香芋皮水溶性膳食纖維超聲提取及其結構表征

陳秋娟 ，謝微*，韋師 ，陳隆志，謝軍琳，胡月芳

1. 賀州學院材料與化學工程學院（賀州 542899）；2. 廣西碳酸鈣資源綜合利用重點實驗室（賀州 542899）；3. 賀州學院食品科學與工程技術研究院（賀州 542899）

膳食纖維（DF）主要包括多糖、低聚糖、木質素，以及其他對人體有益的植物組織[1]，被列為七大營養素之一[2]。根據其溶解性可分為水溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）。隨著生活水平提高、飲食日趨精細，忽略膳食營養的平衡性，容易引發肥胖和高血壓、高血糖、高血脂等問題[3]。研究表明，膳食纖維具有降低血糖與血脂[4-5]，調節血壓和預防腸胃疾病等功效[6-7]，膳食纖維食品成為食品工業的一個主要發展方向[8]，所以尋找合適的原料進行膳食纖維的開發和利用顯得尤為重要。

賀州香芋是賀州市八步區的傳統名牌產品，在香芋加工過程中，香芋皮大都被作為廢棄物丟棄，造成嚴重的資源浪費和環境污染。香芋皮的研究主要集中在吸附金屬作用，而利用香芋皮提取膳食纖維的研究鮮有報道。膳食纖維的提取與開發是再利用香芋皮的一條有效途徑。

試驗以香芋皮為原料制備膳食纖維，對香芋皮SDF的持水力和持油力進行研究分析，通過紅外光譜分析、X射線衍射、掃描電子顯微鏡和熱重分析測定其結構，為香芋皮水溶性膳食的開發與利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與設備

香芋皮（市售）：清洗干凈于烘箱中80 ℃烘干8 h后粉碎，加適量乙酸乙酯脫脂，抽濾，烘干，加5%過氧化氫脫色，烘干后置于干燥得到香芋皮粗樣品（TS），密封保存備用。

鹽酸、乙酸乙酯、過氧化氫、正丁醇、三氯甲烷、無水乙醇（均為分析純，西隴化工股份有限公司）；電子天平（JJ500，常熟市雙杰測試儀器廠）；pH計（ST2100，奧豪斯儀器（常州）有限公司）；掃描電子顯微鏡（SEM）（JSM-7610F，日本JEOL）；傅里葉紅外光譜儀（FTIR）（Spectrum Two，Perkin Elmer公司）；X射線衍射儀（XRD，日本ULTIMA IV公司）；熱重儀（TGA）（TGA 4000，Perkin Elmer公司）。

1.2 香芋皮膳食纖維提取流程

香芋皮粗樣品（TS）→加入pH 4的HCl溶液→超聲→抽濾→濾液濃縮→加入Sevag（正丁醇與三氯甲烷體積比1︰4）溶液除蛋白→抽濾→加入4倍體積的無水乙醇→抽濾→烘干得到SDF→計算SDF提取率

1.3 單因素試驗

單因素試驗中分別考察提取劑種類（HCl，H2SO4，CH3COOH和NaOH）、料液比（1︰20，1︰25，1︰30，1︰35，1︰40，1︰45和1︰50 g/mL）、超聲時間（10，20，30，40，50，60和70 min）、溫度（30，40，50，60和70 ℃）、浸提劑pH（2，3，4，5和6）對香芋皮水溶性膳食纖維提取率的影響。

1.4 膳食纖維提取率的計算

式中：m為原樣品質量，g；m1為干燥后SDF質量，g。

1.5 香芋皮水溶性膳食纖維的性質及結構分析

1.5.1 持水力的測定

參照文獻[9]，稱取0.5 g SDF與IDF，置于80 mL燒杯中，加入20 ℃純水10 mL，在常溫下浸泡1 h，用定量濾紙自然濾去水分，快速轉入表面皿上并稱質量，平行試驗3次，取平均值。用式（2）計算持水力。

式中：m2為樣品濕質量，g；m1為樣品干質量，g。

1.5.2 持油力的測定

參照文獻[10]，稱取0.5 g SDF與IDF，置于15 mL離心管中，加入5 mL食用花生油，靜置1 h后攪拌均勻，在3 500 r/min的速度下離心30 min，除去上層清液，用濾紙把離心管內多余的油脂吸干，靜置5 min后稱量殘渣的質量，平行試驗3次，取平均值。用式（3）計算持油力。

式中：m3為吸附后樣品質量；m1為樣品干質量，g。

1.5.3 紅外光譜分析

分別取適量干燥過后的SDF與溴化鉀混合，研磨細后制片，在400～4 000 cm-1區間上進行紅外光譜掃描分析。

1.5.4 SDF掃描電鏡觀察

將SDF粉碎后，采用離子濺射方法噴金，通過掃描電子顯微鏡對制備好的樣品進行分析、觀察，得到相應的掃描電鏡照片。

1.5.5 X射線衍射分析

將SDF進行干燥、粉碎，隨后將樣品均勻灑入框內，略高于框板面，并用不銹鋼片壓實樣品，確保樣品緊密平整且表面光滑，與框緊密結合，將樣品框插在測角儀中心的底座上，進行測試。

1.5.6 熱重分析

將最佳提取條件提取出來的SDF放入到熱重分析儀中，在100～650 ℃內以一定速率升高溫度。

2 結果與分析

2.1 浸提劑對香芋皮水溶性膳食纖維提取率的影響

分別稱取4份1 g香芋皮粗樣品，放入4個80 mL燒杯中，分別加入pH 4的HCl、H2SO4、CH3COOH和pH 9 NaOH，料液比1︰30（g/mL），超聲30 min，抽濾，濾渣洗至中性后烘干稱量，計算IDF提取率。濾液濃縮、除蛋白后加入4倍體積無水乙醇，沉淀8 h后抽濾，烘干稱量，計算SDF提取率；平行試驗3次，取平均值。

由圖1可知，采用鹽酸作為提取劑，得到的SDF提取率最高，醋酸最為浸提劑得到的SDF提取率最低。因此，試驗選擇鹽酸作為浸提劑。

圖1 浸提劑對SDF提取率的影響

2.2 料液比對香芋皮水溶性膳食纖維提取率的影響

分別稱取7份1 g香芋皮粗樣品，置于100 mL燒杯中，分別加入料液比1︰20，1︰25，1︰30，1︰35，1︰40，1︰45和1︰50（g/mL）的HCl溶液，在超聲時間30 min、浸提溫度40 ℃、浸提劑pH 4條件下考察不同料液比對膳食纖維提取率的影響。結果如圖2所示。

由圖2可知，料液比在1︰20～1︰40（g/mL）時水溶性膳食纖維的提取率呈上升趨勢，料液比1︰40（g/mL）時提取率達到最大，1︰40（g/mL）后再增大料液比時，水溶性膳食纖維提取率反而開始程下降趨勢，這可能是因為料液比1︰40（g/mL）時，酸的量足夠，如果加入更多的酸，會對可溶性膳食纖維產生降解作用[11]，因此最佳料液比為1︰40（g/mL）。

2.3 超聲時間對香芋皮水溶性膳食纖維提取率的影響

分別稱取7份1 g香芋皮粗樣品，置于100 mL燒杯中，在料液比1︰40（g/mL），浸提溫度40 ℃，浸提劑pH 4條件下，考察超聲時間10，20，30，40，50，60和70 min對膳食纖維提取率的影響。結果如圖3所示。

結果顯示，在超聲時間在10～30 min時，水溶性膳食纖維提取率上升明顯；超聲時間30 min時，提取率達到最大；增加超聲時間，水溶性膳食纖維提取率變化稍下降，后漸趨于平穩。因此最佳超聲時間為30 min。

圖2 料液比對水溶性膳食纖維提取率的影響

圖3 超聲時間對水溶性膳食纖維提取率的影響

2.4 溫度對香皮水溶性膳食纖維提取率的影響

分別稱取5份1 g香芋皮粗樣品，置于100 mL燒杯中，在料液比1︰40（g/mL），超聲時間30 min，浸提劑pH 4條件下考察浸提溫度30，40，50，60和70 ℃對膳食纖維提取率的影響。結果如圖4所示。

結果顯示，溫度對水溶性膳食纖維的影響比較明顯，在浸提溫度30～50 ℃之間，水溶性膳食纖維的提取率快速上升；到50 ℃時達到最大；溫度超過50 ℃后，水溶性膳食纖維的提取率開始緩慢下降，這可能是因為過高的溫度使鹽酸的揮發加快，使得浸提劑中的鹽酸含量降低，從而導致細胞壁破壞效率下降，水溶性膳食纖維的提取率趨于平穩。因此最佳浸提溫度為50 ℃。

2.5 pH對香芋皮水溶性膳食纖維提取率的影響

分別稱取7份1 g香芋皮粗樣品，置于100 mL燒杯中，在料液比1︰40（g/mL），超聲時間30 min，浸提溫度50 ℃條件下考察浸提劑pH 2，3，4，5，6，7和8對膳食纖維提取率的影響。結果如圖5所示。

結果顯示，浸提劑的pH對水溶性膳食纖維的提取率有明顯影響，香芋皮水溶性膳食纖維提取率隨著pH上升而快速上升，pH 4時水溶性膳食纖維的提取率最大，達到6%；pH大于4后，水溶性膳食纖維的提取率反而下降。這可能是果膠質的水解是在一定酸性條件下發生，如果鹽酸濃度過高，水解反應將會進行得很激烈，導致果膠脫脂裂解[12-13]，從而影響水溶性膳食纖維提取率；鹽酸濃度低，水解反應將會變得很緩慢，甚至不發生反應，因此水溶性膳食纖維提取率會下降。因此試驗選擇最佳pH為4。

綜上，確定提取香芋皮SDF適宜條件為：提取溶劑采用鹽酸、料液比1︰40（g/mL）、超聲時間30 min、反應溫度50 ℃、反應pH 4.0，此條件下SDF提取率可達6.0%。

圖4 溫度對水溶性膳食纖維提取率的影響

圖5 pH對水溶性膳食纖維提取率的影響

2.6 香芋皮水溶性膳食纖維理化性質結果分析

持水力越大，其生理活性越好。持水力與糖尿病、“三高”等疾病的預防和治療有重要關系，因此測定其幾個性質，可以看出其是否能夠較好被人體多利用[14]。評價膳食纖維的持油能力在食品加工領域及維持人體健康方面具有重要意義[15]。持油能力越高，表明膳食纖維抑制食品中脂肪流失的能力越高[16]，也表明膳食纖維降低血液中膽固醇的能力越高[17]。試驗對最佳條件工藝條件下制得的香芋皮水溶性膳食纖維進行持水力、持油力的測定。結果為：持水力2.12 g/g，持油力1.68 g/g。

潘虹等[18]以蓮藕渣為原料提取SDF的持水力為2.28 g/g。鞠健等[19]采用超聲法制備得到的山藥皮SDF，測其持水力和持油力分別為2.01和1.27 g/g。羅磊等[20]提取的綠豆皮SDF持油力為1.42 g/g。說明試驗所得香芋皮SDF具有很好的持水力和持油力。持水力和持油力較高的SDF容易使人產生飽腹感，降低食欲，進而控制肥胖，并能刺激腸道蠕動，將糞便中的有害物質及時排出體外，減少腸道癌、痔瘡等患病的風險。因此，香芋皮SDF是一種優良膳食纖維，可作為添加劑應用于食品加工。

2.7 紅外光譜分析

物質的紅外光譜吸收峰位移和強度與原子振動頻率、化學組成和化學鍵的類型密切相關。圖6顯示，約2 927 cm-1處有一個不明顯的波峰，為糖類亞甲基C—H的反對稱伸縮振動[21]。1 460～1 350 cm-1處的吸收峰為—OH的變性振動，表明該組分為多聚糖，含末端甲基類單糖[22]。約1 027和1 186 cm-1處存在較大吸收峰，是由C—O—C環內醚中C—O伸縮振動和C—O—H變角振動，也是多糖類的特征吸收峰[23]。1 620 cm-1處可能為糖分子C＝O伸縮振動吸收峰[24]，這說明可能含有糖醛酸[22]。在約3 264 cm-1處出現明顯寬峰，為—OH伸縮振動峰，說明分子結構存在分子間氫鍵。893和667 cm-1是糖分子β-型的C—H直立鍵的變角振動吸收[8]?？傮w分析，香芋皮SDF的紅外光譜具有纖維素多糖的特征吸收峰。

圖6 SDF紅外光譜圖

2.8 X射線衍射分析

圖7 顯示，香芋皮SDF有著較好的結晶區[25]，在掃描角度2θ為21°左右處有明顯的結晶衍射峰，同時在2θ為32°處也有衍射峰，這些峰表明SDF具有纖維素I型的X射線衍射曲線特征[26]，說明香芋皮SDF的晶型與其他植物源的膳食纖維相同，未引入新的晶型。

2.9 香芋皮SDF超微結構分析

對香芋皮SDF進行超微結構分析，分別在不同放大倍數下掃描，得到掃描電子顯微鏡圖，如圖8所示。

從圖8可以看出其結構疏松，帶有明顯的小片狀結構，且顆粒較小，幾乎沒有球狀淀粉，可見膳食纖維含量高，經優化提取已去除淀粉和大部分蛋白[9]。從超微結構分析可推測，超聲法得到的香芋皮SDF純度高。

圖7 SDF的X射線衍射圖

圖8 SDF的掃描電子顯微鏡圖

2.10 香芋皮SDF的熱重分析

如圖9所示，SDF的熱分解曲線分為4個階段：干燥階段、預碳化階段、碳化階段、燃燒階段。SDF干燥階段溫度范圍為30～106.12 ℃，失重率為5.35%。這個階段主要為SDF分子內自由水、結晶水的失去，這一階段不會影響其化學組成。預碳化階段溫度范圍為106.12～230.02 ℃，失重率為1.5%，這是一個過渡階段，主要為大分子物質逐漸解聚的一個緩慢過程。碳化階段的溫度范圍為230.02～569.41 ℃，失重率為78.6%，主要是SDF分子發生熱解反應造成的[27]。溫度高于569.41 ℃，碳化階段結束進入燃燒階段。從熱重分析可以看出，香芋皮SDF在100 ℃以下是穩定的，有較好熱穩定性。

圖9 SDF的TG曲線圖

3 結論

研究以香芋皮為原料，采用超聲法提取SDF。確定超聲提取香芋皮SDF制備條件：料液比1︰40（g/mL）、超聲時間30 min、反應溫度50 ℃、反應pH 4.0。此條件下SDF提取率可達6.0%，具有較好持水性和持油性。通過紅外光譜、SEM、XRD、TGA對SDF進行表征，證明所得香芋皮SDF純度較高，具有不規則片狀結構，為纖維素I型，熱穩定性較好。后續將對SDF生理功能進行探究，為香芋皮有效利用提供理論依據。