響應面優(yōu)化火龍果皮中水不溶性膳食纖維提取工藝

劉倩倩

(菏澤學院藥物科學與技術系,山東菏澤 274015)

響應面優(yōu)化火龍果皮中水不溶性膳食纖維提取工藝

劉倩倩

(菏澤學院藥物科學與技術系,山東菏澤 274015)

以火龍果皮為原料,采用酸堿結合法提取水不溶性膳食纖維(IDF),通過單因素實驗和響應面分析,探討NaOH質(zhì)量分數(shù)、堿提時間、堿提溫度、堿提液料比、酸提溫度、酸提時間、酸提液料比七個因素對火龍果皮中水不溶性膳食纖維得率和純度的影響,并對提取工藝條件進行優(yōu)化。結果表明,酸堿結合法提取火龍果IDF的最佳工藝條件為NaOH質(zhì)量分數(shù)4.3%、堿提溫度46.5 ℃、堿提時間60 min、堿提液料比15∶1(mL/g)、酸提溫度77.4 ℃、酸提時間1.5 h、酸提液料比15∶1(mL/g),在此工藝條件下,IDF得率30.29%,純度達到94.78%,表明該工藝可行。

火龍果皮,水不溶性膳食纖維,響應面分析

火龍果(pitaya)又名紅龍果,目前在我國廣西、廣東、海南、福建等省區(qū)都有種植?；瘕埞ぶ泻胸S富的膳食纖維,但是在食用和工業(yè)加工過程中,果皮常被丟棄,造成大量資源的損失[1-2]。研究表明:火龍果皮中膳食纖維含量大約在75%左右,其中水不溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber,IDF)占45%左右[3-5]。膳食纖維有良好的生理保健功能,對人類健康有著積極的作用,能夠有效降低糖尿病、心腦血管疾病等疾病的發(fā)病率;同時還可以改善胃腸道環(huán)境,緩解便秘,改善食品的品質(zhì)和特性[6-7]。近年來,膳食纖維獨特的保健作用受到人們的青睞。膳食纖維的提取方法主要有化學法、酶法、生物法等,于麗娜等[8]采用酸堿結合法提取花生殼中水不溶性膳食纖維,IDF提取率86.44%;杜彬等[9]采用酸法提取葡萄皮渣中可溶性膳食纖維,得率為47.56 mg/g;李可等[10]采用堿性蛋白酶水解提取亞麻籽粕不溶性膳食纖維,提取率為52.05%;丁晨陽等[11]采用酸水解法從蘋果渣中提取可溶性膳食纖維,提取率可達到17.68%;李加興等[12]采用堿水解法提取膳食纖維,水不溶性膳食纖維的提取率56.89%、純度達到92.74%;宋燕[13]采用化學法提取火龍果果皮可溶性膳食纖維,提取率為14.07%。本研究采用酸堿結合的方法來提取火龍果皮中IDF,并采用響應面優(yōu)化提取工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

火龍果(紅皮白肉) 購于菏澤農(nóng)貿(mào)市場,去果肉留果皮,將果皮洗干凈切塊后,放置烘箱中,65 ℃烘干粉碎后備用。濃鹽酸、無水乙醇、NaOH(均為分析純)。

GZX-DH電熱恒溫鼓風干燥箱 上海躍進醫(yī)療器械廠;TU-1810型紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水真空泵 鞏義市予華儀器有限公司;Sartorius CP225D 型電子天平 德國;HH601電熱恒溫水浴鍋 常州亞特實驗儀器有限公司;DZF-6050 型真空干燥箱 上海捷呈實驗儀器有限公司;TG16G臺式高速離心機 金壇市三和儀器有限公司;FW-100型高速萬能粉碎機 上海星堯科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 IDF提取工藝流程 火龍果皮→溫水浸泡→堿液浸提→抽濾、蒸餾水洗滌中性→取濾渣進行酸浸提→抽濾、蒸餾水洗滌中性→濾渣→烘干→分析產(chǎn)品中IDF含量

1.2.2 單因素實驗 單因素實驗考察NaOH質(zhì)量分數(shù)(1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%)、堿提液料比(5∶1、8∶1、11∶1、14∶1、17∶1、20∶1、23∶1、26∶1)、堿提溫度(30、40、50、60、70、80、90 ℃)、堿提時間(30、50、60、70、80、90 min)、酸提時間(0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5 h)、酸提溫度(40、50、60、70、80、90 ℃)、酸提液料比(5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1)7個因素對IDF得率和純度的影響。實驗原料為10 g火龍果皮,堿提液料比15∶1,NaOH質(zhì)量分數(shù)為3%、40 ℃恒溫水浴中振蕩60 min,抽濾并洗滌至中性后,加入150 mL pH=2的HCl溶液,在80 ℃下提取90 min。

1.2.3 響應面優(yōu)化實驗 為了考察各因素間的交互作用并得到最佳的IDF提取工藝條件,在單因素實驗結果的基礎上,采用Design-Expert軟件,以A代表NaOH的質(zhì)量分數(shù),B代表堿提溫度,C代表堿提時間,D代表酸提溫度,Y1代表IDF得率、Y2代表IDF純度作為響應指標,由Box-Behnken中心組合進行四因素三水平優(yōu)化實驗。實驗因素設計水平見表1。

表1 響應面的因素水平表

1.2.4 IDF得率的計算

IDF得率(%)=m1/M×100

其中:m1-提取物恒重后的質(zhì)量(g);M-原料火龍果皮的質(zhì)量(g)。

1.2.5 IDF純度的計算

IDF純度(%)=m2/m1×100

其中:m2-提取物中IDF的質(zhì)量(g)。

1.2.6 水不溶性膳食纖維的測定方法 按照GB/T 5009.88-2008《食品中膳食纖維的測定》方法進行檢測。

1.2.7 數(shù)據(jù)分析方法 單因素實驗所得數(shù)據(jù)采用excel軟件處理進行顯著性分析,并在圖上添加S.E誤差線,響應面優(yōu)化實驗所得數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0軟件進行方差和顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果與分析

2.1.1 堿提液料比對IDF提取的影響 由圖1可以看出:堿提液料比對IDF的提取影響較小,隨著液料比的增加得率先平緩上升后稍有下降,而純度也平緩上升,可能是因為NaOH用量較大時,堿溶性雜質(zhì)也隨著IDF溶解出來。綜合考慮,液料比選擇15左右較為合適。經(jīng)顯著性分析得堿提液料比對得率和純度的影響不顯著(p>0.05),故該因素不作為響應面優(yōu)化實驗的因素。

圖1 堿提液料比對IDF提取的影響Fig.1 Effect of alkaline extraction liquid tomaterial ratio on the extraction of IDF

2.1.2 堿提溫度對IDF提取的影響 由圖2可以看出:隨著堿提溫度的升高IDF得率先上升后急劇下降,IDF純度先提高后下降,當溫度超過50 ℃,NaOH對纖維素和半纖維素的破壞能力逐漸增強,導致IDF的得率逐漸降低,同時溶解更多的堿溶性雜質(zhì),使得IDF的純度降低。綜合考慮得率和純度,選擇溫度50 ℃左右較為適宜。

圖2 堿提溫度對IDF提取的影響Fig.2 Effect of alkaline extraction temperatureon the extraction of IDF

2.1.3 堿提時間對IDF提取的影響 由圖3可以看出,隨著堿提時間的增加IDF得率先增加后下降,可能因為堿提時間過長,堿溶性物質(zhì)溶出較多,而IDF中部分纖維素物質(zhì)也會溶解,造成純度下降,綜合考慮,選擇50 min左右較為適宜。

圖3 堿提時間對IDF提取的影響Fig.3 Effect of alkaline extraction timeon the extraction of IDF

2.1.4 NaOH的質(zhì)量分數(shù)對IDF提取的影響 由圖4可以看出,隨著NaOH的質(zhì)量分數(shù)增加IDF得率先增加后下降,堿液濃度過高,纖維素與堿液發(fā)生反應使纖維素結構發(fā)生破壞,使得IDF得率下降;綜合考慮,選擇4%左右較為適宜。

圖4 NaOH的質(zhì)量分數(shù)對IDF提取的影響Fig.4 Effect of NaOH concentrationon the extraction of IDF

2.1.5 酸提時間對IDF提取的影響 由圖5可以看出:隨著時間的增加IDF得率先平緩上升后稍有下降,而純度也平緩上升,HCl主要除去淀粉等雜質(zhì),但是火龍果皮中淀粉含量較少,故酸提時間對IDF的提取影響較小,綜合考慮,酸提時間選擇1.5 h左右較為合適。經(jīng)顯著性分析得酸提時間對得率和純度的影響不顯著(p>0.05),故該因素不作為響應面優(yōu)化實驗的因素。

圖5 酸提時間對IDF提取的影響Fig.5 Effect of acid extraction timeon the extraction of IDF

2.1.6 酸提溫度對SDF提取的影響 由圖6可以看出:隨著酸提溫度的升高IDF得率和純度曲線都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,因為酸提溫度過高,會破壞IDF中部分纖維素結構,使純度下降,同時淀粉等雜質(zhì)溶解較多,導致IDF得率有所下降。綜合考慮,選擇70 ℃左右較為適宜。

圖6 酸提溫度對IDF提取的影響Fig.6 Effect of acid extraction temperatureon the extraction of IDF

2.1.7 酸提液料比對IDF提取的影響 由圖7可以看出:酸提液料比對IDF提取的影響較小,隨著液料比的增加IDF得率平緩的上升和下降。而純度會有所上升,考慮原料與HCl溶液的用量,選取15∶1左右作為最佳的酸提液料比。經(jīng)顯著性分析得酸提液料比對得率和純度的影響不顯著(p>0.05),故該因素不作為響應面優(yōu)化實驗的因素。

圖7 酸提液料比對IDF提取的影響Fig.7 Effect of acid extraction liquidto material ratio on the extraction of IDF

2.2 響應面優(yōu)化提取條件的優(yōu)化

2.2.1 響應面實驗設計及結果 根據(jù)Box-Behnken中心組合實驗設計原理,綜合分析單因素實驗,確定堿提液料比15∶1,酸提時間1.5 h,酸提液料比15∶1,選取對IDF得率和純度影響較大的4個因素(NaOH的質(zhì)量分數(shù)、堿提溫度、堿提時間、酸提溫度)設計了四因素三水平的響應面分析實驗。實驗分析結果見表2～表4。

對表2、表3結果進行統(tǒng)計分析,得出二次多項回歸模型方程如下:

Y1=24.19+1.27A+1.02B+1.52C+1.17D-0.72AB-0.47AC-0.45AD-1.07BC-0.71BD-0.37CD+0.61A2+1.81B2+1.92C2+1.39D2

Y2=94.69+1.07A+1.12B+1.43C+1.13D-0.98AB-0.72AC-0.36AD-1.07BC-0.89BD-0.36CD-2.21A2-0.79B2-0.96C2-1.35D2

表3 IDF得率的回歸模型的方差分析及顯著性檢驗

表2 Box-Behnken中心組合實驗設計及實驗結果

從表3結果分析可知,該數(shù)學模型p值<0.0001,說明該模型極其顯著,各因素的一次項A、B、C、D是極其顯著的,二次項A2、B2、C2、D2是極其顯著的,交互項BC影響極其顯著,AB、AC、CD影響顯著,線性方程的相關系數(shù)R2(0.9698)與校正的R2(0.9396)具有良好的一致性,表明該模型的準確性和適用性較好。由F值大小可知,影響IDF得率的主要因素主次順序為C>A>D>B,即堿提時間>NaOH的質(zhì)量分數(shù)>酸提溫度>堿提溫度。

從表4結果分析可知,該二次回歸方程的一次項、二次項及交互項AB、BC、BD表現(xiàn)出極其顯著影響,AC影響顯著,并且失擬項不顯著,經(jīng)Design-Expert 8.0 Trial軟件分析得到,預測的R2(0.9646)與校正的R2(0.9292)相差很小,說明數(shù)學擬合模型與實驗實測值能很好的擬合。由F值大小可知,影響IDF純度的主要因素主次順序為C>D>B>A,即堿提時間>酸提溫度>堿提溫度>NaOH的質(zhì)量分數(shù)。

2.2.2 各因素之間的交互作用 根據(jù)回歸方程,做出響應面分析圖,其中對IDF得率影響表現(xiàn)顯著和極其顯著的交互項(AB、AD、BC、CD)和對IDF純度影響表現(xiàn)顯著和極其顯著的交互項(AB、AC、BC、BD)的響應面圖見圖8。

表4 IDF純度的回歸模型的方差分析及顯著性檢驗

注:
注:**差異極顯著(p<0.01),*差異顯著(p<0.05)。

圖8 各因素相互作用的響應面圖Fig.8 Response surface plots of pairwise interactive effects

對得率和純度取最大值,由軟件自動分析得出最優(yōu)化條件,因軟件自動分析的最優(yōu)提取條件中的純度值相差不大,所以以得率值作為最優(yōu)化指標,得到最優(yōu)化的工藝條件:NaOH質(zhì)量分數(shù)4.32%、堿提溫度46.58 ℃、堿提時間59.8 min、酸提溫度77.36 ℃,在此條件下IDF得率為30.5%,IDF純度達到95.01%。為檢驗響應面法所得的結果的可靠性,采用上述優(yōu)化提取條件提取IDF,考慮到實際操作的便利,選取NaOH質(zhì)量分數(shù)4.30%、堿提溫度46.5 ℃、堿提時間60 min、酸提溫度77.4 ℃,在此條件下進行3次平行驗證實驗,IDF得率和純度的平均值為30.29%和94.78%。

3 結論

通過單因素和響應面優(yōu)化實驗,確定提取火龍果皮IDF的最佳工藝條件為NaOH質(zhì)量分數(shù)4.30%、堿提溫度46.5 ℃、堿提時間60 min、堿提液料比15∶1(mL/g)、酸提溫度77.4 ℃、酸提時間1.5 h、酸提液料比15∶1(mL/g)在此工藝條件下,IDF得率30.29%,純度達到94.78%。影響火龍果皮IDF得率的主要因素主次順序為堿提時間>NaOH的質(zhì)量分數(shù)>酸提溫度>堿提溫度;影響火龍果皮IDF純度的主要因素主次順序為堿提時間>酸提溫度>堿提溫度>NaOH的質(zhì)量分數(shù)。

目前膳食纖維提取主要從蘋果渣、葡萄皮渣、火棘、柚子皮等原料中提取,尚未有從火龍果皮提取水不溶性膳食纖維的報道,因此本研究結果具有一定的工業(yè)應用價值?；瘕埞な撬a(chǎn)業(yè)的主要副產(chǎn)物之一,如能將其高附加值利用,則可大幅度提升火龍果深加工企業(yè)的經(jīng)濟效益。

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Optimization of extraction technology for insoluble dietary fiber from peel of Pitaya by response surface methodology

LIU Qian-qian

(Heze University Pharmaceutical Science and Technology Department,Heze 274015,China)

The sequential treatment with alkaline followed by acid was applied to extract insoluble dietary fiber(IDF)from the peel of pitaya and main process conditions were optimized by single-factor experiments combined with response surface methodology. The extraction rate and purity of IDF were investigated with respect to NaOH concentration,alkaline extraction time,alkaline extraction temperature,alkaline extraction liquid-to-material ratio,acid extraction temperature,acid extraction time and acid extraction liquid-to-material ratio. The results showed that the optimal extraction conditions were NaOH concentration of 4.3%(g/g),alkaline extraction temperature 46.5 ℃,alkaline extraction time 60 min,alkaline extraction material-to-liquid ratio 15∶1(mL/g),acid extraction temperature 77.4 ℃,acid extraction time 1.5 h and acid extraction material-to-liquid ratio 15∶1(mL/g). Under the optimal extraction conditions,the yield and purity of IDF were 30.29% and 94.78%,respectively.

peel of pitaya;insoluble dietary fiber;response surface analysis

2014-12-14

劉倩倩(1986-)，女，碩士，研究方向：天然產(chǎn)物提取與利用，E-mail:zhengdaqianqian@163.com。

菏澤學院博士基金項目；山東省“十二五”高等學校重點實驗室資助。

TS255.1

B

1002-0306(2015)15-0208-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.035