李琦，曾凡坤*，華蓉，王繼飛

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(貴州省安順市普定縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，貴州 普定，562100)

韭菜(AlliumtuberosumRottl.exspreng.)屬百合科多年生宿根草本植物，又稱起陽草、長生韭、扁菜等，在我國南北方均有種植和栽培，其莖、葉、花均可食用，因富含含硫化合物而具有獨特香辛味，其中大量的甾體皂苷具有止咳、抗癌、治療糖尿病等作用[1]。韭菜根是韭菜的地下部分，其中豐富的粗纖維可促進(jìn)腸道蠕動、預(yù)防便秘[2]，有一定食用和藥用價值，貴州丹寨的村民成功用家鄉(xiāng)的野生韭菜根開發(fā)出當(dāng)?shù)刂撂禺a(chǎn)[3]。然而實際栽培中種植一段時間后的韭菜由于生長能力下降，韭菜根往往在移栽時被丟棄，沒有得到充分開發(fā)利用，造成一定的資源浪費。目前的研究主要集中在韭菜籽，關(guān)于韭菜根粗纖維的研究和開發(fā)鮮見報道。

膳食纖維指不能被人體消化，以纖維素、半纖維素、果膠和木質(zhì)素等為主的多糖類化合物總稱[4]。根據(jù)其水溶性分為可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber,IDF)[5]。IDF具有良好持水力和膨脹性，能清除腸道毒素，促進(jìn)胃腸道蠕動，對預(yù)防和緩解便秘、糖尿病、結(jié)腸癌、肥胖、中風(fēng)、高血壓等有重要作用[6-7]。目前已廣泛應(yīng)用于肉制品、面制品、飲料等食品生產(chǎn)中[8-10]。

本研究采用響應(yīng)面法(response surface methodology，RSM)對超聲輔助提取韭菜根IDF的工藝進(jìn)行優(yōu)化，分析產(chǎn)品化學(xué)組成、熱穩(wěn)定性和超微結(jié)構(gòu)，有助于減少資源浪費，為韭菜根的綜合利用和膳食纖維的深入研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮韭菜根，貴州省安順市普定縣化處鎮(zhèn)水母河流域韭黃園區(qū)；金龍魚大豆油，永輝超市北碚區(qū)天生麗街店；NaOH(優(yōu)級純)、KBr(光譜純),成都市科龍化學(xué)品有限公司。

1.2 主要儀器

FW117中草藥粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司；JA21002分析天平，上海精天電子儀器有限公司；DGG-9240B電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司；TGL-16M臺式高速冷凍離心機(jī)，長沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司；KQ3200DV數(shù)控超聲波清洗器(總功率650 W)，昆山市超聲儀器有限公司；Spectrun 100紅外光譜儀，美國Perkin Elmer公司；TGA550熱重分析儀，美國TA公司；Phenom掃描電子顯微鏡，復(fù)納科學(xué)儀器(上海)有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 提取工藝流程

參考文獻(xiàn)[11]的方法并略作修改。

韭菜根洗凈→切段→烘干(60 ℃)→粉碎→過篩(60目)→取樣→加NaOH溶液→超聲波提取→提取液離心→取沉淀→水洗至中性→干燥→成品IDF

1.3.2 操作要點

稱取樣品5.0000 g，加入3 g/L的NaOH溶液，超聲提取一定時間后在5 000 r/min下離心10 min，收集沉淀，用純水洗至中性，60 ℃烘干稱量，平行試驗3次，按公式(1)計算IDF得率。

(1)

式中：R，IDF的得率，%；m1，干燥IDF質(zhì)量，g；m2，干燥樣品質(zhì)量，g。

1.3.3 單因素試驗

設(shè)定超聲功率強度40%，超聲溫度40 ℃，超聲時間30 min，考察液料比(mL∶g)在10、15、20、25、30、35時對韭菜根IDF得率的影響。

設(shè)定液料比20 mL/g，超聲溫度40 ℃，超聲時間30 min，考察超聲功率強度在40%、50%、60%、70%、80%、90%時對韭菜根IDF得率的影響。

設(shè)定液料比20 mL/g，超聲功率強度40%，超聲時間30 min，考察超聲溫度在20、30、40、50、60、70 ℃時對韭菜根IDF得率的影響。

設(shè)定液料比20 mL/g，超聲功率強度40%，超聲溫度40 ℃，考察超聲時間在10、20、30、40、50、60 min時對韭菜根IDF得率的影響。

1.3.4 響應(yīng)面設(shè)計

基于Box-Behnken原理，選用3因素3水平響應(yīng)面分析法，以韭菜根IDF得率為響應(yīng)值進(jìn)一步優(yōu)化工藝，因素水平如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗設(shè)計的因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface experimental design

1.4 韭菜根IDF特性測定

1.4.1 韭菜根IDF持水力測定[12]

取1.00 g韭菜根IDF(m1)置于100 mL離心管，加蒸餾水75 mL浸泡24 h，4 000 r/min離心30 min，除去上清液，稱量吸水后的韭菜根IDF質(zhì)量(m2)。重復(fù)3次，取平均值，按公式(2)計算IDF持水力。

(2)

1.4.2 韭菜根IDF膨脹性測定[13]

準(zhǔn)確稱取0.20 g韭菜根IDF(m)，置于10 mL量筒中，讀取干品體積(V1)，準(zhǔn)確吸取25 ℃ 5 mL蒸餾水，振蕩搖勻后靜置24 h，記錄其膨脹后的體積(V2)。重復(fù)3次，取平均值，按公式(3)計算IDF膨脹性。

(3)

1.4.3 韭菜根IDF持油力測定[14]

取1.00 g韭菜根IDF(m1)與適量食用油在50 mL離心管中振蕩均勻，室溫下放置24 h，再在4 000 r/min下離心30 min，棄去上層清液，過濾、稱質(zhì)量(m2)。重復(fù)3次，取平均值，按公式(4)計算IDF持油力。

(4)

1.5 結(jié)構(gòu)表征

1.5.1 紅外光譜分析[15]

用傅里葉紅外光譜法將1 mg樣品與100 mg KBr研磨均勻后壓片，形成一個半透明薄片，用紅外光譜儀掃描，掃描范圍4 000～400 cm-1。

1.5.2 熱穩(wěn)定性分析[16]

取4 mg左右樣品于熱重分析儀中，儀器溫度40 ℃，以15 ℃/min的速度升至550 ℃，逐漸分解熱天平坩堝中的樣品，記錄試樣質(zhì)量隨溫度的變化，分析樣品熱穩(wěn)定性。

1.5.3 超微結(jié)構(gòu)分析[11]

取少量干燥好的樣品，放置到貼上導(dǎo)電雙面膠的載樣臺上，將待測樣品固定好，在真空中噴鍍金膜。把處理好的樣品和載樣臺一起放入掃描電鏡的樣品室進(jìn)行形態(tài)觀察，拍攝電鏡照片。

1.6 數(shù)據(jù)分析處理

單因素試驗數(shù)據(jù)用Origin 2018分析作圖。響應(yīng)面優(yōu)化試驗數(shù)據(jù)用Design-Expert 8.0.5進(jìn)行分析處理和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲處理條件初選

2.1.1 液料比對韭菜根IDF得率的影響

IDF得率受液料比的影響詳見圖1。在10～25 mL/g范圍，隨液料比增加，韭菜根IDF得率總體呈上升趨勢，這是由于隨液料比增大，樣品與堿液間接觸面積增大，有利于樣品IDF溶出，故IDF得率增加；當(dāng)液料比>25 mL/g時，隨液料比增加，IDF得率逐漸下降，這可能因為韭菜根中IDF含量有限，當(dāng)IDF在堿液中擴(kuò)散達(dá)到平衡后，得率不再上升，液料比繼續(xù)增加反而可能破壞溶出的IDF，使其水解，另外，加入過多堿液還可能影響超聲波作用[17]，導(dǎo)致得率下降。因此，確定液料比20、25、30 mL/g為最佳優(yōu)化范圍。

圖1 液料比對韭菜根IDF得率的影響Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on the yield of insoluble dietary fiber

2.1.2 超聲功率強度對韭菜根IDF得率的影響

超聲功率強度為40%～60%時，隨強度增加，韭菜根IDF得率先下降后上升(圖2)，這是由于在一定強度范圍內(nèi)超聲波機(jī)械作用增強有助于IDF在溶劑中溶出；當(dāng)超聲功率強度為60%，IDF得率達(dá)到最大，之后隨強度增加而下降，這可能由于超聲功率強度達(dá)到一定程度時，空化效應(yīng)過于強烈[18]，從而導(dǎo)致膳食纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，形成更小顆粒溶解在溶劑中，使IDF得率下降。綜合考慮，確定最佳功率強度為60%。

圖2 超聲功率強度對韭菜根IDF得率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power intensity on the yield of insoluble dietary fiber

2.1.3 超聲溫度對韭菜根IDF得率的影響

圖3反映了得率隨超聲溫度的變化，在20～60 ℃范圍，IDF得率隨溫度升高先下降后上升，在60 ℃達(dá)到峰值，之后逐漸下降。這是因為適宜的高溫加速粒子運動，促進(jìn)韭菜根中IDF溶出，提高IDF得率，但過高溫度會破壞IDF結(jié)構(gòu)，降低IDF得率。因此，選擇超聲溫度50、60、70 ℃進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗為宜。

圖3 超聲溫度對韭菜根IDF得率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on the yield of insoluble dietary fiber

2.1.4 超聲時間對韭菜根IDF得率的影響

超聲時間為10～40 min時，隨時間增加，韭菜根IDF得率總體呈顯著上升，在40 min最大，之后明顯降低(圖4)?？赡芤驗樵谶m當(dāng)?shù)某晻r間范圍內(nèi)有利于固體和溶劑充分接觸，同時使超聲波機(jī)械作用充分發(fā)揮，提高IDF得率，但超聲時間過長可能破壞IDF結(jié)構(gòu)，加速IDF降解，影響IDF得率。因此，確定超聲時間30、40、50 min進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 超聲時間對韭菜根IDF得率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic time on the yield of insoluble dietary fiber

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 回歸模型建立與討論

選擇液料比(A)、超聲溫度(B)和超聲時間(C)為評價因素，IDF得率(Y)為評價指標(biāo)，進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面試驗分析，試驗結(jié)果和方差分析見表2和表3。

將表2數(shù)據(jù)用Design.Expert 8.0.5軟件進(jìn)行二次線性回歸擬合，得到如下回歸方程：Y=33.70-0.20×A-0.71×B+0.10×C-0.55×AB+0.025×AC-0.017×BC-1.06×A2-1.01×B2-0.070×C2。由該方程知，二次項A2、B2和C2系數(shù)均為負(fù)，說明該方程存在最大值[17]。

由表3知，此回歸模型極顯著(P<0.01)，實驗值與預(yù)測值間相關(guān)性較高(R2=0.9012)，表明此模型對實際實驗方法擬合度較高；同時，B、A2、B2對響應(yīng)值的影響均極顯著(P<0.01)，A、C、AB、AC、BC、C2對響應(yīng)值均表現(xiàn)不顯著，說明實驗因素對韭菜根IDF得率的影響不是簡單的線性關(guān)系。因此，可用此模型對韭菜根IDF提取工藝結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測。

表2 響應(yīng)面分析結(jié)果Table 2 The results of response surface analysis

由F值大小知，3個因素對IDF得率影響的主次順序為：B>A>C，即超聲溫度>液料比>超聲時間。

表3 響應(yīng)面試驗方差分析Table 3 Variance analysis of response surface method

2.2.2 交互效應(yīng)分析

考察各交互項對IDF得率的影響，響應(yīng)面圖見圖5。等高線的密集程度反映了試驗因素對響應(yīng)值的影響，圖5中等高線沿超聲溫度軸向最密集，沿液料比軸向的等高線相對稀疏，沿超聲時間軸向的等高線最稀疏，表明超聲溫度對IDF得率的影響最大，其次是液料比，超聲時間對IDF得率的影響最不顯著，這與前述方差分析結(jié)果相符。

圖5 液料比、超聲溫度、超聲時間與IDF得率交互影響響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface plots showing the effects of liquid-to-solid ratio，ultrasonic temperature and time on IDF yield

2.2.3 最佳方案確定與驗證

用Design Export 8.0.5軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行分析處理，最佳工藝參數(shù)為：液料比25.03 mL/g，超聲溫度56.42 ℃，超聲時間47.87 min，此條件下IDF得率為33.87%?？紤]實際操作，采用液料比25 mL/g，超聲溫度56 ℃，超聲時間48 min，超聲功率強度60%，重復(fù)驗證3次，韭菜根IDF得率可達(dá)32.92%。

2.3 IDF理化特性

IDF持水力為11.90 g/g,高于蘋果渣膳食纖維4.53 g/g[19]、蒜黃根膳食纖維8.63 g/g[20]、馬鈴薯渣膳食纖維3.71 g/g[21]；其膨脹性為 8.23 mL/g,高于茶樹菇膳食纖維2.7 mL/g[22]、蘋果渣膳食纖維6.25 mL/g[19]、蒜黃根膳食纖維6.27 mL/g[20]；其持油力為7.63 g/g，高于花生殼膳食纖維1.12 g/g[23]、蒜黃根膳食纖維6.57 g/g[20]以及馬鈴薯渣膳食纖維1.28 g/g[21]?？梢?，韭菜根是優(yōu)質(zhì)膳食纖維的良好來源。

2.4 IDF結(jié)構(gòu)表征

2.4.1 紅外光譜分析

圖6 韭菜根IDF的紅外光譜圖Fig.6 Infrared scanning spectrogram of chive root IDF

2.4.2 熱穩(wěn)定性分析

熱重分析是通過物質(zhì)熱分解過程來評價其熱穩(wěn)定性。由圖7可知，IDF熱分解過程可分為4個階段，干燥階段AB、預(yù)碳化階段BC、碳化階段CD、燃燒階段DE[28]。AB段溫度范圍為27～117 ℃，失重率約11%，此階段樣品質(zhì)量減少主要由IDF分子內(nèi)自由水和結(jié)晶水在高溫過程中損失引起，樣品失重較明顯，與2.3中IDF持水力較好的結(jié)果一致；BC段溫度范圍117～175 ℃，樣品失重率約1.4%，失重不明顯，樣品質(zhì)量的減少主要由大分子物質(zhì)逐漸降解引起，這是一個緩慢向碳化過渡的階段；CD段溫度范圍175～442 ℃，失重率約61%，這是IDF熱分解的主要階段，也是樣品失重率最高的階段，生物質(zhì)熱裂解生成小分子氣體和大分子的可冷凝揮發(fā)成分而造成明顯失重，樣品在此階段釋放出較多熱量[29]；此后進(jìn)入燃燒階段，此階段主要是碳化后殘留物分解生成部分炭和灰分的過程，樣品失重速率很緩慢，曲線最終趨于平穩(wěn)，樣品最終剩余質(zhì)量約為原質(zhì)量的21.9%。研究表明，在食品加工過程中一般將加熱溫度控制在200 ℃以下，以免破壞膳食纖維穩(wěn)定性和優(yōu)良性能[16]，因此可通過改進(jìn)提取方法和適當(dāng)改性來提高膳食纖維熱解溫度和熱穩(wěn)定性，使其更廣泛地應(yīng)用于食品加工。

圖7 IDF的熱重圖譜Fig.7 The thermogravimetric drawing of chive root IDF

2.4.3 超微結(jié)構(gòu)分析

由圖8可知，原料表面光滑完整，整體較緊湊，表面附著一些小顆粒，可能是淀粉顆粒和粗蛋白類等物質(zhì)，說明原料中含有較多淀粉和蛋白質(zhì)等雜質(zhì)；經(jīng)過超聲輔助提取的IDF較粗糙，結(jié)構(gòu)疏松，表面明顯斷裂和破碎，呈不規(guī)則的片狀，可能是由于超聲波對膳食纖維結(jié)構(gòu)造成不同程度的損壞，結(jié)構(gòu)完整性被破壞，呈現(xiàn)帶有裂縫的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。微觀結(jié)構(gòu)與功能特性密切相關(guān)，后續(xù)研究可改進(jìn)提取或改性方法，調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)，以達(dá)到改善膳食纖維理化特性和生理功能的目的。

a-韭菜根；b-IDF；1-×500; 2-×2 000圖8 韭菜根和IDF的掃描電鏡圖Fig.8 The scanning electron microscope of chive root and IDF

3 結(jié)論

本研究在單因素試驗基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken原理，利用Design Export 8.0.5軟件建立以韭菜根IDF得率為指標(biāo)的二次多項式回歸模型，用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取韭菜根IDF的工藝。結(jié)果表明，最優(yōu)工藝條件為：液料比25 mL/g、超聲溫度56 ℃、超聲時間48 min、超聲功率強度60%，韭菜根IDF得率可達(dá)32.92%；其持水力為11.90 g/g、膨脹性為8.23 mL/g、持油力為7.63 g/g，產(chǎn)品表征結(jié)果說明超聲輔助處理會改變IDF結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，為使其具有更優(yōu)良的性質(zhì)和今后更廣泛地應(yīng)用，還需深入探究改良結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的物理、化學(xué)、生物學(xué)方法及其他新興技術(shù)。響應(yīng)面優(yōu)化超聲輔助提取韭菜根中IDF的工藝和結(jié)構(gòu)表征，可為韭菜根膳食纖維的提取研究提供理論依據(jù)，為以后研發(fā)和推廣性質(zhì)優(yōu)良的膳食纖維產(chǎn)品建立理論基礎(chǔ)，有利于今后韭菜根的綜合開發(fā)利用。