響應面法優化超聲輔助酶法提取米糠水溶性膳食纖維

朱鳳霞，梁　盈，林親錄，鄧學良，劉　穎，魯　倩，王　榮

（稻谷及副產物深加工國家工程實驗室，中南林業科技大學，湖南長沙410004）

響應面法優化超聲輔助酶法提取米糠水溶性膳食纖維

朱鳳霞，梁盈*，林親錄，鄧學良，劉穎，魯倩，王榮

（稻谷及副產物深加工國家工程實驗室，中南林業科技大學，湖南長沙410004）

以米糠為原料，采用超聲輔助酶法提取米糠水溶性膳食纖維，探討加酶量、超聲時間、超聲功率和料液比對得率的影響，以水溶性膳食纖維的得率為響應值，通過Box-Behnken實驗設計進行超聲輔助酶法提取米糠水溶性膳食纖維的工藝優化研究。結果表明：影響米糠水溶性膳食纖維得率的主次因素依次為加酶量、料液比、超聲時間、超聲功率，最佳提取工藝為酶終濃度5.3%、超聲時間5min、超聲功率415W、料液比1∶24（g/mL）。在此條件下，米糠水溶性膳食纖維得率最高，預測值為9.22%，驗證實驗得到的得率為9.36%。

米糠，水溶性膳食纖維，超聲，纖維素酶，響應面分析

膳食纖維（DF，dietary fiber）是指不能被人體胃腸道中的酶所消化而吸收利用的碳水化合物，被稱為第七營養素［1］，可吸附膽酸鈉、亞硝酸根等對人體有害的物質［2］，有效減少和預防心血管疾病［3］、糖尿病［3-4］、痔瘡［5］、食道癌［6］、肥胖癥［7］、腫瘤和結腸癌［8-9］等疾病的發生，具有突出的保健功能。其中水溶性膳食纖維（SDF，water soluble dietary fiber）包括果膠、樹膠和葡聚糖等，可清除外源有害物質和體內自由基，預防和治療心腦血管疾病、高血壓，有抗癌防癌、增強機體免疫力、抗氧化、防衰老等生理功效［10-11］。米糠是稻谷生產加工所得的副產物，在我國常用作飼料，用于榨油或提取價值較高營養物質的米糠僅占10%～15%［12］。稻谷中約有65%的營養成分分布于米糠中［13］，在國外米糠被稱為“天賜營養源”，目前對米糠主要營養成分的研究包括米糠油、糠蠟、米糠蛋白、谷維素、谷甾醇、膳食纖維等［14-17］。不少研究證實，米糠膳食纖維主要有降血糖［18］、抑制血清膽固醇上升、整腸、抑制大腸癌等生理作用［19］，米糠中膳食纖維約占14%，若加以開發利用，可明顯延長稻谷加工產業鏈。中國農科院農產品加工研究所開發了米糠營養素、米糠膳食纖維系列營養保健產品，產生的經濟效益比加工前提高了10倍以上［20］。Choi等［21］將植物油及米糠纖維加入豬肉肉糜中，使其脂肪含量從30%減少到20%；此外，米糠膳食纖維還應用于面包、餅干［22］、飲料特別是功能性乳制品［23］等產品中。膳食纖維的提取方法有酸法、堿法、酶法、超聲法和微波法等，其中酶法與化學法相比，提取率和膳食纖維質量更高［24］，而超聲波細胞粉碎儀的強烈震動能降低植物內部組織的緊密程度［25］，輔助纖維素酶酶解，有助于提高SDF提取率。本研究以米糠為原料，采用超聲輔助酶法提取米糠水溶性膳食纖維，探討加酶量、超聲時間、超聲功率和料液比對得率的影響，優選出超聲輔助酶法提取米糠水溶性膳食纖維最佳工藝，為充分開發利用米糠及其中的活性成分提供參考依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

米糠金健米業股份有限公司；無水乙醇天津市富宇精細化工有限公司；纖維素酶Sigma提供，10U/mg；木瓜蛋白酶江蘇銳陽生物科技有限公司，800000U/g；醋酸鈉國藥集團化學試劑有限公司；乙酸西隴化工股份有限公司；石油醚天津市進豐化工有限公司；以上所有試劑均為AR級。

JY92-Ⅱ型超聲波細胞粉碎儀寧波新芝生物科技有限公司；SHB-ⅢA型循環水式多用真空泵北京中興偉業儀器有限公司；101C-4型電熱恒溫鼓風干燥箱上海實驗儀器廠有限公司；QE-200型萬能粉碎機浙江屹立工貿有限公司；XT5502-RT-D31型電子分析天平上海佑科技術有限公司；ZNCLDJG型多聯磁力攪拌器河南愛博特科技發展有限公司；WP-25A型電熱恒溫培養箱天津市意博高科實驗儀器廠；DZKW-4型電子恒溫水浴鍋北京中興偉業儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1米糠預處理米糠于60℃烘干后粉碎過60目篩，將篩下部分加入4倍體積的石油醚，于室溫下浸泡半小時，真空抽濾收集殘渣，重復脫脂3次，再用4倍體積的80%乙醇清洗殘留石油醚，干燥后粉碎即得脫脂米糠。

1.2.2水溶性膳食纖維的提取工藝［26］米糠→預處理→稱重→加水→醋酸-醋酸鈉調pH→蛋白酶酶解→滅蛋白酶酶活→超聲波輔助纖維素酶酶解→滅纖維素酶酶活→抽濾→濾液蒸發濃縮→4倍體積無水乙醇沉淀→過濾→濾渣烘干→磨碎即得成品SDF。

1.2.3水溶性膳食纖維得率的計算

1.2.4米糠水溶性膳食纖維的制備條件的單因素實驗稱取脫脂米糠5g，按一定料液比加純水，用醋酸-醋酸鈉緩沖液調pH至5.0，添加6%的蛋白酶于60℃下酶解1h后，加入纖維素酶并采用超聲波輔助提取。選取纖維素酶添加量、超聲時間、超聲功率、料液比四個因素進行SDF提取的單因素實驗，選取水平如下：纖維素酶終濃度分別為2%、3%、4%、5%、6%；超聲時間：1、3、5、7、9min；超聲功率：100、200、300、400、500W；料液比：1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30（g/mL），選取各因素的中間水平值，改變實驗因素，研究各因素對米糠SDF得率的影響。結合單因素實驗結果，根據Box-Behnken實驗設計原則，應用響應面法優化SDF提取條件。

1.2.5米糠水溶性膳食纖維提取條件的優化根據單因素實驗，選取加酶量（x1）、超聲時間（x2）、超聲功率（x3）、料液比（x4）4個因素為自變量，以米糠水溶性膳食纖維的得率值為響應值（Y），進行四因素三水平的Box-Behnken實驗設計，共29個實驗點。各因素變化區間根據單因素實驗確定。每個實驗點均做3個平行樣，取其平均值。因素水平編碼見表1。

表1　Box-behnken設計因素水平編碼表Table 1　Factors and levels of Box-behnken design

1.2.6統計學分析每組實驗重復三次，運用Design-Expert 8.0.5軟件和SPASS19.0軟件進行響應面設計和統計學分析。

2　結果與分析

2.1米糠水溶性膳食纖維制備條件的篩選

2.1.1加酶量對米糠水溶性膳食纖維得率的影響由圖1可知，隨著纖維素酶添加量的增多，SDF得率增高，當加酶量達5%時，纖維素酶與底物的作用趨于飽和，得率達到最高，其后趨于穩定。根據實驗結果以及經濟成本考慮，選擇加酶量5%為宜。

圖1　加酶量對膳食纖維制備條件的影響Fig.1　The impact of enzyme amount on the preparation of dietary fiber

2.1.2超聲時間對米糠水溶性膳食纖維得率的影響由圖2可看出，隨著超聲時間增加，得率先提高，超聲時間5min后，膳食纖維得率減小。纖維素酶最適溫度為50℃，如果超聲時間過長，溶液溫度升高，可能導致纖維素酶失活，在溫度升高的條件下，亦有可能導致膳食纖維分解，從而降低SDF得率，故超聲時間在5min時為最佳的提取條件。

2.1.3超聲功率對米糠水溶性膳食纖維得率的影響

超聲功率對SDF得率的影響結果如圖3所示，可看出，隨著超聲功率的增高，得率略微下降而后逐漸升高，至功率400W后趨于平穩，故超聲功率400W為最佳的提取條件。

2.1.4料液比對米糠水溶性膳食纖維得率的影響料液比對SDF得率的影響結果如圖4所示，可看出，隨著料液比的增大，SDF得率先增高，當料液比達到1∶15時，得率趨于平穩，至料液比1∶20時達到最大得率9.31%，其后快速下降。由于液料比低使得超聲過程溶液變得濃稠，從而增大超聲難度，故選擇1∶20g/mL為最佳料液比。

圖2　超聲時間對膳食纖維制備條件的影響Fig.2　The effect of ultrasound time on the preparation of dietary fiber

圖3　超聲功率對膳食纖維制備條件的影響Fig.3　The effect of ultrasonic power on the preparation of dietary fiber

圖4　料液比對膳食纖維制備條件的影響Fig.4　The effect of water on the preparation of dietary fiber

2.2米糠水溶性膳食纖維提取條件的優化

2.2.1模型的建立及方差分析根據單因素實驗結果，采用Box-Behnken實驗設計對米糠水溶性膳食纖維脫色工藝進行優化，以SDF的得率值為評定指標。實驗方案及結果見表2。

表2　Box-Behnken實驗設計和響應值Table 2　Factors and levels of Box-Behnken design and response values

對表2數據進行多元回歸分析，得米糠水溶性膳食纖維提取工藝的預測回歸模型為Y=9.52+0.42X1-0.17X2+0.13X3-0.18X4+0.074X1X2+0.25X1X3-0.28X1X4+ 0.25X2X3+0.11X2X4-0.097X3X4-0.37X12-0.58X22-0.42X32-0.34X42。

對回歸方程進行方差分析，結果見表3。由表3可知，F回歸=11.73＞F0.05（9，5）=4.77即p＜0.0001，表明模型極差極顯著；失擬項p=0.1293＞0.05，差異不顯著，本研究所得模型的決定系數為R2=0.9214，校正決定系數R2Adj=0.8428，信噪比S/N=11.715遠大于4［27］，可知回歸方程殘差由隨機誤差引起，該回歸模型與實測值能較好的擬合，故可用此模型對米糠SDF的提取工藝結果進行分析和預測。

由表3可知，所得回歸模型達到極顯著（p＜0.0001），此模型能充分表明各因素之間的關系。其中X1、X4、X12、X22、X32、X42項對米糠水溶性膳食纖維得率的影響極為顯著（p＜0.01），X2、X3、X1X3、X1X4、X2X3對米糠水溶性膳食纖維得率的影響為顯著（p＜0.05）。根據方差分析和回歸方程系數顯著性檢驗結果，將差異不顯著的因子剔除后得到的回歸方程為Y=9.52+0.42X1-0.17X2+0.13X3-0.18X4+0.25X1X3-0.28X1X4+0.25X2X3-0.37X12-0.58X22-0.42X32-0.34X42。

表3　Box-Behnken設計分析表Table 3　Analysis of variance for Box-Behnken design

2.2.2響應面分析各因素對得率的影響及優化結果

運用Design-Expert 8.0.5軟件分析得到二次回歸方程的響應面圖，由表3可知，交互項X1X3、X1X4、X2X3顯著（p＜0.05），表明加酶量與功率、加酶量與料液比以及超聲時間與功率之間的交互影響顯著，圖5～圖7直觀地反映了這些因素對米糠SDF得率的影響。等高線的形狀可反映出交互效應的強弱［28］，兩因素的交互作用越強，等高線越接近橢圓，而圓形則表示交互作用不明顯，并且等高線越密集表明該因素的影響效果越大。由圖5～圖7可看出，各影響因素對膳食纖維的得率的影響不是簡單的線性關系，各等高線均呈橢圓形，表明兩因素間的相互影響較顯著。從圖5中可看出，隨著加酶量和超聲功率同時增大，SDF得率先快速增高后逐漸降低，并且加酶量的響應面曲面較超聲功率陡，表明加酶量比超聲功率影響大；從圖6中可看出加酶量和料液比同時增大時，SDF得率先增后減，加酶量曲面較陡峭，影響大于料液比；同樣圖7中隨著超聲時間和功率的增大，SDF得率先緩慢上升后逐漸減小，超聲時間曲面陡于超聲功率，影響較大。因此，在實際操作中，應考慮各因素的交互影響，慎重控制各因素的量，以提高米糠SDF的得率。

由表3中的F值可知在所選的因素范圍內，影響因素的主次關系為：加酶量＞料液比＞超聲時間＞超聲功率。通過這個回歸模型，采用Design-Expert 8.0.5軟件優化提取工藝，得出制備水溶性膳食纖維的最適工藝條件為：加酶量5.33%、超聲時間4.97min、超聲功率416.29W、料液比1∶23.82g/mL。在此優化條件下，米糠SDF得率的預測值為9.22%。

圖5　超聲功率和加酶量對米糠SDF得率的影響Fig.5　Effect of ultrasonic power and enzyme amount on the extraction yield of SDF from rice bran

圖6　加酶量和料液比對米糠SDF得率的影響Fig.6　Liquid-solid ratio and enzyme amount on the extraction yield of SDF from rice bran

圖7　超聲時間和功率對米糠SDF得率的影響Fig.7　Effect of ultrasonic time and power on the extraction yield of SDF from rice bran

2.2.3驗證響應面分析法為了驗證此模型的可靠性和實用性，考慮到實際操作的可行性，將響應面分析法優化的提取工藝條件適當調整為加酶量5.3%、超聲時間5min、超聲功率415W、料液比1∶24g/mL，平行實驗3次，在此優化條件下，實際測得的米糠水溶性膳食纖維得率值為9.36%，此驗證結果與預測值9.22%較為接近，符合一般工程要求，表明此模型對優化米糠水溶性膳食纖維提取工藝是可行的，具有實用價值。

3　結論

本實驗采用超聲波輔助酶法提取米糠水溶性膳食纖維，運用Box-Behnken實驗設計優化提取工藝，得到二次回歸模型。通過對模型的分析，影響因素主次順序是：加酶量＞料液比＞超聲時間＞超聲功率，其中交互項中加酶量與功率、加酶量與料液比以及超聲時間和功率之間的交互作用對SDF得率影響顯著。結合實際分析得到超聲輔助酶法提取米糠SDF的最佳工藝條件為加酶量5.3%、超聲時間5min、超聲功率415W、料液比1∶24g/mL。在此條件下，米糠SDF得率最高，預測值為9.22%，驗證實驗得到的得率為9.36%，相較預測值差異不大，該模型對米糠SDF提取工藝可行。運用此方法制備水溶性膳食纖維工藝簡單，較之酸堿法提取條件溫和，無二次污染，SDF品質保存良好；與直接酶解法或超聲法相比節省了時間［23］，得率有很大提高，且所得的米糠水溶性膳食纖維呈淡黃色，無明顯異味，純度高，可作為添加劑適用于食品生產應用，有助于開發利用米糠營養資源。

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Optimization of progress for water soluble dietary fiber from rice bran with ultrasonics-enzymatic method by response surface methodology

ZHU Feng-xia，LIANG Ying*，LIN Qin-lu，DENG Xue-liang，LIU Ying，LU Qian，WANG Rong
（National Engineering Laboratory for Rice and By-product Deep Processing，Center South University of Forestry&Technology，Changsha 410004，China）

The water soluble dietary fiber was extracted from rice bran by ultrasonics-enzymatic method.Based on the single experiment，the extraction yield of water soluble dietary fiber as the response value，the best condition of soluble dietary fiber extraction was optimized by Box-Behnken experiment design and surface analysis.At last，the results showed that enzyme amount had the greatest impact on the extraction of water soluble dietary fiber，followed by liquid-solid ratio of rice bran and ultrasonic time，ultrasonic power affected least.The optimum extraction conditions were enzyme amount 5.3%，liquid-solid ratio 1∶24（g/mL），extraction time 5min，and ultrasonic power 415w.Under this condition，the theory value of the extraction rate of the water soluble dietary fiber was 9.22%，the actual operation of the experiment turned out to be 9.36%.

rice bran；water soluble dietary fiber；ultrasound；cellulase；response surface methodology

TS213.3

A

1002-0306（2015）14-0194-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.032

2014－10－13

朱鳳霞（1990-），女，碩士研究生，研究方向：食品加工與功能性食品。

梁盈（1981-），女，副教授，研究方向：分子營養學。

國家自然科學基金（31201348）；湖南省自然科學基金（13JJ4086）；長沙市科技計劃項目（K1403039-21）；湖南省農業成果轉化項目（2013NK4002）。