碳酸鈉和鹽酸法提取蕎麥殼中水不可溶性膳食纖維的對比研究

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(1.成都大學醫學院,四川成都 610106;2.成都大學農業農村部雜糧加工重點實驗室,四川成都,610106)

蕎麥是我國具有藥食同源性的重要農作物,蕎麥殼是蕎麥加工過程中的主要副產物,蕎麥殼含水分、蛋白質、色素、Klason木質素、脂肪、黃酮類化合物、膳食纖維、單糖、淀粉等成分[1-4],其中脂肪、蛋白質、淀粉等成分易被酸性或堿性液降解。膳食纖維則包括水溶性膳食纖維(Water-soluble dietary fiber,SDF)和水不溶性膳食纖維(Water-insoluble dietary fiber,IDF)。蕎麥殼不僅是營養豐富的優質飼料,其提取物中豐富的水不溶性膳食纖維[5]還具有一定的抗氧化、抗癌變、促進胃腸蠕動、調節消化功能、防止便秘等功效[6],水不溶性膳食纖維中主要含有木質素、半纖維素等,易被纖維素酶等物質降解,當酸堿液的條件過于劇烈時,也可一定程度上促進其分離降解?，F代流行病學有研究表明,高纖維膳食有利于預防肥胖癥、糖尿病、高血壓、高脂血癥、冠心病和惡性腫瘤等不合理膳食引起的相關疾病的發生,因此從蕎麥殼中提取膳食纖維成為目前各國研究與開發的熱點。

隨著提取工藝的不斷發展[7-9],醫學界、營養學界和食品工業界進行了大量研究,蕎麥殼的藥食同源特性被不斷的挖掘,邵宏等[10]通過以蕎麥殼提取物干預調節脂肪代謝和能量代謝的主要因子PPARγ的生物學作用,發現蕎麥殼提取物有抑制干細胞成脂化的作用。李富華[11]提出苦蕎麩皮酚類提取物對人結腸癌細胞(Caco-2)和人肝癌細胞(HepG2)表現出一定的抗增殖作用以及通過清除細胞內的DPPH自由基,而表現出抗氧化作用。王昱儒等[12]利用此特性以蕎麥殼麩皮中的提取物制備殼聚糖復合膜并證明其有良好的抑菌效果。最新有關蕎麥殼研究進展也表示蕎面殼提取物有通過降低某些蛋白的表達如SCr、SUA、IL-6和IL-1β等,而具有治療糖尿病性腎病的作用[13]。蕎麥殼中除含有抗氧化的多種活性成分外,還含有大量的膳食纖維[14]。潘建剛等[15]以NaOH提取蕎麥殼中的IDF,并且提出最佳提取條件是料液比1∶15.5 g/mL,堿解時間60 min,堿解溫度45 ℃,NaOH濃度4%,孟雪梅[16]分析了蕎麥整株中各部位的組分以及活性物質,研究發現蕎麥殼中的IDF含量達70%。馬嫄等[17]嘗試以酸法提取鷹嘴豆中的IDF,得率達到55.81%,郭金喜[18]以酸法提取蕎麥殼中的IDF,其得率達到69.25%,可以看出,酸法提取IDF在現有研究中的得率普遍不高[19-21],而現在卻很少有以酸法提取蕎麥殼中IDF的報道[22],且隨著人們健康意識加強,對于膳食纖維的需求增高,從蕎麥殼中高效提取膳食纖維成為當前研究熱點。

由于目前有關蕎麥殼水不溶性膳食纖維的研究仍處于低水平階段,存在提取率低[23-24]、有效利用形式單一、資源浪費等現象[25]。為此,本課題提出以HCl和以Na2CO3為提取試劑提取蕎麥殼IDF,并且得出最佳的提取條件,測定最佳條件下提取的IDF的持水力、膨脹力以及最終得率,并對其結果進行描述,旨在為蕎麥殼中有效組份的提取提供更多的選擇與思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蕎麥殼(Buckwheat valvulis exemptae) 四川涼山天津愛點食品有限公司;Na2CO3分析純,天津市致遠化學試劑有限公司;HCl、丙酮 分析純,重慶川東化工(集團)有限公司化學試劑廠;無水乙醇 95%,新泰市潤生醫療衛生用品有限公司。

FW-100粉碎機 北京市永光明醫療儀器有限公司;Al204-IC分析天平電子天平 上海梅特勒-托利多儀器有限公司;HH-S電熱恒溫數顯水浴鍋 上海博迅實業有限公司;SC-3616低速離心機 安徽中科中佳科學儀器有限公司;DHG-9245A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海齊欣科學儀器有限公司;SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備 實驗樣品均為蕎麥殼粉,是通過將蕎麥殼樣品放置于45 ℃的恒溫干燥箱中,持續干燥2 h,粉碎機粉碎過40目篩得到。

1.2.2 Na2CO3堿提法 取每份蕎麥粉樣品3 g共4份,每份3個平行,按照一定的料液比,加入一定質量分數的Na2CO3溶液,置于一定溫度恒溫水浴中,攪拌1 h,離心分離(1200 r/min,20 min),濾渣分別用無水乙醇、丙酮洗滌兩次。45 ℃干燥至恒重,粉碎,過60目篩,得到蕎麥殼IDF。分別測定其得率、持水力、溶脹力。

1.2.3 HCl酸提法 取每份蕎麥殼粉樣品3 g共4份,每份3個平行,按照一定料液比,加入一定體積分數的HCl溶液,置于一定溫度恒溫水浴中,攪拌一定時間,離心分離(1200 r/min,20 min),濾渣用每次5 mL無水乙醇,每次5 mL丙醇洗滌兩次,干燥粉碎,得到蕎麥殼IDF。分別測定其得率、持水力、溶脹力。

1.2.4 蕎麥殼IDF得率、水合性能的測定 IDF水合性質包括持水力和膨脹力,水合性質是否優良也是蕎麥殼IDF品質的重要因素之一。以試驗所得IDF為原料分別測定其持水力和膨脹力。

蕎麥殼IDF得率(g/g)=所得的IDF(g)/所用的蕎麥殼(g)。

持水力的測定:參考Esposito 等[26]的方法,稱取經粉碎過60目篩的IDF 1.0 g于50 mL燒杯中,加入20 mL的蒸餾水浸泡1 h,用真空泵抽濾機抽濾至不再有液體流出,將濾渣轉移到表面皿稱重,按以下公式計算持水力。

持水力(g/g)=[樣品濕重(g)-樣品干重(g)]/樣品干重(g)。

膨脹力的測定:參考Femenia等[27]的方法,稱取IDF 0.1 g置于10 mL量筒中,用移液管準確稱取5 mL蒸餾水加入其中,震蕩均勻后在室溫下放置24 h,讀取量筒中纖維物料體積數,按以下公式計算膨脹力。膨脹力(mL/g)=[膨脹后纖維體積(mL)-干品體積(mL)]/樣品干重(g)。

1.2.5 單因素實驗

1.2.5.1 Na2CO3堿提法提取蕎麥殼IDF的單因素實驗 確定加入質量分數為6%的Na2CO3溶液,堿解溫度為60 ℃,分別在料液比為1∶9、1∶11、1∶13、1∶15 g/mL的條件下,堿解40 min,研究料液比對提取效果的影響。得到的最終產物測定其持水力和膨脹力,并計算其得率。

確定以1∶14 g/mL的料液比,加入Na2CO3水溶液,Na2CO3質量分數分別為6%、8%、10%、12%,于60 ℃攪拌分解40 min,研究Na2CO3質量分數對提取效果的影響。得到的最終產物測定其持水力和膨脹力,并計算其得率。

確定以1∶14 g/mL的料液比,加入6% Na2CO3水溶液分別在20、40、60、80 ℃條件下攪拌40 min,研究堿解溫度對提取效果的影響。得到的最終產物測定其持水力和膨脹力,并計算其得率。

確定加入質量分數為6%的Na2CO3溶液,堿解溫度設為60 ℃,料液比為1∶14的條件下,分別堿解20、40、60、80 min,研究堿解時間對提取效果的影響。得到的最終產物測定其持水力和膨脹力,并計算其得率。

1.2.5.2 HCl酸浸法提取蕎麥殼IDF的單因素實驗 確定以1∶14 g/mL的料液比,加入HCl溶液,溫度為40 ℃,設置pH分別1、2、3、4,酸提100 min,研究酸解pH對提取效果的影響。得到的最終產物測定其持水力和膨脹力,并計算其得率。

確定以1∶14 g/mL的料液比,加入HCl溶液,調節溶液pH為3,分別在20、40、60、80 ℃條件下,酸浸100 min研究酸解溫度對提取效果的影響。得到的最終產物測定其持水力和膨脹力,并計算其得率。

調節溶液pH為3,溫度為 40 ℃,分別以料液比為1∶9、1∶11、1∶13、1∶15 g/mL酸浸100 min,研究酸解料液比對提取效果的影響。得到的最終產物測定其持水力和膨脹力,并計算其得率。

調節溶液pH為3,溫度設為40 ℃,料液比為1∶14 g/mL的條件下,分別酸解60、80、100、120 min,研究酸解時間對提取效果的影響。得到的最終產物測定其持水力和膨脹力,并計算其得率。

1.2.6 正交試驗 根據相關文獻[28-29]及單因素考察結果,綜合考慮得率、持水力、膨脹力等指標,確定試劑質量分數(%)或pH、提取時間(min)、提取溫度(℃)、提取料液比(g/mL)的3個合適的水平進行 L9(34)正交試驗,最終以IDF膨脹力、持水力作為正交實驗的評價指標,得率作為重要的輔助參考指標,采用多指標正交試驗綜合評分法,對評價指標采用排隊評分法,以尋找提取蕎麥殼IDF的最佳工藝條件。

1.2.6.1 堿法正交試驗 根據單因素試驗結果,選取堿解溫度(A)、Na2CO3質量分數(B)、堿解時間(C)、料液比(D),采用正交實驗設計L9(34),以膨脹力、持水力為評價指標,進一步探究Na2CO3提取蕎麥殼IDF最佳工藝條件。正交實驗設計水平見表1。

表1 堿法正交實驗因素水平Table 1 Levels and factors of orthogonal experimental by alkali method

1.2.6.2 酸法正交試驗 基于單因素試驗,選取HCl的pH(A)、酸解溫度(B)、酸解時間(C)、料液比(D)四個因素的3個水平的膨脹力、持水力,采用正交試驗設計L9(34),以膨脹力、持水力為評價指標,進一步探究酸法提取蕎麥殼的最佳工藝條件,正交試驗設計水平見表2。

表2 酸法正交試驗因素水平Table 2 Levels and factors of orthogonal test by acid method

1.3 數據處理

每次試驗重復3次,單因素試驗結果采用Microsoft Excel 2010作圖,采用軟件SPSS Statistics V17.0進行統計學分析。

2 結果與分析

2.1 Na2CO3堿提法提取蕎麥殼IDF的單因素實驗

2.1.1 料液比的確定 如圖1所示,當料液比逐漸增大時,蕎麥殼中的蛋白質與脂肪等成分溶解得越來越充分,最終所得濾渣質量越來越小,當料液比在1∶11～1∶15 g/mL時,所得產物質量趨于平緩,此時考慮蕎麥殼中的脂肪、蛋白質、淀粉等物質被堿液逐步降解,產物中的IDF比例達到最高,當液體量持續增多,得率變化不明顯,甚至有下降的趨勢,可能是蕎麥殼中IDF與提取液的接觸面積變大,促進了IDF中的半纖維素的降解。觀察此時膨脹力和持水力,隨著液體料的增加,其水合性能呈現先增大后降低的趨勢,但總體波動范圍不大,則在1∶11～1∶15 g/mL區間內存在一個最佳的料液比,使得蕎麥殼中的淀粉、脂肪、蛋白等成分降解相對完全,IDF在產物中所占的比列達到最佳最穩定的狀態,并且使得IDF的水合性能達到最佳,故選擇了料液比在1∶11～1∶15 g/mL進行正交試驗,以探究提取最佳的料液比。

圖1 堿提法料液比對得率、持水力、膨脹力的影響Fig.1 Effect of the ratio of feed to liquid on the yield,water holding capacity and swelling power by the alkaline extraction method

2.1.2 Na2CO3質量分數的確定 結果如圖2,一開始由于提取液的堿性低,提取條件的不佳,蕎麥殼中的蛋白質、脂肪、淀粉等物質的降解不完全,所得終產物質量大,根據得率的計算公式,得出此時得率在數值上顯得很大的結論,但是由于此時產物中除了IDF還有其他雜質,故此時并不是提取IDF的最佳提取條件。隨著Na2CO3的質量分數不斷增大,得率逐漸降低,當Na2CO3的質量分數在8%～10%之間時,得率下降平緩,此時蕎麥殼中的蛋白質、脂肪等物質充分堿解,當Na2CO3質量分數達到10%以上,IDF得率繼而下降,由于提取液的堿性增強,IDF中的纖維素和半纖維素被破壞,從不可溶性膳食纖維中析出?？紤]膨脹力、持水力等水合性能的指標,在Na2CO3的質量分數在8%～12%之間時,其水和性能呈現先升高后降低的總體趨勢,并且當質量分數為12%時,其水合性能在數值上與8%時幾乎沒有差異,為了避免因區間選擇的狹窄,而錯過提取的最佳Na2CO3質量分數,故選擇了8%～12%為正交試驗的條件范圍。

圖2 堿提法Na2CO3質量分數對得率、持水力、膨脹力的影響Fig.2 Effect of Na2CO3 mass fraction on yield,water holding capacity,and swelling power by alkaline extraction method

2.1.3 堿解溫度的確定 結果如圖3所示,一開始由于溫度低,蛋白質、脂肪的堿解不充分,得率高,隨著堿解溫度逐漸增高,蕎麥殼堿解逐漸充分,得率逐漸降低,當溫度保持在40～60 ℃時,得率穩定在一定范圍,此時所得產物中IDF的比例達到最高,若溫度進一步升高超過60 ℃,得率繼續下降,可能與IDF中纖維素與半纖維素的溶出有關。綜合考慮IDF的水合性能,在40～80 ℃間,水合性能先增高后降低,但是80 ℃時,其水合性能在數值上仍大于40 ℃,為避免因范圍選擇的狹隘,錯過提取的最佳溫度,正交試驗的范圍確定在了40～80 ℃。

圖3 堿提法溫度對得率、膨脹力、持水力的影響Fig.3 Effect of alkaline extraction temperature on yield,swelling power,and water holding capacity by alkaline extraction method

2.1.4 堿解時間的確定 結果如圖4,可知隨著堿解時間的延長,得率逐漸降低,當堿解40～60 min時,得率趨于平緩,此時提取時間達到最佳范圍。隨著堿解時間的延長,得率再一次下降,故堿解時間應選取在40～60 min為宜。綜合水合性能的指標,基于以上同樣的考慮,正交試驗的范圍選擇在40～80 min。

圖4 堿提法時間對得率、膨脹力、持水力的影響Fig.4 Effect of alkaline extraction time on yield,swelling power and water holding capacity by alkaline extraction method

2.2 HCl酸浸法提取蕎麥殼IDF的單因素實驗

2.2.1 酸解pH參數的確定 結果如圖5所示,可知當pH為1時,浸提液的酸性強,蕎麥殼中各組分被酸解,過濾后所得產物質量低,IDF得率也偏低,隨著pH逐漸加大,得率也不斷增加,當pH為3時,得率達到最大,隨著pH繼續加大,得率持續降低,結合水合性能的指標,當pH為2時,其水合性能達到峰值,當pH為3～4時,水合性能似乎有上升的趨勢,為進一步確定最佳工藝條件,正交試驗范圍選擇pH為2～4為宜。

圖5 酸解法HCl的pH對得率、膨脹力、持水力的影響Fig.5 Effect of pH of HCl on yield,swelling power and water holding capacity by acid hydrolysis

2.2.2 酸解溫度的確定 如圖6可知,當溫度偏低時,得率偏高,可能是由于蕎麥殼內蛋白質、脂肪等物質溶解不充分,隨著溫度升高,蛋白質、脂肪等組分溶解增多,得率逐漸下降,達到40～60 ℃時,得率趨于平緩,波動不大,當溫度繼續升高,不可溶性纖維中的纖維素與半纖維素被破壞而析出,得率持續下降。綜合考慮IDF水合性能,40～80 ℃時,總體波動不大,60～80 ℃時,雖然水合性能呈現了輕微的下降趨勢,但80 ℃時的水合性能在數值上仍優于40 ℃,故正交試驗的范圍選擇在40～80 ℃。

圖6 酸解法溫度對得率、膨脹力、持水力的影響Fig.6 Effect of acid hydrolysis temperature on yield,swelling power and water holding capacity by acid hydrolysis

2.2.3 酸解料液比的確定 結果如圖7可知,當料液比為1∶11～1∶13 g/mL之間時,得率波動不大,但綜合考慮水合性能,擴大正交試驗的選擇范圍,選擇在1∶11～1∶15 g/mL。

圖7 酸解法料液比對得率、膨脹力、持水力的影響Fig.7 Effect of material-to-liquid ratio on yield,swelling power and water holding capacity by acid hydrolysis

2.2.4 酸解時間的確定 結果如圖8可知,隨著酸浸時間的延長,得率逐漸降低,當酸浸時間在80～100 min時,得率相對保持穩定,當酸浸時間再延長,得率再次下降。故選擇酸浸時間以80～100 min為宜。同樣,雖然100～120 min時,水合性能總體呈現下降趨勢,但120 min時的水合性能仍然比80 min時高,綜合考慮,正交試驗范圍將選取在80～120 min。

圖8 酸解法時間對得率、膨脹力、持水力的影響Fig.8 Effect of acid hydrolysis time on yield,swelling power,and water holding capacity

2.3 Na2CO3堿提法提取蕎麥殼IDF的正交試驗

由堿法正交試驗結果表3可知,在Na2CO3浸提法提取蕎麥殼IDF實驗的影響因素中,其最佳提取工藝為A2B2C1D2(A因素2水平,B因素2水平,C因素1水平,D因素2水平),即堿解溫度60 ℃,Na2CO3質量分數為10%,堿解時間40 min,料液比為1∶13 g/mL。 從極差結果可以得到各因素對提取IDF的影響程度大小為B>C>A>D,也就是說Na2CO3的質量分數對IDF提取是最具有影響力的。

表3 堿法正交試驗結果Table 3 Results of orthogonal test by alkali method

2.4 驗證堿法正交試驗結果

為進一步驗證上述最佳條件的穩定性和合理性,分別稱取3份蕎麥殼粉末,每份3 g,按上述最佳條件A2B2C1D2進行提取,其結果以平均值±標準差表示,其中膨脹力為(7.28±0.03) mL/g、持水力為(5.41±0.02)g/g、并且將所得各指標數據與正交試驗指標數據列隊重新進行排隊評分,其結果顯示重復試驗比正交試驗中的綜合評分都高,且其結果為(19.6±0.16)分,可見該提取工藝穩定、可重復。

2.5 HCl酸浸法提取蕎麥殼IDF的正交試驗

由分析結果表4可知,以HCl為提取液提取蕎麥殼IDF的影響因素中,提取的最佳工藝為A1B2C2D3,即pH為2,酸浸溫度為60 ℃,酸提時間為100 min,料液比為1∶15 g/mL,并且從極差中可以看出各因素對提取IDF影響力的大小為B>D>A>C。

表4 酸法正交試驗結果Table 4 Orthogonal experimental results of acid method

2.6 驗證酸法正交試驗結果

為進一步驗證上述酸法提取的最佳條件其穩定性和合理性,分別稱取3份蕎麥殼粉末,每份3 g,按上述最佳條件A1B2C2D3進行提取,結果以平均值±標準差表示,其膨脹力為(6.16±0.08) mL/g、持水力為(4.5±0.04) g/g、并且將所得各指標數據與正交試驗指標數據列隊重新進行排隊評分,其結果顯示重復試驗比正交試驗中的綜合評分都高,且其綜合評分為(19.5±0.16)分,可見該提取工藝穩定、可重復。

2.7 兩法在最佳條件下提取IDF的實驗結果

Na2CO3浸提法提取蕎麥殼IDF實驗中,以堿解溫度60 ℃,Na2CO3質量分數為10%,堿解時間40 min,料液比為1∶13 g/mL的最佳條件提取蕎麥殼IDF,試驗重復3次,結果如表5。在HCl為提取液提取蕎麥殼IDF的試驗中,以 pH為2,酸浸溫度為60 ℃,酸提時間為100 min,料液比為1∶15 g/mL的最佳條件對蕎麥殼IDF進行提取,試驗重復3次,結果如表5。直觀比較結果的均值,可以看出,酸法在得率上優于堿法,但最佳條件下的持水力膨脹力卻不如堿法。

表5 酸法與堿法在最佳條件下提取蕎麥殼IDF的結果Table 5 Results of extraction of buckwheat hull IDF by acid method and alkaline method

3 討論與結論

通過蕎麥殼IDF提取的Na2CO3浸提法、HCl酸提法的對比實驗研究中總結出兩種化學方法提取蕎麥殼中IDF的最佳工藝,基于最佳工藝條件下得到Na2CO3浸提IDF得率為82.75%,膨脹力為6.87 mL/g,持水力為379.18%;HCl酸提IDF得率為86.00%,膨脹力5.92 mL/g,持水力為365.31%。試驗探究提取所得IDF的膨脹力和持水力,并且得出碳酸鈉法優于鹽酸法,這對IDF的化學提取方式的改進具有重大的參考意義,同時對IDF質量要求較高的工業,如食品加工業等有極大的參考價值。此外,探究提取方法的最終得率具有不可忽視的重要作用,本試驗所得鹽酸法的得率高于碳酸鈉法,高得率工藝利于農作物加工中的資源充沛利用[30-32],避免作物浪費,滿足與目前作物加工的要求,也符合國家提倡的資源合理利用,杜絕浪費政策[25]。從最佳條件下提取的IDF水合性能來看,酸提取的IDF膨脹力和持水力較堿法提取的IDF低,猜測可能Na2CO3及HCl的性質有關[33],Charis等[4]總結出IDF中半纖維素可溶解在堿性環境中,因此猜測這可能是堿法提取IDF的得率不如酸法的原因之一,此外,酸堿性對蕎麥殼IDF的水合性能可能有影響,其具體的的影響機制有待更深的研究。本研究可為蕎麥提取工藝及蕎麥的發展方向提供參考價值,為蕎麥殼及其他農作物的提取提供更好的工藝選擇。