响应面法优化河套蜜瓜皮水溶性膳食纤维提取工艺的研究

李昊虬，王国泽，孙晓宇

（内蒙古科技大学数理与生物工程学院食品科学与工程系，内蒙古包头014010）

响应面法优化河套蜜瓜皮水溶性膳食纤维提取工艺的研究

李昊虬，王国泽*，孙晓宇

（内蒙古科技大学数理与生物工程学院食品科学与工程系，内蒙古包头014010）

以河套蜜瓜皮为原料，采用化学法对原料中水溶性膳食纤维的制备工艺进行了研究。在单因素实验的基础上，采用响应面法对影响水溶性膳食纤维得率的四个因素pH、料液比、温度和时间进行工艺优化。结果表明，化学法提取河套蜜瓜皮水溶性膳食纤维的最佳提取工艺条件为pH12、料液比1∶40（g/mL）、温度80℃，时间30min。在此条件下，河套蜜瓜皮水溶性膳食纤维得率可达25.03%，与模型高度拟合。

响应面法，河套蜜瓜，水溶性膳食纤维，提取工艺

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

河套蜜瓜 购于包头友谊水果批发市场，取食瓜瓤后，得到河套蜜瓜皮，105℃烘干24h，用万能试样粉碎机粉碎，过40目筛，装于试剂瓶中备用；氢氧化钠、盐酸、磷酸、无水乙醇、乙酸乙酯 天津风船化学试剂科技有限公司，分析纯；考马斯亮兰G-250、牛血清蛋白、蒸馏水 均为分析纯。

R201L旋转蒸发器 上海申生科技有限公司；SFG-01B型电热恒温真空干燥箱、马弗炉 北京科伟永兴仪器有限公司；SHB-3循环水多用真空泵 郑州杜甫仪器厂；SYC-15B超级恒温水浴 南京桑力电子设备厂；L-550台式低速大容量离心机 长沙湘仪离心机仪器有限公司；JA5003电子分析天平 上海越平科学仪器有限公司；FW80高速万能试样粉碎机 上海胜启仪器仪表有限公司；雷磁PHSJ-3F实验室pH计 上海精科；UV-2100型分光光度计 尤尼柯仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品脱脂 常温下，用4倍体积于河套蜜瓜瓜皮的乙酸乙酯浸泡干燥样品3h，用蒸馏水清洗残留的有机溶剂至样品无味，105℃下烘干至恒重得脱脂样品[13]。

1.2.2 制备工艺流程

1.2.3 实验操作过程 称取0.500g脱脂样品，分别按照1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60的料液比加入蒸馏水，搅拌均匀后用0.1mol/L NaOH调节pH为9、10、11、12、13，然后放入温度为50、60、70、80、90℃的超级恒温水浴锅中分别提取20、30、40、50、60min，在4200r/min离心分离20min，上清液以4倍体积无水乙醇处理，静置6h，利用已烘干恒重的定量中速滤纸进行抽滤。并用乙醇清洗盛滤液的容器，将滤纸以及沉淀物置于105℃烘箱中烘干至恒重，计算提取率。公式为：SDF得率（%）=（滤纸及沉淀物置于105℃烘箱中烘干至恒重－烘干至恒重的定量中速滤纸）/0.500（g）×100%

1.2.4 单因素实验和响应面中心设计实验 分别选取pH、料液比、温度和时间4因素进行单因素实验，每个单因素实验设3次重复。在单因素实验基础上，根据Box-Behnken的中心组合实验设计原理，选取pH（X1）、料液比（X2）、温度（X3）和时间（X4）4个因素，采用4因素3水平的响应曲面进行Box-Behnken实验设计，实验因素及水平设计见表1。

表1 Box-Behnken设计实验因素水平及编码Table 1 Four factors，levels and codes of Box-Behnken design

1.3 蛋白质和灰分检测

采用考马斯亮蓝法[14]测定SDF中蛋白质含量；采用马弗炉高温灼烧[15]法测定SDF中灰分含量。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel和Design expert 8.0.5.0软件进行图表和数据分析，用响应面Box-Behnken中心设计的最佳处理组合进行河套蜜瓜皮SDF提取验证实验。

2 结果与分析

2.1 河套蜜瓜皮SDF提取单因素实验

2.1.1 pH对河套蜜瓜SDF得率的影响 实验方法按1.2.3中的工艺流程提取，确定最佳pH，结果见图1。

图1 pH对SDF得率的影响Fig.1 Effect of hydrolysis pH on SDF yield

由图1可见，随着pH的升高，SDF得率呈现逐渐增加趋势，当pH达到11时SDF的得率最高，可以达到15.20%，当pH超过11时，随着pH进一步增加SDF得率却逐渐减少，这可能是因为在碱性条件下果胶分子发生解聚，即β-消去反应[16]，使得SDF得率降低，所以选取pH11。

2.1.2 温度对河套蜜瓜SDF得率的影响 实验方法按1.2.3中的工艺流程提取，确定最佳水浴温度，结果见图2。

图2 温度对SDF得率的影响Fig.2 Effect of temperature on SDF yield

由图2可知，随着温度的升高，SDF得率呈现上升趋势，当提取温度达到80℃时，SDF得率可高达到15.8%，继续升高温度，SDF不但得率降低而且其结构性质也会受到影响，同时会造成能耗的增大，不利于工业化生产的需要，因此选取温度为80℃。

2.1.3 料液比对河套蜜瓜SDF得率的影响 实验方法按1.2.3中的工艺流程提取，确定最佳料液比，结果见图3。

图3 料液比对SDF得率的影响Fig.3 Effect of material/liquid ratio on SDF yield

由图3可知，当料液比从1∶20增大到1∶30，SDF得率逐渐升高，当料液比在1∶30到1∶60之间时，SDF得率随着液体比例的增加而逐渐降低，所以应选择料液比1∶30较适宜。

2.1.4 水浴时间对得率的影响 实验方法按1.2.3中工艺流程提取，确定最佳水浴时间，结果见图4。

图4 水浴时间对SDF得率的影响Fig.4 Effect of hydrolysis time on SDF yield

由图4可知，随着水浴时间的延长，SDF的得率也出现波动，水浴时间为20min时，SDF得率为17.0%，SDF得率在水浴30min时达到最大值17.2%，而在水浴60min时，SDF得率下降为15.60%。水解20min，SDF得率较低，这可能是因为水解时间较短，SDF中的多糖类没有充分溶解，而水解60min时SDF得率下降，这可能是由于水解时间过长，造成了部分可溶性的多糖发生了水解。

2.2 响应面法优化提取工艺条件

2.2.1 响应面实验结果 按表1设计进行实验，以河套蜜瓜皮SDF提取率为响应值（Y），结果见表2。

表2 响应曲面实验结果Table 2 Results of the response surface test

2.2.2 方差分析和回归方程 利用Design-Expert 8.0.5.0软件对表2实验数据进行多元回归拟合，得到SDF得率（Y）对pH（X1）、温度（X2）、料液比（X3）、时间（X4）方程为：

对该模型进行显著性检验结果见表3，回归模型系数显著性检验结果见表4。

表3 回归模型方差分析结果Table3 Analysisofvarianceforfittedquadraticpolynomialmodel

表4 回归模型系数的显著性检验结果Table 4 Results of significance for regression coefficient

由表3可知，模型的F=5.894534，P<0.01，表明回归模型显著；失拟项F=1.030022，P>0.05，不显著；复相关系数R2=0.8550，说明该模型能解释85.5%响应值的变化，因而该模型的拟合程度比较好，可以用此模型来分析和预测河套蜜瓜皮SDF提取工艺结果。

由表4可知，模型中二次项中X42对Y影响极其显著，一次项、二次项中X1、X2、X12、X32对Y影响显著，X3、X4、X1X2、X1X3、X1X4、X2X3、X2X4、X3X4、X22对Y均不具有显著影响，各因素对于河套蜜瓜皮SDF得率影响是X1>X2>X3>X4，即pH对河套蜜瓜皮SDF得率影响最大，其次是料液比、温度，最后是时间。

2.2.3 河套蜜瓜皮SDF提取工艺响应曲面优化验证与检测 通过软件分析优化得河套蜜瓜皮SDF提取的最佳条件为：pH12、提取温度80℃、料液比1∶40、时间30min。在此最优工艺条件下，河套蜜瓜皮SDF得率理论值为23.7105%。为检验响应曲面法所得结果的准确性和可靠性，采取上述优化提取条件进行SDF提取实验，并重复三次，实际测得SDF平均得率为25.03%，与理论值相比，相对误差为0.6805%，所以基于响应曲面法所得的优化提取工艺参数准确可靠。通过对最优工艺条件下制备的SDF进行蛋白质和灰分含量的测定，实验结果表明河套蜜瓜皮SDF中蛋白质含量为1.3%，灰分含量15.4%，SDF纯度为83.3%。

3 结论

以河套蜜瓜皮为原料提取SDF，通过单因素实验和响应曲面Box-Behnken中心组合实验设计得出最佳提取工艺条件为：pH=12、料液比1∶40、温度80℃、时间30min，在此最佳工艺条件下，河套蜜瓜皮SDF得率可高达25.03%，同时具有较高的纯度，为综合利用河套蜜瓜皮提供了理论途径。

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Study on optimization of water-soluble dietary fiber extraction process from Hetao muskmelons peel by response surface methodology

LI Hao-qiu，WANG Guo-ze*，SUN Xiao-yu
（School of Mathematical Physics and Biology Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China）

In order to obtain the preparation technology of water-soluble dietary fiber，Hetao muskmelons peel was used as raw materials by chemical methods.On the basis of single-factor experiments，a four-factor，three-level Box-Behnken design combining with response surface methodology（RSM）was employed to optimize four crucial extraction conditions for maximizing yield of water-soluble dietary fiber.A regression model was established for yield of water-soluble dietary fiber as a function of the four extraction conditions. Under the optimized conditions as follows：pH12，material/liquid ratio（g/mL）1∶40，hydrolysis temperature of 80℃，with hydrolysis time of 30min.Under the optimum conditions，the experimental value of yield of water-soluble dietary fiber was 25.03%and was in good agreement with the predicted value.

response surface analysis；Hetao muskmelons；water-soluble dietary fiber；preparation technology

TS255.36

B

1002-0306（2012）07-0254-04

膳食纤维是指不能被人体内源酶消化吸收的可食用植物细胞、多糖、木质素以及相关物质的总和[1]。根据溶解性的不同，膳食纤维可分为水溶性膳食纤维（water-soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纤维（water-insoluble dietary fiber，IDF）两种[2]。近年来的研究表明，SDF可以影响人体内碳水化合物与脂类的代谢[3]，具有降低血糖、控制血压、降低胆固醇、清除体内自由基、抗癌和调节肠道菌群等生理保健功能[4-5]。目前国内外已有从胡萝卜渣[6]、香蕉皮[7]、枣渣[8]、芒果皮[9]、葡萄皮渣[10]、菠萝皮渣[11]、沙果渣[12]等果蔬副产物中提取SDF的相关报道，而有关河套蜜瓜皮SDF的提取却未见研究。本实验以河套蜜瓜皮为实验材料，采取化学法，通过单因素实验和响应曲面Box-Behnken中心设计对河套蜜瓜皮SDF的提取进行了研究，目的在于充分利用河套蜜瓜副产物以提高河套蜜瓜的应用价值，丰富膳食纤维的提取来源，促进地区经济的发展。

2011－06－22 *通讯联系人

李昊虬（1987-），男，在读硕士，主要从事果蔬生物技术方面的研究。

教育部春晖计划合作科研项目（Z2009-1-01039）；内蒙古科技大学创新基金项目（2009NC060）。