紫萁干可溶性膳食纖維提取工藝優(yōu)化

李雪影， 徐 輝， 張 晶， 李新旺， 陸 寧

（安徽農業(yè)大學茶與食品科技學院，安徽合肥 230036）

紫萁干可溶性膳食纖維提取工藝優(yōu)化

李雪影， 徐 輝， 張 晶， 李新旺， 陸 寧*

（安徽農業(yè)大學茶與食品科技學院，安徽合肥 230036）

利用響應面法對紫萁干可溶性膳食纖維的提取工藝進行優(yōu)化。通過單因素實驗，選取料液質量濃度、提取溫度、超聲時間、超聲功率作為響應因子，SDF的得率為響應值，根據(jù)Central-Composite實驗設計原則，采用響應面優(yōu)化分析法，依據(jù)回歸分析，探討各響應因子的顯著性及其交互作用對于響應值的影響。結果表明，紫萁干SDF最佳提取工藝條件為NaOH質量濃度0. 02 g/ mL、堿解時間90 min、料液質量濃度1. 0 g/23 mL、提取溫度54℃、超聲時間25 min、超聲功率380 W，該條件下SDF的得率可達38. 39%。

紫萁干；可溶性膳食纖維；堿法；超聲波；響應面法

紫萁（Osmunda japonica Thunb），為蕨類植物門（Pteridophyta）原始薄囊蕨綱（Protoleptosporangiopsida）紫萁目（Osmundales）紫萁科（Osmundaceae）紫萁屬（Osmunda）植物，亦別名薇菜、紫箕、白線雞尾、大貫眾、廣東苔、黑背龍、雞老殼、老虎臺、拳菜、一把抓、月亮草。紫萁以幼嫩拳卷葉供食用，質脆味美，是兼具營養(yǎng)及食療保健價值的天然珍品，素有“野菜之王”之美稱［1］。有研究表明，紫萁中富含膳食纖維、蛋白質、維生素、微量元素等營養(yǎng)素，同時含黃酮類、內酯類、甾酮類、多糖類、鞣酸等藥理成分，具有清熱安神、減肥降壓、抗癌等功效，并對乙型腦炎、流感等多種病毒有顯著的抑制效果［2］。

膳食纖維（dietary fiber，DF）是一類不能為人體內源性酶所消化利用的多糖類與木質素等高分子化合物的總稱，按其溶解性可分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）兩大類［3-4］。其中SDF在防治心血管相關性疾病、降低膽固醇、預防結腸癌、清除自由基和控制體重等方向具備比IDF更強大的生理功效，因此受到國內外營養(yǎng)學家們的極大關注［5-6］。

紫萁的季節(jié)性較強，若不及時采摘或采摘后不及時加工，很快會出現(xiàn)組織纖維化，導致資源利用率較低。對紫萁副產物的DF特別是SDF進行提取利用，可以延長紫萁加工產業(yè)鏈，增加其產品的附加值，提高紫萁資源的綜合利用率。目前，對紫萁的研究主要集中在對其加工方式、黃酮類和多糖類等天然活性成分的提取方面，而對SDF的提取鮮有報道。本研究以紫萁干為原料，采用堿水解法，結合超聲波附加物理場的作用提取SDF，并通過Design-Expert_8. 0. 6軟件進行響應面優(yōu)化分析研究，確定最佳提取工藝參數(shù)，以期為紫萁的精深加工和綜合開發(fā)應用提供一些理論上的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫萁干，合肥元政農林有限公司提供；φ（乙醇）= 95%的溶液和氫氧化鈉均為分析純。

1.2 儀器與設備

FS-450型超聲波處理器，上海生析超聲儀器有限公司；DGT-G42型電熱恒溫鼓風干燥箱，合肥華德利科學器材有限公司；HC-3514型高速離心機，安徽中科中佳科學儀器有限公司；X7-100型高速多功能粉碎機，永康市紅太陽機電有限公司；HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州國華電器有限公司；BS210S型分析天平，Sartorius有限公司；DZF-6050型真空干燥箱，上海博訊事業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程

紫萁干60℃條件下烘干，至恒重，粉碎，過100目篩，備用。取約2. 0 g紫萁干粉樣品置于250 mL燒杯中，按實驗擬定的料液質量濃度緩緩地加入一定體積的NaOH溶液，充分攪拌，后置于恒溫水浴中堿解一段時間。超聲處理，離心（4 000 r/ min，15 min），過濾，得上清液。上清液加4倍體積體積分數(shù)為95%乙醇，醇沉，靜置（至沉淀完全）。靜置后離心（4 000 r/ min，10 min），除上清液，濾渣用體積分數(shù)為95%乙醇重復洗滌3次，瀝干，真空干燥（60℃，0. 08 MPa），至恒重，計算SDF得率［7-8］。

1.3.2 單因素實驗

以NaOH質量濃度、堿解時間、料液質量濃度、提取溫度、超聲時間、超聲功率為考察因素，SDF得率為指標，進行單因素實驗，確定SDF的適宜提取條件。

1.3.2.1 NaOH質量濃度的選擇

取100目紫萁干粉約2. 0 g，按料液質量濃度（紫萁干粉質量:堿液體積）1. 0 g/25 mL分別加入0. 01，0. 02，0. 03，0. 04，0. 05，0. 06 g/ mL的NaOH溶液，50℃水浴恒溫堿解90 min，超聲功率300 W下提取20 min，離心分離，過濾，取上清液，醇沉后離心，濾渣真空干燥，至恒重，計算得率。

1.3.2.2 堿解時間的選擇

取100目紫萁干粉約2. 0 g，按料液質量濃度1. 0 g/25 mL加入0. 02 g/ mL的NaOH溶液，50℃水浴恒溫堿解30，60，90，120，150，180 min，超聲功率300 W下提取20 min，離心分離，過濾，取上清液，醇沉后離心，濾渣真空干燥，至恒重，計算得率。

1.3.2.3 料液質量濃度的選擇

取100目紫萁干粉約2. 0 g，按料液質量濃度1. 0 g/15 mL，1. 0 g/20 mL，1. 0 g/25 mL，1. 0 g/30 mL，1. 0 g/35 mL，1. 0 g/40 mL加入0. 02 g/ mL的NaOH溶液，50℃水浴恒溫堿解90 min，超聲功率300 W下提取20 min，離心分離，過濾，取上清液，醇沉后離心，濾渣真空干燥，至恒重，計算得率。

1.3.2.4 提取溫度的選擇

取100目紫萁干粉約2. 0 g，按料液質量濃度1. 0 g/25 mL加入0. 02 g/ mL的NaOH溶液，于20，30，40，50，60，70℃恒溫水浴堿解90 min，超聲功率300 W下提取20 min，離心分離，過濾，取上清液，醇沉后離心，濾渣真空干燥，至恒重，計算得率。

1.3.2.5 超聲時間的選擇

取100目紫萁干粉約2. 0 g，按料液質量濃度1. 0 g/25 mL加入0. 02 g/ mL的NaOH溶液，50℃水浴恒溫堿解90 min，超聲功率300 W下提取10，15，20，25，30，35 min，離心分離，過濾，取上清液，醇沉后離心，濾渣真空干燥，至恒重，計算得率。

1.3.2.6 超聲功率的選擇

取100目紫萁干粉約2. 0 g，按料液質量濃度1. 0 g/25 mL加入0. 02 g/ mL的NaOH溶液，50℃水浴恒溫堿解90 min，超聲功率200，250，300，350，400，450 W下提取20 min，離心分離，過濾，取上清液，醇沉后離心，濾渣真空干燥，至恒重，計算得率。

1.3.3 響應面試驗

以單因素實驗為基礎，依據(jù)Central-Composite實驗設計原理［9-10］，采用4因素5水平的響應面分析方法，對SDF提取工藝條件進行優(yōu)化。其中，料液質量濃度、提取溫度、超聲時間、超聲功率4個因素的編碼值分別以X1，X2，X3，X4代表，每個因素按水平的高低分別以-2，-1，0，+ 1，+ 2進行編碼，見表1，編碼公式見式（1）。

式（1）中Xi為實驗因子的編碼值（i = 1，2，3，4）；X為實驗因子的真實值，分別用a，b，c，d代替；X0為實驗因子0點的真實值；ΔX為實驗因子真實值的步長，即編碼值的一個單位。結合實驗安排經換算可得編碼值和真實值間的關系，用式（2）方程表示。

表1 響應面Central-Composite試驗設計因素水平Tab. 1 Factors and levels of response surface central composite design

式（2）中a，b，c，d分別為料液質量濃度、提取溫度、超聲時間、超聲功率的真實值。

1.4 SDF得率的測定方法

紫萁干SDF得率按式（3）進行計算，

2 結果與分析

2.1 紫萁干SDF提取工藝單因素實驗

2.1.1 NaOH質量濃度對SDF得率的影響

按照1.3.2.1節(jié)的方法，得出SDF得率隨NaOH質量濃度變化的趨勢圖，見圖1。

圖1 NaOH質量濃度對SDF得率的影響Fig. 1 Effect of alkaline concentration on yield of soluble dietary fiber

由圖1可知，NaOH質量濃度較小時，SDF得率隨NaOH質量濃度的增大呈上升趨勢；當NaOH的質量濃度大于0. 02 g/ mL時，SDF得率增幅趨于平穩(wěn)。原因可能是堿液濃度較小時，樣品中DF在堿性環(huán)境下降解，同時由于皂化反應水解了樣品中少量的脂肪，使雜質逐漸減少，得率增大；而當NaOH過量時，果膠中的果膠酯酸可能由于脫甲基作用而溶解，半纖維素也可能膠溶于堿液中，即IDF向SDF轉化，反應至一定程度后進行緩慢［11-12］。基于NaOH質量濃度越大，所得SDF顏色會越深，以及節(jié)約經濟等因素，NaOH質量濃度選0. 02 g/ mL為宜。

2.1.2 堿解時間對SDF得率的影響

按照1.3.2.2節(jié)的方法，得出SDF得率隨堿解時間變化的趨勢圖，見圖2。

圖2 堿解時間對SDF得率的影響Fig. 2 Effect of extraction time on yield of soluble dietary fiber

由圖2可知，起始階段，SDF得率隨堿解時間的延長而逐漸增大；當時間大于90 min后，SDF得率略微下降、并趨于平緩。原因可能是時間太短，溶液和溶質未充分接觸，得率較低；隨著時間的延長，傳質達到良好狀態(tài)，SDF得率增大；提取一段時間后，SDF在固液之間接近平衡，從而使提取率變化不大。且能耗增大，效率降低［13-14］。從節(jié)約能源與成本方面考慮，最佳堿解時間為90 min。

2.1.3 料液質量濃度對SDF得率的影響

按照1.3.2.3節(jié)的方法，得出SDF得率隨料液質量濃度變化的趨勢圖，見圖3。

圖3 料液質量濃度對SDF得率的影響Fig. 3 Effect of solid-liquid ratio on yield of soluble dietary fiber

由圖3可知，開始階段（1：15～1：25），SDF得率隨料液質量濃度的增大呈上升趨勢，主要是由于經干燥粉碎處理后的紫萁干呈疏松多孔狀態(tài)，能吸收一定體積的水分。若加入浸提液的量較少，被紫萁干粉吸收用作超聲介質的液體組分就會很少，致使超聲波在液相介質中的吸收大于其在固相介質中的吸收；當浸提液的量增多時，紫萁干粉在浸提液中的分散度變大、接觸面增加，即浸提液中SDF的濃度與紫萁干粉邊界層濃度差增大，SDF由紫萁干粉向浸提液的擴散速率加快，細胞內部的SDF更容易被提取出來［15-16］。料液質量濃度1：25時得率最高，其后得率呈下降趨勢，究其原因可能是隨著提取液用量的進一步增大，DF濃度相對降低，從而不利于SDF的提取致使得率呈下降趨勢。

2.1.4 提取溫度對SDF得率的影響

按照1.3.2.4節(jié)的方法，得出SDF得率隨提取溫度變化的趨勢圖，見圖4。

圖4 提取溫度對SDF得率的影響Fig. 4 Effect of extraction temperature on yield of soluble dietary fiber

由圖4可知，在一定溫度范圍內，隨著水浴溫度的升高，SDF得率相應增大；溫度50℃時，SDF得率最大。主要由于溫度升高，分子的平均運動速率加快，在分子的振動、轉動等物理撞擊和堿液的作用下，SDF脫離不溶性物質的束縛，溶解出來，從而使SDF得率提高；但溫度大于50℃時，SDF得率下降比較明顯，可能是溫度過高導致溶劑氣化，使得載體與溶劑接觸不充分［17］；另外，溫度過高，堿使其他物質溶出，導致溶液的黏稠度增大，阻礙了SDF的溶出，且可能使目標成分的結構被破壞，從而得率降低。

2.1.5 超聲時間對SDF得率的影響

按照1.3.2.5節(jié)的方法，得出SDF得率隨超聲時間變化的趨勢圖，見圖5。

由圖5可知，10至25 min范圍內，超聲提取時間延長，SDF得率升高，25 min時得率最高；時間超過25 min后，SDF得率逐漸下降。主要原因是:超聲波可加速介質質點的運動，在物料的內部產生劇烈的振動與空化效應。開始階段，空化效應對植物細胞的破壁作用較強，促使SDF溶出量增加、得率不斷增大；25 min時，空化效應產生的細胞破壁作用基本完成，同時隨著超聲時間的增加，超聲波產生的較強的機械剪切作用，打斷了部分SDF鏈的結構，導致得率顯著降低［18］。

圖5 超聲時間對SDF得率的影響Fig. 5 Effect of ultrasonic time on yield of soluble dietary fiber

2.1.6 超聲功率對SDF得率的影響

按照1.3.2.6節(jié)的方法，得出SDF得率隨超聲功率變化的趨勢圖，見圖6。

圖6 超聲功率對SDF得率的影響Fig. 6 Effect of ultrasonic power on yield of soluble dietary fiber

由圖6可知，超聲提取功率增大，SDF得率呈先增大、后減小的趨勢。當超聲提取功率為350 W時，SDF的得率最大；功率大于350 W時，SDF得率又逐漸變小。其原因是:超聲功率增大，對細胞破壁作用增強，降低了植物組織中各成分之間結合的緊密程度，從而較有利于SDF的溶出［19］。而可溶性成分的大量溶出，使浸提液的濃度過大，抑制了SDF向料液的進一步分散；另外超聲功率過高也能引起一部分SDF的分解，使SDF得率降低。

2.2 紫萁干SDF提取工藝的優(yōu)化

2.2.1 模型建立及數(shù)據(jù)分析

通過Design-Expert_8. 0. 6軟件，對響應面試驗結果（見表2）進行統(tǒng)計分析，得出各實驗因子編碼值與響應值的四元二次回歸方程如式（4）。

表2 Central-Composite試驗設計及結果Tab. 2 Arrangements and experimental results of response surface central composite design

表3 方差分析和顯著性檢驗Tab. 3 Analysis of variance and significance test

對回歸方程進行方差分析（analysis of variance，ANOVA）［20-21］，結果見表3。P＜0. 000 1，模型效應極顯著；R2= 0. 993 6，響應值與響應因子間的線性關系顯著說明能夠模擬98. 76%響應值的變化；失擬項不顯著（P =0. 106 4＞0. 05），說明模型可信度較高，擬合度較好，能較好地對SDF得率進行預測。模型一次項、二次項表現(xiàn)為極顯著，表明其對SDF得率影響極大。由F值大小可知，影響因素的先后順序為:X2（提取溫度）＞X4（超聲功率）＞X1（料液質量濃度）＞X3（超聲時間），交互作用先后順序為:X1X4＞X2X4＞X2X3＞X3X4＞X1X3＞X1X2。

2.2.2 響應面等高線分析

利用Design-Expert_8. 0. 6軟件，進行回歸擬合分析，得回歸方程的響應面等高線圖（見圖7）。通過等高線圖，可以更直觀地分析各響應因子及其交互作用對于響應值影響的大小。其中響應面等高線的形狀，反映了兩響應因子間交互作用的強弱:橢圓形表明兩響應因子之間的交互作用對SDF得率的影響顯著，而圓形則表示兩響應因子間的交互效應相對較弱；等高線排列密集表明對SDF得率影響較大，等高線稀疏則表示對響應值影響較?。?2］。

由圖7可知，圖7c、圖7d、圖7e中各響應因子的交互效應對紫萁干SDF得率的影響顯著，等高線排列密集且呈橢圓形。圖7a、圖7b、圖7f中各響應因子的交互作用對紫萁干SDF得率的影響較小，反映在等高線上為或排列稀疏或趨近于圓形。圖形分析結果與方差分析結果一致。

圖7 各因素交互作用對SDF得率影響的等高線Fig. 7 Contour plots for interactive effects of different factors on yield of soluble dietary fiber

2.2.3 提取工藝的優(yōu)化與實驗驗證

為進一步確定最佳提取工藝參數(shù)，對建立的數(shù)學模型分別求4個自變量的一階偏導數(shù)，并分別令其值等于0，得四元一次方程組:

聯(lián)立方程求解，得各實驗因子的編碼值:X1=-0. 435 5，X2= 0. 839 9，X3=-0. 002 4，X4= 0. 619 6，根據(jù)編碼公式，與之對應的SDF實際最佳提取工藝參數(shù)為料液質量濃度（a）= 1. 0: （-0. 435 5×5 + 25）= 1. 0/22. 82 g/ mL；提取溫度（b）= 0. 839 9×5 + 50 = 54. 20℃；超聲時間（c）=-0. 002 4×5 + 25 = 24. 99 min；超聲功率（d）= 0. 619 6×50 +350 =380. 98 W。

在上述條件下，紫萁干SDF的理論得率為38. 57%。為了便于實際操作，將較佳提取工藝條件修正為料液質量濃度1. 0 g/23 mL、提取溫度54℃、超聲時間25 min、超聲功率380 W。在該條件下進行驗證，重復3次，取平均值，得到紫萁干SDF的得率為38. 39%，同理論預測值（38. 57%）的誤差約為0. 18%。表明建立的數(shù)學模型對于優(yōu)化紫萁干SDF的提取工藝條件是合理有效的。

3 結 論

本研究通過響應面分析法，優(yōu)化了超聲波協(xié)同堿法提取紫萁干SDF的工藝條件。結果表明，紫萁干SDF最佳提取工藝條件為料液質量濃度1. 0 g/23 mL、提取溫度54℃、超聲時間25 min、超聲功率380 W、NaOH質量濃度0. 02 g/ mL、堿解時間90 min，該條件下SDF得率可達38. 39%，同理論預測值的誤差約為0. 18%。說明建立的模型合理可靠，可用于實際預測。本提取工藝較為簡單，成品得率和純度均較高，是一種較理想的制備SDF的方法，也是提高紫萁綜合利用率的有效途徑之一。在此基礎上，可進一步對所制備的紫萁干SDF進行功能研究與改善，以獲得生理活性高、保健功效顯著的優(yōu)質紫萁干SDF。

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Optimized Extraction for Soluble Dietary Fiber from Dried Osmund

LI Xueying， XU Hui， ZHANG Jing， LI Xinwang， LU Ning*
（School of Tea and Food Science and Technology，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China）

Response surface methodology was applied to optimize the technological parameters of the ultrasonic-assisted alkaline extraction of soluble dietary fiber from dried osmund. Effects of four independent variables including solid-liquid ratio，extraction temperature，ultrasonic time，and ultrasonic power on the yield of soluble dietary fiber were studied by single-factor experiments. A quadratic regression mathematical model was established by Central-Composite experimental design and analyzed by response surface methodology. Meanwhile，the influences of independent variables and their interactions on the response value were discussed. The optimal technological parameters were determined as follows: alkaline concentration 0. 02 g/ mL，extraction time 90 min，solid-liquid ratio 1. 0 g/23 mL，extraction temperature 54℃，ultrasonic time 25 min，and ultrasonic power 380 W. Under the optimal extraction conditions，the yield of soluble dietary fiber was up to 38. 39%.

dried osmund；soluble dietary fiber；alkaline process；ultrasonic method；response surface methodology

李 寧）

TS255. 36

A

10. 3969/ j. issn. 2095-6002. 2016. 02. 011

2095-6002（2016）02-0068-08

李雪影，徐輝，張晶，等.紫萁干可溶性膳食纖維提取工藝優(yōu)化［J］.食品科學技術學報，2016，34（2）:68-75.

LI Xueying，XU Hui，ZHANG Jing，et al. Optimized extraction for soluble dietary fiber from dried osmund［J］. Journal of Food Science and Technology，2016，34（2）:68-75.

2015-01.2.

李雪影，女，碩士研究生，研究方向為營養(yǎng)與食品衛(wèi)生；

*陸 寧，女，教授，博士，主要從事食品和農產品貯藏及加工方面的研究。通信作者。