響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助堿法提取萵筍皮中的膳食纖維

關(guān)紅艷 楊夢(mèng)昕 宗寶 唐昭 付晶晶

摘 要：萵筍皮中含有豐富的膳食纖維，利用超聲輔助堿法提取萵筍皮中的可溶性膳食纖維，可以充分利用萵筍商品化過(guò)程中的廢棄物資源，對(duì)于環(huán)境保護(hù)、降低成本以及提高農(nóng)副產(chǎn)品附加值和經(jīng)濟(jì)效益都有重要的促進(jìn)作用。通過(guò)單因素試驗(yàn)探討堿液濃度、超聲提取時(shí)間、超聲提取溫度和料液比對(duì)萵筍皮中膳食纖維提取率的影響，運(yùn)用Box-Behnken原理設(shè)計(jì)4因素3水平的響應(yīng)面優(yōu)化分析試驗(yàn)，研究各因素及其交互作用對(duì)萵筍皮中可溶性膳食纖維提取率的影響，得到預(yù)測(cè)的回歸方程模型。分析響應(yīng)面確定最佳提取工藝參數(shù)為NaOH濃度6%、超聲提取時(shí)間40 min、超聲提取溫度65 ℃、超聲提取料液比1∶30。在此條件下試驗(yàn)得到的萵筍皮中可溶性膳食纖維提取率為17.63%，與理論值的相對(duì)誤差為0.34%。優(yōu)化得到的工藝參數(shù)可為萵筍皮可溶性膳食纖維的提取和利用提供參考。

關(guān)鍵詞：萵筍皮；可溶性膳食纖維；提取；響應(yīng)面法

Abstract： Lettuce peel contains rich dietary fiber. Extracting soluble dietary fiber from lettuce peel by ultrasonic-assisted alkaline method can fully utilize the waste resources during the commercialization process of lettuce， which plays an important role in promoting environmental protection， reducing costs， and improving the added value and economic benefits of agricultural by-products. A single factor experiment was conducted to investigate the effects of alkali concentration， ultrasonic extraction time， ultrasonic extraction temperature， and material liquid ratio on the extraction rate of dietary fiber from lettuce peel. A response surface optimization analysis experiment with 4 factors and 3 levels was designed using Box Behnken principle to study the effects of various factors and their interactions on the extraction rate of soluble dietary fiber from lettuce peel， and a predicted regression equation model was obtained. The optimal extraction process parameters were determined by response surface analysis as NaOH concentration of 6%， ultrasonic extraction time of 40 minutes， ultrasonic extraction temperature of 65 ℃， and ultrasonic extraction material liquid ratio of 1∶30. Under these conditions， the extraction rate of soluble dietary fiber in lettuce peel obtained from the experiment was 17.63%， with a relative error of 0.34% compared to the theoretical value. The optimized process parameters can provide reference for the utilization of soluble dietary fiber extraction from lettuce peel.

Keywords： lettuce peel; soluble dietary fiber; extraction; response surface methodology

膳食纖維由纖維素、木質(zhì)素、果膠、半纖維素及樹(shù)膠等組成[1]，是一種被營(yíng)養(yǎng)學(xué)界認(rèn)定為“第七類(lèi)營(yíng)養(yǎng)素”的多糖成分。膳食纖維包括通過(guò)物理法、化學(xué)法及酶法從食品原料中獲得的天然碳水化合物，也包括對(duì)人體有益的合成碳水化合物。膳食纖維價(jià)格較低，可以增加飽腹感、促排便以及調(diào)節(jié)腸道菌群動(dòng)態(tài)平衡，對(duì)人體健康大有益處，獲得了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注。膳食纖維在減肥[2]、降血糖[3]、抗腫瘤、降低膽固醇等方面的功效也得到了證實(shí)[4-6]。按照膳食纖維在水中溶解性的不同，可將其分為可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）和水不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）[7]。其中，可溶性膳食纖維對(duì)食品乳化和凝膠形成有重要作用，在飲料或食品中融入水溶性膳食纖維不僅可以增加飲料的黏稠度，更好地保留水分，而且不會(huì)影響其原有的味道[8]。其溶解快，無(wú)色無(wú)味，因此在食品工業(yè)中較水不溶性膳食纖維有著更廣泛的應(yīng)用，已成為保健食品行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品，不僅廣泛用于食品和飲料中，在調(diào)味品及果凍制品中也有應(yīng)用，市場(chǎng)需求較大。

萵筍（Lactuca sativa）屬菊科植物，又名萵苣、萵苣筍、青筍、千金菜等。萵筍營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，被中醫(yī)認(rèn)為具有清熱、利尿、涼血、通乳、增進(jìn)骨骼發(fā)育等功效，萵筍作為一種很適合鮮切加工處理的蔬菜[9]，具有很大的開(kāi)發(fā)價(jià)值。萵筍皮的重量占其總重量的30%～40%[10]，在萵筍商品化加工過(guò)程中，萵筍皮通常會(huì)作為廢棄物被丟棄，對(duì)萵筍皮的開(kāi)發(fā)和再利用不僅有助于促進(jìn)鮮切蔬菜加工產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)可以為萵筍加工副產(chǎn)物的綜合開(kāi)發(fā)利用提供新的路徑和方法，對(duì)于提高萵筍的附加值及經(jīng)濟(jì)效益尤為重要。本研究以新鮮萵筍皮為試驗(yàn)原料，采用超聲波輔助堿法提取萵筍皮中的可溶性膳食纖維，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)條件用Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，確定最優(yōu)提取工藝參數(shù)，為萵筍皮中可溶性膳食纖維的提取利用提供試驗(yàn)依據(jù)及理論基礎(chǔ)，以期提高萵筍加工副產(chǎn)物的綜合利用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

萵筍皮，收集于南寧市緯五路菜市場(chǎng)；氫氧化鈉（分析純）、鹽酸（分析純）、無(wú)水乙醇，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

Practum124-1CN型電子分析天平，德國(guó)賽多利斯；TGD-22MC型臺(tái)式高速離心機(jī)，湖南湘鑫儀器儀表有限公司；JP-020S型超聲波清洗機(jī)，深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司；PHS-3E型pH計(jì)，上海儀電分析儀器有限公司；DHG9245A型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，上海精密儀器儀表有限公司；BILON-DFY系列高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，上海比朗儀器制造有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 堿法提取萵筍皮中可溶性膳食纖維

（1）原料預(yù)處理。菜市收集新鮮萵筍皮→清水沖洗→切成2 cm左右的小塊→70 ℃烘干12 h→用4倍體積的乙酸乙酯在30 ℃條件下浸泡4 h脫脂→清水沖洗→70 ℃烘干至恒重→粉碎→過(guò)60目篩→原料備用。

（2）堿法提取可溶性膳食纖維工藝流程。預(yù)處理后的萵筍皮粉→稱(chēng)樣品5 g（精確至0.001 g）置于錐形瓶?jī)?nèi)→按一定料液比加入堿液→搖勻→超聲輔助提取→4 500 r·min-1離心20 min→取上清液→用3 mol·L-1的鹽酸溶液調(diào)節(jié)濾液的pH值至7.0→用4倍體積的無(wú)水乙醇與上清液混合均勻→靜置24 h，過(guò)夜→4 500 r·min-1離心20 min→取沉淀，并用無(wú)水乙醇清洗→70 ℃烘干至恒重→可溶性膳食纖維成品?？扇苄陨攀忱w維提取率計(jì)算為

1.2.2 單因素試驗(yàn)

稱(chēng)取5.00 g樣品，分別考察NaOH濃度（%）、超聲提取時(shí)間（min）、超聲提取溫度（℃）、提取料液比（g∶mL）4個(gè)因素對(duì)萵筍皮中SDF提取率的影響。

（1）NaOH濃度對(duì)SDF得率的影響。設(shè)定超聲提取時(shí)間為30 min，提取溫度為60 ℃，料液比為1∶25，NaOH濃度分別為1.0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%和10.0%，考察不同堿液濃度對(duì)萵筍皮中SDF提取率的影響。

（2）提取時(shí)間對(duì)SDF得率的影響。設(shè)定超聲溫度為60 ℃，料液比為1∶25，NaOH濃度為6.0%，考察超聲時(shí)間分別為5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min對(duì)萵筍皮中SDF提取率的影響。

（3）提取溫度對(duì)SDF得率的影響。設(shè)定超聲時(shí)間為30 min，NaOH濃度為6.0%，料液比為1∶25，考察溫度分別為30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃對(duì)萵筍皮中SDF提取率的影響。

（4）料液比對(duì)SDF得率的影響。設(shè)定超聲提取時(shí)間為30 min，超聲提取溫度為60 ℃，NaOH濃度為6.0%，考察料液比分別為1∶5、1∶15、1∶25、1∶35、1∶45、1∶55對(duì)萵筍皮中SDF提取率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

通過(guò)單因素試驗(yàn)結(jié)果分析，選取NaOH濃度、超聲提取時(shí)間、超聲提取溫度和提取料液比為自變量，進(jìn)行4因素3水平中心組合試驗(yàn)，如表1所示。運(yùn)用Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析與優(yōu)化，以萵筍皮中可溶性膳食纖維提取率為響應(yīng)值，尋求最優(yōu)提取工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 NaOH濃度對(duì)提取率的影響

由圖1可以看出，在NaOH濃度為1%～6%時(shí)，萵筍皮中可溶性膳食纖維的提取率隨著NaOH濃度的增大而不斷升高。在NaOH濃度為6%時(shí)，提取率最高，為15.56%。在提取過(guò)程中，NaOH可以破壞細(xì)胞壁基質(zhì)，促進(jìn)超聲波作用，增加膳食纖維的溶出，提高提取率。但是當(dāng)堿液濃度達(dá)到一定水平，就會(huì)促使膳食纖維進(jìn)一步分解[11]，反而降低SDF的提取率。堿液濃度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致提取的膳食纖維堿味過(guò)重，不利于后續(xù)加工利用。因此，綜合考慮選取NaOH濃度4%、6%、8%進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

2.1.2 超聲提取時(shí)間對(duì)提取率的影響

由圖2可知，當(dāng)提取時(shí)間在5～30 min時(shí)，萵筍皮中膳食纖維的提取率隨著超聲提取時(shí)間的增加而不斷提高，在30 min時(shí)提取率達(dá)到峰值，之后提取率開(kāi)始下降。原因可能是膳食纖維在堿液中水解需要一定的時(shí)間，時(shí)間過(guò)短時(shí)水解不完全，導(dǎo)致提取率低；水解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又會(huì)造成果膠裂解[12]，降低SDF的提取率。綜合分析，選擇超聲時(shí)間為20 min、30 min、40 min進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面分析試驗(yàn)。

2.1.3 超聲提取溫度對(duì)提取率的影響

超聲提取的溫度可能會(huì)對(duì)SDF的提取率產(chǎn)生影響[13]。由圖3可知，超聲提取的溫度在30～60 ℃時(shí)，SDF的提取率與溫度成正相關(guān)。分析原因可能是加熱會(huì)促使膳食纖維的溶解速率提高，從而增加得率，但是過(guò)高的溫度又會(huì)使膳食纖維發(fā)生部分降解[14]。綜合分析，選擇超聲提取溫度為50 ℃、60 ℃、70 ℃進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

2.1.4 料液比對(duì)提取率的影響

由圖4可知，當(dāng)料液比為1∶5～1∶25時(shí)，萵筍皮中SDF的提取率不斷增加，其峰值為15.43%。分析其原因可能是在料液比較低時(shí)，由于溶液的黏度過(guò)大，與堿液接觸不充分，較難離心分離。隨著料液比的增加，提取率提高，但當(dāng)體系中存在大量堿液時(shí)，又會(huì)因?yàn)樯攀忱w維自身被水解而損失，使提取率降低[15]。綜合分析，選擇料液比為1∶15、1∶25、1∶35做后續(xù)響應(yīng)面分析試驗(yàn)。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果及模型建立

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇NaOH濃度（A）、超聲提取時(shí)間（B）、超聲提取溫度（C）、超聲提取料液比（D）為自變量，萵筍皮SDF的提取率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)4因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，方差分析見(jiàn)表3。

將表2所得試驗(yàn)結(jié)果利用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行多元回歸擬合，得到萵筍皮中SDF提取率（Y）對(duì)于NaOH濃度（A）、超聲提取時(shí)間（B）、超聲提取溫度（C）、超聲提取料液比（D）影響因子的二次回歸模型方程為Y=15.41+0.367 5A+1.53B+1.55C+0.73D-0.327 5AB-0.587 5AC-1.05AD+0.547 5BC-0.192 5BD+0.06CD-3.12A2-0.115 3B2-1.89C2-0.019 1D2。該方程中二次項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)，表明該回歸方程有極大值點(diǎn)。

2.2.2 回歸方程的方差分析及系數(shù)顯著性分析

依據(jù)表3響應(yīng)面優(yōu)化回歸方程顯著性檢驗(yàn)及方差分析可知，該模型的F值為31.38，P值＜0.0001，為極顯著水平。失擬項(xiàng)的P值為0.237 0＞0.05，差異不顯著，說(shuō)明此模型擬合度好，可進(jìn)行SDF提取工藝的優(yōu)化。該模型的R2=0.969 1，表明96.91%的響應(yīng)值都可以用該模型解釋?zhuān)籖2Adj=0.938 2，R2Pred=0.842 3，R2Adj-R2Pred＝0.095 9＜0.2，說(shuō)明該模型可信度好，數(shù)據(jù)可靠，與實(shí)際情況接近。該模型顯示出一次項(xiàng)B、C、D，交互項(xiàng)AD，二次項(xiàng)A2、C2對(duì)Y影響極顯著，4個(gè)因素對(duì)提取率的影響順序?yàn)槌曁崛囟龋境曁崛r(shí)間＞超聲提取料液比＞NaOH濃度。該回歸方程為萵筍皮中可溶性膳食纖維的提取工藝優(yōu)化提供了一個(gè)良好可信的模型。

2.2.3 響應(yīng)面結(jié)果分析與優(yōu)化

通過(guò)Design Expert 8.0.6軟件分析，得到回歸方程的響應(yīng)面試驗(yàn)曲面圖，圖5～圖10直觀反映了各交互因素對(duì)SDF得率的影響。由圖中曲面可以看出，各因素對(duì)響應(yīng)值SDF提取率的影響均存在最大值，隨著各因素的不斷增加，響應(yīng)值也逐漸增大，到一定程度后逐漸下降。在交互項(xiàng)對(duì)萵筍皮SDF提取率的影響中，NaOH濃度和料液比的交互作用影響最為顯著。

通過(guò)響應(yīng)面軟件進(jìn)行參數(shù)分析得出超聲輔助堿法提取萵筍皮中SDF理論最優(yōu)提取工藝條件為NaOH濃度6.15%、超聲提取時(shí)間39.58 min、超聲提取溫度65.79 ℃、超聲提取料液比1∶32.85，在此條件下，萵筍皮中SDF提取率的預(yù)測(cè)理論值達(dá)到17.69%。為方便實(shí)際試驗(yàn)操作，將提取工藝條件調(diào)整為NaOH濃度6%、超聲提取時(shí)間40 min、超聲提取溫度65 ℃、超聲提取料液比1∶30，在此條件下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)得到萵筍皮SDF提取率3次平均值是17.63%，與理論值的相對(duì)誤差為0.34%。實(shí)測(cè)值接近理論值，表明該模型具有良好的擬合性，準(zhǔn)確可靠，用該模型優(yōu)化超聲輔助堿法提取萵筍皮SDF的工藝是可行的，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)以萵筍鮮切加工過(guò)程中的廢棄物萵筍皮為原料，通過(guò)加堿水解同時(shí)輔助超聲波提取萵筍皮中的可溶性膳食纖維。通過(guò)單因素試驗(yàn)與響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)得到了萵筍皮SDF提取最佳工藝條件。影響萵筍SDF提取率的因素大小順序?yàn)槌曁崛囟龋境曁崛r(shí)間＞提取料液比＞NaOH濃度。通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化得到超聲輔助堿法提取萵筍皮中SDF最優(yōu)提取工藝條件為NaOH濃度6%、超聲提取時(shí)間40 min、超聲提取溫度65 ℃、超聲提取料液比1∶30。本研究結(jié)果有助于萵筍的綜合開(kāi)發(fā)利用，為萵筍加工廢棄物資源利用提供理論依據(jù)和支撐，為膳食纖維提取原料提供了新思路，有利于增加萵筍產(chǎn)業(yè)的附加值。

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