Box-Behnken設計優(yōu)化不老莓果渣不溶性膳食纖維提取工藝研究

張 卉, 楊楠楠, 劉姝含, 臧淑艷

(1.沈陽化工大學 制藥與生物工程學院, 遼寧 沈陽 110142; 2.沈陽化工大學 理學院, 遼寧 沈陽 110142)

不老莓(Aroniaprunifolia‘Viking’),又名野櫻莓,原產(chǎn)于北美,已有近百年的栽培歷史,20世紀90年代首次引入我國,是一種集食用、藥用、園林和生態(tài)等價值于一身的經(jīng)濟樹種[1-3].不老莓的果實中營養(yǎng)豐富,還富含花青素、花色苷、黃酮等生物活性成分[4-5],具有預防心腦血管疾病、保肝、免疫調節(jié)、保護胃黏膜[6-9]等功效,是果汁、果酒及功能性食品生產(chǎn)的優(yōu)質原料.在不老莓的加工過程中會產(chǎn)生大量的果渣,由于其果渣中鞣質含量較高,酸澀味嚴重,使其開發(fā)應用受到一定限制.經(jīng)過前期研究發(fā)現(xiàn),不老莓果渣中含有豐富的膳食纖維(dietary fiber,DF),其中以不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber,IDF)為主.膳食纖維可以預防心血管疾病、癌癥、糖尿病以及其他疾病[10].近年來,膳食纖維的缺乏問題,已不是個體問題,而成為一個公眾問題.未來,膳食纖維作為功能性食品配料和添加劑在食品、藥品等領域有廣闊的應用前景.

膳食纖維提取的常用方法有酶法、化學法和酶-化學法等.采用單一化學法制得的膳食纖維產(chǎn)品色澤較差,不易漂白[11].采用酶法制備膳食纖維,生產(chǎn)成本相對較高.作為一種新興的物理加工方法,超聲波輔助提取技術,因其具有空化效應、機械效應、熱效應以及協(xié)同效應等復合優(yōu)勢[12],所以具有操作簡便、提取率高、提取時間較短等優(yōu)點[13],在天然產(chǎn)物活性成分提取等方面應用廣泛.目前膳食纖維的提取主要以大豆、花生殼、麥麩和一些水果皮渣為原料,而關于不老莓膳食纖維的研究尚未見報道.因此,不老莓不溶性膳食纖維提取工藝的優(yōu)化,將為進一步進行其功能性、改性方法等方面的研究,以及開發(fā)功能性食品奠定基礎.

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

不老莓果渣,遼寧華益農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司;耐酸耐高溫α-淀粉酶,酶活力2×104U/mL,浙江瑪雅試劑有限公司;糖化酶,酶活力1×105U/mL,上海源葉生物科技有限公司;木瓜蛋白酶,酶活力800 U/mg,浙江瑪雅試劑有限公司;氫氧化鈉,分析純,西隴化工股份有限公司.

A11BS25型分析用研磨機,德國IKA公司;DZF-6050SA真空干燥箱,上海譜振生物有限公司;KH-250B超聲波清洗器,昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司;HHS-S型電子恒溫不銹鋼水浴鍋,上?？德穬x器裝備有限公司;T200Y型電子天平,昆山天金崗金屬制品有限公司;H1650離心機,湘儀離心機儀器有限公司.

1.2 試驗方法

1.2.1 APIDF提取工藝

不老莓果渣經(jīng)水洗、干燥、粉碎、過篩(40目)后,采用超聲輔助堿液處理;混合物經(jīng)水洗、干燥、粉碎后,即得APIDF.

1.2.2 單因素試驗

以氫氧化鈉質量分數(shù)、氫氧化鈉作用時間、氫氧化鈉作用溫度、超聲功率為考察因素,通過改變單一因素來探討其對APIDF提取率的影響.氫氧化鈉質量分數(shù)分別為2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%;氫氧化鈉作用時間分別為30 min、60 min、90 min、120 min、150 min;氫氧化鈉作用溫度分別為20 ℃、35 ℃、50 ℃、65 ℃、80 ℃;超聲功率分別為100 W、175 W、250 W、325 W.

1.2.3 APIDF提取條件的優(yōu)化試驗

采用Box-Behnken設計方法和Design-Expert軟件,以APIDF提取率為響應值進行響應面優(yōu)化試驗,因素水平表見表1.

表1 響應面因素水平表Table 1 Response surface factors and levels

1.2.4 APIDF測定純度的方法及提取率的計算

按照GB/T 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》進行檢測.

(1)

其中：m1為不溶性膳食纖維干質量,g;m2為不老莓果渣干質量,g.

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有試驗設置3次重復,并通過SPSS 17.0軟件進行方差分析,試驗結果用Origin 9.0軟件繪圖.

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 氫氧化鈉質量分數(shù)對APIDF提取率的影響

由圖1可見,APIDF的提取率隨著氫氧化鈉質量分數(shù)的增加而呈現(xiàn)下降趨勢.原因在于當質量分數(shù)超過一定值時,破壞了相對惰性的纖維素結構,提取出來的纖維素類物質變成堿纖維素[14],使不溶性膳食纖維的純度降低.此外,不溶性膳食纖維部分降解,生成水溶性低聚糖或單糖.二者皆導致APIDF提取率下降[15].

圖1 氫氧化鈉質量分數(shù)對APIDF提取率的影響Fig.1 Effect of sodium hydroxide concentration on the extraction rate of APIDF

2.1.2 氫氧化鈉處理時間對APIDF提取率的影響

由圖2可見：當超聲波輔助氫氧化鈉處理時間由30 min延長至60 min時,提取率略微升高,這可能是由于超聲波產(chǎn)生的復合效應,使細胞壁結構遭到破壞,細胞內水分子運動加劇,增強了物料和水溶液之間的接觸[16];提取時間超過60 min后,由于超聲波的復合效應,導致IDF降解率提高,纖維素聚合度減小,因而APIDF的提取率降低.

圖2 氫氧化鈉處理時間對APIDF提取率的影響Fig.2 Effect of sodium hydroxide processing time on the extraction rate of APIDF

2.1.3 氫氧化鈉作用溫度對APIDF提取率的影響

氫氧化鈉作用溫度對APIDF提取率的影響見圖3.

圖3 氫氧化鈉作用溫度對APIDF提取率的影響Fig.3 Effect of reaction temperature of sodium hydroxide on the extraction rate of APIDF

由圖3可見：APIDF的提取率隨著氫氧化鈉作用溫度的升高,呈先升高再降低后略微升高的趨勢.在20～35 ℃時APIDF的提取率變化不明顯;當提取溫度超過35 ℃,APIDF的化學結構可能會因超聲復合效應發(fā)生部分降解,如結構中的主要成分纖維素與半纖維素降解為低聚糖,再降解成單糖,木質素將降解成酚類物質[17],因而導致APIDF提取率下降.

2.1.4 超聲波功率對APIDF提取率的影響

由圖4可見：APIDF的提取率隨著超聲波功率的增大,呈先升高后降低的趨勢.超聲功率為175 W時提取率達到最大.這可能是由于高功率的超聲波產(chǎn)生較強的復合效應,細胞的細胞壁更易破裂,提高了APIDF進入溶劑的速率,但是過大的超聲功率,會強化空化效應,導致溶液局部高溫,膳食纖維分子易被破壞[18],從而造成提取率下降.

圖4 超聲功率對APIDF提取率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on the extraction rate of APIDF

2.2 響應面優(yōu)化試驗結果

2.2.1 回歸模型的構建及方差分析

APIDF提取試驗設計方案以及結果見表2,回歸方差分析見表3,擬合所得多元二次回歸方程為：

表2 響應面試驗設計和試驗結果Table 2 Response surface test design and test results

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of regression model variance

續(xù)表

Y=39.03-1.25A-1.30B-

0.89C-1.84AB-0.59AC-0.87BC-

0.82A2-3.13B2-2.55C2.

(2)

由表3可見：此回歸模型達到極顯著水平(P<0.01),說明此方法可靠;失擬項不顯著,R2=0.969 9,表明該模型的擬合度良好,即可以用該模型進行分析、預測APIDF提取率.通過對比表3中的F值可以看出,影響APIDF提取率的主次順序為：B>A>C,即氫氧化鈉作用溫度>氫氧化鈉質量分數(shù)>超聲功率.

2.2.2 各因素間的交互作用分析

響應面優(yōu)化試驗中各因素間交互作用的分析結果見圖5.

圖5 每兩因素交互作用的響應面Fig.5 Response surfaces of the interaction of each two factors

從響應面的陡峭程度與等高線的形狀可以看出：氫氧化鈉質量分數(shù)(A)和氫氧化鈉作用溫度(B)交互作用對APIDF提取率的影響極顯著;氫氧化鈉質量分數(shù)(A)和超聲功率(C)、氫氧化鈉作用溫度(B)和超聲功率(C)交互作用對APIDF提取率的影響不顯著.

2.2.3 最優(yōu)條件的確定及驗證試驗

用Design-Expert 8.06軟件對試驗結果進行計算分析,得到APIDF制備的最優(yōu)工藝條件：氫氧化鈉質量分數(shù)為1.0%,氫氧化鈉作用溫度為42 ℃,超聲波功率為225 W,在此條件下得出APIDF提取率為37.25%.按照計算所得最優(yōu)條件進行3次驗證試驗,得到APIDF實測平均提取率為35.47%,與理論值的相對誤差為1.78%,樣品純度為90.04%(質量分數(shù)).說明該優(yōu)化提取工藝具有一定的實際可操作性.

3 討 論

膳食纖維是健康飲食不可缺少的一類營養(yǎng)素,具有十分重要的研究價值和廣闊的應用前景[19],而膳食纖維的提取是其進一步應用的基礎.張華等[20]采用化學法提取紅棗渣中IDF,其提取率為17.01%.程水明等[21]采用化學法提取桑椹果渣IDF,其提取率為28.77%.吳玨等[22]采用酶-化學法提取脫脂米糠IDF,其提取率為37.40%.王崇隊等[23]采用復合酶-堿法提取西蘭花老莖IDF,其提取率為33.54%.本研究采用超聲波輔助堿法提取APIDF,其提取率為35.47%,可見通過該工藝提取可獲得較好的提取率.迄今為止,尚未見到國內外文獻對不老莓果渣不溶性膳食纖維提取工藝研究的報道.本研究為進一步研究不老莓膳食纖維理化性質和改性奠定了基礎,也為不老莓加工副產(chǎn)物的資源化利用提供了新思路.