響應面法優化火棘水不溶性膳食纖維提取工藝

李加興，梁先長，黃 誠,*，霍永鵬，胡平平，黃壽恩

(1.吉首大學化學化工學院，湖南 吉首 416000；2.林產化學加工工程湖南省重點實驗室，湖南 張家界 427000；3.中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004)

響應面法優化火棘水不溶性膳食纖維提取工藝

李加興1，梁先長2，黃 誠1,*，霍永鵬1，胡平平3，黃壽恩3

(1.吉首大學化學化工學院，湖南 吉首 416000；2.林產化學加工工程湖南省重點實驗室，湖南 張家界 427000；3.中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004)

以火棘果為原料，采用堿水解法提取膳食纖維，通過單因素試驗和響應面分析，探討堿液質量分數、浸提時間、浸提溫度和液料比對火棘水不溶性膳食纖維提取率和純度的影響，并對提取工藝條件進行優化。結果表明，堿水解法提取火棘膳食纖維的最佳工藝條件為堿液質量分數1.00%、浸提時間3.00h、浸提溫度77.8℃、液料比17∶1(mL/g)，在此工藝條件下水不溶性膳食纖維的提取率56.89%、純度達到92.74%，表明該工藝可行。

火棘；堿水解；水不溶性膳食纖維；響應面分析

火棘(Pyracantha fortuneana)俗名救兵糧、火把果、赤陽子等，為薔薇科蘋果亞科(Maloideae)火棘屬(Pyracantha roemer)常綠野生灌木果樹植物。火棘果中所含有的營養成分種類齊全，含量豐富[1-2]，營養價值比蘋果、獼猴桃更具特色[1]。膳食纖維被認為是繼蛋白質、脂肪、水、礦物質、維生素、碳水化合物之后，能夠改善人體營養狀況，調節機體功能的“第七類營養素”。已有研究[3-8]表明，膳食纖維具有很多重要的生理功能，如緩解便秘、降低血糖、降低血清膽固醇水平、治療肥胖癥、防治高血壓、抗氧化、清除自由基等。

膳食纖維的提取方法主要有化學法[9-10]、酶-化學法[11-12]、酶法[13-14]和生物法[15-16]。目前，國內外主要采用化學法來提取膳食纖維，此法具有工藝簡單和成本低廉的優點。本研究采用堿水解法提制火棘果中水不溶性膳食纖維，并采用響應面法優化提取工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

野生火棘：采摘于湘西州永順縣高坪山區；無水乙醇、石油醚(沸程30～60℃)、丙酮、氫氧化鈉、鹽酸、無水硫酸鈉均為分析純；α-淀粉酶、蛋白酶(活性≥50萬U/g)。

1.2 儀器與設備

ZNJ-80型小型不銹鋼粗碎機 北京興時利和科技發展有限公司；XA-1型固體樣品粉碎機 江蘇金壇市億通電子有限公司；TMP-2型上皿式電子天平 湘儀天平儀器設備有限公司；DSY-2-4孔恒溫水浴鍋 北京國華醫療器械廠；LD4-2A型低速離心機 北京醫用離心機廠；RE-52A型旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠；DZF-6050型真空干燥箱 上海博訊事業有限公司醫療設備廠；SHZ-D(Ⅲ)循環水式真空泵 浙江黃巖求精真空泵廠。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

火棘→破碎去籽→果肉→干燥→粉碎過篩→酶解→堿浸提→雙氧水脫色→離心分離→濾渣→真空干燥→膳食纖維

1.3.2 操作要點

原料預處理：采用不銹鋼粗碎機破碎火棘，分離出果肉和果籽，果肉經60℃真空干燥后備用，果籽可用于提油；粉碎過篩：火棘果肉經粉碎機粉碎，過80～100目篩；酶解：火棘果肉分別用α-淀粉酶、蛋白酶酶解30min，除去淀粉和蛋白質，以免影響提取物的純度；堿浸提：酶解后的果肉與堿液按一定質量分數混合，于一定溫度下水浴恒溫浸提一定時間；脫色：用鹽酸調pH值至中性，加入10mL雙氧水，在50℃恒溫水浴鍋中加熱脫色30min；離心分離：控制轉速4000r/ min左右，離心分離30min，棄去上清液；干燥：用一定量的無水乙醇反復洗滌水不溶性膳食纖維后，置于真空干燥箱干燥，控制干燥溫度為60℃，真空度保持在0.08～0.09MPa。

1.3.3 影響火棘水不溶性膳食纖維提取效率單因素試驗

1.3.3.1 堿液質量分數對提取水不溶性膳食纖維的影響

采用液料比20∶1(mL/g)，在火棘果肉中分別加入質量分數0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的NaOH溶液，于60℃浸提4h，以膳食纖維的提取率和純度為評價指標，探討堿液質量分數對提取水不溶性膳食纖維的影響。

1.3.3.2 浸提時間對提取水不溶性膳食纖維的影響

采用液料比20∶1，在火棘果肉中加入質量分數0.8%的NaOH溶液，60℃分別浸提1、2、3、4、5h，以膳食纖維的提取率和純度為評價指標，探討浸提時間對提取水不溶性膳食纖維的影響。

1.3.3.3 浸提溫度對提取水不溶性膳食纖維的影響

采用液料比20∶1，在火棘果肉中加入質量分數0.8%的NaOH溶液，分別于40、50、60、70、80℃浸提4h，以膳食纖維的提取率和純度為評價指標，探討浸提溫度對提取水不溶性膳食纖維的影響。

1.3.3.4 液料比對提取水不溶性膳食纖維的影響

在火棘果肉中加入質量分數0.8%的NaOH溶液，液料比分別為10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1(mL/g)，70℃浸提4h，以膳食纖維的提取率和純度為評價指標，探討液料比對提取水不溶性膳食纖維的影響。

1.3.4 火棘水不溶性膳食纖維提取工藝優化

綜合單因素試驗結果，選取堿液質量分數、浸提時間、浸提溫度和液料比為自變量，水不溶性膳食纖維的提取率和純度為響應值，設計4因素3水平響應面分析試驗，優化提取工藝。試驗設計因素水平見表1。

1.4 分析評價方法

表1 響應面分析因素與水平表Table 1 Factors and levels in response surface analysis

1.4.1 膳食纖維的測定方法

按照GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》方法進行檢測。

1.4.2 提取率與純度計算方法

式中：m1為提取物的質量/g；r1為提取物水分及揮發物含量/%；m2為原料的質量/g；r2為原料水分及揮發物含量/%。

式中：m2為濾器加玻璃棉及試樣中纖維的質量/g；m1為濾器加玻璃棉的質量/g；m為樣品的質量/g。

2 結果與分析

2.1 火棘果中水不溶性膳食纖維提取工藝單因素試驗

2.1.1 堿液質量分數對提取水不溶性膳食纖維的影響由圖1可知，當NaOH質量分數小于0.8%時，提取物中水不溶性膳食纖維純度隨著NaOH質量分數的增大呈增加趨勢；當NaOH質量分數大于0.8%時，膳食纖維純度呈緩慢下降趨勢；提取率隨著NaOH質量分數的增大一直呈下降趨勢，當NaOH質量分數在0.8%～1.0%，提取率趨于平緩，當NaOH質量分數大于1.0%時，提取率下降加劇。由于NaOH具有氧化作用，濃度較大時能夠破壞纖維素和半纖維素之間氫鍵，使得膳食纖維提取率與純度均降低。因此，NaOH質量分數選擇0.8%左右較為適宜。

圖1 堿液質量分數對提取水不溶性膳食纖維的影響Fig.1 Effect of NaOH concentration on extraction rate of IDF

2.1.2 浸提時間對提取水不溶性膳食纖維的影響

圖2 浸提時間對提取水不溶性膳食纖維的影響Fig.2 Effect of extraction time on extraction rate of IDF

由圖2可知，隨著浸提時間的延長，水不溶性膳食纖維純度迅速升高，提取率迅速降低；但當浸提時間超過4h后，水不溶性膳食纖維純度上升趨勢與提取率下降趨勢均趨于平緩。這是由于隨著提取時間的延長，色素等雜質被浸出，而使水不溶性膳食纖維純度升高，提取率下降。因此，浸提時間確定為4h左右。

2.1.3 浸提溫度對提取水不溶性膳食纖維的影響

由圖3可知，提取溫度在40～70℃時，水不溶性膳食纖維的純度隨著浸提溫度的升高而升高；但當浸提溫度高于70℃時，水不溶性膳食纖維的純度隨著浸提溫度的升高反而降低；隨著浸提溫度的升高，NaOH對纖維素和半纖維素的破壞能力逐漸增強，導致水不溶性膳食纖維的提取率逐漸降低。因此，浸提溫度選擇70℃左右較為適宜。

圖3 浸提溫度對提取水不溶性膳食纖維的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction rate of IDF

2.1.4 液料比對提取水不溶性膳食纖維的影響

圖4 液固比對提取水不溶性膳食纖維的影響Fig.4 Effect of material-to-liquid ratio on extraction rate of IDF

由圖4可知，水不溶性膳食纖維的純度隨著液料比的增大而升高，提取率隨著液料比的增大而降低；當液料比為20∶1時，水不溶性膳食纖維的純度上升趨于平緩，提取率的降低亦趨于平緩。因此，液料比選擇20∶1較為適宜。

2.2 火棘水不溶性膳食纖維提取工藝優化

2.2.1 數學模型的建立與顯著性分析

采用Design-Expert 7.0 Trial軟件，按照Box-Behnken組合設計，依據單因素試驗結果選取堿液質量分數、浸提時間、浸提溫度和液料比作為主要因素，以火棘膳食纖維的提取率和純度作為評價指標，設計4因素3水平響應面分析試驗[17-18]，試驗設計方案及數據處理結果如表2所示，方差分析結果如表3所示。

對表2結果進行統計分析，可建立如下二次回歸方程：

從表3分析結果可知，該二次回歸方程的模型項、一次項、二次項及交互項中的X1X3、X2X3、X2X4都表現出極顯著影響，X1X2影響顯著，并且失擬項不顯著。而且，經Design-Expert 7.0 Trial 軟件分析得到，預測的R2(0.8254)與校正的R2(0.9380)相差較小，說明數學擬合模型與試驗實測值能很好的擬合(與表2中的結果一致)。由F值大小比較可知，影響火棘水不溶性膳食纖維提取率的主要因素主次順序為X3＞X2＞X1＞X4，即浸提溫度對火棘水不溶性膳食纖維提取率影響最大，浸提時間和堿液質量分數影響次之，液料比影響最小。

表2 Box-Behnken組合試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken experimental design and corresponding results

表3 膳食纖維提取率響應面試驗方差分析結果Table 3 Variance analysis for extraction rate of IDF

表4 膳食纖維純度響應面試驗方差分析結果Table 4 Variance analysis for IDF purity

從表4可知，該二次回歸方程的模型項、一次項、二次項及交互項中的X1X2、X2X3、X2X4都表現出極顯著影響，X1X3影響顯著并且失擬項不顯著。而且，經Design-Expert 7.0 Trial 軟件分析得到，預測的R2(0.9016)與校正的R2(0.9585)相差很小，說明數學擬合模型與試驗實測值能很好的擬合(與表2中的結果一致)。由F值大小比較可知，影響火棘水不溶性膳食纖維純度的主要因素主次順序為X3＞X1＞X4＞X2，即浸提溫度對火棘水不溶性膳食纖維純度影響最大，堿液質量分數和液料比影響次之，浸提時間影響最小。

2.2.2 響應面分析

等高線呈橢圓形，表明兩因素的交互影響較強；處在同一橢圓形區域中的等高線表示水不溶性膳食纖維純度是相同的，越靠近區域中心，純度值越大；等高線排列越密集，表示因素的變化對純度影響越大[19-21]。因此，由圖5可知，堿液質量分數與浸提時間(X1X2)、堿液質量分數與浸提溫度(X1X3)、浸提時間與浸提溫度(X2X3)、浸提時間與液料比(X2X4)等交互項對水不溶性膳食纖維純度表現出了很好的顯著性；此外，由圖5可知各個響應曲面均為凸面，表示該模型在試驗范圍內存在穩定點(等高線中的點5)，且穩定點為最大值。

圖5 各兩因素交互作用對純度影響的響應面及等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots for the pairwise effect of four extraction conditions on IDF purity

對提取率和純度均取最大值，由軟件自動分析得到的優化條件為堿液質量分數1.00%、提取時間3.00h、提取溫度77.79℃、液料比16.89∶1(mL/g)，此條件下的膳食纖維提取率理論值為57.28%，純度理論值為92.47%。為方便實際操作，選取堿液質量分數1.00%、浸提時間3.00h、浸提溫度77.8℃、液料比17∶1(mL/g)，在此條件下進行3次平行驗證實驗，膳食纖維提取率和純度的平均值分別為56.89%和92.74%，與理論值較為接近，說明數學模型對優化火棘中水不溶性膳食纖維的提取工藝可行。

3 結 論

3.1 本實驗采用響應面法對堿水解法提取火棘水不溶性膳食纖維工藝進行優化，建立的二次多項式數學模型具有很好的顯著性，影響膳食纖維提取率的R2為0.9690，影響膳食纖維純度的R2為0.9793；影響火棘水不溶性膳食纖維提取率的主要因素主次順序為浸提溫度影響最大，浸提時間和堿液質量分數影響次之，液料比影響最小；影響火棘水不溶性膳食纖維純度的主要因素主次順序為浸提溫度影響最大，堿液質量分數和液料比影響次之，浸提時間影響最小。

3.2 提取火棘水不溶性膳食纖維的最佳工藝條件為堿液質量分數1.00%、浸提溫度77.8℃、浸提時間3.00h、液料比17∶1(mL/g)。在此工藝條件下，火棘膳食纖維提取率56.89%，純度達到92.74%，產品外觀呈淺黃綠色，該工藝可行。

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Optimization of Extraction Technology for Insoluble Dietary Fiber from Fortuneana pyracantha Fruits by Response Surface Methodology

LI Jia-xing1，LIANG Xian-chang2，HUANG Cheng1,*，HUO Yong-peng1，HU Ping-ping3，HUANG Shou-en3
(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Jishou University, Jishou 416000, China；2. Key Laboratory of Hunan Forest Product and Chemical Industry Engineering, Zhangjiajie 427000, China；3. College of Food Science and Engineering, Central South University of Forest and Technology, Changsha 410004, China)

The alkali-catalyzed hydrolysis method was applied to extract insoluble dietary fiber (IDF) from the fruits of Fortuneana pyracantha and main process conditions were optimized by one-factor-at-at-a-time experiments and response surface methodology. The extraction rate and purity of IDF were investigated with respect to NaOH concentration, extraction time, extraction temperature and material-to-liquid ratio. The results showed that the optimal extraction conditions were NaOH concentration of 1.00% (g/g), extraction time of 3.00 h, extraction temperature of 77.8 ℃, and material-to-liquid ratio of 1∶17 (g/mL). Under the optimal extraction conditions, the extraction rate and purity of IDF were 56.89% and 92.74%, respectively.

Fortuneana pyracantha；alkali-catalyzed hydrolysis method；insoluble dietary fiber；response surface analysis

TS201.1

A

1002-6630(2011)14-0118-06

2011-01-06

湖南省高校科技創新團隊支持計劃項目(湘教通〈2010〉212號)；吉首大學研究生科研項目(10JDY031)

李加興(1969—)，男，教授，博士，研究方向為天然食物資源開發與利用。E-mail：jslijiaxing@sohu.com

*通信作者：黃誠(1964—)，男，教授，碩士，研究方向為農產品加工及其分析檢測技術。E-mail：huangcheng@gsu.edu.cn