響應面優化微波輔助法提取野木瓜水不溶性膳食纖維工藝

王嘉瑩，蔣緯，李吉達，何鴻

（1.遵義醫學院，貴州遵義563000；2.遵義醫藥高等?？茖W校，貴州遵義563006）

正安野木瓜是貴州省遵義市正安縣特色資源之一，野木瓜是木通科野木瓜屬植物[1-4]。野木瓜含有多種氨基酸元素和齊墩果酸，特別含有極高的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）[5]和大量膳食纖維等，有祛濕，降血壓，增強機體免疫抵抗力等作用。膳食纖維還被營養醫學、食品界等學術界稱為“第七營養素”，主要是由纖維素、果膠和木質素[6]等組成的非淀粉多糖類為主的化合物總稱[7]。根據膳食纖維的溶解性可以將其分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF） 和水不溶性膳食纖維 （insoluble dietary fiber，IDF）。其中水不溶性膳食纖維（IDF）可以使糞便的體積增大并使之變得柔軟，可刺激腸道，促進腸道蠕動及排便，從而可以預防便秘和結腸癌等[8-12]。

目前，正安野木瓜開發的產品主要為各種飲品，如野木瓜酒、野木瓜果汁等。但在加工過程中產生的果皮果渣大多被以廢棄物丟棄，本研究以野木瓜果皮果渣為原材料采用微波輔助法（microwave-assisted extraction，MAE）[8，13-14]提取野木瓜膳食纖維進行有效成分的資源化利用，不僅有利于保護環境，更有利于提高野木瓜的附加值，并為后續有關野木瓜的深入研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

野木瓜果渣：遵義市正安縣；無水乙醇：分析純，天津市富宇精細化工有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、過氧化氫：分析純，重慶川東化工有限公司。

1.1.2 儀器與設備

BPG-9140A 精密鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司；FA2004N 電子天平：上海菁海儀器有限公司；SHB-Ⅲ循環水多用真空泵：北京泰和格潤儀器有限公司；P70D20N1P-G5（SO）格蘭仕微波爐：廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司；DFY-200C 萬能粉碎機：上海比朗儀器有限公司；PHS-3C 酸度計：上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 野木瓜IDF 提取工藝

樣品→過篩→定量的過氧化氫→調節pH 值→微波處理→醇沉→抽濾→烘干

1.2.2 野木瓜IDF 提取方法

樣品粉碎過60 目篩，準確稱取3.00 g，按液料比25∶1（mL/g）加入 75mL 過氧化氫[15]溶液溶解。用 1mol/L的氫氧化鈉及1 mol/L 鹽酸溶液調節pH 2，進行微波處理，取4 倍體積無水乙醇醇沉2 h 后抽濾，抽濾過程中漂洗2 次～3 次杯壁殘留的纖維，將所得IDF 置于80 ℃烘箱中烘干，稱重，記錄數據，根據公式計算IDF 得率。

1.2.3 IDF 性能測定

1.2.3.1 IDF 持水力的測定

準確稱取 IDF 1.00 g（m1），放置于 100 mL 量筒中，加入20 mL 蒸餾水浸泡2 h，用濾紙過濾直至不再滴水為止，后將其轉放入培養皿稱重（m2）。計算IDF 的持水力（WHC）[10，16]。

1.2.3.2 IDF 溶脹度的測定

準確稱取 IDF1.00 g（m1），先置于 10 mL 量筒中，靜置使IDF 表面平整后讀數，記錄體積數（V1），再將IDF 轉置于100 mL 量筒中，加入20 mL 蒸餾水，搖晃均勻后在25 ℃左右條件下浸泡24 h，再讀取浸泡后膨脹的 IDF 體積數（V2），計算 IDF 的溶脹度（SW）[17]。

1.2.4 試驗設計

1.2.4.1 野木瓜（IDF）單因素試驗

1）過氧化氫體積分數IDF 提取率的影響

稱取樣品 3.00 g，設定液料比為 25 ∶1（mL/g），pH 2.0，微波功率為420 W，參照羅歡等[18]在木瓜渣提取中最佳微波處理時間135 s，考查過氧化氫體積分數分別為2%、4%、6%、8%、10%時對野木瓜IDF 提取率的影響。

2）野木瓜粉末目數對IDF 提取率的影響

稱取樣品 3.00 g，設定液料比為 25 ∶1（mL/g），過氧化氫體積分數為4%，pH 2.0，微波功率為420 W，微波時間為 135 s，考查原料粗細分別為 20、40、60、80、100 目時對野木瓜IDF 提取率的影響。

3）液料比對IDF 提取率的影響

稱取樣品3.00 g，設定過氧化氫體積分數為4%，pH 2.0，微波功率為420 W，微波時間為135 s，考查液料比分別為 15 ∶1、20 ∶1、25 ∶1、30 ∶1、35 ∶1（mL/g）時對野木瓜IDF 提取率的影響。

4）pH 值對 IDF 提取率的影響

稱取樣品 3.00 g，設定液料比為 25 ∶1（mL/g），過氧化氫體積分數為4%，微波功率為420 W，微波時間為 135 s，考查 pH 值分別為 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 時對野木瓜IDF 提取率的影響。

5）微波功率對IDF 提取率的影響

稱取樣品 3.00 g，設定液料比為 25 ∶1（mL/g），過氧化氫體積分數為4%，pH 2.0，微波時間為135 s，微波爐可選擇低火（140 W）、中低火（280 W）、中火（420 W）、中高火（560 W）、高火（700 W）5 個檔位及相應功率，因此，考查微波功率分別為 140、280、420、560、700 W 時對野木瓜IDF 提取率的影響。

6）微波時間對IDF 提取率的影響

稱取樣品 3.00 g，設定液料比為 25 ∶1（mL/g），過氧化氫體積分數為4%，pH 2.0，微波功率為420 W，考查微波時間分別為 30、60、90、120、150 s 時對野木瓜IDF 提取率的影響。

1.2.4.2 響應面試驗

以單因素試驗結果為基礎，利用Box-Behnken 中心組合試驗設計進行響應面試驗，選取自變量的6 個因素液料比（A）、過氧化氫體積分數（B）、野木瓜粉末目數（C）、微波功率（D）、微波時間（E）、pH 值（F），以野木瓜IDF 得率為響應值，采用六因素三水平的響應面分析方法求取優化的工藝參數，試驗因素水平設計見表1。

表1 Box-Behnken 設計試驗因素水平及編碼Table 1 Box-behnken design experimental factor level and coding

1.3 數據分析

試驗重復3 次，測定平均值。結果用Microsoft Office Excel 2003 和 Design-Expert V 8.0.6.1 進行數據分析處理和作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 液料比對野木瓜IDF 得率的影響

液料比對野木瓜IDF 得率的影響見圖1。

由圖1 可以看出，液料比對IDF 的提取有一定影響，IDF 得率隨著液料比的增加先平緩上升后下降，當液料比為30 ∶1（mL/g）得率達到最大值，繼續增加液料比，IDF 得率反而降低，可能是因為液料比用量較大時，使得原料與反應液的接觸面積過多，其他成分也可能被溶出，從而導致提取率下降。綜合考慮，選用30 ∶1（mL/g）液料比進行下一步的優化。

圖1 液料比對野木瓜IDF 得率的影響Fig.1 Effect of liquid ratio on the yield of wild papaya IDF

2.1.2 過氧化氫體積分數對野木瓜IDF 得率的影響

過氧化氫質量分數對野木瓜IDF 得率的影響見圖2。

圖2 過氧化氫體積分數對野木瓜IDF 得率的影響Fig.2 Effect of hydrogen peroxide volume fraction on the yield of wild papaya IDF

如圖2 所示，過氧化氫體積分數在2%～6%時，得率隨質量分數逐漸增大，且上升顯著，在6%處達到最大值后逐漸呈下降趨勢，原因是過氧化氫在反應中形成的自由基[19]會促進溶質的溶出，根據圖2 可知自由基隨過氧化氫體積分數的增加而增加，但體積分數超過6%時會促進IDF 的分解，導致IDF 得率下降。因此，因此，選用6%過氧化氫濃度進行下一步的優化。

2.1.3 野木瓜粉末目數對野木瓜IDF 得率的影響

野木瓜粉末目數對野木瓜IDF 得率的影響見圖3。

據文獻報道，在膳食纖維提取中通常會根據不同的樣品經干燥后進行不同的過篩處理。如圖3 所示，當粉碎后的野木瓜粉末目數保持在20 目～60 目之間隨著粉末目數的增加而利率也增加，繼續降低粉末的粒徑，IDF 得率顯著下降，分析可能是粉末粒徑較小時，增加纖維素的裸露部分從而發生水解，導致提取率下降。因此，選用60 目野木瓜粉末進行下一步的優化。

圖3 野木瓜粉末目數對野木瓜IDF 得率的影響Fig.3 Effect of the number of wild papaya powders on the yield of wild papaya IDF

2.1.4 微波功率對野木瓜IDF 得率的影響

微波功率對野木瓜IDF 得率的影響見圖4。

圖4 微波功率對野木瓜IDF 得率的影響Fig.4 Effect of microwave power on the yield of wild papaya IDF

由圖4 可知，微波功率強度在140 W～420 W 之間時IDF 得率緩慢增加，在420 W 時達到最大值，之后隨著微波功率的增大，得率反而呈下降趨勢。分析可能是隨著微波功率增大而加快擴散速度，促使細胞壁出現孔洞，有利于IDF 的溶出，但是功率過大，溫度過高會使部分纖維素和半纖維氫鍵遭破壞，故使IDF 得率降低[17]。因此，選擇微波功率為420 W 進行下一步的優化。

2.1.5 微波時間對野木瓜IDF 得率的影響

微波時間對野木瓜IDF 得率的影響見圖5。

圖5 微波時間對野木瓜IDF 得率的影響Fig.5 Effect of microwave time on the yield of wild papaya IDF

由圖5 可知，隨著微波時間的延長，IDF 得率有上升的趨勢，在60 s 時達到最大值，隨后開始緩慢下降。分析原因可能是在一定范圍內，微波時間的延長有助于IDF 的溶出，但在過長的微波加熱提取狀態下，IDF部分會發生分解[20]，從而使得率降低。故微波時間選擇60 s 進行下一步的優化。

2.1.6 pH 值對野木瓜IDF 得率的影響

pH 值對野木瓜IDF 得率的影響見圖6。

圖6 pH 值對野木瓜IDF 得率的影響Fig.6 Effect of pH on the yield of wild papaya IDF

由圖6 可知，在酸性環境下隨著pH 值逐漸增加，IDF 得率呈上升的趨勢后緩慢下降，最終趨于平衡，在pH 3 時達到最大值。分析原因是在酸性一定的條件下有助于IDF 的溶出，當pH 值過低時，纖維中的水溶性果膠將會發生進一步的脂解，裂解[21]等反應，使得率降低。pH 值大于3 時，部分纖維被水解，也會使其得率降低。故選擇pH 3 進行下一步的優化。

2.2 野木瓜IDF提取工藝響應面法優化

2.2.1 響應面優化試驗設計與結果

根據單因素試驗結果，Box-Benhnken 設計及試驗結果見表2，方差分析結果見表3。

表2 設計及試驗結果Table 2 Design and experimental results

續表2 設計及試驗結果Continue table 2 Design and experimental results

2.2.2 響應面試驗結果分析

用Design Expert8.0.6.1 軟件對表3 經回歸擬合后，得到二次多元回歸方程：

表3 方差分析結果Table 3 Results of variance analysis

野木瓜 IDF 得率/%=66.68+0.5×A-2.44×B-1.15×C-1.58×D+2.44×E+2.72×F+0.63×AB-0.5×AC+0.40×AD-1.33×AE-0.96×AF+1.33×BC+0.40×BD-0.56×BE+0.42×BF-1.92×CD-1.58×CE-0.7×CF-0.10×DE-1.37×DF+3.21×EF-2.76×A2-3.31×B2-3.56×C2-4.26×D2-3.17×E2-1.57×F2

該式中一次項 B、C、D、E、F 及二次項 A2、B2、C2、D2、E2、F2對 IDF 得率均表現為極顯著水平（P＜0.01），CD、CE、EF 交互作用差異極顯著（P＜0.01），交互項AE、BC、DF 交互作用差異最為顯著（P＜0.05），表明各因素與響應值之間不能用簡單線性關系解釋，而是一種非線性關系。對模型進行方差分析，據表3 所示，回歸方程失擬檢驗P＞0.05，差異不顯著，擬合檢驗P＜0.000 1，差異極顯著，說明模型的預測值和實際值擬合度高，綜上，所選擇模型顯著，而失擬項不顯著，所選模型可靠，用該回歸方程可以較好地描述利用野木瓜提取IDF 過程中各因素與響應值之間的真實關系，可用其確定最佳野木瓜IDF 提取工藝條件。影響IDF 得率的主次因素為 F＞E＞B＞D＞C＞A，即 pH 值＞微波時間＞過氧化氫體積分數＞微波功率＞野木瓜粉末目數＞液料比。

2.2.3 各交互項對IDF 提取率影響的分析

為考察各交互項對IDF 提取率的影響，固定其他因素條件，考察兩兩因素之間的交互作用對提取率的影響，對各響應面三維圖進行分析。一般而言，響應曲面坡度越陡峭，則說明響應值對于該因素的改變越敏感，反之，曲面坡度越平滑，說明該因素的改變對響應值的影響越小。各因素交互作用IDF 得率的響應面圖見圖7。

圖7 各因素交互作用IDF 得率的響應面圖Fig.7 Response surface diagram of IDF yield of each factor interaction

由圖7 可直觀觀察各因素對響應值的影響，其中CD、CE 和EF 的響應面曲線陡峭，對IDF 提取率影響極顯著，BC、AE 和 DF 的響應面曲線較陡，對 IDF 提取率影響僅次于CD、CE 和EF 曲線，與方差分析一致。

2.2.4 最優條件預測

通過Design Expert8.0.6.1 軟件對數據進一步分析可得模型理論最佳條件為：液料比 28.23 ∶1（mL/g），過氧化氫體積分數4.92%，野木瓜粉末目數50.4 目，微波功率379.17 W，微波時間120 s，pH 4.0，在此條件下提取野木瓜IDF 得率為72.6%。為檢驗響應面優化結果的可靠性，并選取各因素整數的值，結合實際試驗操作條件，調整工藝參數為：液料比 28 ∶1（mL/g），過氧化氫體積分數5%，野木瓜粉末目數50 目，微波功率420 W，微波時間120 s，pH 4。在此最優條件下嚴格執行3 次驗證試驗，野木瓜IDF 實測平均得率為（72.72±1.17）%，與IDF 的提取理論值比較，相差在3%以內，說明該回歸模型與實際試驗過程匹配程度較高，因此該優化提取工藝參數準確可靠。

2.2.5 野木瓜IDF 性能測定結果

根據1.2.3 測定方法，代入公式，平行測定3 次，取平均值，可得出野木瓜IDF 持水力為2.76 g/g，溶脹度為5.50 mL/g。

3 結論

采用響應面優化微波輔助提取法提取野木瓜中IDF，結果表明：野木瓜IDF 提取率的最佳提取工藝條件為液料比 28 ∶1（mL/g），過氧化氫體積分數 5%，野木瓜粉末目數50 目，微波功率420 W，微波時間120 s，pH 4.0。野木瓜IDF 提取率可達72.72%，與IDF 的提取理論值比較，其相差為1.17%，說明采用響應面法建立的野木瓜IDF 提取模型提取野木瓜IDF 是穩定且可靠的，經檢測提取的IDF 持水力為2.76 g/g，溶脹度5.50 mL/g。