芋荷梗水不溶性膳食纤维提取工艺优化

朱苗，李青山，冉会兰，刘艳，刘庆庆，李刚凤*

铜仁学院材料与化学工程学院（铜仁 554300）

膳食纤维被誉为“第七大营养素”，可以平衡膳食结构。根据水溶性的不同，膳食纤维可以分为水溶性膳食纤维（SDF）与水不溶性膳食纤维（IDF）[1]。有研究证明，膳食纤维具有多种功能特性，如促进胃肠道蠕动、心血管疾病、预防肥胖、降血糖、降血脂、降血压等，对人体健康具有显著益处[2-5]。

芋荷梗为芋头的叶柄，含有叶绿素、氨基酸、维生素C及优质膳食纤维[6-7]，但并未得到很好利用，大量芋荷梗不仅会产生环境污染问题，也会造成大量资源浪费。因此，探索芋荷梗的有效加工利用，对于延长芋头产业链、提高产业经济效益具有重要意义。因此，以芋荷梗为原料，采用化学提取技术提取芋荷梗中IDF，采用单因素试验和正交试验对提取工艺进行优化，并对其功能性质进行分析，试验结果为芋荷梗高值化利用提供理论和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

芋荷梗（市售）。氢氧化钠、无水乙醇、盐酸、过氧化氢（均为分析纯）。

1.2 试验仪器与设备

DHG-9070A电热鼓风干燥箱（常州普天仪器制造有限公司）；YS-001型破壁料理机（中山市美生电器有限公司）；MAX-C30002型电子天平（深圳市无限量衡器有限公司）；HH-8型恒温水浴锅（金坛市新航仪器厂）。

1.3 试验方法

1.3.1 芋荷梗的膳食纤维制备工艺流程

芋荷梗→清洗→去皮→压碎→烘干→氢氧化钠溶液处理→过滤→盐酸处理→过氧化氢溶液处理→过滤→洗涤→烘干→成品

1.3.2 芋荷梗膳食纤维提取单因素试验

选取不同碱浓度（3.0，6.0，9.0，12.0和15.0 g/L）、不同料液比（1︰5，1︰8，1︰10，1︰15和1︰20 g/mL）、不同提取温度（45，50，55，60和65℃）和不同提取时间（20，25，30，35和40 min），以芋荷梗不溶性膳食纤维提取率为指标，进行单因素试验。

1.3.3 正交试验

采用正交试验设计优化芋荷梗膳食纤维提取工艺。根据单因素试验，运用正交试验设计，选择碱浓度、料液比、提取温度、提取时间4个因素，采用四因素三水平试验设计（见表1），进行优化芋荷梗膳食纤维的提取工艺。

表1 芋荷梗膳食纤维正交试验设计

1.4 芋荷梗膳食纤维的功能性测定

芋荷梗膳食纤维的功能性采用持水力与溶胀性评价。

1.4.1 持水力的测定[8-9]

称取1 g所得的芋荷梗膳食纤维粉末，放入烧杯中，加入100 mL蒸馏水，搅拌摇匀，室温下放置24h。将吸水饱和的膳食纤维进行过滤，把含水分的膳食纤维称质量，按式（1）计算持水力。

1.4.2 溶胀性的测定[10-12]

称取0.5 g所得的芋荷梗膳食纤维粉末置于量筒中，加入100 mL水，摇匀，室温下静置24 h，读取量筒中膳食纤维膨胀后的体积数，将膨胀后的体积除去粉末样品质量。按式（2）计算溶胀性。

2 结果与分析

2.1 碱浓度对芋荷梗膳食纤维提取的影响

由图1可知，随着碱浓度增加，其对芋荷梗膳食纤维提取的影响呈现先上升后下降趋势，是因为碱浓度过低时芋荷梗水解不完全，膳食纤维提取率低，碱浓度增加后膳食纤维组织被破坏生成小分子的多糖，提取率下降[13-14]。碱浓度6.0 g/L时膳食纤维提取率最大，为43%，所以综合考虑，选择碱浓度6.0 g/L为佳。

图1 碱浓度对芋荷梗膳食纤维提取的影响

2.2 料液比对芋荷梗膳食纤维提取的影响

由图2可知，随着料液比增加，芋荷梗膳食纤维提取率先增加后降低。料液比小于1︰10（g/mL）时，物料与水的接触面随之增加，芋荷梗膳食纤维的溶解速度和溶解量也增加，提取率上升[15-16]。碱液比大于1︰10（g/mL）时，芋荷梗膳食纤维底物与酶充分反应发生水解，提取率下降[17-18]。料液比1︰10（g/mL）时，膳食纤维提取率最大，为53%，所以综合考虑，选择料液比1︰10（g/mL）为佳。

2.3 提取温度对芋荷梗膳食纤维提取的影响

由图3可见，随着提取温度增加，芋荷梗膳食纤维提取率先增加后减少，这是因为温度过高，会导致芋荷梗膳食纤维发生水解，且芋荷梗膳食纤维内分子间不稳定化学键容易发生断裂，从而提取率下降[19-21]。提取温度50 ℃时膳食纤维提取率最大，为56%，所以综合考虑，选择提取温度50 ℃为佳。

图2 料液比对芋荷梗膳食纤维提取的影响

图3 提取温度对芋荷梗膳食纤维提取的影响

2.4 提取时间对芋荷梗膳食纤维提取的影响

由图4可见，随着提取时间增加，芋荷梗膳食纤维提取率先增加后减少，这是因为芋荷梗膳食纤维中存在一些溶于碱或碱性溶液的物质，随着提取时间增加，这些物质发生水解或者溶解，导致提取率下降[22]。提取时间30 min时膳食纤维提取率最大，为58%，所以综合考虑，选择提取时间30 min为佳。

图4 提取时间对芋荷梗膳食纤维提取的影响

2.5 正交试验优化芋荷梗膳食纤维提取的最佳条件

根据单因素试验对于芋荷梗膳食纤维提取的影响，分别选择碱浓度（A）、料液比（B）、提取温度（C）、提取时间（D）4个因素的3个水平，采用L9(34)正交设计对芋荷梗膳食纤维提取的条件进行优化，确定提取最佳工艺条件。正交试验结果见表2。

从表2可以看出，影响芋荷梗膳食纤维提取的各因素主次关系顺序为碱浓度（A）＞料液比（B）＞提取时间（D）＞提取时温度（C），碱浓度影响最大，提取温度影响最小，所以最佳工艺组合为A2B2C3D3，即碱浓度6.0 g/L、料液比1︰10（g/mL）、提取温度50℃和提取时间30 min时膳食纤维提取率最大。

表2 正交试验结果分析

2.6 芋荷梗膳食纤维的功能性测定

经计算，芋荷梗膳食纤维的持水力为4.01 g/g，溶胀性为8.0 mL/g。

3 结论

通过单因素试验及正交试验结果得出影响芋荷梗膳食纤维提取的因素顺序：碱浓度（A）＞料液比（B）＞提取时间（D）＞提取温度（C），碱浓度影响最大，提取温度影响最小。最佳提取工艺为碱浓度6.0 g/L、料液比1︰10（g/mL）、提取温度50 ℃和提取时间30 min。此时，膳食纤维提取率最大，持水力为4.01 g/g，溶胀性为8.0 mL/g。