響應面優化超聲-堿解法提取玉米芯中可溶性膳食纖維的工藝

張曉龍，田亞紅，常麗新，唐紅梅，丁存寶，卿玲杉，賈長虹，*（.河北聯合大學生命科學學院，河北唐山063009；2.中國海洋大學生物工程開發有限公司，山東青島266000）

響應面優化超聲-堿解法提取玉米芯中可溶性膳食纖維的工藝

張曉龍1，2，田亞紅1，常麗新1，唐紅梅1，丁存寶1，卿玲杉1，賈長虹1，*
（1.河北聯合大學生命科學學院，河北唐山063009；2.中國海洋大學生物工程開發有限公司，山東青島266000）

以堿液（NaOH）為提取劑，采用超聲波法從玉米芯中提取可溶性膳食纖維，在單因素實驗基礎上，利用Box-Behnken中心組合設計、應用Design-Expert軟件，通過響應面分析，優化了最佳工藝條件。結果表明，液料比對玉米芯可溶性膳食纖維的提取率影響最大，其次為堿濃度，而超聲溫度和時間的影響較小。最佳提取工藝條件為：堿濃度0.88%，液料比37∶1（mL/g），提取溫度41℃，提取時間20.30min，在此條件下提取率的理論值為23.11%，實際測定值為23.21%。

玉米芯，可溶性膳食纖維，超聲波，提取

膳食纖維由半纖維素、纖維素、木質素及果膠組成。膳食纖維來源豐富，主要存在于谷、豆類、水果、花生殼中。根據傳統分類，膳食纖維可以分為：不溶性膳食纖維，如纖維素，部分半纖維素和木質素；可溶性膳食纖維，是一類能溶于水且能被大腸中微生物酵解的纖維，常存在于植物細胞液和細胞間質中，主要有果膠、植物膠、黏膠等。可溶性膳食纖維具有預防便秘、直腸癌、結腸癌以及肥胖和糖尿病等作用[1-2]。玉米是我國的主要糧食作物之一，其種植面積及產量均居世界第二位。玉米芯是玉米果穗脫去籽粒后的穗軸，主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，還含有一些活性成分。按3kg玉米產生1kg玉米芯計算，我國每年大約可產生玉米芯0.4億t，然而絕大部分玉米芯作為農家燃料被燒掉，造成很大的資源浪費和環境污染。因此非常必要利用玉米芯開發一系列高附加值的產品[3-4]。

本研究以玉米芯為原料，采用堿解法，結合超聲波附加物理場的作用提取可溶性膳食纖維，并且利用Design-Expert軟件進行響應面優化分析，確定最佳提取工藝參數，為玉米廢棄物的綜合開發利用提供依據[5-8]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米芯 采自河北省昌黎縣，選擇無蟲蛀、霉變的玉米芯，清洗、曬干，用粉碎機粉碎，過篩，備用；95%乙醇、氫氧化鈉 均為分析純。

101-1AB型電熱鼓風干燥箱 天津太斯特儀器有限公司；KDF-2311型康達多功能食品粉碎機 天津達康電器有限公司；BS124S型電子天平 賽多利斯科學儀器有限公司；RJ-TGL-16G-Ⅱ型高速臺式離心機 無錫瑞江分析儀器有限公司；KQ-250DE型數控超聲波清洗器 昆山超聲儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 可溶性膳食纖維提取基本流程 玉米芯→清洗→烘干→粉碎→加堿液→超聲波提取→離心分離→上清液→醇沉→離心分離→沉淀→干燥→稱量。

1.2.2 可溶性膳食纖維含量的測定 可溶性膳食纖維提取率計算：

式中：X—玉米芯可溶性膳食纖維提取率，%；m0—玉米芯可溶性膳食纖維質量，g；m—玉米芯干物質質量，g。

1.2.3 單因素實驗 以堿濃度、樣品粒度、液料比（v/m）、超聲溫度、超聲時間、超聲功率和超聲次數等7個單因素進行實驗，確定影響玉米芯可溶性膳食纖維提取率的適宜條件。每個實驗做三次平行，取平均值[9-10]。

1.2.3.1 堿濃度的確定 取20目玉米芯粉末1g，按照液料比15∶1分別加入0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%、1.5%、2.0%的堿溶液，在30℃超聲功率800W下提取10min，離心，取上清液濃縮，醇沉后離心，沉淀烘干至恒重，計算提取率。

1.2.3.2 樣品粒度的確定 取粒度為20、40、60、80、100、120目的玉米芯粉末1g，按照液料比15∶1加入0.9%的堿溶液，在30℃超聲功率800W下超聲提取10min，離心取上清液濃縮，醇沉后再離心，沉淀烘干至恒重，計算提取率。

1.2.3.3 液料比的確定 取120目的玉米芯1g，按照液料比10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1加入0.9%的堿溶液，在30℃超聲功率800W下超聲提取10min，離心取上清液濃縮，醇沉后再離心，沉淀烘干至恒重，計算提取率。

1.2.3.4 超聲溫度的確定 取120目的玉米芯粉末1g，按液料比35∶1加入0.9%的堿溶液，分別在25、30、35、40、45、50、55℃超聲功率800W下超聲提取10min，離心取上清液濃縮，醇沉后離心，沉淀烘干至恒重，計算提取率。

1.2.3.5 超聲時間的確定 取120目的玉米芯粉末1g，按照液料比35∶1加入0.9%的堿溶液，在40℃，超聲功率800W下分別超聲提取5、10、15、20、25、30min，離心取上清液濃縮，醇沉后離心，沉淀烘干至恒重，計算提取率。

1.2.3.6 超聲功率的確定 取120目的玉米芯粉末1g，按照液料比35∶1加入0.9%的堿溶液，在40℃，超聲功率分別為320、400、480、560、640、720、800W下超聲提取20min，離心取上清液濃縮，醇沉后離心，沉淀烘干至恒重，計算提取率。

1.2.3.7 超聲提取次數的確定 取120目的玉米芯1g，按照液料比35∶1加入0.9%的堿溶液，在40℃，超聲功率800W下超聲提取20min，離心取上清液濃縮，醇沉后離心，沉淀烘干至恒重，按上述方法連續超聲提取2、3次，計算提取率。

1.2.4 響應面分析與優化 根據單因素實驗結果，利用Box-Behnken原理，設計堿濃度、液料比、超聲溫度、超聲時間的四因素三水平中心組合實驗，如表1所示。應用Design-Expert軟件進行響應面分析與優化，確定玉米芯可溶性膳食纖維的最佳提取工藝條件。

表1 中心組合實驗因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of central composite experiments

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果與分析

2.1.1 堿濃度對提取率的影響 做不同濃度堿溶液對提取率的影響實驗，結果如圖1所示。

圖1 堿濃度對可溶性膳食纖維提取率的影響Fig.1 Effect of alkali concentration on extraction rate of soluble dietary fiber

從圖1可見，隨著堿濃度的增大，可溶性膳食纖維提取率逐漸升高，堿濃度0.9%時，提取率達到最大，為1.45%，當堿濃度超過0.9%后，提取率卻有所下降。說明堿濃度增加，會使可溶性膳食纖維的溶解度增加，但是當堿濃度過大時，可能會破壞可溶性膳食纖維的結構，使提取出的可溶性膳食纖維受到損失，而且堿濃度過大時，蛋白質、糖類等易溶于水的大分子會在堿溶液中發生凝聚，使提取液變稠，影響了可溶性膳食纖維的進一步擴散，使提取率下降。因此確定最佳堿濃度為0.9%[12-13]。

2.1.2 樣品粒度對提取率的影響 不同樣品粒度對提取率的影響結果，如圖2所示。

從圖2可見，隨粒度的增大，可溶性膳食纖維提取率逐漸升高，在粒度120目時提取率最高，為5.53%。這說明顆粒越小，與堿溶劑的接觸面積越大，使原料中可溶性膳食纖維提取的更加充分，使可溶性膳食纖維的提取率有所增加，但實驗中不太容易得到顆粒更小的粉末，因此確定最佳樣品粒度為120目[14-15]。

圖2 粒度對可溶性膳食纖維提取率的影響Fig.2 Effect of granularity on extraction rate of soluble dietary fiber

2.1.3 液料比對提取率的影響 不同液料比對提取率的影響結果，如圖3所示。

圖3 液料比對可溶性膳食纖維提取率的影響Fig.3 Effect of liquid-solid ratio on extraction rate of soluble dietary fiber

從圖3可見，隨液料比增大，可溶性膳食纖維的提取率逐漸上升，當液料比為35∶1時提取率達到最大，為18.09%，超過35∶1后，提取率呈下降趨勢。在一般情況下，增加溶劑的量可以增加可溶性膳食纖維的溶解度，從而促進可溶性膳食纖維的溶解及提取。但在超聲波作用下，溶劑量過大會使超聲波的震動受到影響，從而影響提取效果，而且溶劑量過大，也會增加其他雜質過多的溶出，從而降低提取率。因此確定最佳液料比為35∶1。

2.1.4 超聲溫度對提取率的影響 不同超聲溫度對提取率的影響結果，如圖4所示。

從圖4可見，在25～40℃時，可溶性膳食纖維的提取率隨超聲溫度的升高而升高，當超聲溫度為40℃時，提取率達到最大，為20.42%，但超過40℃時，提取率有所下降。可能是在溫度過高的情況下，堿使其他物質溶出，增加了溶液的粘稠度，阻礙了可溶性膳食纖維的溶出，而且在高溫下，可溶性膳食纖維也可能受到破壞，使提取出的可溶性膳食纖維量減少，從而降低提取率。因此確定最佳超聲溫度為40℃[16]。

圖4 超聲溫度對可溶性膳食纖維提取率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic temperature on extraction rate of soluble dietary fiber

2.1.5 超聲時間對提取率的影響 不同超聲時間對提取率的影響結果，如圖5所示。

圖5 超聲時間對可溶性膳食纖維提取率的影響Fig.5 Effect of ultrasonic time on extraction rate of soluble dietary fiber

從圖5可見，隨超聲時間的延長，可溶性膳食纖維的提取率呈上升趨勢，超聲時間20min時，提取率最大，為23.21%，但在超聲時間超過20min后，提取率卻有所減少。這說明超聲時間短，使可溶性膳食纖維析出不充分，提取率降低；但時間過長，在超聲波較強的機械作用下，會使可溶性膳食纖維的分子結構遭到破壞而發生變性，而且超聲波的時間過長，會造成升溫，使提取溫度過高，也會破壞可溶性膳食纖維的結構，從而對可溶性膳食纖維的提取量造成影響。因此確定最佳超聲時間為20min[17]。

2.1.6 超聲功率對提取率的影響 不同超聲功率對提取率的影響結果，如圖6所示。

從圖6可見，隨超聲功率的增加，可溶性膳食纖維的提取率增加，超聲功率為800W時提取率達到最大，為22.39%。可能是因為超聲功率大，超聲強度增強，增加了超聲波形成的空化效應，致使原料中的可溶性膳食纖維溶出量增加，從而提高了可溶性膳食纖維的提取率。因此確定最佳超聲功率為800W。

2.1.7 超聲提取次數對提取率的影響 不同超聲提取次數對提取率的影響結果，如圖7所示。

從圖7可見，隨提取次數的增加，可溶性膳食纖維的提取率增加。增加提取次數使可溶性膳食纖維的溶解更為完全，提取更為充分，但在提取2次以后，提取率增加相對較小。因此從經濟及操作等方面考慮，選擇2次為最佳超聲提取次數。

圖6 超聲功率對可溶性膳食纖維提取率的影響Fig.6 Effect of ultrasonic power on extraction rate of soluble dietary fiber

圖7 超聲次數對可溶性膳食纖維提取率的影響Fig.7 Effect of ultrasonic times on extraction rate of soluble dietary fiber

2.2 響應面分析與優化

利用響應面分析法（ResponseSurfaceMethodology，簡稱RSM），采用多元二次回歸方程擬合因素與響應值之間的函數關系，繪制響應曲面和等高線，憑借直觀的觀察來確定選擇實驗設計中的最優化條件。

本實驗利用Design-Expert軟件，可以得到最優的提取條件參數，分析結果的可靠性。

2.2.1 回歸模型的建立與分析 根據Box-Behnken設計原理，4因素3水平中心組合實驗共29個實驗點，如表2所示。

根據表2中的數據，利用軟件Design Expert進行四個因素對提取率影響的回歸分析，建立四元二次回歸方程：

Y=22.96-0.45X1+0.46X2+0.16X3+0.35X4+ 0.063X1X2+0.067X1X3+0.54X1X4+0.16X2X3-0.060X2X4+ 0.42X3X4-1.15X12-0.60X22-0.85X32-2.45X42。

運用Design Expert軟件對29個實驗點的響應值進行回歸分析，得到方差分析，如表3所示。

從表3可知，回歸方程極顯著（p＜0.01），預測值與實驗值具有較高的相關性（R2=0.9171）。擬合程度＞90%，說明模型能夠反映響應值的變化，實驗方法可靠，使用該方程模擬真實的四因素三水平的分析可行。失擬項差異不顯著，說明殘差均由隨機誤差引起；堿濃度、液料比的一次項和二次項對提取率影響顯著或極顯著；超聲溫度和時間的二次項對提取率的影響極顯著，而一次項不顯著。表明實驗因素對響應值不是簡單的線性關系，而是一種非線性關系。因此，可用此模型來分析和預測超聲波堿解法提取可溶性膳食纖維的工藝條件。而各因素的交互作用對提取率的影響不顯著。

表2 中心組合實驗方案與結果Table 2 Schemes and results of central composite experiments

2.2.2 響應面分析 利用Design-Expert軟件進行四元二次回歸擬合，得到回歸方程的響應面等高線和曲面圖。響應曲面反映了當堿濃度、液料比、超聲溫度、超聲時間四個因素的任意兩個變量取零點水平時，其他兩個因素的交互作用對可溶性膳食纖維提取率的影響。曲面陡表明該因素對提取率的影響顯著，曲面平緩表明該因素對提取率的影響不顯著；等高線形狀反映兩因素交互作用的強弱，橢圓形表明交互作用強，圓形則表明交互作用弱；等高線密集表明對提取率影響較大，稀疏表明影響較小，結果如圖8所示。

2.2.2.1 堿濃度與液料比的交互作用 從圖8（a）可以看出，液料比的曲面較陡，堿濃度的曲面較平緩，說明液料比對可溶性膳食纖維提取率的影響比堿濃度的影響顯著；圖8（a）中等高線沿液料比軸向較堿濃度軸向密集，也說明液料比對響應值峰值的影響比堿濃度大。等高線為圓形，說明兩因素交互作用較弱，所以對提取率的影響不顯著。

表3 方差分析表Table 3 Analysis results of variance

2.2.2.2 堿濃度與超聲溫度的交互作用 從圖8（b）可以看出，堿濃度的曲面相對于超聲溫度較陡，說明堿濃度對于提取率的影響比超聲溫度顯著。圖8（b）中等高線沿堿濃度軸向較超聲溫度密集，也說明堿濃度對提取率的影響大。等高線為圓形，說明兩因素的交互作用較弱，對提取率的影響不顯著。

2.2.2.3 堿濃度與超聲時間的交互作用 從圖8（c）可以看出，相對于超聲時間，堿濃度的曲面較陡，這說明堿濃度對于提取率的影響顯著。圖8（c）中等高線沿超聲時間軸向較堿濃度密集，也說明堿濃度對提取率的影響比超聲時間顯著。等高線為圓形，說明兩因素的交互作用較弱，對提取率的影響不顯著。

2.2.2.4 液料比與超聲溫度的交互作用 從圖8（d）可以看出，液料比、超聲溫度的曲面都比較平緩，液料比的曲面略陡些，說明液料比對于提取率的影響比超聲溫度顯著。圖8（d）中等高線沿液料比軸向較超聲溫度密集，也說明液料比對提取率的影響顯著。等高線為圓形，說明兩因素的交互作用較弱，對提取率的影響不顯著。

2.2.2.5 液料比與超聲時間的交互作用 從圖8（e）可以看出，液料比的曲面相較陡峭，說明液料比對提取率的影響較顯著。圖8（e）中等高線沿液料比軸較超聲時間密集，也說明液料比對提取率的影響較顯著。等高線為圓形，說明兩因素的交互作用較弱，對提取率的影響不顯著。

圖8 響應面實驗結果Fig.8 Results of response surface experiments

2.2.2.6 超聲溫度與超聲時間的交互作用 從圖8（f）可以看出，超聲溫度的曲面相對平緩，說明超聲溫度對提取率的影響較小。圖8（f）中等高線沿時間軸向較超聲溫度密集，也說明超聲時間對提取率的影響顯著。等高線為半橢圓形，說明兩因素的交互作用較弱，對維提取率的影響不顯著。

在選取的各因素范圍內，通過Design-Expert軟件對回歸模型分析得出，玉米芯可溶性膳食纖維最佳提取工藝條件為：堿濃度0.88%，液料比36.95∶1（mL/g），超聲溫度40.70℃，提取時間20.30min。考慮到實際操作的便利，確定可溶性膳食纖維的提取工藝條件為：堿濃度0.88%，液料比37∶1（mL/g），提取溫度41℃，提取時間20.30min。在此條件下做三次平行實驗，實際測定平均值為23.21%，理論值為23.11%。

3 結論

本實驗以超聲波輔助堿解法，提取玉米芯中可溶性膳食纖維，根據單因素實驗結果，利用Box-Behnken的中心組合設計原理，設計四因素三水平實驗，通過Design-Expert軟件進行響應面分析，建立了對可溶性膳食纖維提取率的四元二次回歸方程。通過分析并綜合考慮，得到可溶性膳食纖維的提取的最佳工藝條件為：堿濃度0.88%，液料比37∶1（mL/g），超聲溫度41℃，超聲時間20.30min，在此條件下可溶性膳食纖維提取率實際測定值23.21%，理論值為23.11%，理論值與實測值相差較小，充分證明了該模型的可靠性。

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Ultrasonics-alkali extraction technology of soluble dietary fiber from corn cob by response surface method

ZHANG Xiao-long1，2，TIAN Ya-hong1，CHANG Li-xin1，TANG Hong-mei1，DING Cun-bao1，QING Ling-shan1，JIA Chang-hong1，*
（1.College of Life Sciences，Hebei United University，Tangshan 063009，China；2.Ocean University of China Biological Engineering Development Co.，Ltd.，Qingdao 266000，China）

Alkalilye（NaOH）as an extraction agent，the soluble dietary fiber was extraceted from corn cob by ultrasonics.Based on the single experiment，the best condition of soluble dietary fiber extraction was optimized by Box-Behnken central composite design and surface analysis.At last，results showed that liquid ratio of corn cob soluble dietary fiber had the greatest impact on the extraction of soluble dietary fiber，followed by alkali concentraion，and ultrasonic temperature and ultrasonic time less affected.The optimum extraction conditions were alkalinity 0.88%，liquid-solid ratio 37∶1（mL/g），extraction temeperature 41℃，and extraction time 20.30min. Under this condition，the theory value of the extraction rate of the soluble dietary fiber was 23.11%，but the actual operation of the experiment turned out to be 23.21%.

corn cob；soluble dietary fiber；ultrasonic；extraction

TS202.3

B

1002-0306（2014）12-0262-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.12.049

2013－08－12 *通訊聯系人

張曉龍（1990-），男，大學本科，研究方向：天然產物的提取及活性研究。

河北省科技廳科技支撐項目（12227107D）。