姚鵬程，王 鑫，吳媛媛，徐麗萍

（1.牡丹江市食品藥品檢驗(yàn)檢測(cè)中心，黑龍江牡丹江 157000；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院高校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150076）

可溶性膳食纖維包括部分微生物多糖和合成多糖，主要是指存在于植物細(xì)胞內(nèi)的儲(chǔ)存物質(zhì)和分泌物[1]，它可溶解于溫、熱水，能被乙醇再沉淀且不可以被人體消化道酶消化的那部分膳食纖維，被稱(chēng)為調(diào)節(jié)機(jī)體功能的“第七類(lèi)營(yíng)養(yǎng)素”[2]。近二三十年來(lái)，膳食纖維的保健作用日益受到重視，被各國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)家認(rèn)識(shí)到，膳食纖維研究在國(guó)外成為最活躍的課題之一。國(guó)外對(duì)于膳食纖維的提取主要應(yīng)用物理法；在國(guó)內(nèi)，可溶性膳食纖維的傳統(tǒng)提取方法主要是化學(xué)法，包括酸法、堿法[4]。目前，國(guó)內(nèi)提取香蕉皮中可溶性膳食纖維的研究報(bào)道主要集中在化學(xué)法、酶法、酶與化學(xué)試劑結(jié)合的方法。

香蕉是世界第二大水果，約占世界水果總產(chǎn)量的17%，香蕉皮作為香蕉深加工的主要廢棄物，如果沒(méi)有被合理利用，既浪費(fèi)資源又破壞環(huán)境。香蕉皮中的營(yíng)養(yǎng)素含量也相對(duì)豐富，含有果膠、半纖維素、蛋白質(zhì)、維生素等[4]，若對(duì)香蕉及香蕉深加工后的香蕉皮等廢棄物進(jìn)行加工處理，將會(huì)給香蕉的綜合利用提供新的途徑[5]。但在諸多產(chǎn)品中，以香蕉皮為膳食纖維原料的產(chǎn)業(yè)化研究較少，主要原因是對(duì)于香蕉皮膳食纖維的功能特性認(rèn)知方面存在不足，加工技術(shù)及設(shè)備相對(duì)匱乏，從而導(dǎo)致香蕉皮膳食纖維的加工相對(duì)落后。所以，深入研究香蕉皮的膳食纖維結(jié)構(gòu)組成與其生理特性及其加工技術(shù)與設(shè)備的完美結(jié)合必將成為今后的研究熱點(diǎn)[6]。中心組合設(shè)計(jì)是國(guó)際上一種較常見(jiàn)的響應(yīng)曲面試驗(yàn)方法，中心組合設(shè)計(jì)不僅可以對(duì)各因子進(jìn)行優(yōu)化，還可以對(duì)影響生物過(guò)程中的因子及其交互作用進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)一步得到影響試驗(yàn)過(guò)程的最佳條件[7]。試驗(yàn)采用超聲波法結(jié)合酸解提取可溶性膳食纖維，并通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)分析，建立二次回歸模型，考查了超聲時(shí)間、酸解溫度、酸解時(shí)間、磷酸體積分?jǐn)?shù)、料液比對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

香蕉，超市購(gòu)買(mǎi)；食用花生油，山東魯花集團(tuán)有限公司提供。

濃硫酸（分析純），哈爾濱市化工試劑廠提供；無(wú)水乙醇（分析純），天津市天新精細(xì)化工開(kāi)發(fā)中心提供。

DHG-9203A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限責(zé)任公司產(chǎn)品；SHZ-D（III）型循環(huán)水式多用真空泵，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)品；MC型精密電子天平、ALC-1100.2型電子分析天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司產(chǎn)品；ZDF-6090型真空干燥箱、DK-98型電子恒溫水浴箱，上海恒一科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；KQ-500VDE型雙頻數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)品；DK-98型電子恒溫水浴箱、R-205型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海申勝生物技術(shù)有限公司產(chǎn)品；DL-5-B型低速容量離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 香蕉皮的預(yù)處理

取新鮮的香蕉皮，于室溫下浸泡30 min，取出后用40℃的溫水重復(fù)洗滌3次，以除去可溶性糖和色素，烘干后粉碎，過(guò)直徑為0.35 mm的40目篩，備用。

1.2.2 可溶性膳食纖維提取的單因素試驗(yàn)

稱(chēng)取5份香蕉皮粉末，每份3.00 g。分別按料液比為 1∶5，1∶10，1∶15，1∶20，1∶25 （g∶mL）加入體積分?jǐn)?shù)為2%，4%，6%，8%，10%的稀磷酸溶液中，置于超聲波清洗器中，超聲處理0，5，10，15，20 min，分別在 60，70，80，90，100 ℃恒溫水浴60，90，120，150，180 min，離心、抽濾，液體經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至原溶液體積的1/3，向濃縮液中加入4倍體積的無(wú)水乙醇，靜置2 h，固液分離后進(jìn)行干燥，所得固體即為可溶性膳食纖維。計(jì)算香蕉皮中可溶性膳食纖維的得率。

1.2.3 響應(yīng)曲面法優(yōu)化提取可溶性膳食纖維的工藝條件

試驗(yàn)運(yùn)用Box-Behnken模型，以X1，X2，X3為自變量，分別代表酸解溫度、磷酸體積分?jǐn)?shù)和料液比，作為試驗(yàn)過(guò)程中的考查因子；以+1，0，-1分別代表自變量的高、中、低水平，根據(jù)方程xi=（Xi-Xo）/X對(duì)自變量進(jìn)行編碼[8]。

Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼見(jiàn)表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼

如表1，X為自變量的變化步長(zhǎng)，Xo為試驗(yàn)中心點(diǎn)處自變量的真實(shí)值，Xi為自變量的真實(shí)值，xi為自變量的編碼值[9]。試驗(yàn)采用多元回歸分析方法，擬合二次多項(xiàng)式回歸模型的Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)，進(jìn)行結(jié)果分析。在模型擬合出的最優(yōu)條件下重復(fù)3次試驗(yàn)，以驗(yàn)證響應(yīng)曲面擬合結(jié)果的可靠性。

1.2.4 可溶性膳食纖維理化性能的測(cè)定

（1）香蕉皮中可溶性膳食纖維持水力的測(cè)定。稱(chēng)取1.000 g膳食纖維固體置于三角瓶中，加入70mL蒸餾水后，充分?jǐn)嚢?4 h，設(shè)置離心機(jī)參數(shù)3 000 r/min，離心10 min后棄去上清液，吸干離心管內(nèi)壁殘留的水分，稱(chēng)質(zhì)量。

（2）香蕉皮中可溶性膳食纖維持油力的測(cè)定。稱(chēng)取3.000 g膳食纖維固體置于離心管中，加入10 g食用花生油，室溫靜置1 h，設(shè)置離心機(jī)參數(shù)3 000 r/min，離心10min后棄去上層油，吸干離心管內(nèi)壁殘留的油，稱(chēng)質(zhì)量。

（3） 香蕉皮中可溶性膳食纖維膨脹力的測(cè)定。稱(chēng)取1.000 g膳食纖維固體置于量筒中，測(cè)干粉體積，加室溫水使總體積至25 mL處，用玻璃棒將其攪勻，使其充分吸收水分，在室溫下放置24 h，讀取樣品吸水膨脹后的體積數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 可溶性膳食纖維提取單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 超聲時(shí)間單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

超聲時(shí)間對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 超聲時(shí)間對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響

由圖1可見(jiàn)，當(dāng)超聲時(shí)間為10 min時(shí)可溶性膳食纖維得率為試驗(yàn)中的最大值，隨后可溶性膳食纖維得率逐漸降低，即超聲處理的得率明顯高于未超聲處理的。超聲波能促進(jìn)溶質(zhì)和溶劑的相互作用，從而提高得率；但超聲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致香蕉皮中的大分子鏈斷裂，得率降低。

2.1.2 酸解溫度單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

酸解溫度對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 酸解溫度對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響

由圖2可知，當(dāng)酸解溫度達(dá)到80℃時(shí)，得率達(dá)到最高；當(dāng)酸解溫度處于60～80℃時(shí)，產(chǎn)品的得率增長(zhǎng)較為緩慢；隨著酸解溫度的繼續(xù)升高，可溶性膳食纖維得率迅速下降，原因是高溫使可溶性膳食纖維中的某些成分發(fā)生水解，導(dǎo)致得率下降[10]。即酸解溫度為80℃時(shí)，可溶性膳食纖維得率最大。

2.1.3 酸解時(shí)間單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

酸解時(shí)間對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 酸解時(shí)間對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響

由圖3可知，酸解時(shí)間為60～90min時(shí)，可溶性膳食纖維得率逐漸增大；酸解時(shí)間為90～180 min時(shí)，得率有所減小，即酸解時(shí)間為90 min可溶性膳食纖維得率最大。當(dāng)酸解時(shí)間過(guò)短時(shí)，可溶性膳食纖維溶解不充分，得率不高；隨著酸解時(shí)間的延長(zhǎng)，可溶性膳食纖維中的果膠大分子被氫離子裂解，導(dǎo)致得率降低。

2.1.4 磷酸體積分?jǐn)?shù)單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

磷酸體積分?jǐn)?shù)對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響見(jiàn)圖4。

由圖4可知，磷酸體積分?jǐn)?shù)低于8%時(shí)，酸解反應(yīng)過(guò)程較為緩慢，得率降低；當(dāng)磷酸體積分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，得率達(dá)到最高；可溶性膳食纖維的得率隨著磷酸體積分?jǐn)?shù)的增大而逐漸上升，當(dāng)磷酸體積分?jǐn)?shù)超過(guò)8%時(shí)，可溶性膳食纖維的得率逐漸減小，原因是過(guò)高的磷酸體積分?jǐn)?shù)使可溶性膳食纖維中的果膠裂解[11]。

2.1.5 料液比單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 磷酸體積分?jǐn)?shù)對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響

料液比對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響見(jiàn)圖5。

圖5 料液比對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響

由圖5可知，當(dāng)料液比在1∶5～1∶15（g∶mL）時(shí)，料液比與得率成正比，但隨著料液比持續(xù)增大，可溶性膳食纖維的得率逐漸降低，原因是過(guò)多的酸液使可溶性膳食纖維水解，使得產(chǎn)量降低。當(dāng)料液比為1∶5（g∶mL） 時(shí)，可溶性膳食纖維得率最高。

2.2 響應(yīng)曲面法優(yōu)化可溶性膳食纖維工藝條件結(jié)果與分析

采用多元回歸分析，擬合二次多項(xiàng)式回歸模型。

Box-Behnken設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，響應(yīng)面模型方差分析見(jiàn)表3，回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)表4。

表3為利用Design Expert軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合的數(shù)據(jù)圖，二次多項(xiàng)回歸模型方程為[8]：

式中：Y——可溶性膳食纖維得率，%；

X1——酸解溫度，℃；

X2——磷酸體積分?jǐn)?shù)，%；

X3——料液比，g∶mL。

從表3可以看出，試驗(yàn)所選用的模型高度顯著（p＜0.000 1），順序殘差與期望值得相關(guān)系數(shù)R2=0.993 6，接近線性關(guān)系；模型的校正決定系數(shù)R2adj=0.985 5，說(shuō)明該模型能解釋98.55%響應(yīng)值的變化，僅有約1.5%不能用此模型來(lái)解釋?zhuān)幌嚓P(guān)系數(shù)R=0.996 8，即該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小。

綜上所述，該模型是合適的，可以用此來(lái)分析香蕉皮中可溶性膳食纖維的提取。

由表4可知，模型一次項(xiàng)X3不顯著，X1，X2顯著；二次項(xiàng)X12顯著，X22，X32極顯著；交互項(xiàng)X1X2

表2 Box-Behnken設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

表3 響應(yīng)面模型方差分析

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

不顯著，X1X3，X2X3顯著。

2.2.1 酸解溫度與磷酸體積分?jǐn)?shù)交互作用的分析與優(yōu)化

酸解溫度、磷酸體積分?jǐn)?shù)及其交互作用對(duì)可溶性膳食纖維的等高線圖和響應(yīng)曲面見(jiàn)圖6。

從圖6可以看出，二者交互作用不顯著，酸解溫度為80℃時(shí)，可溶性膳食纖維的得率達(dá)到試驗(yàn)中的最大值；當(dāng)酸解溫度處于75～80℃時(shí)，產(chǎn)品的得率逐漸增大；隨著酶解溫度繼續(xù)升高，產(chǎn)品的得率隨溫度的增加而逐漸降低。在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)，酸解溫度和磷酸體積分?jǐn)?shù)分別在80.0～82.5℃和7.5%～8.0%時(shí)，可溶性膳食纖維得率達(dá)到試驗(yàn)中的最大值。

2.2.2 酸解溫度與料液比交互作用的分析與優(yōu)化

酸解溫度、料液比及其交互作用對(duì)可溶性膳食纖維的等高線圖和響應(yīng)曲面見(jiàn)圖7。

圖7 酸解溫度、料液比及其交互作用對(duì)可溶性膳食纖維的等高線圖和響應(yīng)曲面

由圖7可見(jiàn)，兩因素的交互作用較顯著，可溶性膳食纖維的得率隨著酸解溫度的增大而增大；當(dāng)酸解溫度大于80℃時(shí)，產(chǎn)品的得率逐漸減小。在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)，當(dāng)酸解溫度和料液比分別處于80.0～82.5℃和1∶15～1∶17.5（g∶mL） 時(shí)，酸解溫度和料液比對(duì)產(chǎn)品得率都有較大影響，此時(shí)可溶性膳食纖維的得率在試驗(yàn)中達(dá)到最大值。

2.2.3 磷酸體積分?jǐn)?shù)與料液比交互作用的分析與優(yōu)化

磷酸體積分?jǐn)?shù)、料液比及其交互作用對(duì)可溶性膳食纖維的等高線圖和響應(yīng)曲面見(jiàn)圖8。

由圖8可知，酸解溫度為最佳值80℃時(shí)，磷酸體積分?jǐn)?shù)與料液比對(duì)可溶性膳食纖維的交互影響效應(yīng)。當(dāng)磷酸體積分?jǐn)?shù)在7%～8%時(shí)，可溶性膳食纖維的得率逐漸增大；當(dāng)磷酸體積分?jǐn)?shù)大于8%時(shí)，產(chǎn)品的得率隨磷酸體積分?jǐn)?shù)的增大而逐漸減少。在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)，磷酸體積分?jǐn)?shù)和料液比分別在7.5%～8.0%和1∶15～1∶17.5（g∶mL） 時(shí)，可溶性膳食纖維的提取量可以達(dá)到試驗(yàn)中的最大值。

通過(guò)響應(yīng)曲面分析，確定可溶性膳食纖維的最佳工藝條件，即酸解溫度81.5℃，磷酸體積分?jǐn)?shù)7.84%，料液比1∶14.75（g∶mL）。采用此工藝條件，通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)，可溶性膳食纖維的得率為20.75%。

2.3 可溶性膳食纖維理化性能的測(cè)定結(jié)果與分析

可溶性膳食纖維理化性能測(cè)定試驗(yàn)值與理論值對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 可溶性膳食纖維理化性能測(cè)定試驗(yàn)值與理論值對(duì)比

通過(guò)公式計(jì)算出可溶性膳食纖維理化性能指標(biāo)結(jié)果，且將得到的試驗(yàn)結(jié)果與參考資料中的理論值進(jìn)行對(duì)比。

圖8 磷酸體積分?jǐn)?shù)、料液比及其交互作用對(duì)可溶性膳食纖維的等高線圖和響應(yīng)曲面

3 結(jié)論

以香蕉皮為原料，采用磷酸水解法提取可溶性膳食纖維。采用超聲波輔助處理，考查酸解溫度、酸解時(shí)間、磷酸體積分?jǐn)?shù)、料液比4個(gè)單因素，試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過(guò)響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗(yàn)確定香蕉皮中可溶性膳食纖維的最佳提取工藝條件為酸解溫度80℃，酸解時(shí)間90 min，磷酸體積分?jǐn)?shù)8%，料液比1∶15（g∶mL），在此條件下可溶性膳食纖維的得率為20.75%。通過(guò)對(duì)可溶性膳食纖維的理化性能進(jìn)行測(cè)定可知，可溶性膳食纖維的持水力為4.93，持油力為2.83，膨脹力為9.76mL/g。

[1]鄭曉燕.香蕉皮膳食纖維的研究 [D].海口：海南大學(xué)，2010.

[2]劉林林，吳茂玉，葛邦國(guó)，等.采用響應(yīng)面法對(duì)酶法提取香蕉皮可溶性膳食纖維工藝的優(yōu)化 [J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2013（3）：5-9.

[3]屈浩亮，顧小紅，湯堅(jiān)，等.癩葡萄渣可溶性膳食纖維提取工藝的研究及其單糖組分分析 [J].食品與機(jī)械，2008，24 （4）：73-77.

[4]李靜.黑曲霉發(fā)酵制備香蕉皮可溶性膳食纖維研究 [J].中國(guó)食品添加劑，2015（5）：140-141.

[5]江東文，鮑金勇，袁根良，等.香蕉皮膳食纖維的研究進(jìn)展 [J].食品研究與開(kāi)發(fā)，2009，30（10）：146-149.

[6]王鑫.玉米胚中谷胱甘肽分離純化及抗氧化效果評(píng)價(jià) [D].哈爾濱：哈爾濱商業(yè)大學(xué)，2009.

[7]唐琳，徐方旭，黃曉杰，等.香蕉皮水溶性膳食纖維的提取及抗氧化研究 [J].食品工業(yè)，2012，33（4）：17-20.

[8]徐麗萍，王鑫，付瑩.響應(yīng)曲面法優(yōu)化硫酸軟骨素提取工藝條件 [J].食品工業(yè)科技，2014，35（2）：201-205.

[9]Tunc M S，Heiningen A R PV.Hemicellulose extraction of mixed southern hardwood with water at 150℃：effect of time[J].Industrial&Engineering Chemistry Research，2008，47（18）：267-274.

[10]鄭曉燕，章程輝，李積華，等.超聲分散結(jié)合高壓蒸煮處理制備香蕉皮膳食纖維的工藝研究 [J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（5）：107-109.

[11]張英春，楊鑫，張華，等.利用南瓜粉制備水溶性膳食纖維的工藝研究 [J].食品工業(yè)，2009（3）：14-15.◇