響應(yīng)面優(yōu)化蜂花粉可溶性膳食纖維提取工藝

鄭慧，陳希平*，常新利，孔德鳳，陳珍珍，陳娟（湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410208）

·中藥制劑與分析·

響應(yīng)面優(yōu)化蜂花粉可溶性膳食纖維提取工藝

鄭慧，陳希平*，常新利，孔德鳳，陳珍珍，陳娟
（湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410208）

為充分利用蜂花粉資源，采用酸提工藝提取蜂花粉可溶性膳食纖維，利用單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化法對(duì)液料比、浸提pH值、浸提溫度、浸提時(shí)間工藝條件進(jìn)行分析與優(yōu)化，并測(cè)定蜂花粉可溶性膳食纖維的理化指標(biāo)。結(jié)果表明，蜂花粉可溶性膳食纖維酸提最優(yōu)工藝為：液料比10.8∶1（mL/g）、浸提pH值4.3、浸提溫度50℃、浸提時(shí)間1.9 h，在此工藝條件下蜂花粉可溶性膳食纖維得率為7.31%，膨脹力0.87 mL/g、持水力1.33 g/g、水溶性84.78%。

蜂花粉；可溶性膳食纖維；響應(yīng)面優(yōu)化；提取工藝

〔Abstract〕In order to fully utilize bee pollen resource，the soluble dietary fiber from bee pollen was extracted using acid extraction process.The process conditions of liquid-to-solid，extraction pH，extraction temperature，extraction time were analyzed and optimized by single-factor experiment and response surface methodology.The physicochemical properties of bee pollen soluble dietary fiber were measured.The optimal extraction conditions were determined as follows 10.8:1（mL/g）of liquid-to-solid，pH4.3，extraction temperature 50℃，extraction time 1.9 h.Under the conditions，the yield of bee pollen soluble dietary fiber was 7.31%，swelling capacity was 0.87 mL/g，water holding capacity was 1.33 g/g，and the watersolubility was 84.78%.

〔Keywords〕bee pollen；soluble dietary fiber；response surface optimization；extraction process

膳食纖維根據(jù)其溶解能力分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）與不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）兩大類［1］。SDF主要是細(xì)胞壁內(nèi)的儲(chǔ)存物質(zhì)和分泌物，包括果膠、阿拉伯膠、角叉膠、瓊脂、半乳糖、葡聚糖等組分，具有多種營(yíng)養(yǎng)保健作用［2-3］，現(xiàn)已作為原料應(yīng)用于多種功能食品的開發(fā)中［4-5］。

蜂花粉是蜜蜂從植物花蕊中采集到的花粉，經(jīng)蜜蜂加入花蜜和唾液混合而成的一種不規(guī)則的扁圓形團(tuán)狀物。近年來研究發(fā)現(xiàn)，蜂花粉具有抗菌消炎、抗氧化、降血糖、降血脂、增強(qiáng)免疫力和抗腫瘤等多種功能［6］。但由于自然環(huán)境原因，在蜜蜂生產(chǎn)蜂花粉過程中細(xì)沙、破碎的植物葉或花瓣、斷裂的昆蟲翅膀等雜質(zhì)會(huì)不可避免的被包裹在蜂花粉顆粒內(nèi)部，加工不易去除，限制了蜂花粉直接作為商品銷售。我國(guó)作為世界第一養(yǎng)蜂大國(guó)，蜂花粉的資源優(yōu)勢(shì)還未充分體現(xiàn)出來［7］。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)蜂花粉的研究多集中在蜂花粉中生物類黃酮、多糖、多肽等提取和功能性研究上［8］，而對(duì)其膳食纖維鮮有研究報(bào)導(dǎo)。本實(shí)驗(yàn)采用響應(yīng)面法優(yōu)化蜂花粉SDF提取工藝，并測(cè)定其理化特性，為蜂花粉資源及其相關(guān)功能產(chǎn)品的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1　材料與儀器

1.1材料

蜂花粉（2013年產(chǎn)地湖南），無水乙醇、檸檬酸均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2儀器

AV1120電子分析天平（日本島津儀器有限公司）；ZHWY-200D恒溫培養(yǎng)震蕩器（上海智域分析儀器制造有限公司）；800-1離心機(jī)（江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司）；杯式高速萬能粉碎機(jī)（FW100）（天津市泰斯特儀器有限公司）；STARTER3100/F實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)（奧豪斯儀器有限公司）。

2　方法

2.1蜂花粉SDF的提取

（1）原料預(yù)處理：蜂花粉從蜂箱采集后，經(jīng)日光曬干，將混雜在蜂花粉顆粒間的砂石、蜜蜂斷翅、花瓣等雜質(zhì)挑出備用。（2）粉碎過篩：將蜂花粉采用粉碎機(jī)粉碎，過30目篩。（3）振蕩浸提：將蜂花粉按一定液料比加入已調(diào)好pH溶液中，放入恒溫震蕩器200 r/min下浸提一定時(shí)間。（4）離心分離：將振蕩浸提后的蜂花粉溶液離心，以3 000 r/min轉(zhuǎn)速離心10 min，取上清液。95%乙醇沉析：向上清液中加入4倍體積95%的乙醇溶液，5℃靜置10 h，蜂花粉SDF呈絮狀沉淀析出，在3 000 r/min下離心10 min，取沉淀物。（5）干燥：將離心得到的沉淀物放入真空干燥箱中，70℃減壓干燥至恒重得到蜂花粉SDF。

2.2單因素試驗(yàn)

以蜂花粉SDF提取工藝中液料比、浸提溫度、浸提pH、浸提時(shí)間為試驗(yàn)因素，以蜂花粉SDF得率為指標(biāo)，分別進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，分析各因素對(duì)蜂花粉SDF得率的影響。

2.3響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

根據(jù)Box-Behnken的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用Design-Expert 8.0.5b軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化及分析。

1)通過測(cè)量數(shù)據(jù)中心UPS輸出功率作為IT負(fù)載耗電量，但該UPS系統(tǒng)往往也同時(shí)為其他數(shù)據(jù)中心以外的重要負(fù)載供電，如監(jiān)控中心或調(diào)度大廳的大屏幕及坐席設(shè)備等，此部分負(fù)荷不屬于數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載之列，但在實(shí)際測(cè)量中又難以將其分離。因此，這種測(cè)量方式會(huì)將很多本不屬于IT負(fù)載的交叉能耗均統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，導(dǎo)致PUE值虛高。

2.4蜂花粉SDF理化指標(biāo)測(cè)定

2.4.1膨脹力取蜂花粉SDF 1 g精密稱定，于25 mL具塞刻度試管中，加20 mL蒸餾水，攪拌均勻后室溫放置24 h，觀察自由膨脹體積。

2.4.2持水力取0.5 g蜂花粉SDF精密稱定，于100 mL三角燒瓶中，加入40 mL蒸餾水，置于30℃恒溫震蕩器中250 r/min震蕩2 h后，4 000 r/min離心15 min，除去上清液，稱質(zhì)量。

2.4.3水溶性取0.5 g蜂花粉SDF精密稱定，于200 mL三角燒杯中，加入50 mL蒸餾水，在50℃恒溫震蕩器中200 r/min震蕩30 min，3 000 r/min離心15 min，除去上清液，將沉淀于70℃真空干燥至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量。

3　結(jié)果與分析

3.1單因素實(shí)驗(yàn)

3.1.1液料比對(duì)蜂花粉SDF得率的影響在浸提溫度60℃、pH4、浸提時(shí)間2 h條件下，測(cè)定不同液料比（9∶1、12∶1、15∶1、18∶1、21∶1）下蜂花粉SDF得率，結(jié)果見圖1，液料比在12∶1時(shí)蜂花粉SDF得率最高?？赡苁且?yàn)楫?dāng)液料比在9∶1～12∶1時(shí)，在酸溶液的作用下蜂花粉細(xì)胞壁網(wǎng)絡(luò)水解，形成具有一定聚合度的蜂花粉SDF，當(dāng)液料比過高，酸溶液過于充足，反而會(huì)使已得到的分子量較小、聚合度較低的蜂花粉SDF過度水解，使得蜂花粉SDF得率下降。因此液料比選擇12∶1為宜。這與趙成萍等［9］提取可溶性膳食纖維的研究結(jié)果相似。

圖1　液料比對(duì)蜂花粉SDF得率的影響

3.1.2浸提pH值對(duì)蜂花粉SDF得率的影響在浸提溫度60℃、液料比12∶1、浸提時(shí)間2 h條件下，測(cè)定不同浸提pH值（2、3、4、5、6）下蜂花粉SDF得率，結(jié)果見圖2，pH4時(shí)蜂花粉得率最高，因此選擇浸提pH4為宜。這與李風(fēng)英等［10］SDF研究結(jié)果相似，pH過高過低都不利于SDF的提取。

3.1.3解相關(guān)。因此浸提溫度選擇60℃為宜。

3.1.4浸提時(shí)間對(duì)蜂花粉SDF得率的影響在浸提pH4、液料比12∶1、浸提溫度60℃條件下，測(cè)定不同浸提時(shí)間0.5、1、1.5、2、2.5、3 h下蜂花粉SDF得率，結(jié)果見圖4，浸提時(shí)間2 h時(shí)蜂花粉得率最高，時(shí)間過長(zhǎng)同樣會(huì)導(dǎo)致SDF過度水解。因此浸提時(shí)間選擇2 h為宜。

圖2　浸提pH值對(duì)蜂花粉SDF得率的影響

圖3　浸提溫度對(duì)蜂花粉SDF得率的影響

圖4　浸提時(shí)間對(duì)蜂花粉SDF得率的影響

3.2響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

3.2.1回歸模型的建立依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇液料比（X1）、浸提溫度（X2）、浸提時(shí)間（X3）和浸提pH值（X4）為自變量，蜂花粉SDF的得率為響應(yīng)值Y，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1。其中，共設(shè)計(jì)29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，1～24號(hào)為析因?qū)嶒?yàn)，25～29號(hào)為中心試驗(yàn)，用以估計(jì)試驗(yàn)誤差。根據(jù)表1進(jìn)行多元回歸擬合分析，得多元二次回歸方程模型為：

Y=7.15-0.038X1-0.078X2-0.12X3+ 0.69X4+0.16X1X2+0.052X1X3+0.19X1X4+ 0.065X2X3-0.048X2X4+0.11X3X4-0.18X12-0.013X22-0.51X32-1.03X42

表1　Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

由表2可知，該模型回歸P＜0.001，說明模型回歸極顯著?；貧w方程的相關(guān)系數(shù)R2為0.988 5，說明模型自變量和響應(yīng)值之間關(guān)系顯著。模型失擬態(tài)不顯著，說明回歸模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果擬合較好。因此，可用該模型來分析和預(yù)測(cè)蜂花粉SDF提取工藝條件。從回歸模型的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可知，X3、X4、X1X4、X12、X32、X42對(duì)蜂花粉SDF得率影響極顯著，X2、X1X2對(duì)蜂花粉SDF得率影響顯著。各因素對(duì)蜂花粉SDF得率的的影響為X4＞X3＞X2＞X1，即pH值影響最大，其次是浸提時(shí)間、浸提溫度，液料比對(duì)蜂花粉SDF得率的的影響最小。

3.2.2模型雙因素交互作用效應(yīng)分析將回歸方程中的任意2個(gè)因素固定在零水平，對(duì)余下的2因素按照所得的二元二次回歸方程進(jìn)行編程運(yùn)算，經(jīng)軟件分析得到交互因素的響應(yīng)面。結(jié)合表2的顯著性分析可知，模型中液料比和浸提溫度交互作用顯著，其交互作用響應(yīng)面見圖5。液料比和浸提pH交互作用極顯著，其交互作用響應(yīng)面見圖6。

表2　回歸模型方差分析及回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)

圖5　液料比和浸提溫度交互作用的響應(yīng)面

圖6　液料比和浸提pH交互作用的響應(yīng)面

3.2.3最優(yōu)條件的驗(yàn)證對(duì)回歸方程進(jìn)行分析計(jì)算，得到蜂花粉SDF最佳提取工藝條件為液料比10.8∶1，浸提溫度50℃，浸提時(shí)間1.92 h，pH值4.31，在此條件下獲得蜂花粉SDF的得率為7.38%。為檢驗(yàn)響應(yīng)面優(yōu)化的可靠性，考慮實(shí)際生產(chǎn)操作的便利性，在液料比10.8∶1，浸提溫度50℃，浸提時(shí)間1.9 h，pH值4.3工藝條件下提取蜂花粉SDF，得率為7.31%，與理論值接近，驗(yàn)證了此模型的有效性。

3.3蜂花粉SDF理化指標(biāo)分析

在最佳提取工藝條件下制備得到蜂花粉SDF，其膨脹力、持水力、水溶性見表3。

表3　蜂花粉SDF理化指標(biāo)

4　討論

與豆渣、麩皮、果皮中纖維相比，本工藝條件下制取的蜂花粉SDF膨脹力和持水力相對(duì)較小，除去方法略有差異外，其原因可能與不同食品中纖維的組成成分以及纖維的水溶性有關(guān)。一方面，蜂花粉SDF可能更多的由相對(duì)分子質(zhì)量較小、分子聚合度較低的SDF組分組成。而其他纖維則可能多由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等IDF或者相對(duì)分子量較大、分子聚合度較高的SDF組分組成。另一方面，若蜂花粉SDF具有更好的水溶性，在測(cè)定膨脹力和持水力時(shí)有部分會(huì)不可避免的溶入水中，也會(huì)使得蜂花粉SDF膨脹力和持水力減小。

一般來說，相對(duì)分子質(zhì)量越小，分子聚合度越低，物質(zhì)的溶解性越好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，50℃下蜂花粉SDF水溶性高達(dá)84.78%，也初步驗(yàn)證了蜂花粉SDF可能多由相對(duì)分子質(zhì)量較小，分子聚合度較低的SDF組分組成。同時(shí)，蜂花粉SDF具有較好的水溶性，也更易于將其應(yīng)用在新型功能食品的研發(fā)中，尤其是乳制品、果汁、飲料等液體功能食品的研發(fā)中。

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（本文編輯楊瑛）

Extraction Process Optimization for Soluble Dietary Fiber from Bee Pollen by Response Surface Methodology

ZHENG Hui，CHEN Xiping*，CHANG Xinli，KONG Defeng，CHEN Zhenzhen，CHEN Juan
（School of Pharmacy，Hunan University of Chinese Medicine，Changsha，Hunan 410208，China）

R284.2；TS218；Q949.94

B

10.3969/j.issn.1674-070X.2015.02.007.020.05

2014-09-30

湖南省科技廳科技計(jì)劃支撐項(xiàng)目資助（2014SK3015）。

鄭慧，女，碩士，助教，研究方向：蜂產(chǎn)品功能食品。

*陳希平，女，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail：1716425066@qq.com。