響應面法優化微波輔助酶法提取香菇柄可溶性膳食纖維工藝

吳麗萍 蔡永久 徐江 胡長玉

摘 要：以廢棄物香菇柄為原料，采用微波輔助酶法提取香菇柄可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）。通過單因素試驗探討微波功率、微波時間、酶解時間、復合酶添加量對SDF提取率的影響;選取對SDF提取率影響較大的因素進行Box-Behnken響應面優化分析并確定最佳工藝參數。結果表明，在微波功率400W、微波時間4min、酶解時間1.3h、復合酶添加量0.5%條件下，SDF的提取率達到14.22%，與模型理論預測值基本相符，該研究可為廢棄物香菇柄的綜合利用及SDF的提取提供科學依據。

關鍵詞：響應面法;微波;酶;香菇柄;水溶性膳食纖維

中圖分類號 TS201.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）10-0125-05

Optimization of Microwave-assisted Enzymatic Extraction of Dietary Fiber from Lentinus edods Root by Response Surface Analysis

WU Liping1? ?CAI Yongjiu1? ?XU Jiang2? ?HU Changyu1

（1College of Life and Environmental Sciences， Huangshan University， Huangshan 245000， China; 2Huangshan Huizhen Food Co. LTD， Huangshan 245000， China）

Abstract： The Soluble Dietary Fiber（SDF） was extracted from waste lentinus root by microwave-assisted enzymatic extraction. The effects of microwave power， microwave time， enzyme hydrolysis time and compound enzyme addition on SDF extraction rate were investigated by single factor experiment. The factors that have great influence on SDF extraction rate was selected to carried out Box-behnken response surface optimization and determine the optimum process parameters . The results showed that under the conditions of microwave power 400W， microwave time 4 min， enzymatic hydrolysis time 1.3h and compound enzyme addition 0.5%， the extraction rate of SDF reached 14.22%， which was basically consistent with the theoretical predicted value of the model. This study could provide a theoretical basis for the comprehensive utilization of waste Lentinus edods root and the extraction of SDF.

Key words： Response surface method; Microwave; Lentinus edods root; Soluble dietary fiber

香菇（Lentinus edodes），又名花菇、冬菇，在我國廣泛種植，被稱為“第二大食用菌”。香菇不僅蛋白質、膳食纖維、礦物質含量豐富，同時富含香菇多糖、香菇核酸、香菇多肽等多種活性物質，具有抗菌消炎、降膽固醇、提升免疫力等藥用價值[1]，因此香菇被稱為“藥食同源”類食物，在中國深受廣大消費者喜愛。香菇中菇柄量約占子實體的25%，其中營養成分及纖維的含量較其他食物高很多[2]，然而在實際生產加工過程中，香菇柄因質地偏硬，口感粗糙而不能被很好的應用于食品加工領域，大部分都被作為廢棄物所丟棄，造成極大的資源浪費與環境污染。研究表明，香菇柄中膳食纖維含量豐富[3]，是一種綠色天然、來源廣泛且價格低廉的潛在膳食纖維資源。目前的研究主要傾向于香菇傘的食品加工，關于香菇柄綜合利用的研究卻鮮見報道。

膳食纖維被稱為“第七大營養素”，在自然界中廣泛存在。膳食纖維根據其物理性能的不同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SDF具有較高的持水力（WHC）、持油力（OHC）和膨脹力（SC）和較強的抗氧化活性[4]，SDF不僅在維持膳食平衡方面發揮重要作用，而且在預防結腸癌、心血管疾病和降低膽固醇等方面具有重要的生理功能，同時還可降低血液膽固醇和甘油三酯含量、減緩小腸對葡萄糖的吸收速率，進而預防糖尿病的發生[5]，在降血壓、降低膽固醇，抗腫瘤、預防癌癥、消炎等方面具有良好的功效。相關資料顯示，SDF成分含量應達10%以上，方可使產品有較好的品質，如此才具備較強的生理活性和保健功能[6]。可見，SDF是影響DF生理作用的重要因素，采用合理有效的提取方式是提高SDF提取率的有效途徑。

目前對于不同來源的水溶性膳食纖維的提取技術有物理法、化學法、生物酶法和微生物發酵法[7]。化學法提取膳食纖維工藝較為成熟，但是使用化學法提取可能會導致膳食纖維的分子內部結構發生變化，導致部分營養功能失效[8]，并且還會造成環境污染[9]。微生物發酵法能夠明顯提高產品中SDF的含量，使其功效更加均衡，且相對環保，但是發酵時間較長，產物難以分離。物理法和生物酶法因無化學溶劑的殘留，是綠色環保的膳食纖維提取工藝，被專家和學者廣泛采用。微波是一種能夠穿透介質到達物料內部的高頻電磁波，其電磁波的能量能夠被物料吸收，并且物料的細胞內部溫度因吸收大量電磁波能量而上升，并致使分子間化學鍵發生斷裂，分子間通過相互擠壓，促使物料微孔隙的形成，比表面積增大，達到改善物料性能的作用[10]。微波輔助提取技術在食品工業中已經廣泛應用到提取薄荷、海藻等有效成分的生產中[11]。本研究通過微波輔助酶法提取香菇柄中SDF，采用響應面優化最佳提取工藝，旨在提高廢棄物香菇柄的資源利用率和附加值，并為膳食纖維的提取工藝提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑 香菇柄，黃山市徽珍食品有限公司生產加工下腳料;纖維素酶（10萬u/g），寧夏和氏璧生物技術有限公司;α-淀粉酶（10萬u/g），河南安銳生物科技有限公司;95%乙醇，江蘇強盛功能化學股份有限公司。

1.2 儀器與設備 BSA-124S型電子天平，廣州標格達實驗室儀器用戶有限公司;HH-6S型數顯恒溫水浴鍋，金壇市杰瑞爾電器有限公司;R6S-GF23型微波爐，格蘭仕電器有限公司;800型離心分離機，北京醫用離心機廠;FW135中草藥粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司;XMTA-608電熱鼓風干燥箱，上海佳勝實驗設備有限公司。

1.3 工藝流程 香菇柄預處理→烘干→粉碎→微波處理→酶解→離心→95%乙醇沉淀→離心→干燥→恒重，稱量→SDF。

1.4 操作要點 （1）香菇柄預處理：選取無霉變的香菇柄去除根蒂，清洗干凈;（2）烘干、粉碎：將香菇柄放置于電熱鼓風干燥箱內進行烘干，設置溫度為60℃，干燥時長設為8h。將烘干后的香菇柄放入粉碎機中進行粉碎，過60目篩后密封保存;（3）微波處理：以蒸餾水為溶劑，稱取粉碎后的2.0g香菇柄粉末，按照料液比1∶10（g/mL）添加筍衣粉末，混合攪拌均勻;（4）微波處理：將溶質置于微波爐中，調節微波功率范圍在300～500W，控制微波時間在1～9min;（5）酶解：加入質量分數為0.5%的復合酶（復合酶的質量比值為纖維素酶∶α淀粉酶=1∶3），置于60℃恒溫水浴鍋中水浴加熱，水浴30min～150min后滅酶;（6）離心：將所得混合溶液放入離心機中，調節轉速4000r/min，離心30min，并且將殘渣用蒸餾水和無水乙醇洗滌，收集洗滌液;（7）醇沉：按照體積比為1∶4的比例，加入95%乙醇溶液，充分反應，常溫下靜置6h，得到了SDF絮狀沉淀物;（8）離心：將靜置后的溶液恒重后對稱放入離心機中，離心30min，調節離心機轉速4000r/min，最后去除上清液，保留底部沉淀物;（9）干燥，恒重：設置干燥箱溫度為65℃，將所得沉淀物進行烘干，恒重，即得SDF。

1.5 試驗設計

1.5.1 單因素試驗 參照1.3工藝流程及1.4操作要點，以SDF提取率為考察指標，分別探討微波功率（300、350、400、450、500W）、微波時間（1、3、5、7、9min）、酶解時間（0.5、1、1.5、2、2.5h）、復合酶用量（0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%）4個單因素對SDF提取率的影響。

1.5.2 Box-Behnken響應面法試驗 利用Box-Behnken響應面試驗設計原理，基于單因素試驗的結果，選擇對SDF影響較大的3個因素即微波功率（A）、微波時間（B）、酶解時間（C）為自變量，將SDF提取率設定為響應值，依據Box-Behnken試驗設計原理，利用Design-Expert 8.0軟件對實驗數據進行回歸擬合分析，并對SDF的提取工藝進行優化，試驗因素和水平表見表1。

1.7 數據處理 每組試驗進行3次重復操作以提升結果的可靠性。運用Excel 2016對數據進行處理與繪制，運用Design-Expert 8.0進行響應面設計與結果分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 微波功率對SDF提取率的影響 由圖1所示，在其他條件一定時，由低到高調節微波功率，觀察到SDF的提取率有先上升后下降的走向。當微波功率設置范圍在300～400W時，SDF提取率呈現繼續增加趨勢;當設置微波功率在400W時，在這條件下SDF提取率最大;當微波功率超過400W時，SDF提取率呈現出小幅度降低的趨勢，導致這一結果的可能原因是微波功率過高，溶液的溫度會迅速增加，會對分子具有一定的破壞作用，導致提取率下降[12]。因此，選擇在350～450W范圍的微波功率較為適宜。

2.1.2 微波時間對SDF提取率的影響 由圖2所示，當其它影響因素恒定時，調節微波時間，觀察到SDF提取率出現先增加后降低的趨勢。微波時間范圍在1～3min內時，SDF提取率出現較快的增長趨勢;微波時間為5min時，SDF提取率最大;微波時間超過5min時，SDF提取率略微減少，導致這一現象的可能原因是隨著微波時間的增加，加熱時間的延長，導致部分SDF結構破壞，出現SDF提取率有降低現象[13]。因此，選擇在3～7min范圍的微波時間較為適宜。

2.1.3 酶解時間對SDF提取率的影響 由圖3所示，酶解時間對SDF提取率的影響較大，呈現先上升后下降的趨勢。設置酶解時間為1～1.5h時，SDF提取率出現快速上升的趨勢;設置酶解時間為1.5h，在此條件下SDF的提取率最大，這是因為酶與底物反應充分導致SDF提取率增加;當酶解時間為1.5～2h時，SDF提取率出現一定程度的下降趨勢，分析原因可能是過長的酶解時間使得纖維素酶降解纖維素，從而SDF的溶解度增加，導致SDF提取率稍微降低[14]。所以，酶解時間選擇1～2h較為適宜。

2.1.4 復合酶添加量對SDF提取率的影響 由圖4可以觀察到，復合酶的添加量對SDF提取率存在一定程度的影響。SDF提取率隨著復合酶添加量的增加而呈現持續上升而后平緩的現象。當復合酶添加量從0.2%增加至0.5%時，SDF提取率出現不斷增加走向，當增加復合酶添加量到0.5%時，SDF提取率最大，分析原因可能是過量的復合酶繼續發揮作用于SDF，導致產物減少[15]。考慮到試驗的可操作性及簡便性，確定復合酶添加量為0.5%。

2.2 響應面優化試驗結果 試驗結果如表2所示，使用Design-Expert軟件對試驗設計結果進行顯著性檢驗和線性回歸分析，獲得了1個關于SDF的提取率與微波功率（A）、微波時間（B）、酶解時間（C）3因素的二次線性回歸方程：Y=14.21-0.15A-0.77B-0.47C+0.095AB+0.43AC+0.086BC-1.68A2-1.42B2-1.58C2。

2.3 回歸模型方差分析 通過表3可知，回歸模型p<0.0001，呈現極顯著差異，說明回歸模型對香菇柄SDF提取率有很好的預測性。失擬項P值差異不顯著（P=0.9492），說明此試驗下建立的模型擬合效果較好;本模型的相關系數R2=0.9036以及校正相關系數R2Adj=0.9195都接近于1，均說明該響應值有較高的可信度，應用到試驗中具有很高的成功率，可用此模型來分析預測微波輔助酶提取香菇柄SDF。此外，可以觀察到模型的一次項B和二次項A2、B2及C2的P值均小于0.01，表明影響極顯著。由顯著性檢驗F、P值的大小得出各因素對SDF提取率影響的順序分別為微波時間（B）>酶解時間（C）>微波功率（A），其中微波時間（B）對SDF提取率影響極顯著（P<0.01），酶解時間（C）對SDF提取率影響顯著（P<0.05），各因素之間的交互作用影響呈現不顯著（P>0.05），A2、B2、C2對SDF提取率的影響極顯著（P<0.01）。

2.4 優化結果及驗證試驗 根據二次線性回歸方程的分析結果，確定香菇柄SDF最佳提取工藝條件為：微波功率為401W，微波時間為3.89min，酶解時間為1.34h，在此時提取率為14.36%。為提升試驗可操作性，調整提取條件為：微波功率為400W，微波時間4min，酶解時間為1.3h，在此條件下進行驗證試驗（n=3），SDF提取率為14.22%，與理論預測值相對誤差為0.97%，說明回歸模型與實際情況可以較好的擬合，同時也說明Box-Behnken設計響應面法得到的微波輔助酶法提取香菇柄SDF最佳工藝條件準確且有一定的可行性。

2.5 響應面圖形分析 各種因素之間的相互作用和對預報值的影響關系可以通過三維響應面圖和輪廓反映，若是曲面較為緩和則表明該影響不明顯，曲面若是陡峭則說明該影響較為顯著。圖5呈現的是微波功率（A）和微波時間（B）對香菇柄SDF提取率的交互影響，曲線較陡，隨著微波功率和微波時間的增加香菇柄SDF提取率不斷上升，當達到一定功率及時間時香菇柄SDF提取率呈下降趨勢，這說明功率過高或者微波時間過長對SDF的提取是不利的。圖6和圖7結果顯示，等高線近似圓形，BC、AC的曲線峰較為平緩，交互作用不顯著。根據曲面陡峭程度可以判斷B對響應值影響最顯著，其次是C，A，這與表3的方差結果分析相吻合。

3 結論

以廢棄香菇柄為原料，通過微波輔助酶法提取香菇柄SDF。在單因素的試驗基礎上，通過響應面法對微波輔助酶法提取香菇柄SDF的工藝條件進行優化，確定最佳工藝條件為：微波功率400W，微波時間4min，酶解時間1.3h，復合酶添加量0.5%;在此條件下進行重復驗證試驗（n=3），SDF提取率為14.22%，與理論預測值14.36%的相對誤差為0.97%，說明回歸模型與實際擬合情況良好。采用Box-Behnken設計響應面法優化方案得到的香菇柄SDF最佳工藝條件準確，且具有一定的實用價值。

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（責編：王慧晴）