響應(yīng)面法優(yōu)化湘西蜜桔皮水溶性膳食纖維提取工藝

邱小燕， 劉 優(yōu)， 鄭 桃， 田玉橋

（1.懷化學(xué)院生物與食品工程學(xué)院；2.湖南省博世康中醫(yī)藥有限公司，湖南懷化 418008）

湘西盛產(chǎn)蜜桔，種植面積廣[1].蜜桔皮是蜜桔的主要加工副產(chǎn)物，但大部分蜜桔皮沒有得到合理的利用，丟棄后不僅造成資源浪費，也會污染環(huán)境.蜜桔皮中富含水溶性膳食纖維（Soluble dietaryfiber，SDF）[2]，SDF 在小腸中很難消化吸收，但在大腸中會發(fā)生酵解[3]，具有降血脂、降膽固醇，預(yù)防和治療心腦血管疾病、調(diào)節(jié)腸道菌群等功效[4-6].因此，提取蜜桔皮SDF，既可以充分利用蜜桔資源，又可以減少環(huán)境污染.李紅霞等[7]發(fā)現(xiàn)發(fā)酵法提取SDF安全、成本低，但對菌種要求比較高.金毓峑等[8]得出酶解法提取SDF消耗低，但可控性差.李露等[9]的研究表明利用酸法提取SDF，制備成本低，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn).丁潔等[10]選取食品添加劑酒石酸為溶劑，采用正交試驗優(yōu)化柑橘皮中SDF，提取率達(dá)25.4%.

響應(yīng)面分析法（Response surface methodology，RSM）利用合理的試驗設(shè)計方法獲得數(shù)據(jù)，并采用多元二次回歸方程擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過分析回歸方程從而尋求最佳工藝參數(shù)，解決多變量問題，提高優(yōu)化效率[11].

本研究以湘西蜜桔皮為原料，酒石酸為提取溶劑，以溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、加熱回流時間和料液比為因素，以SDF提取率為優(yōu)化指標(biāo)，采用響應(yīng)面分析法，優(yōu)化湘西蜜桔皮SDF提取工藝，為湘西蜜桔的合理開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 材料

蜜桔皮購于懷化佳惠超市，65℃烘干，粉碎后過60目篩備用.酒石酸、乙醇均為分析級，購于懷化科之源化工儀器有限公司.

1.2 試驗方法

1.2.1 湘西蜜桔皮SDF提取的工藝流程

蜜桔皮→烘干（65℃）→粉碎→過篩（60目）→取樣→加酒石酸溶液浸泡2 h→加熱回流→抽濾→濾液濃縮→乙醇沉淀→抽濾得濾渣→65℃恒溫干燥→恒重→成品SDF

表1 響應(yīng)面因素水平表

1.2.2 操作要點

選取粉碎過60目篩的湘西蜜桔皮粉末，準(zhǔn)確稱取10 g的蜜桔皮置于500 mL的圓底燒瓶中，按照試驗設(shè)計分別加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酒石酸溶劑，浸泡2h，在80℃水浴條件下加熱回流，然后進(jìn)行真空抽濾，將湘西蜜桔皮渣與溶液分離，收集濾液并濃縮，加入4倍體積的95%的乙醇靜置，乙醇沉淀出湘西蜜桔皮SDF，過濾并將濾渣烘干恒重，計算湘西蜜桔皮SDF得率[12].

式中：Y，表示SDF得率，%；M1，表示SDF產(chǎn)物質(zhì)量，g；M表示樣品總質(zhì)量，g.

1.2.3 單因素試驗

設(shè)定加熱回流時間為1.5 h，料液比（原料的質(zhì)量/g∶酒石酸的體積/mL）為1：16，考察酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%、5%時對湘西蜜桔皮SDF得率的影響.

設(shè)定酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，料液比為1∶16，考察加熱回流時間為 0.5、1、1.5、2、2.5 h 時對湘西蜜桔皮 SDF得率的影響.

設(shè)定酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，加熱回流時間為1.5 h，考察料液比為 1∶8、1∶12、1∶16、1∶20、1∶24 g·mL-1時對湘西蜜桔皮SDF得率的影響.

1.2.4 響應(yīng)面試驗設(shè)計

基于單因素試驗結(jié)果及Box-Behnken試驗設(shè)計原理，運用Design-Expert 8.0.6軟件，設(shè)計響應(yīng)面試驗，選取加熱回流時間、料液比、酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個因素作為自變量，以湘西蜜桔皮SDF得率為響應(yīng)值，進(jìn)一步優(yōu)化提取工藝，響應(yīng)面因素和水平表見表1.

1.2.5 數(shù)據(jù)分析處理

單因素試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel軟件分析作圖，響應(yīng)面試驗數(shù)據(jù)分析應(yīng)用Design-Expert8.0.6軟件分析并繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對湘西蜜桔皮SDF得率的影響

由圖1可知，當(dāng)溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%～4%時，湘西蜜桔皮SDF隨著溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而呈上升趨勢，當(dāng)溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～5%時，SDF得率則不斷下降，在溶劑為4%時達(dá)到最大值.原因可能是溶劑質(zhì)量分組過低時，湘西蜜桔皮粉末中的膳食纖維分解較慢，SDF提取不充分，隨著溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，膳食纖維分解速率加快，原果膠水解成水溶性果膠，湘西蜜桔皮SDF得率隨之增加.SDF得率達(dá)到峰值后逐漸下降，可能是因為溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高抑制了膳食纖維的分解，或者是因為湘西蜜桔皮粉末中的蛋白質(zhì)變性，SDF被包裹不能釋放出來，導(dǎo)致得率下降[10].因此，溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇3%、4%、5%進(jìn)行響應(yīng)面試驗優(yōu)化.

圖1 酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對湘西蜜桔皮SDF得率的影響

2.2 料液比對湘西蜜桔皮SDF得率的影響

由圖 2 可知，當(dāng)料液比在 1∶8～1∶20 g·mL-1時，湘西蜜桔皮 SDF 得率快速上升，當(dāng)料液比在 1∶20～1∶24 g·mL-1時，SDF 得率呈下降趨勢，料液比在 1∶20 g·mL-1時，SDF得率達(dá)到峰值.這可能是因為料液比較低時，SDF無法被酸提取，隨著料液比增大，SDF溶解量增大，但料液比過大時，SDF不再溶解，還會增大乙醇沉淀過程中的損失，導(dǎo)致湘西蜜桔皮SDF得率下降[13].因此，料液比選擇 1∶16、1∶20、1∶24 g·mL-1進(jìn)行優(yōu)化.

圖2 料液比對湘西蜜桔皮SDF得率的影響

2.3 加熱回流時間對湘西蜜桔皮SDF得率的影響

圖3 加熱回流時間對湘西蜜桔皮SDF得率的影響

由圖3可知，采用加熱回流時間為2 h時，酒石酸法提取蜜桔皮SDF的效果最佳.當(dāng)加熱時間≤2 h時，湘西蜜桔皮SDF得率隨著料液比的增大而快速上升.當(dāng)加熱時間為2～2.5 h時，SDF得率逐漸下降，在時間為2 h時達(dá)到最大值，可能是因為膳食纖維隨著加熱回流時間的延長逐漸被分解，但加熱回流時間過長時，湘西蜜桔皮中別的成分被分解并游離出來，阻礙膳食纖維的水解，導(dǎo)致 SDF 得率降低[14]，因此，選擇 1.5、2、2.5 h進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化.

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果與分析

2.4.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果分析

選擇酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A）、料液比（B）、加熱回流時間（C）為評價因素，湘西蜜桔皮SDF得率（Y）為響應(yīng)值，進(jìn)行3因素3水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗分析，具體試驗結(jié)果及分析如表2和表3所示.

2.4.2 二次回歸模型的建立及顯著性分析

將響應(yīng)面試驗數(shù)據(jù)用Design-Expert8.0.6軟件進(jìn)行回歸擬合，得到以A、B、C為自變量，以湘西蜜桔皮SDF得率Y為響應(yīng)值的二次多項回歸方程：

由表3對回歸模型的方差分析可知，此回歸模型顯著（P＜0.05），失擬項極顯著（P＜0.01），表明湘西蜜桔皮SDF提取的試驗?zāi)Ｐ团c實際方法擬合度較高，C、AC、C2對響應(yīng)值的影響顯著（P＜0.05），A、B、AB、BC、B2、C2對響應(yīng)的影響不顯著，3因素對湘西蜜桔皮SDF得率的影響不是簡單的線性關(guān)系，可以用此響應(yīng)模型對酒石酸法提取湘西蜜桔皮SDF的條件進(jìn)行預(yù)測.實驗因素對湘西蜜桔皮SDF得率的影響主次順序依次為：加熱回流時間（C）＞酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A）＞料液比（B）.

2.4.3 響應(yīng)面和等高線圖分析

響應(yīng)曲面如圖4，實驗因素對響應(yīng)值的影響體現(xiàn)在等高線的陡峭和密集程度上，對湘西蜜桔皮SDF得率的影響越大，則響應(yīng)面越陡峭[15].C和A的曲面陡峭且密集，沿B軸向的曲面等高線稀疏，這與表3的方差分析結(jié)果一致.湘西蜜桔皮SDF得率隨著加熱回流時間的延長呈顯著增大的趨勢，隨著加熱回流時間的繼續(xù)延長，蜜桔皮SDF提取率呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，在加熱回流時間≥2 h的范圍，加熱回流時間對SDF得率的影響減小，料液比對湘西蜜桔皮SDF得率的影響最不顯著.

表2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

表3 回歸模型方差分析表

2.5 最佳工藝條件預(yù)測與驗證

圖4 因素交互作用對湘西蜜桔皮SDF得率影響的響應(yīng)面及等高線圖

用Design-Expert8.0.6軟件對湘西蜜桔皮SDF提取實驗結(jié)果分析優(yōu)化，得到最佳工藝條件為：加熱回流時間為2.33 h、溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.3%、料液比為1∶16.4 g·mL-1，在此條件下，湘西蜜桔皮SDF得率為33.7%.為方便實際的實驗操作，采用加熱回流時間為2.3 h、溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù) 3%、料液比 1∶16 g·mL-1，為減少誤差，保證篩選的工藝條件可靠，進(jìn)行三次驗證實驗，得到湘西蜜桔皮SDF的平均得率為33.2%，表明該響應(yīng)模型能很好的預(yù)測湘西蜜桔皮SDF的得率.

3 結(jié)論

綜上所述，響應(yīng)面優(yōu)化酒石酸法提取湘西蜜桔皮SDF的最佳工藝為：加熱回流時間為2.3 h、溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、料液比1∶16 g·mL-1，湘西蜜桔皮SDF得率為33.2%，模型穩(wěn)定可靠，本研究為湘西蜜桔綜合開發(fā)利用提供了科學(xué)依據(jù).