水蜜桃渣可溶性膳食纤维的提取及其性能研究

水蜜桃(Prunus persica)是蔷薇科桃属植物,是一种富含维生素A、维生素C和果胶的夏季水果,具有美容养颜、活血促代谢、预防便秘等功效[1]。水蜜桃属于典型的跃变型果实,在采后会出现水分和营养物质的丧失、细菌污染等问题,极不易贮藏[2],将其加工为广受欢迎的水蜜桃汁可极大地延长产品的保质期,但在其加工过程中会分离出大量的水蜜桃渣。目前在我国,水蜜桃渣的加工利用有限,除部分桃渣被用作动物饲料外,大部分会作为加工废弃物处理,导致资源浪费和环境污染。水蜜桃渣中含有大量的水分和膳食纤维。其中总膳食纤维(total dietary fiber,TDF)根据在水中的溶解性分为不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)和可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)。不溶性纤维包括纤维素、部分半纤维素和木质素,可减少食物通过肠胃的时间,增加粪便重量和体积,起到缓解便秘的作用;可溶性纤维包括果胶、树胶、β-葡聚糖、果聚糖以及一些半纤维素,其通过吸收水分,形成凝胶后延缓胃排空,减少营养吸收,延缓消化。相比于不溶性纤维,可溶性纤维更容易被肠道细菌发酵成短链脂肪酸,可调节肠道菌群平衡、预防肥胖和控制血糖[3]。本文针对水蜜桃渣,采用超声波辅助碱法提取其中的SDF并测定其性能,为其功能性产品奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

实验用水蜜桃采自浙江省宁波市奉化区,品种为湖景蜜露。

氢氧化钠、无水乙醇、三(羟甲基)氨基甲烷、乙酸、七水合硫酸亚铁、六水合三氯亚铁、无水乙酸钠、无水葡萄糖,均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司;硫酸、乙醚、丙酮,均为分析纯,杭州高晶精细化工有限公司;4-吗啉乙磺酸水合物、无水硫酸铜,均为分析纯,上海麦克林生化科技有限公司;热稳定α-淀粉酶(40 000 U/g)、蛋白酶(枯草杆菌)(150 U/mg)、糖化酶(100 000 U/mL),上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

YM-060S型语盟牌超声清洗机,深圳市方奥微电子有限公司;TGL-16MS型高速冷冻离心机,上海卢湘仪离心机仪器有限公司;SCIENTZ-10 N型冷冻干燥机,宁波新芝生物科技股份有限公司;K9840型自动凯式定氮仪,山东海能科学仪器有限公司;UV-3200型紫外可见分光光度计,普美达;S-3400 N型扫描电子显微镜,日立;FT/IR-4700型傅里叶变换红外光谱仪,日本分光株式会社;DHR-2型流变仪,美国TA-WATERS有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 产品质量的分析测定方法

水分含量的测定:GB 5009.3—2016 《食品安全国家标准食品中水分的测定》;蛋白质含量的测定:GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》;脂肪含量的测定:GB 5009.6—2016 《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》;灰分含量的测定:GB 5009.4—2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》;TDF、IDF、SDF含量的测定:GB 5009.88—2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》。

1.3.2 水蜜桃渣SDF的提取

先对水蜜桃渣粉进行脱糖处理,称取适量桃渣粉置于布氏漏斗中,按每克桃渣粉10 mL的比例用85%(体积分数)乙醇溶液冲洗,弃乙醇溶液,连续处理3次。脱糖后将桃渣粉置于60 ℃烘箱中干燥,过40目筛后置于4 ℃环境中保藏备用。

参考牛俊乐等[4]的提取方法:称取2.0 g备用的脱糖水蜜桃渣粉,按一定的料液比加入一定质量浓度的氢氧化钠溶液后,充分搅拌,然后在超声功率360 W 条件下进行一定时间的超声波处理后在一定温度下浸提一定时间。将处理后的水蜜桃渣原料液体放入离心机中,以8 000 r/min离心15 min后取上层清液。用乙酸溶液调为中性后加入上清液4倍体积的无水乙醇进行醇沉处理,静置2 h后用烘干至恒质量的定量中速滤纸抽滤得固体SDF。将抽滤后得到的滤纸在60 ℃条件下烘干至恒重。SDF提取率计算如公式(1)所示：

式中:m1为SDF的质量,g;m2为脱糖桃渣的质量,g。

1.3.3 单因素试验设计

按照1.3.2的提取方法,以SDF提取率为指标,分别探讨超声时间、浸提温度、浸提时间、NaOH质量浓度、料液比各因素对水蜜桃渣中SDF提取率的影响。其中,超声时间分别设定为10、20、30、40、50 min;浸提温度分别设定为50、60、70、80、90 ℃;浸提时间分别设定为30、60、90、120、150 min;NaOH质量浓度分别设定为2、6、10、14、18 g/L;料液比分别设定为1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35(g∶mL)。

1.3.4 Box-Behnken 试验设计

在单因素试验和实验室设备的基础上,确定超声波辅助处理的功率和时间以及浸提温度,采用Box-Behnken试验设计方法对浸提时间(A)、NaOH质量浓度(B)、料液比(C)这3个因素为自变量,以水蜜桃渣中的SDF提取率为响应值(Y)进行响应面优化。响应面分析因素与水平见表1。

1.3.5 水蜜桃渣SDF的纯化

采用Sevage法对水蜜桃渣SDF溶液进行脱蛋白处理;采用10%(体积分数)双氧水于55 ℃水浴中进行脱色处理2 h;将样品溶液装入500 Da的透析袋中48 h脱去小分子物质[5],冷冻干燥后过40目筛,置于4 ℃环境中保藏,进行以下相关性能测定。

1.3.6 水蜜桃渣SDF的理化性质和结构表征

1.3.6.1 持水力和膨胀力测定

将250 mg SDF与10 mL蒸馏水加入离心管中,置于25 ℃的环境中混合24 h后,加入溶液4倍体积无水乙醇进行醇沉,然后在离心机中以4 000 r/min离心15 min,移去上清液,把离心管壁上的残留水分用滤纸吸去,称重,读取沉淀体积[6]。持水力、膨胀力计算分别如公式(2)、公式(3)所示:

式中:m1为SDF湿重,g;m0为SDF质量,g;V1为SDF醇沉后的沉淀体积,mL;V0为SDF粉末体积,mL。

1.3.6.2 水溶度测定

在烧杯中将0.1 g SDF与5 mL蒸馏水轻轻混合后,在90 ℃水浴条件下搅拌30 min,然后在离心机中以6 000 r/min离心15 min。收集上清液,干燥至恒重[7]。水溶度计算如公式(4)所示:

式中:m1为干燥后上清液的质量,g;m为SDF质量,g。

1.3.6.3 多糖含量测定

(1)总糖含量的测定

采用硫酸-苯酚法测定SDF的总糖含量。分别取质量浓度为10、20、40、60、80、100 μg/mL的葡萄糖标准液各1 mL,然后加入0.6 mL 5%(体积分数)苯酚和3 mL浓硫酸后混匀,在沸水浴中反应20 min,在490 nm处测定吸光值后绘制葡萄糖标准曲线。配制20 μg/mL SDF溶液,重复上述操作,计算出葡萄糖浓度。总糖含量的计算如公式(5)所示:

式中:c为样品溶液的葡萄糖质量浓度,mg/mL;D为样品溶液的稀释倍数;V 为样品溶液的体积,mL;m为样品质量,mg。

(2)还原糖含量的测定

采用3,5-二硝基水杨酸法测定SDF的还原糖含量。分别取质量浓度为0.00、0.40、0.80、1.20、1.60、2.00 mg/mL的葡萄糖标准液各1 mL,加入2 mL 3,5-二硝基水杨酸试剂,在沸水浴中反应2 min,取出后迅速冷却,加入9 mL去离子水混匀,在540 nm处测定吸光值后绘制葡萄糖标准曲线。精确称取0.50 g SDF,加入50 mL去离子水混匀,在50 ℃水浴锅中溶解20 min,用去离子水定容至100 mL。取1 mL样品溶液后重复上述操作。还原糖含量的计算如公式(6)所示:

式中:c为样品溶液的葡萄糖质量浓度,mg/mL;V为样品溶液的体积,mL;m为样品质量,g;1 000为mg换算成g的系数。

1.3.6.4 紫外可见吸收光谱分析

取2 mg/mL的SDF溶液于石英比色皿中,使用紫外可见分光光度计进行190～700 nm的全波长扫描,分析紫外可见吸收光谱。

1.3.6.5 扫描电子显微镜分析

将样品固定在双面胶带上,喷金处理90 s,用扫描电子显微镜观察样品表观结构并拍照,放大倍数为500倍和2 000倍。

1.3.6.6 傅里叶变换红外光谱分析

将干燥后的样品与KBr混合并用干燥的玛瑙研钵充分研磨成均质粉末,用压片机压成薄片。用空白KBr作为背景,用傅里叶变换红外光谱仪于4 000～500 cm-1下扫描后得到样品红外光谱图。

1.3.6.7 静态流变特性测定

参照LIU等[8]的方法。用DHR-2流变仪测定SDF的静态流变特性,在25℃的条件下,测定质量浓度为2、6、10 g/100mL的样品水溶液在0.1～400 s-1的剪切速率下的表观黏度。

1.3.6.8 总抗氧化能力测定

采用铁离子还原/抗氧化能力法(ferric ion reducing antioxidant power,FRAP)测定SDF的总抗氧化能力。吸取0.00、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00 mmol/L的FeSO4溶液各150 μL,加入4.50 mL的FRAP工作液,混匀,在37 ℃水浴锅中保持10 min,于593 nm处测定吸光度后绘制标准曲线。吸取0.00、1.20、2.40、3.60、4.80、6.00 mg/mL的SDF溶液各150 μL后重复上述操作。SDF总抗氧化能力用相同吸光度值的FeSO4溶液的浓度进行表征。

2 结果与分析

2.1 水蜜桃渣成分分析

分析水蜜桃渣(湿)的成分,结果如表2所示。

计算可知,水蜜桃渣中SDF占TDF的41.48%,已知张晓雪等[9]提取沙棘果皮渣和刘素稳等[10]提取苹果渣的SDF分别占TDF的9.8%和33.57%。因此,水蜜桃渣相较于葡萄皮渣和苹果渣等水果渣更适宜提取SDF。水蜜桃渣中SDF∶TDF为1∶1.36,大于1∶3,属于高品质膳食纤维。

2.2 水蜜桃渣SDF提取单因素实验

2.2.1 超声时间对水蜜桃渣SDF提取率的影响

由图1可知,SDF提取率随超声时间延长呈先上升后下降的趋势,当超声时间为20 min时,SDF提取率可达到最大值18.65%,这是由于在20 min内,超声波使得细胞壁破裂,SDF溶出,提取率提高。而超声时间过长使部分SDF的链结构被超声波的剪切作用打断,导致SDF提取率下降。因此当超声时间为20 min时,SDF提取率较佳。

2.2.2 浸提温度对水蜜桃渣SDF提取率的影响

由图2可知,随着浸提温度的提高,SDF提取率呈先上升后下降的趋势,当浸提温度为80 ℃时,较高的浸提温度使水分子加快运动,各物质之间的振动与撞击使SDF从不溶性成分中脱离出来,使SDF提取率高达24.06%。但随着浸提温度的不断提高,导致SDF快速降解。因此当浸提温度为80 ℃时,SDF提取率较佳。

2.2.3 浸提时间对水蜜桃渣SDF提取率的影响

由图3可知,SDF提取率随浸提时间延长呈先上升后下降的趋势,当浸提时间为120 min时,SDF提取率可达到最大值27.75%,由于浸提时间延长,水蜜桃渣细胞壁破裂,SDF溶出。但当浸提时间过长时,导致部分SDF结构被破坏。因此当浸提时间为120 min时,SDF提取率较佳。

2.2.4 NaOH质量浓度对水蜜桃渣SDF提取率的影响

由图4可知,NaOH质量浓度为2～10 g/L时,SDF提取率随着NaOH质量浓度的增加而上升,NaOH质量浓度为10 g/L时,SDF提取率达到最大值为27.01%,当NaOH质量浓度大于10 g/L,SDF提取率开始下降。NaOH质量浓度过高会导致果胶脱去果胶酯酸上的甲基后溶解,降低SDF提取率。因此NaOH质量浓度为10 g/L时,SDF提取率较佳。

2.2.5 料液比对水蜜桃渣SDF提取率的影响

由图5可知,SDF提取率会随着料液比的增大呈现先上升后下降的趋势,在料液比为1∶25(g∶mL)时提取率达到最大值28.04%。当料液比过低时,水蜜桃渣与溶剂接触面积小,SDF不易向溶剂中扩散溶出;当料液比过高时,会降低SDF浓度和浸提效果,不利于SDF提取。因此,当料液比为1∶25(g∶mL)时,SDF提取率较佳。

2.3 水蜜桃渣SDF提取响应面试验

2.3.1 响应面试验设计与结果

在单因素试验基础上,通过响应面法对水蜜桃渣SDF提取工艺条件进行优化。响应面试验设计与结果见表3。

2.3.2 模型方程建立与显著性检验

对表3数据利用Design-Expert 11.0.4软件进行分析,得到SDF提取率(Y)和浸提时间(A)、NaOH质量浓度(B)、料液比(C)这3个自变量的回归方程:

Y=28.91+0.47A-1.08B+0.67C-0.17AB-0.26AC+0.40BC-3.90A2-2.44B2-1.79 C2。

由表4可知,该回归方程模型极显著(P<0.000 1),失拟项P值不显著(P>0.05),方程模型的校正相关系数R2=0.996 4,校正绝对系数

说明该模型的拟合程度较好,能较好反映各因素与SDF提取率之间的关系。其中B、A2、C2、B2的P值小于0.000 1,说明这些因素对SDF提取率影响极显著。根据F值可知,各因素对SDF提取率的影响大小依次为:NaOH质量浓度(B)>料液比(C)>浸提时间(A)。

2.3.3 水蜜桃渣SDF提取响应面分析

图6直观地反映了浸提时间、NaOH质量浓度和料液比这3个因素交互作用对响应值的影响。随着各因素水平的增加,SDF提取率呈先上升后下降的趋势;响应面图上的曲线越陡说明该因素对响应面值的影响越大;等高线图呈椭圆形,说明各因素交互作用显著。由图6可知,NaOH质量浓度相较于浸提时间、料液比的响应曲面更陡峭，等高线更密集,表明NaOH质量浓度对SDF提取率的影响更大,这与表4方差分析表的结果一致。

通过Design-Expert 11.0.4软件分析得到水蜜桃渣SDF的最佳提取条件为浸提时间121.77 min、NaOH溶液质量浓度9.2 g/L、料液比1∶25.80(g∶mL),可得到SDF提取率的理论值为29.09%。为了进一步验证软件分析的可靠性,对优化后的参数进行3组验证试验,并考虑到试验的可行性,对提取条件稍做调整,即浸提时间120 min、NaOH溶液质量浓度9 g/L、料液比1∶25(g∶mL),可得到SDF提取率平均值为28.97%,与理论值误差仅为0.41%,因此说明响应面法优化模型能较好地预测水蜜桃渣SDF提取率,有较强的的实用价值。

2.4 水蜜桃渣SDF理化性质和结构表征

2.4.1 水化特性分析

SDF持水力和膨胀力分别为51.56 g/g和45.58 mL/g,远高于张严磊等[11]测得的碱提酸枣渣SDF的持水力0.60 g/g和膨胀力0.71 mL/g,DONG等[12]测得的酸提咖啡皮SDF的持水力5.39 g/g,以及高于彭章普等[13]测得的苹果渣碱溶性膳食纤维的持水力23.99 g/g和酸溶性膳食纤维的持水力43.42 g/g,但低于彭章普等[13]测得的苹果渣碱溶性膳食纤维的膨胀力67.42 mL/g。SDF水溶度的测定结果为96.55%,没有达到100% ,可能是由于在提取、纯化过程中混入了少许杂质。

由此可见,采用超声波辅助碱法提取的水蜜桃渣SDF 具有较高的持水力和膨胀力,说明该SDF 的水合性质较优。可能是因为碱溶液破坏了纤维内部结构增加其表面积,并且释放了大量的亲水基团羟基,以致吸附更多的水分子[14] 。纤维吸水膨胀后增加人体饱腹感,促进肠胃蠕动,起到控制肥胖和改善肠道环境的作用。

2.4.2 多糖含量及纯度

由图7可知,总糖和还原糖的葡萄糖标准曲线都具有良好的线性关系。将测得的样品吸光度值代入回归方程,可知SDF中总糖含量为(85.38±2.88)%、还原糖含量为(0.45±0.16)%,由此可得样品中的多糖含量为84.93%。如图8所示,SDF 在200 nm处附近有明显的多糖特征吸收峰,而在260、280 nm处没有明显的吸收峰,说明其核酸和蛋白质的含量较低,表明样品纯度较高。

2.4.3 扫描电子显微镜分析

图9为通过扫描电子显微镜不同倍数下(×500和×2 000)SDF的超微结构图。可观察到纤维表面有大量孔洞和褶皱,这是由于超声波的强剪切力和氢氧化钠的水解作用破坏了SDF的内部结构。这种蜂窝状的网络结构增加了SDF的表面积,使其具有良好的保水性和吸附能力[15],大大提高了SDF的功能特性。

2.4.4 SDF傅里叶变换红外光谱分析

由图10可知,该样品具有典型碳水化合物结构。3 411 cm-1附近的吸收宽峰是O—H的伸缩振动,由果胶和半纤维素产生,此处吸收峰强度较大,说明用碱法制备SDF使其链长变短,糖苷键断裂,分子间和分子内形成的氢键较多。2 933 cm-1附近是多糖甲基和亚甲基C—H的收缩振动产生的弱吸收峰,是多糖的特征吸收峰[15]。1 617 cm-1处的峰是C

O 的特征峰,说明样品中存在糖醛酸[16]。1 200～1 420 cm-1处的峰与C—H的变角振动有关,说明样品中可能含有木质素[17]。1 033 cm-1附近是C—O和C—C的收缩振动,主要来源于阿拉伯木聚糖和木聚糖[18]。634 cm-1附近是β型C—H的变角振动引起的[16]。1 417、1 237 cm-1处一般为低甲基果胶引起的吸收峰[19]。由此可得水蜜桃渣SDF主要成分为果胶和半纤维素,生物活性多样的果胶,具有抗肿瘤、抗氧化和预防肠胃道疾病的功能,还可作为功能型的食品添加剂,广泛应用于食品行业。

2.4.5 SDF静态流变特性

如图11所示,在25 ℃下,表观黏度随着样品水溶液质量浓度的降低而降低,随着剪切速率的增加而急剧下降,表现出明显的剪切稀化现象,表明该样品为非牛顿流体, 具有假塑性特性[16] 。这与FENG等[20]的研究结果相似,推测是因为SDF 大分子链在低剪切速率和较高黏度时相互缠绕,而在高剪切速率下使分子骨架发生重排,微观结构相对疏松的SDF在重排过程中更易产生的小颗粒使其不能形成更细的网络,从而导致黏度降低[21] 。肠胃环境类似于低速剪切,说明SDF 在肠道中摩擦力较大,能够影响肠胃的蠕动和延缓肠道对营养物质的吸收。

2.4.6 SDF总抗氧化能力

Fe3+和原力标准曲线见图12。由图13可知,水蜜桃渣SDF对Fe3+具有一定的还原能力,随着质量浓度的增加而增加。根据Fe3+还原力标准曲线y=0.443 7x-0.001 5可知,6 mg/mL SDF溶液的总抗氧化能力等同于0.32 mmol/L的FeSO4溶液,这与张启月等[22]采用酸法制备的樱桃酒渣SDF的总抗氧化能力对应0.30 mmol/L的FeSO4溶液的结果相似。通过超声波辅助碱法提取SDF 的结构疏松和分子质量小更有利于提供氢原子,样品中含有的糖醛酸也可以激发更多端基碳的氢原子,提高样品的抗氧化能力。

3 结论

采用超声波辅助碱法提取水蜜桃渣SDF,采用单因素试验和Box-Behnken试验对提取工艺进行优化,得到最佳工艺条件为:超声功率360 W、超声时间20 min、浸提温度80 ℃、浸提时间120 min、NaOH质量浓度9 g/L、料液比1∶25(g∶mL),提取率平均值可达28.97%,与理论值误差仅为0.41%,说明采用响应面法优化水蜜桃渣SDF的提取工艺参数准确可靠。

在适宜提取、纯化工艺条件下,对水蜜桃渣SDF的理化性质和结构进行了分析。得到样品的持水力为51.56 g/g、膨胀力为45.58 mL/g、水溶度为96.55%;样品的纯度较高,多糖含量为84.93%;样品为非牛顿流体,表观黏度随剪切速率的增加和样品溶液浓度的降低而下降;6 mg/mL样品溶液的总抗氧化能力等同于0.32 mmol/L的FeSO4溶液;样品表面有大量孔洞和褶皱增加了样品的表面积;样品具有典型碳水化合物结构的吸收峰,其主要成分为果胶和半纤维素,可有效地清除体内毒素,增殖有益菌。膳食纤维的理化性质决定其生理活性与功能,超声波辅助碱法提取的水蜜桃渣SDF的高持水力与高膨胀力表明其功能性较好, 具有降低血脂、预防肥胖的作用[23];SDF表面有大量孔洞,具有良好的吸附性能和一定的抗氧化能力,本研究结果可为水蜜桃渣SDF的综合利用与开发功能性食品提供理论依据。

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