董玉瑋，苗敬芝

(徐州工程學院 食品(生物)工程學院 江蘇省食品資源開發(fā)與質(zhì)量安全重點建設(shè)實驗室，江蘇 徐州 221018)

牛蒡?qū)倬湛婆］驅(qū)僦参?，有“蔬菜之王”和“大力參”等美譽，在我國山東、江蘇有大面積種植，江蘇徐州豐縣地區(qū)種植面積占全國近50%，產(chǎn)品出口日本、韓國等.牛蒡富含膳食纖維、多糖、多酚、鐵和鈣等，具有較高的營養(yǎng)價值和藥理活性[1-3].膳食纖維分為不溶性膳食纖維和水溶性膳食纖維，研究表明，水溶性膳食纖維對人體具有多種生理功能，滋陰壯陽、清熱解毒、抗菌、抗癌、抗衰老，能預防便秘、冠心病、糖尿病和腫瘤等[4-6].在食品和醫(yī)藥工業(yè)有著廣闊的應用前景，因此，對牛蒡水溶性膳食纖維的研究有著重要的意義.

水溶性膳食纖維的制備方法常用的有堿法、酸法、酶法、超聲波法和微波法[7-8].本實驗以牛蒡為原料，采用超聲波協(xié)同酶法，探討纖維素酶加酶量、超聲波時間和超聲波功率對牛蒡水溶性膳食纖維含量的影響，通過響應面法優(yōu)化制備工藝，并研究其功能性.將制備的牛蒡水溶性膳食纖維添加到焙烤制品、面條等食品中，既增加了產(chǎn)品的保健性能，同時也擴大了牛蒡的綜合利用價值.

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

牛蒡，徐州天馬敬安食品有限公司.

酸性纖維素酶活力(40 000 U/g),蘇柯漢生物工程有限公司；抗壞血酸、鄰苯三酚等,國產(chǎn)分析純試劑；DPPH，國藥集團藥業(yè)股份有限公司.

KBS-250超聲波細胞粉碎機，昆山超聲儀器有限公司；723可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司；1810紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 牛蒡水溶性膳食纖維制備工藝流程

牛蒡清洗、切片→55 ℃烘干、粉碎，過50目→稱取樣品→ 按一定料液比加緩沖液調(diào)節(jié)pH→加酸性纖維素酶→超聲、過濾，取濾液，加入95%乙醇醇沉→過濾、濾渣干燥，稱重.

1.2.2 單因素試驗

分別研究纖維素酶加酶量(1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%)，超聲波時間(10，15，20，25，30 min)，超聲波功率(50，100，150，200，250 W)對牛蒡水溶性膳食纖維含量影響.

1.2.3 響應面試驗設(shè)計

在單因素影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計原理，用三因素三水平的響應面分析法[9-10].試驗因素與水平見表1.

表1 試驗因素水平表

1.2.4 牛蒡水溶性膳食纖維體外抗氧化活性實驗

清除率=[1-(D1-D2)/D3]×100%,

式中：D1為4 mL Tris-HCl+1 mL SDF+2 mL鄰苯三酚；D2為4 mL Tris-HCl+1 mL SDF+2 mL蒸餾水；D3為4 mL Tris-HCl+1 mL 蒸餾水+2 mL鄰苯三酚.

2)DPPH清除力的測定[12]

將DPPH加到95%乙醇溶液中顯色在517 nm處有最大吸收，自由基和DPPH孤對電子配對使其顏色變淺，在517 nm波長處測得吸光值變小.將2 mL 0.2 mmol/L DPPH溶液加入到10 mL的具塞比色管中，再加入4 mL待測溶液，用蒸餾水替代待測液作空白實驗，在25 ℃水浴中反應20 min后，在517 nm處的測吸光度.用相同質(zhì)量濃度Vc溶液做對比.

清除率=[1-(E1-E2)/E3] ×100%,

式中：E1為4 mL SDF+2 mL DPPH；E2為4 mL SDF+2 mL 95%乙醇；E3為4 mL 蒸餾水+2 mL DPPH.

1.2.5 牛蒡水溶性膳食纖維理化特性實驗

1)牛蒡水溶性膳食纖維持水力測定[13]

稱取1.00 g牛蒡水溶性膳食纖維，溶解于50 mL蒸餾水中，置冰箱中過夜，3 000 r/min離心30 min，去除上清液，稱樣品濕質(zhì)量.

持水力=(m1-m2)/m2×100%,

式中：m1為樣品濕質(zhì)量(g)；m2為樣品干質(zhì)量(g).

2)牛蒡水溶性膳食纖維膨脹力測定[13]

稱取1.00 g牛蒡水溶性膳食纖維于20 mL量筒中，測定體積后，加入10 mL蒸餾水，振蕩均勻后，在20 ℃下浸泡24 h并測定體積，計算膨脹力.

膨脹力=(v1-v2)/m,

式中：v1為膨脹后的膳食纖維體積(mL)；v2為干樣品體積(mL)；m為干樣品干質(zhì)量(g).

3)牛蒡水溶性膳食纖維持油力測定[13]

稱取牛蒡水溶性膳食纖維1 g放入已干燥恒重的離心管中，加入5 mL食用油，間隔5 min攪拌1次，30 min后3 500 r/min離心20 min，去除上清液，擦去離心管內(nèi)外壁所附著的油脂和水分稱其質(zhì)量.

持油力=(M3-M2)/M1× 100%,

式中：M1為干樣品干質(zhì)量(g)；M2為裝有干樣品的離心管質(zhì)量(g)；M3為裝有吸過油的樣品+離心管質(zhì)量(g).

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 纖維素酶加酶量對牛蒡水溶性膳食纖維含量影響

由圖1可知，提取率隨著加酶量增加而逐漸增高，當酸性纖維素酶為2.0%時，提取率最大(34.71%)，之后提取率逐漸降低.這表明酶與底物之間有一個比較適宜比例，故加酶量2.0%為最佳條件.

2.1.2 超聲波功率對牛蒡水溶性膳食纖維含量影響

由圖2可知，提取率隨著超聲波功率增加而逐漸增高，當超聲波功率為150 W時，達到最大(35.52%)，之后隨著超聲功率的增加提取率降低.這可能是因為超聲波無選擇性的空化和剪切作用破壞了水溶性膳食纖維鏈結(jié)構(gòu)，導致提取率降低，故超聲波功率為150 W時為最佳條件.

圖1 加酶量對水溶性膳食纖維含量影響

圖2 超聲波功率對水溶性膳食纖維含量影響

2.1.3 超聲波時間對牛蒡水溶性膳食纖維含量影響

圖3 超聲波時間對水溶性膳食纖維含量影響

由圖3可知，開始牛蒡水溶性膳食纖維提取率隨超聲波時間的增加而增大，當超聲波時間為25 min時提取率最大(35.02%)，此后提取率隨時間增加而逐漸下降.這可能是因為時間過長，超聲波產(chǎn)生的機械剪切作用打斷了水溶性膳食纖維的鏈結(jié)構(gòu)，使提取率下降，故超聲波時間25 min為最佳條件.

2.2 響應面分析法優(yōu)化牛蒡水溶性膳食纖維工藝條件

2.2.1 模型的建立及方差分析

利用Design-EXpert8.6軟件對表2中數(shù)據(jù)進行分析，得到以下的回歸方程：

Y(%)=36.51+0.011·X1+0.31·X2-0.040·X3-0.40·X1·X2+0.035·X1·X3+0.34·X2·X3-1.63·X12-0.88·X22-1.67·X32

對該模型進行方差分析，結(jié)果見表3，由P值可知，方程的X12、X22和X32對Y值的線性有統(tǒng)計學意義(P<0.01)，X1、X3、X1X3對Y值得線性效應不明顯(P>0.05).失擬項P>0.05，無統(tǒng)計學意義，說明數(shù)據(jù)沒有異常點，模型適當.

表2 響應面實驗結(jié)果

表3 方差分析結(jié)果

2.2.2 響應面分析與條件優(yōu)化

根據(jù)回歸方程作響應面圖，考察所擬合的響應面形狀，分析纖維素酶加酶量、超聲波時間和超聲波功率對牛蒡水溶性膳食纖維提取率的影響，其響應面如圖4、圖5和圖6所示.

圖4 加酶量、超聲波功率及其交互作用對提取率影響和等高圖

圖6 超聲波功率、超聲波時間及其交互作用對提取率影響和等高圖

比較圖4、5、6，結(jié)合表3可知，加酶量和超聲波時間對牛蒡水溶性膳食纖維提取率影響無統(tǒng)計學意義，加酶量和超聲波功率與超聲波功率和超聲波時間對牛蒡水溶性膳食纖維提取率影響有統(tǒng)計學意義，表明各因素對牛蒡水溶性膳食纖維提取率影響不是簡單的線性關(guān)系.根據(jù)所建立的數(shù)學模型，得出制備牛蒡水溶性膳食纖維最佳條件為纖維素酶加酶量1.99%、超聲波功率153.16 W、超聲波時間25.03 min，預測牛蒡水溶性膳食纖維提取率36.70%，考慮到實際操作的可行性，將提取條件修正為加酶量2.0%、超聲波功率150 W、超波聲時間25 min，進行3次重復試驗，實際測得牛蒡水溶性膳食纖維提取率(36.58±0.36)%，與理論值相比，相差甚少，因此，相應曲面優(yōu)化所得工藝參數(shù)準確可靠，具有實際應用價值[14-15].

2.3 牛蒡水溶性膳食纖維體外抗氧化活性實驗結(jié)果

2.3.2 SDF和Vc對DPPH的清除效果

由圖8可知，在一定的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)SDF和Vc對DPPH自由基都有清除作用，且清除率隨質(zhì)量濃度增大而升高，而相同質(zhì)量濃度的Vc清除率均高于SDF的清除率[16].

圖7 不同質(zhì)量濃度SDF和Vc 溶液清除自由基效果

圖8 不同質(zhì)量濃度SDF和Vc 溶液清除DPPH的效果

2.4 牛蒡水溶性膳食纖維理化特性實驗結(jié)果

2.4.1 牛蒡水溶性膳食纖維持水力測定結(jié)果

牛蒡水溶性膳食纖維持水力測試結(jié)果分別為：413.2%(1號)，406.8%(2號)，401.9%(3號)，407.4%(4號)，399.3%(5號)，平均為405.7%.說明牛蒡中水溶性膳食纖維持水力很高，它是一種優(yōu)良的食物纖維.由于持水力很高能夠吸收溶解更多人體內(nèi)的毒素，迅速排出體外，使人體內(nèi)毒素含量降低，避免了某些疾病的發(fā)生.

2.4.2 牛蒡水溶性膳食纖維膨脹力測定結(jié)果

牛蒡水溶性膳食纖維膨脹力測試結(jié)果分別為：6.79(1號)，7.08(2號)，7.13(3號)，7.22(4號)，6.97(5號) mL/g,平均為7.04 mL/g，說明牛蒡水溶性膳食纖維具有良好保水能力.由于水溶性膳食纖維吸水后體積更大，因此能增加人體內(nèi)糞便的體積，有利于糞便軟化，有助于有毒物質(zhì)排出體外，防止便秘.

2.4.3 牛蒡水溶性膳食纖持油力測定結(jié)果

牛蒡水溶性膳食纖維持油力測試結(jié)果分別為：203.4%(1號)，217.8%(2號)，206.2%(3號)，211.5%(4號)，210.7%(5號)，平均為209.9%，說明牛蒡水溶性膳食纖維具有良好持油能力.隨著人們生活水平逐漸提高，體重超標已經(jīng)成為一個比較普遍的健康問題.由于牛蒡水溶性膳食纖維具有良好的持油能力，可吸附多余的油脂，從而達到減肥控制體重的目的.

3 結(jié)論

1)在單因素的基礎(chǔ)上，通過響應曲面分析法優(yōu)化工藝參數(shù)，制備牛蒡水溶性膳食纖維最佳工藝條件為纖維素酶加酶量2.0%，超聲波時間25 min，超聲波功率150 W，在此條件下牛蒡中水溶性膳食纖維提取率36.54%，與理論預測值相差很少，說明響應面法優(yōu)化得到的工藝條件準確可靠.

3)牛蒡水溶性膳食纖維的持水力為405.7%，膨脹力7.04 mL/g，持油力為209.9%.

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