藍(lán)志福

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品工程學(xué)院，福建，漳州363000)

西蘭花（Brassica oleraceaL.var.botrytis L.）又名青花菜、綠菜花、花椰菜，原產(chǎn)于地中海東海岸，是十字花科一年生植物甘藍(lán)的變種，于19世紀(jì)初引進(jìn)我國[1-3]。西蘭花的食用部分是花蕾的嫩莖，富含蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素、脂肪及膳食纖維及等多種營養(yǎng)成分，具有抗衰老、抗腫瘤、抗癌、抗氧化等多種生理功能[4-5]。其中膳食纖維是指不能被人體消化的非淀粉多糖類和木質(zhì)素的總稱。膳食纖維根據(jù)水溶性可分為水溶性膳食纖維（SDF）和水不溶性膳食纖維（IDF），其中SDF是包括阿拉伯膠、果膠和葡聚糖等植物細(xì)胞中的貯存物或分泌物，具有調(diào)節(jié)腸道功能、清除自由基、提高免疫力、抗腫瘤、調(diào)節(jié)血糖血脂等多種生理活性功能[6-8]。本研究以西蘭花為原料，采用超聲波輔助檸檬酸提取西蘭花中SDF，對(duì)影響SDF得率的液料比、超聲時(shí)間、提取溫度和檸檬酸濃度等因素進(jìn)行考察，得到了最佳的工藝參數(shù)，為西蘭花資源高值化開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)和理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)過程采用上海冰都電器有限公司生產(chǎn)的Q-250B型高速多功能粉碎機(jī)對(duì)西蘭花進(jìn)行粉碎，采用上海聲彥超聲波有限公司生產(chǎn)的 SCQ-3201E超聲波清洗機(jī)進(jìn)行輔助提取。

西蘭花，購于漳州北橋菜市場，蒸餾水，自制；乙醇，食品級(jí)，河南浩宇食品添加劑有限公司，其它試劑均為分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 SDF的提取及測試

西蘭花→洗凈→蒸餾水潤洗→烘干（50 ℃）→檸檬酸溶液→超聲提取→離心（5000 r/min）→濾渣重復(fù)進(jìn)行2次及3次浸提→離心（5000 r/min）→合并3次濾液→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)（45 ℃）→乙醇沉淀（3倍體積）→過濾→干燥（50 ℃）→稱重，上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值，SDF得率由下式計(jì)算得到。

其中：m為西蘭花SDF的質(zhì)量/mg；M為西蘭花質(zhì)量/g。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

固定超聲時(shí)間30 min、超聲溫度70 ℃、檸檬酸濃度6%，考察了液料比（5、10、15、20、25、30 mL/g）對(duì)SDF得率的影響。

固定液料比15 mL/g、超聲溫度70 ℃、檸檬酸濃度6%，考察了超聲時(shí)間（15、20、25、30、35、40 min）對(duì)SDF得率的影響。

固定液料比15 mL/g、超聲時(shí)間30 min、檸檬酸濃度 6%，考察了超聲溫度（55、60、65、70、75、80 ℃）對(duì)SDF得率的影響。

固定液料比15 mL/g、超聲時(shí)間30 min、超聲溫度70℃，考察了檸檬酸濃度（4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%、7.0%）對(duì)SDF得率的影響。

1.2.3 SDF提取工藝優(yōu)化

根據(jù)單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇液料比（A）、超聲時(shí)間（B）、超聲溫度（C）和檸檬酸濃度（D）為自變量，SDF得率為響應(yīng)值進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[9]，編碼及水平如表1所示。

表1 響應(yīng)面因素及編碼水平Table 1 Factors and coding levels of response surface

1.2.4 SDF的理化性能

1.2.4.1 持水力的測試

準(zhǔn)確稱取質(zhì)量為m0的SDF放入量筒中，后加入一定量的20 ℃的蒸餾水進(jìn)行飽和1.0 h，后將纖維過濾，并在濾紙上瀝干，轉(zhuǎn)移到表面皿中進(jìn)行稱量得mt，持水力計(jì)算式如下：

1.2.4.2 膨脹力測試

準(zhǔn)確稱取質(zhì)量為m0的SDF放入量筒中，讀出SDF干粉的體積V0，后加入一定量的20℃的蒸餾水，并使總體積達(dá)到50 mL，搖勻后，放置24 h，再次讀取量筒中 SDF的體積 Vt，膨脹力計(jì)算式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素結(jié)果

2.1.1 液料比對(duì)SDF得率的影響

圖1 液料比對(duì)SDF得率的影響Fig.1 Effect of liquid to material ratio on SDF yield

從圖1中可知，隨著液料比的增加，西蘭花SDF得率也增加；當(dāng)液料比為15 mL/g時(shí)，SDF得率達(dá)到最大；繼續(xù)增加液料比，SDF得率反而下降。這是因?yàn)殡S著液料比的增加，溶劑量增大，促進(jìn)了西蘭花顆粒在溶劑中的接觸與溶脹，從而增加了SDF的溶出；當(dāng)液料比過大時(shí)，過大的溶劑用量會(huì)對(duì)超聲造成一定的損失，同時(shí)也會(huì)造成其它物質(zhì)與SDF的溶出競爭[10]。因此最佳的液料比選擇為15 mL/g。

2.1.2 超聲時(shí)間對(duì)SDF得率的影響

圖2 超聲時(shí)間對(duì)SDF得率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on SDF yield

從圖2中可知，隨著超聲時(shí)間的延長，西蘭花SDF得率也增加；當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)，SDF的得率達(dá)到最大；繼續(xù)增加超聲時(shí)間，SDF得率反而下降，這是因?yàn)殡S著超聲時(shí)間的延長，西蘭花中SDF逐漸溶出，SDF得率增大；當(dāng)超聲時(shí)間過長時(shí)，SDF在長時(shí)間的超聲作用下易發(fā)生分解[11]，使得SDF得率下降。因此最佳的超聲時(shí)間選擇為30 min。

2.1.3 超聲溫度對(duì)SDF得率的影響

圖3 超聲溫度對(duì)SDF得率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on SDF yield

從圖3中可知，隨著提取溫度的升高，西蘭花SDF得率也增加；當(dāng)提取溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，SDF得率達(dá)到最大；繼續(xù)增加提取溫度，SDF得率反而下降。這是因?yàn)殡S著超聲溫度的升高，促進(jìn)了膳食纖維中糖苷鍵的斷裂，提高了SDF的溶出；但當(dāng)超聲溫度過高時(shí)，容易導(dǎo)致SDF分子的解聚與降解[12]。因此，最佳的超聲溫度選擇為70 ℃。

2.1.4 檸檬酸濃度對(duì)SDF得率的影響

圖4 檸檬酸濃度對(duì)SDF得率的影響Fig.4 Effect of citric acid concentration on SDF yield

從圖4中可知，隨著檸檬酸濃度的增加，西蘭花SDF得率也增加；當(dāng)檸檬酸濃度達(dá)到6.0%時(shí)，SDF得率達(dá)到最大；繼續(xù)增加檸檬酸濃度，SDF得率反而又下降。這是因?yàn)殡S著檸檬酸濃度的增加，溶液酸性增強(qiáng)，促進(jìn)了部分不溶性膳食纖維水解成SDF，使得SDF得率增大；但當(dāng)檸檬酸濃度過大時(shí)，pH過低，容易導(dǎo)致部分SDF的變性，影響了SDF的醇沉[13]。因此，最佳的檸檬酸濃度選擇為6.0%。

2.2 西蘭花SDF提取的響應(yīng)法優(yōu)化

2.2.1 回歸模型分析

根據(jù)表1中的編碼與水平，利用Design-Expert 8.05b軟件中的Box-Benhnken進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行響應(yīng)面分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experiment design and results of response surface

表3 回歸模型方差分析Table 3 The variance of regression model analysis

利用Design-Expert 8.05b軟件對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到四元二次回歸模型：

由表3可以看出，該回歸模型F=62.29，P＜ 0.0001，表明該回歸模型極顯著（P＜ 0.01）；失擬項(xiàng)P=0.0633 ＞ 0.05，差異不顯著，表明該模擬方程試驗(yàn)誤差小，對(duì)實(shí)驗(yàn)的擬合較好；變異系數(shù)（C.v.%=1.84）＜5%，說明該模型的數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較好；模型的相關(guān)系數(shù)R2（0.9842）和校正系數(shù)Radj2（0.9684）相差較小，說明SDF的提取率預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值有高度的相關(guān)性，該模型的準(zhǔn)確性較好。一次項(xiàng)A、B、C、D，交互項(xiàng)AB、AC、BD，二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2影響極顯著（P＜ 0.01）；交互項(xiàng)AD影響顯著（P＜ 0.05）；交互項(xiàng)CD，影響不顯著（P＞ 0.05），表明所考察的各工藝條件與西蘭花SDF得率之間不是簡單的線性關(guān)系。另外，通過F及P值的分析，可以得到影響超聲輔助提取西蘭花SDF提取率的主次效應(yīng)順序?yàn)椋撼暅囟?＞ 液料比 ＞ 檸檬酸濃度 ＞超聲時(shí)間。

2.2.2 響應(yīng)面結(jié)果

各工藝條件的交互作用對(duì)西蘭花 SDF得率影響的響應(yīng)面圖及等高線如圖5所示。圖中表示的液料比、超聲時(shí)間、超聲溫度和檸檬酸濃度四個(gè)工藝中，當(dāng)其中的兩個(gè)工藝為零水平時(shí)，另兩個(gè)工藝條件的交互作用對(duì)西蘭花SDF得率的影響，可以通過響應(yīng)面曲線坡度和等高線的形狀來判斷各工藝條件交互作用的顯著程度。從圖5中可以看出，超聲時(shí)間與檸檬酸濃度的響應(yīng)面曲線最陡，等高線偏離圓形最厲害，說明超聲時(shí)間與檸檬酸濃度的交互作用對(duì)西蘭花SDF得率的影響最顯著；而液料比與超聲溫度的響應(yīng)面曲線陡度次之，等高線偏離圓形厲害程度次之，說明液料比與超聲溫度的交互作用對(duì)西蘭花SDF得率的影響程度次之，同理可得，影響超聲波輔助提取西蘭花 SDF得率的主次因素順序?yàn)槌暅囟?＞ 液料比 ＞ 檸檬酸濃度 ＞ 超聲時(shí)間。

圖5 各工藝條件交互作用對(duì)SDF得率的影響Fig.5 Effect of interaction of various process conditions on SDF yield

2.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

超聲波輔助檸檬酸提取西蘭花 SDF的最佳工藝條件可以通過 Design-Expert 8.05b軟件分析得到：液料比15.83 mL/g，超聲時(shí)間30.53 min，超聲溫度71.88 ℃和檸檬酸濃度6.09%，在該條件下西蘭花SDF的理論提取率為14.76 %。為了便于工藝條件的操作，將各工藝條件修正為：液料比16 mL/g，超聲時(shí)間 30 min，超聲溫度 72 ℃和檸檬酸濃度6.1%。在修正后的最佳提取工藝條件下，進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)（n=3），得西蘭花 SDF的平均得率為14.61%，與模型預(yù)測值相比，其相對(duì)誤差為1.02%，驗(yàn)證了該模型的有效性。說明響應(yīng)面優(yōu)化超聲輔助檸檬酸提取西蘭花SDF的工藝準(zhǔn)確、可靠，對(duì)西蘭花SDF的提取與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

2.3 SDF理化特性分析

SDF的持水力和膨脹力是影響 SDF品質(zhì)的指標(biāo)，SDF分子中含有較多親水性羥基結(jié)構(gòu)的親水性基團(tuán)，具有較好的持水力和膨脹力，而超聲波輔助提取過程更能促進(jìn)SDF親水基團(tuán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的外露，使得SDF能夠具有更高的品質(zhì)。理化分析表明，西蘭花 SDF 的持水力和膨脹力分別為 4.94 g/g 和5.87 mL/g，具有良好的品質(zhì)，可應(yīng)用于蛋糕、餅干、面包及相關(guān)焙烤食品中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 小結(jié)

以西蘭花為原料，利用Design-Expert 8.05b軟件，在單因素的基礎(chǔ)上，對(duì)超聲輔助檸檬酸提取西蘭花SDF的提取工藝進(jìn)行了響應(yīng)面優(yōu)化，建立了西蘭花SDF得率的二次多項(xiàng)式回歸模型，該回歸模型準(zhǔn)確、可靠。各工藝條件影響西蘭花SDF得率的主效應(yīng)順序?yàn)椋撼暅囟?＞ 液料比 ＞ 檸檬酸濃度 ＞超聲時(shí)間。最佳工藝條件為：液料比16 mL/g，超聲時(shí)間30 min，超聲溫度72 ℃、檸檬酸濃度6.1%。在此提取工藝條件下進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算西蘭花SDF得率為14.61%，與模型預(yù)測值相比，其相對(duì)誤差為1.02%，驗(yàn)證了該模型的有效性，說明響應(yīng)面優(yōu)化超聲輔助檸檬酸提取西蘭花 SDF的工藝準(zhǔn)確、可靠；所得西蘭花SDF的持水力和膨脹力分別為4.94 g/g 和5.87 mL/g，具有良好的品質(zhì)，可應(yīng)用于相關(guān)焙烤食品中。本研究對(duì)西蘭花SDF的提取與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。