王順民 湯 斌 余建斌 張 浩

(安徽工程大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院1，蕪湖 241000)

(寧夏吳凱生物科技有限責(zé)任公司2，銀川 75320)

響應(yīng)面法優(yōu)化菜籽皮可溶性膳食纖維提取工藝

王順民1湯 斌1余建斌2張 浩1

(安徽工程大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院1，蕪湖 241000)

(寧夏吳凱生物科技有限責(zé)任公司2，銀川 75320)

為了探討酶法和化學(xué)法結(jié)合提取菜籽皮中可溶性膳食纖維。采用纖維素酶和氫氧化鈉提取菜籽皮中的可溶性膳食纖維，研究了酶添加量、酶解時間、堿解pH、堿解時間、堿解溫度等因素對膳食纖維得率的影響。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定了酶－化學(xué)法制備菜籽皮膳食纖維的最佳工藝條件:纖維素酶加酶量為0.4%，酶解時間60 min，堿解pH 13，堿解溫度70℃、堿解時間60 min，在此條件下菜籽可溶性膳食纖維得率為7.18%。因此，采用纖維素酶和氫氧化鈉相結(jié)合的方法提取菜籽皮中的可溶性膳食纖維是切實(shí)可行的。

菜籽皮 可溶性膳食纖維 酶－化學(xué)法 響應(yīng)面分析

膳食纖維是指能抗人體小腸消化吸收，而在大腸部分或全部發(fā)酵的可食用的植物性成分、碳水化合物及其相類似物質(zhì)的總和，包括多糖、寡糖、木質(zhì)素以及相關(guān)的植物物質(zhì)，并被稱之為“第7大營養(yǎng)素”。膳食纖維有預(yù)防肥胖癥、增強(qiáng)免疫、防止糖尿病、預(yù)防結(jié)腸癌、抑制有害菌等作用［1－6］。

油菜是我國的重要農(nóng)產(chǎn)品之一，總產(chǎn)量達(dá)到1 300多萬噸［7］。油菜籽的種皮約占全籽的12% ～19%，皮中粗纖維高達(dá)30%～34%［8］，其中總纖維中含不溶性膳食纖維47%左右［9］。粗略計(jì)算，每年油菜籽皮達(dá)156～247萬噸，但現(xiàn)階段尚沒有得到合理的利用，對油菜籽皮的開發(fā)利用具有廣闊的前景。目前利用油菜籽皮提取膳食纖維的研究非常少。膳食纖維的提取方法主要有化學(xué)法、酶法、酶－化學(xué)法、超聲波法和微波法等［10－14］。以菜籽皮為原料采用酶法結(jié)合化學(xué)法提取膳食纖維，探討反應(yīng)條件對膳食纖維提取的影響，提取條件溫和，減少了化學(xué)法對可溶性膳食纖維、半纖維素的溶解損失，而且對環(huán)境污染較小，具有很好發(fā)展前景。同時也對油菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

油菜籽皮:產(chǎn)自安徽蕪湖;纖維素酶(酶活2.2萬u/g):和氏璧生物技術(shù)有限公司;無水乙醇、乙醚、氫氧化鈉等均為分析純:中國國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

FA1004電子分析天平:賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;PHS－2F型數(shù)字pH計(jì):上海精密科學(xué)儀器有限公司;SHB－Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵:鄭州市上街華科儀器廠;HH－2恒溫水浴鍋:金壇市杰瑞爾公司;L－550臺式低速大容量離心機(jī):長沙湘儀離心機(jī)有限公司;WF－100高速萬能粉碎機(jī):黃驊市振興機(jī)電儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 操作要點(diǎn)

預(yù)處理:菜籽皮在105℃干燥箱中干燥1 h，粉碎。用適量乙醚在室溫下浸泡3 h，用蒸餾水清洗殘留的有機(jī)溶劑后，抽濾、烘干，得脫脂樣品。樣品經(jīng)粉碎過60目篩。

酶解:稱取1 g(精確至0.001)經(jīng)處理的樣品于蒸餾水后，調(diào)至pH 5.0，加入一定量的纖維素酶于60℃水浴中酶解。

堿解:酶解后加入5%的氫氧化鈉調(diào)pH進(jìn)行堿解，堿解后取出，冷卻，抽濾，濾液備用，固體干燥后稱重即為不溶性膳食纖維。

醇沉:上清液用4倍體積的無水乙醇醇沉10 h，離心分離(轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，分離10 min)，固體干燥后稱重即為可溶性膳食纖維。水溶性膳食纖維得率:

SDF=(所得SDF質(zhì)量/樣品質(zhì)量)×100%

1.2.3 菜籽皮膳食纖維提取單因素試驗(yàn)

1.2.3.1 酶添加量對得率的影響

樣品按料液比為1∶20(g/mL)加入蒸餾水，調(diào)至pH 5.0，分別加入 0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%的纖維素酶，在60℃水浴中酶解90 min。酶解結(jié)束后，用氫氧化鈉調(diào)至pH 11.0。在70℃水浴中堿解90 min。堿解后進(jìn)行醇沉、干燥和計(jì)算得率。比較酶的添加量對得率的影響。

1.2.3.2 酶解時間對得率的影響

采用0.5%纖維素酶，分別酶解 30、60、90、120、150 min。比較酶解時間對得率的影響。其他操作同1.2.3.1。

1.2.3.3 堿解pH對得率的影響

酶解后，用氫氧化鈉調(diào)整pH分別為9.0、10.0、11.0、12.0、13.0，進(jìn)行堿解。比較堿解 pH 對得率的影響。其他操作同 1.2.3.1。

1.2.3.4 堿解溫度對得率的影響

酶解后，分別在50、60、70、80、90 ℃水浴中堿解。比較堿解溫度對得率的影響。其他操作同1.2.3.1。

1.2.3.5 堿解時間對得率的影響

傳統(tǒng)優(yōu)勢企業(yè)的生產(chǎn)已不再具備上世紀(jì)八九十年代所擁有的豐富而廉價(jià)的資源環(huán)境條件，若不轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，尋求新的發(fā)展路徑，突破資源環(huán)境瓶頸，這些企業(yè)可能不僅無法可持續(xù)發(fā)展，甚至還會成為地方發(fā)展的沉重負(fù)擔(dān)。由于外部效應(yīng)的存在，傳統(tǒng)優(yōu)勢企業(yè)以技術(shù)創(chuàng)新推動綠色化發(fā)展，還需要政府提供一系列的配套制度進(jìn)行支持，同時也需要采取一系列措施實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的綠色技術(shù)創(chuàng)新。

酶解后，分別堿解30、60、90、120、150 min。比較堿解時間對得率的影響。其他操作同1.2.3.1。

1.2.4 提取工藝的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素研究的基礎(chǔ)上，選以酶添加量(X1)、堿解的pH(X2)、堿解溫度(X3)和堿解時間(X4)4個因素為自變量，以膳食纖維的得率為響應(yīng)值，根據(jù)中心組合設(shè)計(jì)(CCD原理)設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析試驗(yàn)，其因素水平編碼表見表1。

表1 菜籽皮可溶性膳食纖維的提取試驗(yàn)因素水平及編碼

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

采用輔助軟件 Design－Expert 7.1 Trial數(shù)據(jù)處理方法。試驗(yàn)中所有處理均重復(fù)3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 菜籽皮膳食纖維提取單因素試驗(yàn)

2.1.1 酶添加量對得率的影響

圖1 酶添加量對可溶性膳食纖維得率的影響

2.1.2 酶解時間對得率的影響

從圖2可知，隨著酶解時間的延長，膳食纖維的得率逐漸增加，酶解120 min后，得率達(dá)到最大值。時間超過60 min以后，得率增加緩慢，雖然繼續(xù)增加時間，得率也隨之提高。但也意味著提取周期延長，能耗增加。從提取效率考慮，本試驗(yàn)選擇酶解時間在60 min為宜。

圖2 酶解時間對可溶性膳食纖維得率的影響

2.1.3 堿解pH對得率的影響

由圖3可知，堿解pH對得率的影響較大，隨著pH的增加，膳食纖維增加。pH 12.0時，膳食纖維得率達(dá)到最大值。考慮到pH過高，制備的纖維性狀較差，通常選擇 pH 12.0為宜。陶永霞等［16］研究酶堿法提取棗渣可溶性膳食纖的結(jié)果與之相類似。

圖3 堿解pH對得率的影響

2.1.4 堿解溫度對得率的影響

由圖4可知，隨著堿解溫度的升高，可溶性膳食纖維得率增加。當(dāng)溫度超過70℃時其得率增加趨勢變化不明顯，而且溫度增加，提取的能耗會明顯增加。因此，綜合考慮后選擇堿解溫度為70℃為宜。結(jié)果與陶永霞等［16］在文獻(xiàn)報(bào)道中的結(jié)果基本一致。

圖4 酶解時間對可溶性膳食纖維得率的影響

2.1.5 堿解時間對得率的影響

由圖5可知，隨著堿解時間變化，其可溶性膳食纖維的得率變化明顯，當(dāng)時間為90 min時，膳食纖維的得率為最高。進(jìn)行延長堿解時間后得率急劇下降。因?yàn)閴A解時間過短菜籽皮水解不完全，造成膳食纖維得率降低，而堿解時間過長，膳食纖維軟化，造成膳食纖維和半膳食纖維發(fā)生輕度水解，也會導(dǎo)致得率降低［16］。因此以堿解90 min為宜。

圖5 酶解時間對得率的影響

2.2 菜籽皮可溶性膳食纖維提取工藝的優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)安排及試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行過程優(yōu)化。以X1、X2、X3和X4為自變量，以膳食纖維的得率為響應(yīng)值Y，應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。其中1～16為16析因試驗(yàn)，17～21為5個中心試驗(yàn)，用以估計(jì)試驗(yàn)誤差。

表2 菜籽皮可溶性膳食纖維提取試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

通過利用Design－Expert 7.1 Trial軟件中的中心組合設(shè)計(jì)(CCD)選項(xiàng)對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到菜籽皮可溶性膳食纖維的得率預(yù)測值(Y)對編碼自變量X1、X2、X3和X4的二次多項(xiàng)回歸方程，對表2結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可建立如下二次回歸方程:

Y=3.30 －0.94X1+1.55 X2－0.40X3+1.02X4+0.68X1X2+0.02X1X3+0.40X1X4－ 0.13X2X3－1.18X2X4+0.07X3X4－0.44X21+1.93X22－0.40X23－0.29

對二次回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 回歸方程方差分析表

從表3可知，該二次回歸方程的一次項(xiàng)(X1、X2、X3和X4)、二次項(xiàng)X22及交互項(xiàng)中的X2X4均表現(xiàn)出了顯著水平，該二次回歸方程整體模型比較顯著，并且失擬項(xiàng)不顯著，該回歸模型與實(shí)測值能較好地?cái)M合。結(jié)果表明，模型是顯著，模型回歸相關(guān)系數(shù)R2=0.973 2，說明相關(guān)性較好;校正決定系數(shù)Adj R2=0.910 7，表明91.07%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異性可用此回歸模型來解釋，CV值等于10.54%，表示試驗(yàn)的可信度和精確度較好，本試驗(yàn)精密度達(dá)到14.809。因此，可用此模型對菜籽皮可溶性膳食纖維的提取效果進(jìn)行分析和預(yù)測。

2.2.2 響應(yīng)面分析

在其他因素條件固定不變的情況下，考察交互項(xiàng)對得率的影響，對模型進(jìn)行降維分析。經(jīng)Design－Expert 7.1軟件分析，所得的響應(yīng)面圖見圖6至圖11。

由圖6可知，膳食纖維的得率，隨著酶的添加量增加而降低。pH的變化呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢，且之間有交互作用。由圖7、圖8和圖9可知，得率隨酶添加量、堿解時間、堿解溫度的變化都呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，且之間有交互作用。由圖10和圖11可知，膳食纖維的得率隨pH的變化呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢，堿解pH對結(jié)果的影響尤為明顯，與表3中方差分析及圖3的結(jié)論相同。堿解時間與圖5相差較大，原因可能是響應(yīng)面優(yōu)化中考慮了堿解溫度、酶添加量和堿解pH，而它們與堿解時間有著很強(qiáng)的交互作用(圖8和圖9)。另外可能是與本試驗(yàn)所選堿解時間跨度較大有關(guān)(60、90和120 min)，這尚需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。隨著試驗(yàn)因素值的增加，膳食纖維得率的響應(yīng)值增大到極值，后隨著試驗(yàn)因素值的增大而逐漸減小;在交互項(xiàng)對得率的影響中，堿解時間(X1X4)、堿解pH與堿解溫度(X2X3)、堿解pH與堿解時間(X2X4)對SDF得率的影響較顯著。另外，可知該模型在試驗(yàn)范圍內(nèi)存在穩(wěn)定點(diǎn)，且穩(wěn)定點(diǎn)是最大值(圖7、圖8和圖9)。

2.2.3 提取工藝的優(yōu)化與驗(yàn)證

為進(jìn)一步確證提取工藝最佳點(diǎn)，根據(jù)軟件對擬合的回歸方程進(jìn)行優(yōu)化，得可溶性膳食纖維最佳提取工藝參數(shù)分別為:酶添加量0.43%;堿解pH 13.0、堿解溫度72.5℃、堿解時間63.88 min，在此條件下菜籽皮可溶性膳食纖維的理論得率為7.15%。考慮到可操作性，將最優(yōu)條件定為:酶添加量0.4%、堿解pH 13.0、堿解溫度70℃、堿解時間60 min。用此最優(yōu)提取條件進(jìn)行驗(yàn)證，得到菜籽皮可溶性膳食纖維的得率為7.18%，與理論值較為接近，表明數(shù)學(xué)模型對優(yōu)化菜籽皮可溶性膳食纖維的提取工藝是可行的。

2.2.4 討論

利用纖維素酶提取葡萄皮渣［11］和蘋果渣［17］中的可溶性膳食纖維已有報(bào)道。本試驗(yàn)中0.4%的纖維素酶的添加量與樂勝鋒［17］采用纖維素酶法提取蘋果渣可溶性膳食纖維的添加量相吻合。但由于原料不同，膳食纖維的得率不同。試驗(yàn)單因素中堿解pH、堿解溫度、堿解時間對得率的影響趨勢與陶永霞等［16］提取棗渣可溶性膳食纖維的結(jié)果基本相似。但膳食纖維的得率低于該文獻(xiàn)中的11.32%。本試驗(yàn)采用酶法與堿法結(jié)合后膳食纖維的得率為7.18%，其值要高于胡葉碧［15］報(bào)道的采用纖維素酶和木聚糖酶提取玉米皮可溶性膳食纖維基本相似。原因可能為菜籽皮與上述原料的膳食纖維組成不同。

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用CCD響應(yīng)面組合設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，得菜籽皮可溶性膳食纖維提取工藝的二次數(shù)學(xué)回歸模型。通過對模型分析可知，酶的添加量(X1)、堿解pH(X2)、堿解溫度(X3)、堿解時間(X4)對菜籽皮可溶性膳食纖維得率的影響較顯著，交互項(xiàng)中的X22、X2X4的影響也顯著。通過回歸模型優(yōu)化得出最佳提取工藝為:酶添加量0.4%;堿解pH 13.0、堿解溫度70℃、堿解時間60 min。在此條件下可溶性膳食纖維實(shí)際得率為7.18%，該數(shù)學(xué)模型對優(yōu)化菜籽皮可溶性膳食纖維的提取工藝可行。

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Response Surface Methodology as an Approach to Optimize the Extraction of Soluble Dietary Fiber from Rapeseed Shell

Wang Shunmin1Tang Bin1Yu Jianbin2Zhang Hao1
(Biological and chemical engineering institute Anhui Polytechnic University1，Wuhu 241000)Ningxia Wukai Biological Science and Technology Ltd.2，Yinchuan 753202)

The objective of this study was to gain better insight into the effects of the enzymatic and chemical method on the extraction of the soluble dietary fiber of rapeseed shell.In two methods，cellulose enzyme and NaOH were used to extract soluble dietary fiber of rapeseed shell.Effects of four crucial parameters(i.e.a cellulase dose，pH adjustment of water as extraction solvent，temperature and time)on extraction yield of soluble dietary fiber were investigated.On the basis of the single － factor experiment，the response test was designed to determine the optimal process conditions for preparing dietary fiber of rapeseed shell.Under the said optimized conditions:cellulase 0.4% ，extraction duration 60 min，pH 13 and temperature 70 ℃，the yield of soluble dietary fiber was found to be 7.18%.Therefore，it was feasible to use cellulose enzyme and NaOH combination method to achieve the extraction of the soluble dietary fiber of rapeseed shell.

rapeseed shell，soluble dietary fiber，enzymatic and chemical method，response surface analysis

TS214.2

A

1003－0174(2011)09－0098－06

安徽省優(yōu)秀青年人才基金(2010SQRL084ZD)

2010－10－12

王順民，男，1975年出生，博士，功能性食品