A(時(shí)間)50 min～60 min、B(溫度)70 ℃～80 ℃曲線逐漸上升。在60 min與80 ℃ 之間達(dá)到最大值，隨后曲線開始下降，這是因?yàn)殡S著提取時(shí)間的延長(zhǎng)和提取溫度的上升，柚葉中的物質(zhì)開始熔融，形成可移動(dòng)的粒子，在60 min，80 ℃ 時(shí)實(shí)驗(yàn)所要提取的物質(zhì)充分分離，達(dá)到最大值，此時(shí)的最大值均大于時(shí)間與溫度的單因素實(shí)驗(yàn)，說明兩者的交互作用顯著，促進(jìn)了膳食纖維的提取，當(dāng)時(shí)間大于60 min，溫度超過80 ℃時(shí)，由于柚葉中的其他物質(zhì)的分解抑制了膳食纖維的分解，導(dǎo)致提取率下降。

觀察圖10發(fā)現(xiàn)響應(yīng)面坡度陡峭，C(液料比)為11～14 mL/g與D(濃度)從6%～8%時(shí)，響應(yīng)面曲線上升較快，在料液比為14 mL/g、濃度為8%時(shí)達(dá)到頂峰，此時(shí)的峰值均大于單因素試驗(yàn)的最大值，表明液料比與檸檬酸濃度的交互作用顯著。超過頂峰后曲線坡度開始下降，下降曲線較為平緩，分析其原因?yàn)樵谒崽釢舛容^低時(shí)，物質(zhì)中的大部分膳食纖維不能被提取出，再加上此時(shí)液料比較小，溶液過于飽和，導(dǎo)致提取率低，隨著濃度與液料比的增大，柚葉中的膳食纖維被充分提取，達(dá)到最大值，超過這個(gè)條件后隨著液料比的增加，溶液開始不飽和，柚葉中的其他物質(zhì)被繼續(xù)分解，限制了膳食纖維的提取，檸檬酸濃度的增加使部分被提取的膳食纖維被繼續(xù)分解，從而導(dǎo)致提取率開始下降。

圖5 提取時(shí)間與提取溫度對(duì)提取率的影響Fig. 5 Effect of extraction time and temperature on extraction rate

圖6 提取時(shí)間與液料比對(duì)提取率的影響Fig. 6 Effect of extraction time and liquid material ratio on extraction rate

圖7 提取時(shí)間與檸檬酸溶液濃度對(duì)提取率的影響Fig. 7 Effect of extraction time and concentration of citric acid solution on extraction rate

觀察圖6，圖7，圖8，發(fā)現(xiàn)響應(yīng)面坡度較為平緩，等高線接近圓形，兩兩因素的交互作用對(duì)響應(yīng)值的變化無較大的影響，說明AC、AD、BC與BD之間的交互作用不顯著，分析曲線的變化，發(fā)現(xiàn)溫度、濃度對(duì)響應(yīng)值的影響為極顯著，液料比對(duì)響應(yīng)值的變化為顯著，時(shí)間變化不顯著。

圖8 提取溫度與液料比對(duì)提取率的影響Fig. 8 Effect of extraction temperature and liquid material ratio on extraction rate

圖9 提取溫度與檸檬酸濃度對(duì)提取率的影響Fig. 9 Effect of extraction temperature and concentration of citric acid on extraction rate

圖10 液料比與檸檬酸濃度對(duì)提取率的影響Fig. 10 Effect of liquid ratio and citric acid concentration on extraction rate

2.2.4 最佳條件的確定與驗(yàn)證

通過Design-Expert 8.0.5b軟件得出提取的最佳工藝條件為：時(shí)間59.26 min、溫度為83.58 ℃、液料比為14.70 mL/g和濃度為8.34%，此時(shí)的提取率為10.24%。結(jié)合實(shí)際情況確定為時(shí)間60 min、溫度84 ℃、液料比為15 mL/g，濃度為8%，為保證試驗(yàn)的可靠性，重復(fù)最佳工藝條件5次，得到的平均提取率為10.15%，與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差為0.88%，表明該模型能較好的預(yù)測(cè)柚葉水溶性膳食纖維的提取率。

2.2.5 理化特性值

通過試驗(yàn)測(cè)定柚葉水溶性膳食纖維的膨脹力以及持水力，得到其膨脹力為9.63 g/g，持水力為4.77 mL/g，說明柚葉水溶性膳食纖維具有良好的膨脹力和持水力，可作為添加劑使用，以增加飽腹感。

3 結(jié)論

以柚葉粉末為原料，提取水溶性膳食纖維，選取提取時(shí)間、提取溫度、液料比和檸檬酸濃度作為參數(shù)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定各工藝因素對(duì)水溶性膳食纖維提取率的影響。通過響應(yīng)面進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳提取條件為提取時(shí)間60 min、提取溫度84 ℃、液料比15 mL/g 和檸檬酸濃度8%，此時(shí)提取率為10.15%，與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差為0.88%，說明建立的模型穩(wěn)定可靠。柚葉水溶性膳食纖維的膨脹力為9.63 g/g，持水力為4.77 mL/g。