響應(yīng)面法優(yōu)化木薯渣可溶性膳食纖維提取工藝

付晶晶，藍(lán) 蔚，覃小珊，吳源夗，孫 健*

（1.廣西衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530021；2.廣西醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，廣西南寧 530021）

廣西是我國(guó)木薯淀粉的主要產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)量位居全國(guó)首位，占全國(guó)總產(chǎn)量的60%～70%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，廣西木薯加工企業(yè)有50多個(gè)，主要分布在南寧、欽州、北海等地。木薯加工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的木薯渣，即一種木薯淀粉加工廢棄物。據(jù)報(bào)道我國(guó)的木薯渣年產(chǎn)生量約為300 000 t，僅廣西就有近20萬(wàn)t。淀粉加工過(guò)程中產(chǎn)生的木薯渣由于水分含量高并富含營(yíng)養(yǎng)，在堆放、運(yùn)輸過(guò)程中極易滋生微生物，污染環(huán)境，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)氫氰酸[1]。

目前木薯渣主要通過(guò)以下幾種方法進(jìn)行處理：①發(fā)酵用來(lái)生產(chǎn)沼氣；②經(jīng)過(guò)一定的處理后作為動(dòng)物飼料，但要解決毒性問(wèn)題；③作為燃料直接燃燒；④用作真菌生產(chǎn)，作為菇類的培養(yǎng)基。這些方法直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低，處理量有限，仍有大量木薯渣無(wú)法利用，從而造成資源浪費(fèi)及環(huán)境污染?？紤]到木薯渣中含有大量纖維素，如果可以有效利用木薯渣提取膳食纖維，則不僅可以增加企業(yè)的生產(chǎn)附加值，同時(shí)也可以減少環(huán)境污染[2]。

膳食纖維又被稱為“第七大營(yíng)養(yǎng)素”，按照其能否在水中溶解分為水溶性膳食纖維及不溶性膳食纖維兩類[3]。水溶性膳食纖維主要用來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)體代謝[4]（碳水化合物、脂類代謝），與抑制血糖升高、降低血清膽固醇[5]等有密切聯(lián)系。目前膳食纖維提取原料主要有豆及谷物類[6]、果蔬[7]、菌類[8]等。以木薯及木薯渣為原料提取膳食纖維的研究較少。本研究以木薯淀粉生產(chǎn)中產(chǎn)生的木薯渣為實(shí)驗(yàn)原料，采用纖維素酶對(duì)其進(jìn)行水解獲取可溶性膳食纖維，應(yīng)用響應(yīng)面分析法優(yōu)化工藝，希望能夠提高木薯淀粉生產(chǎn)企業(yè)的收入，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也可以開(kāi)拓膳食纖維提取原料的資源。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯渣（木薯淀粉生產(chǎn)廢棄物）：由廣西隆安縣富達(dá)淀粉廠提供，原料經(jīng)烘干、粉碎后過(guò)50目篩網(wǎng)，得到木薯渣粉。無(wú)水乙醇、纖維素酶、檸檬酸和檸檬酸鈉等試劑均為分析純。

TDL-5-A離心機(jī)（上海安亭）；TS-110X30恒溫水浴搖床（上海科辰）。

1.2 方法

1.2.1 木薯渣中可溶性膳食纖維的提取方法

稱取10 g木薯渣粉，置于三角瓶中，加入一定體積檸檬酸緩沖溶液，攪拌均勻后置于一定溫度水浴中預(yù)熱10 min，加入一定量的纖維素酶，保溫一定時(shí)間后，酶解液于沸水浴中處理5 min后抽濾，濾液加入無(wú)水乙醇，加入比例為1∶4，靜置1 d，4 000 r·min-1離心20 min，收集沉淀，即為可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）。

1.2.2 可溶性膳食纖維含量測(cè)定

在60 ℃恒溫條件下，將分離得到的木薯渣SDF烘至質(zhì)量恒定后稱重，以10 g木薯渣粉中獲得的可溶性膳食纖維量表示SDF得率（g/10 g）。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

每次單因素實(shí)驗(yàn)分別選取一個(gè)因素作為變量，其他因素固定不變，分別按1.2.1中提供的方法進(jìn)行提取，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，測(cè)定木薯渣SDF得率。對(duì)各單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，選取各因素的較優(yōu)水平進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。

（1）pH對(duì)木薯渣SDF提取效果的影響。固定酶解溫度50 ℃，纖維素酶50 U·g-1，液料比1∶20，酶解時(shí)間4 h，在pH分別為4.0、4.4、4.8、5.2、5.6和6.0的緩沖環(huán)境中提取可溶性膳食纖維。

（2）料液比對(duì)木薯渣SDF提取效果的影響。固定酶解溫度50 ℃，pH為4.8，纖維素酶50 U·g-1，酶解時(shí)間4 h，分別以料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30和1∶35（g∶mL）提取可溶性膳食纖維。

（3）酶濃度對(duì)木薯渣SDF提取效果的影響。固定酶解溫度50 ℃，pH為4.8，纖維素酶50 U·g-1，料液比1∶20，酶解時(shí)間4 h，分別以酶制劑添加量為40 U·g-1、45 U·g-1、50 U·g-1、55 U·g-1、60 U·g-1和65 U·g-1提取可溶性膳食纖維。

（4）酶解溫度對(duì)木薯渣SDF提取效果的影響。固定pH為4.8，纖維素酶50 U·g-1，料液比1∶20，酶解時(shí)間4 h，分別以酶解溫度30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃和70 ℃為變量提取可溶性膳食纖維。

（5）酶解時(shí)間對(duì)木薯渣SDF提取效果的影響。固定酶解溫度50 ℃，pH為4.8，纖維素酶50 U·g-1，料液比1∶20，分別以酶解時(shí)間3 h、4 h、5 h和6 h為變量提取可溶性膳食纖維。

1.2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，選取4個(gè)因素，每個(gè)單因素選取較優(yōu)的3個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置4因素3水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，共27個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其中包含3個(gè)中心點(diǎn)，具體的響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素和水平詳見(jiàn)表1，其中1、0、-1代表各因素的高、中、低水平。運(yùn)用Design Expert軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，對(duì)木薯渣中SDF提取條件進(jìn)行優(yōu)化。

表1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 pH對(duì)木薯渣SDF得率的影響

pH對(duì)木薯渣SDF得率的影響見(jiàn)圖1，隨著pH值的增大，木薯渣SDF得率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。緩沖溶液pH在4.0～5.6時(shí)，木薯渣SDF得率變化較快，pH為5.6時(shí)SDF得率達(dá)到最大值，隨后木薯渣SDF得率隨pH升高而降低。因此，選取緩沖溶液pH為5.2、5.6、6.0這3個(gè)水平進(jìn)行后續(xù)的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。

圖1 pH對(duì)木薯渣SDF得率的影響

2.1.2 料液比對(duì)木薯渣SDF得率的影響

如圖2所示，隨著提取液的增加，木薯渣SDF得率整體處于上升趨勢(shì)，但后期增加趨勢(shì)趨緩。當(dāng)料液比處于1∶30（g∶mL）之前時(shí)，木薯渣SDF得率增加較快；持續(xù)增加提取液比例，木薯渣SDF得率增加速度逐漸減慢；這可能是由于當(dāng)料液比達(dá)到一定程度，大部分木薯渣SDF都已溶出，料液比的邊際效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)。另外料液比越大成本越高，基于木薯渣SDF得率與成本的雙重考慮，選擇料液比1∶25、1∶30、1∶35（g∶mL）3個(gè)水平值，進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。

圖2 料液比對(duì)木薯渣SDF得率的影響

2.1.3 酶濃度對(duì)木薯渣SDF得率的影響

如圖3所示，當(dāng)酶添加量低于50 U·g-1時(shí)，木薯渣SDF得率隨著酶濃度增加快速增大，繼續(xù)增加酶濃度，木薯渣SDF得率雖有增大，但較為平緩。最終選擇酶濃度 45 U·g-1、50 U·g-1、55 U·g-13 個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。

圖3 酶濃度對(duì)木薯渣SDF得率的影響

2.1.4 酶解溫度對(duì)木薯渣SDF得率的影響

如圖4所示，當(dāng)酶解溫度低于50 ℃時(shí)，木薯渣SDF得率隨著酶解溫度的增加而增加，但繼續(xù)增加酶解溫度，木薯渣SDF得率降低，這可能是由于高溫使酶失活導(dǎo)致，選擇酶解溫度40 ℃、50 ℃、60 ℃進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。

圖4 酶解溫度對(duì)木薯渣SDF得率的影響

2.1.5 酶解時(shí)間對(duì)木薯渣SDF得率的影響

如圖5所示，木薯渣SDF得率隨著酶解時(shí)間的增加而增加，但影響不大，基于木薯渣SDF得率與成本的雙重考慮，選擇酶解時(shí)間為5 h，直接設(shè)定為進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)中的固定值。

圖5 酶解時(shí)間對(duì)木薯渣SDF得率的影響

2.2 響應(yīng)面分析法優(yōu)化結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果

單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明時(shí)間對(duì)于SDF的影響不大，而pH、酶解溫度、料液比、酶濃度4個(gè)自變量對(duì)SDF的得率影響較大，因此響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)以這4種因素為響應(yīng)因子，每個(gè)因素取3個(gè)較優(yōu)水平，進(jìn)行響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到木薯渣SDF得率pH（A）、酶解溫度（B）、料液比（C）、酶濃度（D）的回歸模型 方 程：SDF=3.21-0.082A+0.015B+0.71C+1.16D-0.54AB+0.27AC+0.32AD-1.550×10-3BC-0.080BD+0.059CD-0.54A2-0.95B2-0.24C2+0.23D2

由于該回歸模型方程的大部分二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)值，推斷具有極大值點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.2.2 回歸方程的方差分析及系數(shù)顯著性分析

對(duì)依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到的上述方程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表可知F值=21.76，P值＜0.000 1，達(dá)到極顯著水平，失擬項(xiàng)的P值為0.060 2＞0.05，說(shuō)明該模型有效可靠。由F值判斷，影響木薯渣SDF得率的最主要因素為酶濃度，其次是料液比，最后為pH和酶解溫度。R2=0.962 1，表明96.21%的響應(yīng)值都可以用該模型解釋，R2Adj=0.917 9，說(shuō)明可信度較好。該回歸方程為木薯渣中可溶性膳食纖維的提取工藝條件提供了一個(gè)良好的模型。

表3 響應(yīng)面優(yōu)化回歸方程的方差分析

2.2.3 響應(yīng)面分析與優(yōu)化

通過(guò) Design Expert 8.0.6軟件對(duì)4個(gè)因素之間的交互作用進(jìn)行分析，見(jiàn)圖6～圖11。

圖6 pH與提取溫度對(duì)木薯渣SDF得率的響應(yīng)面

圖7 pH與料液比對(duì)木薯渣SDF得率的響應(yīng)面

圖8 pH與酶濃度對(duì)木薯渣SDF得率的響應(yīng)面

圖9 溫度與料液比對(duì)木薯渣SDF得率的響應(yīng)面

圖10 溫度與酶濃度對(duì)木薯渣SDF得率的響應(yīng)面

圖11 料液比與酶濃度對(duì)葉綠素得率的響應(yīng)面

分析圖6、圖7、圖8可知，當(dāng)pH低于5.8時(shí)隨著pH的增加木薯渣SDF得率不斷增大；pH繼續(xù)增大木薯渣SDF得率開(kāi)始下降。對(duì)圖6、圖9進(jìn)行分析，木薯渣SDF得率達(dá)到最高值時(shí)的提取溫度為50 ℃，超過(guò)該高溫度后木薯渣SDF得率開(kāi)始下降，這可能是由于高溫下酶活性受到影響。由圖7、圖9、圖11可知，隨著提取液的增加木薯渣SDF得率不斷增大，但增加到1∶34（g∶mL）以上時(shí)得率增速緩慢，但其提取成本會(huì)極大增加。由圖8、圖10、圖11可知，酶濃度對(duì)木薯渣SDF得率的影響是正向的，但酶濃度增加到53 U·g-1以上時(shí)，增速趨緩，出于酶添加量對(duì)提取成本的影響考慮，不會(huì)無(wú)限增加酶濃度。

通過(guò)軟件分析計(jì)算得出木薯渣SDF提取的理論最佳實(shí)驗(yàn)條件是pH值5.8、酶解溫度48.51 ℃、料液比1∶34.96（g∶mL）、酶濃度54.97 U·g-1，在此條件下，木薯渣SDF得率的理論值達(dá)到5.256 7 g/10 g原料。考慮到實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程的可行性，將理論最佳實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行微調(diào)。調(diào)整后工藝條件為pH值5.8，酶解溫度48 ℃，料液比1∶35（g∶mL），酶濃度55 U·g-1，通過(guò)3次平行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，求其平均值，評(píng)價(jià)響應(yīng)面法分析得到數(shù)據(jù)的可靠性。實(shí)測(cè)木薯渣SDF得率為5.392 2 g/10 g原料，與理論值相比，相對(duì)誤差為2.58%。因此，本研究得到木薯渣SDF提取條件的模型準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以木薯淀粉在生產(chǎn)過(guò)程中的廢棄物木薯渣為原料，通過(guò)酶法水解木薯渣中的膳食纖維，得到可溶性膳食纖維。對(duì)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，選取對(duì)SDF的得率影響較大的4個(gè)自變量為響應(yīng)因子，進(jìn)行了4因素3水平共的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了數(shù)學(xué)模型，得到了優(yōu)化后的木薯渣SDF提取的最優(yōu)工藝。影響木薯渣SDF得率的最主要因素為酶濃度，其次是料液比，最后為pH和酶解溫度。確定其最佳提取工藝條件為pH值5.8，酶解溫度48 ℃，料液比1∶35（g∶mL），酶濃度55 U·g-1，本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣吣臼碓脙r(jià)值，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用食品加工廢棄物資源提供了科學(xué)的理論依據(jù)，同時(shí)為膳食纖維提取原料開(kāi)拓了新的資源。