柚皮不溶性膳食纤维提取工艺优化及其理化性质分析

谢建华，张桂云，李足环，颜朝勇

（1.漳州职业技术学院食品工程学院，福建漳州 363000；2.漳州市食品产业技术研究院，福建漳州 363000）

膳食纤维是由淀粉多糖组成的一类物质，根据溶解性可分为可溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber，SDF）和不可溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber，IDF）[1]。它不被人体消化吸收，但因其对人体具有的诸多益处，被誉为“第七大营养素”。人体摄入不可溶性膳食纤维，可促进肠道蠕动，改善消化吸收；吸附油脂类有机物，调节体内血糖血脂；有效降低血液中胆固醇浓度[2]，在预防心脑血管疾病[3]，肠道癌症[4]等疾病中起着重要作用。

柚子是漳州市平和县的一类特有果品，是一种芸香科柑橘属类植物的果实，按照果肉颜色可分为红柚和白柚，因其本身具有的清新、独特的香气和甘甜多汁的果肉而备受欢迎。柚子主要由柚皮与果肉组成，各占柚子本身重量的二分之一，目前柚子主要削除果皮，得到果肉，用于消费者直接食用或工厂酿酒。近年来国家对环境保护与资源浪费问题越来越看重，市场对于天然食品的呼声越来越高，越来越多的研究倾向于从天然食品中提取功能性物质，如黄酮类、膳食纤维类。市场上经过剥离果肉的柚皮果皮一般作为废弃物处理，但这些果皮的价值远没有被开发利用。据相关研究表明，柚皮含有丰富的黄酮类化合物[5]和膳食纤维[6]，可作为不溶性膳食纤维提取的优良原料。

在国内外研究中，常常采用化学法[7-9]、超声波法、膜分离法和酶法提取膳食纤维。其中，超声波法、膜分离法、酶法提取效果较好，但成本较高；化学法操作简便、成本低，提取效果较差。为改善化学法提取得率与品质，研究出一套低成本、适用于工厂化生产，解决本地资源浪费，增加果农收入的方法，采用碱法提取柚皮不溶性膳食纤维[10]，通过响应面法[11]进一步优化工艺条件，运用红外光谱扫描、持水力、持油力、膨胀力等测试手段对制得的膳食纤维进行结构表征以及鉴定，为柚皮高值化开发利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

柚子 于2020 年10 月采摘自福建省漳州市平和县，挑选果径大小一致的柚果，常温条件下贮藏运输，削去黄色外表皮，剔除果肉，取白色囊层，切成2 cm×2 cm 左右大小，60 ℃烘干至恒重，粉碎后过1 mm 孔径筛子，置于密封袋中常温贮存备用；无水乙醇、氢氧化钠、氯化钾 分析纯，西陇科学有限公司；植物油 益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司；缓冲溶液（pH4.0，pH6.86）上海雷磁创益仪器仪表有限公司；芦丁标准品（HPLC≥98%）上海素培生物科技中心。

PHS-3C 型酸度计 上海雷磁创益仪器仪表有限公司；PX-MFC90D 型超微粉碎机 德国维根（Wiggens）公司；AUY220 型分析天平 日本SHIMADZU Corporation；N86KT18 小型真空泵 德国KNF 公司；HH-S4 型数显水浴锅 上海-恒科学仪器有限公司；GFL-125 型干燥箱 天津市莱玻特瑞仪器设备有限公司；TD25-WS 型台式高速离心机 湖南沪康离心机有限公司；Thermo Fisher：Nicloet Is 10型傅立叶变换红外光谱仪 赛默飞世尔科技（中国）有限公司。

1.2.1 柚皮不溶性膳食纤维（IDF）提取工艺 称取2.0 g 柚皮粉末，加入90%乙醇浸提，浸泡1 h，然后真空抽滤，用蒸馏水洗涤，干燥得到脱脂样品。将干燥后的脱脂样品，以柚皮粉末质量按照一定液料比加入NaOH 溶液，一定温度下水浴加热一定时间，抽滤，冲洗干净，干燥残渣，粉碎称重，得到柚皮IDF。

1.2 实验方法

1.2.2 柚皮IDF 得率计算方法 柚皮IDF 得率P 按照公式（1）进行计算：

式中：P 为IDF 得率，%；m 为不溶性膳食纤维质量，即最终残渣质量，g；M 为称取柚皮粉末样品质量，g。

1.2.3 单因素实验设计 采用化学法提取柚皮不溶性膳食纤维，通过单因素实验研究液料比、碱解温度、pH、碱解时间的改变对柚皮IDF 得率的影响。

1.2.3.1 液料比对柚皮IDF 得率的影响 称取相同质量柚皮粉末，选定碱解时间40 min，pH10、碱解温度40 ℃，比较液料比为10:1、15:1、20:1、25:1、30:1 mL/g 对IDF 得率的影响。

1.2.3.2 碱解温度对柚皮IDF 得率的影响 称取相同质量柚皮粉末，选定液料比20:1 mL/g、pH10、碱解时间40 min，比较碱解温度20、30、40、50、60 ℃对IDF 得率的影响。

1.2.3.3 pH 对柚皮IDF 得率的影响 称取相同质量柚皮粉末，选定液料比20:1 mL/g、碱解温度40 ℃、碱解时间40 min，比较pH 为8、9、10、11、12 对IDF 得率的影响。

1.2.3.4 碱解时间对柚皮IDF 得率的影响 称取相同质量柚皮粉末，选定液料比20:1 mL/g、pH10、碱解温度40 ℃，比较碱解时间40、50、60、70、80 min对IDF 得率的影响。

1.2.4 响应面试验设计 在单因素实验基础上，采用Design-Expert 软件中的Box-Behnken 采用四因素三水平的响应面分析法进行响应面设计[12]，以液料比（A）、碱解温度（B）、pH（C）、碱解时间（D）作为自变量，柚皮IDF 得率为响应值，设计响应面试验表，因素水平表如表1 所示。

表1 响应面试验因素水平设计Table 1 Factor level design of response surface test

1.3 柚皮IDF 理化性质测定

1.3.1 红外光谱分析 参照曾心悦等[13]的方法，取1 mg 样品于研钵中，加入溴化钾150 mg，研磨成粉末状，压片，用傅立叶变换红外光谱仪扫描。设置参数为波数范围4000～400 cm-1，扫描次数16，分辨率4 cm-1。

1.3.2 持水力测定 参考孙静[14]的方法稍作改动。取已知重量的50 mL 离心管，称取0.5 g IDF 样品于离心管中，再称取0.5 g 柚皮粉作为对照组，加入25 mL 蒸馏水，搅拌1 h，静置24 h，在3500 r/min 的转速下，离心25 min，除去上清液，用滤纸吸干多余水分，称重。

1.3.3 持油力测定 参照Kurek 等[15]的方法。取已知重量的50 mL 离心管，称取0.5 g IDF 样品并倒入管中，称取0.5 g 柚皮粉作为对照，加入25 mL 食用油，搅拌1 h，静置24 h，在3500 r/min 转速下，离心25 min，除去上清液，滤纸吸干多余油分，称重。

1.3.4 膨胀力测定 参照Sangnark 等[16]的方法，计算其膨胀力。取已知重量的10 mL 量筒，称取0.5 g IDF 样品放入管中，称取0.5 g 柚皮粉末作为对照，读取样品体积；分别加入6 mL 蒸馏水，震荡摇匀，静置2 h，读取膨胀后体积。

1.4 数据处理

实验结果以平均值±标准差表示，单因素实验SPSS 26.0 进行ANOVA 单因素方差分析、Ducan's多重比较，Origin 9.1 进行图片处理，响应面优化采用Design-Expert 8.0 进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 液料比对柚皮IDF 得率的影响 料液比对柚皮IDF 得率影响如图1 所示，液料比10:1 到20:1 mL/g范围内，随着液料比的增大，反应底物（柚皮粉末）与NaOH 溶液的反应接触面积增大，柚皮IDF 得率也随之上升；液料比高于20:1 mL/g 后，柚皮IDF 得率显著下降（P<0.05），此时液料比过高，相当于起到稀释作用，导致反应底物浓度下降，降低了反应速率[17]，使得IDF 得率下降。综合考虑选取液料比20:1 mL/g为最适液料比。

图1 液料比对柚皮IDF 得率的影响Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on yield of pomelo peel IDF

2.1.2 碱解温度对柚皮IDF 得率的影响 碱解温度对柚皮IDF 得率影响如图2 所示，20～40 ℃的范围内，由于温度升高，溶液内分子运动加剧，NaOH 与反应底物的反应速率逐步上升，柚皮IDF 得率随着温度的升高而增大；温度高于40 ℃后，柚皮IDF 得率显著下降（P<0.05），40～60 ℃的范围内，由于温度过高，半纤维素等物质发生水解反应，IDF 得率随着温度的升高而下降。综合考虑，选取碱解温度40 ℃为最适温度。

图2 碱解温度对柚皮IDF 得率的影响Fig.2 Effect of alkaline hydrolysis temperature on yield of pomelo peel IDF

2.1.3 pH 对柚皮IDF 得率的影响 pH 对柚皮IDF得率影响如图3 所示，由图可知pH 对柚皮IDF 得率的影响显著。pH8～10 的范围内柚皮IDF 得率随着pH 的升高缓慢上升，此时NaOH 浓度增大，有利于柚皮中蛋白质和淀粉等杂质的去除；pH 超过10以后，柚皮IDF 得率开始显著下降（P<0.05），主要原因是NaOH 具有氧化作用，浓度过高时可破坏膳食纤维中的木质素，碱性极强时还会脱除膳食纤维中的半纤维素[18]，导致柚皮IDF 得率下降。综合考虑，选取pH10 为最适pH。

图3 pH 对柚皮IDF 得率的影响Fig.3 Effect of pH on yield of pomelo peel IDF

2.1.4 碱解时间对柚皮IDF 得率的影响 碱解时间对柚皮IDF 得率影响如图4 所示，由图可知碱解40～50 min，由于时间过短，果胶等可溶性膳食纤维物质溶解性较差，还未完全溶于水中并去除，导致碱解40 min 时出现IDF 含有可溶性膳食纤维，得率比碱解50 min 时略高的现象。碱解50 min 以后，NaOH与底物反应的反应速率也随时间增大，因此IDF 得率上升。碱解时间超过70 min 后，柚皮IDF 得率开始显著下降（P<0.05）。原因是IDF 中的纤维素、半纤维素在碱液中浸泡时间过长，发生水解作用[19]，导致了得率随着时间增加而下降。综合考虑选取碱解时间70 min 为最适时间。

图4 碱解时间对柚皮IDF 得率的影响Fig.4 Effect of alkaline hydrolysis time on yield of pomelo peel IDF

2.2 响应面试验结果

2.2.1 响应面试验设计及结果 以液料比（A）、碱解温度（B）、pH（C）、碱解时间（D）为变量，以柚皮IDF 得率为响应值，根据Box-Behnken 设计得到29 个试验方案，做三次平行实验取平均值，结果如表2 所示。

表2 响应面分析的试验结果Table 2 Experiment result of response surface analysis

2.2.2 回归方程拟合与方差分析 利用Design-Expert 软件对表2 进行数据分析，进行二次多元回归拟合，拟合得到柚皮IDF 得率预测值（Y）与编码自变量液料比（A）、碱解温度（B）、pH（C）、碱解时间（D）的二次多项回归方程如下：

Y=35.55+0.25A+0.27B-0.40C+0.14D+0.27AB+1.22AC-0.30AD-0.19BC+0.47BD+0.32CD-0.35A2-0.10B2-0.055C2-0.67D2

实验结果由表3 方差分析可知，柚皮IDF 提取的试验模型极显著（P<0.0001），失拟项（P=0.2822>0.05）不显著，说明模型可靠，实验误差是由系统误差引起的。试验模型R2为0.9071，说明该模型拟合效果良好[20]，该方程适用于柚皮不溶性膳食纤维得率理论预测值；模型调整决定系数R2为0.8142 说明该模型可以解释81.42%响应面值的变化；本模型的C.V.%值为0.95，说明本模型是相对可靠的。

表3 二次响应面回归模型方差分析Table 3 Variance analysis of quadratic response surface regression model

从回归方差分析可以看出一次项A、B 均对柚皮IDF 得率有显著影响（0.01碱解温度（B）>液料比（A）>碱解时间（D）。

2.2.3 响应曲面分析 根据回归方程作出响应面分析图，如图5～图6 所示，可以通过响应曲面及等高线的形状来考察各因素对柚皮IDF 得率的影响程度[22-24]。交互作用的曲面坡度越大，其影响程度越高。通过响应曲面及并结合回归模型方差分析可知，交互作用AC、BD 对柚皮IDF 得率的影响，二者的响应面陡峭程度大，且BD 的等高线呈现椭圆形，说明交互作用AC、BD 对柚皮IDF 得率影响程度大。

图5 液料比与pH 交互作用响应面曲面图Fig.5 Response surface graph of liquid-solid ratio and pH interagtion

图6 碱解时间与碱解温度交互作用响应曲面图Fig.6 Response surface graph of alkaline hydrolysis temperature and alkaline hydrolysis time interagtion

2.2.4 验证实验 根据Design 软件得到最佳方案条件为液料比15:1 mL/g、碱解温度50 ℃、pH9、碱解时间74.41 min。为了操作简便，实际操作中采用液料比15:1 mL/g、碱解温度50 ℃、pH9、碱解时间75 min 作为最佳提取方案。得到三组平行实验平均得率为35.28%，与预测值36.75%仅相差1.47%左右，说明该响应面模型对于柚皮IDF 得率具有较好的预测能力。

2.3 理化性质分析

2.3.1 红外光谱分析 红外光谱图如图7 所示，可以明显地看出提取得到的柚皮IDF 与柚皮原样具有以下几点明显的区别：

图7 IDF 与柚皮原样红外光谱分析结果Fig.7 Analysis of infrared spectra of IDF and pomelo samples

第1 处吸收波数约3435 cm-1处的强吸收峰为O-H 和酚类物质的伸缩振动，柚皮IDF 与柚皮原样在此处均有吸收，表明二者均含有羟基[25]；第2 处吸收波数约3000～2850 cm-1的弱吸收峰为甲基、亚甲基C-H 的伸缩振动，此处对应纤维素、木质素中骨架碳链存在的甲基、亚甲基结构，柚皮IDF 在此处有2850 cm-1与2923 cm-1两个吸收峰且透过率较高，柚皮原样仅在2923 cm-1有一个吸收峰，表明柚皮IDF 纤维素、木质素含量更为丰富；第3 处吸收波数1745 cm-1和1632 cm-1两处弱吸收峰为乙酰基上的C=O 伸缩振动，对应半纤维素中木聚糖乙酰基结构，表明二者均含有乙酰基结构；第4 处1160 cm-1的吸收峰表明样品存在羧基结构，柚皮IDF 在此处有明显吸收，而柚皮原样的红外光谱在此处吸收峰的缺失，说明仅柚皮IDF 含有羧基；第5 处吸收波数约1056 cm-1为半纤维素中的阿拉伯糖吸收峰[26]，其中比起柚皮原样，柚皮IDF 吸收强度增加，说明柚皮IDF 含有半纤维素含量更高；第6 处843 cm-1为α-构型糖苷键吸收峰[27]，柚皮原样在此处存在尖峰，而柚皮IDF 在此处无明显吸收，表明α-糖苷键在提取过程中断裂，果胶类物质被去除。

通过上述分析可知，第一，柚皮原样含有羟基、乙酰基，α-糖苷键，而柚皮IDF 含有羟基、乙酰基及羧基三种基团。羟基、乙酰基、羧基均为亲水性基团[28-30]，而α-糖苷键结构较稳定，于热水中溶解性较好，在室温条件下亲水性较差；基团含量及性质会影响到柚皮IDF 和柚皮原样的理化性质。因此从红外分析可推断相比柚皮原样，柚皮IDF 的持水力及膨胀力可能发生较大变化。第二，柚皮原样与柚皮IDF 均含有甲基、亚甲基，这两种基团为亲油基团，由于柚皮IDF 含有含量较多，柚皮原样含量较少，因此从红外分析推测二者的持油力可能会发生变化。

2.3.2 持水力、持油力及膨胀力 如图8 所示，柚皮IDF 和柚皮原样持水力分别为13.91 和2.52 g/g；柚皮IDF 和柚皮原样持油力分别为3.43 和2.60 g/g；柚皮IDF 和柚皮原样膨胀力分别为10.94 和7.75 mL/g。对比柚皮原样，柚皮IDF 持水力增加了4.52 倍，持油力增加了0.32 倍，膨胀力增加了0.41 倍。这说明通过化学法制备的不溶性膳食纤维亲水性基团增加，持水力、持油力和膨胀力都优于柚皮原样。

图8 IDF 与柚皮原样理化性质分析结果Fig.8 Analysis of physicochemical properties of IDF and pomelo samples

3 结论

本文在单因素实验基础上，通过响应面优化碱法提取柚皮IDF，得到最佳提取方案为：液料比15:1 mL/g、碱解温度50 ℃、pH9、碱解时间75 min，在此条件下，最终实际得率为35.28%，与预测值仅相差1.47%。理化性质分析发现柚皮IDF 含有的羟基、羧基及乙酰基等亲水性基团数量增多，亲油性基团含量也增多，推测柚皮IDF 的持水力、持油力及膨胀力性能增强。进一步研究柚皮IDF 理化性质，测得柚皮IDF 的持水力、持油力、膨胀力，分别为13.91 g/g、3.43 g/g，10.94 mL/g；发现相比柚皮原样，柚皮IDF 的水合性能得到显著提升。提取的不溶性膳食纤维，理化性质较好，对于柚皮膳食纤维提取有一定的参考价值，为进一步挖掘柚皮营养价值提供理论基础。