壇紫菜水溶膳食纖維二次正交旋轉組合法提取工藝的優(yōu)化及其抗油脂氧化研究

賴蓓蕾，金寒冰，方 麗，吳祥庭

（溫州大學生命與環(huán)境科學學院，浙江溫州325027）

壇紫菜水溶膳食纖維二次正交旋轉組合法提取工藝的優(yōu)化及其抗油脂氧化研究

賴蓓蕾，金寒冰，方 麗，吳祥庭*

（溫州大學生命與環(huán)境科學學院，浙江溫州325027）

以壇紫菜為原料，采用復合酶法提取水溶性膳食纖維，以豬油、菜油為材料考察其抗油脂氧化作用。在單因素實驗基礎上，采用二次正交旋轉組合設計法對壇紫菜水溶性膳食纖維提取工藝進行優(yōu)化，建立纖維素酶添加量（X1）、酶解pH（X2）、酶解溫度（X3）和酶解時間（X4）等4個因素與水溶性膳食纖維提取率之間的回歸模型。結果表明：纖維素酶法提取的最佳工藝參數(shù)為酶添加量1.1%、酶解pH5.8、酶解溫度55℃和酶解時間1.5h，在此條件下壇紫菜水溶性膳食纖維提取率為9.80%±0.12%；膨脹力為1.97mL/g，持水力為276%，壇紫菜水溶性膳食纖維能明顯減緩油脂POV值升高趨勢，且具有一定的時間和濃度依賴性，顯示壇紫菜可溶性膳食纖維具有一定的抗油脂氧化能力。

壇紫菜，水溶性膳食纖維，優(yōu)化，二次回歸正交旋轉設計，抗油脂氧化

紫菜[1]是世界上經濟價值最高的大型海藻之一，其中到2006年底中國壇紫菜養(yǎng)殖面積接近1.7萬公頃，年產干紫菜達到4萬噸，壇紫菜（Porpyra haitanensis）是中國特有栽培品種，屬紅藻門、紅毛菜科、紫菜屬，主要養(yǎng)殖于浙江、福建和廣東等長江以南沿海地區(qū)。壇紫菜主要作為菜肴，為一種低脂肪（0.5%～2.09%）、高蛋白（34.48%～37.21%）、富含膳食纖維（35%）和多種礦物質且美味的天然食品[2]，目前有提取薯渣[3]、玉米皮[4]、蘋果皮[5]和花生殼中[6]的水溶性膳食纖維的研究發(fā)展，尚未有提取壇紫菜膳食纖維的研究報道。膳食纖維（dietary fiber，DF）按溶解性分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）。SDF在預防糖尿病、心血管疾病，降低膽固醇[7-11]和清除外源有害物質等方面具有比IDF更強的生理功能。目前，SDF提取方法主要有化學法（酸法和堿法）和酶法[12]，酶法具有提取條件溫和、操作簡便、副產物少和成本較低等優(yōu)點。本實驗在單因素的基礎上采用二次正交旋轉組合法優(yōu)化纖維素酶提取SDF工藝，并對提取物的抗油脂氧化性[13-14]進行研究，旨在為制備壇紫菜膳食纖維的功能性食品提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

壇紫菜 農貿市場；纖維素酶（規(guī)格＞30U/mg）、中性蛋白酶（酶活力＞13萬U/mg） 上海藍季科技發(fā)展有限公司；淀粉酶（酶活力≥2000U/g） 國藥集團化學試劑有限公司；鐵氰化鉀、三氯化鐵、三氯乙酸、抗壞血酸、碘、碘化鉀、氯仿、冰醋酸、淀粉、檸檬酸 西隴化工股份有限公司；BHT 美國Sigma公司。

HH-S型數(shù)顯水浴鍋 鄭州長城科工貿有限公司；SZCL-2B型數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器 鄭州長城科工貿有限公司；101-2型微電腦智能化控制恒溫干燥箱 寧波萊福科技有限公司；UV-722型可見分光光度計 上海欣茂儀器有限公司；BS-223S型電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；TDL60B臺式離心機 上海安亭科學儀器廠；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科技工貿有限公司；WF型萬能粉碎機 江陰市康和機械制造有限公司。

1.2 水溶性膳食纖維提取

1.2.1 工藝流程[6]壇紫菜→粉碎→過篩→紫菜粉末→混合酶酶解[15]→滅酶→纖維素酶酶解→滅酶→離心→抽濾→濾液→70℃減壓濃縮→醇沉→抽濾→濾渣→60℃真空干燥→水溶性膳食纖維。

1.2.2 工藝要點

1.2.2.1 原料預處理 壇紫菜，萬能粉碎機粉碎后過50目篩。

1.2.2.2 混合酶酶解 調解pH6.0、溫度65℃、料液比1∶15[以壇紫菜/水（g/m L）計]，分別添加質量分數(shù)0.6%木瓜蛋白酶、淀粉酶（比例1∶4）酶解2h，去除壇紫菜中的蛋白質和淀粉。

1.2.2.3 纖維素酶酶解 調節(jié)料液比、pH、溫度、纖

維素酶添加量、反應時間進行酶解。

1.2.2.4 滅酶 煮沸滅酶10min。

1.2.2.5 離心 設置轉速4000r/m in、時間30m in進行離心分離。

1.2.2.6 醇沉 攪拌的同時向濃縮液中加入4倍體積的95%乙醇，4℃冰箱中靜置12h。

1.2.3 影響水溶性膳食纖維提取率的單因素實驗 準確稱取壇紫菜粉末1.0g，放入100m L燒杯中，選取影響SDF提取率的纖維素酶添加量、酶解pH、酶解溫度、酶解時間和料液比5個因素進行研究，按工藝流程進行處理得水溶性膳食纖維，測定某一因素時，其他因素固定為基本條件；各單因素實驗所選擇的基本條件為：1.00%酶加量，酶解pH 5.0，酶解溫度50℃，酶解時間1.5h，料液比1∶15（g/m L），計算SDF提取率。

SDF提取率（%）=（M1/M2）×100

式中：M1為提取的SDF質量（g）；M2原料質量（g）。

1.2.4 二次回歸正交旋轉組合實驗 根據(jù)中心組合實驗[16]設計原理，結合單因素實驗分析結果，選取對SDF提取率影響較大的四個因素：加酶量（X1）、酶解pH（X2）、酶解溫度（X3）和酶解時間（X4），以SDF提取率為（Y）值[17]進行二次回歸正交旋轉組合實驗如表1。

1.2.5 壇紫菜SDF持水力測定[12]稱取1g壇紫菜SDF置于燒杯，加50m L蒸餾水，室溫下攪拌24h，在轉速3500r/min下離心30m in，除去上清液，再稱樣品濕質。

表1 二次回歸正交旋轉組合實驗設計表Table 1 Quadratic regression rotational combinational design table

持水力（%）＝[樣品濕質量（g）-樣品干質量（g）]/樣品干質量（g）×100

1.2.6 壇紫菜SDF膨脹力測定 稱取1g壇紫菜SDF放入量筒，加25m L水，振蕩均勻后在室溫放置24h。觀察樣品在量筒中自由膨脹體積（m L），折算成每克干重的膨脹體積（m L）來表示。

膨脹力（m L/g）＝[膨脹后纖維體積（m L）-干體積（m L）]/樣品干質量（g）

1.2.7 壇紫菜水溶性膳食纖維抗油脂能力測定

1.2.7.1 標準曲線的繪制 稱取2.5381g碘和6.64g碘化鉀放入500m L燒杯中，加蒸餾水溶解，轉移至1000m L棕色容量瓶中，用蒸餾水定容，搖勻。分別取1、2、3、4、5、6、7、8、9、10m L 0.001mol/L碘-碘化鉀溶液定容到100m L容量瓶中，取10根10m L的試管，分別加入上述不同濃度的碘-碘化鉀，并加入2m L氯仿-冰醋酸（體積比2∶3）和1m L 1%（W%）淀粉液定容至10m L容量瓶，取上清液4m L在585nm測吸光值。得碘含量（X）與吸光度（Y）的線性回歸方程式為Y= 0.0546X-0.0629，相關系數(shù)R2=0.9946，通過公式得出樣品的POV值。

1.2.7.2 油脂POV值測定 取30g油脂（豬油或植物油），加壇紫菜SDF、VC、BHT和檸檬酸0.6g于100m L燒杯中，放入65℃烘箱中，每隔48h取樣測定，測定油脂POV值方法：稱油樣0.6g放入具塞試管，加入2m L冰醋酸-氯仿液，搖勻溶解后加入1m L 1.0%KI溶液，蓋塞搖30s后在暗處反應3m in，再加入1m L 1%可溶性淀粉液，再按標準曲線方法，根據(jù)吸光度計算碘生成量，計算樣品POV值。

式中：W為油脂質量30g。

1.2.8 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)處理采用SAS軟件對二次回歸正交旋轉組合實驗結果進行處理[17]。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

分別選擇加酶量、酶解pH、酶解溫度、酶解時間和料液比為因素，用酶解法提取壇紫菜總水溶性膳食纖維結果如下。

2.1.1 不同的加酶量對壇紫菜SDF提取率的影響 由圖1可以看出，加酶量在1.00%時SDF提取率達到最

大值9.34%，因為纖維素酶作用于IDF大分子組分連接鍵可使IDF降解為小分子，溶解度增大，使部分IDF轉變成SDF，從而使SDF提取率增加；但是隨著加酶量的繼續(xù)增大，纖維素酶可進一步作用于SDF，將其降解為相對分子質量更小的低聚糖甚至單糖。由于聚合度低，在乙醇醇沉的過程中這些組分溶于乙醇而不能被沉淀出來。

圖1 不同的加酶量對壇紫菜SDF提取率的影響Fig.1 Effectof the dosage of alcalase on SDF extraction rate of porphyra haitanensis

2.1.2 不同酶解pH對壇紫菜SDF提取率的影響 由圖2可以看出，pH在5.0時SDF提取率達到最大值9.36%，原因是纖維素酶的最活躍pH為5.0，所以pH 5.0時的提取率最大。

圖2 不同酶解pH對壇紫菜SDF提取率的影響Fig.2 Effect of enzymolysis pH on SDF extraction rate of porphyra haitanensis

2.1.3 不同酶解溫度對壇紫菜SDF提取率的影響 由圖3可以看出，酶解溫度在50℃時SDF提取率達到最大值9.73%，原因是催化、水解反應速度受溫度影響較大，溫度越高則反應速度越快，纖維素酶屬于蛋白質，溫度過高會使纖維素酶變性而失去水解活性，在較低溫度時，水解反應速度會隨著溫度升高而加快。纖維素酶的使用溫度范圍為30～70℃，在30～50℃范圍內，提取率逐漸增加，高于50℃反而減慢，反應溫度為50℃時，SDF達到最高。

圖3 不同酶解溫度對壇紫菜SDF提取率的影響Fig.3 Effectof enzymolysis temperatureon SDF extraction rate of porphyra haitanensis

2.1.4 不同酶解時間對壇紫菜SDF提取率的影響 由圖4可知，酶解時間在1.5h時SDF提取率逐漸達到最大值9.64%，酶解時間越長，底物與酶作用的時間就越長，則底物被酶水解的就越多，酶解時間過短，沒有充分反應，SDF溶出較少，如果酶解時間過長，會導致SDF被纖維素酶裂解為分子質量更小的低聚糖甚至單糖，而這些低聚糖和單糖因為溶于乙醇不能被醇沉從而降低SDF的產量。

圖4 不同酶解時間對壇紫菜SDF提取率的影響Fig.4 Effectof enzymolysis time on SDF extraction rate of porphyra haitanensis

2.1.5 不同料液比對壇紫菜SDF提取率的影響 由圖5可知，料液比為1∶20g/m L時SDF提取率達到最大值9.38%，當溶劑增大時水溶性膳食纖維溶出量增多，達到飽和后水溶性膳食纖維的SDF增加不多，此外溶劑用水量增多會增加濃縮負荷。

圖5 不同料液比對壇紫菜SDF提取率的影響Fig.5 Effectof ratio of liquid to solid on SDF extraction rate of porphyra haitanensis

2.2 二次正交旋轉組合實驗的結果與分析

壇紫菜水溶性膳食纖維提取優(yōu)化的二次回歸正交旋轉實驗組合及結果見表2。

根據(jù)實驗結果，采用SAS軟件對所得數(shù)據(jù)進行回歸分析，回歸分析結果見表3、表4，其四元二次回歸

預測模型：

表2 二次回歸正交旋轉組合分析實驗及結果Table 2 Analysis of the results of quadratic regressionrotational combinational desig

從表3中可以看出，用以上的四元二次回歸方程描述因子回歸方差分析得p值小于0.01，說明實驗結果分析所得到的四元二次回歸方程回歸高度顯著，同時由于校正決定系數(shù)R2=0.8523，這說明運用這種實驗方法來進行紫菜水溶性膳食纖維提取條件優(yōu)化是可靠的，模型擬合度強，可以使用該四元二次回歸預測模型方程代替原來真實的實驗點進行數(shù)據(jù)分析。

表3 模型回歸方程方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

由表4所示，模型回歸系數(shù)顯著性檢驗結果中p＜0.01的項X12、X22、X32和X42均顯著，說明加酶量、酶解pH、酶解溫度、酶解時間這四個因素的二次項影響顯著，四因素對紫菜水溶性膳食纖維提取效果的影響較大。

根據(jù)回歸作出響應面圖6，兩個變量固定在其各自的零級，即中心值處，在另外兩個連續(xù)變量下得到了SDF的提取率，分析所得預測值被限制在最小的橢圓內。由圖6（a）分析，當X3=0，X4=0時，隨著加酶量在0.6%～1.084%范圍內不斷增大，pH從3到5.821，提取率到達最大值后，加酶量繼續(xù)增加到1.4，pH增加到7，提取率反而減小；當X2=0，X4=0，如圖6（b）所示，隨

著加酶量0.6%～1.084%和酶解溫度30～55.212℃，SDF的提取率達到最大，然后加酶量1.084%～1.4%和酶解溫度55.212～70℃，SDF的提取率又呈現(xiàn)下降趨勢；圖6（c）顯示，當X2=0，X3=0時，隨著加酶量0.6～1.084%和酶解時間0.5～1.477h，SDF的提取率達到最大，然后加酶量1.084%～1.4%和酶解時間1.477～2.5h，SDF的提取率又呈現(xiàn)下降趨勢；在圖6（d）中，當X1=0，X4=0時，隨著pH3～5.821和酶解溫度30～55.212℃，SDF的提取率達到最大，然后pH 5.821～7和酶解溫度55.212～70℃，SDF的提取率又呈現(xiàn)下降趨勢；如圖6（e）所示，X1，X3同時為0時，隨著pH 3～5.821和酶解時間0.5～1.477h，SDF的提取率達到最大，然后pH5.821～7和酶解時間1.477～2.5h，SDF的提取率又呈現(xiàn)下降趨勢；圖6（f）顯示在X1=0，X2=0時，隨著酶解溫度30～55.212℃和酶解時間0.5～1.477h，SDF的提取率達到最大，然后酶解溫度55.212～70℃和酶解時間1.477～2.5h，SDF的提取率又呈現(xiàn)下降趨勢，最高SDF提取率為9.8154%。

表4 模型回歸系數(shù)顯著性檢驗和結果Table 4 Significant regression coefficient testand the results

圖6 三維響應面變量對響應值Y影響Fig.6 Response surface plots（3-D）showing the Effectof variables on the response Y

2.3 壇紫菜水溶性膳食纖維提取最佳純化條件驗證

在選取的各因素范圍內，根據(jù)回歸模型通過SAS軟件分析得出，SDF提取的最佳浸提條件為：料液比達1∶20g/m L、加酶量1.1%、酶解pH 5.8、酶解溫度55℃、酶解時間1.5h，壇紫菜膳食纖維預測最大提取率為9.8154%，重復實驗3次，壇紫菜膳食纖維的提取率為9.80%±0.12%，與預測值基本一致，說明SAS軟件分析得出的四元二次回歸與實際實驗得到的原始數(shù)據(jù)擬合狀況良好，同時也說明二次回歸正交旋轉組合實驗法適用于對壇紫菜水溶性膳食纖維的提取純化工藝進行回歸分析和參數(shù)優(yōu)化。

2.4 水溶性膳食纖維持水力測定結果

通過測定，壇紫菜可溶性膳食纖維的持水力為276%，可見壇紫菜SDF的持水力較高，適宜作為食物纖維。

2.5 水溶性膳食纖維膨脹力測定結果

通過測定，壇紫菜SDF膨脹力為1.97m L/g，可見具有良好的保水能力，人類食用后能增加糞便體積，軟化糞便，促使糞便排出，減輕毒素。

2.6 水溶性膳食纖維在油脂中抗氧化作用（與其他抗氧化劑比較）

由圖7（a）可知水溶性膳食纖維、VC、檸檬酸和BHT對豬油都有抗氧化性，100h前水溶性膳食纖維對豬油的抗氧化能力比VC和BHT的要好，比檸檬酸的要差，100h后水溶性膳食纖維對豬油的抗氧化能力有所下降。由圖7（b）可知，水溶性膳食纖維、VC、檸檬酸和BHT對植物油都有抗氧化性，150h前水溶性膳食纖維對植物油的抗氧化能力較弱，150h后水溶性膳食纖維對植物油的抗氧化能力比VC、檸檬酸和BHT好。在油脂氧化中，銅、鐵等金屬離子是促進氧化的催化劑，油脂抗氧化劑如BHA檸檬酸、BHT、VC等螯合了這些離子，或者本身能與氧結合具有抗氧化性，水溶性膳食纖維抑制菜油的氧化酸敗，表現(xiàn)出較好的抗氧化活性。因此水溶性膳食纖維可能與金屬離子螯合，從而起到抗氧化的作用。

圖7 不同抗氧化劑對油脂POV的影響Fig.7 Effectof different antioxidants on lipid POV

3 結論

通過單因素實驗最終確定了影響水溶性膳食纖維提取率的主要的四個因素為加酶量、pH、酶解溫度和酶解時間。在單因素的基礎上通過二次正交旋轉組合設計優(yōu)化提取條件，其最佳提取條件為：料液比1∶20g/m L、加酶量1.1%、酶解pH 5.8、酶解溫度55℃、酶解時間1.5h，壇紫菜膳食纖維提取率為9.80%±0.12%；壇紫菜中可溶性膳食纖維的持水率為276%，膨脹力為1.97m L/g。實驗表明，壇紫菜水溶性膳食纖維對油脂具有抗氧化能力，有待進一步開發(fā)成天然抗氧化劑，為人類造福。

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Optimizing extraction of soluble dietary fiber from porphyra haitanensisthrough quadratic regression orthogonal design and its oil antioxidation

LAIPei-lei，JIN Han-bing，F(xiàn)ANG Li，WU Xiang-ting*
（School of Life&Environmental Science，Wenzhou University，Wenzhou 325027，China）

Taking porphyra haitanensis as raw material，the composite enzymatic extraction technology was used to extract soluble dietary fiber，the antioxygenic activity of the soluble dietary fiber of porphyra haitanensis for lard and vegetable oilwas study.Based on single factor experiments，extraction conditions of soluble dietary fiber in porphyra haitanensis were optimized through quadratic regression orthogonal design.A quadratic regression orthogonal model was established to express the relationship between soluble dietary fiber yield（Y）and four factors including dosage of cellulase（X1），enzymolysis pH（X2），enzymolysis temperature（X3），and enzymolysis time（X4）.Results showed：The optimal extraction paraneters were：dosage of cellulase 1.1%，enzymolysis pH5.8，enzymolysis temperature 55℃，and enzymolysis time 1.5h.Under such conditions，the highest yield of soluble dietary fiber，which was 9.80%±0.12%.The expansive capacity and water holding capacity were 1.97mL/g and 276%，respectively.The soluble dietary fiber of porphyra haitanensis could significantly slow POV value rising trends of oils and fats，and had a certain amount of time and concentration dependent．Prompt with antioxidant activity of the soluble dietary fiber of porphyra haitanensis.

porphyra haitanensis；soluble dietary fiber；optimization；quadratic regression orthogonal design；oilantioxidation

TS254.1

：B

：1002-0306（2014）16-0206-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.16.038

2013-10-25 *通訊聯(lián)系人

賴蓓蕾（1992-），女，大學本科，研究方向：食品生物工程。

浙江省科技項目（2013C32107）；浙江溫州大學項目（13SK50A）。