響應面法優化微波提取陽荷水溶性膳食纖維工藝

陳仕學，郁建平*，楊 俊，代 鳴

（1.銅仁學院材料與化學工程學院，梵凈山特色動植物資源重點實驗室，貴州 銅仁 554300；2.貴州大學生命科學學院，貴州 貴陽 550025； 3.印江刀壩初級中學，貴州 印江 555200）

響應面法優化微波提取陽荷水溶性膳食纖維工藝

陳仕學1，郁建平2,*，楊 俊3，代 鳴1

（1.銅仁學院材料與化學工程學院，梵凈山特色動植物資源重點實驗室，貴州 銅仁 554300；2.貴州大學生命科學學院，貴州 貴陽 550025； 3.印江刀壩初級中學，貴州 印江 555200）

研究野生陽荷水溶性膳食纖維的最佳提取工藝，以提取時間、料液比、微波功率和浸提液pH值為影響因素，進行四因素三水平的響應面試驗設計，對其提取工藝條件進行優化，結果表明：最佳提取工藝條件為提取時間151.4 s、料液比1∶33（g/mL）、微波功率264 W、浸提液pH 3.65，此條件下水溶性膳食纖維的提取率為5.52%，與理論值5.75%相差較小。由此可知，響應面法優化微波輔助提取陽荷水溶性膳食纖維具有時間短、能耗低、提取率高等特點。

野生陽荷；水溶性膳食纖維；微波輔助提??；響應面分析法

陽荷（Zingiber strioatum Diels），俗稱洋姜、山姜等，屬于姜科姜屬多年生草本植物[1]。陽荷是一種營養價值很高、食藥同源的膳食纖維蔬菜，富含蛋白質、氨基酸和豐富的膳食纖維等物質，具有活血、消腫、止咳化痰、助消化等功效[2-4]。其膳食纖維具有很高應用價值。膳食纖維（dietary fiber，DF）是指不被人體消化的多糖類物質和木質素的總稱，根據其溶解性不同，可分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fibre，IDF）兩大類。SDF是指不被人體消化道酶消化，但可溶于溫水且其水溶液又能被4 倍體積的乙醇再沉淀的那部分物質[5]。在體內發揮代謝調節作用，如降低血液中的膽固醇水平，調節血糖水平，從而降低心臟病的危險，改善糖尿病癥狀、降低結腸癌的發病率等，該物質也廣泛應用于食品中[6-11]。研究表明：微波法是用于天然產物提取的很好方法，并且具有節能、省時、高效、提取率高的優點；響應面法是由英國統計學家G. Box和Wilso于1951年提出的，它包括實驗、建模、數據分析和提取條件優化，其原理為通過對實驗建立數學模型然后對模型進行分析，對建立的提取率與各條件的回歸方程進行數學求解，可以得出SDF提取率的最佳理論提取值和在該提取率條件下的各水平條件。響應面法還可以反應出各因素對試驗結果的交互

影響，彌補了傳統正交優化法只能考慮單因素對提取率的影響。目前關于陽荷SDF的響應面提取工藝未見報道。

本實驗以梵凈山野生陽荷為原料采用微波輔助提取并結合響應面（response surface methodology，RSM）法對其水溶性膳食纖維的提取工藝進行優化，為本地陽荷的綜合利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

野生陽荷采于梵凈山附近林中，洗凈、切碎、曬干，置于6 0 ℃烘箱中干燥，室溫密封保存備用。

無水乙醇、硫酸 成都金山化學試劑有限公司；乙酸乙酯 天津市福晨化學試劑廠；三氯甲烷 成都科龍化工試劑廠；正丁醇 衡陽市凱信化工試劑有限公司；乙酸 長沙分路口塑料化工廠。以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

MM823EC8-PS（X）型微波爐 美的微波電器制造有限公司；101-3型電熱鼓風干燥箱 北京科偉永興儀器有限公司；SHZ-D（Ⅲ）型循環水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責任公司；AR124CN型電子天平 奧豪斯儀器上海有限公司；80-2型離心沉淀機 江蘇金壇市中大儀器廠；HH-2型數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；FW80型萬能粉碎機 北京科偉永興儀器有限公司；秒表 深圳市超速達實業有限公司；PHS-3C型pH計雷磁儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 陽荷SDF提取流程

選材→烘干→脫脂→烘干→粉碎→過篩→加浸提劑攪勻→超聲處理→過濾→濾液濃縮→除蛋白→離心取濾液→脫色→加無水乙醇沉淀→靜置過夜→過濾 →干燥

將已烘干的陽荷干品在常溫下用350 mL的乙酸乙酯浸泡3 h，用蒸餾水清洗殘留的有機溶劑至樣品無味，將其置于60 ℃的烘箱內烘干，得脫脂樣品。在脫脂樣品中加入浸提劑，適當條件下超聲處理，將樣品過濾，取濾液水浴濃縮至1/2體積。用Sevag（氯仿∶正丁醇=4∶1）試劑除蛋白，離心去沉淀，向濾液加入體積分數5%過氧化氫溶液除色素。并加入4 倍體積無水乙醇室溫靜置過夜，用已干燥至恒質量的濾紙過濾，將濾紙及沉淀物置于70 ℃干燥箱中干燥，直至質量不變為止[12-15]。SDF的測定參照文獻[16]。平行實驗3 次，求平均值，計算SDF的提取率，見下式：

式中：M為陽荷樣品的質量/g；M1為干至恒質量濾紙質量/g；M2為過濾后70 ℃烘干至恒質量的濾紙質量/g。

1.3.2 最佳浸提劑的選擇

稱取4 份1.0 g脫脂樣品于燒瓶中，料液比1∶19（g/mL）分別加入pH 4的鹽酸、硫酸、醋酸和pH 9的氫氧化鈉混勻，微波處理時間120 s、功率264 W，經過濾、濃縮、除蛋白，最后加入4 倍體積的乙醇室溫靜置4 h，過濾干燥，計算SDF提取率。平行試驗3 次，求平均值。

1.3.3 陽荷SDF提取單因素試驗

準確稱取1.0 g脫脂陽荷樣品5 份，以最佳浸提劑為溶劑，微波提取時間40、80、120、160、300 s；料液比1∶19、1∶24、1∶29、1∶34、1∶39（g/mL）；功率136、264、440、616、800 W；浸提液pH值分別為2、3、4、5、6進行單因素試驗。

1.3.4 響應面試驗

以微波提取時間、料液比、微波功率和浸提液pH值為自變量，根據中心組合試驗設計，采用四因素三水平的響應面分析方法求取優化的工藝參數[17-18]，試驗因素和水平設計見表1。

表1 響應面試驗因素水平表Table 1 Coded levels for independent variables used in response surface design

1.4 數據分析處理

單因素試驗數據利用SSPS 19.0在95%和99%兩個置信區間進行Duncan’s新復極差多重比較，然后采用Microsoft Office Excel 2007作圖。響應面優化試驗數據采用Design-Expert V8.0進行分析處理和作圖。

2 結果與分析

2.1 最佳浸提劑的選擇

表2 不同浸提液對提取率的影響Table 2 Influence of different extraction solvents on SDF yield

由表2可知，使用pH 4的硫酸浸提劑得到SDF提取率最高，其原因可能是硫酸作用下有利于細胞內的果膠和纖維素類物質容易溶出；鹽酸的酸性比硫酸強，醋酸是弱酸，在提取過程中使其加速電離，影響SDF的提取率；氫氧化鈉為堿性時不利于其溶出，從而影響SDF的提取率。

2.2 單因素試驗

2.2.1 微波提取時間的最佳選擇

稱取5 份1.0 g脫脂陽荷樣品在浸提液pH 4、料液比

1∶19（g/mL）、微波功率264 W、不同提取時間條件下處理。經過除蛋白質后計算SDF提取率。平行試驗3 次，求平均值，結果見圖1。

圖1 提取時間對提取率的影響Fig.1 Influence of extraction time on SDF yield

由圖1可知，隨著時間的延長，SDF提取率也隨之升高，但提取時間超過120 s，SDF提取率上升幅度較小，這是因為可溶性膳食纖維主要成分為果膠，而果膠中的原果膠溶解性較差，如果提取時間過短，則原果膠不能充分溶解出來，故適當延長提取時間，有利于陽荷中的果膠質充分溶解，提高產量；但如果提取時間過長，會增加果膠被裂解的量，并且果膠在水溶液中的部分會被氫離子水解而降低果膠產量[19]。因此，提取時間選擇在120 s左右較為適宜。

2.2.2 料液比的最佳選擇

稱取5 份1.0 g脫脂陽荷樣品在浸提液pH 4、提取時間120 s、微波功率264 W、不同料液比條件下處理。經除蛋白質后計算SDF提取率。平行試驗3 次，求平均值，結果見圖2。

圖2 料液比對提取率的影響Fig.2 Influence of solid/liquid ratio on SDF yield

由圖2可知，隨著液體含量的增加，SDF提取率也隨之升高。在料液比達到1∶29前，SDF提取率變化較為明顯。液體含量過大會吸收微波發射的能量，從而降低了SDF的提取率。因此，選擇料液比1∶29較為適宜。

2.2.3 微波功率的最佳選擇

稱取5 份1.0 g脫脂陽荷樣品在浸提液pH 4、料液比1∶29（g/mL）、提取時間120 s、不同微波功率條件下處理。經除蛋白質后計算SDF提取率。平行試驗3 次，求平均值，結果見圖3。

圖3 微波功率對提取率的影響Fig.3 Influence of microwave power on SDF yield

由圖3可知，在微波功率較低時，SDF提取率隨功率的升高而升高；當微波功率高于264 W時，SDF提取率隨著功率的升高而降低。這是由于SDF主要成分為天然果膠和β-葡聚糖，功率過高，會使其本身分子結構受到破壞，從而使提取率降低。因此，微波功率應控制在264 W左右較為適宜。

2.2.4 浸提液pH值的最佳選擇

稱取5 份1.0 g脫脂陽荷樣品按料液比1∶29（g/mL）加入浸提液pH值分別為2、3、4、5、6的浸提液，在微波功率264 W、提取時間120 s的條件下微波處理。通過除蛋白質后計算SDF提取率。平行試驗3 次，求平均值，結果見圖4。

圖4 浸提液pH值對提取率的影響Fig.4 Influence of solvent pH on SDF yield

由圖4可知，浸提液pH 2.0～4.0范圍內，SDF提取率隨著pH值的升高而增加；當pH＞4.0時，SDF提取率隨著pH值的升高而降低。由于果膠質的水解是在一定酸性條件下進行，酸性太弱，水解反應將進行得十分緩慢或者不發生反應；酸性太強，水解反應將會過于強烈，造成果膠脫酯裂解，產品提取率低[20-21]。因此，浸提液pH值控制在4.0左右較為適宜。

2.3 響應面法優化微波提取SDF

2.3.1 響應面優化試驗設計與結果

為了優化微波提取SDF的最佳條件，以提取時間（X1）、料液比（X2）、微波功率（X3）、浸提液pH值（X4）為自變量，以SDF提取率（Y）為響應值，進行響

應面分析試驗，方案與結果見表3，表3中共27 個試驗，1～24為析因試驗，25～27為中心試驗，用以估計試驗誤差[22-23]。方差分析見表4。

表3 響應面試驗設計及結果Table 3 The experimental design and results for response surface analysis

表4 回歸方程方差分析Table 4 Analysis of variance for the regression equation

2.3.2 模型建立與方差分析

表5 回歸方程可靠性分析Table 5 Credibility analysis of the regression equation

利用響應面分析法[24]優化微波輔助提取陽荷SDF的工藝參數，并采用Design-Expert V8.0軟件進行分析，結果見表3，對表3結果進行統計分析，可建立如下多元二次回歸方程：Y=5.04+0.80X1-7.132×10-3X2+0.86X3-0.88X4+0.25X1X2+0.16X1X3+0.45X1X4+0.48X2X3-0.25X2X4+0.31X3X4-0.62X12-0.34X22-1.06X32-0.78X42。對二次回歸方程進行方差及可靠性分析，結果見表4、5。從表4可知，該二次回歸方程的一次項、二次項及交互項中的X1、X3、X4、X1X4、X2X3、X12、X22、X32、X42均表現出了顯著水平，該二次回歸方程整體模型比較顯著，并且失擬項不顯著，該回歸模型與實測值能較好地擬合。

2.3.3 響應面分析

為了考察交互項對提取率的影響，在其他因素條件固定不變的情況下，考察交互項對提取率的影響，對模型進行降維分析[25]。經Design-Expert V8.0軟件分析所得的響應面圖見圖5。由圖5可知，隨著每個因素的增大，響應值增大；當響應值增大到極值后，隨著因素的增大，響應值逐漸減小；在交互項對提取率的影響中，即提取時間與浸提液pH值（X1X4）和料液比與微波功率（X2X3）之間交互作用明顯，與方差分析結果相一致。影響微波提取陽荷SDF的主次因素為X4＞X3＞X1＞X2，即浸提液pH值＞微波功率＞提取時間＞料液比。

圖5 提取時間、料液比、微波功率與浸提pH值對SDF提取率交互影響響應面圖Fig.5 Response surface plots showing the effects of four extraction conditions on SDF yield

2.3.4 最佳提取工藝確定

通過Design-Expert V8.0對二元回歸方程求最大值得到最佳提取工藝條件和SDF理論最大提取率，并根據實驗室條件將最佳提取工藝條件進行優化，在優化條件下重復實驗5 次測定SDF提取率，并計算相對標準偏差。條件與結果見表6和表7。

表6 提取條件優化Table 6 Optimum extraction conditions

表7 驗證實驗結果Table 7 Experimental verification of optimum extraction conditions

由表7可知，在最佳提取工藝下重復實驗，SDF提取率為5.52%，相對標準偏差為1.52%，接近理論提取率5.75%，說明響應面法建立的陽荷SDF提取數學模型對陽荷SDF提取具有穩定可靠能指導實際生產應用。

2.4 SDF精密度實驗

表8 精密度實驗結果Table 8 Precision of the extraction method

按驗證實驗中1號樣品稱量，在最佳提取工藝下進行提取，同一條件下測量SDF提取率，結果見表8，重復實驗5 次，得到相對標準偏差為0.21%，說明用此方法測量SDF提取率的精密度較高[26]。

2.5 不同浸提方法比較[27]

表9 不同提取方法對陽荷SDF提取率的影響Table 9 Comparison of extraction methods for SDF from Zingiibbeerr striolaattuumm Diels fruuiittss

由表9可知，響應面法優化微波法提取SDF所需料液比最少，提取時間最短，SDF提取率最高。這主要是因為響應面法優化微波輔助提取陽荷SDF具有時間短、能耗低、提取率高等特點。

3 結 論

本實驗將響應面法運用到優化陽荷SDF的提取工藝研究，經試驗優化后的微波提取陽荷SDF的最佳工藝條件為：提取時間151.4 s、料液比1∶33（g/mL）、微波功率264 W、浸提液pH 3.65。在此條件下SDF提取率為5.52%，理論最大提取率為5.75%，與Design-Expert.V8.0分析預測值相差較小，說明響應面法建立的陽荷SDF提取數學模型穩定可靠，能指導實際生產應用。

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Optimization of Microwave-Assisted Extraction of Water-Soluble Dietary Fiber from Zingiber striolatum Diels Fruits by Response Surface Methodology

CHEN Shi-xue1, YU Jian-ping2,*, YANG Jun3, DAI Ming1
(1. Key Laboratory of Special Animal and Plant Resource in Fanjing Mountain, College of Material and Chemical Engineering, Tongren University, Tongren 554300, China; 2. College of Life Science, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 3. Yinjiang Knife Dam Junior High School, Yinjiang 555200, China)

The microwave-assisted extraction of water-soluble dietary fiber (SDF) from Zingiber striolatum Diels fruits was optimized by response surface methodology. An experimental design was carried out involving four variables at three levels each. An extraction time of 151.4 s with a microwave power of 264 W using sulphuric acid solution at pH 3.65 as the extraction solvent with a solid-to-solvent ratio of 1:33 (g/mL) was found to be optimal. Experiments carried out under the optimized conditions resulted in an extraction yield of 5.52%, agreeing with the predicted value (5.75%). The extraction procedure presented in this study is characterized by time saving, low energy consumption and high extraction efficiency.

wild Zingiber striolatum Diels; water-soluble dietary fiber; microwave-assisted extraction; response surface methodology

TS201.1

A

1002-6630（2014）18-0057-06

10.7506/spkx1002-6630-201418011

2013-10-24

貴州省教育廳特色實驗室建設項目（黔教合KY（2011）232）；貴州省高等學校重點支持學科項目（黔教合重點支持學科字（2011）232）；銅仁學院院級科研啟動項目（2011（TS1121））

陳仕學（1976—），女，副教授，碩士，主要從事生化分離及天然產物研究。E-mail：tongrencsx01@126.com

*通信作者：郁建平（1959—），男，教授，博士，主要從事生化分離工程及天然產物化學研究。E-mail：E-yujp666666@163.com