響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助提取紅參渣中不溶性膳食纖維工藝

王祿，張宇，孟慶偉

1.吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院（長(zhǎng)春 130012）；2.長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院（長(zhǎng)春 130021）；3.吉林加一健康產(chǎn)業(yè)股份有限公司（長(zhǎng)春 130012）

人參是五加科植物，學(xué)名Panax ginseng，在我國(guó)的應(yīng)用有4 000多年歷史。人參中含有復(fù)雜多樣的化學(xué)成分，其中最主要的活性成分是人參皂苷[1-2]。中醫(yī)學(xué)認(rèn)為，人參具有大補(bǔ)元?dú)?、?fù)脈固脫、補(bǔ)脾益腎、生津養(yǎng)血、安神益智之功效[3]。現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明人參具有抗腫瘤、改善心血管系統(tǒng)、抗炎、抗過敏、抗衰老等作用[4-7]。人參加工制品中，紅參是主要的加工品種，鮮人參的70%被用來加工紅參[8]。由于含有較多的稀有人參皂苷如Rg3和Rh2，所以通常紅參被認(rèn)為比白參具有更強(qiáng)的藥物活性[9]。在紅參的全部加工品中，紅參膏由于其在食品工業(yè)中應(yīng)用面比較廣而被認(rèn)為是最重要的紅參產(chǎn)品。紅參膏主要由人參皂苷和酸性多糖構(gòu)成，可以直接通過熱水提取或乙醇水溶液提取獲得[10]。水不溶性的紅參渣，是這種提取過程的副產(chǎn)物，通常是作為廢物丟棄，不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)造成環(huán)境污染[11]。紅參渣中不只含有大量膳食纖維，還含有淀粉、蛋白質(zhì)、皂苷等成分[12]。

膳食纖維（DF）通常來自一些谷物、水果、蔬菜和豆類，是一種具有有益生理特性的碳水化合物聚合物[13]。DF對(duì)人體小腸的消化和吸收具有抗性，而在大腸中可以部分或完全發(fā)酵。近年來，由于具有較低的價(jià)格而且具有對(duì)人體健康有益的生理作用，比如減低糖尿病、結(jié)腸癌、動(dòng)脈硬化和心血管疾病等的風(fēng)險(xiǎn)，因而DF獲得學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注[14-15]。根據(jù)水溶性不同，DF被分為可溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）。IDF主要成分包括纖維素、木質(zhì)素和不溶性半纖維素，具有高吸水膨脹能力和持水能力，可以增強(qiáng)飽腹感，降低肥胖、結(jié)腸癌和便秘風(fēng)險(xiǎn)。紅參渣與人參渣一樣含有豐富IDF[12]，可以作為IDF來源。

膳食纖維的實(shí)驗(yàn)室提取工藝主要包括化學(xué)法和酶法[16-17]，而在工業(yè)生產(chǎn)中，堿法提取工藝被廣泛采用，原因在于此種工藝操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低[18]。超聲波輔助提取技術(shù)作為一種新興的物理加工方法，因其具有機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)、熱效應(yīng)及協(xié)同作用，廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物與食品中生物活性成分提取[19]，這種提取方法操作簡(jiǎn)單，可顯著縮短提取時(shí)間。試驗(yàn)采用超聲波輔助堿法提取紅參渣中IDF工藝，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，確定最佳提取工藝，為紅參渣IDF工業(yè)化提取工藝的建立提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

紅參渣（長(zhǎng)白加一生態(tài)科技有限公司紅參膏加工過程中產(chǎn)生的廢棄物）；熱穩(wěn)定α-淀粉酶、蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶（愛爾蘭Megazyme公司）；純凈水；其他試驗(yàn)（均為分析純，北京化學(xué)試劑公司）。

FW-100型高速萬能粉碎機(jī)（天津泰斯特儀器有限公司）；HH-6型恒溫水浴鍋（北京華瑞新成科技有限公司）；SHZ-D型循環(huán)水真空泵（鞏義市予華儀器有限公司）；DZF-6050型真空干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；08-2G型恒溫磁力攪拌器（上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司）；SHA-B型水浴恒溫振蕩器（常州國(guó)華儀器有限公司）；KQ2200DV型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程

紅參渣（含水量7.94%）→粉碎（60目）→超聲輔助提取→過濾→水洗（pH 7.0）→干燥（60 ℃，24 h）→粉碎（60目）→紅參渣IDF提取物

1.2.2 單因素試驗(yàn)

首先進(jìn)行單因素試驗(yàn)，考察提取溫度A（℃）、提取時(shí)間B（min）、液固比C（mL/g）和NaOH溶液濃度D（%）對(duì)IDF得率的影響，每個(gè)因素取6個(gè)水平，考察各個(gè)因素對(duì)IDF得率的影響。

1.2.2.1 提取溫度的選擇

設(shè)定液固比10∶1 mL/g，提取時(shí)間60 min，NaOH溶液濃度1.0%，提取溫度分別為30，40，50，60，70和80 ℃，考察不同提取溫度對(duì)IDF得率的影響。

1.2.2.2 提取時(shí)間的選擇

設(shè)定液固比10∶1 mL/g，提取溫度60 ℃，NaOH溶液濃度1%，提取時(shí)間分別為20，40，60，80，100和120 min，考察不同提取時(shí)間對(duì)IDF得率的影響。

1.2.2.3 液固比的選擇

設(shè)定提取時(shí)間80 min，提取溫度60 ℃，NaOH溶液濃度1.0%，液固比分別設(shè)定為5∶1，10∶1，15∶1，20∶1，25∶1和30∶1 mL/g，考察不同液固比對(duì)IDF得率的影響。

1.2.2.4 堿液濃度的選擇

設(shè)定液固比20∶1 mL/g，提取時(shí)間80 min，提取溫度60 ℃，NaOH溶液濃度分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%和3.0%，考察不同堿液濃度對(duì)IDF得率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理，在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選定提取溫度A（℃）、提取時(shí)間B（min）、液固比C（mL/g）、堿液濃度D（%）4個(gè)因素為自變量，紅參IDF的得率為響應(yīng)值，每個(gè)因素取3個(gè)水平，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表

1.2.4 不溶性膳食纖維得率的計(jì)算方法

式中：W1和W分別為紅參渣提取物中IDF與紅參渣原料不含水樣品質(zhì)量，g。

1.2.5 不溶性膳食纖維含量的計(jì)算方法

紅參渣提取物中IDF含量按照GB/T 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測(cè)定》方法進(jìn)行計(jì)算。

1.3 數(shù)據(jù)分析

每次試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。利用軟件Excel 2007和Design-Expert 8.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 提取溫度對(duì)IDF提取率的影響

由圖1（a）可知，在紅參渣IDF提取過程中，隨著超聲波輔助提取溫度增加，紅參渣IDF得率逐漸增加，在提取溫度60 ℃時(shí)IDF得率達(dá)到最大，超過60 ℃之后IDF得率開始下降。這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)，達(dá)到溶解平衡的時(shí)間較長(zhǎng)，造成IDF得率較低；提取溫度超過60 ℃時(shí)，由于高溫導(dǎo)致IDF發(fā)生降解，從而造成IDF得率降低。因此，超聲波輔助提取紅參渣IDF的溫度選擇60 ℃左右較合適。

2.1.2 提取時(shí)間對(duì)IDF提取率的影響

由圖1（b）可知，在紅參渣IDF提取過程中，隨著超聲波輔助提取時(shí)間增加，IDF得率逐漸增加，提取時(shí)間80 min時(shí)達(dá)到最大值，超過80 min之后IDF得率開始下降，這是由于提取時(shí)間較短時(shí)，IDF在溶劑中尚未達(dá)到溶解平衡，造成IDF得率較低；超聲波提取時(shí)間超過80 min后由于超聲波的機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致IDF發(fā)生降解，聚合度降低，從而造成IDF得率下降。因此，超聲波輔助提取紅參渣IDF的時(shí)間選擇90 min左右較合適。

圖1 單因素對(duì)IDF得率的影響

2.1.3 液固比對(duì)IDF提取率的影響

由圖1（c）可知，隨著溶劑與紅參渣液固比增加，紅參渣IDF得率逐漸增加，液固比20∶1（mL/g）時(shí)IDF得率達(dá)到最大值，隨著液固比進(jìn)一步增加，IDF得率逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谔崛∵^程中，溶劑用量較低時(shí)，由于IDF不能與溶劑充分接觸，造成得率偏低；溶劑用量過量時(shí)，會(huì)造成提取效率降低，而且會(huì)增加后處理的能耗。綜合考慮，超聲波輔助提取紅參渣IDF的液固比選擇20∶1（mL/g）左右較合適。

2.1.4 堿液濃度對(duì)IDF提取率的影響

由圖1（d）可知，隨著氫氧化鈉溶液濃度增加，紅參渣IDF得率逐漸增加，堿液濃度1.0%時(shí)IDF得率達(dá)到最大，隨著堿液濃度進(jìn)一步增加，IDF得率逐漸降低。這是因?yàn)檩^低的堿液濃度有利于IDF的提取，堿液濃度較高時(shí)，由于氫氧化鈉的氧化作用，對(duì)纖維素和半纖維素氫鍵造成破壞，從而影響了IDF得率。因此，超聲波輔助提取紅參渣IDF的堿液濃度選擇1.0%左右較合適。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取提取溫度（A）、提取時(shí)間（B）、液固比（C）和堿液濃度（D）作為主要因素，以紅參IDF得率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用Design-Expert 8.0軟件，按照Box-Behnken中心組合原理設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果見表2，方差分析結(jié)果見表3。

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，可以建立關(guān)于紅參IDF得率（Y）的二次回歸方程：Y=56.97+0.74A+0.65B+0.97C+0.66D-0.71AB-0.30AC-0.23AD-0.55BC-0.51BD-0.23CD-1.34A2-0.49B2-0.60C2-0.93D2。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

從表3方差分析的結(jié)果可知，此二次回歸方程的模型項(xiàng)F值為29.52，p＜0.001，表明此模型達(dá)到極顯著的水平；R2=0.971 8，表明所建立的模型具有較好的擬合程度；失擬項(xiàng)p=0.186 6，表明失擬項(xiàng)不顯著，IDF得率可用二次方程進(jìn)行預(yù)測(cè)。二次回歸方程影響極顯著的因素包括A、B、C、D這4個(gè)一次項(xiàng)、AB、BC、BD這3個(gè)交互項(xiàng)、A2、B2、C2這3個(gè)二次項(xiàng)；影響顯著的因素包括D21個(gè)二次項(xiàng)；其他項(xiàng)影響不顯著。根據(jù)F值可知影響IDF得率的4個(gè)因素的主次順序?yàn)镃＞A＞D＞B，即液固比對(duì)IDF得率的影響最大，提取溫度和堿液濃度的影響次之，提取時(shí)間的影響最小。

表3 回歸模型的方差分析和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

圖2使用三維響應(yīng)面預(yù)測(cè)自變量和因變量之間的關(guān)系。其他變量保持零水平時(shí)，響應(yīng)面圖描繪試驗(yàn)范圍內(nèi)的2個(gè)變量之間的關(guān)系。

圖2 各因素交互作用對(duì)IDF得率影響的響應(yīng)面圖

對(duì)IDF得率取最大值，Design-Expert 8.0軟件建議的紅參渣中IDF最佳提取工藝為：液固比23.57∶1 mL/g、超聲波提取溫度61.74 ℃、提取時(shí)間80.06 min、堿液濃度1.12%。此條件下IDF得率最大為57.46%。為方便試驗(yàn)操作，選取液固比24∶1 mL/g、超聲波提取溫度62 ℃、提取時(shí)間80 min、堿液濃度1.1%，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，IDF得率平均值為57.39%，接近理論值，驗(yàn)證試驗(yàn)表明，此模型能很好地反映預(yù)期的優(yōu)化效果。

3 結(jié)論與討論

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面優(yōu)化紅參渣中IDF的超聲波輔助提取工藝，得到最佳提取條件：液固比24∶1 mL/g、超聲波提取溫度62 ℃、堿液濃度1.1%、提取時(shí)間80 min。在此條件下紅參渣中IDF的得率為57.39%，理論上得率（57.46%）與實(shí)際提取得率之間的差異微小，表明超聲波輔助堿法提取紅參渣中IDF的工藝可行，此工藝可為紅參渣中IDF提取和應(yīng)用提供理論參考。