响应面优化微波辅助法提取刺梨水不溶性膳食纤维工艺

卢忠英,鲁道旺,陈仕学,姚元勇

(铜仁学院材料与化学工程学院,贵州铜仁 554300)



响应面优化微波辅助法提取刺梨水不溶性膳食纤维工艺

卢忠英,鲁道旺,陈仕学,姚元勇

(铜仁学院材料与化学工程学院,贵州铜仁 554300)

以刺梨为原材料,采用微波辅助法提取刺梨水不溶性膳食纤维。在单因素实验的基础上,采用Design-ExpertV8. 0.6软件设计响应面实验优化微波辅助法提取刺梨中水不溶性膳食纤维(IDF)的工艺。结果表明:影响微波辅助法提取IDF得率的主次因素为:提取温度>微波功率强度>液料比>微波时间。微波辅助提取刺梨IDF的最佳工艺参数为微波功率强度345 W/g,提取温度:63 ℃,微波时间:12 min,液料比:20 mL/g,此条件下刺梨IDF得率可达80.02%,与IDF得率理论值比较,其相对误差约为0.22%,且重复性好,验证了数学模型的准确可靠性。

刺梨,微波辅助法,响应面,水不溶性膳食纤维

刺梨(Rosaroxburghiitratt)是贵州、鄂西山区、湘西等地的天然野果,是我国特有的果树资源之一,在贵州省有大面积的人工种植[1]。刺梨有效成分丰富,主要活性成分有维生素C、超氧化物歧化酶(superoxide dism utase,SOD)和膳食纤维等。据文献报道,其中膳食纤维在增强免疫力、抗动脉粥样硬化、延缓衰老、抗癌防癌(尤其在防止胃癌、肝癌方面效果较佳)、促进消化等方便效果显著[2-5]。

膳食纤维(dietary fiber,DF)被人类称为“第七大营养素”,是由纤维素、果胶、半纤维素和木质素等组成的非淀粉多糖类为主的化合物总称[6],其特点是不能被人体所消化,根据溶解性可分为水溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)[7],水不溶性膳食纤维主要包括纤维素、半纤维素、木质素等,其在人体内主要作用是填充胃肠腔,增强饱腹感,刺激肠壁蠕动,使粪便多水、疏松、增加容量,同时促进各种内源性和外源性毒素的排泄,从而预防多种疾病,养颜防老,预防便秘、肥胖、结肠癌、高血压、动脉硬化等作用[8-9]。因此目前在保健品、食品等产业中广泛开发。

微波技术在天然产物提取方面备受关注,其原理是其吸收微波能,加速细胞内部温度迅速上升,使其细胞内部压力超过细胞壁膨胀承受能力,导致细胞破裂,使细胞内有效成分自由流出,从而达到提取目的。其技术具有节省溶剂和时间,提取率高等特点[10]。

目前从刺梨提取IDF的报道甚少,刘玉倩[9]等人测定刺梨果渣中膳食纤维含量高达70%以上。IDF是刺梨膳食纤维主要成分之一,本研究以刺梨为材料,在单因素实验基础之上采用Box-Behnken 中心组合设计,响应面优化微波辅助提取刺梨IDF的提取条件,为刺梨的开发利用提供理论参考。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

刺梨干果于2015年1月购自铜仁市中草药材店,粉碎,过80目筛,加入适量石油醚除脂,于50 ℃烘箱中干燥备用;氢氧化钠、乙醇、乳酸成都金山化学试剂有限公司,均为国产分析纯。

EG7KCGW2-NW型微波炉美的集团股份有限公司;DHG-9146型真空干燥箱上海精宏实验设备有限公司;HH-2型数显恒温水浴锅国华电器有限公司;FW80型万能粉碎机北京科伟永兴仪器有限公司;JJ-500精密电子天平上海恒平科学仪器有限公司;PHS-3C型pH计雷磁仪器厂。

1.2实验方法

1.2.1刺梨IDF提取工艺取样品→粉碎过筛→加一定量石油醚除脂→过滤→干燥滤渣→Sevag试剂除蛋白→加入乳酸→微波辅助提取→提取液→离心→取上清液→加NaOH溶液→IDF析出→脱色→离心→取沉淀→水洗至中性→60 ℃干燥→成品IDF[11]。

1.2.2刺梨IDF提取方法准确称取 10.00 g粉碎刺梨粉末,加6～8倍石油醚浸泡3 h,过滤取滤渣,用蒸馏水清洗残留的有机溶剂,置于50 ℃的烘箱内烘干,得脱脂样品。取干燥脱脂样品,采用Sevag(三氯甲烷:正丁醇体积比=4∶1)试剂除蛋白,得干燥样品。向干燥样品中加入蒸馏水混匀,继续加入适量1.0 mol/L乳酸调pH在 4.5左右,采用微波辅助提取一定时间,将提取液于4000 r/min离心15 min除渣,取上清液,向其加入0.1 mol/L NaOH溶液中和酸,调pH为8.5左右,使IDF充分析出,继续加入10 mL 5% H2O2,在50 ℃恒温水浴锅中加热脱色30 min,将溶液于4000 r/min离心15 min,取沉淀,用蒸馏水洗至中性,置60 ℃烘干,重复实验3次,取平均值,计算IDF得率[11]。

IDF得率(%)=干燥IDF粉末质量(g)/干燥原料质量(g)×100

1.3刺梨基本成分测定方法

粗脂肪的测定:GB/T 5512-2008;粗蛋白的测定:GB 5009.5-2010;水分及挥发物的测定:GB/T 5528-2008;灰分的测定:GB/T 5505-2008;纤维素、半纤维素的测定:近红外光谱法[12];IDF的测定:酶-重量法[13];木质素的测定:紫外分光光度法[14]。

1.4实验设计

1.4.1刺梨IDF提取单因素实验设定微波功率强度350 W/g,液料比20 mL/g,提取温度65 ℃,考查微波时间在6、9、12、15、18、21 min时对刺梨IDF得率的影响;

设定液料比20 mL/g,提取温度65 ℃,微波时间12 min,考查微波功率强度在200、250、300、350、400、450 W/g时对刺梨IDF得率的影响;

设定微波功率强度350 W/g,提取温度65 ℃,微波时间12 min,考查液料比10、15、20、25、30、35 mL/g时对刺梨IDF得率的影响;

设定微波功率强度350 W/g,液料比20 mL/g,微波时间12 min,考查提取温度在35、45、55、65、75、85 ℃时对刺梨IDF得率的影响。

1.4.2响应面实验以单因素实验结果为基础,利用Box-Behnken中心组合实验设计,选取自变量的四因素分别为:微波功率强度(A)、提取温度(B)、微波时间(C)、液料比(D),响应值为刺梨IDF得率,采用4因素3水平的响应面分析方法求取优化的工艺参数,实验因素水平设计见表1。

表1　Box-Behnken设计实验因素水平及编码

2　结果与分析

2.1刺梨基本成分分析

由表2可得,刺梨中含量较高的有粗蛋白、粗脂肪及IDF。植物体中粗蛋白和粗脂肪含量高会导致IDF得率降低,欲提高IDF得率,应尽量将其除去。

表2　刺梨基本成分及含量(%)

2. 2单因素实验分析

2.2.1微波功率强度对刺梨IDF得率的影响如图1所示,由图1可知,微波功率强度在 200～350 W/g 之间时IDF得率缓慢增加,在350 W/g时达到最大值,之后随着微波功率增大,IDF得率有下降趋势。分析随着微波功率强度的增大能够加快扩散速度,促使细胞壁出现孔洞,有利于IDF的溶出,但是功率强度过大可能会对IDF分解而造成破坏[15]。

图1　微波功率强度对刺梨IDF得率的影响Fig.1　Effect of microwave power intensity on the rate of Rosa roxburghii IDF

2.2.2提取温度对刺梨IDF得率的影响如图2所示,由图2可知,当提取温度在35～65 ℃时,随温度升高IDF得率持续稳定上升,在65 ℃达到最大值,当超过65 ℃时,IDF得率有显著下降,分析是IDF本身具有不溶性,高温加速纤维素的溶解,同时温度过高使纤维素和半纤维氢键遭破坏,故使IDF得率降低[16]。

图2　提取温度对刺梨IDF得率的影响Fig.2　Effect of extraction temperature on the rate of Rosa roxburghii IDF

2.2.3微波时间对刺梨IDF得率的影响如图3所示,由图3可知,随着微波时间的延长,IDF得率有上升的趋势,在12 min 时达到最大值,随后开始缓慢下降。分析原因可能是在一定范围内,微波时间的延长有助于IDF的溶出,但是在长时间的微波加热提取状态下,IDF小部分可能会发生水解[16],从而使得率降低。

图3　微波时间对刺梨IDF得率的影响Fig.3　Effect of microwave time on the n rate of Rosa roxburghii IDF

2.2.4液料比对刺梨IDF得率的影响如图4所示,由图4可知,液料比对IDF得率具有一定的影响,液料比在10～20 mL/g之间时,IDF得率显著升高,在20 mL/g时IDF得率达到最大值。随液料比加大,IDF得率有所下降。这是由于在适当的范围内,料液比的增加有利于IDF 的溶出,但液料比超过一定量时,原料对微波能的吸收会影响,从而使 IDF 得率有所下降。

图4　液料比对刺梨IDF得率的影响Fig.4　Effect of liquid-to-solid ratio on the rate of Rosa roxburghii IDF

2.3刺梨IDF提取工艺响应面法优化

根据单因素实验结果,建立响应面实验因素水平见表1,Box-Benhnken 设计及实验结果见表3,方差分析结果见表4。

表3　响应面实验设计及结果

2. 3. 1响应面实验结果分析用Design Expert8.0.6软件对表3经回归拟合后,得到二次多元回归方程:

IDF得率(%)=80.59-0.92A-1.39B+0.31C+0.57D+0.42AB-1.27AC-0.07AD-0.76BC-1.16B D+0.27 CD-4.83A2-4.81B2-4.25C2-3.8D2。

表4　回归方程方差分析

注:*模型或因素差异显著(p<0.05);**模型或因素差异极显著(p<0.01)。该式中一次项A、B、D及二次项A2、B2、C2、D2对IDF得率均表现显著水平(p<0.05,p<0.01),交互项AC交互作用差异最为显著(p<0.01),BC、BD交互作用差异显著(p<0.05)AB、AD、CD交互作用差异不显著(p>0.05);表明各因素与响应值之间不能用简单线性关系解释,而是一种非线性关系。对模型进行方差分析,据表4所示,模型的F值为,值<0.0001,说明模型是极显著的。失拟项的F值为42.69,p值为0.3182(p>0.05)模型失拟度不显著,说明与实测值拟合程度较好,可以用此模型预测IDF得率的最佳提取工艺条件,综合分析其影响IDF得率的主次因素为B>A>D>C,即提取温度>微波功率强度>液料比>微波时间。

2. 3. 2各交互项对IDF得率影响分析通过Design Expert8.0.6软件,考察各因素交互作用对IDF得率的影响,以极显著项B与其余各项分别进行分析比较,做出响应曲面图(图5～图7),根据等高线的形状显示交互作用的强弱,椭圆形说明两因素交互作用显著,而圆形则反之。观察图5～图7可知,其中AC的响应面曲线与BC、BD比较表现为陡峭,对IDF得率显著影响,BC、BD的响应面曲线较陡,对IDF得率影响仅次于AC曲线,AB、AC响应面曲线较平缓,与方差分析一致。

图5　微波功率强度与微波时间对IDF得率影响Fig.5　Influence of microwave power and microwave-assisted extraction time interaction on IDF extraction rate

图6　提取温度与微波时间对IDF得率影响Fig.6　Influence of extraction temperature and microwave-assisted extraction time interaction on IDF extraction rate

表6　刺梨IDF基本成分分析(%)

图7　提取温度与液料比对IDF得率影响Fig.7　Influence of extraction temperature and liquid-to-solid ratio interaction on IDF extraction rate

2.3.3最优提取工艺条件的确定及验证根据响应面实验设计及结果分析,可得到刺梨IDF得率的最佳理论条件为:微波功率强度:345.41 W/g,提取温度:63.32 ℃,微波时间:12.22 min,液料比:20.42 mL/g,在此条件下刺梨IDF得率为81.80%。综合考虑实验可行度,将各因素理论值调整数,微波功率强度345 W/g,提取温度:63 ℃,微波时间:12 min,液料比:20 mL/g,在此最优条件下进行3次验证实验,刺梨IDF得率可达80.02%,与IDF得率理论值比较,其相对误差约为0.22%,验证了数学模型的准确可靠性,具有实用价值。

2.4刺梨IDF基本成分分析

由表6可知,通过微波辅助法提取刺梨中 IDF 主要成分为纤维素、半纤维素和木质素,其含量比较:纤维素>半纤维素>木质素,其粗蛋白和粗脂肪含量均较低(1.24%和 2.12%),表明所提取的膳食纤维纯度较高。

3　结论

本文在单因素实验的基础上,采用Design-ExpertV8. 0.6软件设计响应面实验优化刺梨IDF微波辅助法提取工艺。实验表明:影响微波辅助法提取IDF得率的主次因素为:提取温度>微波功率强度>液料比>微波时间。微波辅助提取刺梨IDF的最佳工艺参数为微波功率强度345 W/g,提取温度:63 ℃,微波时间:12 min,液料比:20 mL/g,此条件下刺梨IDF得率可达80.02%,与IDF的提取理论值比较,其相对误差约为0.22%,且重复性也很好,验证了数学模型的准确可靠性。

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Optimization of microwave-assisted extraction of insoluble dietary fiber(IDF)fromRosaroxburghiiby response surface method

LU Zhong-ying,LU Dao-wang,CHEN Shi-xue,YAO Yuan-yong

(Institute of Material and Chemical Engineering,Tongren University,Tongren 554300,China)

Insoluble dietary fiber(IDF)was extracted fromRosaroxburghiiby microwave-assisted extraction method. Based on the results of single factor experiments,the extraction procedure was optimized using response surface methodology(RSM)and Design-Expert V8.0.6 software. The order of influencing factors of IDF yield was:extraction temperature>the power of microwave>liquid-to-solid ratio>microwave-assisted extraction time. The optimum extraction conditions were as follows:the microwave power of 345 W/g;extraction temperature of 63 ℃;microwave-assisted extraction time of 12 min;and liquid-to-solid ratio of 20 mL/g. Under the above optimum extraction conditions,the actual yield of IDF fromRosaroxburghiiwas 80.02%. The relative standard deviation between theoretical and practical yields was 0.22% and the results demonstrated a good reproducibility,indicating the effectiveness and reliability of RSM model.

Rosaroxburghii;microwave assisted;response surface;water insoluble dietary fiber

2016-03-01

卢忠英(1987-)，女，硕士，讲师，研究方向：天然药物化学成分与新药研发，E-mail：luzhongying@126.com。

梵净山特色苗药资源保护与开发产学研基地(黔教合KY字[2014]233);教育厅省级重点支持学科(黔学位合字ZDxk[2015]34号。

TS255.1

B

1002-0306(2016)17-0195-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.030