超声波辅助酸法提取蕨菜水溶性膳食纤维

麦馨允，苏仕林，曾维标，覃贵惠

（1.百色学院农业与食品工程学院，广西百色 533000；2.龙邦海关，广西百色 533800）

蕨菜 （Pteridium aquilinum var.latiusculum） 为多年生落叶草本植物蕨的嫩苗，属于凤尾蕨科（Pteridium aquilinum L.）[1]。蕨菜含有丰富的膳食纤维，鲜蕨菜中膳食纤维的含量高达1.4%[2]。膳食纤维是不能被人体小肠的内源性酶消化吸收、聚合度在10或10以上的碳水化合物聚合物[3]，具有乳化性、持水性、持泡性等性质，高的持水能力避免食品脱水收缩，增加食品的黏度，减少热量，赋予食品良好的感官性状和质构，还可作为功能性食品组分[4-5]。按照溶解性差异分类，膳食纤维可分为可溶性膳食纤维（SDF） 和不溶性膳食纤维（IDF）。

百色市的蕨菜资源很丰富，现在已知的蕨类植物就有246种[6]。蕨菜离体后，其叶柄基部快速向上纤维化，而纤维化的部分恰是形态最粗壮、营养最丰富的，该部分不能食用，加工前必须切除[7]，蕨菜的纤维化导致资源的利用率低。从纤维化的蕨菜中提取膳食纤维并应用到食品生产中，不仅提高蕨菜产品的附加值，还能调节居民的膳食营养，兼具经济效益和社会效益。

选取桂西蕨菜为研究材料，用超声波辅助酸法进行蕨菜中SDF的提取，通过单因素试验和正交设计，优化超声波辅助酸法提取蕨菜SDF工艺参数（柠檬酸质量分数、料液比、提取时间、提取温度、超声功率），为蕨菜膳食纤维的提取提供一定的实践指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

蕨菜，百色当地采摘干蕨，经干燥粉碎后过80目筛，得试验用蕨菜粉；柠檬酸（AR），广州新建精细化工厂提供；无水乙醇（AR）。

1.2 主要仪器及设备

FA1204B型电子天平，上海安亭电子仪器厂产品；KQ-200KDB型高功率数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司产品；台式数显低速离心机，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司产品；GZX-9030型电热鼓风干燥箱，韶关市泰宏医疗器械有限公司产品。

1.3 试验方法

准确称取2 g蕨菜粉，放入200 mL具塞锥形瓶中，按一定料液比加入一定质量分数的柠檬酸溶液，进行一定时间的超声波提取，提取结束后以转速4 000 r/min离心15 min，取上清液，在上清液中加入4倍体积无水乙醇静置2 h，然后进行抽滤，于105℃下干燥滤渣至恒质量，则得到SDF。蕨菜中SDF得率的计算如下：

1.3.1 单因素试验

（1）柠檬酸质量分数单因素试验。在固定料液比 1∶13（g∶mL），提取时间 70 min，提取温度60℃，超声功率140 W的条件下，选择不同柠檬酸质量分数1%，2%，3%，4%，5%进行试验，根据SDF得率大小来确定柠檬酸质量分数。

（2）料液比单因素试验。在固定柠檬酸质量分数3%，提取时间70 min，提取温度60℃，超声功率140 W的条件下，选择不同料液比1∶7，1∶10，1∶13，1∶16，1∶19（g∶mL） 进行试验，根据SDF得率大小来确定料液比。

（3）提取时间单因素试验。在固定柠檬酸质量分数3%，料液比1∶16（g∶mL），提取温度60℃，超声功率140 W的条件下，选择不同提取时间50，60，70，80，90 min进行试验，根据SDF得率大小来确定提取时间。

（4）提取温度单因素试验。在固定柠檬酸质量分数3%，料液比1∶16（g∶mL），提取时间60 min，超声功率140 W的条件下，选择不同提取温度40，50，60，70，80℃进行试验，根据SDF得率大小来确定提取温度。

（5）超声功率单因素试验。在固定柠檬酸质量分数3%，料液比1∶16（g∶mL），提取时间60 min，提取温度60℃的条件下，选择不同超声功率100，120，140，160，180 W进行试验，根据SDF得率大小来确定功率。

1.3.2 正交试验

在单因素试验结果基础上，选择合理范围内的料液比、超声功率、柠檬酸质量分数和提取温度水平进行L9（34）正交设计，以SDF得率作为试验指标，对工艺参数进行优化。

正交设计因素与水平设计见表1。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 柠檬酸质量分数单因素试验

柠檬酸质量分数对SDF得率的影响见图1。

图1 柠檬酸质量分数对SDF得率的影响

由图1可知，在柠檬酸质量分数为1%～3%时，SDF得率随柠檬酸质量分数的增大而逐渐增高；当柠檬酸质量分数为3%时，达到SDF得率最大值，为4.09%。当柠檬酸质量分数大于3%时，随着柠檬酸质量分数的增大，SDF得率下降幅度较大。这可能是因为果胶的水解反应在不同的酸性条件下反应程度不同，柠檬酸质量分数太低，则酸性太弱，水解反应进行得较缓慢；柠檬酸质量分数过高，酸性太强，水解反应会过于强烈以至于会造成果胶脱脂裂解现象，从而导致SDF得率减少[8]。故较为合适的柠檬酸质量分数为3%。

2.1.2 料液比单因素试验

料液比对SDF得率的影响见图2。

图2 料液比对SDF得率的影响

由图2可知，在料液比为1∶7～1∶16时，随着料液比的增加，SDF得率也逐渐增大，这可能是因为加大了溶剂提取量，蕨菜粉在溶液中的分散程度增大，接触面积也越大，溶剂中的SDF浓度与蕨菜粉边界层的浓度差增大，SDF由蕨菜粉向溶剂中的扩散速度更快。当料液比为1∶16时SDF得率达到最大值，为5.22%。当料液比大于1∶16时，SDF得率逐渐下降，可能由于溶剂量过大，影响了超声波的效果。故较为合适的料液比为1∶16（g∶mL）。

2.1.3 提取时间单因素试验

提取时间对SDF得率的影响见图3。

图3 提取时间对SDF得率的影响

由图3可知，当提取时间为50～60 min时，随着提取时间的延长，SDF得率有较大幅度的提高；当提取时间为60 min时，SDF得率达到最高，为4.69%；当提取时间超过60 min后，SDF得率缓慢递减。这可能是因为SDF的主要成分为果胶，而果胶中的原果胶溶解性较差，若提取时间太短，则不能将原果胶充分溶解出来；但是，如果提取时间过长，果胶被解脂裂解的量会增加，且在水溶液中的果胶部分会被氢离子水解导致果胶产量的降低[9]。故较为合适的提取时间为60 min。

2.1.4 提取温度单因素试验

提取温度对SDF得率的影响见图4。

图4 提取温度对SDF得率的影响

由图4可知，在提取温度为60℃时出现SDF得率峰值；而当提取温度大于60℃后，SDF得率有所下降。这是由于SDF的主要成分为天然果胶和β-葡聚糖，提取温度过高会破坏其分子的结构，因此SDF得率会降低[9]。故较为合适的提取温度为60℃。

2.1.5 超声功率单因素试验

超声功率对SDF得率的影响见图5。

由图5可知，为超声功率对SDF得率的影响。应用超声波辅助技术进行提取试验是近几年兴起的一种提取技术，是基于超声波特殊的物理性质。主要是利用超声波在液体物质中所产生的介质中传播的一种具有弹性的物质机械波，声波不同，工作的频率也不同[10]。这种机械波在介质中传播会产生机械效应、热学效应和强烈的空化效应、搅拌等的特殊作用[11]，这些特殊作用能够有效地破坏物质的细胞壁结构。在提取物质的过程中，物质因超声波产生的振动作用而细化，同时亦可使作用的物质变成乳浊液，溶剂就可以让待测液中的提取成分迅速溶解出来，从而有效加快物质的提取过程，提高物质的得率，缩短了物质提取的时间[12]。在超声功率为100～140 W时，随着超声功率的升高，SDF得率逐渐增大；当超声功率为160 W时SDF得率达到最大得率值，为4.96%。这可能是由于在适当功率范围内，超声功率的增大，SDF在溶剂中的扩散速率也增大；而当超声功率大于160 W后，SDF得率则随着功率的升高反而逐渐下降，这说明蕨菜中SDF的结构会被高功率的超声波作用所破坏，从而造成了SDF得率的下降。故较为合适的超声功率为160 W。

图5 超声功率对SDF得率的影响

2.2 正交试验结果与分析

由单因素试验分析可以得知，提取时间60 min以后，继续延长提取时间对SDF得率的影响不大，因此正交试验不考虑提取时间，进行正交试验时将提取时间固定在60 min，进一步优化料液比（A）、超声功率（B）、柠檬酸质量分数（C）、提取温度（D） 的参数。

L9（34）正交试验结果见表2。

由表2可知，通过极差分析，得出了4个因素的极差由大到小的顺序为 RD＞RB＞RA＞RC，由此可知，影响蕨菜中SDF得率的因素的主次顺序为提取温度＞超声功率＞料液比＞柠檬酸质量分数。根据，可知 A 因素的优水平是 A3；同理可知B3，C1，D2为各因素的优水平。因此，在60 min的提取时间条件下，得出超声波辅助柠檬酸法提取蕨菜中SDF的最优组合为A3B3C1D2。

根据正交试验得到的最佳组合A3B3C1D2进行验证试验，得到蕨菜中SDF的平均得率较高，为5.76%。因此，采用超声波辅助柠檬酸法进行提取的最佳提取工艺条件为提取时间60 min，料液比1∶19（g∶mL），超声功率180 W，柠檬酸质量分数2%，提取温度60℃。

表2 L9（34）正交试验结果

3 结论

蕨菜中膳食纤维含量较高，研究超声波辅助酸法提取蕨菜中SDF，得出影响蕨菜中SDF得率的因素主次顺序为提取温度＞超声功率＞料液比＞柠檬酸质量分数；最佳提取的工艺条件为提取时间60 min，料液比1∶19（g∶mL），超声功率180 W，柠檬酸质量分数2%，提取温度60℃。因此，利用超声辅助柠檬酸进行提取可以显著提高蕨菜中SDF的得率。