葛渣膳食纖維的過氧化氫改性工藝研究

梅新+涂艷華++何建軍+施建斌++張金木+陳學玲+蔡芳++王少華++蔡沙

摘要：為研究過氧化氫對葛渣膳食纖維的改性作用，以葛根加工淀粉后的殘渣為原料，采用單因素與正交試驗，以可溶性膳食纖維得率以及不溶性膳食纖維膨脹力為指標，得出了過氧化氫改性制備葛渣膳食纖維的最佳工藝條件，即H2O2體積分數(shù)0.3%，pH為12，溫度為90 ℃，時間為75 min，得到可溶性膳食纖維得率最高為52.16%，不溶性膳食纖維膨脹力為7.01 mL/g。

關(guān)鍵詞：葛渣；膳食纖維；得率；膨脹力

中圖分類號：R284.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）24-6553-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.057

膳食纖維是一類以非消化性多糖為主的高分子化合物，包括果膠、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等，也包含改性多糖和寡糖等[1]，其在人類小腸中不能被消化吸收，但在大腸中能部分或全部發(fā)酵。膳食纖維是一種復雜的混合物，根據(jù)其溶解性的不同可分為可溶性膳食纖維和水不溶性膳食纖維兩種。可溶性膳食纖維（SDF，Soluble Dietary Fiber）是指能溶于水，其水溶液能被4倍體積的95%乙醇沉淀，且不被人體消化道吸收的那部分膳食纖維[2，3]；水不溶性膳食纖維（IDF，Insoluble Dietary Fiber）是指不溶于水，且不被人體消化道的酶消化吸收的那部分膳食纖維，主要是細胞壁的組成成分，包括纖維素、木質(zhì)素、植物蠟等[4，5]。膳食纖維雖不能被人體內(nèi)消化酶消化吸收，但卻是人體平衡膳食結(jié)構(gòu)必需的營養(yǎng)素之一，與碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)、水這六大營養(yǎng)素具有完全不同的生理作用而被營養(yǎng)家稱之為“第七大營養(yǎng)素”。其不僅具有持水性、持油性、吸水膨脹等作用，同時具有多種生物功能，如降低血清中膽固醇含量，防治高血壓、心臟病、動脈粥樣硬化等心血管疾病，可以降低餐后血清葡萄糖水平和胰島素響應(yīng)，調(diào)節(jié)糖尿病人的血糖水平等功效[6]。

葛根是一種藥食同源的天然植物，在中國素有“南葛北參”之稱，且葛根資源豐富，目前國內(nèi)主要以開發(fā)葛根粉、葛根飲料、黃酮浸膏等粗放型生產(chǎn)狀態(tài)為主[7-9]。葛根加工淀粉后得到的殘渣除了小部分用來造紙和做飼料外，大多都沒得到充分的利用，而葛渣中富含70%以上的總膳食纖維，是一種非常好的天然膳食纖維來源。本試驗采用過氧化氫對葛渣膳食纖維改性，改善可溶性膳食纖維得率以及不溶性膳食纖維膨脹力，此操作不僅過程簡單，成本較低，而且過氧化氫在處理過程中會被完全分解，產(chǎn)物中無其他殘留，對葛根進行綜合利用，大大提高葛根的經(jīng)濟效益。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器設(shè)備

葛渣由湖北山友特色農(nóng)業(yè)有限責任公司提供。

30%過氧化氫溶液、氫氧化鈉、鹽酸、95%乙醇、石油醚、濃硫酸、硫酸鉀、硫酸銅等均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。

FW-100萬能粉碎機（天津市泰斯特有限公司）；TB-114分析天平（北京賽多利斯有限公司）；K9840自動凱氏定氮儀（海能儀器有限公司）；SX2-4-10MP箱式電阻爐（上海-恒科技有限公司）；SHA-B恒溫震蕩器（常州國華有限公司）；100目篩（浙江上虞市龍翔精密儀器廠）；pH計[梅特勒-托利多（上海）有限公司]；LXJ-ⅡB離心機（上海安亨科學儀器廠）；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）；LGJ-25C冷凍干燥機（北京四環(huán)科學儀器廠）。

1.2 方法

1.2.1 葛渣膳食纖維的制備 稱取一定量的葛渣，加入到過氧化氫溶液中進行改性，調(diào)節(jié)pH至中性，旋蒸得到濃縮液。往濃縮液中加入4倍體積的95%乙醇沉淀2 h，抽濾得到殘渣即為總膳食纖維（TDF）；將濃縮液抽濾，分離得到殘渣和濾液，用少量的去離子水洗滌殘渣，再次抽濾得到殘渣即為不溶性膳食纖維（IDF）；合并兩次濾液，加入4倍體積的95%乙醇沉淀2 h，抽濾得到殘渣即為可溶性膳食纖維（SDF）。將收集到的殘渣冷凍干燥24 h，稱重后粉碎過100目篩備用。

1.2.2 葛渣膳食纖維中基本成分分析 葛渣膳食纖維中的淀粉、蛋白質(zhì)、膳食纖維、脂肪、灰分、水分含量分別參照GB/T 5009.9-2008、GB/T 5009.5-2010、GB/T 5009.88-2014、GB/T 5009.6-2003、GB/T 5009.4-2010、GB 5009.3-2010標準方法進行測定。

1.2.3 葛渣改性工藝探討

1）單因素試驗。以SDF得率以及IDF膨脹力為指標，對影響SDF得率以及IDF膨脹力的因素如H2O2體積分數(shù)（0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%）、料水比（1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30）（g∶mL，下同）、pH（4、6、7、8、10、12）、溫度（40、50、60、70、80、90 ℃）、時間（30、45、60、75、90 min）等進行單因素試驗。

在單因素試驗過程中，探討某一單因素時，其他各因素水平分別為H2O2體積分數(shù)0.3%、料水比1∶20、pH 10、溫度60 ℃、時間60 min。

2）正交試驗。在單因素試驗的基礎(chǔ)上，進行4因素3水平正交試驗，確定葛渣改性最優(yōu)工藝。因素與水平見表1。

1.2.4 膳食纖維的測定 可溶性膳食纖維（SDF）得率：過氧化氫改性后的樣品，收集SDF以及TDF殘渣，冷凍干燥后粉碎備用。

不溶性膳食纖維的膨脹力：膨脹力與膳食纖維潤腸通便的生理功能密切相關(guān)[10]，可以膨脹力為指標反映不溶性膳食纖維的生理特性。稱取不溶性膳食纖維0.5 g，置于裝有10 mL水的具塞量筒中，振蕩均勻后室溫放置24 h，讀液體中膳食纖維的體積[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 葛渣膳食纖維中基本成分分析

葛渣膳食纖維中基本成分如表2所示，從表2中可以看出，葛渣膳食纖維中總膳食纖維、水分、蛋白質(zhì)以及脂肪，其含量分別為76.41%、9.75%、4.81%和2.68%。

2.2 單因素試驗結(jié)果

2.2.1 H2O2體積分數(shù) H2O2體積分數(shù)對葛渣膳食纖維的影響如圖1所示。從圖1可以看出，膳食纖維的得率隨著H2O2體積分數(shù)的升高呈兩次先上升后下降的變化趨勢，H2O2體積分數(shù)為0.3%左右時，膳食纖維得率最高，隨著H2O2體積分數(shù)的繼續(xù)升高，葛渣中膳食纖維等大分子降解成單糖、低聚糖等小分子物質(zhì)溶于乙醇而被除去[12]，因而膳食纖維的得率有所下降，因此，H2O2體積分數(shù)可選擇0.2%～0.4%。由圖1還可看出，膳食纖維的膨脹力隨著H2O2體積分數(shù)呈持續(xù)上升的變化趨勢，在H2O2體積分數(shù)為1.0%時最大，為4.03 mL/g。

2.2.2 料水比 料水比對葛渣膳食纖維的影響如圖2所示。從圖2可以看出，膳食纖維的得率隨著溶劑的增大呈先上升后下降的變化趨勢，在料水比為1∶20時達到最大，為10.81%，之后明顯降低，這是因為過多的溶劑，會使?jié)饪s時間延長，可能導致可溶性膳食纖維部分水解成小分子而溶于乙醇，使其得率降低，因此本試驗將料水比固定為1∶20比較合適。由圖2還可看出，膳食纖維的膨脹力先升高后降低，之后有所回升，在料水比1∶20時最大，為3.19 mL/g。

2.2.3 pH pH對葛渣膳食纖維的影響如圖3所示。從圖3可以看出，膳食纖維的得率隨著pH的增大呈逐漸上升的變化趨勢，這是因為堿性環(huán)境會破壞半纖維素和纖維素之間的氫鍵，有助于葛渣細胞壁中的半纖維素的溶出，其水溶性增加，提高了可溶性膳食纖維的含量[13]，因此得率上升。由圖3還可看出，隨著pH的升高，膳食纖維膨脹力也隨之增大，但pH過高會使溶液黏度增大難于過濾，使液渣難以分離，因此選擇pH 10～12。

2.2.4 溫度 溫度對葛渣膳食纖維的影響如圖4所示。從圖4可以看出，膳食纖維的得率隨著溫度的升高呈逐漸上升的變化趨勢，這是因為高溫條件下，纖維素與半纖維素氫鍵更容易被破壞，從而使可溶性膳食纖維增多。由圖4還可看出，隨著溫度的升高，膳食纖維膨脹力也隨之增大，但溫度過高會導致可溶性膳食纖維結(jié)構(gòu)的破壞，故可選擇溫度為70～90 ℃。

2.2.5 時間 時間對葛渣膳食纖維的影響如圖5所示。從圖5可以看出，膳食纖維的得率隨著時間的延長呈先上升后下降的變化趨勢，這是因為可溶性膳食纖維隨著反應(yīng)時間的延長能逐漸溶解于堿液中，但長時間處于堿性環(huán)境下，會使一部分可溶性膳食纖維降解成小分子物質(zhì)而溶于乙醇，降低了可溶性膳食纖維的得率。由圖5還可看出，隨著時間的延長，膳食纖維膨脹力也呈先增大后減小的變化趨勢，因此時間選擇為45～75 min。

2.3 正交試驗結(jié)果

在單因素試驗基礎(chǔ)上，以SDF的得率為指標，對H2O2體積分數(shù)、pH、溫度、時間等進行4因素3水平正交試驗，正交試驗結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，4個因素對SDF得率影響大小順序為：pH>溫度>H2O2體積分數(shù)>時間，各因素理論最優(yōu)水平組合為A2B3C3D3，即為H2O2體積分數(shù)0.3%，pH 12，溫度90 ℃，時間75 min，在此條件下進行驗證試驗，測得該組合下葛渣膳食纖維的得率為52.16%，明顯高于組合3中的49.91%。由此，葛渣改性最優(yōu)工藝為H2O2體積分數(shù)0.3%，pH 12，溫度90 ℃，時間75 min。

3 結(jié)論

通過采用最佳工藝條件即H2O2體積分數(shù)為0.3%，pH為12，溫度為90 ℃，時間為75 min，對葛渣膳食纖維進行改性，得到可溶性膳食纖維高達52.16%，不溶性膳食纖維的膨脹力為7.01 mL/g，可見過氧化氫改性葛渣膳食纖維，不僅能提高可溶性膳食纖維的得率，而且也提高了不溶性膳食纖維的膨脹力，使膳食纖維的性能得到相應(yīng)的改善，這為葛渣膳食纖維產(chǎn)品的開發(fā)提供了一定的理論依據(jù)。

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