響應(yīng)面法優(yōu)化纖維素酶提取蘋果渣中水溶性膳食纖維

牟建樓，王 頡*，孫劍鋒

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，河北 保定 071000)

響應(yīng)面法優(yōu)化纖維素酶提取蘋果渣中水溶性膳食纖維

牟建樓，王 頡*，孫劍鋒

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，河北 保定 071000)

以蘋果渣為原料，研究纖維素酶作用提取蘋果渣中水溶性膳食纖維，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)確定適宜的提取條件。結(jié)果表明：在纖維素酶用量0.67%、緩沖液pH5.55、酶解時(shí)間1.90h、酶解溫度45℃條件下，水溶性膳食纖維提取率最高，為17.50%。

蘋果渣；纖維素酶；水溶性膳食纖維；響應(yīng)面

我國是世界上最大的蘋果生產(chǎn)國，蘋果渣是蘋果加工廠的副產(chǎn)物，大部分作為廢棄物丟棄，嚴(yán)重地污染了環(huán)境，而且還造成極大的資源浪費(fèi)，蘋果渣含有24%的粗纖維[1]。若將蘋果渣中的纖維提取，可以提高產(chǎn)品的附加值。

水溶性纖維(soluble dietary fiber，SDF)是膳食纖維中具有重要生理功能的組分，水溶性膳食纖維對人體具有多種營養(yǎng)保健功能，而且有利于人體的消化吸收。水溶性膳食纖維的提取方法主要是化學(xué)法[2-7]，酸、堿對膳食纖維尤其是水溶性膳食纖維的破壞較大，產(chǎn)品品質(zhì)較差，而且環(huán)境污染大。物理法[8-9]和酶法[10-11]報(bào)道比較少，酶法應(yīng)用于蘋果渣水溶性膳食纖維提取未見報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)以纖維素酶提取蘋果渣中水溶性膳食纖維，通過響應(yīng)面分析方法得到酶法提取的最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘋果渣 河南靈寶飼料有限公司；無水乙醇、醋酸鈉、冰醋酸(均為分析純) 天津天大化工實(shí)驗(yàn)廠；纖維素酶(10000U/g) 北京奧博星公司。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平、PB-20酸度計(jì) 北京賽多利斯儀器有限公司；水浴鍋 上海東星建材試驗(yàn)設(shè)備有限公司；QE-200g中藥粉碎機(jī) 武義縣屹立工具有限公司；DL-101-2電熱鼓風(fēng)干燥箱 天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩(40目) 浙江上虞市華豐五金儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程及操作要點(diǎn)

工藝流程：蘋果渣粉碎→過篩→酶解→過濾→醇沉→過濾→干燥→成品。

操作要點(diǎn)：將蘋果渣粉碎后，過40目篩，待用。準(zhǔn)確稱取10.0g，按1:20加入一定pH值的醋酸鹽緩沖液，在一定溫度下加入適量纖維素酶，酶解一段時(shí)間后，在80℃條件下保溫10min滅活。濾液冷卻后加入四倍體積的無水乙醇，60℃醇沉1h，抽濾得到沉淀物，在干燥箱中干燥，得蘋果渣水溶性膳食纖維，稱質(zhì)量計(jì)算得率。

1.3.2 蘋果渣水溶性膳食纖維提取單因素試驗(yàn)

稱取10.0g蘋果渣，按料液比1:20加入一定pH值的醋酸鹽緩沖液，在一定溫度條件下加入一定量的纖維素酶酶解一定時(shí)間，然后按照1.3.1節(jié)要點(diǎn)操作計(jì)算得率。各因素水平為：加酶量0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%；pH3.5、4.0、4.5、5.0、5.5；酶解時(shí)間0.5、1.0、1.5、2.0、2.5h；酶解溫度40、45、50、55、60℃。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以加酶量、pH值、酶解時(shí)間，酶解溫度為試驗(yàn)因素，水溶性膳食纖維得率為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。采用Design Expert 7.12統(tǒng)計(jì)軟件，進(jìn)行Box-Behnken設(shè)計(jì)及響應(yīng)面分析試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平表見表1。

表1 Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)因素及水平表Table 1 Factors and levels of Box-Behnken design

1.4 結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析方法

單因素試驗(yàn)使用SPSS11.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。響應(yīng)面試驗(yàn)采用Design Expert7.12統(tǒng)計(jì)軟件，進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 纖維素酶加酶量對SDF得率的影響

圖1 纖維素酶加酶量對SDF得率的影響Fig.1 Effect of enzyme concentration on SDF yield

由圖1可見，隨著加酶量的增加，水溶性膳食纖維得率逐漸增加，當(dāng)加酶量達(dá)到0.6%時(shí)其得率最高達(dá)14.76%，隨著加酶量的進(jìn)一步的增加得率反而減少。因?yàn)樘O果渣內(nèi)含有大量不溶性纖維，加酶量過低，不溶性纖維水解不完全，而加酶量過高，使膳食纖維中可溶性纖維素分解，造成提取率降低，這是由于適量的纖維素酶可以使一部分水不溶性半纖維素變成可溶的半纖維素，以及一些不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)變成可溶性的葡聚糖，提高SDF含量。當(dāng)酶的加入量超過一定值時(shí)，可溶性的膳食纖維進(jìn)一步降解，生成分子質(zhì)量更低的小分子多糖、低聚糖或者單糖，無法被乙醇沉淀，使得SDF得率反而有所降低。0.6%加酶量的處理組纖維素得率明顯高于其他處理組(P＜0.05)。

2.1.2 溶液pH值對SDF得率的影響

圖2 緩沖液pH值對SDF得率的影響Fig.2 Effect of pH on SDF yield

由圖2可以看出， pH 值由4.0 上升到5.0 SDF得率迅速增加，在pH5.0時(shí)，SDF得率達(dá)到最高(P＜0.05)，所以選pH5.0的緩沖液作為提取緩沖液。

2.1.3 酶解時(shí)間對SDF得率的影響

圖3 酶解時(shí)間對SDF得率的影響Fig.3 Effect of extraction time on SDF yield

由圖3可知，隨著酶解時(shí)間的延長，膳食纖維的提取率逐漸增加，當(dāng)酶解時(shí)間在2h以后，得率基本不變，處理2h與處理2.5h膳食纖維的提取率差異不顯著(P＞0.05)，這兩個(gè)處理的得率明顯高于其他處理(P＜0.05)，從提取效率和生產(chǎn)成本考慮，選擇酶解時(shí)間在2h為宜。

2.1.4 酶解溫度對SDF得率的影響

圖4 溫度對得率的影響Fig.4 Effect of temperature on SDF yield

由圖4可知，在未達(dá)到酶的最適宜溫度的時(shí)候，隨著溫度的升高，膳食纖維的提取率明顯增加，當(dāng)溫度達(dá)到55℃時(shí)，提取率達(dá)到最高，膳食纖維的提取率與其他4個(gè)處理有顯著差異(P＜0.05)，所以選55℃為纖維素酶酶解的適宜溫度。

2.2 響應(yīng)面分析結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面法的試驗(yàn)結(jié)果及方差分析

表2 蘋果渣SDF提取響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2，利用Design Expert 7.12對表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合及對模型進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表3所示。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 3 Variance analysis for the fitted regression equation

由表3可知，失擬項(xiàng)不顯著(P＝0.1318＞0.05)，而模型的P值為0.0005，小于0.01，表明模型極顯著，模型的確定系數(shù)R2＝0.90，模型調(diào)整確定系數(shù)R2Adj＝0.80，表明模型擬合度較好，能較好地反映各因素與響應(yīng)值變化的關(guān)系，可用于預(yù)測可溶性膳食纖維得率的實(shí)際情況。從表3還可以看出，一次項(xiàng)(X1、X4)對結(jié)果影響顯著(P＜0.05)、一次項(xiàng)(X2)、交互項(xiàng)(X3X4)和二次項(xiàng)(X12、X22、X32)對結(jié)果影響極顯著(P ＜ 0.01)， X3、X42和交互項(xiàng)(X1X2、X1X3、X1X4、X2X3、X2X4)對結(jié)果影響不顯著(P＞0.05)。因此去除交互項(xiàng)X1X2、X1X3、X1X4、X2X3和X2X4，得到SDF得率對加酶量(X1)、pH(X2)、酶解時(shí)間(X3)、酶解溫度(X4)的回歸模型為：

利用Design Expert軟件對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸，擬合得到二次回歸方程的響應(yīng)曲面及其等高線。提取溫度和提取時(shí)間對SDF得率的影響見圖5。由圖5可見，提取時(shí)間保持不變，隨著提取溫度的增加，SDF得率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢；當(dāng)提取溫度一定時(shí)，隨著提取時(shí)間的延長，SDF得率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在較低溫度水平下，控制提取時(shí)間有利于SDF得率的增加。

圖5 酶解溫度與酶解時(shí)間等高線及響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface and contour plots for the interactive effects of extraction temperature and time on SDF yield

根據(jù)得到的多項(xiàng)式回歸方程，利用Design Expert軟件對響應(yīng)面立體圖進(jìn)行分析，對優(yōu)化后的回歸方程進(jìn)行求解，得出水溶性膳食纖維提取最優(yōu)酶解條件為：加酶量0.67%、緩沖液pH5.55、作用時(shí)間1.90h、反應(yīng)溫度45.00℃，模型預(yù)測的得率是17.59%。

2.2.2 提取工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證模型方程的適用性與可靠性，采用上述最佳工藝條件進(jìn)行膳食纖維提取實(shí)驗(yàn)，重復(fù)3次，結(jié)果表明，在此條件下，膳食纖維平均提取率為17.50%，與預(yù)測值基本相符，可見該模型能較好地預(yù)測實(shí)際可溶性膳食纖維的提取情況。

3 結(jié) 論

纖維素酶法提取蘋果渣中水溶性膳食纖維，纖維素酶可以酶解不溶性纖維素得到半纖維素、聚葡萄糖等可溶性多糖，同時(shí)大分子被分解后，使可溶性的分子較小的膳食纖維得到釋放。由于這兩方面的作用，使酶法提取效率更高。

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Response Surface Methodology for Extraction Optimization of Water Soluble Dietary Fiber from Apple Pomace Using Cellulase

MU Jian-lou，WANG Jie*，SUN Jian-feng
(College of Food Science and Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China)

One-factor-at-a-time method and response surface methodology were used to optimize the enzymatic extraction of water soluble dietary fiber from apple pomace with cellulase. The highest extraction rate of water soluble dietary fiber, 17.50%,was obtained under the conditions: enzyme dose 0.67%, buffer pH 5.55, hydrolysis time 1.90 h, and temperature 45 ℃.

apple pomace；cellulase；soluble dietary fiber (SDF)；response surface analysis

TS255.36

A

1002-6630(2012)08-0095-04

2011-04-02

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(11221004D)

牟建樓(1973—)，女，講師，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏。E-mail：jianloumu2005@yahoo.com.cn

*通信作者：王頡(1959—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏。E-mail：wj591010@163.com