響應(yīng)面法優(yōu)化金針菇中水溶性膳食纖維的提取工藝

徐洪宇，劉歡，張亞旗，許子剛，隋新*

（1.吉林化工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，吉林吉林132022；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶163319；3.黑龍江農(nóng)墾職業(yè)學(xué)院食品工程分院，黑龍江哈爾濱150025）

響應(yīng)面法優(yōu)化金針菇中水溶性膳食纖維的提取工藝

徐洪宇1，劉歡2，張亞旗1，許子剛3，隋新1*

（1.吉林化工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，吉林吉林132022；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶163319；3.黑龍江農(nóng)墾職業(yè)學(xué)院食品工程分院，黑龍江哈爾濱150025）

該研究采用超聲波輔助堿法提取金針菇可溶性膳食纖維（SDF），利用響應(yīng)面法對(duì)金針菇SDF的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。選取液料比、超聲時(shí)間、超聲溫度、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為影響因素，以金針菇SDF提取率為響應(yīng)值，應(yīng)用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行響應(yīng)面分析，并對(duì)其理化性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，超聲波輔助堿法提取金針菇SDF的優(yōu)化工藝條件為超聲功率150 W，液料比10∶1（mL∶g）、超聲時(shí)間69 min，超聲溫度49℃，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.10%。在此條件下金針菇SDF提取率可達(dá)20.25%，持水力為5.18 g/g，膨脹性為4.64 mL/g，持油力為4.77 g/g。

金針菇；可溶性膳食纖維；超聲波輔助堿法；響應(yīng)面優(yōu)化

金針菇為口蘑科（Tricholomataceae）金錢(qián)菌屬（Flammulina）[1]，是世界上著名的食藥兩用菌和觀賞菌，含有多糖、火菇毒素、倍半萜等多種生物活性物質(zhì)[2]，其中火菇毒素能夠改變腸上皮細(xì)胞的滲透性從而促進(jìn)各種成分的吸收[3-4]。并且經(jīng)常食用金針菇來(lái)補(bǔ)充人體所需的精氨酸，能夠明顯解除人體氨中毒，同時(shí)對(duì)預(yù)防肝昏迷現(xiàn)象的發(fā)生有積極的效果[5]。除此之外，金針菇中還含有大量的膳食纖維，可以預(yù)防和緩解便秘，其熱量低，是負(fù)卡路里的食物。金針菇營(yíng)養(yǎng)豐富、形美、味鮮，具有較強(qiáng)觀賞價(jià)值及食用價(jià)值，具有很好的開(kāi)發(fā)潛力。

膳食纖維具有降低人體內(nèi)膽固醇含量，防止人體腸道癌變，改善糖尿病患者的糖耐受性等作用[6-7]。按其溶解性分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不可溶性膳食纖維。SDF能促進(jìn)腸道中益生菌群生長(zhǎng)繁殖，可以作為減少血漿中低密度脂蛋白膽固醇的含量，同時(shí)具有促進(jìn)胃腸蠕動(dòng)、維持腸道生態(tài)系統(tǒng)平衡，以及清除體內(nèi)自由基等生理功能，并且其攝入量和人體質(zhì)量及身體的脂肪含量成反比[8-9]，所以SDF對(duì)人體有著至關(guān)重要的作用。

本研究采用超聲波輔助堿法提取金針菇SDF，運(yùn)用響應(yīng)面優(yōu)化提取工藝條件，為增加金針菇的綜合利用，以及對(duì)金針菇膳食纖維提取提供試驗(yàn)依據(jù)及理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮金針菇：市售，分成菇柄和菇體，置于60℃鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥，質(zhì)量恒定后粉碎過(guò)80目篩，并存放于樣品瓶中；玉米胚芽油：吉林市大潤(rùn)發(fā)超市。

氫氧化鈉、冰乙酸及乙醇等（均為分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；木瓜蛋白酶（酶活為50萬(wàn)U/g，生化試劑）：北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FA1004A分析天平：上海精天電子儀器有限公司；DK-98-IIA電熱恒溫水浴鍋：天津市泰斯特儀器有限公司；KQ3200DE超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；80-2高速離心機(jī)：金壇市華城開(kāi)元實(shí)驗(yàn)儀器廠；pH酸度計(jì)：梅特勒-托利多儀器有限公司；DHG-9240A鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 試驗(yàn)流程

準(zhǔn)確稱(chēng)取2.00 g樣品置于燒杯中，加入蛋白酶（pH 7、40℃、30min、0.6%）除去蛋白質(zhì)，加入一定質(zhì)量濃度的NaOH溶液，在150 W超聲條件下提取一定時(shí)間后離心，收集上清液，采用1∶1醋酸溶液調(diào)節(jié)上清液的pH至7，加入4倍體積的無(wú)水乙醇，靜置24 h，抽濾得金針菇SDF，干燥后稱(chēng)量其質(zhì)量[10]。SDF提取率計(jì)算公式如下：

1.3.2 單因素試驗(yàn)

稱(chēng)取2.00 g樣品，分別考察液料比（7∶1、8∶1、9∶1、10∶1、11∶1）（mL∶g）、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（3%、4%、5%、6%、7%）、超聲時(shí)間（10min、30min、50min、70min、90min）、超聲溫度（20℃、30℃、40℃、50℃、60℃）對(duì)金針菇SDF提取率的影響。

1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)4因素3水平的響應(yīng)面分析方法，選擇液料比、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲時(shí)間、超聲溫度4個(gè)對(duì)金針菇SDF提取率影響顯著的因素為自變量，共27個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中24個(gè)為析因點(diǎn)，3個(gè)為零點(diǎn)，以金針菇SDF提取率（Y）為響應(yīng)值，響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

表1 提取條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology for extraction conditions optimization

1.3.4 金針菇SDF持水力測(cè)定

取1.00 g金針菇SDF（m0）于100 mL燒杯中，在25℃條件下加入75 mL蒸餾水?dāng)嚢?4 h，3 000 r/min離心30 min，除去上清液，稱(chēng)量吸水后的金針菇SDF質(zhì)量（m1），按下式計(jì)算金針菇SDF的持水力[11]：

1.3.5 金針菇SDF膨脹性測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)取1.00 g金針菇SDF（m），置于15 mL量筒中，讀取干品體積（V0），準(zhǔn)確吸取25℃10 mL蒸餾水，室溫下振蕩搖勻后，靜置24 h，記錄其膨脹后的體積（V1），按下式計(jì)算金針菇SDF的膨脹性[12]： 1.3.6金針菇SDF持油力測(cè)定

取1.00 g金針菇SDF（m0）與20 mL玉米胚芽油在50 mL離心管中混合均勻，40 min后將混合物在1 500 r/min條件下離心20 min，棄去上清液，稱(chēng)量剩余沉淀質(zhì)量（m1），按下式計(jì)算金針菇SDF的持油力[13]：

2 結(jié)果與分析

2.1 金針菇菇柄和菇體中SDF含量

分別稱(chēng)取金針菇菇柄和菇體粉末，按照1.3.1的試驗(yàn)流程進(jìn)行SDF含量測(cè)定，得到金針菇中菇柄SDF含量為5.56%，菇體SDF含量為5.32%，可見(jiàn)金針菇的菇柄和菇體中SDF的含量相近，即SDF在金針菇中分布均勻，故后續(xù)實(shí)驗(yàn)中稱(chēng)取的金針菇樣品為菇柄和菇體混合后的材料。

2.2 超聲-堿法提取對(duì)金針菇SDF提取率的影響

2.2.1 液料比對(duì)金針菇SDF提取率的影響

圖1 液料比對(duì)金針菇可溶性膳食纖維提取率的影響Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on the extraction rate of soluble dietary fiber

不同的液料比對(duì)金針菇SDF提取率的影響見(jiàn)圖1。由圖1可知，當(dāng)液料比＜10∶1（mL∶g）時(shí)，隨著液料比的增加，金針菇SDF的提取率相應(yīng)增大；但由于金針菇中SDF含量有限，當(dāng)隨著液料比繼續(xù)增加，直至SDF在溶劑中的擴(kuò)散達(dá)到平衡后，其提取率不再升高。當(dāng)液料比達(dá)到10∶1（mL∶g）后，可能由于試驗(yàn)過(guò)程中帶來(lái)的誤差等原因，致使SDF提取率略有減小。綜合考慮經(jīng)濟(jì)與環(huán)境等因素，選擇最佳液料比為10∶1（mL∶g）。

2.2.2 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)金針菇SDF提取率的影響

不同的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)金針菇SDF提取率的影響見(jiàn)圖2。由圖2可知，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～5%時(shí)，SDF提取率隨堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈上升趨勢(shì)，這可能是由于原料中SDF在堿性條件下溶解，同時(shí)皂化水解原料中少量脂肪，雜質(zhì)不斷減少，使其提取率上升；但堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增加至7%后，由于堿液過(guò)量后，果膠脫去果膠酯酸上的甲基而溶解，致使SDF提取率降低，考慮到添加堿液質(zhì)量越高，產(chǎn)品顏色越深以及經(jīng)濟(jì)等原因，浸提堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇5%。

圖2 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)金針菇可溶性膳食纖維提取率的影響Fig.2 Effect of alkali concentration on the extraction rate of soluble dietary fiber

2.2.3 超聲時(shí)間對(duì)金針菇SDF提取率的影響

圖3 超聲時(shí)間對(duì)金針菇可溶性膳食纖維提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic time on the extraction rate of soluble dietary fiber

超聲時(shí)間對(duì)金針菇SDF提取率的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知，金針菇SDF提取率隨超聲作用時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，這主要是因?yàn)槌晻r(shí)間的延長(zhǎng)強(qiáng)化了超聲波的各種效應(yīng)，有利于SDF的溶出，提高了金針菇SDF的提取率。當(dāng)超聲時(shí)間超過(guò)70 min后，SDF因與堿液的長(zhǎng)時(shí)間接觸，造成SDF中的一些果膠類(lèi)物質(zhì)溶解，使其提取率降低，所以70 min時(shí)金針菇SDF提取率較佳，故選擇超聲時(shí)間為70 min。

2.2.4 超聲溫度對(duì)金針菇SDF提取率的影響

超聲溫度對(duì)金針菇SDF提取率的影響見(jiàn)圖4。由圖4可知，當(dāng)超聲溫度低于50℃時(shí)，金針菇SDF提取率隨提取溫度的升高而增大，當(dāng)溫度高于50℃時(shí)，金針菇SDF提取率反而下降?？赡苡捎谶^(guò)高的超聲溫度可使目標(biāo)物降解，致使SDF提取率降低，所以當(dāng)超聲溫度為50℃時(shí)金針菇SDF提取率較佳。

圖4 超聲溫度對(duì)金針菇可溶性膳食纖維提取率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic temperature on the extraction rate of soluble dietary fiber

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface methodology

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以液料比、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲時(shí)間、超聲溫度為評(píng)價(jià)因素，SDF提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行4因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，方差分析見(jiàn)表3。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析Table 3 Variance analysis of response surface methodology

利用Design-Expert 8.0.6對(duì)表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次線(xiàn)性回歸擬合，回歸方程為：Y=20.28-0.045A+0.66B+0.36C-0.46D-1.20AB+1.86AC-1.59AD-4.58A2-3.36B2-3.31C2-3.32D2

由表3可知，模型極顯著（P＜0.000 1），決定系數(shù)為0.951 6，失擬項(xiàng)不顯著（P＞0.05），說(shuō)明所得二次回歸方程高度顯著，能較好的對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)測(cè)。由F值得大小可知，影響因素的主次順序?yàn)椋簤A液質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞超聲溫度＞超聲時(shí)間＞液料比。

2.3.2 交互效應(yīng)分析

液料比、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲時(shí)間、超聲溫度交互作用的響應(yīng)面及等高線(xiàn)圖直觀地反映了各因素交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響。在某一因素條件固定不變的情況下，考察交互作用顯著的交互項(xiàng)對(duì)SDF提取率的影響，并對(duì)模型進(jìn)行降維分析。所得的響應(yīng)面及等高線(xiàn)如圖5所示。

由圖5可知，SDF提取率隨各因素水平的增大，呈先增大后減小，各因素交互作用的等高線(xiàn)呈橢圓形，說(shuō)明交互作用顯著。曲面的陡峭程度可以反映出液料比、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲時(shí)間和超聲溫度4個(gè)因素分別對(duì)響應(yīng)值影響的大小，響應(yīng)曲面越陡表示對(duì)響應(yīng)值影響越大，越緩表示對(duì)響應(yīng)值影響越小。堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SDF提取率影響的等高線(xiàn)相對(duì)密集，超聲溫度和超聲時(shí)間對(duì)SDF提取率影響的等高線(xiàn)相對(duì)稀疏，液料比對(duì)SDF提取率的等高線(xiàn)最稀疏，說(shuō)明堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SDF提取率的影響更顯著，液料比的影響最弱，這也與表3的分析一致。

圖5 液料比、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲溫度、超聲時(shí)間交互作用對(duì)金針菇可溶性膳食纖維提取率的影響Fig.5 Effects of interaction of effects of interaction between liquidsolid ratio,alkali concentration,ultrasonic temperature and time on the extraction rate of soluble dietary fiber from F.valutipes

通過(guò)對(duì)模型分析確定最優(yōu)工藝條件為液料比10∶1（mL∶g），堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.10%，超聲時(shí)間69 min，超聲溫度49℃，在此條件下金針菇SDF提取率為20.25%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型分析的準(zhǔn)確性，對(duì)優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)（三組平行試驗(yàn)），平均提取率為20.31%，與預(yù)測(cè)值相差0.06%。因此采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

2.4 金針菇SDF的理化特性

持油力、持水力、膨脹性的大小是衡量膳食纖維品質(zhì)好壞的重要特性。表4為測(cè)得的金針菇SDF的理化指標(biāo)，其持水力高于蘋(píng)果渣膳食纖維4.2 g/g[14]、蔗渣膳食纖維3.6 g/g[15]、花生殼殼膳食纖維2.64 g/g[16]、葡萄皮渣膳食纖維2.98 g/g[17]，并高于譚屬瓊等[18]報(bào)道的金針菇膳食纖維的持水力3.75 g/g；所測(cè)得的膨脹性高于蠶豆種皮膳食纖維4.0 mL/g[19]、花生殼膳食纖維3.1 mL/g[16]、葡萄皮渣膳食纖維1.75 mL/g[17]，并高于譚屬瓊等[18]報(bào)道的金針菇膳食纖維的膨脹性3.95 mL/g；所測(cè)得的持油力高于花生殼膳食纖維1.12 g/g[16]、葡萄皮渣膳食纖維1.05 g/g[17]以及蠶豆膳食纖維4.48 g/g[19]。可見(jiàn)，采用超聲波輔助堿法提取的膳食纖維，其理化性質(zhì)更突出，這主要是由于本試驗(yàn)在去除金針菇中的非膳食纖維成分后，膳食纖維暴露出來(lái)網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)、親水基團(tuán)，因而對(duì)水分子和某些物質(zhì)顯示出更強(qiáng)的吸附性。

表4 金針菇膳食纖維理化特性Table 4 Physical and chemical properties of soluble dietary fiber fromF.valutipes

3 結(jié)論

本研究采用超聲波輔助堿法提取金針菇SDF，通過(guò)單因素試驗(yàn)和Box-Behnken試驗(yàn)對(duì)SDF提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。在試驗(yàn)范圍內(nèi)所選因素對(duì)金針菇SDF得率影響大小順序?yàn)椋簤A液質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞超聲溫度＞超聲時(shí)間＞液料比；通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)獲得的優(yōu)化工藝條件為：液料比10∶1（mL∶g）、超聲時(shí)間69 min、提取溫度49℃、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.10%，在此條件下SDF提取率可達(dá)20.25%；其持水力為5.18 g/g、膨脹性為4.64 mL/g、持油力為4.77 g/g。本試驗(yàn)為綜合利用金針菇資源提供了理論依據(jù)。

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Optimization of extraction technology of soluble dietary fiber fromFlammulina valutipesby response surface methodology

XU Hongyu1,LIU Huan2,ZHANG Yaqi1,XU Zigang3,SUI Xin1*
(1.College of Food and Biological Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin 132022,China; 2.College of Food Science,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China; 3.Branch of Food Engineering,Heilongjiang Nongken Vocational College,Harbin 150025,China)

The soluble dietary fiber(SDF)was extracted fromFlammulina valutipesby ultrasonic-assisted alkoline method.The extraction technology of SDF fromF.valutipeswas optimized by response surface method.Using solid-liquid ratio,ultrasonic time,temperature,and alkali liquor concentration as influence factors,SDF yield as response value,the mathematical model was established by Box-Behnken experimental design.In addition, the physical and chemical properties of SDF fromF.valutipeswere studied.Results showed that the optimal ultrasonic extraction conditions were ultrasonic power 150 W,solid-liquid ratio 10∶1(ml∶g),ultrasonic time 69 min,temperature 49℃,alkali concentration 5.10%.Under the conditions,the SDF extraction rate reached 20.25%.The water holding capacity,swelling capacity and oil holding capacity of SDF fromF.valutipeswere 5.18 g/g, 4.64 ml/g and 4.77 g/g,respectively.

Flammulina valutipes;soluble dietary fiber;ultrasonic-assisted alkaline method;response surface methodology optimization

S646.1+5

0254-5071（2017）06-0137-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.06.028

2016-12-09

吉林化工學(xué)院博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2016015）

徐洪宇（1985-），女，講師，博士，主要從事天然產(chǎn)物的提取、分離及藥理活性篩選工作。

*通訊作者：隋新（1972-），男，副教授，碩士，主要從事真菌資源化利用工作。