响应面法优化菜籽皮可溶性膳食纤维提取工艺

王顺民 汤 斌 余建斌 张 浩

(安徽工程大学生物与化学工程学院1，芜湖 241000)

(宁夏吴凯生物科技有限责任公司2，银川 75320)

响应面法优化菜籽皮可溶性膳食纤维提取工艺

王顺民1汤 斌1余建斌2张 浩1

(安徽工程大学生物与化学工程学院1，芜湖 241000)

(宁夏吴凯生物科技有限责任公司2，银川 75320)

为了探讨酶法和化学法结合提取菜籽皮中可溶性膳食纤维。采用纤维素酶和氢氧化钠提取菜籽皮中的可溶性膳食纤维，研究了酶添加量、酶解时间、碱解pH、碱解时间、碱解温度等因素对膳食纤维得率的影响。在单因素试验的基础上进行响应面试验设计，确定了酶－化学法制备菜籽皮膳食纤维的最佳工艺条件:纤维素酶加酶量为0.4%，酶解时间60 min，碱解pH 13，碱解温度70℃、碱解时间60 min，在此条件下菜籽可溶性膳食纤维得率为7.18%。因此，采用纤维素酶和氢氧化钠相结合的方法提取菜籽皮中的可溶性膳食纤维是切实可行的。

菜籽皮 可溶性膳食纤维 酶－化学法 响应面分析

膳食纤维是指能抗人体小肠消化吸收，而在大肠部分或全部发酵的可食用的植物性成分、碳水化合物及其相类似物质的总和，包括多糖、寡糖、木质素以及相关的植物物质，并被称之为“第7大营养素”。膳食纤维有预防肥胖症、增强免疫、防止糖尿病、预防结肠癌、抑制有害菌等作用［1－6］。

油菜是我国的重要农产品之一，总产量达到1 300多万吨［7］。油菜籽的种皮约占全籽的12% ～19%，皮中粗纤维高达30%～34%［8］，其中总纤维中含不溶性膳食纤维47%左右［9］。粗略计算，每年油菜籽皮达156～247万吨，但现阶段尚没有得到合理的利用，对油菜籽皮的开发利用具有广阔的前景。目前利用油菜籽皮提取膳食纤维的研究非常少。膳食纤维的提取方法主要有化学法、酶法、酶－化学法、超声波法和微波法等［10－14］。以菜籽皮为原料采用酶法结合化学法提取膳食纤维，探讨反应条件对膳食纤维提取的影响，提取条件温和，减少了化学法对可溶性膳食纤维、半纤维素的溶解损失，而且对环境污染较小，具有很好发展前景。同时也对油菜产业的发展有着具有巨大的经济效益和社会效益。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

油菜籽皮:产自安徽芜湖;纤维素酶(酶活2.2万u/g):和氏璧生物技术有限公司;无水乙醇、乙醚、氢氧化钠等均为分析纯:中国国药集团化学试剂有限公司。

FA1004电子分析天平:赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;PHS－2F型数字pH计:上海精密科学仪器有限公司;SHB－Ⅲ型循环水式多用真空泵:郑州市上街华科仪器厂;HH－2恒温水浴锅:金坛市杰瑞尔公司;L－550台式低速大容量离心机:长沙湘仪离心机有限公司;WF－100高速万能粉碎机:黄骅市振兴机电仪器厂。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

1.2.2 操作要点

预处理:菜籽皮在105℃干燥箱中干燥1 h，粉碎。用适量乙醚在室温下浸泡3 h，用蒸馏水清洗残留的有机溶剂后，抽滤、烘干，得脱脂样品。样品经粉碎过60目筛。

酶解:称取1 g(精确至0.001)经处理的样品于蒸馏水后，调至pH 5.0，加入一定量的纤维素酶于60℃水浴中酶解。

碱解:酶解后加入5%的氢氧化钠调pH进行碱解，碱解后取出，冷却，抽滤，滤液备用，固体干燥后称重即为不溶性膳食纤维。

醇沉:上清液用4倍体积的无水乙醇醇沉10 h，离心分离(转速为4 000 r/min，分离10 min)，固体干燥后称重即为可溶性膳食纤维。水溶性膳食纤维得率:

SDF=(所得SDF质量/样品质量)×100%

1.2.3 菜籽皮膳食纤维提取单因素试验

1.2.3.1 酶添加量对得率的影响

样品按料液比为1∶20(g/mL)加入蒸馏水，调至pH 5.0，分别加入 0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%的纤维素酶，在60℃水浴中酶解90 min。酶解结束后，用氢氧化钠调至pH 11.0。在70℃水浴中碱解90 min。碱解后进行醇沉、干燥和计算得率。比较酶的添加量对得率的影响。

1.2.3.2 酶解时间对得率的影响

采用0.5%纤维素酶，分别酶解 30、60、90、120、150 min。比较酶解时间对得率的影响。其他操作同1.2.3.1。

1.2.3.3 碱解pH对得率的影响

酶解后，用氢氧化钠调整pH分别为9.0、10.0、11.0、12.0、13.0，进行碱解。比较碱解 pH 对得率的影响。其他操作同 1.2.3.1。

1.2.3.4 碱解温度对得率的影响

酶解后，分别在50、60、70、80、90 ℃水浴中碱解。比较碱解温度对得率的影响。其他操作同1.2.3.1。

1.2.3.5 碱解时间对得率的影响

传统优势企业的生产已不再具备上世纪八九十年代所拥有的丰富而廉价的资源环境条件，若不转变发展方式，寻求新的发展路径，突破资源环境瓶颈，这些企业可能不仅无法可持续发展，甚至还会成为地方发展的沉重负担。由于外部效应的存在，传统优势企业以技术创新推动绿色化发展，还需要政府提供一系列的配套制度进行支持，同时也需要采取一系列措施实现可持续的绿色技术创新。

酶解后，分别碱解30、60、90、120、150 min。比较碱解时间对得率的影响。其他操作同1.2.3.1。

1.2.4 提取工艺的响应面优化试验

在单因素研究的基础上，选以酶添加量(X1)、碱解的pH(X2)、碱解温度(X3)和碱解时间(X4)4个因素为自变量，以膳食纤维的得率为响应值，根据中心组合设计(CCD原理)设计响应面分析试验，其因素水平编码表见表1。

表1 菜籽皮可溶性膳食纤维的提取试验因素水平及编码

1.3 试验设计与数据处理

采用辅助软件 Design－Expert 7.1 Trial数据处理方法。试验中所有处理均重复3次，取平均值。

2 结果与分析

2.1 菜籽皮膳食纤维提取单因素试验

2.1.1 酶添加量对得率的影响

图1 酶添加量对可溶性膳食纤维得率的影响

2.1.2 酶解时间对得率的影响

从图2可知，随着酶解时间的延长，膳食纤维的得率逐渐增加，酶解120 min后，得率达到最大值。时间超过60 min以后，得率增加缓慢，虽然继续增加时间，得率也随之提高。但也意味着提取周期延长，能耗增加。从提取效率考虑，本试验选择酶解时间在60 min为宜。

图2 酶解时间对可溶性膳食纤维得率的影响

2.1.3 碱解pH对得率的影响

由图3可知，碱解pH对得率的影响较大，随着pH的增加，膳食纤维增加。pH 12.0时，膳食纤维得率达到最大值。考虑到pH过高，制备的纤维性状较差，通常选择 pH 12.0为宜。陶永霞等［16］研究酶碱法提取枣渣可溶性膳食纤的结果与之相类似。

图3 碱解pH对得率的影响

2.1.4 碱解温度对得率的影响

由图4可知，随着碱解温度的升高，可溶性膳食纤维得率增加。当温度超过70℃时其得率增加趋势变化不明显，而且温度增加，提取的能耗会明显增加。因此，综合考虑后选择碱解温度为70℃为宜。结果与陶永霞等［16］在文献报道中的结果基本一致。

图4 酶解时间对可溶性膳食纤维得率的影响

2.1.5 碱解时间对得率的影响

由图5可知，随着碱解时间变化，其可溶性膳食纤维的得率变化明显，当时间为90 min时，膳食纤维的得率为最高。进行延长碱解时间后得率急剧下降。因为碱解时间过短菜籽皮水解不完全，造成膳食纤维得率降低，而碱解时间过长，膳食纤维软化，造成膳食纤维和半膳食纤维发生轻度水解，也会导致得率降低［16］。因此以碱解90 min为宜。

图5 酶解时间对得率的影响

2.2 菜籽皮可溶性膳食纤维提取工艺的优化

2.2.1 响应面试验安排及试验结果

应用响应面优化法进行过程优化。以X1、X2、X3和X4为自变量，以膳食纤维的得率为响应值Y，应面试验方案及结果见表2。其中1～16为16析因试验，17～21为5个中心试验，用以估计试验误差。

表2 菜籽皮可溶性膳食纤维提取试验设计及结果

通过利用Design－Expert 7.1 Trial软件中的中心组合设计(CCD)选项对表2数据进行二次多元回归拟合，得到菜籽皮可溶性膳食纤维的得率预测值(Y)对编码自变量X1、X2、X3和X4的二次多项回归方程，对表2结果进行统计分析，可建立如下二次回归方程:

Y=3.30 －0.94X1+1.55 X2－0.40X3+1.02X4+0.68X1X2+0.02X1X3+0.40X1X4－ 0.13X2X3－1.18X2X4+0.07X3X4－0.44X21+1.93X22－0.40X23－0.29

对二次回归方程进行方差分析，结果见表3。

表3 回归方程方差分析表

从表3可知，该二次回归方程的一次项(X1、X2、X3和X4)、二次项X22及交互项中的X2X4均表现出了显著水平，该二次回归方程整体模型比较显著，并且失拟项不显著，该回归模型与实测值能较好地拟合。结果表明，模型是显著，模型回归相关系数R2=0.973 2，说明相关性较好;校正决定系数Adj R2=0.910 7，表明91.07%的试验数据的变异性可用此回归模型来解释，CV值等于10.54%，表示试验的可信度和精确度较好，本试验精密度达到14.809。因此，可用此模型对菜籽皮可溶性膳食纤维的提取效果进行分析和预测。

2.2.2 响应面分析

在其他因素条件固定不变的情况下，考察交互项对得率的影响，对模型进行降维分析。经Design－Expert 7.1软件分析，所得的响应面图见图6至图11。

由图6可知，膳食纤维的得率，随着酶的添加量增加而降低。pH的变化呈现先降低后增大的趋势，且之间有交互作用。由图7、图8和图9可知，得率随酶添加量、碱解时间、碱解温度的变化都呈现先增大后降低的趋势，且之间有交互作用。由图10和图11可知，膳食纤维的得率随pH的变化呈现先降低后增大的趋势，碱解pH对结果的影响尤为明显，与表3中方差分析及图3的结论相同。碱解时间与图5相差较大，原因可能是响应面优化中考虑了碱解温度、酶添加量和碱解pH，而它们与碱解时间有着很强的交互作用(图8和图9)。另外可能是与本试验所选碱解时间跨度较大有关(60、90和120 min)，这尚需进一步试验验证。随着试验因素值的增加，膳食纤维得率的响应值增大到极值，后随着试验因素值的增大而逐渐减小;在交互项对得率的影响中，碱解时间(X1X4)、碱解pH与碱解温度(X2X3)、碱解pH与碱解时间(X2X4)对SDF得率的影响较显著。另外，可知该模型在试验范围内存在稳定点，且稳定点是最大值(图7、图8和图9)。

2.2.3 提取工艺的优化与验证

为进一步确证提取工艺最佳点，根据软件对拟合的回归方程进行优化，得可溶性膳食纤维最佳提取工艺参数分别为:酶添加量0.43%;碱解pH 13.0、碱解温度72.5℃、碱解时间63.88 min，在此条件下菜籽皮可溶性膳食纤维的理论得率为7.15%。考虑到可操作性，将最优条件定为:酶添加量0.4%、碱解pH 13.0、碱解温度70℃、碱解时间60 min。用此最优提取条件进行验证，得到菜籽皮可溶性膳食纤维的得率为7.18%，与理论值较为接近，表明数学模型对优化菜籽皮可溶性膳食纤维的提取工艺是可行的。

2.2.4 讨论

利用纤维素酶提取葡萄皮渣［11］和苹果渣［17］中的可溶性膳食纤维已有报道。本试验中0.4%的纤维素酶的添加量与乐胜锋［17］采用纤维素酶法提取苹果渣可溶性膳食纤维的添加量相吻合。但由于原料不同，膳食纤维的得率不同。试验单因素中碱解pH、碱解温度、碱解时间对得率的影响趋势与陶永霞等［16］提取枣渣可溶性膳食纤维的结果基本相似。但膳食纤维的得率低于该文献中的11.32%。本试验采用酶法与碱法结合后膳食纤维的得率为7.18%，其值要高于胡叶碧［15］报道的采用纤维素酶和木聚糖酶提取玉米皮可溶性膳食纤维基本相似。原因可能为菜籽皮与上述原料的膳食纤维组成不同。

3 结论

在单因素试验基础上，采用CCD响应面组合设计进行优化，得菜籽皮可溶性膳食纤维提取工艺的二次数学回归模型。通过对模型分析可知，酶的添加量(X1)、碱解pH(X2)、碱解温度(X3)、碱解时间(X4)对菜籽皮可溶性膳食纤维得率的影响较显著，交互项中的X22、X2X4的影响也显著。通过回归模型优化得出最佳提取工艺为:酶添加量0.4%;碱解pH 13.0、碱解温度70℃、碱解时间60 min。在此条件下可溶性膳食纤维实际得率为7.18%，该数学模型对优化菜籽皮可溶性膳食纤维的提取工艺可行。

［1］Malberbe S，Cloete T E.Lignocellulase biodegradation:fundamentals and applitions［J］.Reviews in Environmental Science and Biotechnology，2002，1:105 －114

［2］Athanasios Papathanasopoulos，Michael Camilleri.Dietary Fiber Supplements:Effects in Obesity and Metabolic Syndrome and Relationship to Gastrointestinal Functions［J］.Gastroen-terology，2010，138(1):65 －72

［3］Philip J Harris，Lynnette R.Ferguson.Dietary fibre:its composition and role in protection against colorectal cancer［J］.Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis，1993，290(1):97 －110

［4］Brownlee Iain A.The physiological roles of dietary fibre［J］.Food Hydrocolloids，2011，25(2):238 －250

［5］Montagne L，Pluske J R，Hampson D J.A review of interactions between dietary fibre and the intestinal mucosa，and their consequences on digestive health in young non－ruminant animals［J］.Animal Feed Science and Technology，2003，108(1－4):95－117

［6］Ajila C M，Leelavathi K，Prasada Rao U J S.Improvement of dietary fiber content and antioxidant properties in soft dough biscuits with the incorporation of mango peel powde［J］.Journal of Cereal Science，2008，48(2):319 －326

［7］阿乐.国家粮油信息中心:2009年油菜籽产量预测增幅下调至7.4%.中国主要粮油作物面积和产量预计［EB/OL］.［2009 － 06 － 12］.http://www.foods1.com/content/782421/html

［8］刘晓军.油菜籽加工副产品的开发利用［J］.农产品加工，2007(9):9－11

［9］刘运荣，胡健华，黎丽.油菜籽皮中各成分含量的测定［J］.中国油脂，2006，31(9):64

［10］潘文洁，汤斌，薛正莲，等.茭白壳膳食纤维提取工艺及性能的研究［J］.食品工业科技，2009，30(9):251 －254

［11］乐胜锋，徐春明，曹学丽.纤维素酶法提取苹果渣可溶性膳食纤维［J］.食品研究与开发，2010，31(4):82 －85

［12］李芳，刘英.燕麦麸膳食纤维提取的影响因素研究［J］.粮食与饲料工业，2006(12):20－25

［13］张初署，秦小明.菠萝皮渣果胶超声波提取工艺条件研究［J］.工艺技术，2007(3):147－150

［14］申瑞玲，董吉林，王章存.裸燕麦麸皮β－葡聚糖微波提取工艺研究［J］.中国农业科学，2006，22(10):316－320

［15］胡叶碧，王章存.纤维素酶和木聚糖酶对玉米皮膳食纤维组成和功能特性的影响［J］.食品工业科技，2006，27(11):103－105

［16］陶永霞，周建中，武运，等.酶碱法提取枣渣可溶性膳食纤维的工艺研究［J］.食品科学，2009，30(20):118－121

［17］孙艳，房玉林，张昂，等.葡萄皮渣中可溶性膳食纤维提取工艺研究［J］.西北农林科技大学学报:自然科学版，2010，38(10):145 －158.

Response Surface Methodology as an Approach to Optimize the Extraction of Soluble Dietary Fiber from Rapeseed Shell

Wang Shunmin1Tang Bin1Yu Jianbin2Zhang Hao1
(Biological and chemical engineering institute Anhui Polytechnic University1，Wuhu 241000)Ningxia Wukai Biological Science and Technology Ltd.2，Yinchuan 753202)

The objective of this study was to gain better insight into the effects of the enzymatic and chemical method on the extraction of the soluble dietary fiber of rapeseed shell.In two methods，cellulose enzyme and NaOH were used to extract soluble dietary fiber of rapeseed shell.Effects of four crucial parameters(i.e.a cellulase dose，pH adjustment of water as extraction solvent，temperature and time)on extraction yield of soluble dietary fiber were investigated.On the basis of the single － factor experiment，the response test was designed to determine the optimal process conditions for preparing dietary fiber of rapeseed shell.Under the said optimized conditions:cellulase 0.4% ，extraction duration 60 min，pH 13 and temperature 70 ℃，the yield of soluble dietary fiber was found to be 7.18%.Therefore，it was feasible to use cellulose enzyme and NaOH combination method to achieve the extraction of the soluble dietary fiber of rapeseed shell.

rapeseed shell，soluble dietary fiber，enzymatic and chemical method，response surface analysis

TS214.2

A

1003－0174(2011)09－0098－06

安徽省优秀青年人才基金(2010SQRL084ZD)

2010－10－12

王顺民，男，1975年出生，博士，功能性食品