響應(yīng)面微波輔助酶法提取油茶枯水溶性膳食纖維的工藝優(yōu)化

盧忠英，姚元勇，陳仕學(xué)，邢明明，謝　勇（銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州銅仁554300）

響應(yīng)面微波輔助酶法提取油茶枯水溶性膳食纖維的工藝優(yōu)化

盧忠英，姚元勇，陳仕學(xué)，邢明明，謝勇
（銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州銅仁554300）

為了提高油茶枯有效利用率，利用微波輔助酶法提取油茶枯中的水溶性膳食纖維（SDF），在微波功率、酶解時(shí)間、pH、酶用量4個(gè)單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì)原理進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化提取工藝參數(shù)。結(jié)果表明：在微波功率為450 W、酶用量0.7%、酶解時(shí)間2 h、pH為5.0下，油茶枯SDF得率可達(dá)15.63%，與SDF的提取理論值比較，其相對(duì)誤差約為0.45%，且重復(fù)性也很好，因此該優(yōu)化提取工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

油茶枯，水溶性膳食纖維，提取，微波輔助酶法

油茶（Camellia oleifera Abel）系山茶科山茶屬植物，其種子油脂含量較高且具有經(jīng)濟(jì)栽培價(jià)值［1］。油茶枯是油茶籽經(jīng)提油后剩下的殘?jiān)渲腥院喾N營(yíng)養(yǎng)成分，如油脂約6%、皂素約10%、粗蛋白約10%等物質(zhì)［2］。其中部分用于提取皂素，大多被廢棄掉，未能得到有效合理的利用，造成了資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染［3］。

膳食纖維包括水溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF），其在維持膳食平衡方面發(fā)揮著重要作用，被稱為“第七營(yíng)養(yǎng)素”［4］。據(jù)報(bào)道，水溶性膳食纖維在抗氧化、防治心血管疾病、糖尿病、肥胖等方面的作用明顯優(yōu)于非水溶性膳食纖維，有膳食纖維中的“極品”的美譽(yù)，該物質(zhì)也廣泛應(yīng)用于食品中［5-8］。油茶枯的膳食纖維具有很高的應(yīng)用價(jià)值，尤其是其中的水溶性膳食纖維具有很高應(yīng)用價(jià)值。目前對(duì)油茶枯中膳食纖維的提取工藝主要采用化學(xué)法和有機(jī)溶劑提取法，李怡杰等［9］用化學(xué)方法提取油茶枯中水溶性膳食纖維的得率為12.55%。謝勇等［10］用堿提取法獲得油茶蒲不溶性膳食纖維提取率40.4%。對(duì)油茶枯中膳食纖維的提取工藝優(yōu)化有待進(jìn)一步的研究。

微波輔助酶法提取技術(shù)具有條件溫和、選擇性高、操作時(shí)間短等特點(diǎn)［11］，其基本原理是微波加熱能夠透射到生物組織內(nèi)部引起細(xì)胞分子的電磁振蕩，穿透細(xì)胞壁到達(dá)物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程［12］。酶法提取工藝主要原理是通過酶對(duì)組織細(xì)胞壁的破壞，使其有效成分溶出，此時(shí)用乙醇沉降水溶性膳食纖維，從而提高膳食纖維的提取率。本文采用微波輔助酶解法提取油茶枯中的水溶性膳食纖維，并結(jié)合響應(yīng)面（response surface methodology，RSM）法對(duì)其工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，為減少資源的浪費(fèi)、減輕對(duì)環(huán)境的污染、提高油茶枯資源利用經(jīng)濟(jì)價(jià)值提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

油茶枯貴州銅仁市玉屏縣茶廠；復(fù)合纖維素酶酶活：10000 u/g，上海源葉生物科技有限公司；95%乙醇（分析純）、氫氧化鈉、乙醇、鹽酸成都金山化學(xué)試劑有限公司；

MM823EC8-PS（X）型微波爐美的微波電器制造有限公司；TD5A臺(tái)式低速離心機(jī)湖南赫西儀器裝備有限公司；DHG-9146型真空干燥箱上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋國(guó)華電器有限公司；FW80型萬能粉碎機(jī)北京科偉永興儀器有限公司；JJ-500精密電子天平上海恒平科學(xué)儀器有限公司；PHS-3C型pH計(jì)雷磁儀器廠。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1油茶枯SDF提取工藝流程樣品干燥→蛋白酶→滅酶→加壓→加復(fù)合纖維素酶→微波輔助酶解→滅酶→濃縮→離心過濾→醇提→離心過濾→干燥→成品SDF［13］。

1.2.2油茶枯水溶性膳食纖維的提取及含量測(cè)定取1.00 g及油茶枯樣品，加水20 mL，在高壓滅菌鍋中進(jìn)行加壓預(yù)處理3 h，在60℃下恒溫水浴，加復(fù)合纖維素酶在一定pH的緩沖液中微波輔助酶解；合并提取上清液并在5000 r/min轉(zhuǎn)速下離心20 min，加入4倍體積的無水乙醇對(duì)濾液進(jìn)行處理，靜置過夜，用已干燥至恒重的濾紙抽濾，將濾紙及沉淀物置于80℃干燥箱中干燥至恒重，計(jì)算SDF得率［14］：

式中，m1為濾紙及沉淀物置于80℃烘箱中干燥至恒重，g；m2為干燥至恒重的定量濾紙，g；m3為油茶枯樣品質(zhì)量，g。

1.2.3單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)設(shè)定溶液pH為5.0、酶用量0.7%、酶解時(shí)間60 min，考察微波功率300、350、400、450、500、550 W對(duì)SDF得率的影響；

設(shè)定溶液pH為5.0、酶用量0.7%、微波功率450 W，考察酶解時(shí)間在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h對(duì)SDF得率的影響；

設(shè)定溶液pH為5.0、微波功率450 W、酶解時(shí)間60 min，考察酶添加量0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%對(duì)SDF得率的影響；

設(shè)定酶用量0.7%、微波功率450 W，酶解時(shí)間60 min，考察溶液pH在3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0對(duì)SDF得率的影響。

每個(gè)單因素設(shè)3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

1.2.4響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)Box-Behnken Design的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以微波功率、酶解時(shí)間、pH、酶添加量為自變量，以油茶枯SDF得率為響應(yīng)值，采用4因素3水平的響應(yīng)面分析方法求取優(yōu)化的工藝參數(shù)［15］，實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見表1。

表1　Box-Behnken設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼Table 1　Four factors，levels and codes of Box-Behnken design

1.3數(shù)據(jù)分析處理

單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2007分析作圖。響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert V8.0進(jìn)行分析處理和作圖。

圖1　微波功率與SDF得率的關(guān)系Fig.1　Relation of microwave power and SDF extraction rate

2　結(jié)果與分析

2.1單因素結(jié)果及分析

2.1.1微波功率對(duì)提取SDF得率的影響由圖1可知，隨著微波功率逐漸升高，SDF得率明顯上升，但微波功率超過450 W后，SDF得率呈下降趨勢(shì)。分析一方面是微波功率過高，抑制了纖維素酶活性。另一方面是由于SDF主要成分為天然果膠和β-葡聚糖，微波功率過高，可能使其本身分子結(jié)構(gòu)式遭到破壞，從而導(dǎo)致得率降低。因此將微波功率確定在450 W左右為微波輔助酶法提取SDF的最佳條件。

2.1.2酶解時(shí)間對(duì)提取SDF得率的影響由圖2可知，隨著酶解時(shí)間延長(zhǎng)，微波輔助酶法提取SDF得率呈上升趨勢(shì)。在0.5～1.5 h內(nèi)，可能酶解時(shí)間過短，使微波輔助酶法提取SDF不徹底，使SDF得率上升幅度較小；酶解時(shí)間在1.5～2 h時(shí)，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，大多SDF被纖維素酶逐漸提取出來，使SDF得率明顯上升；當(dāng)酶解時(shí)間超過2 h后，由于SDF大部分已被酶解出，但長(zhǎng)時(shí)間的酶解作用致使大量的雜質(zhì)溶出，影響微波輔助酶法提取SDF得率，因此將最佳酶解時(shí)間控制在2 h左右。

圖2　酶解時(shí)間與SDF得率的關(guān)系Fig.2　Relation of enzymatic hydrolysis time and SDF extraction rate

圖3pH與SDF得率的關(guān)系Fig.3　Relation of pH and SDF extraction rate

2.1.3pH對(duì)提取SDF得率的影響由圖3可知，隨著pH的上升，微波輔助酶法提取SDF得率明顯上升；當(dāng)pH＞5后，微波輔助酶法提取SDF得率有下降趨勢(shì)，分析可能是隨著pH增大，影響了纖維素酶活性，因此可將最佳pH控制在5左右。

圖4　酶用量對(duì)SDF得率的關(guān)系Fig.4　Relation of enzyme dosage and SDF extraction rate

2.1.4纖維素酶添加量對(duì)提取SDF得率的影響由圖4可知，隨著纖維素酶用量增多，微波輔助酶法提取SDF得率明顯上升，當(dāng)纖維素酶用量增至0.7%以后，微波輔助酶法提取SDF得率有所下降，分析可能是纖維素酶用量逐漸增加，致使不溶性膳食纖維部分降解為多糖和單糖，用乙醇沉淀時(shí)不能被沉淀下來，使SDF得率下降。因此纖維素酶用量應(yīng)控制在0.7%左右最為適宜。

微波輔助酶法提取主要是利用微波具有的熱特性、良好的穿透能力和穿透的選擇性［16］，一方面微波輻射時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的水溶性物質(zhì)吸收微波導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)溫度迅速升高，水氣化時(shí)產(chǎn)生的壓力促使細(xì)胞膜和細(xì)胞壁沖破，形成微小的孔洞，使油茶枯細(xì)胞內(nèi)的SDF自由流出；另一方面微波產(chǎn)生的高頻電磁波能穿透介質(zhì)到達(dá)油茶枯細(xì)胞內(nèi)部，油茶枯細(xì)胞將會(huì)吸收足夠微波能，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)部壓力大于細(xì)胞膜、細(xì)胞壁所能承受壓力時(shí)，油茶枯細(xì)胞被脹破，形成微小的孔洞和裂紋，此時(shí)細(xì)胞外的溶劑能從這微小孔洞和裂紋中進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)，并將胞內(nèi)大部分的SDF釋放出來。

2.2響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助酶法提取SDF

2.2.1響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)，選取顯著因素的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)范圍，以微波功率（A）、酶解時(shí)間（B）、pH（C）、酶用量（D）為自變量，以SDF得率（Y）為響應(yīng)值，選用中心復(fù)合模型，做四因素三水平共29個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（5個(gè)中心點(diǎn)）的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果、響應(yīng)面方差分析結(jié)果見表2、表3。

表2　響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2　The experimental results for response surface analysis

2.2.2響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析經(jīng)回歸擬合后，由響應(yīng)面分析法［17］得出關(guān)于微波輔助酶法提取SDF得率的二次回歸擬合方程：

SDF得率（%）=15.58-0.014A+0.64B+0.86+0.26D+ 0.86AB-0.54AC+0.51AD+0.21BC+0.19BD+0.92CD-3.92A2-2.61B2-3.13C2-2.65D2。

用Design Expert 8.0軟件對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，其方差分析見表3。從表3可以看出，回歸方程失擬檢驗(yàn)p＞0.05，差異不顯著，說明未知因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果干擾很小；回歸方程擬合檢驗(yàn)p＜0.0001，差異極顯著，說明模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值非常吻合，模型成立。因此，該回歸方程可以較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系，可以用其確定最佳提取工藝條件。此外，各因素中一次項(xiàng)C及二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2及交互項(xiàng)AB、CD對(duì)SDF得率影響均極顯著（p＜0.001），一次項(xiàng)B、D和AC、AD交互作用的影響差異顯著（p＜0.05）、BD、BC交互作用差異不顯著。影響微波輔助酶法提取SDF得率的主次因素為C＞B＞D＞A，即pH＞酶解時(shí)間＞酶添加量＞微波功率。

表3　回歸方程方差分析Table 3　Analysis of variance for the regression equation

圖5　微波功率、酶解時(shí)間、pH和酶用量與SDF得率交互影響響應(yīng)面圖Fig.5　Response surface plots showing the effects of the power of microwave，pH，enzyme dosage and time on SDF yield

2.2.3各交互項(xiàng)對(duì)SDF得率影響的分析為考察各交互項(xiàng)對(duì)SDF得率的影響，對(duì)該模型進(jìn)行降維分析［18］。由圖5可直觀觀察各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，從等高線圖可知，存在極值的條件應(yīng)在圓心處。比較圖5可知，其中AB、CD的響應(yīng)面曲線陡峭，對(duì)SDF得率的影響極顯著，AC、AD的響應(yīng)面曲線較陡，對(duì)SDF得率的影響顯著，與方差分析結(jié)果相同。

2.2.4最優(yōu)條件的確定及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)根據(jù)回歸模型，利用Design-Expert V8.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理，得到微波輔助酶法提取SDF的最佳條件為：微波功率為450.45 W，酶解時(shí)間為2.07 h，pH為5.08，酶用量0.71%，實(shí)際測(cè)的油茶枯SDF得率為15.50%，為檢驗(yàn)響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果的可靠性，綜合考慮實(shí)際操作的局限性，分別取各因素的整數(shù)值，微波功率為450 W、酶用量0.7%、酶解時(shí)間2 h、pH為5.0。在此最優(yōu)條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，油茶枯SDF得率可達(dá)15.63%，與SDF的提取理論值比較，其相對(duì)誤差約為0.45%，且重復(fù)性也很好，因此該優(yōu)化提取工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

3　結(jié)論

本文在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Design-Expert V8.0軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化油茶枯中SDF微波輔助酶法提取工藝。通過方差分析可得，影響微波輔助酶法提取SDF的主次因素為：pH＞酶解時(shí)間＞酶添加量＞微波功率。油茶枯SDF微波輔助酶法提取的最優(yōu)工藝條件為：微波功率為450 W、酶用量0.7%、酶解時(shí)間2 h、pH為5.0，油茶枯SDF得率可達(dá)15.63%，與SDF得率理論值比較，其相對(duì)誤差約為0.45%，且重復(fù)性也很好，因此該優(yōu)化提取工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

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Optimizing microwave extraction technology of soluble dietary from camellia cakes with response surface methodology

LU Zhong-ying，YAO Yuan-yong，CHEN Shi-xue，XING Ming-ming，XIE Yong
（Institute of Material and Chemical Engineering，Tongren University，Tongren 554300，China）

Microwave assisted enzymaticd was used to extract soluble dietary fiber（SDF）from oil-tea camellia cakes to improve the utilization rate of camellia cakes，based on the single factor experiments.Box-Behnken central composite design principles were used to select the power of microwave，pH，enzyme dosage and time as four parameters of response surface design to optimize extraction process.The results showed that the amount of an enzyme 0.7%，extraction time 2 h，pH 5.0 and microwave power 450 W.The rate of SDF was 15.63%，comparison of theor-etical values with SDF，the relative error of SDF was 0.45%，and repeatability was very good.Therefore the optimization of processin parameters for extraction was accurate and reliable.

oil-tea camellia cakes；water-soluble dietary fiber；extraction；microwave-assisted

TS201.1

B

1002-0306（2015）20-0289-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.20.051

2015－02－02

盧忠英（1987-），女，碩士，講師，研究方向：天然藥物化學(xué)成分與新藥研發(fā)，E-mail：luzhongying@126.com。

貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（黔教合KY字2013184）；貴州省普通高等學(xué)校特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（黔發(fā)合K字［2011］005）。