一种菠萝皮渣可溶性膳食纤维的提取方法与流程

本发明涉及一种可溶性膳食纤维的提取方法，具体是一种菠萝皮渣可溶性膳食纤维的提取方法，属于农产品加工领域。

背景技术：

膳食纤维是当前国际上公认的一种功能性食品基料，被称为继糖类、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质和水之后的“第七营养素”，具有预防肥胖症、增强免疫力、防止糖尿病、预防结肠癌以及抑制有害菌等作用，是功能食品开发的主要原料之一。根据在水中溶解性的不同，膳食纤维可分为不溶性膳食纤维(insolubledietaryfiber，idf)和可溶性膳食纤维(solubledietaryfiber，sdf)两大类。不溶性膳食纤维具有持水作用和吸胀作用，摄入后可增加机体饱腹感和消化残渣的润湿度，可用于治疗肥胖、缓解便秘。可溶性膳食纤维能吸附重金属、胆汁酸、胆固醇、在预防冠心病、改善各种慢性疾病等诸多因生活水平提高而引起的疾病方面效果极为显著。但是水溶性膳食纤维的资源短缺性使其生产和应用成本很高，限制了有关产品的应用和研究开发。因此，从农产品加工废弃物和低价值资源中寻找和开发水溶性膳食纤维将是食品产业发展的一个重要的技术研究问题。

菠萝又名凤梨，黄梨，属热带亚热带水果。我国广东、广西、海南有广泛种植，常用于生产浓缩果汁等。菠萝皮渣系生产浓缩菠萝汁后的废弃物，含有丰富的膳食纤维。由于加工技术和相关研究匮乏，导致大量皮渣被丢弃，不仅造成资源浪费，还加重了环境污染。因此，建立一套效率较高、成本较低、安全可行的菠萝皮渣膳食纤维提取方法，为菠萝皮渣的进一步资源化利用提供了新途径，对延长菠萝产业链，指导其精深加工具有重要意义。目前，有关菠萝皮渣可溶性膳食纤维的提取方法主要有化学法、微生物发酵法和酶法等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种菠萝皮渣可溶性膳食纤维的提取方法，该方法采用双酶水解、剪切改性、残渣酸浴工艺提取菠萝皮渣可溶性膳食纤维，获得高提取率、高纯度产品，达到提升菠萝皮渣利用率，实现资源高效利用的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种菠萝皮渣可溶性膳食纤维的提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)脱脂：将果汁加工生产中丢弃的菠萝皮渣经筛选后清洗干净，热水漂烫后，干燥，粉碎，脱脂得到脱脂物料；

(2)双酶水解：向步骤(1)制得的脱脂物料中分别加入α-淀粉酶和木瓜蛋白酶进行水解反应，水解结束后灭酶，冷却至室温后过滤，收集滤渣，得膳食纤维原料；滤液储存备用；

(3)剪切改性：向步骤(2)制得的膳食纤维原料中加入草酸溶液，混匀后剪切，分散，混合，得到改性物料；

(4)酸浴：将步骤(3)所得的改性物料加热浸提，浸提结束后过滤，收集滤液；

(5)醇沉、浓缩、干燥：将步骤(2)和(4)所得滤液合并，浓缩至原体积的1/8～1/10，得浓缩液；向浓缩液中缓慢加入浓缩液3～6倍体积浓度为95％的乙醇，混匀后4℃静置3～8h，离心，收集沉淀，再用体积浓度为95％无水乙醇洗涤1～2次，最后将沉析物干燥，研磨成细粉即得可溶性膳食纤维。

进一步的，所述步骤(1)的热水漂烫温度为85～100℃，漂烫时间1～3min；菠萝皮渣的干燥方法为：45～60℃热风干燥36～48h；粉碎后过40～100目筛；脱脂具体操作为：以料液比1：3～6(m/v)的比例向粉碎后的物料中加入石油醚，室温搅拌浸泡1～4h，抽滤，风干即得脱脂物料。

进一步的，所述步骤(2)水解反应的步骤为：以料液比1:30-45(m/v)向脱脂物料中加入蒸馏水，并调节料液ph为6.0～7.5，加入脱脂物料重量1～5％的α-淀粉酶，于50～75℃水浴20～60min，冷却至40～60℃后，加入脱脂物料重量0.1～0.6％的木瓜蛋白酶，水浴20～60min；期间不断搅拌，水解结束后95℃灭酶5min，冷却至室温后过滤，收集滤渣得膳食纤维原料。

优选的，所述步骤(2)水解反应的步骤为：以料液比1:30(m/m)向脱脂物料中加入蒸馏水，调节料液ph值为6.5，加入脱脂物料重量3％的α-淀粉酶，于65℃水浴40min，冷却至55℃后，加入脱脂物料重量0.2％的木瓜蛋白酶，水浴30min；水解结束后95℃加热灭酶5min，冷却至室温后过滤，收集滤渣得膳食纤维原料。

进一步的，步骤(3)加入的草酸溶液的质量分数为1～5％，加入的草酸溶液与膳食纤维原料的比例为1：10～50(m/v)；剪切所用的仪器为高速剪切仪，剪切速度为7000～10000r/min，剪切时间为10～50min。

优选的，步骤(3)所述草酸的质量分数为3.2％，高速剪切仪进行分散的剪切速度为9000r/min，剪切时间为20min，加入的草酸溶液与膳食纤维原料的比例为1:34(m/v)。

进一步的，步骤(4)所述酸浴浸提条件为：浸提温度50～100℃，浸提时间0.5～3.0h。

优选的，步骤(4)所述酸浴浸提条件为：浸提温度88℃，浸提时间2h。

进一步的，所述的步骤(5)中，滤液采用真空减压浓缩；离心操作的条件为：4000～7000r/min离心时间5～10min，沉析物采用冷冻干燥，具体条件为：温度为-40～-60℃，压力为6～15pa，干燥时间24～36h。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：本发明所述提取工艺操作较简单，提取成本低，且成品具有较高的提取率，菠萝皮渣中可溶性膳食纤维提取率得率高达19.22％。本法得到的可溶性膳食纤维纯度高，物化功能好，使用安全可靠，能为可溶性膳食纤维的提取提供参考依据，具有良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1酸种类对菠萝皮渣sdf得率的影响

图2草酸浓度对菠萝皮渣sdf得率的影响

图3提取时间对菠萝皮渣sdf得率的影响

图4提取温度对菠萝皮渣sdf得率的影响

图5料液比对菠萝皮渣sdf得率的影响

图6不同浸提条件对菠萝皮渣sdf得率影响的曲面图

图7不同浸提方法对菠萝皮渣sdf得率的影响

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明做进一步详细说明，这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

一种菠萝皮渣可溶性膳食纤维的提取方法，包括以下步骤：

(1)脱脂：将果汁加工生产中丢弃的菠萝皮渣经筛选后清洗干净，85℃热水漂烫3min后，45℃热风干燥48h；粉碎后过40目筛，以料液比1:5(m/v)加入石油醚，室温搅拌浸泡1h，抽滤，风干得到脱脂物料；

(2)双酶水解：向步骤(1)制得的脱脂物料中以料液比1:30(m/v)的量加入蒸馏水，调节料液ph值为6.0，加入脱脂物料重量1％的α-淀粉酶，于50℃水浴60min，冷却至40℃后，加入脱脂物料重量0.1％的木瓜蛋白酶，水浴60min；期间不断搅拌，水解结束后加热至95℃灭酶5min，冷却至室温后过滤，收集滤渣，得膳食纤维原料；滤液储存备用；

(3)剪切改性：向步骤(2)制得的膳食纤维原料中加入质量分数为1％的草酸溶液，加入的草酸溶液与膳食纤维原料的比例为1：10(m/v)，混匀后使用高速剪切仪剪切，分散，混合，剪切速度为7000r/min，剪切时间为50min，得到改性物料；

(4)酸浴：将步骤(3)所得的改性物料转移至恒温水浴振锅中，于100℃浸提0.5h，浸提结束后过滤，收集滤液；

(5)醇沉、浓缩、干燥：将步骤(2)和(4)所得滤液合并，真空减压浓缩至原体积的1/8，得浓缩液；向浓缩液中缓慢加入浓缩液4倍体积的乙醇，乙醇的体积浓度为95％，混匀后4℃静置8h，7000r/min离心5min，收集沉淀，再用体积浓度为95％乙醇洗涤1次，最后将沉析物在-40℃、压力为15pa的条件下冷冻干燥36h，研磨成细粉即得可溶性膳食纤维。

实施例2

一种菠萝皮渣可溶性膳食纤维的提取方法，包括以下步骤：

(1)脱脂：将果汁加工生产中丢弃的菠萝皮渣经筛选后清洗干净，90℃热水漂烫3min后，50℃热风干燥40h；粉碎后过60目筛，以料液比1:6(m/v)加入石油醚，室温搅拌浸泡3h，抽滤，风干得到脱脂物料；

(2)双酶水解：向步骤(1)制得的脱脂物料中以料液比1:30(m/v)的量加入蒸馏水，调节料液ph值为7.5，再加入脱脂物料重量2.5％的α-淀粉酶，于75℃水浴20min，冷却至60℃后，加入脱脂物料重量0.3％的木瓜蛋白酶，水浴20min；期间不断搅拌，水解结束后加热至95℃灭酶5min，冷却至室温后过滤，收集滤渣，得膳食纤维原料；滤液储存备用；

(3)剪切改性：向步骤(2)制得的膳食纤维原料中加入质量分数为5％的草酸溶液，加入的草酸溶液与膳食纤维原料的比例为1：50(m/v)，混匀后使用高速剪切仪10000r/min剪切10min，分散，混合，得到改性物料；

(4)酸浴：将步骤(3)所得的改性物料置于恒温水浴锅中，于50℃浸提3.0h，浸提结束后过滤，收集滤液；

(5)醇沉、浓缩、干燥：将步骤(2)和(4)所得滤液合并，真空减压浓缩至原体积的1/10，得浓缩液；向浓缩液中缓慢加入浓缩液4倍体积的乙醇，乙醇的体积浓度为95％，混匀后4℃静置8h，4000r/min离心10min，收集沉淀，再用体积浓度为95％无水乙醇洗涤2次，最后将沉析物在-60℃、压力为6pa的条件下冷冻干燥24h，研磨成细粉即得可溶性膳食纤维。。

实施例3

一种菠萝皮渣可溶性膳食纤维的提取方法，包括以下步骤：

(1)脱脂：将果汁加工生产中丢弃的菠萝皮渣经筛选后清洗干净，90℃热水漂烫2min后，55℃热风干燥48h；粉碎后过80目筛，以料液比1:3(m/v)加入石油醚，室温搅拌浸泡4h，抽滤，风干得到脱脂物料；

(2)双酶水解：向步骤(1)制得的脱脂物料中加入40倍重量的蒸馏水，调节料液ph值为6.5，加入脱脂物料重量3％的α-淀粉酶，于65℃水浴40min，冷却至55℃后，加入脱脂物料重量0.2％的木瓜蛋白酶，水浴30min；期间不断搅拌，水解结束后加热至95℃灭酶5min，冷却至室温后过滤，收集滤渣，得膳食纤维原料；滤液储存备用；

(3)剪切改性：向步骤(2)制得的膳食纤维原料中加入质量分数为3.2％的草酸溶液，加入的草酸溶液与膳食纤维原料的比例为1：34(m/v)，混匀后使用高速剪切仪剪切，分散，混合，剪切速度为8000r/min，剪切时间为15min，得到改性物料；

(4)酸浴：将步骤(3)所得的改性物料转移至恒温水浴锅中，加入蒸馏水，于88℃浸提2h，浸提结束后过滤，收集滤液；

(5)醇沉、浓缩、干燥：将步骤(2)和(4)所得滤液合并，真空减压浓缩至原体积的1/9，得浓缩液；向浓缩液中缓慢加入浓缩液4倍体积的乙醇，乙醇的体积浓度为95％；混匀后4℃静置6h，5000r/min离心10min，收集沉淀，再用体积浓度为95％无水乙醇洗涤2次，最后将沉析物在-50℃、压力为10pa的条件下冷冻干燥30h，研磨成细粉即得可溶性膳食纤维。。

实施例4

一种菠萝皮渣可溶性膳食纤维的提取方法，包括以下步骤：

(1)脱脂：将果汁加工生产中丢弃的菠萝皮渣经筛选后清洗干净，100℃热水漂烫1min后，60℃热风干燥36h；粉碎后过100目筛，以料液比1:4(m/v)加入石油醚，室温搅拌浸泡3h，抽滤，风干得到脱脂物料；

(2)双酶水解：向步骤(1)制得的脱脂物料中加入45倍重量的蒸馏水，调节料液ph值为6.5，再加入脱脂物料重量5％的α-淀粉酶，于65℃水浴40min，冷却至55℃后，加入脱脂物料重量0.6％的木瓜蛋白酶，水浴30min；期间不断搅拌，水解结束后加热至95℃灭酶5min，冷却至室温后过滤，收集滤渣，得膳食纤维原料；滤液储存备用；

(3)剪切改性：向步骤(2)制得的膳食纤维原料中加入质量分数为3.2％的草酸溶液，加入的草酸溶液与膳食纤维原料的比例为1：40(m/v)，混匀后使用高速剪切仪剪切，分散，混合，剪切速度为9000r/min，剪切时间为20min，得到改性物料；

(4)酸浴：将步骤(3)所得的改性物料转移至恒温水浴锅中，于88℃浸提2h，浸提结束后过滤，收集滤液；

(5)醇沉、浓缩、干燥：将步骤(2)和(4)所得滤液合并，真空减压浓缩至原体积的1/8，得浓缩液；向浓缩液中缓慢加入浓缩液4倍体积的乙醇，乙醇的体积浓度为95％，混匀后4℃静置7h，6000r/min离心8min，收集沉淀，再用体积浓度为95％无水乙醇洗涤2次，最后将沉析物在-60℃、压力为9pa的条件下冷冻干燥36h，研磨成细粉即得可溶性膳食纤维。

上述实施例中，调节料液ph值，可根据制得的膳食纤维的用途，选择合适的ph调节剂，例如一定浓度的naoh溶液。为了便于操作，本申请中选择质量浓度为9％的naoh溶液。

更进一步的，本发明的方法还包括基于最优提取条件和最优因素水平对菠萝皮渣可溶性膳食纤维进行酸浴提取，并用所得得率对模型预测结果进行验证。酸浴提取所述最优提取条件和最优因素水平主要通过单因素试验并结合响应面分析法而得，响应面设计通过design-expert8.0.6软件实现。

本发明技术方案研发过程中，对酸浴提取菠萝皮渣可溶性膳食纤维的作用酸种类进行了筛选，并对酸浴工艺条件进行了优化，获得最优的技术方案为：以质量分数为3.2％草酸为提取剂，以1:34g/ml料液比于88℃提取2h，在此条件下菠萝皮渣可溶性膳食纤维得率为19.22±0.08％。具体说明如下。

酸种类对菠萝皮渣可溶性膳食纤维得率的影响

取脱脂后的菠萝皮渣粉末11份，每份2g，分别置于100ml三角瓶中，以1:30g/ml料液比加入蒸馏水，调节料液ph为6.5，同时向每份样品中加入3％的α-淀粉酶，于65℃水浴40min，冷却至55℃后，加入0.2％的木瓜蛋白酶，水浴30min；水解结束后95℃灭酶5min，冷却后过滤，收集滤液1和残渣1。分别向残渣1中加入30倍重量的酸提剂(质量分数为3％)，混匀后以9000r/min的速度剪切处理20min，后将其转移至恒温水浴锅中，于80℃浸提1.5h，过滤后收集滤液2。分别将滤液1和滤液2进行浓缩、醇沉，干燥后合并称重，计算可溶性膳食纤维得率。

结果表明，以草酸做提取剂时，菠萝皮渣可溶性膳食纤维得率达到最高，为15.20±0.13％，故选用草酸作为本试验的提取溶剂(图1)。

草酸提取菠萝皮渣可溶性膳食纤维工艺参数确定

(1)不同浸提条件对菠萝皮渣可溶性膳食纤维得率的影响：单因素试验设定因素为草酸浓度、提取时间、提取温度和料液比，分别考察4个因素对菠萝皮渣可溶性膳食纤维得率的影响。固定提取时间1.5h、提取温度80℃、料液比1:30g/ml，草酸浓度分别为1、2、3、4、5％；固定料液比1:30g/ml、草酸浓度3％、提取温度80℃，提取时间分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0h；固定料液比1:30g/ml、草酸浓度3％、提取时间2h，提取温度分别为50、60、70、80、90、100℃；固定草酸浓度3％、提取时间2h，提取温度90℃，料液比分别为1:10、1:20、1:30、1:40、1:50g/ml。

结果表明，在草酸浓度为1～3％范围内随着酸浓度的增大，sdf得率也随之增大，当浓度为3％时达到最大。可能是因为酸的浓度越高，细胞解离程度越大，细胞中sdf溶出越多。但当浓度高于3％时，sdf得率呈缓慢下降趋势，这可能是由于过高的酸环境使细胞中已溶出的sdf发生降解，进而导致sdf得率下降。综合考虑，草酸浓度选择3％为宜(图2)。

随着提取时间的延长，sdf得率逐渐增大，当提取时间为2h时，sdf得率达到最大，此后继续延长浸提时间，sdf得率逐渐下降。提取时间过短，sdf溶出不完全；提取时间过长，sdf在高温环境中可能发生降解，此外可能会有其他杂质溶出，影响sdf得率，综合考虑选择提取时间为2h为宜(图3)。

sdf得率随着提取温度的升高呈先增大后减小趋势，当提取温度为90℃时，sdf得率达到最大值。这可能是由于温度的升高加速了分子的热运动，提高了溶剂的交换速度，进而导致细胞中sdf的溶出越多。但温度过高，溶液的黏度变大，使分子运动速度减慢，阻止了纤维物质的溶出，从而导致sdf得率下降(图4)。

料液比对sdf得率也存在显著影响。在料液比为1:10～1:20g/ml时，随着料液比的增大，sdf得率也随之增大，当料液比为1:30g/ml时，sdf得率达到最大。此后，继续增大料液比，sdf得率增加不显著。料液比增大时，外界溶液与细胞液间浓度差增大，渗透作用加快，导致更多的sdf从细胞中溶出。当料液比增大到某一值时，细胞内外液体浓度达到平衡，此时sdf不在随胞液渗出，因而sdf得率趋于恒定。此外过大的料液比还会加大后续浓缩工艺的难度，且能耗较大，因此，将料液比固定为1:30g/ml为宜(图5)。

(2)提取条件优化：在单因素试验的基础上，以草酸浓度、提取时间、提取温度和料液比为自变量，以菠萝皮渣可溶性膳食纤维得率为响应值，根据box-behnken试验设计的方法，进行4因素3水平的响应面优化试验，以确定最佳的提取工艺，因素水平见表1。

表1因素水平表

表2box-benhnken设计试验次数表

表3回归方程的方差分析

注：**表示差异高度显著(p<0.01)；*表示差异显著(p<0.05)；

利用design-expert8.0.6软件对表2数据进行二次回归分析，得到二次多项回归方程为：

y＝-197.63+21.66a+11.12b+3.25c+1.68d+0.90ab-0.10ac-0.07ad-9.00bc+0.07bd+1.25cd-1.96a²-3.81b²-0.02c²-0.03d²；式中：y代表菠萝皮渣可溶性膳食纤维得率；a代表草酸浓度，b代表提取时间，c代表提取温度，d代表料液比。对二元回归方程的模型进行显著性检验及方差分析，结果见表3。由表3可知，回归模型达到极显著(p<0.01)，在统计学上有意义。模型的校正决定系数r²＝0.9126，说明模型拟合程度较好，能够准确可靠地预测和分析sdf得率的大小。方程的一次项d，二次项a²、c²和d²对sdf得率影响极显著，一次项a、c，二次项b²对sdf得率影响显著，交互项ab、ac、ad、bc、bd、cd对sdf得率均无显著影响(图6)。4个因素对sdf得率的影响主次顺序为d>a>c>b，即料液比>草酸浓度>提取温度>提取时间。通过软件分析，得到菠萝皮渣sdf的最佳提取条件为：草酸浓度3.2％，提取时间2h，提取温度88℃，料液比1:34g/ml，在此条件下，预测sdf得率为19.41％。为证实该方程的准确性和实用性，进行验证实验。验证试验结果表明，在最佳提取条件下，菠萝皮渣sdf得率为19.22±0.05％。说明该方程与实际情况的拟合较好，响应面法适用于菠萝皮渣sdf提取工艺进行回归分析和参数优化。

不同浸提方法对菠萝可溶性膳食纤维提取率的比较

取脱脂菠萝皮渣干粉7份，每份2g，分别置于100ml三角瓶中，经α-淀粉酶水解除淀粉，木瓜蛋白酶酶解除蛋白后，按以下7种方法提取菠萝皮渣sdf，每种方法的浸提条件如下：

(1)水提法：浸提温度55℃、浸提时间1h，料液比1:40g/ml；

(2)纤维素酶法：纤维素酶添加量5％，酶解时间60min，酶解温度50℃，ph5.5，料液比1:40g/ml；水解结束后95℃灭酶5min；

(3)超声-纤维素酶法：纤维素酶添加量5.1％，超声功率180w，超声时间40min，超声温度45℃，料液比1:42g/ml；结束后95℃灭酶5min；

(4)剪切-纤维素酶法：剪切速度9000rpm，剪切时间20min，料液比1:45g/ml，纤维素酶添加量5％，酶解温度50℃、酶解时间2h、ph4.5；水解结束后95℃灭酶5min；

(5)纤维素酶-化学法：料液比1:50g/ml，料液ph4.0，纤维素酶添加量6％，水解温度60℃，水解时间60min，水解结束后95℃灭酶5min；过滤，滤渣进行碱解，碱解温度60℃，碱解时间1.5h，碱解ph11.0；

(6)草酸法：按本发明优化的提取工艺进行，即，草酸溶液质量浓度3.2％，提取时间2h，提取温度88℃，料液比1:34g/ml；

(7)盐酸法：盐酸浓度3％，提取温度79℃，提取时间1h，料液比1:42g/ml。

分别统计上述提取方法sdf的提取率，结果表明，本发明方法与热水法、盐酸法、酶法、超声辅助酶法、酶-化学法和剪切-酶法相比，本发明方法所得菠萝皮渣sdf得率最大，明显高于其他方法，分别比水提法、酶法、超声-酶法、剪切-酶法、酶-化学法和盐酸法高出62.38％、58.12％、57.75％、54.42、7.49和36.58％(图7)。