響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化紅姑娘紅薯中不溶性纖維的提取工藝及動(dòng)力學(xué)分析

何春玫 梁宇寧 項(xiàng)有泳

(1.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530007； 2.廣西師范大學(xué)，桂林 541004；3.防城港市廣源農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，廣西 538100)

紅姑娘紅薯又名荔枝紅、妹子薯，主產(chǎn)廣西東興市，各種營養(yǎng)物質(zhì)含量豐富，經(jīng)檢測，每100g鮮薯中含總黃酮6.74mg，蛋白質(zhì)1.40g，可溶性膳食纖維1.72g，不溶性膳食纖維0.58g，特別含淀粉量高，烘干率達(dá)38%，淀粉含量27%～29%，適宜加工成淀粉。淀粉加工過程中產(chǎn)生的大量紅薯渣，往往會(huì)被丟棄或用于禽畜飼料，造成其中的營養(yǎng)物質(zhì)浪費(fèi)。不溶性膳食纖維素包括粗纖維素、半粗纖維素和木質(zhì)素等，具有吸附大量水分，增加糞便量，促進(jìn)腸蠕動(dòng)，加快糞便的排泄，使致癌物質(zhì)在腸道內(nèi)的停留時(shí)間縮短，對腸道的不良刺激減少的作用，從而可以預(yù)防腸癌發(fā)生，還具有治療糖尿病、預(yù)防和治療冠心病、治療肥胖癥和治療便秘的功能[1，2]。

當(dāng)前，國內(nèi)有學(xué)者以酶法、水提法、化學(xué)法、超聲波輔助酶法等方法提取不溶性膳食纖維素[1～4]，類似文獻(xiàn)多限于對工藝條件的優(yōu)化，關(guān)于不溶性膳食纖維提取動(dòng)力學(xué)方面的報(bào)道較少。本試驗(yàn)以曬干的東興紅姑娘紅薯為原料，采用化學(xué)提取法，通過Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)，優(yōu)化提取工藝，并通過建立提取過程的動(dòng)力學(xué)模型，為更高效提取不溶性膳食纖維素，綜合利用紅薯渣提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)與儀器

1.1.1 材料 紅姑娘紅薯，東興市侖河牌紅姑娘紅薯。

1.1.2 主要試劑 NaOH、無水乙醇、過氧化氫、HCl等均為分析純；去離子水(自制)。

1.1.3 主要儀器 AL204電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱 800B臺(tái)式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；多功能食品攪拌機(jī) 任發(fā)電器實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 自制紅薯渣粉 曬干的東興紅姑娘紅薯→洗凈打碎→清水沖洗→過濾除淀粉和多糖→烘干濾渣→粉碎過篩→紅薯渣粉末[2]。

1.2.2 不溶性膳食纖維素的提取工藝及提取率計(jì)算 準(zhǔn)確稱取紅薯渣粉末→按液料比加入一定濃度的NaOH處理1h→過濾→濾渣中加入H2O2處理→過濾→濾渣中加入HCl處理→過濾→濾渣水洗至中性→干燥濾渣(不溶性膳食纖維素)→準(zhǔn)確稱量不溶性膳食纖維素質(zhì)量。

提取率%=樣品中不溶性膳食纖維素的質(zhì)量/紅薯渣粉末樣品質(zhì)量×100%

1.2.3 不溶性膳食纖維素提取的單因素試驗(yàn) 固定堿液處理時(shí)間為1h，分別考察料液比(4：1、8∶1、12∶1、16∶1、20∶1mL·g-1)、堿液濃度(6.0、8.0、10.0、12.0、14.0g·L-1)、提取溫度(30、40、50、60、70℃)等單因素對不溶性膳食纖維素提取率的影響。

1.2.4 不溶性膳食纖維素提取工藝優(yōu)化設(shè)計(jì) 通過查閱李澤珍[2]、蔡衛(wèi)超[3]、趙英虎[5][l1]等人的文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，影響化學(xué)法提取不溶性膳食纖維素的因素有料液比、堿液濃度、提取溫度、提取時(shí)間等，其中料液比、堿液濃度、提取溫度對提取率的影響較顯著，擬固定堿液處理時(shí)間為1h，通過單因素試驗(yàn)考察各因素影響水平，利用Design Expert8.0軟件進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表見表1。

表1 Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表

1.2.5 不溶性膳食纖維素提取過程動(dòng)力學(xué)分析 利用Origin Pro8.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合，并以Reduced Chi2、R2和Adj-R23個(gè)參數(shù)評價(jià)數(shù)學(xué)模型的擬合程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

圖1 液料比對不溶性膳食纖維素提取率的影響

2.1.1 液料比對不溶性膳食纖維素提取率的影響 由圖1可見，紅薯渣中不溶性膳食纖維素的提取率隨料液比的增加而增加，當(dāng)液料比達(dá)12∶1時(shí)，提取率基本穩(wěn)定，為液料比20∶1的提取率的98.2%。綜合環(huán)保、節(jié)約的考慮，后續(xù)試驗(yàn)選擇液料比為12∶1mL·g-1。

圖2 堿液濃度對不溶性膳食纖維素提取率的影響

2.1.2 堿液濃度對不溶性膳食纖維素提取率的影響 由圖2可見，紅薯渣中不溶性膳食纖維素的提取率隨堿液濃度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，原因可能是NaOH濃度高于8.0 g·L-1后，逐漸增加了不溶性膳食纖維素的溶解性，使得提取率下降。因此，后續(xù)試驗(yàn)選擇堿液濃度為8.0 g·L-1。

圖3 提取溫度對不溶性膳食纖維素提取率的影響

2.1.3 提取溫度對不溶性膳食纖維素提取率的影響 由圖3可見，紅薯渣中不溶性膳食纖維素的提取率隨提取溫度的增加呈現(xiàn)先略增大后快速減小的趨勢。30-40℃間，提取率基本穩(wěn)定，提取效果相當(dāng)，當(dāng)溫度40℃以上時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著提取時(shí)間的延長，溶液慢慢變得粘稠，影響了不溶性膳食纖維素的提取，因此，后續(xù)試驗(yàn)選擇提取溫度為40℃。

2.2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及顯著性分析

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇料液比、堿液濃度、提取溫度3個(gè)因素的3個(gè)較優(yōu)水平，采用Design Expert8.0軟件進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)方案，以不溶性膳食纖維素的提取率作為響應(yīng)值，確定提取最佳工藝條件。響應(yīng)面試驗(yàn)方案與結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案與結(jié)果

對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，可得響應(yīng)變量A、B、C對提取率(Y)的回歸方程為：

Y2=8.69+0.037 * A+0.13 * B-0.16 * C+0.098 * A * B-0.20 * A * C-0.18 * B * C-0.22 * A2-0.49 * B2-0.43 * C2

表3 二次響應(yīng)模型方差分析結(jié)果

注：顯著檢驗(yàn)采用最小顯著差法，p<0.05為顯著(*)，p<0.01為極顯著(**)。

對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA方差分析，結(jié)果如表3如示。經(jīng)分析，回歸模型的負(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.9871，P< 0.0001，說明模型極顯著；失擬項(xiàng)P=0.5673，影響不顯著，說明非試驗(yàn)因素對試驗(yàn)結(jié)果影響不大；模型決定系數(shù)RAdj2=0.9705，表示可以用此數(shù)學(xué)模型解釋97.05%的變異性；變異系數(shù)C.V%=0.90，這個(gè)數(shù)值較小，說明該回歸模型可信度較高；精密度值=19.9>4，說明該模型是合理的，可應(yīng)用該模型預(yù)測和分析各響應(yīng)應(yīng)變量與響應(yīng)值之間的關(guān)系。由表3可見，各因素對不溶性膳食纖維素的提取率影響順序?yàn)椋禾崛囟?堿液濃度 >液料比，其中提取溫度和堿液濃度影響極顯著(P< 0.01)。

2.3 各因素間交互作用分析

根據(jù)表3可見，影響因素之間A與B的交互影響顯著(P< 0.05)，A與C，B與C的交互影響極顯著(P< 0.01)。利用回歸模型作各因素間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖如圖4所示。

a． 料液比與堿液濃度

b． 料液比與提取溫度

c． 堿液濃度與提取溫度

從圖4可以看出，各因素間交互作用的響應(yīng)面圖均為開口向下的平滑曲面，可見在曲面上存在最大響應(yīng)值。在各等高線圖中，沿提取溫度和堿液濃度方向的曲線較密集，可見兩者的變化對響應(yīng)值的影響較大。

2.4 最佳工藝條件確定與驗(yàn)證

由Design Expert8.0軟件進(jìn)行分析計(jì)算，對各因素取最優(yōu)值得出不溶性膳食纖維素提取的最佳工藝條件為：液料比：13.07∶1，堿液濃度8.43 g·L-1，提取溫度37.14℃，提取率預(yù)測值為8.730%。為檢驗(yàn)工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性，以液料比：13∶1，堿液濃度8.50 g·L-1，提取溫度37℃，測得不溶性膳食纖維素提取率為8.64%，相對誤差為-1.03%，說明本回歸模型具有可靠性。

2.5 不溶性膳食纖維素提取的動(dòng)力學(xué)分析

2.5.1 動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的建立 由表3可見，堿液濃度和提取溫度對不溶性膳食纖維素提取率的影響極顯著，其中提取溫度是影響提取的重要因素。本試驗(yàn)固定其他因素，建立動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型分析不同提取溫度對不溶性膳食纖維素提取率的影響，考察不同提取溫度下不溶性膳食纖維素的提取率隨提取時(shí)間的變化規(guī)律。

圖5 提取溫度、提取時(shí)間與不溶性膳食纖維提取率的關(guān)系

由圖5可見，提取溫度不同，不溶性膳食纖維提取率達(dá)到最大值的時(shí)間不同，30℃時(shí)，提取溫度較低，80 min提取率達(dá)到最大值，提取時(shí)間較長，且提取率低。40℃時(shí)，提取溫度較適宜，60 min提取率達(dá)到最大值，提取率較大。50℃時(shí)，提取溫度較高，50 min提取率達(dá)到最大值，但提取率較低。

采用OriginPro8.0軟件的內(nèi)置函數(shù)對圖5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合，結(jié)果如表4。

表4 不同提取溫度下提取動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)

模型名稱和方程提取溫度(℃)擬合參數(shù)模型評價(jià)參數(shù)axckReduced Chi2R2Adj-R2SGompertzy = a*exp(-exp(-k*(x-xc)))308.40948-9.689640.053150.005560.993540.99169408.79437-4.800990.079980.006230.991440.98899508.53011-4.193730.101680.005230.98770.98418

模型名稱和方程提取溫度(℃)擬合參數(shù)模型評價(jià)參數(shù)axckReduced Chi2R2Adj-R2Slogistic1y = a/(1 + exp(-k*(x-xc)))308.39266-4.860320.059060.004610.994640.99311408.78906-1.866110.086910.005110.992970.99096508.52841-2.246730.108110.004670.989010.98586

注：Reduced Chi2：表示數(shù)據(jù)與擬合曲線的偏離程度；R2：決定系數(shù)平方；Adj-R2：校正決定系數(shù)平方。

R2又稱為擬合優(yōu)度，當(dāng)它越接近1時(shí)，表示擬合模型的方程式參考價(jià)值越高。Adj-R2調(diào)整了由于參數(shù)個(gè)數(shù)帶來的相關(guān)性計(jì)算誤差，它的值越接近1越準(zhǔn)確地評價(jià)回歸方程的優(yōu)劣。Reduced Chi2表示數(shù)據(jù)與擬合曲線的偏離程度，它的值越小說明數(shù)據(jù)越接近擬合曲線。由表4可見，本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用OriginPro8.0軟件內(nèi)置3種非線性增長函數(shù)模型(Logistic、SGompertz、Slogistic1模型)均能較好地?cái)M合紅薯中不溶性膳食纖維提取率曲線 。通過以上三個(gè)模型擬合的評介參數(shù)進(jìn)行綜合分析可以得出：Logistic模型的擬合參數(shù)值均達(dá)到良好，模型達(dá)到最優(yōu)擬合。

2.5.2 動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證 為驗(yàn)證2.5.1建立的動(dòng)力學(xué)模型，選擇3個(gè)提取時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行不溶性膳食纖維的提取，驗(yàn)證Logistic模型的擬合程度，如表5所示。

表5 Logistic模型驗(yàn)證

由表5可見，試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)與Logistic模型擬合程度較高，擬合程度均達(dá)0.98以上，說明建立的Logistic模型能很好地反映紅薯中不溶性膳食纖維提取過程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)以曬干的東興紅姑娘紅薯為原料，采用化學(xué)提取法，以液料比、堿液濃度和提取溫度作為試驗(yàn)因素，通過單因素試驗(yàn)和Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究了不溶性膳食纖維提取的最優(yōu)工藝條件為：液料比13.07：1 mL·g-1，堿液濃度8.43 g·L-1，提取溫度37.14 ℃，提取率達(dá)8.730%。以不同提取溫度建立了提取過程的動(dòng)力學(xué)模型，采用OriginPro8.0軟件內(nèi)置的3種動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合，經(jīng)擬合模型比較，Logistic模型的擬合參數(shù)值均達(dá)到良好，模型達(dá)到最優(yōu)擬合。經(jīng)過驗(yàn)證，建立的Logistic模型能很好地反映紅薯中不溶性膳食纖維提取過程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。