響應面優(yōu)化柚葉水溶性膳食纖維的提取工藝

陳平清 李小玉 王春曉

(1. 茂名職業(yè)技術(shù)學院，廣東 茂名 525000；2. 中山火炬職業(yè)技術(shù)學院，廣東 中山 528436)

不能被人體消化道酵素分解的木質(zhì)素、碳水化合物、 纖維素、多糖類等被稱為膳食纖維[1]，是一種不易被消化的食物營養(yǎng)素，膳食纖維按其在水中的溶解性可分為水溶性膳食纖維(SDF)和水不溶性膳食纖維(IDF)。人體有六大營養(yǎng)素：糖、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)和水，膳食纖維被稱為人體的“第七大營養(yǎng)素”[2]。膳食纖維具有許多有益的生理功能，如降低血液中的膽固醇含量、預防心臟病、控制血糖、預防糖尿病、促進腸胃蠕動、預防便秘、有利于減肥、清除人體內(nèi)的有害物質(zhì)以及對腫瘤有一定的抵抗能力等[3，4]。廣東高州市從福建省平和縣引進了紅肉蜜柚后，該品種已成為高州市的新興果品，市場潛力巨大[5]，然而目前對柚子的綜合加工利用還較少，柚子葉是柚子除柚子皮以外的另一種富含膳食纖維的物質(zhì)，本文利用檸檬酸提取柚葉中的水溶性膳食纖維，選取檸檬酸濃度、提取時間、提取溫度和液料比作為參數(shù)進行單因素試驗，確定其對柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響，得出最佳提取工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

柚子葉采自于高州市沙田優(yōu)質(zhì)蜜柚示范基地，柚子葉洗凈后，再恒溫干燥完全，粉碎過40目篩，置于干燥器內(nèi)保存?zhèn)溆谩Ｒ掖?，食品醫(yī)藥級，河南鑫河陽酒精有限公司；檸檬酸，食品級，濰坊英軒實業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設備

AR124CN電子天平(奧豪斯儀器上海有限公司)；FW-100高速萬能粉碎機(天津市泰斯特儀器有限公司)；80-2電動離心機(金壇市科析儀器有限公司)。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

柚子葉洗凈→干燥→粉碎→40目過篩→酸水解→抽濾→乙醇沉淀→抽濾→50 ℃恒溫干燥→冷卻→稱重

1.3.2 試驗操作過程

選取粉碎過40目篩的柚葉粉末，準確稱取1.000 0 g的柚葉加入到100 mL的圓底燒瓶中，加入14 mL濃度為8%(質(zhì)量濃度)的檸檬酸溶液，在 80 ℃的水浴鍋中進行水浴加熱，60 min后進行真空抽濾，將柚葉渣與溶液分離，收集的溶液加入4倍體積的95%乙醇靜置30 min，醇沉出柚葉水溶性膳食纖維，抽濾后，將水溶性膳食纖維放置在50 ℃的干燥箱中干燥至恒重，稱重，計算得出1 g柚葉所含有的膳食纖維的量與提取率。

1.3.3 水溶性膳食纖維提取的單因素試驗

通過控制變量，研究提取時間、提取溫度、液料比和檸檬酸濃度對柚子葉水溶性膳食纖維(SDF)提取率的影響。

1.3.4 響應面優(yōu)化試驗

通過單因素試驗，得到各因素對柚葉水溶性膳食纖維提取的大致影響范圍，運用Design-Expert 8.0.5b軟件，根據(jù)Box-Benhnken試驗設計原理，設計響應面實驗，選取提取時間、提取溫度、液料比和檸檬酸濃度4個因素作為自變量，以水溶性膳食纖維的提取率作為響應值，響應面因素和水平見表1。

表1 設計因素與水平

1.3.5 指標測定計算

準確稱取1.000 0 g柚葉進行酸提，反應結(jié)束后，將醇沉得到柚葉水溶性膳食纖維烘干至恒重，通過下式計算得柚葉中水溶性膳食纖維的提取率。

1.3.6 持水力的測定

準確稱取水溶性膳食纖維0.1 g粉末放置在干燥后的離心管中，加入10 mL的蒸餾水振動30 min后，放置在離心機中4 000 r/min離心15 min，倒出上清液，用吸管吸出剩余水分，再稱重，計算持水力。

1.3.7 膨脹力的測定

準確稱取0.1 g水溶性膳食纖維粉末放置在25 mL 的試管中加入15 mL的蒸餾水振蕩均勻，靜置讀取體積，隨后密封放置在室溫中靜置24 h，再讀取膨脹后的體積。

2 結(jié)果分析

2.1 水溶性膳食纖維的單因素試驗

2.1.1 提取時間對柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響

當提取溫度為80 ℃，液料比為14 mL/g，檸檬酸濃度為8%時，研究提取時間的長短(50、60、70、80和90 min)對提取率的影響。由圖1可知，當提取時間為40～60 min時，提取率隨著提取時間的增加而上升，當提取時間為60～80 min時，提取率則不斷下降，在時間為60 min時達到峰值，這是因為隨著提取時間的延長，膳食纖維被不斷的分解，呈游離狀態(tài)，提取率增大[6]；但提取時間過長時，柚子葉中的其他成分亦被不斷的分解游離，限制了膳食纖維的分解，導致提取率降低，因此提取時間選擇60 min。

圖1 提取時間對提取率的影響Fig. 1 Effect of extraction time on extraction rate

2.1.2 提取溫度對柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響

當提取時間為60 min，料液比為14 mL/g，檸檬酸濃度為8%時，研究不同提取溫度(50、60、70、80和90 ℃)對柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響。由圖2可知，在50～80 ℃內(nèi)，隨著溫度的升高提取率逐漸增加，在80～90 ℃內(nèi)提取率緩慢減小，這是因為隨著溫度的增加，樣品中的分子碰撞不斷增加，分解加快，提取率不斷上升。但當溫度過高時，部分纖維分子被破壞[7]，導致提取率下降。因此提取溫度選擇80 ℃。

圖2 提取溫度對提取率的影響Fig. 2 Effect of extraction temperature on extraction rate

2.1.3 液料比對柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響

當提取時間為60 min，提取溫度為80 ℃，檸檬酸濃度為8%時，研究不同液料比(8、11、14、17和20 mL/g)對柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響。由圖3可知，當液料比為8～14 mL/g時提取率呈現(xiàn)快速上升的趨勢，在14～17 mL/g之間時變化緩慢，17～20 mL/g之間呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。這是因為在較低液料比進行酸提時，大量柚葉中的膳食纖維無法被酸提取，溶液過于飽和，只能提取部分樣品。但當液料比過大時，樣品中的其他物質(zhì)也被提取出來，且液料比過大時，還會增大醇沉過程的損失，導致膳食纖維提取率的下降[8]。因此液料比選擇14 mL/g。

圖3 液料比對提取率的影響Fig. 3 Effect of liquid-material ratio on extraction rate

2.1.4 檸檬酸濃度對水溶性膳食纖維提取的影響

在提取時間為60 min，提取溫度為80 ℃，液料比為14 mL/g時，研究不同檸檬酸濃度(4%、6%、8%、10%和12%)對柚葉水溶性膳食纖維提取率的影響。由圖4可知，當檸檬酸濃度為4%～8%時，提取率隨著檸檬酸濃度的增加而增加，分析其原因為當檸檬酸的濃度過低時，柚葉粉末中的膳食纖維分解較慢，隨著濃度的增加，分解速率加快。當檸檬酸的濃度達到8%～12%，提取率逐漸減小，其原因為濃度過高的溶液抑制了膳食纖維的分解，導致提取量降低[9]。因此可以得出提取的最佳檸檬酸濃度為8%。

圖4 檸檬酸的濃度對提取率的影響Fig. 4 Effect of citric acid concentration on extraction rate

2.2 響應面法優(yōu)化提取工藝

2.2.1 響應面優(yōu)化試驗設計與結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗，選擇單因素最優(yōu)范圍，以提取時間(A)、提取溫度(B)、液料比(C)和檸檬酸濃度(D)為自變量，水溶性膳食纖維的提取率(Y)為響應值，做四因素三水平共29個點的響應面試驗設計，其中包括5個中心點用以估計試驗的誤差，結(jié)果見表2。

表2 響應面試驗結(jié)果

2.2.2 響應面實驗結(jié)果分析

經(jīng)過回歸線擬合后，通過響應面分析法得到檸檬酸提取水溶性膳食纖維提取率的二次回歸方程：提取率=9.84-0.19A+1.48B+0.53C+0.75D-0.25AB+0.000AC+0.030AD+0.31BC -0.23BD -0.48CD -1.86A2-2.14B2-1.20C2-1.61D2。

表3為對水溶性膳食纖維的提取結(jié)果進行的多元回歸分析。由表3可知B-提取溫度和D-檸檬酸濃度對水溶性膳食纖維的提取率差異極顯著，C-液料比對提取率的影響為顯著，A-提取時間對提取率的差異不顯著，說明提取時間的變化對提取率的影響較小，AB、AC、AD、BC、BD與CD的交互作用不顯著。模型F值為14.83，P<0.000 1，即模型回歸極顯著，失擬度F值為5.13，P=0.064 4，差異不顯著，說明該模型的擬合程度較好，外界未知因素對實驗的影響性小，可用于預測檸檬酸提取水溶性膳食纖維的最佳提取條件。

表3 回歸方程方差分析

2.2.3 各因素之間的交互作用分析

為了考察各交互項對實驗提取率的影響，采用響應面的模型降維分析，由圖5到圖10可清晰的觀察到各個因素對提取率的影響。觀察圖5，響應面坡度相對較陡，A(時間)50 min～60 min、B(溫度)70 ℃～80 ℃曲線逐漸上升。在60 min與80 ℃ 之間達到最大值，隨后曲線開始下降，這是因為隨著提取時間的延長和提取溫度的上升，柚葉中的物質(zhì)開始熔融，形成可移動的粒子，在60 min，80 ℃ 時實驗所要提取的物質(zhì)充分分離，達到最大值，此時的最大值均大于時間與溫度的單因素實驗，說明兩者的交互作用顯著，促進了膳食纖維的提取，當時間大于60 min，溫度超過80 ℃時，由于柚葉中的其他物質(zhì)的分解抑制了膳食纖維的分解，導致提取率下降。

觀察圖10發(fā)現(xiàn)響應面坡度陡峭，C(液料比)為11～14 mL/g與D(濃度)從6%～8%時，響應面曲線上升較快，在料液比為14 mL/g、濃度為8%時達到頂峰，此時的峰值均大于單因素試驗的最大值，表明液料比與檸檬酸濃度的交互作用顯著。超過頂峰后曲線坡度開始下降，下降曲線較為平緩，分析其原因為在酸提濃度較低時，物質(zhì)中的大部分膳食纖維不能被提取出，再加上此時液料比較小，溶液過于飽和，導致提取率低，隨著濃度與液料比的增大，柚葉中的膳食纖維被充分提取，達到最大值，超過這個條件后隨著液料比的增加，溶液開始不飽和，柚葉中的其他物質(zhì)被繼續(xù)分解，限制了膳食纖維的提取，檸檬酸濃度的增加使部分被提取的膳食纖維被繼續(xù)分解，從而導致提取率開始下降。

圖5 提取時間與提取溫度對提取率的影響Fig. 5 Effect of extraction time and temperature on extraction rate

圖6 提取時間與液料比對提取率的影響Fig. 6 Effect of extraction time and liquid material ratio on extraction rate

圖7 提取時間與檸檬酸溶液濃度對提取率的影響Fig. 7 Effect of extraction time and concentration of citric acid solution on extraction rate

觀察圖6，圖7，圖8，發(fā)現(xiàn)響應面坡度較為平緩，等高線接近圓形，兩兩因素的交互作用對響應值的變化無較大的影響，說明AC、AD、BC與BD之間的交互作用不顯著，分析曲線的變化，發(fā)現(xiàn)溫度、濃度對響應值的影響為極顯著，液料比對響應值的變化為顯著，時間變化不顯著。

圖8 提取溫度與液料比對提取率的影響Fig. 8 Effect of extraction temperature and liquid material ratio on extraction rate

圖9 提取溫度與檸檬酸濃度對提取率的影響Fig. 9 Effect of extraction temperature and concentration of citric acid on extraction rate

圖10 液料比與檸檬酸濃度對提取率的影響Fig. 10 Effect of liquid ratio and citric acid concentration on extraction rate

2.2.4 最佳條件的確定與驗證

通過Design-Expert 8.0.5b軟件得出提取的最佳工藝條件為：時間59.26 min、溫度為83.58 ℃、液料比為14.70 mL/g和濃度為8.34%，此時的提取率為10.24%。結(jié)合實際情況確定為時間60 min、溫度84 ℃、液料比為15 mL/g，濃度為8%，為保證試驗的可靠性，重復最佳工藝條件5次，得到的平均提取率為10.15%，與預測值相對誤差為0.88%，表明該模型能較好的預測柚葉水溶性膳食纖維的提取率。

2.2.5 理化特性值

通過試驗測定柚葉水溶性膳食纖維的膨脹力以及持水力，得到其膨脹力為9.63 g/g，持水力為4.77 mL/g，說明柚葉水溶性膳食纖維具有良好的膨脹力和持水力，可作為添加劑使用，以增加飽腹感。

3 結(jié)論

以柚葉粉末為原料，提取水溶性膳食纖維，選取提取時間、提取溫度、液料比和檸檬酸濃度作為參數(shù)進行單因素試驗，確定各工藝因素對水溶性膳食纖維提取率的影響。通過響應面進行優(yōu)化，得到最佳提取條件為提取時間60 min、提取溫度84 ℃、液料比15 mL/g 和檸檬酸濃度8%，此時提取率為10.15%，與預測值相對誤差為0.88%，說明建立的模型穩(wěn)定可靠。柚葉水溶性膳食纖維的膨脹力為9.63 g/g，持水力為4.77 mL/g。