响应面优化蜂花粉可溶性膳食纤维提取工艺

郑慧，陈希平*，常新利，孔德凤，陈珍珍，陈娟（湖南中医药大学药学院，湖南长沙410208）

·中药制剂与分析·

响应面优化蜂花粉可溶性膳食纤维提取工艺

郑慧，陈希平*，常新利，孔德凤，陈珍珍，陈娟
（湖南中医药大学药学院，湖南长沙410208）

为充分利用蜂花粉资源，采用酸提工艺提取蜂花粉可溶性膳食纤维，利用单因素试验和响应面优化法对液料比、浸提pH值、浸提温度、浸提时间工艺条件进行分析与优化，并测定蜂花粉可溶性膳食纤维的理化指标。结果表明，蜂花粉可溶性膳食纤维酸提最优工艺为：液料比10.8∶1（mL/g）、浸提pH值4.3、浸提温度50℃、浸提时间1.9 h，在此工艺条件下蜂花粉可溶性膳食纤维得率为7.31%，膨胀力0.87 mL/g、持水力1.33 g/g、水溶性84.78%。

蜂花粉；可溶性膳食纤维；响应面优化；提取工艺

〔Abstract〕In order to fully utilize bee pollen resource，the soluble dietary fiber from bee pollen was extracted using acid extraction process.The process conditions of liquid-to-solid，extraction pH，extraction temperature，extraction time were analyzed and optimized by single-factor experiment and response surface methodology.The physicochemical properties of bee pollen soluble dietary fiber were measured.The optimal extraction conditions were determined as follows 10.8:1（mL/g）of liquid-to-solid，pH4.3，extraction temperature 50℃，extraction time 1.9 h.Under the conditions，the yield of bee pollen soluble dietary fiber was 7.31%，swelling capacity was 0.87 mL/g，water holding capacity was 1.33 g/g，and the watersolubility was 84.78%.

〔Keywords〕bee pollen；soluble dietary fiber；response surface optimization；extraction process

膳食纤维根据其溶解能力分为可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）与不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）两大类［1］。SDF主要是细胞壁内的储存物质和分泌物，包括果胶、阿拉伯胶、角叉胶、琼脂、半乳糖、葡聚糖等组分，具有多种营养保健作用［2-3］，现已作为原料应用于多种功能食品的开发中［4-5］。

蜂花粉是蜜蜂从植物花蕊中采集到的花粉，经蜜蜂加入花蜜和唾液混合而成的一种不规则的扁圆形团状物。近年来研究发现，蜂花粉具有抗菌消炎、抗氧化、降血糖、降血脂、增强免疫力和抗肿瘤等多种功能［6］。但由于自然环境原因，在蜜蜂生产蜂花粉过程中细沙、破碎的植物叶或花瓣、断裂的昆虫翅膀等杂质会不可避免的被包裹在蜂花粉颗粒内部，加工不易去除，限制了蜂花粉直接作为商品销售。我国作为世界第一养蜂大国，蜂花粉的资源优势还未充分体现出来［7］。目前国内外对蜂花粉的研究多集中在蜂花粉中生物类黄酮、多糖、多肽等提取和功能性研究上［8］，而对其膳食纤维鲜有研究报导。本实验采用响应面法优化蜂花粉SDF提取工艺，并测定其理化特性，为蜂花粉资源及其相关功能产品的开发利用提供理论依据。

1　材料与仪器

1.1材料

蜂花粉（2013年产地湖南），无水乙醇、柠檬酸均为国产分析纯。

1.2仪器

AV1120电子分析天平（日本岛津仪器有限公司）；ZHWY-200D恒温培养震荡器（上海智域分析仪器制造有限公司）；800-1离心机（江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司）；杯式高速万能粉碎机（FW100）（天津市泰斯特仪器有限公司）；STARTER3100/F实验室pH计（奥豪斯仪器有限公司）。

2　方法

2.1蜂花粉SDF的提取

（1）原料预处理：蜂花粉从蜂箱采集后，经日光晒干，将混杂在蜂花粉颗粒间的砂石、蜜蜂断翅、花瓣等杂质挑出备用。（2）粉碎过筛：将蜂花粉采用粉碎机粉碎，过30目筛。（3）振荡浸提：将蜂花粉按一定液料比加入已调好pH溶液中，放入恒温震荡器200 r/min下浸提一定时间。（4）离心分离：将振荡浸提后的蜂花粉溶液离心，以3 000 r/min转速离心10 min，取上清液。95%乙醇沉析：向上清液中加入4倍体积95%的乙醇溶液，5℃静置10 h，蜂花粉SDF呈絮状沉淀析出，在3 000 r/min下离心10 min，取沉淀物。（5）干燥：将离心得到的沉淀物放入真空干燥箱中，70℃减压干燥至恒重得到蜂花粉SDF。

2.2单因素试验

以蜂花粉SDF提取工艺中液料比、浸提温度、浸提pH、浸提时间为试验因素，以蜂花粉SDF得率为指标，分别进行单因素实验，分析各因素对蜂花粉SDF得率的影响。

2.3响应面优化实验

根据Box-Behnken的中心组合实验设计原理，综合单因素试验结果，采用Design-Expert 8.0.5b软件对试验结果进行优化及分析。

1)通过测量数据中心UPS输出功率作为IT负载耗电量，但该UPS系统往往也同时为其他数据中心以外的重要负载供电，如监控中心或调度大厅的大屏幕及坐席设备等，此部分负荷不属于数据中心IT负载之列，但在实际测量中又难以将其分离。因此，这种测量方式会将很多本不属于IT负载的交叉能耗均统计在内，导致PUE值虚高。

2.4蜂花粉SDF理化指标测定

2.4.1膨胀力取蜂花粉SDF 1 g精密称定，于25 mL具塞刻度试管中，加20 mL蒸馏水，搅拌均匀后室温放置24 h，观察自由膨胀体积。

2.4.2持水力取0.5 g蜂花粉SDF精密称定，于100 mL三角烧瓶中，加入40 mL蒸馏水，置于30℃恒温震荡器中250 r/min震荡2 h后，4 000 r/min离心15 min，除去上清液，称质量。

2.4.3水溶性取0.5 g蜂花粉SDF精密称定，于200 mL三角烧杯中，加入50 mL蒸馏水，在50℃恒温震荡器中200 r/min震荡30 min，3 000 r/min离心15 min，除去上清液，将沉淀于70℃真空干燥至恒质量，称质量。

3　结果与分析

3.1单因素实验

3.1.1液料比对蜂花粉SDF得率的影响在浸提温度60℃、pH4、浸提时间2 h条件下，测定不同液料比（9∶1、12∶1、15∶1、18∶1、21∶1）下蜂花粉SDF得率，结果见图1，液料比在12∶1时蜂花粉SDF得率最高。可能是因为当液料比在9∶1～12∶1时，在酸溶液的作用下蜂花粉细胞壁网络水解，形成具有一定聚合度的蜂花粉SDF，当液料比过高，酸溶液过于充足，反而会使已得到的分子量较小、聚合度较低的蜂花粉SDF过度水解，使得蜂花粉SDF得率下降。因此液料比选择12∶1为宜。这与赵成萍等［9］提取可溶性膳食纤维的研究结果相似。

图1　液料比对蜂花粉SDF得率的影响

3.1.2浸提pH值对蜂花粉SDF得率的影响在浸提温度60℃、液料比12∶1、浸提时间2 h条件下，测定不同浸提pH值（2、3、4、5、6）下蜂花粉SDF得率，结果见图2，pH4时蜂花粉得率最高，因此选择浸提pH4为宜。这与李风英等［10］SDF研究结果相似，pH过高过低都不利于SDF的提取。

3.1.3解相关。因此浸提温度选择60℃为宜。

3.1.4浸提时间对蜂花粉SDF得率的影响在浸提pH4、液料比12∶1、浸提温度60℃条件下，测定不同浸提时间0.5、1、1.5、2、2.5、3 h下蜂花粉SDF得率，结果见图4，浸提时间2 h时蜂花粉得率最高，时间过长同样会导致SDF过度水解。因此浸提时间选择2 h为宜。

图2　浸提pH值对蜂花粉SDF得率的影响

图3　浸提温度对蜂花粉SDF得率的影响

图4　浸提时间对蜂花粉SDF得率的影响

3.2响应面优化试验

3.2.1回归模型的建立依据单因素试验结果，选择液料比（X1）、浸提温度（X2）、浸提时间（X3）和浸提pH值（X4）为自变量，蜂花粉SDF的得率为响应值Y，响应面试验设计及结果见表1。其中，共设计29个试验点，1～24号为析因实验，25～29号为中心试验，用以估计试验误差。根据表1进行多元回归拟合分析，得多元二次回归方程模型为：

Y=7.15-0.038X1-0.078X2-0.12X3+ 0.69X4+0.16X1X2+0.052X1X3+0.19X1X4+ 0.065X2X3-0.048X2X4+0.11X3X4-0.18X12-0.013X22-0.51X32-1.03X42

表1　Box-Behnken试验设计及结果

由表2可知，该模型回归P＜0.001，说明模型回归极显著。回归方程的相关系数R2为0.988 5，说明模型自变量和响应值之间关系显著。模型失拟态不显著，说明回归模型对试验结果拟合较好。因此，可用该模型来分析和预测蜂花粉SDF提取工艺条件。从回归模型的显著性检验结果可知，X3、X4、X1X4、X12、X32、X42对蜂花粉SDF得率影响极显著，X2、X1X2对蜂花粉SDF得率影响显著。各因素对蜂花粉SDF得率的的影响为X4＞X3＞X2＞X1，即pH值影响最大，其次是浸提时间、浸提温度，液料比对蜂花粉SDF得率的的影响最小。

3.2.2模型双因素交互作用效应分析将回归方程中的任意2个因素固定在零水平，对余下的2因素按照所得的二元二次回归方程进行编程运算，经软件分析得到交互因素的响应面。结合表2的显著性分析可知，模型中液料比和浸提温度交互作用显著，其交互作用响应面见图5。液料比和浸提pH交互作用极显著，其交互作用响应面见图6。

表2　回归模型方差分析及回归系数的显著性检验

图5　液料比和浸提温度交互作用的响应面

图6　液料比和浸提pH交互作用的响应面

3.2.3最优条件的验证对回归方程进行分析计算，得到蜂花粉SDF最佳提取工艺条件为液料比10.8∶1，浸提温度50℃，浸提时间1.92 h，pH值4.31，在此条件下获得蜂花粉SDF的得率为7.38%。为检验响应面优化的可靠性，考虑实际生产操作的便利性，在液料比10.8∶1，浸提温度50℃，浸提时间1.9 h，pH值4.3工艺条件下提取蜂花粉SDF，得率为7.31%，与理论值接近，验证了此模型的有效性。

3.3蜂花粉SDF理化指标分析

在最佳提取工艺条件下制备得到蜂花粉SDF，其膨胀力、持水力、水溶性见表3。

表3　蜂花粉SDF理化指标

4　讨论

与豆渣、麸皮、果皮中纤维相比，本工艺条件下制取的蜂花粉SDF膨胀力和持水力相对较小，除去方法略有差异外，其原因可能与不同食品中纤维的组成成分以及纤维的水溶性有关。一方面，蜂花粉SDF可能更多的由相对分子质量较小、分子聚合度较低的SDF组分组成。而其他纤维则可能多由纤维素、半纤维素、木质素等IDF或者相对分子量较大、分子聚合度较高的SDF组分组成。另一方面，若蜂花粉SDF具有更好的水溶性，在测定膨胀力和持水力时有部分会不可避免的溶入水中，也会使得蜂花粉SDF膨胀力和持水力减小。

一般来说，相对分子质量越小，分子聚合度越低，物质的溶解性越好。实验结果表明，50℃下蜂花粉SDF水溶性高达84.78%，也初步验证了蜂花粉SDF可能多由相对分子质量较小，分子聚合度较低的SDF组分组成。同时，蜂花粉SDF具有较好的水溶性，也更易于将其应用在新型功能食品的研发中，尤其是乳制品、果汁、饮料等液体功能食品的研发中。

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（本文编辑杨瑛）

Extraction Process Optimization for Soluble Dietary Fiber from Bee Pollen by Response Surface Methodology

ZHENG Hui，CHEN Xiping*，CHANG Xinli，KONG Defeng，CHEN Zhenzhen，CHEN Juan
（School of Pharmacy，Hunan University of Chinese Medicine，Changsha，Hunan 410208，China）

R284.2；TS218；Q949.94

B

10.3969/j.issn.1674-070X.2015.02.007.020.05

2014-09-30

湖南省科技厅科技计划支撑项目资助（2014SK3015）。

郑慧，女，硕士，助教，研究方向：蜂产品功能食品。

*陈希平，女，副教授，硕士研究生导师，E-mail：1716425066@qq.com。