響應(yīng)面優(yōu)化綠豆皮不溶性膳食纖維超聲輔助提取工藝

劉倩倩

(菏澤學(xué)院藥學(xué)院,山東菏澤 274000)

綠豆在我國(guó)南北各省均有種植,綠豆與其他農(nóng)作物相比,具有蛋白質(zhì)含量高、維生素與礦物質(zhì)含量豐富、脂肪含量低等優(yōu)點(diǎn)。綠豆在食品加工和制藥領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,綠豆加工后的副產(chǎn)物綠豆皮的質(zhì)量大約占總重的8%左右[1]。綠豆皮的成分中膳食纖維含量達(dá)到50%以上,其中60%左右的膳食纖維是不溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber,IDF),膳食纖維在保健方面具有良好的功能,能夠降低心血管疾病、腸癌等疾病的發(fā)病率,也可以作為食品添加劑[2-3]。近年來(lái),膳食纖維在醫(yī)療保健方面的特殊作用受到人們的青睞,所以膳食纖維產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[4-6]。

目前膳食纖維主要是從大豆、花生殼、麥麩、水果皮等中提取,采用的提取工藝大都是化學(xué)法、物理法、酶法等[7-9],李加興等[10]采用堿法提取火棘中的水不溶性膳食纖維,提取率為56.89%;李可等[11]采用堿性蛋白酶水解法提取亞麻籽粕IDF,提取率為52.05%;李澤珍等[12]采用堿法提取紅薯渣IDF,提取率為70.25%。與傳統(tǒng)方法相比,超聲波輔助提取是利用超聲波的空穴效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng),破碎提取原料的細(xì)胞壁,加速有效成分的溶出和擴(kuò)散,具有有效成分破壞損失小、溶出速度快、提取量高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。王俊穎等[13]采用超聲波輔助酸法提取玉米皮中水溶性膳食纖維,得率達(dá)到27%;陸紅佳等[14]采用超聲波輔助法提取姜渣中IDF,得率達(dá)到54.14%;曹晟等[15]采用超聲波酶法提取茭白IDF,提取率達(dá)到45.32%。對(duì)于綠豆皮中IDF的超聲波輔助堿法提取工藝目前還沒(méi)有相關(guān)的報(bào)道,綠豆皮又是綠豆加工產(chǎn)業(yè)的主要副產(chǎn)物,如果能對(duì)其進(jìn)行加工利用,將會(huì)大幅提高綠豆加工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此,本試驗(yàn)采用超聲波輔助堿法提取綠豆皮IDF,通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)研究工藝各條件,然后通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化其工藝條件,為綠豆皮資源的合理開(kāi)發(fā)利用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

綠豆皮 菏澤農(nóng)貿(mào)市場(chǎng),45 ℃烘干至恒重后粉碎成粉末,過(guò)60目篩備用;NaOH 分析純,上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

GZX-DH電熱恒溫干燥箱 上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠;SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水真空泵 鞏義市予華儀器有限公司;HH-2電熱式恒溫水浴鍋 邦西儀器科技有限公司;FW-100型高速萬(wàn)能粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司;TG16G臺(tái)式離心機(jī) 金壇市三和儀器有限公司;Sartorius CP225D型電子天平 德國(guó)Sartorius公司;DZF-6050型真空干燥箱 上海捷呈實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;SCQ-1800F超聲波提取器 上海聲彥超聲波儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 IDF提取工藝流程 綠豆皮粉末→30 ℃溫水浸泡2 h→離心(4000 r/min,20 min)→超聲波輔助堿法提取(超聲波提取器中提取)→真空抽濾→水洗(至pH7.0)→濾渣50 ℃烘干24 h→高速粉碎(24000 r/min,1 min)→綠豆皮IDF。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1 超聲提取時(shí)間的選擇 精準(zhǔn)稱(chēng)取10 g綠豆皮粉末樣品,在堿液濃度2.5 mol/L,液料比20∶1 mL/g,提取溫度為60 ℃,超聲波功率350 W,超聲提取時(shí)間分別為30、60、90、120、150、180、210 min的條件下在超聲波提取器中提取,真空抽濾后水洗至中性,濾渣烘干粉碎得綠豆皮IDF,測(cè)定不同提取時(shí)間對(duì)IDF提取率的影響。

1.2.2.2 超聲功率的選擇 精準(zhǔn)稱(chēng)取10 g綠豆皮粉末樣品,在堿液濃度2.5 mol/L,液料比20∶1 mL/g,提取溫度為60 ℃,提取時(shí)間120 min,超聲功率分別為200、250、300、350、400、450 W的條件下在超聲波提取器中提取,真空抽濾后水洗至中性,濾渣烘干粉碎得綠豆皮IDF,測(cè)定不同超聲功率對(duì)IDF提取率的影響。

1.2.2.3 超聲提取溫度的選擇 精準(zhǔn)稱(chēng)取10 g綠豆皮粉末樣品,在堿液濃度2.5 mol/L,液料比20∶1 mL/g,超聲波功率350 W,提取時(shí)間120 min,提取溫度分別為30、40、50、60、70、80、90 ℃的條件下在超聲波提取器中提取,真空抽濾后水洗至中性,濾渣烘干粉碎得綠豆皮IDF,測(cè)定不同提取溫度對(duì)IDF提取率的影響。

1.2.2.4 堿液濃度的選擇 精準(zhǔn)稱(chēng)取10 g綠豆皮粉末樣品,在堿液濃度分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mol/L,液料比20∶1 mL/g,超聲波功率350 W,提取時(shí)間120 min,提取溫度60 ℃的條件下在超聲波提取器中提取,真空抽濾后水洗至中性,濾渣烘干粉碎得綠豆皮IDF,測(cè)定不同堿液濃度對(duì)IDF提取率的影響。

1.2.2.5 液料比的選擇 精準(zhǔn)稱(chēng)取10 g綠豆皮粉末樣品,在堿液濃度2.5 mol/L,液料比分別為5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1 mL/g,超聲波功率350 W,提取時(shí)間120 min,提取溫度60 ℃的條件下在超聲波提取器中提取,真空抽濾后水洗至中性,濾渣烘干粉碎得綠豆皮IDF,測(cè)定不同液料比對(duì)IDF提取率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn) 為研究各因素的交互作用,根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果選取提取時(shí)間、提取溫度、堿液濃度、液料比四個(gè)影響較顯著的因素,然后對(duì)這四個(gè)因素進(jìn)行組合響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn),試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)的因素水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.2.4 IDF測(cè)定方法 按照GB/T 5009.88-2014《食品中膳食纖維的測(cè)定》方法進(jìn)行檢測(cè)。

1.2.5 IDF提取率的計(jì)算

IDF提取率(%)=MIDF(干重,g)×100/M綠豆皮(干重,g)

1.3 數(shù)據(jù)處理

單因素實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理進(jìn)行顯著性分析,響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行方差和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 提取時(shí)間對(duì)IDF提取率的影響 由圖1可知,IDF提取率在超聲提取時(shí)間為120 min時(shí)達(dá)到最大為63.2%,達(dá)到相對(duì)較穩(wěn)定后再緩慢下降。IDF提取率上升是因?yàn)槌暡ǖ臋C(jī)械振動(dòng)和空化作用,可加快綠豆皮內(nèi)部分子的振動(dòng)速度,IDF隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)從綠豆皮中溶出較多,IDF提取率逐漸增大;但是提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng),超聲波的機(jī)械振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致溶出的IDF發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞而部分降解,聚合度降低,造成IDF提取率下降。因此超聲提取時(shí)間在120～150 min比較合適。

圖1 超聲提取時(shí)間對(duì)IDF提取率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic extraction time on extraction rate of IDF

2.1.2 超聲功率對(duì)IDF提取率的影響 由圖2可知,超聲功率為350 W時(shí),IDF提取率達(dá)到最大值為63.1%,之后功率增加，IDF的提取率下降。高功率的超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)比較強(qiáng),綠豆皮細(xì)胞的細(xì)胞壁更易破碎,IDF進(jìn)入溶劑的速度也會(huì)提高,但是當(dāng)超聲功率過(guò)大,其空化效應(yīng)過(guò)強(qiáng),導(dǎo)致溶液局部高溫,容易破壞膳食纖維分子[16]。從圖2可以看出,超聲功率對(duì)IDF提取率影響不明顯。

圖2 超聲功率對(duì)IDF提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic powers on extraction rate of IDF

2.1.3 提取溫度對(duì)IDF提取率的影響 由圖3可知,低溫提取時(shí),IDF隨著溫度的升高,提取率逐漸升高,直到提取溫度達(dá)到60 ℃時(shí),IDF提取率出現(xiàn)最大值62.2%,后續(xù)急劇下降,這是因?yàn)楦邷叵律攀忱w維的分子的穩(wěn)定性較差,分子間化學(xué)鍵容易斷裂,而且堿性溶劑在高溫下會(huì)破壞纖維素類(lèi)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu),所以較高的溫度會(huì)導(dǎo)致IDF提取率下降。試驗(yàn)選擇提取溫度在50～60 ℃范圍內(nèi)。

圖3 超聲提取溫度對(duì)IDF提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic extraction temperature on extraction rate of IDF

2.1.4 堿液濃度對(duì)IDF提取率的影響 由圖4可知,IDF提取率隨著堿液濃度的增加先升高后降低,因?yàn)檩^低的堿液濃度有利于IDF的提取,如果堿液濃度較高,纖維素類(lèi)物質(zhì)間的氫鍵容易斷裂,而且提取出來(lái)的纖維素類(lèi)物質(zhì)會(huì)與NaOH反應(yīng)變成堿纖維素[10],同時(shí)纖維素類(lèi)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生一定的破壞,引起IDF的提取率下降。試驗(yàn)選擇堿液濃度在2.0～3.0 mol/L范圍內(nèi)。

圖4 堿液濃度對(duì)IDF提取率的影響Fig.4 Effect of alkali concentration on extraction rate of IDF

2.1.5 液料比對(duì)IDF提取率的影響 由圖5可知,液料比的增大使得IDF提取率在20∶1 mL/g時(shí)達(dá)到峰值,之后逐漸降低。這是因?yàn)槿軇┝吭黾訒?huì)使綠豆皮與更多的溶劑分子發(fā)生接觸,其中的IDF分子在溶劑中的溶出量及溶出速度增加;如果液料比過(guò)大,超聲波的作用會(huì)受到影響,同時(shí)也會(huì)造成其他雜質(zhì)溶出,降低IDF的提取率?？紤]原料與NaOH溶液的用量,試驗(yàn)選擇選取15∶1～25∶1 mL/g較合適。

圖5 液料比對(duì)IDF提取率的影響Fig.5 Effect of material to liquid ratio on extraction rate of IDF

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果 綜合分析單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,選取對(duì)IDF提取率影響較大的四個(gè)因素:提取時(shí)間、提取溫度、堿液濃度、液料比,然后根據(jù)Box-Behnken中心組合的原理設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)。試驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Box-Behnken Cenral composite design and experimental results

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析,得到關(guān)于IDF提取率的二次多項(xiàng)回歸模型方程:

Y=59.99+1.40A+0.79B+1.31C+1.08D-0.72AB-0.47AC-0.34AD-1.15BC-0.11BD-0.42CD+0.67A2+2.17B2+1.60C2+1.36D2

從表3方差分析的結(jié)果可以得知,模型的F值為23.74,p<0.0001,說(shuō)明該模型達(dá)到了極顯著的水平,失擬項(xiàng)p=0.5876>0.05,表明失擬不顯著,R2=0.9596,表明此模型的擬合程度較好,IDF提取率可以用該模型進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。影響極顯著的有:四個(gè)因素的一次項(xiàng),二次項(xiàng)B2、C2、D2,交互項(xiàng)BC,影響顯著的有:A2、AB。由F值得出影響IDF提取率的四個(gè)因素的主次順序?yàn)锳>C>D>B,即提取時(shí)間>堿液濃度>液料比>提取溫度。

表3 回歸模型的方差分析及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Analysis of variance and significance test of the regression model

2.2.2 各因素之間的交互作用 根據(jù)回歸方程,做出響應(yīng)面分析圖,各兩因素交互作用的響應(yīng)面圖見(jiàn)圖6。

圖6 各因素交互作用的響應(yīng)面圖Fig.6 Respose surface plots of pairwise interactive effects

利用軟件自動(dòng)分析功能,對(duì)IDF提取率取最大值時(shí)得到最佳提取條件:提取時(shí)間148.04 min、提取溫度51.96 ℃、堿液濃度3.0 mol/L、液料比15.08∶1 mL/g,在此條件下IDF提取率為66.48%。綜合考慮,試驗(yàn)采用堿液濃度3.0 mol/L、液料比15∶1 mL/g、溫度為52 ℃,在350 W超聲波作用下提取148 min,此條件下進(jìn)行3次試驗(yàn),IDF提取率為66.28%±0.052%,與模型預(yù)測(cè)值相比,相對(duì)誤差為3.008%,證實(shí)該模型可以用于綠豆皮IDF的提取工藝的理論預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化綠豆皮IDF的提取工藝,采用堿液濃度為3.0 mol/L,液料比為15∶1 mL/g,溫度為52 ℃,在350 W超聲波作用下提取148 min,綠豆皮IDF提取率最高為66.28%±0.05%。超聲波輔助堿法提取綠豆皮IDF具有工藝穩(wěn)定可行,環(huán)保節(jié)能且能夠保持綠豆皮中的有效活性成分等優(yōu)點(diǎn),是提取綠豆皮IDF的有效途徑。