響應(yīng)面優(yōu)化微波輔助法提取刺梨水不溶性膳食纖維工藝

盧忠英,魯?shù)劳?陳仕學(xué),姚元勇

(銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院,貴州銅仁 554300)

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響應(yīng)面優(yōu)化微波輔助法提取刺梨水不溶性膳食纖維工藝

盧忠英,魯?shù)劳?陳仕學(xué),姚元勇

(銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院,貴州銅仁 554300)

以刺梨為原材料,采用微波輔助法提取刺梨水不溶性膳食纖維。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用Design-ExpertV8. 0.6軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化微波輔助法提取刺梨中水不溶性膳食纖維(IDF)的工藝。結(jié)果表明:影響微波輔助法提取IDF得率的主次因素為:提取溫度>微波功率強(qiáng)度>液料比>微波時(shí)間。微波輔助提取刺梨IDF的最佳工藝參數(shù)為微波功率強(qiáng)度345 W/g,提取溫度:63 ℃,微波時(shí)間:12 min,液料比:20 mL/g,此條件下刺梨IDF得率可達(dá)80.02%,與IDF得率理論值比較,其相對(duì)誤差約為0.22%,且重復(fù)性好,驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確可靠性。

刺梨,微波輔助法,響應(yīng)面,水不溶性膳食纖維

刺梨(Rosaroxburghiitratt)是貴州、鄂西山區(qū)、湘西等地的天然野果,是我國(guó)特有的果樹(shù)資源之一,在貴州省有大面積的人工種植[1]。刺梨有效成分豐富,主要活性成分有維生素C、超氧化物歧化酶(superoxide dism utase,SOD)和膳食纖維等。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,其中膳食纖維在增強(qiáng)免疫力、抗動(dòng)脈粥樣硬化、延緩衰老、抗癌防癌(尤其在防止胃癌、肝癌方面效果較佳)、促進(jìn)消化等方便效果顯著[2-5]。

膳食纖維(dietary fiber,DF)被人類稱為“第七大營(yíng)養(yǎng)素”,是由纖維素、果膠、半纖維素和木質(zhì)素等組成的非淀粉多糖類為主的化合物總稱[6],其特點(diǎn)是不能被人體所消化,根據(jù)溶解性可分為水溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維(IDF)[7],水不溶性膳食纖維主要包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等,其在人體內(nèi)主要作用是填充胃腸腔,增強(qiáng)飽腹感,刺激腸壁蠕動(dòng),使糞便多水、疏松、增加容量,同時(shí)促進(jìn)各種內(nèi)源性和外源性毒素的排泄,從而預(yù)防多種疾病,養(yǎng)顏防老,預(yù)防便秘、肥胖、結(jié)腸癌、高血壓、動(dòng)脈硬化等作用[8-9]。因此目前在保健品、食品等產(chǎn)業(yè)中廣泛開(kāi)發(fā)。

微波技術(shù)在天然產(chǎn)物提取方面?zhèn)涫荜P(guān)注,其原理是其吸收微波能,加速細(xì)胞內(nèi)部溫度迅速上升,使其細(xì)胞內(nèi)部壓力超過(guò)細(xì)胞壁膨脹承受能力,導(dǎo)致細(xì)胞破裂,使細(xì)胞內(nèi)有效成分自由流出,從而達(dá)到提取目的。其技術(shù)具有節(jié)省溶劑和時(shí)間,提取率高等特點(diǎn)[10]。

目前從刺梨提取IDF的報(bào)道甚少,劉玉倩[9]等人測(cè)定刺梨果渣中膳食纖維含量高達(dá)70%以上。IDF是刺梨膳食纖維主要成分之一,本研究以刺梨為材料,在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上采用Box-Behnken 中心組合設(shè)計(jì),響應(yīng)面優(yōu)化微波輔助提取刺梨IDF的提取條件,為刺梨的開(kāi)發(fā)利用提供理論參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

刺梨干果于2015年1月購(gòu)自銅仁市中草藥材店,粉碎,過(guò)80目篩,加入適量石油醚除脂,于50 ℃烘箱中干燥備用;氫氧化鈉、乙醇、乳酸成都金山化學(xué)試劑有限公司,均為國(guó)產(chǎn)分析純。

EG7KCGW2-NW型微波爐美的集團(tuán)股份有限公司;DHG-9146型真空干燥箱上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋國(guó)華電器有限公司;FW80型萬(wàn)能粉碎機(jī)北京科偉永興儀器有限公司;JJ-500精密電子天平上海恒平科學(xué)儀器有限公司;PHS-3C型pH計(jì)雷磁儀器廠。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1刺梨IDF提取工藝取樣品→粉碎過(guò)篩→加一定量石油醚除脂→過(guò)濾→干燥濾渣→Sevag試劑除蛋白→加入乳酸→微波輔助提取→提取液→離心→取上清液→加NaOH溶液→IDF析出→脫色→離心→取沉淀→水洗至中性→60 ℃干燥→成品IDF[11]。

1.2.2刺梨IDF提取方法準(zhǔn)確稱取 10.00 g粉碎刺梨粉末,加6～8倍石油醚浸泡3 h,過(guò)濾取濾渣,用蒸餾水清洗殘留的有機(jī)溶劑,置于50 ℃的烘箱內(nèi)烘干,得脫脂樣品。取干燥脫脂樣品,采用Sevag(三氯甲烷:正丁醇體積比=4∶1)試劑除蛋白,得干燥樣品。向干燥樣品中加入蒸餾水混勻,繼續(xù)加入適量1.0 mol/L乳酸調(diào)pH在 4.5左右,采用微波輔助提取一定時(shí)間,將提取液于4000 r/min離心15 min除渣,取上清液,向其加入0.1 mol/L NaOH溶液中和酸,調(diào)pH為8.5左右,使IDF充分析出,繼續(xù)加入10 mL 5% H2O2,在50 ℃恒溫水浴鍋中加熱脫色30 min,將溶液于4000 r/min離心15 min,取沉淀,用蒸餾水洗至中性,置60 ℃烘干,重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次,取平均值,計(jì)算IDF得率[11]。

IDF得率(%)=干燥IDF粉末質(zhì)量(g)/干燥原料質(zhì)量(g)×100

1.3刺梨基本成分測(cè)定方法

粗脂肪的測(cè)定:GB/T 5512-2008;粗蛋白的測(cè)定:GB 5009.5-2010;水分及揮發(fā)物的測(cè)定:GB/T 5528-2008;灰分的測(cè)定:GB/T 5505-2008;纖維素、半纖維素的測(cè)定:近紅外光譜法[12];IDF的測(cè)定:酶-重量法[13];木質(zhì)素的測(cè)定:紫外分光光度法[14]。

1.4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1刺梨IDF提取單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)定微波功率強(qiáng)度350 W/g,液料比20 mL/g,提取溫度65 ℃,考查微波時(shí)間在6、9、12、15、18、21 min時(shí)對(duì)刺梨IDF得率的影響;

設(shè)定液料比20 mL/g,提取溫度65 ℃,微波時(shí)間12 min,考查微波功率強(qiáng)度在200、250、300、350、400、450 W/g時(shí)對(duì)刺梨IDF得率的影響;

設(shè)定微波功率強(qiáng)度350 W/g,提取溫度65 ℃,微波時(shí)間12 min,考查液料比10、15、20、25、30、35 mL/g時(shí)對(duì)刺梨IDF得率的影響;

設(shè)定微波功率強(qiáng)度350 W/g,液料比20 mL/g,微波時(shí)間12 min,考查提取溫度在35、45、55、65、75、85 ℃時(shí)對(duì)刺梨IDF得率的影響。

1.4.2響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)以單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ),利用Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),選取自變量的四因素分別為:微波功率強(qiáng)度(A)、提取溫度(B)、微波時(shí)間(C)、液料比(D),響應(yīng)值為刺梨IDF得率,采用4因素3水平的響應(yīng)面分析方法求取優(yōu)化的工藝參數(shù),實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

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

2　結(jié)果與分析

2.1刺梨基本成分分析

由表2可得,刺梨中含量較高的有粗蛋白、粗脂肪及IDF。植物體中粗蛋白和粗脂肪含量高會(huì)導(dǎo)致IDF得率降低,欲提高IDF得率,應(yīng)盡量將其除去。

表2　刺梨基本成分及含量(%)

2. 2單因素實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1微波功率強(qiáng)度對(duì)刺梨IDF得率的影響如圖1所示,由圖1可知,微波功率強(qiáng)度在 200～350 W/g 之間時(shí)IDF得率緩慢增加,在350 W/g時(shí)達(dá)到最大值,之后隨著微波功率增大,IDF得率有下降趨勢(shì)。分析隨著微波功率強(qiáng)度的增大能夠加快擴(kuò)散速度,促使細(xì)胞壁出現(xiàn)孔洞,有利于IDF的溶出,但是功率強(qiáng)度過(guò)大可能會(huì)對(duì)IDF分解而造成破壞[15]。

圖1　微波功率強(qiáng)度對(duì)刺梨IDF得率的影響Fig.1　Effect of microwave power intensity on the rate of Rosa roxburghii IDF

2.2.2提取溫度對(duì)刺梨IDF得率的影響如圖2所示,由圖2可知,當(dāng)提取溫度在35～65 ℃時(shí),隨溫度升高IDF得率持續(xù)穩(wěn)定上升,在65 ℃達(dá)到最大值,當(dāng)超過(guò)65 ℃時(shí),IDF得率有顯著下降,分析是IDF本身具有不溶性,高溫加速纖維素的溶解,同時(shí)溫度過(guò)高使纖維素和半纖維氫鍵遭破壞,故使IDF得率降低[16]。

圖2　提取溫度對(duì)刺梨IDF得率的影響Fig.2　Effect of extraction temperature on the rate of Rosa roxburghii IDF

2.2.3微波時(shí)間對(duì)刺梨IDF得率的影響如圖3所示,由圖3可知,隨著微波時(shí)間的延長(zhǎng),IDF得率有上升的趨勢(shì),在12 min 時(shí)達(dá)到最大值,隨后開(kāi)始緩慢下降。分析原因可能是在一定范圍內(nèi),微波時(shí)間的延長(zhǎng)有助于IDF的溶出,但是在長(zhǎng)時(shí)間的微波加熱提取狀態(tài)下,IDF小部分可能會(huì)發(fā)生水解[16],從而使得率降低。

圖3　微波時(shí)間對(duì)刺梨IDF得率的影響Fig.3　Effect of microwave time on the n rate of Rosa roxburghii IDF

2.2.4液料比對(duì)刺梨IDF得率的影響如圖4所示,由圖4可知,液料比對(duì)IDF得率具有一定的影響,液料比在10～20 mL/g之間時(shí),IDF得率顯著升高,在20 mL/g時(shí)IDF得率達(dá)到最大值。隨液料比加大,IDF得率有所下降。這是由于在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),料液比的增加有利于IDF 的溶出,但液料比超過(guò)一定量時(shí),原料對(duì)微波能的吸收會(huì)影響,從而使 IDF 得率有所下降。

圖4　液料比對(duì)刺梨IDF得率的影響Fig.4　Effect of liquid-to-solid ratio on the rate of Rosa roxburghii IDF

2.3刺梨IDF提取工藝響應(yīng)面法優(yōu)化

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,建立響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1,Box-Benhnken 設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3,方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表3　響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2. 3. 1響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析用Design Expert8.0.6軟件對(duì)表3經(jīng)回歸擬合后,得到二次多元回歸方程:

IDF得率(%)=80.59-0.92A-1.39B+0.31C+0.57D+0.42AB-1.27AC-0.07AD-0.76BC-1.16B D+0.27 CD-4.83A2-4.81B2-4.25C2-3.8D2。

表4　回歸方程方差分析

注:*模型或因素差異顯著(p<0.05);**模型或因素差異極顯著(p<0.01)。該式中一次項(xiàng)A、B、D及二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2對(duì)IDF得率均表現(xiàn)顯著水平(p<0.05,p<0.01),交互項(xiàng)AC交互作用差異最為顯著(p<0.01),BC、BD交互作用差異顯著(p<0.05)AB、AD、CD交互作用差異不顯著(p>0.05);表明各因素與響應(yīng)值之間不能用簡(jiǎn)單線性關(guān)系解釋,而是一種非線性關(guān)系。對(duì)模型進(jìn)行方差分析,據(jù)表4所示,模型的F值為,值<0.0001,說(shuō)明模型是極顯著的。失擬項(xiàng)的F值為42.69,p值為0.3182(p>0.05)模型失擬度不顯著,說(shuō)明與實(shí)測(cè)值擬合程度較好,可以用此模型預(yù)測(cè)IDF得率的最佳提取工藝條件,綜合分析其影響IDF得率的主次因素為B>A>D>C,即提取溫度>微波功率強(qiáng)度>液料比>微波時(shí)間。

2. 3. 2各交互項(xiàng)對(duì)IDF得率影響分析通過(guò)Design Expert8.0.6軟件,考察各因素交互作用對(duì)IDF得率的影響,以極顯著項(xiàng)B與其余各項(xiàng)分別進(jìn)行分析比較,做出響應(yīng)曲面圖(圖5～圖7),根據(jù)等高線的形狀顯示交互作用的強(qiáng)弱,橢圓形說(shuō)明兩因素交互作用顯著,而圓形則反之。觀察圖5～圖7可知,其中AC的響應(yīng)面曲線與BC、BD比較表現(xiàn)為陡峭,對(duì)IDF得率顯著影響,BC、BD的響應(yīng)面曲線較陡,對(duì)IDF得率影響僅次于AC曲線,AB、AC響應(yīng)面曲線較平緩,與方差分析一致。

圖5　微波功率強(qiáng)度與微波時(shí)間對(duì)IDF得率影響Fig.5　Influence of microwave power and microwave-assisted extraction time interaction on IDF extraction rate

圖6　提取溫度與微波時(shí)間對(duì)IDF得率影響Fig.6　Influence of extraction temperature and microwave-assisted extraction time interaction on IDF extraction rate

表6　刺梨IDF基本成分分析(%)

圖7　提取溫度與液料比對(duì)IDF得率影響Fig.7　Influence of extraction temperature and liquid-to-solid ratio interaction on IDF extraction rate

2.3.3最優(yōu)提取工藝條件的確定及驗(yàn)證根據(jù)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析,可得到刺梨IDF得率的最佳理論條件為:微波功率強(qiáng)度:345.41 W/g,提取溫度:63.32 ℃,微波時(shí)間:12.22 min,液料比:20.42 mL/g,在此條件下刺梨IDF得率為81.80%。綜合考慮實(shí)驗(yàn)可行度,將各因素理論值調(diào)整數(shù),微波功率強(qiáng)度345 W/g,提取溫度:63 ℃,微波時(shí)間:12 min,液料比:20 mL/g,在此最優(yōu)條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),刺梨IDF得率可達(dá)80.02%,與IDF得率理論值比較,其相對(duì)誤差約為0.22%,驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確可靠性,具有實(shí)用價(jià)值。

2.4刺梨IDF基本成分分析

由表6可知,通過(guò)微波輔助法提取刺梨中 IDF 主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,其含量比較:纖維素>半纖維素>木質(zhì)素,其粗蛋白和粗脂肪含量均較低(1.24%和 2.12%),表明所提取的膳食纖維純度較高。

3　結(jié)論

本文在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用Design-ExpertV8. 0.6軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化刺梨IDF微波輔助法提取工藝。實(shí)驗(yàn)表明:影響微波輔助法提取IDF得率的主次因素為:提取溫度>微波功率強(qiáng)度>液料比>微波時(shí)間。微波輔助提取刺梨IDF的最佳工藝參數(shù)為微波功率強(qiáng)度345 W/g,提取溫度:63 ℃,微波時(shí)間:12 min,液料比:20 mL/g,此條件下刺梨IDF得率可達(dá)80.02%,與IDF的提取理論值比較,其相對(duì)誤差約為0.22%,且重復(fù)性也很好,驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確可靠性。

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Optimization of microwave-assisted extraction of insoluble dietary fiber(IDF)fromRosaroxburghiiby response surface method

LU Zhong-ying,LU Dao-wang,CHEN Shi-xue,YAO Yuan-yong

(Institute of Material and Chemical Engineering,Tongren University,Tongren 554300,China)

Insoluble dietary fiber(IDF)was extracted fromRosaroxburghiiby microwave-assisted extraction method. Based on the results of single factor experiments,the extraction procedure was optimized using response surface methodology(RSM)and Design-Expert V8.0.6 software. The order of influencing factors of IDF yield was:extraction temperature>the power of microwave>liquid-to-solid ratio>microwave-assisted extraction time. The optimum extraction conditions were as follows:the microwave power of 345 W/g;extraction temperature of 63 ℃;microwave-assisted extraction time of 12 min;and liquid-to-solid ratio of 20 mL/g. Under the above optimum extraction conditions,the actual yield of IDF fromRosaroxburghiiwas 80.02%. The relative standard deviation between theoretical and practical yields was 0.22% and the results demonstrated a good reproducibility,indicating the effectiveness and reliability of RSM model.

Rosaroxburghii;microwave assisted;response surface;water insoluble dietary fiber

2016-03-01

盧忠英(1987-)，女，碩士，講師，研究方向：天然藥物化學(xué)成分與新藥研發(fā)，E-mail：luzhongying@126.com。

梵凈山特色苗藥資源保護(hù)與開(kāi)發(fā)產(chǎn)學(xué)研基地(黔教合KY字[2014]233);教育廳省級(jí)重點(diǎn)支持學(xué)科(黔學(xué)位合字ZDxk[2015]34號(hào)。

TS255.1

B

1002-0306(2016)17-0195-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.030