張林威，賀便，黃亮，朱仁威，王雅怡

（特醫(yī)食品加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，稻谷及副產(chǎn)物深加工國(guó)家工程研究中心，中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

洋薊是菜薊屬多年生菊科植物，別名菜薊、球薊、朝鮮薊等，始于地中海，經(jīng)歐洲引入我國(guó)，主要種植于上海、浙江、云南等地，種植時(shí)間已有100 多年[1-2]。國(guó)內(nèi)外研究表明，洋薊營(yíng)養(yǎng)成分豐富，是保健功能極強(qiáng)的藥食同源植物，有“蔬菜之皇”的美譽(yù)[3]。據(jù)調(diào)查，我國(guó)洋薊罐頭加工工廠僅利用合格鮮果的1/3，將其外面綠苞片和兩頭切下的鮮果部分丟掉，綜合利用率僅10%左右，而丟掉部分及其本身含有豐富的膳食纖維[4]，又因膳食纖維能夠調(diào)節(jié)飲食平衡，且對(duì)人體有預(yù)防多種疾病的功能[5]，因此對(duì)洋薊廢棄物的再利用研究有重大意義。

膳食纖維（dietary fiber，DF）因在水中的溶解性不同，可分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）[6]。膳食纖維具有降低血糖[7]、改善腸道菌群[8]、改善心血管疾病[9]、預(yù)防肥胖癥[10]和保護(hù)肝臟[11]等生理功效，而SDF含量對(duì)評(píng)價(jià)膳食纖維生理功能至關(guān)重要，但是天然來源的SDF 含量較低，無(wú)法滿足人體需要的膳食平衡[12]，因此將IDF 改性為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）、化學(xué)改性[14]（酸堿試劑）、生物改性[15]（酶法、發(fā)酵法等），它們之間各有利弊，化學(xué)改性對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求較高且會(huì)破壞膳食纖維的持水力和膨脹力等特性[16]，生物改性成本較高且工藝不穩(wěn)定[17]，然而物理改性可以大大提高SDF 的得率且起到保護(hù)環(huán)境的作用[18]。

單一的改性方法雖然可以提高SDF 的得率，但十分有限。目前，常采用一些輔助方法（如微波、蒸汽爆破、超聲等[19]），將其中兩種或多種方法結(jié)合，設(shè)計(jì)得率較高的復(fù)合改性方式。研究發(fā)現(xiàn)，Xi 等[20]采用蒸汽爆破輔助超聲波提取青稞麩皮膳食纖維，與未處理（水溶液）提取相比，其青稞麩皮SDF 得率由3.54%提升到7.92%，提高近124%。巫永華等[21]采用超聲-微波復(fù)合改性黑豆皮SDF 的提取，得率可達(dá)19.12%，比超微粉碎單一改性的得率提高約59.20%。徐田輝等[10]運(yùn)用低溫冷凍-超微粉碎復(fù)合改性的方法完成了對(duì)洋薊膳食纖維的提取和功能性探究，而采用超微粉碎-微波輔助提取洋薊SDF 的研究鮮見報(bào)道。

本研究利用超微粉碎-微波輔助提取洋薊SDF，以洋薊加工副產(chǎn)物為原料，SDF 得率為指標(biāo)，通過單因素和響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝，旨在為提高洋薊副產(chǎn)物的高效利用和新產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

洋薊花苞：匯美農(nóng)業(yè)科技有限公司；堿性蛋白酶（200U/mg）、α-淀粉酶（40000U/g）、糖化酶（100000U/g）：上海源葉生物科技有限公司；乙醇：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；檸檬酸、乙酸溶液、鹽酸溶液：天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；氫氧化鈉：西隴科學(xué)股份有限公司；三羥甲基氨基甲烷緩沖液：南京建成生物工程研究所。以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

FW-400A 萬(wàn)能粉碎機(jī)：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；CJM-SY-B 高能納米沖擊磨：秦皇島市太極環(huán)納米制品有限公司；FA1104 分析天平：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；DHG-92425A 鼓風(fēng)干燥箱：上海燈晟儀器有限公司；A-1000S 真空抽濾機(jī)：上海古北儀表廠；RE-2000A 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海亞榮生化儀器廠；FEG-250 掃描電子顯微鏡：美國(guó)FEI 公司；WZD2S 微波爐：南京三樂微波技術(shù)發(fā)展有限公司。

1.3 方法

1.3.1 洋薊兩種處理方式下可溶性膳食纖維的提取工藝

1）取洋薊花苞葉片若干，于105 ℃恒溫干燥箱干燥12 h，冷卻至室溫后用萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎，檸檬酸提取，抽濾，保留濾液，乙醇沉淀，檸檬酸二次提取，合并兩次濾液，真空旋蒸，濃縮，乙醇沉淀，60 ℃烘干，得到洋薊SDF。

2）取洋薊花苞葉片若干，于105 ℃恒溫干燥箱干燥12 h，冷卻至室溫，置于高能納米沖擊磨中粉碎，加入檸檬酸溶液，微波輔助提取，抽濾，保留濾液，沉淀后以同樣的條件進(jìn)行二次微波提取，合并兩次濾液，真空旋蒸，濃縮，乙醇沉淀，60 ℃烘干，得到洋薊SDF。

1.3.2 普通粉碎處理

將干洋薊花苞葉片烘干（105 ℃，12 h）后放入萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎，過60 目篩得到樣品粉末。

1.3.3 超微粉碎-微波復(fù)合改性處理

取烘干洋薊花苞樣品放入高能納米沖擊磨中（額定功率4 kW；轉(zhuǎn)速380 r/min；電壓220 V），材料質(zhì)量比（洋薊∶鋯球）=1∶4，粉碎8 h，過300 目篩，微波輔助溶液提取，按1.3.1 提取工藝，得到洋薊SDF。

1.3.4 洋薊可溶性膳食纖維得率計(jì)算

洋薊可溶性膳食纖維得率（S，%）計(jì)算公式如下。

式中：M1為SDF 干重，g；M0為樣品干重，g。

1.3.5 超微粉碎-微波協(xié)同改性單因素試驗(yàn)

1.3.5.1 檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)洋薊SDF 得率的影響

設(shè)定液料比25∶1（mL/g），微波時(shí)間30 s，微波功率500 W，檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%條件下，考察不同檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SDF 得率的影響。

1.3.5.2 液料比對(duì)洋薊SDF 得率的影響

設(shè)定檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，微波時(shí)間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）條件下，考察不同液料比對(duì)SDF 得率的影響。

1.3.5.3 微波時(shí)間對(duì)洋薊SDF 得率的影響

設(shè)定檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，液料比25∶1（mL/g），微波功率500 W，微波時(shí)間在15、30、45、60 s 和75 s條件下，考察不同微波時(shí)間對(duì)SDF 得率的影響。

1.3.5.4 微波功率對(duì)洋薊SDF 得率的影響

設(shè)定檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，液料比25∶1（mL/g），微波時(shí)間30 s，分別在微波功率為200、300、400、500 W和600W 條件下，考察不同微波功率對(duì)SDF得率的影響。

1.3.6 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、液料比、微波時(shí)間和微波功率為自變量，以洋薊SDF 得率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken 設(shè)計(jì)開展四因素三水平試驗(yàn)，由29 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)組成完整試驗(yàn)，確定最佳工藝。因素與水平如表1 所示。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Design factors and level of response surface test

1.3.7 洋薊膳食纖維組分分析

對(duì)普通粉碎和超微粉碎-微波協(xié)同處理后的洋薊膳食纖維成分進(jìn)行分析：水分含量參照GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定；蛋白質(zhì)含量測(cè)定參照GB 5009.5—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》，通過凱氏定氮儀測(cè)定，折算系數(shù)6.25；脂肪含量通過脂肪測(cè)定儀測(cè)定；灰分含量參照GB 5009.4—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中灰分的測(cè)定》，采用直接灰化法；SDF、IDF 含量參考GB 5009.88—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中膳食纖維的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。

1.3.8 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察

使用雙面膠帶將干燥的纖維樣品固定在試樣短柱上，并在氣流下修剪掉多余的纖維,樣品表面沉積鉑膜，使用SEM 觀察放大倍數(shù)為500 和10 000 的顯微照片。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

所有數(shù)據(jù)均為3 次平行測(cè)定值，作圖采用Origin 8.0，數(shù)據(jù)分析采用SPSS 和Design-Expert 8.0.6 軟件，P<0.01 為極顯著差異；P<0.05 為顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)洋薊SDF 得率的影響

檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)洋薊SDF 得率的影響見圖1。

圖1 檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)洋薊SDF 得率的影響Fig.1 The effect of citric acid mass fraction on the yield of artichoke SDF

由圖1 可知，隨著檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，SDF 得率先增后減。當(dāng)檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，SDF 得率最高，為20.01%，繼續(xù)增大檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，SDF 得率下降。因?yàn)橐欢ㄙ|(zhì)量濃度的檸檬酸溶液可加快多糖結(jié)構(gòu)糖苷鍵的斷裂，促進(jìn)細(xì)胞壁中釋放SDF，而酸濃度過大，SDF 中部分成分發(fā)生降解，阻礙洋薊可溶性成分的溶解析出，與胡春曉等[22]研究結(jié)論一致。故選擇檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.2 液料比對(duì)洋薊SDF 得率的影響

液料比對(duì)洋薊SDF 得率的影響見圖2。

圖2 液料比對(duì)洋薊SDF 得率的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on yield of artichoke SDF

由圖2 可知，隨著液料比的提高，SDF 得率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)液料比為25∶1（mL/g）時(shí)，SDF 得率最高，為19.47%。由于液料比影響傳質(zhì)速率，液料比低，溶液黏稠度高，傳質(zhì)阻力大，適當(dāng)提高液料比，溶液黏稠度降低，傳質(zhì)阻力變小，有利于SDF 的提取[23]。當(dāng)液料比增加到一定的限度，由于檸檬酸量過大對(duì)樣品在溶液中有一定的破壞作用，從而降低SDF 得率。此結(jié)論與胡莉等[24]提取花生桿SDF 研究結(jié)果一致。故選擇液料比為25∶1（mL/g）進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.3 微波時(shí)間對(duì)洋薊SDF 得率的影響

微波時(shí)間對(duì)洋薊SDF 得率的影響見圖3。

圖3 微波時(shí)間對(duì)洋薊SDF 得率的影響Fig.3 The effect of microwave time on the yield of artichoke SDF

由圖3 可知，隨著微波時(shí)間的延長(zhǎng)，SDF 得率先增后減，微波時(shí)間為30 s 時(shí)，SDF 得率最大，為19.74%。因?yàn)槲⒉ㄌ幚頃r(shí)間太短，SDF 不能完全釋放出來，析出不充分，而處理時(shí)間過長(zhǎng)，在高溫高壓環(huán)境下，SDF 分子間化學(xué)鍵斷裂，結(jié)構(gòu)會(huì)受到破壞，從而使SDF 得率下降，與任鑫等[25]對(duì)安梨果渣提取SDF 的分析一致。故選擇微波時(shí)間為30 s 進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.4 微波功率對(duì)洋薊SDF 得率的影響

微波功率對(duì)洋薊SDF 得率的影響見圖4。

圖4 微波功率對(duì)洋薊SDF 得率的影響Fig.4 Effect of microwave power on artichoke SDF yield

由圖4 可知，隨著微波功率的增大，SDF 得率先上升后下降，微波功率為500 W 時(shí)，SDF 得率最大，為19.66%。隨著微波功率的增加，微波熱能會(huì)加快細(xì)胞的破裂，促進(jìn)SDF 進(jìn)入溶劑中，使其一些粗纖維成分被水解為低聚寡糖[26]，導(dǎo)致SDF 得率增大，而微波功率過高時(shí)，SDF 結(jié)構(gòu)會(huì)受到破壞，發(fā)生降解，使SDF 得率下降，與張曉雪等[27]研究分析一致。因此選擇微波功率為500 W 進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面方案設(shè)計(jì)

依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以SDF 得率為響應(yīng)值（Y），檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A）、液料比（B）、微波時(shí)間（C）以及微波功率（D）為因素，按照Box-Behnken 設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 2 Design scheme and results of response surface

2.2.2 響應(yīng)面回歸模型及方差分析

擬合的二次多項(xiàng)式回歸方程：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。方差分析見表3。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

由表3 可知，試驗(yàn)擬合的回歸模型P<0.001，模型失擬項(xiàng)P=0.592 1>0.05，不顯著，說明建模成功。模型決定系數(shù)R2=0.956 5，試驗(yàn)擬合度良好。變異系數(shù)CV=2.49%<5%，模型置信度較高，試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理。該模型中因素A、BC 和CD 交互項(xiàng)以及所有因素的二次項(xiàng)對(duì)SDF 的得率極顯著（P<0.01）；因素C、D 和AD 交互項(xiàng)顯著影響（P<0.05）；因素B、AB、AC 和BD 交互項(xiàng)不顯著（P>0.05），并從F 值可知各因素對(duì)SDF 得率的影響順序：A>C>D>B。

2.2.3 響應(yīng)面分析

不同因素交互作用的等高線圖和響應(yīng)面見圖5。等高線圖形越接近橢圓以及響應(yīng)曲面坡度越彎曲陡峭，交互作用越顯著，否則不顯著[28]。

圖5 檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和液料比交互作用Fig.5 Interaction between citric acid mass fraction and liquidsolid ratio

由圖5 可知，檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和液料比的等高線近似圓形，響應(yīng)面曲面較平緩，兩者之間交互作用不顯著。固定一因素不變，隨著A 或B 的增大，SDF 得率都呈先增大后減小趨勢(shì)，且A 響應(yīng)曲面的變化比B 陡峭，同時(shí)沿著A 因素向峰值方向移動(dòng)的等高線密度比B 密集，則對(duì)SDF 得率的影響：A>B，與表3 對(duì)應(yīng)結(jié)果一致。

液料比和微波時(shí)間交互作用等高線圖和響應(yīng)面見圖6。

圖6 液料比和微波時(shí)間交互作用Fig.6 Interaction between liquid-solid ratio and microwave time

由圖6 可知，液料比和微波時(shí)間等高線為橢圓形，3D 曲面較陡，表明兩者交互作用極顯著。固定一因素不變，隨著B 或C 的增大，SDF 得率先增大后減小，且C 的響應(yīng)曲面較陡峭，同時(shí)沿著C 因素向峰值方向移動(dòng)的等高線密度更密集，則對(duì)SDF 得率影響程度：C>B，與表3 對(duì)應(yīng)結(jié)果一致。

微波時(shí)間和微波功率交互作用等高線圖和響應(yīng)面見圖7。

圖7 微波時(shí)間和微波功率交互作用Fig.7 Interaction between microwave time and microwave power

檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和微波時(shí)間交互作用等高線圖和響應(yīng)面見圖8。

圖8 檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和微波時(shí)間交互作用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線圖和響應(yīng)面見圖9。

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

檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和微波功率交互作用等高線圖和響應(yīng)面見圖10。

圖10 檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和微波功率交互作用Fig.10 Interaction between citric acid mass fraction and microwave power

由圖7、圖8、圖9 和圖10 比較其交互作用對(duì)洋薊SDF 得率的影響：微波時(shí)間和微波功率交互作用極顯著，其影響程度：C>D；檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和微波時(shí)間交互作用不顯著，其影響程度：A>C；微波功率和液料比交互作用不顯著，其影響程度：D>B；檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和微波功率交互作用較顯著，其影響程度：A>D。綜上可知，各因素對(duì)SDF 得率的影響順序：A>C>D>B，均與表3 方差分析對(duì)應(yīng)結(jié)果一致。

2.2.4 最佳工藝條件與驗(yàn)證

由擬合模型方程得到最佳條件：檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.19%、液料比25.5∶1（mL/g）、微波時(shí)間33.05 s、微波功率467.86 W，該條件下擬合得到SDF 得率預(yù)測(cè)值19.84%。根據(jù)試劑情況實(shí)際操作將工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得出檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、液料比25∶1（mL/g）、微波時(shí)間30 s、微波功率500 W，進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)，此條件下SDF 得率平均值為19.37%，與模型預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差僅0.44%<1%，驗(yàn)證該擬合模型可行。

2.3 洋薊膳食纖維組分分析

洋薊膳食纖維成分含量見表4。

表4 洋薊膳食纖維成分含量Table 4 Dietary fiber content of artichoke g/100 g

由表4 可知，普通粉碎和超微粉碎-微波協(xié)同改性處理后洋薊膳食纖維主要成分中，水分含量、蛋白質(zhì)、粗脂肪以及灰分?jǐn)?shù)值不大，而超微粉碎-微波處理的SDF 含量遠(yuǎn)高于普通粉碎，IDF 低于普通粉碎。因?yàn)樵诔⒎鬯檫^程中，粉碎的振動(dòng)頻率快，使SDF 分子間化學(xué)鍵斷裂，例如氫鍵，這使SDF 分子之間結(jié)構(gòu)變松散，水溶性增加[29]，再結(jié)合微波輔助，加快細(xì)胞破裂，促進(jìn)SDF 分子在溶劑中充分反應(yīng)，一些粗纖維成分、木質(zhì)素被水解為低聚寡糖，進(jìn)而IDF 含量減少，SDF 得率增大。

2.4 掃描電鏡顯微結(jié)構(gòu)分析

圖11 為未處理（普通粉碎）和超微-微波協(xié)同改性后洋薊SDF 放大不同倍數(shù)的微觀結(jié)構(gòu)。

圖11 洋薊SDF 的微觀結(jié)構(gòu)Fig.11 Microstructure of artichoke SDF

由圖11 可以看出，在放大500 倍下，普通粉碎得到的洋薊SDF，內(nèi)部由較多的纖維連接，各部分成塊狀，更像一個(gè)整體，粉碎得不徹底，而在超微納米高速機(jī)械剪切力的作用下，洋薊SDF 呈現(xiàn)不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)，且顆粒尺寸減小，同時(shí)受到微波熱能的影響，破壞一些細(xì)胞結(jié)構(gòu)，表面出現(xiàn)褶皺，凸凹不平的多孔結(jié)構(gòu)。在放大10 000 倍條件下，更明顯可看到普通粉碎的顆粒大且不均勻，經(jīng)超微粉碎-微波改性后，洋薊SDF 顆粒明顯減小,蜂窩狀小孔充分暴露，由于改性條件下，一些粗纖維成分和木質(zhì)素被水解，孔隙率和孔隙增大，比表面積增加，更多的親水和親油基團(tuán)外露[30]，進(jìn)而影響洋薊SDF 的理化性質(zhì)。

3 結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化超微粉碎-微波改性提取洋薊SDF 的最佳工藝條件為檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、液料比25∶1（mL/g）、微波時(shí)間30 s 和微波功率500 W，此條件下洋薊SDF 得率為19.37%。各因素對(duì)SDF 得率的影響程度：A（檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)）>C（微波時(shí)間）>D（微波功率）>B（液料比）。

與普通粉碎相比，復(fù)合改性處理后的水分、蛋白質(zhì)、粗脂肪和灰分無(wú)明顯變化，IDF 含量減少，而SDF含量增加約199%，部分IDF 改性為SDF。通過掃描電鏡分析，復(fù)合改性處理后表面形貌發(fā)生明顯變化，顆粒尺寸減小、疏松多孔、比表面積增加，為后續(xù)探究洋薊SDF 的理化性質(zhì)奠定基礎(chǔ)，也為洋薊副產(chǎn)物的高效利用和新產(chǎn)品開發(fā)提供了依據(jù)。